具有改进鲁棒性的高压电路断路器的制作方法

本文中描述的主题一般涉及气体绝缘高压电路断路器，以及更特别地涉及具有针对电击穿的传播的改进鲁棒性的电路断路器。

背景技术：

在过去数十年所经历的电功率传输网络的大小的增加已经引起电路断路器能够安全中断的最大中断电流（又称作短路电流）的增加。特别是，基于气体绝缘的高压电路断路器（即，适合于高压应用）因它们的安全中断电路断路器的接触部之间的高电流的能力而众所周知。在气体绝缘电路断路器中，诸如六氟化硫的气体用于熄灭在电流被中断时生成的电弧。由此，在中断期间，电弧在起弧接触部（arcingcontact）之间发展，其中电弧在其中发展的几何区域通常被绝缘喷嘴包围。喷嘴通常还用作引导气体流以用于熄灭或吹熄电弧。由此，气体通常通过喷嘴中的专用通路、末端靠近起弧区（arcingzone）的加热通道来被引导。因此，气体直接被引导到发展的电弧上。

电路断路器中的潜在问题是有时进入加热通道的中断操作期间的电击穿。这是不期望的行为。

ep1218906b1公开一种高压功率开关，其中第一电弧接触片与气体流出通道的第二区之间的距离大于气体流出通道的第一区上的通道的双倍直径。us2015/021297a1公开一种具有猝熄（quenching）气体的电路断路器，其中加压室外流限制区域与喷嘴外流限制区域的比率小于1.1:1。de19936987c1公开一种高压开关，其中电极的曲率半径具体地小于处在与其相对的电弧接触尖端的曲率半径。

鉴于上面内容并且由于其他原因，存在对本发明的需要。

技术实现要素：

提供一种具有中心轴a的用于气吹电路断路器的中断器单元。中断器单元包括：第一接触部分，所述第一接触部分具有起弧接触部；第二接触部分，所述第二接触部分包括圆柱轴和针式接触部；喷嘴，所述喷嘴包括绝缘材料并且被固定到第一接触部分，所述喷嘴具有包围起弧接触部的第一分段、中间圆柱分段和分叉分段，并且其中提供加热通道，所述加热通道具有通向喷嘴中的圆周开口，以便在中断器单元的断开操作期间将压缩气体引导到起弧接触部与针式接触部之间的区中。在加热通道的圆周开口的区域中，在朝第二接触部分定向的加热通道的第一侧壁与喷嘴的圆柱分段的壁之间存在圆周边缘区域，并且其中圆周边缘区域包括具有至多大约2mm的包络半径（其还可称作有效半径）的至少一个边缘。

由从属权利要求、权利要求组合、描述和附图，本发明的另外方面、优点和特征是显而易见的。

附图说明

在包括对附图的参考的本说明书的其余部分中更特别地陈述对本领域的技术人员的全面和使能的公开，包括其最佳模式，其中：

图1示出与气体压力和所施加电压相关的中断器单元中的电弧的放电梯级（step）长度的图解；

图2示出根据实施例的用于电路断路器的中断器单元的示意局部横截面视图；

图3示出根据实施例的图2的中断器单元的详细局部横截面视图；

图4示出根据另外实施例的如图2中所示出的中断器单元的详细局部横截面视图；

图5示出根据还有的另外实施例的如图2中所示出的另外的中断器单元的详细局部横截面视图；

图6示出根据另外实施例的如图2中所示出的另外的中断器单元的详细局部横截面视图。

具体实施方式

现在将对各种实施例进行详细参考，各种实施例的一个或多个示例在每个附图中被图示。每个示例通过解释的方式来被提供，而无意作为限制。例如，作为一个实施例的部分所图示或所描述的特征能够被使用在其他实施例上或者与其他实施例结合被使用，以产生还有的另外实施例。意图是本公开包括此类修改和变化。

在附图的以下描述内，相同参考标号指代相同组件。一般地，仅描述关于各个实施例的差异。

如本文中所使用的，标称电流经过其通过电路断路器中的中断器单元的电接触部被称作主接触部或标称接触部，并且主接触部和起弧接触部的组合此后被称作“断路器接触部”或“移动接触部”。电路断路器包括各自包括主接触部和起弧接触部的两个断路器接触部或移动接触部。通常，起弧接触部之一配置为中空类型，又称作郁金香式，并且另一起弧接触部配置为针式接触部。

