一种灭弧室及使用其的低压直流断路器的制作方法

本发明涉及断路器领域，特别是涉及一种灭弧室及使用其的低压直流断路器。

背景技术：

低压直流断路器作为低压直流配电系统中最重要的元器件之一，广泛应用于重要的发电站、变电站、通信基站和数据中心等。其稳定可靠的运行保证了电力系统、通信等关键部门的安全。此外，低压直流断路器还大量应用于城市轨道交通体系、舰船电力系统以及新兴的光伏系统中，确保配电系统、用电设备以及光伏系统的安全。

与工频电流不同，直流电流没有自然过零点，在直流电流的开断过程中，其电弧熄灭和调控要比开断交流电流情况难得多。低压直流空气电弧高性能开断成为低压电器领域的研究热点问题之一。直流分断的方法有限流法、强制过零法、机械-电力电子混合式开关法。其中耗能限流是通过不断提高电弧电压来实现电流开断的，而常用的低压直流断路器单断口的工作电压一般只能达dc200～300v，所以常采用多断口串联的方法来提高其工作电压，进而实现直流开断。

如图1、2所示，对于多断口技术方案，开断时对多断口触头间的同步性要求很高，各断口分担的电压要一致，同时由于多断口采用电气串联，物理位置并联的连接方式，所以在开断时，其中一断口直流电弧受到旁路断口横向磁吹作用产生侧烧，横向磁吹是由断口间的电弧电动力作用产生的，结果导致各断口燃弧能量不同，造成触头和灭弧栅片烧毁严重，使得开断失败。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种灭弧室及使用其的低压直流断路器，该灭弧室具有磁屏蔽功能，从而避免断路器在开断时产生侧烧，使断路器能够安全有效地进行开断。

本发明中的灭弧室，包括相对布置的第一绝缘壳架和第二绝缘壳架，所述第一绝缘壳架和第二绝缘壳架之间安装有灭弧栅片组，所述第一绝缘壳架和第二绝缘壳架上分别设有与灭弧栅片组相对布置的磁屏蔽组，所述磁屏蔽组包括第一导磁套筒和第二导磁套筒，所述第一导磁套筒内套装有所述第二导磁套筒，所述第一导磁套筒和第二导磁套筒之间设有非导磁绝缘层，所述第一导磁套筒和第二导磁套筒均采用导磁材料制成，所述第一导磁套筒的磁导率低于第二导磁套筒。

本发明中的灭弧室，其中所述第一导磁套筒和第二导磁套筒之间设有非导磁绝缘层的具体方式为：所述第二导磁套筒的外筒壁上轧制有所述非导磁绝缘层。

本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架和第二绝缘壳架上分别设有与灭弧栅片组相对布置的磁屏蔽组的具体方式为：所述第一绝缘壳架和第二绝缘壳架上分别设有一安装槽，所述安装槽内设有所述磁屏蔽组。

本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架和第二绝缘壳架之间安装有灭弧栅片组的具体方式为：所述第一绝缘壳架的与第二绝缘壳架相对的侧面上设有第一插槽和第一插孔，所述第二绝缘壳架的与第一绝缘壳架相对的侧面上设有第二插槽和第二插孔，所述灭弧栅片组包括前端引弧片、后端引弧片和多个灭弧栅片，多个所述灭弧栅片设于前端引弧片和后端引弧片之间，所述前端引弧片、后端引弧片和灭弧栅片均设有两个支腿，所述前端引弧片、后端引弧片和灭弧栅片的两个支腿均分别插入第一插槽和第二插槽内，所述前端引弧片、后端引弧片和灭弧栅片上分别设有与所述第一插孔和第二插孔相匹配的凸起，所述前端引弧片、后端引弧片和灭弧栅片分别通过自身上的凸起插于第一插孔和第二插孔内。

本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架的与第二绝缘壳架相对的侧面上设有第一插槽的具体方式为：所述第一绝缘壳架的与第二绝缘壳架相对的侧面上连接有第一隔板，所述第一隔板与第一绝缘壳架之间形成所述第一插槽。

本发明中的灭弧室，其中所述第二绝缘壳架的与第一绝缘壳架相对的侧面上设有第二插槽的具体方式为：所述第二绝缘壳架的与第一绝缘壳架相对的侧面上连接有第二隔板，所述第二隔板与第二绝缘壳架之间形成所述第二插槽。

本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架呈长方体的桶状结构，所述第一绝缘壳架的两个相对布置的侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁上设有开口，所述第一绝缘壳架的桶腔为所述安装槽，所述第二侧壁上连接有所述第一隔板，所述第一隔板与第二侧壁之间形成所述第一插槽，所述第二侧壁上设有所述第一插孔。

