专利名称：电触点、包括其的中压真空断路器、相关断路器及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及中压真空断路器，有时称为真空容器(vacuumbottles)。更具体地，本发明涉及加固中压真空断路器的触点的结构。主要应用是，真空断路器用作断路器(例如发电站的输出处的交流电(AC)发电机 隔离开关断路器)中的开关。
背景技术：
真空断路器已在中压配电开关装置中使用许多年，以断开几千伏特(kV)(典型地 是36kV)时的几千安培(kA)(典型地是25kA)，等级的短路电流。在这种类型的配电开关装 置中，真空断路器也必须在不过热的情况下承受连续电流，典型地是1250安培(A)等级的 电流。将真空电路器安置在配电网中的方式是这样的那些真空断路器在网络的正常操作 时闭合并承载连续的额定电流。本领域已知的是，为了断开这种短路电流，必须设计电弧触点(arc contact)，使 得在它们的面对端处产生强烈的轴向磁通量(AMF)，以在分离触点时消灭电弧。短路电流越高，产生的磁通量肯定越高，在触点之间具有最佳配电，以获得有效的 灭弧。此外，这几年来，真空断路器的改进的性能使得其能够直接在发电站的交流发电 机输出处用作开关。因此，其所受到的电压是36kV的等级，待被中断的短路电流是几千安 培，典型地是63kA，SOkA直到160kA。交流发电机的直接输出处的连续电流可达到相当大的 值，从9. 5kA直到26kA。而且，制造能够承受这种连续电流并且能够中断这种非常高的短路电流的真空断 路器，会要求其具有从成本观点来看无法接受的尺寸。而且，申请人已经在专利申请WO 2007/110251和W02007/082858中提出了一种动 态解决方案，其旨在仅在短路灭弧的过程中在电路中插入开关，由此保持开关在主电路之 外并从而防止连续电流穿过开关。发明人强调的另一问题是，对于这些中断大电流的应用，真空断路器的设计(包 括为了实现上述动态解决方案)将需要大直径的触点。然而，具有这种直径，会存在坍塌 (collapsing)触点的危险，或者换句话说，在触点闭合操作过程中或当触点处于闭合位置 时凹陷(subsiding)。为了当大电流穿过真空断路器时将真空断路器保持在其闭合位置，在 触点之间包括非常高的相互压缩力(大于700千克(kg)的力)。另外，在闭合操作的过程 中，可看到大于2公吨(t)的力的压缩力的峰值。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于进一步改进的真空断路器的设计，其允许触点机 械地承受在闭合操作过程中或当触点处于闭合位置时开始起作用的压缩力。本发明的一个特定目的是提出一种用于真空断路器的设计，该设计进一步使得所述真空断路器能够在发电站的交流发电机输出处直接用作断路器。为此，本发明提供一种用于中压真空断路器的电触点，其沿着纵向轴线Y延伸并 且包括沿着纵向轴线Y延伸的机械连接部分；触点本体，其包括第一空心圆柱体，其包括围绕其轴线且至少通向其外部的螺旋槽，所述第一空心 圆柱体定中心于纵向轴线Y并且具有固定至机械连接部分的一个端部，第一空心圆柱体的 空心部分没有材料，并且，第一空心圆柱体构成适于产生磁场的第一绕组；以及圆板，具有与第一空心圆柱体的外径相等的直径，所述圆板也定中心于纵向轴线 Y，并且固定至第一空心圆柱体的与其固定至机械连接部分的端部相对的端部。本发明进一步提供至少一个与绕组不同的立柱，并且，所述立柱被布置在第一空 心圆柱体的空心部分中作为机械连接部分和触点本体的圆板之间的撑杆，以避免它们在闭 合操作的过程中和在真空断路器的闭合位置中坍塌，撑杆具有高电阻，使得当给定电流在 触点中流动时，在立柱中流动的电流的量相对于在绕组中流动的电流可以忽略，立柱由用 陶瓷材料填充的金属管制成。发明人敏捷地考虑到用金属部分实现其高强度，同时用陶瓷部分实现其高电阻。 