电气中断装置的制作方法

本发明涉及一种电气中断装置。特别地，涉及一种用于切换电路中的短路电流的抽真空电气中断装置。

背景技术：

电气中断或切换装置用于中压电气设备中。最广泛使用的是真空切换装置，通常称为真空中断器。真空切换装置典型地用作切换装置的一部分，这是用于控制，保护和隔离电气设备和电路的电气部件的组合的广义术语。开关设备通常包括切换装置，例如真空中断器，用于施加力以切换切换装置的致动器，以及用于检测电气设备/电路中的切换要求(包括故障)的检测系统。

众所周知，真空中断器用于在输电和配电中切换高电流。在已知的真空中断器中，一对电极或触点封装在绝缘真空容器内，如图1中的简化形式所示。一个触点(10)固定在适当位置，另一个触点(11)可以通过外部致动器移动以分离两个触点并导致或破坏电流的产生。该接点通过真空室(12)的壁的移动通常由波纹管(13)实现。触点主要由高导电率材料制成，通常是铜，但接触表面(14)由特殊材料制成，例如铜铬合金。未示出金属屏蔽物，其防止通过电弧放电而蒸发的金属沉积在真空容器的绝缘部分的内部。

当触点分离时，在真空中抽出电弧，并且必须控制该电弧以防止在电弧消除之前的时间内损坏接触表面。电弧控制通常通过磁场实现，该磁场通过使被切换的电流在其通向接触表面的路上的圆形路径行进来产生。通常使用两种形式的电弧控制：轴向和径向磁场电弧控制。

用于轴向磁场电弧控制的触点在图2中示出，图2是触点组件的横截面。将电流带到每个接触表面的接触杆(21)在接触表面下方形成杯子形(22)，并且在杯子的侧面切割出倾斜的槽(23)，使电流以螺旋形路径朝向接触表面的边缘流动，从此扩散到接触表面上。这种形式的电流产生磁场，该磁场通常在组件的轴线方向上。第二触点具有与第一触点相同的槽，并且两个触点的磁场组合形成磁场，该磁场通常在接触表面的整个区域上沿着轴向方向。现在在高电流下，电弧具有收缩的趋势，使得电弧不会均匀地分布在接触表面上，而是通常集中在表面上的单个点处。该点处的集中电流导致触点的熔化和腐蚀，并且必须避免。轴向磁场的作用是使电弧在接触表面上更均匀地扩散。

用于径向磁场电弧控制的一种形式的触点在图3中示出。在这种情况下，除了第二触点中的槽以与第一触点中的槽相反的方向切割之外，该结构是类似的。其效果是电流协作以在接触表面的边缘处产生径向场。然后电动机效应起作用，从而使触点边缘处的电弧电流沿圆周路径移动。电弧收缩仍然发生，但由于电弧保持移动，因此避免了对接触表面的损坏。不需要中心区域，并且接触表面(31)以环的形式制成。

已知的真空中断器设计具有一些缺点，现在对其进行解释。

由于电流占据的路径长度更长并且特殊接触材料的电阻更高，先前描述的触点具有比具有铜制对接触点的普通棒更高的电阻。这意味着当正常负载电流连续流过闭合的触点时，在接触区域中有更多的加热。这倾向于加热整个装置，从而降低了装置可承载的最大可能负载电流，还有浪费电力。

已知的真空中断器中的接触组件由于要制造和组装的部件的数量大并且需要对接触表面使用特殊的材料，因此制造昂贵。

已知类型的真空中断器本质上是圆柱形的，这意味着陶瓷绝缘体必须制成挤压件，这是一种昂贵的工艺。如果中断器可以具有盒形真空封壳，则可以将陶瓷部分制成压制件，这是一种便宜得多的工艺。

传统的真空中断器的另一个问题是它们几乎专门用于交流(ac)电源而不是直流(dc)电源。真空中断器的这种限制的主要原因是需要消除任何产生的电弧所需的自然电流零点。当然，对于ac源，使用50hz源每0.1秒发生电流零点，因此电弧可存在的时间长度是有限的。然而，对于dc源，没有自然电流零点，因此电弧不会消除并且可以无限期地继续。

