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CN105408979B - 电路断路器 - Google Patents

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CN105408979B
CN105408979B CN201480043135.4A CN201480043135A CN105408979B CN 105408979 B CN105408979 B CN 105408979B CN 201480043135 A CN201480043135 A CN 201480043135A CN 105408979 B CN105408979 B CN 105408979B
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Abstract

本发明涉及一种电路断路器，其可在接通位置与断开位置之间切换，使得在断开位置形成包括弧隙的中断通路。电路断路器包括用于骤冷气体的储存容积，其与弧隙处于气体连通，储存容积具有用于骤冷气体的入口端口。入口端口还具有包括闭塞器的阀，且闭塞器具有隔热涂层。

Description

电路断路器
技术领域
本发明涉及电能产生和传输的领域。其涉及如独立专利权利要求的前序部分中要求保护的电路断路器，其特别设计成在发电站、变电站或其它供电设施中用于接通和切断特别是在中压和高压范围中的工作电流和过电流。
背景技术
此类开关例如是从欧洲专利申请EP0696040A1和EP0951039A1已知的，这些申请的内容和公开内容通过对其引用完全并入本专利申请的范围中。
在通过此类开关切换高电流期间，特别是在短路的情况下，压力室中和回流管道中容纳的隔离气体中通常存在10到100 bar范围内的高压和超过2300K的温度。在很高电流的情况下，特别是在超过250 kA的范围中和/或在紧凑构造的开关中，可出现达到3000K或更高的温度。结果，配合到用于隔离气体的加热室的回流管道的出口上的构造为金属环的止回阀的闭塞器可经历塑性应变，使得止回阀不再能够良好地实现其功能。
测试证实了可通过使用具有更坚固构造的闭塞器来防止或至少大致减小此类塑性应变；然而，这同时与止回阀的惰性的增大相关联，使得在促动时，回流管道由所述阀的关闭不够快，从而允许隔离气体从加热室的非期望逃逸。
吹气类型的电路断路器是从DE29604500U1已知的，其中吹气活塞涂布有耐热塑料层，诸如PTFE或聚酰胺，以便提供关于接触片的电屏蔽，或防止吹气活塞上的切换电弧的根点的形成。
因此，本发明的目的在于提出一种消除上述缺点的电路断路器。
发明内容
上文提到的和其它的目的通过独立专利权利要求中描述的特征的电路断路器实现。本发明的其它有利实施例在从属专利权利要求中描述。
根据本发明的电路断路器，其可在接通位置与断开位置之间切换，使得在断开位置中形成包括弧隙的中断通路；电路断路器包括与弧隙气体连通的用于骤冷气体的储存容积，其中所述储存容积设有用于骤冷气体的入口，且其中所述入口还配备有包括闭塞器的阀，借助于其可关闭入口。闭塞器设有隔热涂层。隔热涂层防止闭塞器的塑性应变。
在根据本发明的电路断路器的备选构造中，该电路断路器可在接通位置与断开位置之间切换，包括第一电力端子和第二电力端子，且其中在接通位置中，在第一电力端子与第二电力端子之间形成导电连接，且在断开位置中，在第一电力端子与第二电力端子之间形成中断通路，其中所述中断通路包括：形成于与第一电力端子导电接触的第一接触元件和与第二电力端子导电接触的第二接触元件之间的弧隙，与弧隙处于气体连通的用于骤冷气体的储存容积，其中所述储存容积设有用于骤冷气体的入口，且其中所述入口配备有包括闭塞器的阀，借助于其可关闭入口，闭塞器设有隔热涂层。这里，隔热涂层又防止闭塞器的塑性应变。
在根据本发明的电路断路器的优选的进一步发展中，隔热涂层包括塑料，优选聚合物。出于此目的，热固性塑料是特别优选的，因为其直至其分解温度都保持刚性，从而特别地防止微滴的形成。在一些情况下，此类微滴以弹性体出现，且特别是以热塑性聚合物出现，通常导致对应的塑料在分解温度范围内或超过其的温度下的燃烧，特别是通过由此形成的微滴或滴落物的点燃。包括环氧树脂或环氧树脂系统的塑料的使用是特别优选的。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选进一步发展中，隔热涂层包括结合一种或多种填料材料的塑料，特别是环氧树脂或环氧树脂系统，其特别展示在塑料体积各处的至少大致均匀的分布。特别地，陶瓷粉末(例如，氧化铝)可用作填料材料；然而，在使用粉末形式的硫化钼的测试中也获得了良好的结果。填料材料提高塑料的耐火性，且总体上改善隔热涂层和涂布的闭塞器两者的机械稳定性。