因此，发明人进行有效的折衷关于本发明提出的技术问题，由于陶瓷类型的材料不太导电 或不导电的事实，理想的解决方案在于将立柱制造为仅由陶瓷制成的撑杆。然而，发明人得 出这样的结论这种仅由陶瓷制成的撑杆，虽然其本质上具有高硬度和抗压性，但是存在被 碰撞弄碎的危险，即使碰撞不猛烈。弄碎的陶瓷颗粒导致真空断路器的介电性能明显变差。因此，本发明的解决方案是组合的解决方案，外管或护套由金属制成并填充有陶 瓷。因此，外护套和填料一起提供机械加固以避免坍塌，尤其是在触点的中心处，并且，陶瓷 作为填料的使用允许大幅增加每个撑杆的电阻。在一个实施例中，第二绕组由第二空心电圆柱体组成，第二空心电圆柱体包括围 绕其轴线且至少通向其外部的螺旋槽，第二空心圆柱体定中心于纵向轴线Y，且与第一圆柱 体同心，并且所述第二空心圆柱体的一端固定至机械连接部分，另一端固定至圆板，圆柱体 的空心部分没有材料。在另一实施方式中，第二绕组由附加的实心部分组成，所述实心部分包括两个圆 柱形部分和未封闭的且定中心于两个圆柱形部分的环形环，通过臂部将环的每个未封闭端 部固定至圆柱形部分中的一个。此附加部分的布置使得两个圆柱形部分定中心于纵向轴线 Y并且使得环形环与第一绕组同心。一个圆柱形部分固定至机械连接部分，并且，另一个圆 柱形部分固定至圆形接触板。第一绕组的空心部分以及环形环与两个实心圆柱形部分之间 的空间没有材料。高电阻的第一绕组的外径和圆板的外径在90mm至150mm的范围内，其优选地适于 这样的应用待中断的短路电流具有高于80kA的值。有利地，触点可包括三个相同的立柱，其在第一圆柱体的空心部分中围绕相同圆 周彼此间隔120°地分布。优选地，对于所考虑的大触点直径，例如，120mm或更大的等级的 直径，发明人对每个立柱选择2毫欧(πιΩ)的等级的电阻值，使并联电安装的三个立柱具有 666微欧(μ Ω)的总值。因此，与立柱的阻值相比，2μ Ω至3μ Ω的等级的触点总电阻可
5以忽略换句话说，电流仅稍微流过立柱。因此，优选地，当给定电流在触点中流动时，在立 柱中流动的电流的量不大于触点中的电流的总量的1%。本发明还提供一种包括至少一个如上所述的电触点的中压真空断路器。真空断路器可包括一对电触点，其包括静止的、如上所述的触点和移动的、如上所 述的触点。本发明还提供一种断路器，例如交流发电机隔离开关断路器，包括至少一个如上 所述的真空断路器。最后，本发明提供这种交流发电机隔离开关断路器的用途，其中，真空断路器仅承 载短路电流。
通过参照附图阅读以非限制性方式给出的详细说明，本发明的其它优点和特征体 现地更加明显，其中图1是本发明的中压真空断路器的部分竖直截面的视图；图2是本发明的一个有利实施方式中的触点的部分截面的图解视图；图2A是图2所示的实施方式的触点的纵向截面图；图3是插入本发明的触点中的立柱的横截面视图；图4是根据本发明的触点的透视图，其中，立柱没有示出；图5是根据本发明的触点的部分截面图，其中，立柱没有示出。
具体实施例方式如图1所示，本发明的真空断路器1具有纵向轴线Y，并主要包括一对触点，其中一 个触点2是静止的，另一个触点3通过操作杆4在断开位置(在右手侧上示出的部分)和 闭合位置(在左手侧上示出的部分)之间移动。真空断路器中的触点2、3通常隔开，以消灭可能在这些触点之间的空间5中产生 的电弧。不管是在闭合位置中还是在断开位置中，触点2、3位于屏蔽罩6内，屏蔽罩6本身 位于断路器的外壳7内，其内部是真空。中断高交流电要求能够控制产生的电弧。电弧控制装置通常是真空断路器的组成 部分。因此，其必须确保，触点2、3处的电弧的能量保持在可接受的限度之下，以能够中断 电流并能够承受瞬时恢复电压。一种已知类型的电弧控制是轴向磁场(AMF)电弧控制。这 导致产生平行于容器1的纵向轴线Y的磁场。因此，本发明的触点2、3中的AMF电弧控制装置由如图2所示设置的(即，位于触 点的外围处)圆柱形空心绕组8形式的零件组成。