已经进行了一些尝试来克服该限制，但是这些主要涉及产生人工电流零点，例如在us2017263399中，或者通过利用额外的电涌放电器和谐振电路来抵抗dc电流，如wo2012/045360中，或者通过利用额外的电子产品。然而，通常没有考虑对接触电极本身的结构和形状的修改。特别是，在真空中引导或转移所产生的电弧远离触点或电极的概念似乎以前没有被认真考虑过。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于切换电路中的短路电流的电气中断装置，该装置包括：抽真空外壳；第一电极和第二电极，至少部分地位于外壳内，第一电极和第二电极由轨道间隙隔开；第三电极，其能够在闭合电路位置和断路位置之间相对于第一电极和第二电极移动，由此在移动期间在第三电极与第一电极和第二电极中的至少一个之间产生电弧；其中电弧由第一电极和第二电极引导远离第三电极。

这种布置显著地减少了电极的接触表面的磨损和要求，其中在这些电极之间通常产生电弧。通过利用上述布置，产生的电弧被引导远离产生电弧的点。这有助于电弧消散并允许使用非圆形电极。

在一个实施例中，第一电极和第二电极可以是非圆形的。这允许该装置被设计并且能够装配在通常不适合真空中断器装置的非标准空间内。

在另一示例中，该装置还包括第四电极，其能够相对于第三电极移动以产生短路和断路位置。第四电极可以与第三电极相对，其中第三电极能够相对于第四电极移动，并且其中第三电极和第四电极在闭合电路位置接触并且在断路位置以电弧间隙分离。

在这种情况下，在转移到第三电极和第一电极与第二电极中的至少一个之间之前，可以首先在第三电极和第四电极之间产生电弧。这允许电极的表面针对其预期目的而定制。换句话说，第三电极和第四电极可以被涂覆或者适合于使耐久性最大化或者针对电弧形成而定制，同时第一电极和第二电极被定制用于引导电弧远离第三电极。可以理解，当第三电极和第四电极之间的间隙大于第三电极和第一或第二电极之间的间隙时，电弧将转移。

在这样的实施例中，第三电极可以相对于第四电极移动，并且第三电极和第四电极在闭合电路位置接触并且在断路位置中以电弧间隙分离。第三电极相对于第四电极的移动可以在电弧间隙中产生电弧。当第三电极远离第四电极移动的距离比轨道间隙的距离更远时，电弧从电弧间隙转移到轨道间隙。

根据本发明的一个实施例，两个电极以两个大致平行的固定长度的棒的形式提供，其可以被认为是轨道，使得电流可以基本上进入一个棒的一端，沿着该棒行进一段距离，通过电弧交叉到另一个棒，然后返回并离开它进入的同一端。

这些棒之间的电弧可以沿着这对棒移开直到它消除。电弧的这种运动是由沿着一个棒流动并沿着另一个棒流回的电流的磁场，对电弧中的电流施加力而引起的。

这些棒可以足够长以在电弧到达轨道的末端之前发生电流零点，或者轨道可以到达使电弧消除的装置。物理上与轨道炮中使用的类似。可以理解的是，轨道炮没有容纳在真空中并且不用作电气中断装置。通过利用这种轨道效应，可以以类似于轨道炮的方式将电弧引导离开初始位置。可选地或优选地，轨道基本上是线性的。

线性切换电极可以容易地与电极组合以获得连续电流，从而可以在真空中断器中实现转移切换。

因此，提供了一种用于切换电路中的电流负载的电气中断装置，该装置包括：抽真空外壳；至少部分地定位的第一和第二线性电极，其穿过外壳的壁；以及用于允许一个电极移动并连接到致动器同时保持电连接到外部电路的装置。

通过对第一和第二电极中的至少一个使用非圆形几何形状，在中断事件期间产生的电弧可以被引导远离产生电弧的位置。这允许中断功能的设计与连续电流功能的设计分离，允许两者都被优化。例如，通过将电弧引导远离电极的连续电流电极点，连续电流电极表面可以由更适合于连续电流流动的材料(例如铜)形成，而不是与目前针对标准电气中断器的情况一样必须针对电弧消除进行优化。这也消除了在传导连续电流时迫使电流进入延伸的圆形路径所引起的增加的电阻。

优选地，第一电极和第二电极都是非圆形的并且用作引导电弧的电轨道。

通过利用这种轨道效应，可以以类似于轨道炮的方式将电弧引导远离电气切换位置。可选地或优选地，轨道基本上是线性的。线性切换电极可以容易地与电极组合以获得连续电流，从而可以在真空中断器中实现转移切换。

