专利名称：带产生轴向磁场的单独内部组件的真空断流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及有轴向磁场的真空断流器的构造，特别是涉及这样一种真空断流器，它包括一个与一对接触电极之一相关联的，能产生磁场的单独内部组件。
真空断流器用来切断大约数千安培的强交流电流，它典型地包括位于一个真空外壳中的两个可相对移动的电极组件，或接触式组件。在电流的传导过程中，当电极组件从一个普通的闭合回路状态(此时每一个组件的一个接触面与另一组件的接触面贴合在一起)转到一个开式回路状态(此时接触面之间的触点间隙一般小于1英寸)时，在电流消失之前，通常在接触面之间的触点间隙之间形成一电弧。在轴向磁场(AMF)真空断流器中，在触点间隙之间形成一个轴向磁场。该磁场的作用是迫使最初的圆柱形高电流真空电弧迅速地扩散，并在触点间隙内连续地分布，故阳极接触仅是一种扩散电流的无源集电极。这种产生高电流扩散电弧的能力使该装置具有优异的断流能力。
在一种AMF型真空断流器中，做为每个电弧接点的部件而组装的内部装置引导电流，以便产生AM(轴向)磁场B。B是产生AMF的电流I，轴向位置Z，接触片间的距离d及组件的几何形状的函数。(为简化描述，我们不考虑B的径向变化)。实际上，作为现有技术的带AMF接触器的工业用AMF真空断流器，在两个电极组件中，一般已使产生AMF的装置具有同样的几何形状，这样在两个接触表面上施加的AMF也是一样的，并且所施加的AMF对于触点间隙的中心平面是对称的。因此产生的B与瞬时电流I成比例。对于现有技术中AMF接触器构造的某些重要的工业实例，在美国专利No.4,260,864，4,367,382及4,620,074中有描述说明。
用于构成AMF真空断流器的该现有技术有它不足的方面。因为它们有比较复杂的几何形状，所以与无AMF的接触器相比，AMF接触组件在某种程度上制造更困难并且成本更高。AMF接触组件伴有附加的阻抗，这与要求真空断流器有低的总阻抗的目的是对立的。在电流的传导过程中，附加阻抗会在AMF接触组件中引起额外的温升，这与要求断流器产生低热的目的是对立的。温升的原因部分是由涡流造成的，该涡流由真空断流器内导电部分中的正弦形AM磁场引起。由于这些涡流的作用减低了B的净值，并增加了它对主电流的相滞后，故而也不希望有这些涡流。减少涡流的方法，例如在编号的共同申请中有所描述，往往会造成在接触器或电极的几何形状方面有更大的复杂性。
因此，对于一种轴向磁场真空断流器的要求是经济，结构简单，以及能有效地断开强大的交流电流，并且没有现有技术装置的不足和缺点。
本发明的一个目的是提供一种有轴向磁场的真空断流器，它具有比现有技术的装置低的阻抗。
本发明的另一目的是提供一种有AM磁场的真空断流器，它减少了在断流器中产生的涡流热，而且对接触器及产生磁场的装置而言不会增加其复杂性。
本发明的再一个目的是提供一种有AM磁场的真空断流器，它可产生断开电流所需的最小磁场。
根据本发明可实现这些和其他目的，本发明提供了一种对峰值电流Im有最大断流能力的真空断流器，该断流器包括第一及第二同轴定位的电极组件，它们可沿着由在开路及闭路状态间的共同轴线限定的纵向相对移动，每一电极组件包括一个接触面，它与另一电极组件的接触表面相对。只有第一电极组件包括一个轴向磁场(AMF)组件，当主电流I的一部分或全部流过它时，在接触表面之间的触点间隙中会产生一个磁场B。