本文中所述的实施例包括用于中断第一断路器接触部与第二断路器接触部之间的电流的气体绝缘高压电路断路器。断路器接触部通常适合于将电路断路器电互连到要被保护的电路。根据本文中的实施例，高电压是至少大约70kv或更高的电压。如本说明书和权利要求中所使用的，“高压电路断路器”是额定为至少大约70kv或更高的标称电压的电路断路器。

在气体电路断路器中，电弧熄灭介质包括气体。通常，电路断路器包括限定气体的容积的封装壳体。此外，电路断路器通常包括气吹系统，所述气吹系统配置成在电流中断操作的阶段期间熄灭电路断路器的第一起弧接触部与第二或配套起弧接触部之间形成的电弧。由此，在中断操作期间，电弧基本上并且大体上沿中断器单元的中心对称轴并且与其平行地在两个起弧接触部之间的起弧区中发展。压缩气体经由加热通道被引导到两个起弧接触部之间的起弧区中。加热通道配置成具有开口，所述开口基本上或者至少部分地沿圆周围绕起弧区延伸，使得来自围绕起弧区的基本上或至少部分环形圆周开口的气体流入到起弧区中。也可通过以某种方式沿圆周围绕起弧区布置的孔来形成加热通道到起弧区中的开口。

在规则的中断操作期间，电弧在与中断器单元的纵轴或中心轴大体上平行的方向上发展，并且大体上在两个起弧接触部之间延伸。然而，在中断操作期间的不希望的状态中，通常在针式接触部开始的电弧可替代地传播到加热通道的开口中并且进一步传播到加热通道中。这由于对电路断路器的要求而是不允许的，并且可导致非预期的行为或故障。

发明人已检查了可例如从预击穿（prestrike）或再击穿（restrike）发展的、电弧到加热通道中的这样的不希望的传播的演进，并且已开发了对这个问题的解决方案。

一般地，在实施例中，电弧到加热通道中的传播可通过在加热通道的开口处的喷嘴的内侧壁与加热通道的第一侧壁之间的边缘区域的某种配置来被抑制或避免。也就是说，根据实施例，边缘区域具有某些性质。在一些实施例中，边缘配置成具有小于2mm、优选地等于或小于1.5mm或1.0mm的相对小的有效半径或精确半径。边缘的半径也可通过具有相对于中断器单元的纵轴增长的倾斜度的至少两个连续布置的平面分段来被构成（在横截面视图中，因而形成有效半径或包络半径），而不是具有基本上四分之一圆形形状（在横截面视图中，因而形成精确半径）。

在一些实施例中，边缘区域包括共同构成一种阶梯的梯级的序列。在第一示例中，梯级各自包括具有相对于加热通道的第一侧壁的末端部分和/或相对于喷嘴的圆柱分段的侧壁交替地大体上平行和大体上垂直的定向的梯级段（stepsegment）。由此，平行和垂直可包括对于角度的相对宽的容差范围，这在下面被进一步展示。在第二示例中，梯级各自包括具有相对于中心轴a交替地大体上径向和大体上轴向的定向的梯级段。在实施例中，大体上平行是平行或精确平行，大体上垂直是垂直或精确垂直，大体上径向是径向或精确径向，和/或大体上轴向是轴向或精确轴向。

一般地，根据实施例的边缘区域的上述配置具有如下效果：来自针式接触部的放电不进入或者仅以很低概率进入加热通道，由此将放电的传播的主方向从轴向改变成径向。当放电从针式接触部大体上沿喷嘴的内侧壁传播时，当存在充分锐利的边缘（诸如根据实施例的具有小有效半径或精确半径的边缘）时，放电将不会跟随沿壁到加热通道中的径向路径。因此，在根据实施例的中断器单元中，放电通常在边缘区域处从侧壁脱离，并且进一步轴向传播，而不是跟随沿侧壁到加热通道的开口中的路径。设想这个效果与放电的放电梯级大小ls相关联。当有效边缘半径充分小时，因而当边缘或梯级简单来说充分锐利时，放电能够通过边缘/梯级进行一种跳跃，这引起从壁的脱离，并且能够进一步轴向传播，而不是跟随围绕边缘到径向加热通道中的壁。来自计算的典型梯级大小ls在图1中被示出。由此能够看到，最小梯级长度出现于最低施加的电压（200kv）和sf6的最高压力（6bar）。发现最小梯级长度对于所研究的参数范围是大约2.5mm。为了考虑安全余量，特别是鉴于电弧可通过边缘区域以斜角行进或传播，因而边缘应当具有大约2mm（包括正/负百分之10的容差）的最大半径。优选地，有效或精确半径等于或小于1.5mm或者等于或小于1.0mm。根据实施例的中断器单元一般可被应用在70kv和更大的电压下。虽然上面的和其他测试利用sf6被实行，但是从相关测试和经验设想放电过程的所观测的行为当在根据实施例的中断器单元中采用其他适当缓冲气体时将是类似的。因此，如下面进一步描述的，本发明的实施例包括具有与sf6不同的气体的中断器单元。