在实施例中，轨道基本上是平行的。这有助于由于轨道中的电流引导电弧的效果。通过移动远离电极的标准圆形几何形状，可以针对由电路提供的所需或允许的空间优化中断器装置的设计。例如，可以使用平行轨道设计扁平的中断器，该平行轨道将电弧引导到灭弧点或部件。

在实施例中，轨道是发散的。这允许电弧在沿着轨道行进时膨胀，削弱电场强度并增加电弧电压，这有助于电弧的消散。

在其他实施例中，至少一部分轨道是喇叭形状的。如上所述，对于发散轨道或平行轨道，一部分轨道可以是喇叭形状的。这允许如上所述扩展电弧。

对于非平行导轨，致动器可以呈剪刀动作分离电极。在这样的实施例中，第三电极可以与第一和第二电极一体形成，使得当第三电极移动时，第一和第二电极以剪刀动作分离。例如，第一电极和第二电极可以在分离之前在每个电极的一端处电接触。

在一个实施例中，第一电极可以是基本上管状的，第二电极可以是位于第一电极内的杆。第一电极可以是基本上螺旋形或弯曲的。在其他实施例中，第一和/或第二电极可以被认为是3d形状，例如旋涡形，蛇形，螺旋形等。

在实施例中，第一和第二电极可以螺旋地对齐。

在其他类型的中断器中，例如气体绝缘中断器，可以通过使用两个同心电极对来克服电阻问题。一对电极采用简单的普通杆设计，在断路器闭合时承载连续负载电流。当需要切换电流时，它被转移到第二对更专业的电极，这些电极通常与第一对电极同轴，中断电流。这称为转移切换。气体断路器的操作原理与真空中断器的操作原理完全不同，并且适用于这种方法。因此，气体绝缘中断器能够比真空中断器传导更高的连续电流。

本发明提供了一种在真空中断器中应用转移切换的方法，并因此获得比先前可能的真空中断器更高的连续电流额定值。它还将中断功能的设计与连续电流功能的设计分开，允许两者进行优化，并且还允许真空中断器设计者移走通用圆柱形真空中断器至今。

现在在传统的真空中断器中，用于径向磁场的电极是圆形的，并且电弧原则上能够围绕圆周连续地行进，但是实际上它们可以在制造多于部分电路之前在电流零点处消除。

在实施例中，电弧可以被朝向灭弧部件引导。灭弧部件可以包括电弧挡板目标，并且其中电弧被引导到该目标以便消散。

此外或可选地，灭弧部件可包括电弧分离板。电弧分离板可包括多个基本平行的消灭板；该消灭板用于将电弧分成相应的多个较小的弧，每个较小的弧在两个消灭板之间驱动。

电极可以包括一个或多个槽，每个槽可以定向成在电极上产生磁场。磁场可以用于沿着电极驱动电弧。

电流负载可以是直流负载。如果中断器装置是真空中断器，这是特别不寻常的并且被认为是独特的。以前，为了消除由中断器装置产生的电弧，该电路依赖于电弧在下一个零点电流处自动消散。当然，对于交流电路，对于50hz源，零点电流大约每10ms发生一次，对于60hz源，零点电流大约每8.33ms发生一次。直流电源没有零点电流，因此传统上不能使用真空中断器。然而，由于本发明的设计，中断器使电弧远离电弧产生点，使电弧通过显著增加电弧电压而远离电极从而消除。这允许该装置用于直流电源。

根据本发明的第二方面，提供了一种非圆柱形真空中断器形式。通过利用非圆形电极几何形状，中断器的设计可以是非圆形的并且根据空间或电气要求进行优化。

在这方面，电流中断功能不需要由一对圆形电极执行，而是由不同几何形状的电极执行。中断可以例如通过一对线性电极来执行，并且这具有以下优点：中断器可以制成扁平形式，使得例如三个一组可以更方便地装配到切换装置中。

特别地，真空中断器可包括抽真空外壳；第一电极和第二电极，至少部分地位于外壳内，第一电极和第二电极相对地固定在适当位置；第三电极能够相对于第一电极和第二电极在短路位置和断路位置之间移动，从而在移动期间在第三电极与第一电极和第二电极中的至少一个之间产生电弧；并且其中电弧由第一电极和第二电极引导远离第三电极。

