一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型纵磁触头系统的制作方法

本发明涉及一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型真空灭弧室纵磁触头系统。

背景技术：

断路器在电力系统中起保护和控制双重作用，其开断性能至关重要。以真空作为绝缘和熄弧介质的真空断路器凭借其优良的性能，在电力系统中压领域得到占据绝对主导地位，目前正朝着高电压大电流方向发展。真空断路器在开断过程中，触头材料蒸发电离形成真空电弧等离子体，真空电弧在自生磁场强大的磁箍缩力作用下会产生明显的收缩效应，使触头表面产生严重烧蚀，并向弧柱等离子体提供大量金属蒸汽和颗粒，引起开断失败。利用电流流过触头系统产生的磁场来对电弧进行控制以减轻触头表面烧蚀程度，可以显著提高断路器的开断能力。因此触头结构的设计是影响真空断路器开断能力的关键因素，根据产生磁场的不同，可分为纵向磁场和横向磁场触头系统。

其中，纵向磁场触头能在燃弧期间控制电弧的形态，抑制电弧聚集和阳极斑点的产生，减轻触头表面的烧蚀，在较高电压等级下其开断性能要优于横向磁场触头。但传统杯状纵磁触头系统触头中心剩余的纵向磁场较大，会阻止触头间隙残余等离子体的扩散，降低介质强度的恢复速度，不利于电流的成功开断。同时，传统杯状纵磁触头系统机械强度低，磁场强度较弱，开断能力不足，不适合用于大容量真空灭弧室。

技术实现要素：

本发明针对传统杯状纵磁触头系统的不足，设计了一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型纵磁触头系统，有效削弱了触头中心剩余纵向磁场，同时增强了触头间隙电流峰值时纵向磁场，改善了磁场分布特性，有利于触头系统开断能力的提升。

本发明采用如下技术方案：

一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型纵磁触头系统总体结构包括：动、静侧触头组合结构11、22；所述静侧触头组合结构包括静导电杆1、外部静触头杯2、内嵌聚磁环7和触头片3；所述动侧触头组合结构包括动导电杆6、外部动触头杯5、触头片4和内嵌反向触头杯8。动、静导电杆6、1分别同轴连接于外部触头杯5、2顶端，触头片4、3分别同轴连接于外部触头杯5、2的底部。内嵌聚磁环7和反向触头杯8为铁磁材料，用于增强纵向磁场，其外径要小于外部触头杯5、2的内径；同时内嵌聚磁环7和反向触头杯8的内、外径尺寸可以相同或者不相同。

所述外部动、静触头杯5、2杯壁上开有方向相同的螺旋槽，电流流过外部触头杯时在触头间隙产生纵向磁场。由于内嵌聚磁环7和反向触头杯8具有分流的作用，减小了流过外部触头杯5、2的电流密度，使外部触头杯5、2的发热减少，因此外部触头杯5、2杯壁上螺旋槽与水平面的夹角可以适当小一些，用于增强触头间隙的纵向磁场。

所述内嵌聚磁环7与外部静触头杯2和触头片3同轴紧密相连，可以增强触头间隙的纵向磁场，同时改变了触头间隙纵向磁场的分布。其中聚磁环所在位置纵向磁场较其他区域增加更加明显，使得电流峰值时纵向磁场的分布类似于“马鞍形”。在开断大电流时，更有利于抑制电弧的收缩，使注入电极表面能量密度更加均匀，减轻触头表面的烧蚀，有利于提高触头系统的开断能力。

所述内嵌反向触头杯8与外部动触头杯5和触头片4同轴紧密相连，杯壁上开有与外部触头杯5、2相反的螺旋槽，可以产生反向纵向磁场，用于削弱触头中心的剩余纵磁，有利于弧后触头间隙介质强度的恢复，使得快速开断过程中电弧不易重燃。通过调节内嵌触头杯8螺旋槽与杯底水平面的夹角可以对触头间隙纵向磁场进行微调。因为对机械强度要求不高，因此内嵌触头杯8杯底可以很薄，杯壁上开槽数可以适当增加，用于减轻动触头结构22的重量，同时减少内嵌触头杯8涡流对剩余纵向磁场的影响。