绕组8的空心部分80没有材料。空心 圆柱形绕组8包括围绕纵向轴线Y且至少通向其外部的螺旋槽81。为了优化AMF电弧控制装置，将第二绕组10设置为与第一绕组8同轴。第二绕组 适于产生叠加在由第一绕组8产生的磁场上的磁场，并且由此使得在触点的中心部分中有 效的总磁场增强。如图2所示，第二绕组由附加的实心部分10组成，所述实心部分10包括两个圆柱形部分IOOaUOOb和未封闭的且定中心于两个圆柱形部分IOOaUOOb的环形环102。通过 臂部101、103将环102的每个未封闭端部1020、1021固定至圆柱形部分IOOaUOOb中的一个。在环形环的端部1020和1021之间具有最小距离，并且，由此此距离对第二绕组10 产生的磁场的值没有影响(图2A)。此附加部分10的布置使得两个实心圆柱形部分IOOa和IOOb定中心于纵向轴线 Y并且其环形环102与第一圆柱体8同轴。实心圆柱形部分IOOa固定至机械连接部分20。 圆柱形部分IOOb固定至圆形接触板22。第一圆柱体8的空心部分80以及环形环102与圆 柱形部分IOOa和IOOb之间的空间没有材料。为了使附加绕组10中的电流和第一绕组8中的电流在环102中在相同方向上流 动(向上和逆时针)，将环102的端部1020固定至圆柱形部分IOOb的臂部103位于将环 102的另一端1021固定至圆柱形部分IOOa的臂部101的下方。在到达另一圆柱形部分 IOOa的顶部之前，到达圆柱形部分IOOb的底部的电流Iltl在环102中逆时针流动。到达绕 组8的底部的电流I8也沿着螺旋路径逆时针地流动。而且，在此实施方式中，通过考虑触点2的尺寸和第一绕组8的尺寸，并且根据轴 向磁场AMF所期望的轮廓，选择组成此附加部分10的材料、其高度、其厚度，以及环形环102 的外径。因此，可提供外径处于第一绕组8的圆柱体的内径的30%至80%范围内的环形环 102。轴向磁场AMF的精确轮廓是环形环102的外径Dext的函数和通过环形环的电流相对 于通过第一绕组8的电流量的比例的函数。具有小直径(典型地，外径Dext是第一绕组8的内径的30% )的圆柱体102的部 分10，具有增强总磁场的作用。具有大直径(典型地，外径是第一绕组8的内径的80% )的圆柱体102的部分10， 具有将中心部分中的轴向磁场的减弱补偿至较小的程度的作用，并且增强触点中心部分和 外围之间的中间区域中的磁场。第一圆柱形绕组8的厚度由通过其中的电流的密度确定并且由真空断路器所期 望的总电阻确定。如果绕组的厚度增加，那么真空断路器的总电阻减小。仅由机械连接部 分20、第一绕组8和端部接触板22之间限定的可用空间来限定第二绕组10的厚度。有利 地，构成第二绕组10的材料与构成第一绕组8的材料相同。自然地，只要材料具有相同的 电特性，材料可以是不同的。对于第一绕组8和对于第二绕组9或10来说，优选的材料都 是高纯度的铜，例如，无氧高导电(OFHC)类型的铜。OFHC铜的低电阻和其适于硬焊至其他 金属材料的适用性是已知的。对于给定的进入机械连接部分20的电流值I，实心部分10的形式的第二绕组使 得轴向磁场AMF能够产生，该轴向磁场在触点的中心处比仅通过具有空心圆柱体8 (具有槽 81)的形式的第二绕组的实施例产生的轴向磁场AMF更高值的差异可达到两倍或三倍。换 句话说，由具有实心圆柱体100和布置在圆柱体8的空心部分80中的环形环102的实心部 分10产生的总轴向磁场AMF可以是仅由空心圆柱体8产生的总轴向磁场AMF的两倍或三 倍大。有利地，通过实心部分10的电流的量处于通过触点2的电流I的总量的5%至30%的范围内。因此，可选择尺寸和材料，以组成实心部分10，使得所述实心部分具有穿过 其的等于穿过触点2的电流I的总量的10%的电流。对于电流的此相对量以及具有相同 的元件(机械连接部分20、触点本体21、第一绕组8、圆形端板22)，由具有环形环102的实 心部分10产生的轴向磁场AMF比由空心圆柱体形式的第二绕组9产生的轴向磁场AMF大 25%至 30%。