本发明中的灭弧室，其中所述第二绝缘壳架呈长方体的桶状结构，所述第二绝缘壳架的两个相对布置的侧壁分别为第三侧壁和第四侧壁，所述第三侧壁上设有开口，所述第二绝缘壳架的桶腔为所述安装槽，所述第四侧壁上连接有所述第二隔板，所述第二隔板与第四侧壁之间形成所述第二插槽，所述第四侧壁上设有所述第二插孔。

本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架的桶口处设有弹性防脱钩，所述第二绝缘壳架的桶口处也设有弹性防脱钩，所述第一导磁套筒和第二导磁套筒均为长方体的筒状结构。

本发明中的使用上述灭弧室的低压直流断路器，所述灭弧室设为两个以上，两个以上的所述灭弧室并排布置。

本发明灭弧室及使用其的低压直流断路器与现有技术不同之处在于灭弧栅片组两侧的磁屏蔽组能屏蔽周围磁场的干扰，并且磁屏蔽组采用双层屏蔽设计，第一导磁套筒具有低磁导率，不易饱和，第二导磁套筒具有高磁导率，容易饱和。第一导磁套筒先将磁场衰减到适当强度，第二导磁套筒不容易饱和。这样能够实现最大化的磁屏蔽效果。因此，本发明中的灭弧室具有磁屏蔽功能，从而避免断路器在开断时产生侧烧，使断路器能够安全有效地进行开断。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中的低压直流断路器四断口串联示意图；

图2为现有技术中的低压直流断路器三断口串联示意图；

图3为本发明中的低压直流断路器的结构示意图；

图4为沿图3中a-a线的剖视图；

图5为本发明中的灭弧室的结构示意图；

图6为本发明中的灭弧室的爆炸图；

图7为本发明中的第一绝缘壳架的结构示意图一；

图8为本发明中的第一绝缘壳架的结构示意图二；

图9为本发明中的第二绝缘壳架的结构示意图；

图10为沿图5中的b向视图(隐去前端引弧片)；

图11为本发明中的灭弧栅片的结构示意图；

图12为本发明中磁屏蔽组的第一导磁套筒和第二导磁套筒的相对位置关系图；

图13为图12中c处的局部放大图；

图14为本发明中的磁屏蔽组的磁屏蔽原理图。

具体实施方式

如图5所示，并结合图6-13所示，本发明中的灭弧室包括相对布置的第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202，所述第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202之间安装有灭弧栅片组100，所述第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202上分别设有与灭弧栅片组100相对布置的磁屏蔽组300，所述磁屏蔽组300包括第一导磁套筒301和第二导磁套筒302，所述第一导磁套筒301内套装有第二导磁套筒302，所述第一导磁套筒301和第二导磁套筒302之间设有非导磁绝缘层303，所述第一导磁套筒301和第二导磁套筒302均采用导磁材料制成，所述第一导磁套筒301的磁导率低于第二导磁套筒302。

如图13所示，本发明中的灭弧室，其中所述第一导磁套筒301和第二导磁套筒302之间设有非导磁绝缘层303的具体方式为：所述第二导磁套筒302的外筒壁上轧制有所述非导磁绝缘层303。非导磁绝缘层303是具有一定厚度的绝缘抗磁性材料，磁阻非常高，能够对第一导磁套筒301和第二导磁套筒302进行隔离。绝缘抗磁性材料可以是聚四氟乙烯(ptfe)与纤维的混合体，此种材料易于附着在金属表面，耐磨，可在-195℃～280℃范围内使用，能做成薄壁结构，从而可以缩小功能部件及产品的整体尺寸、大小。

如图5所示，并结合图6-9、12所示，本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202上分别设有与灭弧栅片组100相对布置的磁屏蔽组300的具体方式为：所述第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202上分别设有一安装槽，所述安装槽内设有所述磁屏蔽组300。

如图5所示，并结合图6-11所示，本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202之间安装有灭弧栅片组100的具体方式为：所述第一绝缘壳架201的与第二绝缘壳架202相对的侧面上设有第一插槽和第一插孔，所述第二绝缘壳架202的与第一绝缘壳架201相对的侧面上设有第二插槽和第二插孔，所述灭弧栅片组100包括前端引弧片102、后端引弧片103和多个灭弧栅片101，多个所述灭弧栅片101设于前端引弧片102和后端引弧片103之间，所述前端引弧片102、后端引弧片103和灭弧栅片101均设有两个支腿，所述前端引弧片102、后端引弧片103和灭弧栅片101的两个支腿均分别插入第一插槽和第二插槽内，所述前端引弧片102、后端引弧片103和灭弧栅片101上分别设有与所述第一插孔和第二插孔相匹配的凸起，所述前端引弧片102、后端引弧片103和灭弧栅片101分别通过自身上的凸起插于第一插孔和第二插孔内。

