CN104488058A

CN104488058A - 断路器

Info

Publication number: CN104488058A
Application number: CN201380019504.1A
Authority: CN
Inventors: P·斯托勒; M·塞格; A·伊奥达尼迪斯; B·维特里奇
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: DE112013001981T5; DE112013002015T5; CN104488058B; WO2013153112A1; US9431199B2; US20150021297A1; WO2013153110A1

Abstract

断路器包括两个接触件(1，2)、加压室(5)、喷嘴布置(6)，所述喷嘴布置(6)设计成在灭弧区域(3)中吹电弧(8)，其中要由流出灭弧气体(4)通过的加压室流出通道(71)的最窄通路定义加压室流出限制面积A_pc，要由流出灭弧气体(4)通过的喷嘴通道(63)的最窄通路定义喷嘴流出限制面积A_n，其中的较小面积定义绝对流出限制面积A，其中灭弧气体(4)具有在100年时间间隔上小于SF₆的全球变暖潜能值的全球变暖潜能值；其中加压室流出限制面积A_pc与喷嘴流出限制面积A_n的比率小于1.1∶1。

Description

断路器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的断路器。

背景技术

在常规高压断路器中，在电流切断操作期间形成的电弧通常使用作为灭弧气体的六氟化硫(SF₆)来熄灭。SF₆以其高介电强度和热中断能力而公知。加压的SF₆在断路器的典型最低操作温度下也是气态的，无毒且不易燃。虽然SF₆在电弧的消失期间可能分解，但是分解的SF₆的大部分重组，其进一步促进SF₆作为灭弧气体的适合性。

但是，SF₆当释放到大气中时，可有一些环境影响，特别是由于其相对高的全球变暖潜能值(GWP)及其在大气中相对长的寿命。

GWP是温室气体捕获多少热量到大气中的相对度量。它将由讨论中的一定质量的气体所捕获的热量与由相似质量的二氧化碳所捕获的热量进行比较。GWP在具体时间间隔上计算，通常是20年、100年或500年。它表达为二氧化碳(CO₂)的因数，所述二氧化碳(CO₂)的GWP被标准化为1。

迄今为止，已经通过严格的气体泄漏控制且通过非常小心的气体处理来应对SF₆的相对高的GWP。但是，开发备选灭弧气体的努力正在进行中。

一个特别引起兴趣的候选者来代替SF₆作为灭弧气体的是CO₂。CO₂易于获得、无毒且不易燃。正如提及的，CO₂还具有值为1的非常低的GWP值1。对于断路器所使用的量，它因此没有环境影响。

例如，在US 7816618中，描述了使用CO₂作为熄弧气体(即灭弧气体)的断路器以便抑制其对全球变暖的影响。另外，EP-A-2284854提出主要包括CO₂和CH₄的混合气体作为熄弧介质。

但是，根据US 7816618，CO₂的灭弧能力不如SF₆的灭弧能力。在常规设计的断路器中，当CO₂用作灭弧气体时，常常因此无法实现足够的中断性能。在相对高的短路电流和电压额定值的情况下尤其如此。

例如，在常规断路器中CO₂的使用已经由如下文献描述，H.Knobloch，《在高压断路器中六氟化硫(SF₆)的熄弧能力与备选气体的比较》，GaseousDielectric VIII，由Christophorou和Olthoff编辑，Plenum Press，纽约，1998，以及F.Baberis等，《Prove di interruzione su interruttori commerciali in gas(MT)con l′utilizzo di miscele SF6-free》，CESI Report L17918。根据前者出版物，使用CO₂代替SF₆导致中断性能大大地降低。根据针对介质电压应用的后者出版物，必须使用10巴的非常高的CO₂填充压力(代替3.4巴的SF₆)以实现与SF₆相同的性能，从而致使绝缘体和断路器的设计更复杂。由于类似因素增加高压断路器的填充压力将要求高压断路器的更复杂和更高成本的重设计。即使在高压断路器中提供了非常高的填充压力的CO₂，因为给定气体的介电强度在某个压力之上不再增加，所以这也不一定会导致介电强度等于类似SF₆断路器的介电强度。

考虑到现有技术状况的缺点，本发明的目标是提供允许非常高效地使用灭弧气体的简明设计的断路器。具体来说，断路器将允许足够的中断性能同时使用具有比SF₆更低的GWP的灭弧气体。最终，本发明因此将允许用于非SF₆断路器的更高最大短路电流，特别是使用CO₂的断路器。

发明内容

由根据权利要求1所述的断路器解决本发明的问题。在从属权利要求中给出优选的实施例。

根据权利要求1，本发明从而涉及包括以下的断路器：

至少两个接触件，相对于彼此可移动并且限定在电流切断操作期间形成电弧的灭弧区域，

加压室，设计成使得在电流断开期间对包含在其中的灭弧气体加压，以及

喷嘴布置，设计成使用流出加压室的灭弧气体来吹灭弧区域中的电弧。

喷嘴布置包括限定喷嘴通道或喷嘴喉部的至少一个喷嘴，在电流切断操作期间所述喷嘴布置由加压室流出通道连接到加压室。如下面将讨论的，通常加压室流出通道还形成流入通道，通过流入通道气体在反加热(back-heating)期间(至少在出现所谓的自通风(self-blast)效应的情况中)流动到加压室中。