与传统杯状纵磁触头系统相比，本发明具有如下优点：

新型纵磁触头系统利用电流流过内嵌触头杯时产生的反向纵向磁场，有效削弱了触头中心剩余纵向磁场，有利于触头间隙残余等离子体的扩散，使得弧后介质强度能够快速恢复。同时，通过聚磁环的引入以及触头结构的优化设计，进一步增强了触头间隙电流峰值时纵向磁场，改善了磁场分布特性，更有利于磁场对电弧的控制。此外，嵌合结构引入增强了触头系统机械强度，使得触头系统导通电阻也适当减小。

附图说明

1.图1为新型纵磁触头系统结构图

2.图2为新型纵磁触头系统剖视图

3.图3为外部触头杯和触头片爆炸图

4.图4为内嵌聚磁环和反向触头杯结构图

5.图5为某一优选结构参数下的新型纵磁触头系统与传统杯状纵磁触头系统电流峰值、电流过零时触头表面以及间隙中心平面纵向磁场分布云图。

具体实施方式

本发明提出了一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型触头系统，下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，新型纵磁触头系统总体结构包括：动、静侧触头组合结构11、22；所述静侧触头组合结构包括静导电杆1、外部静触头杯2、内嵌聚磁环7和触头片3；所述动侧触头组合结构包括动导电杆6、外部动触头杯5、触头片4和内嵌反向触头杯8。其中，动、静导电杆6、1分别同轴连接于外部触头杯5、2顶端，触头片4、3分别同轴连接于外部触头杯5、2的底部。内嵌聚磁环7和反向触头杯8为铁磁材料，用于增强纵向磁场，其外径要小于外部触头杯5、2的内径。内嵌聚磁环7与外部静触头杯2和触头片3同轴紧密相连；内嵌反向触头杯8与外部动触头杯5和触头片4同轴紧密相连。内嵌聚磁环7和反向触头杯8的引入，缩短了电流流通路径，使得触头系统导体电阻适当减小。

如图3所示，外部动、静触头杯5、2杯壁上开有方向相同的螺旋槽，电流流过外部触头杯5、2时在触头间隙产生纵向磁场。

如图4所示，内嵌反向触头杯8杯壁上开有与外部触头杯5、2方向相反的螺旋槽，可以产生反向纵向磁场，用于削弱触头中心的剩余纵磁，有利于触头间隙弧后介质强度的恢复，使得快速开断过程中电弧不易重燃。内嵌聚磁环7用于增强触头间隙纵向磁场，其内、外径尺寸与内嵌触头杯8可以相同或不相同。

如图5所示，仿真时施加有效值为31.5ka、频率为50hz、初始相角为0°的交流电作为激励；电流由静导电杆流入，从动导电杆流出。5ms对应电流峰值时刻；10ms对应电流过零时刻。从图中可以看出，传统杯状纵磁触头系统剩余纵向磁场主要集中在触头中心。而新型纵磁触头系统触头中心区域剩余纵向磁场得到有效的改善，电流过零时触头间隙纵向磁感应强度整体明显减小，其中静触头表面、动触头表面、间隙中心平面磁感应强度最大值分别减小为原来45％、28％、23％。电流峰值时，与传统杯状纵磁触头系统相比，触头间隙纵向磁场整体有所增加，其中聚磁环所在位置磁感应强度较其他区域变化更加明显，磁场分布类似于“马鞍形”，更有利于抑制电弧的收缩。

技术特征：

技术总结
本发明设计了一种具有内嵌聚磁环和反向触头杯的新型纵磁触头系统，它由导电杆、外部触头杯、触头片、内嵌聚磁环和内嵌反向触头杯组成。所述内嵌聚磁环与外部静触头杯和触头片同轴紧密相连；所述内嵌反向触头杯杯壁上开有与外部触头杯方向相反的螺旋槽，与外部动触头杯和触头片同轴紧密相连。该新型纵磁触头系统通过聚磁环和反向触头杯的引入以及触头结构的优化设计，在提高了触头间隙电流峰值时刻纵向磁场的基础上，有效削弱了触头中心剩余纵向磁场，减小了剩磁对残余等离子体扩散的影响，有利于弧后触头间隙介质强度的恢复以及触头开断能力的提升。此外新设计的触头系统结构简单，易于装配，机械强度高，有利于在实际生产中推广应用。

技术研发人员：黄小龙;苏芳菲;白雪艳;闫志强;王泽龙;杨梦洁;赵莉华;任俊文;吴迅;张振东
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2019.06.06
技术公布日：2019.08.13