如图11所示，灭弧栅片101的两支腿对应为第一支腿1011和第二支腿1012，第二支腿1012的长度大于第一支腿1011的长度；所述灭弧栅片组100中多个灭弧栅片101按正反交替的方式设置。灭弧栅片101、前端引弧片102和后端引弧片103的结构以及构成灭弧栅片组100的方式均为现有技术，在此对其不予赘述。

如图5、10所示，灭弧栅片组100安装在第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202之间，即灭弧栅片组100中的各个灭弧栅片101、前端引弧片102以及后端引弧片103都位于第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202之间。灭弧栅片101的一个支腿插入第一插槽内，并且与第一隔板2011之间留有足够的安装间隙；灭弧栅片101的另一个支腿插入第二插槽内，并且与第二隔板2021之间留有足够的安装间隙。第一隔板2011和第二隔板2021之间形成绝缘灭弧窄缝槽结构。

如图6所示，灭弧栅片组100的前端设有前端引弧片102，后端设有后端引弧片103。前端引弧片102和后端引弧片103的作用是将电弧引入到灭弧栅片组100内，以进行灭弧操作。

如图7、8所示，本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架201的与第二绝缘壳架202相对的侧面上设有第一插槽的具体方式为：所述第一绝缘壳架201的与第二绝缘壳架202相对的侧面上连接有第一隔板2011，所述第一隔板2011与第一绝缘壳架201之间形成所述第一插槽。

如图9所示，本发明中的灭弧室，其中所述第二绝缘壳架202的与第一绝缘壳架201相对的侧面上设有第二插槽的具体方式为：所述第二绝缘壳架202的与第一绝缘壳架201相对的侧面上连接有第二隔板2021，所述第二隔板2021与第二绝缘壳架202之间形成所述第二插槽。

如图7、8所示，本发明中的灭弧室，其中所述第一绝缘壳架201呈长方体的桶状结构，所述第一绝缘壳架201的两个相对布置的侧壁分别为第一侧壁2012和第二侧壁2013，所述第一侧壁2012上设有开口，所述第一绝缘壳架201的桶腔为所述安装槽，所述第二侧壁2013上连接有所述第一隔板2011，所述第一隔板2011与第二侧壁2013之间形成所述第一插槽。所述第二侧壁2013上设有所述第一插孔，第一插孔设为多个，以适应多个灭弧栅片101。

如图9所示，本发明中的灭弧室，其中所述第二绝缘壳架202呈长方体的桶状结构，所述第二绝缘壳架202的两个相对布置的侧壁分别为第三侧壁2022和第四侧壁2023，所述第三侧壁2022上设有开口，所述第二绝缘壳架202的桶腔为所述安装槽，所述第四侧壁2023上连接有所述第二隔板2021，所述第二隔板2021与第四侧壁2023之间形成所述第二插槽。所述第四侧壁2023上设有所述第二插孔，第二插孔设为多个，以适应多个灭弧栅片101。

如图5所示，并结合图6-9、12所示，第一导磁套筒301和第二导磁套筒302均为长方体的筒状结构。磁屏蔽组300中的第二导磁套筒302的外围套装第一导磁套筒301。将整个磁屏蔽组300安装到第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202的安装槽内，整个磁屏蔽组300的外形(即第一导磁套筒301的外形)与安装槽的形状相匹配。在本实施例中，第一导磁套筒301的外形为长方体，安装槽的形状也为长方体。

在磁屏蔽组300安装到安装槽内后，为了防止磁屏蔽组300滑脱，如图5所示，并结合图6-9所示，在第一绝缘壳架201的桶口处设有两个相对布置的弹性防脱钩203，在第二绝缘壳架202的桶口处也设有两个相对布置的弹性防脱钩203。所述弹性防脱钩203呈条形，第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202的桶口上均开设有容纳所述弹性防脱钩203的条形槽，弹性防脱钩203沿条形槽布置。弹性防脱钩203的内端连接在条形槽内，外端上设有倒钩(指的是钩的外侧面向内倾斜)，这样，能够将磁屏蔽组300沿着倒钩的外侧面向安装槽内滑动以撑开弹性防脱钩203，从而将磁屏蔽组300装入安装槽，之后，弹性防脱钩203恢复原状，阻止磁屏蔽组300滑脱。此处的内外是以第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202的桶腔来说的，即弹性防脱钩203的内端/外端指的是位于桶腔内/外一端，倒钩的外侧面向内倾斜指的是向桶腔内的方向倾斜。