图2示意地示出用于气吹电路断路器的中断器单元1。它具有中心轴a。为了说明目的而仅示出单元的主要分段，省略例如驱动器单元。中断器单元包括具有起弧接触部12的第一接触部分10，起弧接触部12通常是但不一定是郁金香类型。第二接触部分20包括在中断过程之后的状态中被示出的针式接触部25以及圆柱轴22。喷嘴30包括例如ptfe的绝缘材料，并且被固定到第一接触部分10。喷嘴具有包围起弧接触部12的第一分段32、中间圆柱分段34和分叉分段36。在圆柱分段34中提供加热通道40，所述加热通道40具有通向喷嘴30中的圆周开口42。在中断/断开操作期间，压缩气体在中断器单元1的断开操作期间被引导到起弧接触部12与针式接触部25之间的起弧区50中。

在加热通道40的圆周开口42的区域中，在以与中心轴a的角度定向的加热通道40的第一侧壁60与喷嘴30的中间圆柱分段34的壁之间存在圆周边缘区域46。根据实施例，圆周边缘区域46可具有不同配置。它们共享在边缘区域46中提供具有至多2mm的有效或精确半径的至少一个边缘47的特征。

下面提供针对图3至图6描述的边缘区域46的配置的各种选项。

在图3中，边缘区域46被示出为具有带有有效半径r的边缘47。r在实施例中是大约2.0mm或更小，更优选地是1.5mm或更小，以及最优选地是1.0mm或更小。如上面描述的，边缘47促进中断动作期间的放电的轴向传播。

在图4中示出的实施例中，圆周边缘区域46包括三个相邻面61、62、63。相邻面61、62、63至少部分沿圆周围绕中断器单元的中心轴a。三个或者在其他选项中至少两个相邻的至少部分圆周面61、62、63共同是加热通道40的第一侧壁60与喷嘴30的圆柱分段34的壁之间的边缘区域46的部分。有效半径由所述面61、62、63的组合倾斜度产生，所述有效半径是大约2.0mm或更小，更优选地是1.5mm或更小，以及最优选地是1.0mm或更小。

有效半径r在本文中又称作包络半径r。代替具有诸如例如图3中所示出的基本上四分之一圆形形状和精确半径（在横截面视图中），如图4中所示出的，在加热通道40的第一侧壁60与喷嘴30的圆柱分段34的壁之间的边缘的非圆形形状（在横截面视图中）的情况下，包络半径r在本文中可存在。包络半径被定义为近似边缘区域的实际形状的半径。图4中，包络半径被示出为箭头r，其中箭头的尖端在相邻面61与相邻面62之间的“边缘”处结束。因此，包络半径r可被看作是可配合于（不规则，即，非圆形）边缘使得边缘曲线上的每个位置（在横截面视图中）被半径r的曲线包络的最小半径。虽然这在图4中仅被示例性地示出，但是包络半径的概念也可适用于本文描述的其他实施例。在边缘的主要为（四分之一）圆形形状的情况下，包络半径与精确半径相同。

在图5中示出的实施例中，边缘区域46包括多个梯级56。由此，每个梯级56具有边缘47，所述边缘47具有显著小于2.0mm的有效或精确半径，特别是边缘47具有等于或小于1.5mm并且优选的等于或小于1.0mm以及最优选的等于或小于0.5mm的有效半径或精确半径。

一般地，如图5中所示出的，梯级56各自包括具有交替地大体上平行（v）和大体上垂直（h）的定向以及相应尺寸的梯级段——由此可相对于加热通道40的第一侧壁60的末端部分给出定向，或者相对喷嘴30的圆柱分段34的侧壁反过来一样给出定向（即，具有交换的垂直（v）和平行（h））。由此，梯级段各自在相对于第一侧壁大体上平行（v）（或径向）的方向上具有至多5mm、更优选地至多4mm或者至多3mm或者至多大约2.5mm的长度；以及在相对于第一侧壁大体上垂直（h）（或轴向）的方向上具有至多大约5mm、更优选地至多大约2.5mm的长度（“大约”在本公开中意味着+/-百分之10并且包括“精确”的公开）。