要由流出灭弧气体通过的加压室流出通道的最窄通路定义加压室流出限制面积A_pc，并且要由流出灭弧气体通过的喷嘴通道的最窄通路定义喷嘴流出限制面积A_n。加压室流出限制面积A_pc和喷嘴流出限制面积A_n其中的较小面积定义绝对流出限制面积A。

现今本发明的断路器的特征在于加压室流出限制面积A_pc与喷嘴流出限制面积A_n的比率小于1.1∶1。

优选地，加压室流出限制面积A_pc与喷嘴流出限制面积A_n的比率的范围从0.2∶1到0.9∶1，更优选从0.4∶1到0.8∶1。

已经发现按照本发明的特定比率，能够改进断路器的中断性能。

这个发现是非常令人惊讶的，由于常规设计通常使用较高的比率值以避免在加压室流出通道中现有的气流中形成冲击波，参见例如参考文献C.M.Franck等，《高压断路器的高电流和电流零点的模拟的应用》，Contrib.Plasma Phys.46，No.10，787-797(2006)。

绝对流出限制面积A可由喷嘴通道或喷嘴喉部定义，或者可备选地由加压室流出通道定义。在两种情况中，相应的流出限制面积指定全部可用流出路径的最小通路。因此，如果喷嘴通道包括灭弧气体能够流出所通过的两个出口，则喷嘴流出限制面积等于两个出口的最窄通路的总和。以此类推，如果喷嘴通道包括大于一个(子)通道，则喷嘴流出限制面积A_n等于每个子通道的最窄通路的总和。同样适用于加压室流出通道。

本发明的上下文中使用的术语“通道”要广义理解为包括灭弧气体能够流动所通过的任意通道系统。具体来说，它还涉及包括子通道和/或支路的通道。

要理解，结合本申请的术语“灭弧气体”包含一个化合物的气体或者多个化合物的混合物的气体这两者。

虽然可能的是，例如对于中压应用仅提供具有一个喷嘴出口的一个喷嘴，但是喷嘴布置一般包括限定形成喷嘴通道第一部分的绝缘喷嘴通道，其中绝缘喷嘴通道的最窄通路定义绝缘喷嘴流出限制面积A_ni，以及限定形成喷嘴通道第二部分并且与绝缘喷嘴通道同轴延伸的辅助喷嘴通道的辅助喷嘴，其中辅助喷嘴通道的最窄通路定义辅助喷嘴流出限制面积A_na。因此，喷嘴流出限制面积A_n等于A_ni和A_na的总和。

根据一个实施例，绝缘流出限制面积A等于喷嘴流出限制面积A_n。换言之，在该实施例中要由灭弧气体通过的通道系统的最窄通路位于喷嘴通道中。如果喷嘴布置包括绝缘喷嘴和辅助喷嘴，则在该实施例中绝对流出限制面积A等于绝缘喷嘴流出限制面积A_ni和辅助喷嘴流出限制面积A_na的总和。

因此，如果喷嘴布置包括绝缘喷嘴和辅助喷嘴，则上面给出的提及的范围(即，小于1.1∶1，优选从0.2∶1到0.9∶1，更优选从0.4∶1到0.8∶1)与以下有关：加压室流出限制面积A_pc与绝缘喷嘴流出限制面积A_ni和辅助喷嘴流出限制面积A_na的总和(即A_n＝A_ni+A_na)的比率。

如所述，通道系统的最窄通路可备选地位于加压室流出通道中。

如果绝对流出限制面积A位于加压室流出通道中，优选位于靠近进入喷嘴通道或喷嘴喉部的加压室流出通道(也称作“加热通道”)的开口(也称作“加热间隙”)。

在一个实施例中，开口到喷嘴通道或喷嘴喉部中的至少一段加压室流出通道垂直于喷嘴通道的方向延伸。在另一个实施例中，开口到喷嘴通道中的至少一段加压室流出通道以与喷嘴通道的方向不同于90°角的方向延伸。

因为加压室流出限制面积的区域不影响压力降低的热中断性能，所以由该实施例实现了热中断性能实质上的全面改进。

在自通风断路器的情况中，通过与上面提及的常规设计中经受的相比来减小加压室流出限制面积，将轻微影响到峰值压力构建。将加压室流出限制面积A_pc与喷嘴流出限制面积A_n的比率设置为上面范围内的值特别有利于高电流应用，诸如T100a，其中较高的清除压力是不需要的并且太高的峰值压力可损害断路器的组件。

根据非常简洁且从而优选的实施例，由绝缘喷嘴和辅助喷嘴之间的间隙形成加压室流出通道。

一般而言，喷嘴通道具有圆柱体的形状。优选地，喷嘴通道的最窄通路，即喷嘴流出限制面积A_n，具有由范围从5mm到30mm的半径r_n定义的圆形横截面。要理解，如果喷嘴布置包括绝缘喷嘴和辅助喷嘴，则上面的形状和半径指的是绝缘喷嘴流出限制面积A_ni和辅助喷嘴流出限制面积A_na。