在另一个示例中，真空中断器还包括第四电极，可相对于第三电极移动以产生短路位置和断路位置。在这种情况下，电弧最初在第三电极和第四电极之间产生，然后转移到第三和第一电极与第二电极中的至少一个之间。这允许电极的表面针对其预期目的而定制。换句话说，第三电极和第四电极可以被涂覆或适用于使耐久性最大化或者为了电弧形成而定制，同时第一电极和第二电极被定制用于引导电弧远离第三电极。可以理解的是，当第三电极和第四电极之间的间隙大于第三电极与第一电极或第二电极之间的间隙时，电弧将转移。

在这样的实施例中，第三电极可以相对于第四电极移动，并且第三电极和第四电极在闭合电路位置接触并且在断路位置中由电弧间隙隔开。第三电极相对于第四电极的移动可以在电弧间隙中产生电弧。当第三电极远离第四电极移动的距离比轨道间隙的距离更远时，电弧从电弧间隙转移到轨道间隙。

在任何实施例中，第一电极和第二电极可以固定在外壳内的适当位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于切换电路中的电流负载的电气中断装置，该装置包括：抽真空外壳；第一，第二和第三电极，至少部分地位于外壳内；以及用于将第一电极相对于第二电极分离的致动器，由此在分离之后在这些电极之间产生电弧；其中第二电极和第三电极是非圆形的，使得电弧从第一电极转移到第三电极并沿着这些非圆形电极被引导。

根据另一方面，提供了一种真空中断器，用于通过引导在分离的电极之间形成的电弧远离上述电极来中断直流电。

在优选实施例中，电极是非圆形的。

可以理解，真空中断器可以包括根据第一方面的任何部分的电气中断装置，其中电流负载是直流负载，电极是上述电极。

附图说明

为了更完整地理解本公开的特征和优点，现在参考详细描述以及附图，其中不同附图中的对应数字指代对应的部分并且其中：

图1是现有技术的真空中断器；

图2是适用于图1的真空中断器的轴向电极或触点的图示；

图3是适用于图1的真空中断器的径向电触点的图示；

图4是根据本发明的线性真空中断器的示意图；

图5是根据本发明的替代线性真空中断器的图示，其中电触点相当于图3的径向电触点；

图6a-6c是当关闭(a)，开始打开(b)和固定时间之后(c)时的一对电触点的图示；

图7示出了图6的电触点的替代结构；

图8a和8b示出了根据一个实施例的电触点的结构；和

图9a和9b示出了根据另一实施例的电触点的替代构造。

具体实施方式

图4以局部剖视图示出了简单的线性中断器，所述中断器包括封装在外壳43内的触点41。外壳通常是抽成真空的，有时称为封壳。真空中断器包括电极或触点41，其具有槽42，槽42定向成在触点的宽度上产生磁场，使得当电流通过触点并且触点分离时，形成电弧。因此，电触点41设计成机械地接合和脱离以执行切换功能。通常，通过波纹管或隔膜装置44，这种运动是允许的，而不会破坏真空外壳43的密封。在所示的例子中，电弧沿着触点的长度通过电动机效应移动。选择该长度足以控制电弧直至其消除。这可以称为横向场线性触点，并且在某种程度上等同于径向场圆形触点。触点41封装在绝缘真空封壳43内。这可以是例如午餐盒形状43的绝缘容器的形式，在一侧通过大致矩形的盖子(未示出)密封。也没有示出防止金属蒸汽沉积的护罩。可移动触点经由波纹管44穿过真空封壳。

一个简单的线性中断器，其触点产生垂直于接触表面的场，需要两个电流路径偏移到活动接触表面的任一侧，并相当于轴向场圆形触点。

图5示出了线性转换开关中断器，其触点等效于径向场圆形触点。连续电流触点位于左侧，并且由固定触点51和经过波纹管53的移动触点52组成。这些触点在图5中处于打开位置。

与图4中一样，中断器容纳在抽真空封壳58内，并且操作大致类似于上面图4中描述的实施例。然而，在该示例中，为了产生电流，触点51和52是闭合的，在产生电流期间电弧不是问题。在正常电流通过期间，这些触点保持闭合。

与这些触点51，52相邻的是一对具有弧形表面54a，56a的线性触点54，56的一端。这些线性触点54，56具有固定的触点间隙(即它们以恒定的距离分开)，并且不需要波纹管，因为它们容纳在真空外壳58内并且不相对于外壳58移动。下线性触点54通过刚性导体55连接到固定的连续触点51，并且上线性触点56通过柔性连接器57连接到移动的连续触点52。切换触点51，52沿相反方向开槽，如图所示，并且当电流流动时，触点间隙中的磁场在横跨接触表面的方向上，即在垂直于视图的平面的方向上。