AMF组件是这样构成的，即当瞬时电弧电流I(以千安(KA)计)，处于它的峰值Im时，电极组件处在开路状态，B在轴向上的瞬时分量为Ba(以毫忒斯拉(mT)计)，它作用在每个接触表面的大部分上及其间，Ba的特征为5mTkAIm>Ba≥3.2mTkA(Im-9kA)---[1]]]>根据本发明的另一方面，AMF组件包括一普通的环形有效线圈，该线圈具有一平均半径a，并包括N个周向有间隔的线圈段，每段有一轴向厚度的中点，它沿轴向距接触表面的平均间距为Z0，线圈段限定了N个基本上相同的平行电流通路，进入第一电极组件的接触表面之前，有近于相等的断流器电流I的支路电流I′流过它们，线圈段还限定了一低电流泄漏通路，在进入第一电极组件的接触表面之前，断流器电流I的基本相等的支路电流aI′流过该通路，通过任何一线圈段的aI′小于I′，如此构成的真空断流器使a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1(N+a)cosΦ[1-9kAIm]---[2]]]>式中d为处于开路状态的触点间隙，Φ为由涡流引起的Ba对I的相移，a、Z0及d用米表示，Im用千安(kA)表示。
在本发明的一个典型实施例中，有效线圈段通常为圆形，一般每段是共面的，并且在圆周上间隔开。在一个实施例中，真空断流器的构造参数是这样的a大约为0.033米，Z0大约为0.0164米，N为2，Φ大约为37°，a大约为0.123，Im约为51千安，并且d小于或近似等于0.0128米。
在本发明的另一典型实施例中，线圈的构造是这样的，即线圈段限定了N个沿圆周隔开的窄槽，每个窄槽与纵轴形成的倾角为θ，这样每段重叠在相邻段上，具有该结构的真空断流器使a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1k(θ)·(N+a)cosΦ[1-9kAIm]---[3]]]>式中，k(θ)的范围在1.0到1.2之间。在一个实施例中，d近似为0.008米，N＝6，而k(θ)近似为1.078。
本发明的上述目的及各方面情况可通过下述参照附图所示典型实施例对本发明的说明有更加全面的了解。
图中所示为本发明的某些优选典型实施例。应当理解，该发明不局限于作为例子而揭示的典型实施例，并且能在所附的权利要求的范围内进行变化。
图1为表示根据本发明的真空断流器的原理的局部轴向剖视图；图2为包含产生轴向磁场的一段线圈的电极组件的分解图；图3为图2中沿3-3线的剖视图。
图4示出了装有用以产生一轴向磁场的开槽杯形设置的电极组件。
图1示意地示出了按照本发明的有轴向磁场(AMF)的真空断流器1的主要元件，该图为不完整的部分剖视图。其内装有普通的同轴定位的内部元件的真空壳体3包括间隔开的端盖5及一个管状绝缘壳体7，它们由金属与绝缘的(metal-to-insulation)真空密封件9连接。在使用时，真空壳体内一般被抽空到压力大约为10-6乇(Torr)。在真空壳体内放置第一电极组件11及第二电极组件13，在图中它们处于开路状态。电极组件11、13分别与第一及第二电极柱15、17电耦合并由它们支承，这提供了与断流器1之外的一个电路(未示出)的电连接。一个装有柱15的可动件的波纹管19可允许电极组件11，13在电极组件11，13彼此相互接触的闭路状态(未示出)和开路状态之间沿由电极组件11，13的共同轴线限定的纵向相对移动。通常包围在第一及第二电极组件11，13周围，并在空间上与其隔开的是一个为本技术领域中的技术人员所公知的、通常为圆柱形的金属汽化冷凝屏蔽21。第一电极组件包括一个第一电极接触片23，而第二电极组件13包括一个第二电极接触片25，它们分别有接触表面27、29，其中一个电极接触片的接触表面面对另一电极接触片的接触表面。两个接触表面27、29间的距离定义为触点间隙，在处于开路位置时其最大值为d，如图1所示。