加压室流出通道开口与所述开口到喷嘴通道中的加压室流出通道都能够是以多孔的形状或者由环形裂隙形成。

优选地，加压室流出通道开口的边缘是弧形的。因此，特定优选弧形边缘的曲率由半径r_hco定义，r_hco与r_n的比率范围从0.1∶1到2∶1，优选从0.2∶1到2∶1，更优选从0.2∶1到1∶1，还更优选从0.4∶1到1∶1，并且最优选从0.4∶1到0.8∶1。

更优选地，r_hco范围从大约5mm到大约10mm。因此，即使后者与上述常规设计相比被降低，加压室流出通道中的过多的压力下降也被避免。

断路器可包含充气(puffer-type)式或自通风式断路器两者或两种类型的组合。

根据一个特定优选的实施例，加压室是加热空间或加热容器，或者包括加热空间或加热容器，在所述加热空间或加热容器中使用通过在灭弧区域中形成的电弧的热量和来自喷嘴的材料的烧蚀的热量所生成的自通风或反加热效应，来对灭弧气体加压。在该实施例中，加压室流出通道形成通向喷嘴通道或喷嘴喉部的加热空间流出通道(也称作“加热通道”)。

备选地或附加地，加压室能够是压缩空间或包括压缩空间，压缩装置归属于所述压缩空间，所述压缩装置包括连接到接触件中的至少一个的活塞。

本发明的优点特别适合当断路器是高压断路器时。但是，断路器不限于任意电压额定值，并且还特别包含中压断路器。具体来说，利用较低GWP的灭弧气体实现良好的灭弧属性。

根据本发明的一个特定优选的实施例，断路器遵守下面的尺寸等式：

V/A＝k·c_sound(T＝300K)，

其中V是以立方米表示的加压室的总体积，A是以平方米表示的绝对流出限制面积，c_sound(T＝300K)是以米每秒表示的在300K的灭弧气体中的音速，并且k的范围从0.005秒到0.025秒，

从而灭弧气体具有在100年时间间隔上小于SF₆的全球变暖潜能值GWP的GWP。因此，根据本发明使用的灭弧气体具有在100年时间间隔上小于22′800的全球变暖潜能值。

在尺寸等式中，k表示灭弧气体的流出时间常数。因此，它是加压室中压力随时间指数下降的测量值。

由于遵守特定的尺寸等式，按照该实施例的断路器在加压室中提供足够的压力，并且从而在电流零点时，而且当灭弧气体中的音速相对高时，提供足够的清除压力(其对于中断是决定性的)。如果灭弧气体是混合气体，则相关的音速是该混合气体中的音速。

因此，虽然使用具有比SF₆更低的全球变暖潜能值的灭弧气体-具体来说是CO₂或者CO₂和O₂的混合物，但是断路器仍然提供足够的中断性能。

特别是，即使使用具有SF₆中音速的1.2倍或更大倍数的音速的灭弧气体-对于CO₂或CO₂/O₂的气体混合物的情况也是如此，也能够实现电流零点时的足够的清除压力。因此，理论上具有较高音速的灭弧气体流出加压室更快(并且所要求的清除压力不能够被维持)的问题已由本发明、并且特别是由遵守上面给出的具体尺寸等式的实施例有效解决。

遵守尺寸等式不仅有利于针对在热中断性能上具有高要求的近区(short-line)故障，而且还有利于在例如T10、或异相电流开关、或感应负载开关的低端故障电流的情况中，其得益于增加压力构建，并且最终得益于空载清除压力。

根据一个优选实施例，灭弧气体包括从如下组中选择的至少一种气体组分，所述组包括CO₂、O₂、N₂、H₂、空气和全氟化的或部分氢化的有机氟化合物、以及它们的混合物。同样，灭弧气体能够包括一氧化二氮(N₂O)和/或碳氢化合物，特别是烷烃，更特别是甲烷(CH₄)，以及与上述组中的至少一种组分的混合物。

要理解，对于使用具有SF₆中音速的1.2倍音速的灭弧气体的优选实施例，还能够使用包括具有较低音速的组分的气体混合物，只要气体混合物遵守所提及的要求，即音速为SF₆中音速的1.2倍。

因此，特定优选的是，灭弧气体包括CO₂或者CO₂和O₂的混合物，或者实质上由CO₂或者CO₂和O₂的混合物组成。如所述，CO₂是易于获得、无毒、不易燃，并且对于断路器所使用的量没有环境影响。同样适用于O₂。

特别优选CO₂和O₂的混合物。在这点上，因为相应量中O₂的存在允许阻止炭黑的形成，所以优选CO₂的摩尔份数与O₂的摩尔份数的比率范围从98∶2到80∶20。

更优选地，CO₂的摩尔分数与O₂的摩尔分数的比率范围从95∶5到85∶15，还更优选从92∶8到87∶13，并且最优选为大约89∶11。在这点上，一方面，已经发现即使在具有高电流电弧的重复的电流中断事件之后，存在于至少5％的摩尔分数中的O₂允许阻止炭黑的形成。另一方面，存在于最多15％的摩尔分数中的O₂降低断路器的材料由于氧化而降解的风险。