每个现有技术触点2、3具有机械连接部分20、30和固定至机械连接部分的触点本 体21、31。本体21、31包括绕组8和圆板形式的电极部分22、32。当触点处于闭合位置中 时，此板22或32组成与另一板32或22相互物理接触的表面。因此，这些接触表面22、32 是电弧必须在其上尽可能均勻地和宽地扩散的表面。每个绕组8固定至机械连接部分20或30，并固定至圆板22或32。现有技术的绕组8和电极部分22、32典型地具有范围在50mm至80mm内的外径， 以中断范围在30kA至50kA内的电流。对于待中断电流大于63kA (例如，SOkA或更高)的应用，必须增加触点的外径并由 此增加绕组的外径。一个特别作为目标的这种应用是，在发电站的输出处用真空断路器作 为交流发电机断路器。外径可以在90至150mm的范围内，例如，120mm的等级。然而，发明人已经证明，对于具有范围在IOOmm至150mm内的这些较大直径的并且 由相同材料制成且具有和现有技术相同的几何形状的触点，存在坍塌的危险，或者换句话 说，触点2、3凹陷或更精确地圆板22或32凹陷，尤其是在中心处(围绕轴线Y)。在真空断路器的闭合位置中，电触点2、3相互对着彼此压缩。现在，为了承受较高 值的上述电流，所涉及的压缩力应大于700千克的力。此外，在闭合操作过程中，即在触点 2、3朝着彼此移动时，可观察到力的峰值大于2t的力。因此，对于被制造为没有特定机械加固装置的大直径(在90mm至150mm的范围 内)的触点2、3，圆板22可能会在这种力下坍塌。为了避免这种情况，发明人提出在触点21的本体中安置一个或多个立柱7，以用 作圆板22和机械连接部分20之间的撑杆。每个插入的立柱7具有高电阻，使得当给定电 流在触点中流动时，在立柱7中流动的电流的量相对于在绕组8和10中流动的电流可以忽 略。优选地，每个立柱7由金属管70组成，典型地由填充有陶瓷71的不锈钢管组成。 用标准的生产方法分别制造每个立柱的两个元件70和71。通过将所述管子插入为此目的 而在底座20中设置的孔，来装配金属管70。然后，将陶瓷插入物71插入金属管70。优选 地，两个元件70，71之间的装配确保其之间具有最小间隙。典型地，金属管70具有4mm至 5mm的内径和6mm的等级的外径。陶瓷插入物具有使得其能够被轻松接合的直径。在图2所示的实施例中，将三个相同的立柱7a、7b、7c作为撑杆插入触点22的本 体中。更精确地，这三个立柱7a、7b、7c彼此间隔120°地位于相同圆周上，并位于环形环 102内，即，位于圆柱形部分IOOa和IOOb与环形环102之间。在所示实施例中，三个立柱7a、7b和7c并联地电连接，以具有666 μ Ω的等级的 电阻值。当电流在触点2中流动时，本发明的三个立柱7a、7b、7c的总电阻使得能够在立柱 中获得的电流的量不大于触点中的电流的总量的1%。
上述发明使得能够获得以下优点当在闭合操作的过程中或者在闭合位置中受到大压缩力时，避免真空断路器的大 直径触点凹陷；具有立柱，该立柱被制造为由陶瓷填充的金属管的形式并易于制造，使得可达到 所寻求的具有高电阻和高压缩强度，并且，在制造和插入触点时这具有更低的成本。
权利要求
一种用于中压真空断路器(1)的电触点(2，3)，其沿着纵向轴线(Y)延伸并且包括沿着所述纵向轴线(Y)延伸的机械连接部分(20，30)；触点本体(21，31)，其包括第一空心圆柱体(8)，其包括围绕其轴线且至少通向其外部的螺旋槽，所述第一空心圆柱体定中心于所述纵向轴线(Y)并且具有固定至所述机械连接部分的一个端部，所述第一空心圆柱体的空心部分(80)没有材料，并且，所述第一空心圆柱体构成适于产生磁场的第一绕组；圆板(22，32)，具有与所述第一空心圆柱体的外径相等的直径，所述板(22，32)也定中心于所述纵向轴线(Y)，并且固定至所述第一空心圆柱体的与其固定至所述机械连接部分的端部相对的端部；以及至少一个与所述绕组不同的立柱(7)，并且，所述立柱被布置在所述第一空心圆柱体(8)的空心部分中作为所述机械连接部分(20，30)和所述触点本体的所述圆板(22，32)之间的撑杆，以避免它们在闭合操作的过程中和在所述真空断路器的闭合位置中坍塌，所述立柱具有高电阻，使得当给定电流在所述触点中流动时，在所述立柱中流动的电流的量相对于在所述绕组中流动的电流可以忽略，其中，所述立柱(7)由用陶瓷材料填充的金属管制成。