现有技术的典型AMF真空断流器为对称结构，每个电极包括一个由断流器电流激磁的线圈式结构，用于产生AMF。相反，真空断流器1是非对称式结构，仅是第一电极组件11包含一个轴向磁场组件(AMF组件)31，它有磁场产生结构，例如线圈33，当由断流器电流励磁时，能产生轴向磁场(AMF)。第二电极组件13不包含AMF组件。这样与现有技术的设计中一般每个电极组件都含有产生AMF的结构相比，降低了复杂性、成本、阻抗、温升及涡流。可以理解，AMF组件能装入可移动电极组件或固定电极组件中的任一个。
真空断流器一般由最大峰值断流电流Im及一个最大回路电压来标定。在开路状态下，接触表面27、29分开时，最小容许的AMF做为用于确定AMF组件31的参数Im及d的依据。如果将额定电流规定为Irms，则Im=(2)Irms]]>。最好将AMF减少到其可容许的范围内，因为产生比所需轴向磁场大的接触器设计将会导致其比所需的更加复杂，成本更高，阻抗、传热及涡流更大。
为了减少有害的阳极活动性，有一个临界的或最小的AMF值。这个临界的AMF值随电弧电流线性地增加。当触点间隙在其最大给定值d时，在触点间隙内的最小可容许的AMF由断流时的最大峰值电流Im来确定。
根据本发明，AMF组件31的构成使得当瞬时电弧电流为Im(千安)，并且触点间隙完全按间距d分开时，由AMF组件分别施加在接触片23，25的接触表面27，29上的大部分及其间的磁场B(毫忒斯拉)的瞬时轴向分量，符合下述关系5mTkAIm>Ba≥3.2mTkA(Im-9kA)---[4]]]>在产生AMF的结构(即AMF组件31)位于第一电极组件11的接触表面27的平面之后的情况下，电极组件11的几何形状可由Im，d及AMF组件31的几何形状的解析函数表示。在该情况下，在离开AMF组件31及第一电极组件11的方向上，AMF的温度随沿触点间隙的轴向距离单调地降低。那么，公式4中所述的特性变为，当I＝Im′的一瞬间，在第二电极接触片25的接触表面29的轴向区域内，由AMF组件施加的轴向磁场强度B由公式4求得，式中Im为千安(kA)。
在AMF组件31包括一带有多个弧形段的有效线圈结构的情况下，第一电极组件11的几何形状特性可由Im及d的解析函数表示。这包括以下情况，即例如有N个同样的弧形线圈段，在电流进入第一电极接触片的接触表面之前，通过它们流过相等部分的主电流。图2及3示出了这种电极组件的实例，图2为部件分解侧视图，而图3为图2的一个剖视图。
电极组件100包括一个对接式电极接触器102，以及在电极柱106及电极接触器102之间耦合的AMF组件104。AMF组件104包括第一及第二线圈段108，110，每个线圈段沿圆周伸展近180度。一个通常为环形的基座112支承第一及第二线圈段108、110，并与电极柱106连接。在第一及第二线圈段108、110和电极接触器102之间的电接触分别由接线柱114及116来完成的。由圆柱形支架118提供用于接触器102的附加支撑。接触器102有一接触表面120，它与无磁场的第二电极组件124的接触表面112相对。
第一及第二线圈段108、110提供了两个平行的支路电流通路。由支架118形成一条导电性低的通路，电流的一部分通过它分流到激励线圈段108、110中，这部分电流比通过任何激励线圈段的部分都小。虽然AMF组件104仅包括两个激励线圈段，可以认为在AMF组件中可包括一个延伸约360度的单个环形激励线圈，或多于两个的激励线圈。
现在回到在AMF组件中有N个激励线圈段(例如第一及第二线圈段108、110)的一般情况，以及当激励线圈段相同时的特殊情况，设I′为通过一段的电流，并设aI′为通过泄漏通路(即支架118)的电流，此处0＜a＜1，那么总电流I＝(N+a)I′。设Z为从接触表面120的平面到间隙126中的一个轴向位置测得的轴向距离，这样0≤Z≤d。设Z0为从每段线圈的中心到接触器102的接触表面120的平面测得的距离并设a为线圈段的平均半径。