如果灭弧气体包括有机氟化合物，则这样的有机氟化合物可以从包括以下的组中选择：碳氟化合物、氟代醚、氟胺和氟酮，并且优选是氟酮和/或氟代醚，更优选的是全氟酮和/或氢氟醚，最优选具有4到12个碳原子的全氟酮。

在本文中，术语“氟代醚”、“氟胺”和“氟酮”指的是至少部分氟化的化合物。具体来说，术语“氟代醚”包含氢氟醚和全氟乙醚这二者，术语“氟胺”包含氢氟胺和全氟胺这二者，并且术语“氟酮”包含氢氟酮和全氟酮这二者。

因此，优选完全氟化的(即全氟的)碳氟化合物、氟代醚、氟胺和氟酮。通常，化合物优选没有任何氢(其通常被认为是不需要的)，特别是考虑到由分解产生的潜在副产物，诸如氟化氢。

根据一个特定优选实施例，灭弧气体包括作为有机氟化物的氟酮或氟酮的混合物，特别是氟单酮(fluoromonoketone)，并且优选是具有4到12个碳原子的氟二酮。

近来氟酮被发现具有极佳的介电绝缘属性。它们已经被发现还具有极佳的中断属性。

如本发明的上下文中使用的术语“氟酮”将被广义解释并且将包含全氟酮和氢氟酮这二者。术语还将包含在碳原子之间包括双键和/或三键的饱和化合物或不饱和化合物这二者。氟酮的至少部分地氟化的烷基链能够是线形的或分支的，并且能够可选地形成环。

术语“氟酮”将包含可包括链中杂原子的化合物。在示范性实施例中，氟酮将不具有链中杂原子。

术语“氟酮”还将包含具有两个羟基的氟单酮(fluorodiketones)或具有超过两个羟基的氟酮。在示范性实施例中，氟酮将是氟单酮。

根据一个优选实施例，氟酮是全氟酮。优选氟酮具有分支的烷基链。还优选氟酮是全饱和的。

关于灭弧气体的流出时间常数，k优选范围从0.007秒到0.025秒，更优选从0.008秒到0.025秒，还更优选从0.009秒到0.025秒，进一步优选从0.010秒到0.025秒，并且最优选从0.010秒到0.015秒。

根据另一方面，本发明从而还涉及用于适配为使用SF₆作为灭弧气体而设计的SF₆断路器的方法，以使用具有在100年时间间隔上比SF₆更低的全球变暖潜能值的备选灭弧气体，所述断路器包括：

加压室，设计为使得在电流断开操作期间对包含在其中的灭弧气体加压，以及

喷嘴布置，设计成使用从加压室流出灭弧气体来吹灭弧区域中的电弧，所述喷嘴布置包括限定喷嘴通道或喷嘴喉部的至少一个喷嘴，在电流切断操作期间所述喷嘴布置由加压室流出通道连接到加压室。要由流出灭弧气体通过的加压室流出通道的最窄通路定义加压室流出限制面积A_pc，并且要由流出灭弧气体通过的喷嘴通道的最窄通路定义喷嘴流出限制面积A_n，其中的较小面积定义绝对流出限制面积A。

所述方法特征在于它包括以下步骤：

确定在300K备选灭弧气体中的音速C_sound(T＝300K)；

适配加压室的总体积V和/或绝对流出限制面积A，使得遵守下面的尺寸等式：

V/A＝k·c_sound(T＝300K)，

其中k范围从0.005秒到0.025秒。

如所述，按照本发明的断路器的新设计当CO₂用作灭弧气体时特别受益，这是因为CO₂中的音速粗略地为SF₆中音速的两倍，其导致当在SF₆断路器中使用CO₂时气体更快流出，并且从而降低清除压力。还如所述，通过相应地适配断路器，本发明允许比常规设计实现更高的清除压力。

由于与SF₆相比CO₂的中断能力较低，在使用CO₂代替SF₆时，短路电流额定值以及额定电流额定值(其通常取决于短路电流额定值)降低。

当从为使用SF₆作为灭弧气体而设计的常规断路器开始时，接触件直径以及从而喷嘴通道的直径(由接触件直径支配)能够因此被相应地减小。

由于喷嘴通道的直径的这种减少，能够实现对于遵守上面的尺寸等式而且当使用CO₂时的断路器而言足够小的绝对流出限制面积A。因此，能够以对于原先为使用SF₆作为灭弧气体而设计的现存断路器而言的最小变化，实现断路器的性能的显著改进。

当为了遵守上面的尺寸等式而适配常规断路器的尺度时，优选仅适配绝对流出限制面积A，即减小A。

备选地或附加地，可适配加压室的体积V，即能够增加V。

此外，如本文所述的断路器的实施例的所有特征在执行用于将SF₆断路器适配到本文所述的备选灭弧气体的方法中也是有利的。

附图说明

本发明进一步通过图示出，其中：

图1示出在闭合位置中即在电流切断操作之前的本发明的断路器的一部分的截面图；以及

图2示出在电流切断操作期间按照图1的断路器的一部分的截面图。

具体实施方式

图中所示的断路器的这部分具有圆柱对称性。它包括在轴向方向1A(该轴由点线示出)中相对于彼此可移动的两个接触件：以插塞式接触件1的形式的第一接触件和以郁金香(tulip)接触件2的形式的第二接触件，图1中所示的闭合位置中所述第二接触件啮合在所述第一接触件的近端部分11的周围。接触件1、2限定如图2所示在电流切断操作期间形成电弧8的灭弧区域或起弧区3。