由此，大体上径向（v）（或者相对于第一侧壁60平行）意在包括相对于中断器单元的中心轴a从70°至110°、甚至更大地从60°至120°的倾斜度的范围。根据实施例，大体上轴向（h）（或者相对于第一侧壁60垂直）包括相对于中心轴a从-20°至20°、甚至更大地从-30°至30°的倾斜度的范围。具有与90°不同的角度的径向（v）段的示例在图6中被示出，其中一种锯齿剖面产生，其鉴于表面电流的附加减小可以是有利的。

此外，梯级段相对于彼此可具有不同大小，意味着相同梯级56的轴向（h）与径向（v）段之间的差异。此外，彼此之间具有变化的尺寸的梯级56可以是存在的。

在图5和图6中示出的实施例中，示出三个梯级56，然而梯级的数量可以更高（例如4或5）或者更低（例如2）。在实施例中，为了实现目标效果，提供梯级56，使得由梯级形成的阶梯具有带有相对于中心轴a（图5和图6中的水平轴）的至少大约30°的倾斜角a（参见图5和图6）的节线（pitchline）。用实验方法已经发现，当倾斜角a是30°或更大、更优选地是45°或更大时，电弧脱离是充分的。

在实施例中，各个梯级的大小可变化，使得梯级56形成不具有如同图5和图6中的恒定倾斜角a的阶梯。替代地，倾斜角a沿连接不同梯级56的边缘47的路径（在绘图窗格（drawingpane）中，诸如在图5中）变化。换言之，倾斜角取决于它在该处被确定的位置而具有变化。在此类情况下，沿第一个梯级56（通过靠近喷嘴33的定义）的边缘47与最后一个梯级56（通过靠近加热通道40的定义）的边缘47之间的路径测量的最大倾斜角a至少在该路径上的一个位置处是至少大约30°。也就是说，在沿该路径的其他位置处，倾斜能够小于30°。为了确定或测量如所描述的配置的倾斜角a，可使用最小均方过程来绘制连接梯级56的边缘47的图表。

根据实施例，当前配置允许具有比sf6的全球变暖潜能低的全球变暖潜能的sf6的备选气体的使用（例如，如wo2014154292a1中所描述的）。

绝缘气体例如可包括在与碳氢化合物或有机氟化合物的混合物中的从由co2、o2、n2、h2、空气、n2o组成的群组中选择的至少一种背景气体成分。例如，介电绝缘介质可包括干燥空气或技术空气。介电绝缘介质可特别地包括从由下列各项组成的群组中选择的有机氟化合物：氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈及以上各项的混合物和/或分解产物。特别地，绝缘气体可包括作为碳氢化合物至少是ch4、全氟化和/或部分氢化的有机氟化合物及以上各项的混合物。有机氟化合物优选地从由以下各项组成的群组中被选择：碳氟化合物、氟醚、氟胺、氟腈和氟酮；以及优选地是氟酮和/或氟醚，更优选地全氟酮和/或氢氟醚，更优选地具有从4至12个碳原子的全氟酮，以及甚至更优选地具有4、5或6个碳原子的全氟酮。绝缘气体优选地包括与空气或者诸如n2、o2和/或co2之类的空气成分混合的氟酮。

在具体情况下，上面提及的氟腈是全氟腈，特别是包含两个碳原子和/或三个碳原子和/或四个碳原子的全氟腈。更特别地，氟腈能够是全氟烷基腈，具体是全氟乙腈、全氟丙腈（c2f5cn）和/或全氟丁腈（c3f7cn）。最特别地，氟腈能够是全氟异丁腈（根据分子式（cf3）2cfcn）和/或全氟-2-甲氧基丙腈（根据分子式cf3cf（ocf3）cn）。其中，全氟异丁腈因其低毒性而是特别优选的。

上面详细描述用于高压电路断路器的中断器单元的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文中描述的具体实施例，而是，系统的组件和/或方法的步骤可与本文中描述的其他组件和/或步骤无关和单独地被利用，并且不限于仅利用如本文中描述的电路断路器实践。相反，示例性实施例能够与许多其他电路断路器应用结合而被实现和利用。

虽然本发明的各种实施例的具体特征可在一些附图中示出并且在其他附图中未示出，但是这只是为了方便。根据本发明的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何合并的方法。虽然上述内容中已公开各种具体实施例，但本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围虑及同样有效的修改。尤其是，上述实施例的非互斥特征可与彼此组合。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果此类其它示例包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求的范围内。