假设由于涡流的影响，轴向磁场B滞后电流I一个相位移Φ，那么B=0.5a2μ0IcosΦ(N+a)[a2+(Z0+Z)2]1.5---[5]]]>式中B以忒斯拉为单位，μ0＝4π×10-7N/A2，I以安培为单位，参数(a，Z0及Z)的数量量纲为米。
当I＝Im(千安)，Z＝d并且B的单位为毫忒斯拉时，公式〔5〕的详细表示为B=a2μ0ImcosΦ(N+a)[a2+(Z0+d)2]1.5≥3.2mTkA[Im-9kA]---[6]]]>重新整理各项，这个改进的接触组件的量纲的详细表达式为a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1[1-9kAIm]---[7]]]>作为一个实例，设想有一种与图2及3所示设计类似的，采用一种反向对接型接触器的，直径为3英寸的AMF接触组件。在那种情况下，a＝0.033米，Z0＝0.0164米，N＝2并且a＝0.123。从有限元电磁场分析出发，我们可以认定这种AMF接触组件的相移Φ＝37°。我们也能认定当Im＝5.1×104安时，如果d≤0.0128米，这种构造应该满足公式7。将这些参数值代入公式7，我们可得到12.75≥11.14，故对这样的峰值电流及最大间隙来说，这是一种成功的结构组成。
当AMF由一种杯形接触器产生时，该接触器具有一在接触器配置的轴向上有沿相同方向倾斜的N个窄槽的空心圆柱形接触载流器，AMF接触组件的几何形状的特性也可由Im，d及AMF接触组件的几何形状的解析函数表示。图4示出了该种配置。一个第一电极组件200包括一个在电极接触板204及电极棒206之间电耦合的呈开槽杯形件202形式的AMF组件。槽208形成一用以产生磁场的一个轴向分量B的有效线圈段。设定a为开槽区的平均半径，并设定Z0为槽的平均高度加上接触器204的厚度，此外，d为电极组件200与一相对的无轴向磁场的接触组件210间的最大间隙。
大致上，开槽的杯形配置可以设计成一种分段的激励线圈，这与参考图2及3在上述讨论中分析的情况相似。为了优化槽的倾角θ的范围，由于倾斜狭槽的重叠将使实际的AMF值稍大于由公式5得出的值。设定适当的修正系数为k(θ)，它一般为1.1左右。
采用将其结果用公式7表示的同样的分析，我们得到用于该接触组件的量纲的下述详细表达式a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥[Im-9)(N+a)m-1ImcosΦ---[8]]]>作为一个实例，设想在由美国专利No.4,620,074中所描述的带有开槽杯形接触器配置的断流器的情况下，它公开了相对式的接触器，每个接触器有一开槽杯形的产生AMF的结构。对于在此描述的几何形状而言，a＝0.0415米，Z0＝0.0105米，d＝0.015米，N＝6及ζ＝75°。由于两个AMF组件，在触点间隙的中心的AMF总值为4.2μT/A，这比它们的最小可容许值3.5μT/A大。在对它们的分析中，a＝0，且相移Φ被认为是无意义的。采用公式(5)的形式，如果k(ζ)是符合我们的估算值，即大约为1.078，就可得到它们确定的AM场强。
现在假设不是两个AMF结构中的每一个都与一个电极组件相关联，而是仅采用一个有上面引用的专利的几何形状的开槽接触器。如果最大的间隙d减至0.008米，保持k(ζ)＝1.078，并且假设Φ＝12.3°(即由图2及3所示的两段线圈产生的相移的1/3)，将它们代入公式(8)，这样最大峰值电流为Im＝24,500安，可以预期消除在无轴向磁场的电极接触器中与阳极有关的问题。这是在无AMF接触器的表面上，B/I＝2μT/A时得到的，它比上述引用专利中所要求的值要低。