在闭合位置中，在实施例中所示包括压缩空间51和加热空间52的加压室5中包含灭弧气体4。对于压缩空间51，归属于所述压缩空间51的压缩装置511包括连接到接触件1、2中至少一个、并且意图在压缩空间51中对灭弧气体4进行压缩的活塞512。虽然加热空间或加热容器52被隔板53从压缩空间51分开，但是通过包括阀开口541和阀板542的阀54与压缩空间51联系。所述阀54在图1中所示的断路器的闭合位置中是打开的。例如，阀开口541和阀板542都能够以相应的单个圆形开口541或单个圆形板542的形式，或者以多个(子)开口或(子)板的形式。

断路器还包括喷嘴布置6，以便使用在加压室5中包含的灭弧气体4吹电弧。在所示实施例中，绝缘喷嘴布置6包括彼此具有径向距离而布置的绝缘(主)喷嘴61和辅助喷嘴62，从而形成间隙7。喷嘴61(本文称作了绝缘喷嘴61)主和辅助喷嘴62都是由诸如PTFE之类的绝缘材料制成。

绝缘喷嘴61和辅助喷嘴62都以凸缘装在加压室5的壁上以围住加热空间52，并且二者分别包括靠近加压室5的第一圆筒部分612、622，并且每个具有第一壁厚度，后面分别是第二部分613、623，每个具有比各自的第一壁厚度更厚的第二壁厚度。

绝缘喷嘴61的第二部分613限定绝缘喷嘴通道611，并且辅助喷嘴62的第二部分623限定辅助喷嘴通道621，所述通道611、621同轴地延伸并且一起形成具有例如基本上与插塞式接触件1的横截面对应的由半径r_n定义的圆形横截面的喷嘴通道63。如下面进一步讨论的，要理解在本申请通篇中绝缘喷嘴通道611的横截面和辅助喷嘴通道621的横截面能够具有不同的半径。因此，当断路器处于闭合位置时，喷嘴通道63的内壁631紧密围住插塞式接触件1，其中总存在用于机械公差的小间隙，例如至少大约1mm。

通过间隙7，喷嘴通道63与加压室5的加热空间52连接；因此，所述间隙7形成加压室流出通道71。

加压室流出通道71能够具有两段：第一段711，其将加热空间52转移，并且其以环状导管的形式沿轴向或主要轴向方向1A延伸，以及第二部分712，其垂直于、或者至少与轴向方向1A且由此与喷嘴通道63的方向成一定角度地延伸，并且向喷嘴通道63延伸，并且以加压室流出通道开口713来开口到喷嘴通道63中。加压室流出通道开口713的边缘是弧形的，其曲率由半径r_hco定义。

在图1中所示的断路器的闭合位置中，加压室流出通道71和喷嘴通道63之间的连接由插塞式接触件1阻挡。

在电流切断操作期间，接触件1、2通过相对于彼此的轴向移动而分开。通常，通过以下来执行分开：移动郁金香接触件2，而插塞接触件1保持固定、或者在“双向移动”配置中能够经由连接到郁金香接触件2的传动装置移动插塞接触件1。其中相应包含的压缩空间51和灭弧气体4由压缩装置511压缩，所述压缩装置511将用于分开接触件1、2的移动转化成隔板53对于活塞512的相对移动。

在切断操作开始时，压缩空间51中的压力由此增加。由于这个压力增加，压缩空间51中的压力变得高于加热空间52；阀54因此维持在打开状态，并且从压缩空间51向加热空间52的灭弧气体4的流动被建立。

一旦插塞式接触件1处于使得加压室流出通道71外面的灭弧气体4的通过不再被阻挡的位置，则灭弧气体4流动到喷嘴通道63中，由此-在一个方向中-它通过绝缘喷嘴通道611向第一排气装置流动，并且-在另一个方向且是相反的方向中-通过辅助喷嘴通道621向第二排气装置流动，由此冷却电弧8。(在附图中，灭弧气体的路径由箭头指示。)

电弧8的形成导致相应来自绝缘喷嘴61和辅助喷嘴62的材料的强烈烧蚀。由于电弧的热量和引起的烧蚀，通过加压室流出通道71向加热空间52的气体流动被建立。由于该反加热，加热空间52中的压力增加。当加热空间52中的压力超过压缩空间51中的压力时，阀54关闭。加热空间52随后继续加热，直到灭弧区域3中的压力低于加热空间52中呈现的压力(其当电流降低并且更少材料被烧蚀时发生)。因此，反转了灭弧气体流动，导致气体从加热空间52流动到喷嘴通道63中，并且因此流动到灭弧区域3中(所谓的自通风效应)。