当需要电流断开时，将力施加到移动的连续触点52上，并且当其与固定触点51分离时，在它们的表面之间形成电弧。一旦这些表面之间的间隙(称为电弧间隙)比线性切换触点54，56之间的间隙(称为轨道间隙)宽，则电弧转移到该间隙，并且电流路径经由刚性导体55转移到下切换触点的杆，并经由柔性触点转移到上切换触点的杆。由于槽和接触轨道中的电流产生的磁场，电弧沿着线性触点间隙的长度移动，防止损坏接触表面并促进电流中断。

该组件也适合于真空容器，该真空容器可以是具有盖子的午餐盒形状的陶瓷形式，该盖子可以在适当的位置进行密封。

在横向场线性中断器的变型形式中，槽沿着每个触点的一半反向，使得电弧可以沿触点的长度来回振荡。

在横向场线性中断器的变型形式中，没有槽，而是通过沿馈送电弧的轨道的电流的流动来提供电弧上的力。

线性触点真空中断器的几何形状和其真空容器可具有的小深度使得可以产生磁场，该磁场是磁体放置在真空容器外部的情况下所需的磁场。也可以使用载流线圈，其仅需要在电流断开的时刻通电。这种布置可以允许波纹管被移除，使得移动触点52的致动从真空室内或通过该真空室的壁部向外致动。

图6a-6c示出了真空中断器内的电极或触点的替代构造。图6的实施例基本上组合了图5的切换触点51，52和线性触点54，56。图6a示出了固定触点61和可移动触点62。触点61，62显示为细长杆或棒，而不是传统的圆形接触板。

可移动触点62的运动可以通过致动器，例如永磁致动器或其他已知机构。在所示的示例中，可移动触点围绕固定点枢转，并且可以被致动以远离固定触点61向下枢转。然而，使可移动触点远离固定触点移动的原理是关键。在图6a所示的示例中，触点61，62在点64处接触，使得触点闭合并且电流流过两个触点并且不存在电弧。

在过电流浪涌或其他切换事件的情况下，可移动触点62被致动并远离固定触点61移动。这导致触点64断开并且在两个触点之间形成电弧65。在具有圆形触点的传统真空中断器中，电弧通过上面图1至3中描述的技术引导。然而，在该实施例中，电弧被引导远离接触的点64并且沿着触点61，62。这在图6c中示出，其中电弧65已经沿着两个触点61，62移动。随着电弧65沿着触点移动，由于触点之间的间隔增加，电弧长度增加。当电弧到达触点的末端时，电弧向外膨胀，如图6c所示，从而削弱了电弧强度。这用于消散电流电弧，然后可以使用为此目的放置和设计的专用表面或挡板来对其进行平衡或消除。通过将电弧形成区域与灭弧区域分开，可以调整两个区域以使其功能最大化。

图7示出了图6中探索的概念的替代构造。在该实施例中，触点71，72以与上述类似的方式连接。然而，每个触点71，72具有带喇叭形的末端73，74。这具有这样的效果：一旦电弧75到达触点的末端，电弧75就会显著地膨胀。通过以这种方式扩散和膨胀电弧，电弧的强度被显著地减弱。此外，在所示的示例中，示出了灭弧板76，其进一步延伸电弧并将其分开，允许电弧通过板76而消灭。

图8显示了触点的另一种构造。在该示例中，固定触点81围绕或包围可移动触点82。可移动触点还包括在固定触点81内延伸的杆84。图8b示出处于闭合位置的触点，其中可移动触点端板85在固定触点81内与之接触。由于可移动触点在切换事件期间与固定触点分离，因此电弧在杆84和固定触点81之间以圆形路径行进。以这种方式，电弧可以以受控的方式远离接触部位。

最后的示例如图9所示。该示例类似于图8，但固定触点91是螺旋形状并围绕可移动触点92的杆94螺旋。在电弧产生期间，电弧形成在杆94和固定触点91的螺旋表面之间，然后围绕固定触点以螺旋方式行进。

这种将电弧转移或引导离开产生点的概念允许两个元件根据其功能而定制，而不是受到其他功能的约束。另外，该概念允许dc电流的真空切换，这是由于电弧被引导远离接触点，而不是像传统的中断器那样继续流动。通过将触点的几何形状改变为非圆形，产生的电弧被引导离开并延伸，从而充分增加电弧电压以使电弧塌陷并提供中断。