因此，采用在此所描述的本发明，能够得到一种与现有技术的设计相比，有显著的断流能力、简化的结构及较低阻抗的真空断流器。此外，与现有技术的设计相比，该结果可以由一种每单位电流的较小的轴向磁场得到。
与上述的变化及实例、附加的变型相结合所揭示的本发明对本技术领域中的技术人员而言现在已是显而易见的了。本发明并不旨在局限于这里专门提到的变化，应当对所附权利要求提供相应的参考资料，而不是对较佳实例的上述讨论提供参考，从而了解其中要求了全部权利的本发明的范围。
权利要求
1.一种具有峰值电流Im的最大断流能力的真空断流器(1)，包括第一及第二同轴定位的电极组件(11，13)，它们可沿着开路状态及闭路状态之间的一条公共纵向轴线相对移动，每一电极组件包括一接触表面(27、29)，该接触表面与另一电极组件的接触表面(29、27)相对，仅有第一电极组件(11)包括AMF装置(31)，它在电极组件(11，13)处于开路状态，并且瞬时电弧电流为Im(以千安计)时，在接触表面(27、29)之间的触点间隙中产生一个基本上沿纵向的磁场B，B在轴向上的瞬时分量Ba，以毫忒斯拉计，作用在每个接触表面(27、29)的大部分上，其值为5ImmT/kA≥Ba≥3.2(Im-9kA)mT/kA
2.根据权利要求1所述的真空断流器(1)，其特征为，在开路状态时触点间隙为d，并且AMF装置(31)包括一通常为环形的有效线圈，该线圈的平均半径为a并包括N个沿圆周隔开的线圈段，每个线圈段有一从接触表面(27)起沿纵向平均间距为Z0的中点，线圈段形成了N个实质上是相等的平行电流通路，在进入第一电极组件(11)的接触表面(27)之前，经过它们流过大致相等的断流器I的支路电流I′；而且还有一低电流的泄漏通路，在进入第一电极组件(11)的接触表面(27)之前，通过该通路流过断流器电流I的一支路电流aI′，aI′小于通过任一段线圈的I′，该真空断流器的组成使得a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1N+acosΦ[1-9kAIm]]]>式中，Φ是Ba与I的相移，a、Z0及d以米为单位计算，Im以千安为单位来计算。
3.由权利要求2所述的真空断流器(1)，其特征为，线圈通常是圆形的，每个线圈段(108，110)通常是共面的，并且在圆周上是间隔开的。
4.根据权利要求3所述的真空断流器(1)，其特征为，a为0.033米左右，Z0约为0.0164米，N为2，Φ为37°左右，a约为0.123，Im约为51千安，并且d小于或等于0.0128米左右。
5.根据权利要求2所述的真空断流器(1)，其特征为，线圈段限定了N个沿圆周间隔开的槽(208)，每个槽相对于纵向轴线倾斜角θ，这样每段重叠在相邻一段上，该真空断流器的构成使得a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1k(θ)(N+a)cosΦ[1-9kAIm]]]>式中，k(θ)的范围近似地在1.0及1.2之间。
6.根据权利要求5所述的真空断流器(1)，其特征为，d约为0.008米，N＝6，而k(θ)约为1.078。
全文摘要
一种轴向磁场真空断流器包括一个仅与两个相对的电极组件之一相关联的产生磁场的结构。该产生磁场的结构的特征在于当瞬时电弧电流为I
文档编号H01H33/18GK1144391SQ96102270
公开日1997年3月5日 申请日期1996年6月6日 优先权日1995年6月7日
发明者米歇尔·B·舒尔曼, 保罗·G·斯莱德 申请人:尹顿公司