在图2中所示的断开状态中，要由流出灭弧气体4通过的喷嘴通道63的最窄通路定义喷嘴流出限制面积A_n，并且要由流出灭弧气体4通过的加压室流出通道71的最窄通路定义加压室流出限制面积A_pc。A_n和A_pc中的较小值定义绝对流出限制面积A。

如果整个通道系统的最窄通路出现在加压室流出通道中，即A等于A_pc，相应的面积A能够是以圆形面积的形式(如果A＝A_pc出现在加压室流出通道71的第一段711中)，或者圆柱的侧面面积的形式(如果A＝A_pc出现在加压室流出通道71的第二段712中)。

如果最窄通路出现在喷嘴通道63中，即喷嘴流出限制面积A＝A_n，则最窄通路由绝缘喷嘴通道611的最小横截面面积(即绝缘喷嘴流出限制面积A_ni)和辅助喷嘴通道621的最小横截面面积(即辅助喷嘴流出限制面积A_na)的总和来定义：A_n＝A_ni+A_na。

在所示实施例中，绝对流出限制面积A等于A_pc，意味着它位于加压室流出通道71的第二段712中，紧靠近弧形的加压室流出通道开口713。如所述，这个等于A_pc的面积A是以圆柱的侧面面积的形式，其按照如下的等式由在绝缘喷嘴61和辅助喷嘴62之间的距离h(在轴向方向中)，即通过在紧靠近加压室流出通道开口713的区域中的间隙7的宽度，以及圆柱的半径r_pc来定义：

A_pc＝2πr_pch

换言之，r_pc是轴向对齐的圆柱的半径，其侧面面积形成加压室流出通道71中的最窄流出面积A_pc。绝缘喷嘴通道611的最小横截面面积和辅助喷嘴通道621的最小横截面面积，即分别是绝缘喷嘴流出限制面积A_ni和辅助喷嘴流出限制面积A_na，分别由下面的等式计算：

A_ni＝πr_ni ²和A_na＝πr_na ²

其中r_ni和r_na分别是在绝缘喷嘴通道611的最小横截面面积下的半径和在辅助喷嘴通道621的最小横截面面积下的半径。

在附图中所示的实施例中，r_ni等于r_na。但是，也可能绝缘喷嘴通道611和辅助喷嘴通道621具有不同的半径；在这样的实施例中，r_ni和r_na将是不同的。

在本实施例中，加压室流出限制面积A_pc与喷嘴流出限制面积A_n(即绝缘喷嘴流出限制面积A_ni和辅助喷嘴流出限制面积A_na总和)的比率在图中被示出近似是1∶1(特别当r_pc＝r_n+r_hco时是0.98∶1)。因此，该比率处于按照本发明的范围中。

取决于备选灭弧气体的选择，比率V/A，即加压室的总体积(以立方米表示)与绝对流出限制面积(以平方米表示)的比率，优选使得其遵守下面的公式：

V/A＝k·c_sound(T＝300K)，

其中c_sound(T＝300K)是以米每秒表示的在300K灭弧气体(4)中的音速，并且k的范围从0.005秒到0.025秒。

假设接触件的大小由构造它们的材料以及它们必须承受的短路电流的振幅和持续时间来确定，通常给出约束以便选择A的最小值。因此，基于预定的k值和A的(最小)值，选择适合的V。

重要的是要注意，k不直接与起弧时间有关，但是与在电弧和流进流出加热容器(在自通风式断路器中)或压缩容器(在充气式断路器中)的气体之间的相互作用的物理过程有关。

一般而言，选择k，使得一旦流动反转则从例如加热容器流出的气体不会过快，这是因为否则当到达电流零点时压力将快速下降并且流动将不能够熄灭电弧。当电弧电流从其峰值向下一个电流零点跨越下降时，流动反转。不再是气体被电弧泵到加热容器中，它现在流出进入电弧区，冷却且最终在电流零点处中断电弧。

因此，k的给定范围不是简单地反映起弧时间的范围，即k不是断路器工作期间的起弧时间常数。相反，k的值由以下产生：电弧与气体流动的复杂相互作用、以及考虑例如多重流动反转(例如，如果在第一电流零点跨越期间电弧没有被中断)、以及其它现象。

因此，k表示灭弧气体流出的时间常数的特性，所述灭弧气体流出的时间常数能够比起弧时间窗口更早或更迟，并且通常能够迟于起弧时间窗口而结束。

适合用于本发明的气体的选择与其各自的音速以及GWP一起在下面的表1中给出。

表1

除了用于“C5-氟酮”和“C6-氟酮”的数据以外，标准化的GWP数据采用自IPCC第四个评定报告：气候变化2007(仅除了用于HFE-236fa的数据以外，其采用于WMO的(世界气象组织)《臭氧消耗的科学评估：1998，由全球臭氧研究和监视项目发布的44号报告》)。

如表1中使用的特定“C5-氟酮”与化合物1，1，1，3，4，4，4-七氟-3-(三氟甲基)丁2酮(1，1，1，3，4，4，4-heptafluoro-3-(trifluoromethyl)butan-2-one)有关，而如表1中使用的特定“C6-氟酮”与1，1，1，2，4，4，5，5，5-九氟-2-(三氟甲基)戊3酮(1，1，1，2，4，4，5，5，5-nonafluoro-2-(trifluoromethyl)pentan-3-one)有关。