在本实施例中，第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202由带玻璃纤维的三聚氰胺的绝缘材料制成，其受热后能够产生气体，这些气体不仅能够驱动电弧迅速向灭弧栅片组100移动，快速进入到灭弧栅片组100内部，加速电弧拉长速度，使电弧迅速升压，还能为电弧降温，使电弧电阻增加，电流减小，从而有利于加速电弧熄灭。事实上，第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202的材质只要为受热后能产生气体的绝缘材质即可。

如图3、4所示，本发明中的使用上述灭弧室的低压直流断路器，所述灭弧室06设为两个以上，两个以上的所述灭弧室06并排布置。低压直流断路器还包括基座01、静导电系统02、动导电系统03、磁脱扣系统04、转轴05、操作机构07以及罩壳08，上述部件属于现有技术，在此对其具体结构以及工作原理不予赘述。静导电系统02、动导电系统03、转轴05、操作机构07、磁脱扣系统04及灭弧室06安装在所述基座01的内部，罩壳08安装在基座01的上部，灭弧室06安装在静导电系统02与动导电系统03的上端。

如图4所示，低压直流断路器在分断过程中，所述静导电系统02上的静触点021与动导电系统03上的动触点031之间产生电弧，分断过程中随着静触点021与动触点031之间的开距逐渐增大及磁场、气吹的作用下，绝大部分电弧从所述静触点021上转移到所述前端引弧片102上，再转移到所述灭弧栅片组100中，再转移到所述后端引弧片103上，最后回到动导电系统03上，形成一个高弧压高弧阻的电弧回路。电弧最终在磁场、气吹的作用下进入到灭弧栅片组100内，完成灭弧。关于灭弧栅片组100的灭弧原理为现有技术，在此对其不予赘述。

在本发明中，灭弧栅片组100两侧的磁屏蔽组300能屏蔽周围磁场的干扰，并且磁屏蔽组300采用双层屏蔽设计，第一导磁套筒301具有低磁导率，不易饱和，第二导磁套筒302具有高磁导率，容易饱和。第一导磁套筒301先将磁场衰减到适当强度，第二导磁套筒302不容易饱和。这样能够实现最大化的磁屏蔽效果。因此，本发明中的灭弧室具有磁屏蔽功能，从而避免断路器在开断时产生侧烧，使断路器能够安全有效地进行开断。

本发明中的第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202既能安装灭弧栅片组100，又能安装磁屏蔽组300，还能为灭弧栅片组100提供绝缘灭弧窄缝结构，并且第一绝缘壳架201和第二绝缘壳架202均为一体式结构。

如图14所示，磁屏蔽组300的屏蔽原理如下：

原理一：相邻的两个断口a、b在开断大的短路电流时，分别形成a电弧和b电弧。a、b电弧由于电磁感应原理分别在旁路产生横向磁场，其法向分量分别为bat和bbt。横向磁场bat和bbt磁感线在往彼此旁路断口传输过程中，首先受到第一导磁套筒301的磁屏蔽作用。第一导磁套筒301是磁性材料，有良好的导磁作用，凡进入第一导磁套筒301的bat和bbt被吸收磁极化，磁感线大部分集中在闭合环状的导磁材料里(即第一导磁套筒301的筒壁内)了，构成b1。使得第一导磁套筒301构成了磁屏蔽罩，bat和bbt磁场将被磁屏蔽罩吸收屏蔽，并且随着磁屏蔽罩厚度的增大，这种屏蔽效果越显著。因此bat和bbt穿透第一导磁套筒301衰减到b1，强度显著下降。

紧接着，b1进入第一导磁套筒301和第二导磁套筒302之间的非导磁绝缘层303中，由于其磁阻很大，因此磁场b1进一步衰减。紧接着b1传输到第二导磁套筒302中。如同第一导磁套筒301的磁屏蔽作用，第二导磁套筒302的磁导率更强，屏蔽效果更强烈。b1磁感线几乎全部集中吸收在第二导磁套筒302中，构成b2。因此最后，bat和bbt磁感线传输到第二导磁套筒302内腔，磁场几乎被完全屏蔽，最终磁场bat和bbt穿透第二导磁套筒302衰减到最后b0近似为零，几乎对各种旁路不产生作用。

原理二：由于直流短路电流容量很大，电弧电流产生的磁场很强，此时使用高磁导率材料容易发生饱和，但使用低磁导率材料的话，吸收损耗又不够。因此本发明采用双层屏蔽设计。第一层屏蔽(即第一导磁套筒301)具有低磁导率，不易饱和，第二层屏蔽(即第二导磁套筒302)具有高磁导率，容易饱和。第一层屏蔽先将磁场衰减到适当强度，第二层屏蔽不容易饱和。这样可以实现最大化的磁屏蔽效果。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。