2.根据权利要求1所述的电触点(2，3)，其包括第二绕组(10)，所述第二绕组布置在所 述第一空心圆柱体的空心部分中且适于产生叠加在由所述第一绕组(8)产生的磁场上的 磁场。
3.根据权利要求2所述的电触点(2，3)，其中，所述第二绕组由第二空心圆柱体组成， 所述第二空心圆柱体包括围绕其轴线且至少通向其外部的螺旋槽，所述第二空心圆柱体(9)定中心于所述纵向轴线(Y)且与所述第一空心圆柱体(8)同心，并且所述第二空心圆柱 体的一端固定至所述机械连接部分，另一端固定至所述圆板(22，32)，所述圆柱体的空心部 分(80)没有材料。
4.根据权利要求2所述的电触点，其中，所述第二绕组由附加的实心部分(10)组成， 所述实心部分(10)包括两个圆柱形部分(100a，100b)和未封闭的且定中心于所述两个圆 柱形部分(100a，100b)的环形环(102)，通过臂部(101，103)将所述环(102)的每个未封 闭端部(1020,1021)固定至所述圆柱形部分(100a，100b)中的一个，该附加部分(10)的布 置使得所述两个圆柱形部分(100a，100b)定中心于所述纵向轴线(Y)并且使得所述环形环 (102)与所述第一绕组(8)同心，一个圆柱形部分(IOOa)固定至所述机械连接部分(20)， 并且，另一个圆柱形部分(IOOb)固定至圆形接触板(22)，并且，所述第一绕组(8)的空心部 分(80)以及所述环形环与两个实心圆柱形部分(100a，100b)之间的空间没有材料。
5.根据权利要求1所述的电触点(2，3)，其中，所述第一绕组的外径和所述圆板的外径 处于90mm至150mm的范围内。
6.根据权利要求1所述的电触点(2，3)，其包括三个相同的立柱(7a，7b，7c)，并且所述 三个相同的立柱在所述第一空心圆柱体(8)的空心部分中围绕相同圆周彼此间隔120°地 分布。
7.根据权利要求1所述的电触点(2，3)，其中，当给定电流在所述触点中流动时，在所 述立柱中流动的电流的量不大于所述触点中的电流的总量的1%。
8.一种中压真空断路器(1)，包括至少一个根据权利要求1所述的电触点(2，3)。
9.根据权利要求8所述的中压真空断路器，包括一对电触点，所述一对电触点具有静 止的、根据权利要求1所述的触点(2)和移动的、根据权利要求1所述的触点(3)。
10.一种交流发电机隔离开关断路器，包括至少一个根据权利要求8所述的中压真空 断路器(1)。
11.一种根据权利要求10所述的交流发电机隔离开关断路器的用途，根据该用途，所 述中压真空断路器仅承载短路电流。
全文摘要
本发明涉及电触点、包括其的中压真空断路器、相关断路器及其用途，尤其涉及一种真空断路器的新设计，其中，至少在一个触点中，将至少一个立柱用作撑杆，并且，将至少一个立柱设置在机械连接部分与触点本体的圆板之间，以避免其在真空断路器的闭合操作的过程中和在闭合位置中坍塌。本发明使得触点能够承受非常大的压缩力，典型地大于700kg的力或2t的力。
文档编号H01H33/664GK101923984SQ20101020005
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者乌韦·恩斯特, 利蒂希娅·达尔马齐奥, 格扎维埃·戈德肖, 皮埃尔·纽因厄尔, 赛义德·坎塔什, 马丁·施劳格 申请人:阿海珐输配电股份公司