“HFE-236fa”与化合物2，2，2-三氟乙烷基-三氟甲基乙醚(2，2，2-trifluoroethyl-trifluoromethyl ether)有关，而“HFE-245cb2/mc”与化合物五氟-乙烷基-甲基乙醚(pentafluoro-ethyl-methyl ether)有关。

示例

在下文中，用于将为使用SF₆作为灭弧气体所设计的SF₆断路器适配成使用备选灭弧气体的方法通过具体示例示出：

作为备选灭弧气体，提供了包括90％的二氧化碳和10％的氧气的气体混合物。该备选灭弧气体具有(在100年的时间间隔上)大约为1的GWP。在300K的音速c_sound(T＝300K)是274m/s。

对于k的优选值范围从0.010到0.015s，将加压室的总体积V和/或绝对流出限制面积A以使得V/A范围从2.74到4.11m(根据尺度等式V/A＝k·c_sound(T＝300K)，其中k范围从0.010秒到0.015秒)的方式来适配。在一个实施例中，将V/A适配到大约3.4m。

给定为了在断开或闭合工作期间防止接触件接触喷嘴的所要求的接触件直径和所要求的接触件周围的间隙，在绝缘(主)喷嘴通道和辅助喷嘴通道二者中的最小横截面面积下的半径r可假定为0.01m。因此，绝对流出限制面积(A＝2πr²)从而是0.00063m²。那么，根据下面的等式适配加压室的总体积V：

V＝(3.4m)·(0.00063m²)＝0.002m³

相比之下，所适配的断路器中SF₆(具有大约135m/s的c_sound(T＝300K))的使用导致k值范围从0.020秒到0.030秒(即在0.010秒到0.015秒的优选范围以外)。

如上所述，在实施例中，在断路器工作期间灭弧气体的流出时间常数k优选范围从0.007秒到0.025秒，更优选从0.008秒到0.025秒，还更优选从0.009秒到0.025秒，进一步优选从0.010秒到0.025秒，并且最优选从0.010秒到0.015秒。

在实施例中能够选择流出时间常数k的较低值，其中起弧时间限于小范围的值，例如，在其中使用短路监视和/或断路器跳闸系统的实施例中。

在一个实施例中，范围从1毫秒到2毫秒的起弧时间能够当执行同步开关时发生。在这些实施例中，k能够通过修改V/A而调节，以为了这么短的起弧时间提供电弧的最佳中断。具体来说，对于限定范围1到2毫秒的起弧时间，流出时间常数k适当设为0.005秒，对于CO₂，尺度等式得到1.4m的V/A比率的结果。该比率明显不同于对于比率大约是0.7m的SF₆的相应的比率。

同步开关实施例中的压力构建能够由充气机制提供，这是因为对于电弧而言靠其自身既没有足够的时间也没有电弧能量来构建所要求的压力。

附图标记列表

1 插塞式接触件

1A 轴向方向

11(插塞式接触件1的)近端部分

2 郁金香接触件

3 灭弧区域，起弧区

4 灭弧气体

5 加压室

51 压缩空间

511 压缩装置

512 活塞

52 加热空间，加热容器

53 隔板

54 阀

541 阀开口

542 阀板

6 绝缘喷嘴布置

61 绝缘喷嘴，主喷嘴

611 绝缘喷嘴通道

612 绝缘喷嘴的第一部分

613 绝缘喷嘴的第二部分

62 辅助喷嘴

621 辅助喷嘴通道

622 辅助喷嘴的第一部分

623 辅助喷嘴的第二部分

63 喷嘴通道

631 喷嘴通道的内壁

7 间隙

71 加压室流出通道

711 加压室流出通道的第一段

712 加压室流出通道的第二段

713 加压室流出通道开口

8 电弧

符号列表

A 绝对流出限制面积(以平方米表示)

A_n 喷嘴流出限制面积

A_na 辅助喷嘴流出限制面积

A_ni 绝缘(主)喷嘴流出限制面积

A_pc 加压室流出限制面积

c_sound(T＝300K)以米每秒表示的在300K的灭弧气体中的音速

h 在绝缘喷嘴和辅助喷嘴之间的(轴向)距离

k 灭弧气体的流出时间常数

r_hco 定义加压室流出通道开口的弧形边缘的曲率的半径

r_n 喷嘴通道的半径

r_ni在绝缘(主)喷嘴通道的最小横截面面积下的半径

r_na 在辅助喷嘴通道的最小截面面积下的半径

r_pc 圆柱的半径，所述圆柱的侧面面积形成加压室流出通道中的最窄通路

V 加压室的总体积(以立方米表示)。

Claims

1.一种断路器，包括：

至少两个接触件(1，2)，相对于彼此可移动并且限定在电流切断操作期间形成电弧(8)的灭弧区域(3)，

加压室(5)，设计为使得在电流断开操作期间对包含在其中的灭弧气体(4)加压，以及

喷嘴布置(6)，设计成使用从所述加压室(5)流出的所述灭弧气体(4)来吹所述灭弧区域(3)中的电弧(8)，所述喷嘴布置(6)包括限定喷嘴通道(63)的至少一个喷嘴(61，62)，所述喷嘴通道(63)在电流切断操作期间由加压室流出通道(71)连接到所述加压室(5)，要由所述流出灭弧气体(4)通过的所述加压室流出通道(71)的最窄通路定义加压室流出限制面积A_pc，并且要由所述流出灭弧气体通过的所述喷嘴通道(63)的最窄通路定义喷嘴流出限制面积A_n，其中的较小面积定义绝对流出限制面积A，

所述灭弧气体(4)具有在100年时间间隔上小于SF₆的全球变暖潜能值的全球变暖潜能值，

其特征在于，所述加压室流出限制面积A_pc与所述喷嘴流出限制面积A_n的比率小于1.1∶1。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述加压室流出限制面积A_pc与所述喷嘴流出限制面积A_n的比率范围从0.2∶1到0.9∶1，优选从0.4∶1到0.8∶1。

3.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述喷嘴布置(6)包括限定形成所述喷嘴通道(63)第一部分的绝缘喷嘴通道(611)的绝缘喷嘴(61)，其中所述绝缘喷嘴通道(611)的最窄通路定义绝缘喷嘴流出限制面积A_ni，以及限定形成所述喷嘴通道(63)第二部分并且与所述绝缘喷嘴通道(611)同轴延伸的所述辅助喷嘴通道(621)的辅助喷嘴(62)，其中所述辅助喷嘴通道(621)的最窄通路定义辅助喷嘴流出限制面积A_na，所述喷嘴流出限制面积A_n等于A_ni与A_na的总和。

4.根据权利要求3所述的断路器，所述绝对流出限制面积A等于所述喷嘴流出限制面积A_n。

5.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，开口到所述喷嘴通道(63)中的所述加压室流出通道(71)的至少一段(712)垂直于所述喷嘴通道(63)的方向延伸，或者以与所述喷嘴通道(63)的方向不同于90°角的方向延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述加压室流出通道(71)由绝缘喷嘴或所述绝缘喷嘴(61)和辅助喷嘴或所述辅助喷嘴(62)之间的间隙(7)形成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述喷嘴流出限制面积A_n具有由半径r_n限定的圆形横截面，特别是具有范围从5mm到30mm的所述半径r_n。

8.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述加压室流出通道(71)以加压室流出通道开口(713)来开口到所述喷嘴(63)中，所述开口(713)的边缘是弧形的。

9.根据权利要求7和8所述的断路器，其特征在于，所述加压室流出通道开口(713)的弧形边缘的曲率由半径r_hco定义，r_hco与r_n的比率范围从0.1∶1到2∶1，优选从0.2∶1到2∶1，更优选从0.2∶1到1∶1，还更优选从0.4∶1到1∶1，以及最优选从0.4∶1到0.8∶1。

10.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述加压室(5)是加热空间(52)或包括加热空间(52)，在所述加热空间(52)中使用通过在所述灭弧区域(3)中形成的所述电弧(8)的热量和来自所述喷嘴布置(6)的材料的烧蚀的热量所生成的反加热效应，来对所述灭弧气体(4)加压。

11.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述加压室(5)是压缩空间(51)或包括压缩空间(51)，压缩装置(511)归属于所述压缩空间(51)，所述压缩装置(511)包括连接到所述接触件(1，2)中的至少一个的活塞(512)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，是高压断路器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述断路器遵守下面的尺度等式：

V/A＝k·c_sound(T＝300K)，

其中，V是以立方米表示的所述加压室(5)的总体积，

A是以平方米表示的所述绝对流出限制面积，

c_sound(T＝300K)是以米每秒表示的在300K的所述灭弧气体(4)中的音速，并且

k的范围从0.005秒到0.025秒。

14.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，在300K的所述灭弧气体(4)中的音速是在300K的SF₆中的音速的1.2倍。

15.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭弧气体(4)包括从如下组中选择的至少一种气体组分，所述组包括CO₂、O₂、N₂、H₂、空气、N₂O、特别是CH₄的碳氢化合物、全氟化的或部分氢化的有机氟化合物、以及它们的混合物。

16.根据前述权利要求中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭弧气体(4)包括CO₂或CO₂和O₂的混合物，或者实质上由CO₂或CO₂和O₂的混合物组成。

17.根据权利要求15所述的断路器，其特征在于，所述有机氟化合物可以从包括以下的组中选择：碳氟化合物、氟代醚、氟胺和氟酮，并且优选是氟酮和/或氟代醚，更优选的是全氟酮和/或氢氟醚，最优选具有4到12个碳原子的全氟酮。

18.根据权利要求13到17中任一项所述的断路器，其特征在于，k是断路器工作期间所述灭弧气体的流出时间常数；和/或k不是断路器工作期间的起弧时间常数；和/或k范围从0.007秒到0.025秒，优选从0.008秒到0.025秒，更优选从0.009秒到0.025秒，还更优选从0.010秒到0.025秒，并且最优选从0.010秒到0.015秒。