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选的进一步发展中，选择用于隔热涂层的材料(特别是上文所述类型的塑料)展示λ≤10W/(mK)的低导热率λ，其中λ≤1.0W/(mK)是优选的，且λ≤0.3W/(mK)是特别优选的。这允许甚至在具有大约几十μm的厚度的相对薄的涂层的情况下实现充分的隔热。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选的进一步发展中，选择用于隔热涂层的材料(特别是上文所述类型的塑料)展示E≥5GN/m2的弹性模量E，其中E≥10GN/m2是优选的，且E≥20GN/m2是特别优选的。特别是与包括具有相对低的弹性模量的金属(特别是包括铝、镁等)的闭塞器组合，与形成在闭塞器与隔热涂层之间的类型的坚固且不可逆的材料结合组合，这导致增大的刚性，特别是在环形闭塞器中，从而减小了与断开过程相关联的闭塞器中的塑性应变。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选的进一步发展中，选择用于隔热涂层的材料(特别是上文所述类型的塑料)展示α≤20*10-6/K的纵向热膨胀系数α，其中α≤15*10-6/K是优选的，且α≤10*10-6/K是特别优选的。特别是与包括具有相对高的纵向热膨胀系数的金属(特别是包括铝、铍、镁等)的闭塞器组合，与形成在闭塞器与隔热涂层之间的类型的坚固且不可逆的材料结合组合，这导致与中断过程相关联的闭塞器中的塑性应变的减小。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选的进一步发展中，选择用于隔热涂层的材料为塑料，其展示TG≥293K的玻璃态转变温度TG，其中TG≥323K是优选的，且TG≥373K是特别优选的。选择具有高玻璃态转变温度的塑料确保在高温下的极高稳健性，从而允许与断开操作相关联的闭塞器中的塑性应变的特别有效的减小。
在根据本发明的电路断路器的另一个优选的进一步发展中，用于隔热涂层的材料为陶瓷材料或全氟化碳，特别是聚四氟乙烯(PTFE)。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明的电路断路器的局部轴向纵截面；
图2示出了根据本发明的电路断路器的对应于图1中的区域A的局部放大；
图3示出了根据本发明的实施例的另一个优选示例的电路断路器的第一闭塞器的横截面。
原则上，相同的参考标号表示相同的构件。
具体实施方式
图1示出了表示为左侧上的接通位置和右侧上的断开位置的根据本发明的电路断路器的局部轴向纵截面，特别是发电机电路断路器。电路断路器设有壳体1，其构造成围绕沿轴向定向的切换轴线2的至少基本上旋转对称的布置。壳体1包括上壳体元件3和下壳体元件4，两者都是金属，其由绝缘材料的圆柱形中间壳体元件5连接。上壳体元件3和下壳体元件4分别连接到电路断路器的第一电力端子和第二电力端子。整个壳体1填充有隔离气体，优选SF6，其用作骤冷气体。
在中间壳体元件5的水平处，额定电流通路构造在外侧，包括分别连接到上壳体元件3和下壳体元件4的沿轴向间隔开的周向的固定额定电流触头－上固定额定电流触头6和下固定额定电流触头7，以及可动额定电流触头8，其具有桥接固定额定电流触头6、7之间的间隙的连续的一系列周向接触指部。可动额定电流触头8连接到未显示的切换机构上，借助于该切换机构，可动额定电流触头可沿轴向方向在电路断路器的接通位置与电路断路器的断开位置之间移位，在电路断路器的接通位置中其桥接上固定额定电流触头6与下固定额定电流触头7之间的空隙，在电路断路器的断开位置，其形成与上固定额定电流触头6的间隙。
上壳体元件3在其下端处由第一水平隔板9封闭。后者承载灭弧触头布置10的固定元件。第一隔板9中的中心开口承载郁金香(tulip)触头11形式的第一接触元件，其设有向下且相对于切换轴线2倾斜定向且由槽口分开的连续的一系列周向弹性接触指部。电绝缘材料的喷嘴12布置成与郁金香触头11相反且包围切换轴线2，其构造为朝其上端变窄的圆锥的形式。还提供良好的导电结合的配合至下壳体元件4的滑套13承载接触棒14形式的第二接触元件，其可通过切换机构沿轴向移位，且其在电路断路器的接通位置突入郁金香触头11中，且在其外部通过其接触指部接触。结果，后者经历弹性应变，使得它们将相对较高的接触压力施加到接触棒14。滑套13固定到第二隔板15，第二隔板15在其上端处封闭下壳体元件4。喷嘴12固定在第二隔板15中的中心开口中。
在电路断路器的断开位置中，接触棒14被向下拉，使得其末梢位于喷嘴12下方。弧隙16然后形成在郁金香触头11与接触棒14之间。如果在电路断路器从接通位置切换至断开位置的切换过程开始时，足够高的电流在第一电力端子与第二电力端子之间流动，则在切换过程结束时将在上述接触元件之间的弧隙16中产生电弧17。弧隙16由用作加热室18的连续的且环形的储存容积包绕。加热室18通过间隙连接到弧隙16，该间隙将郁金香触头11与喷嘴12分开，从而形成周向吹气槽口19。吹气槽口19因此形成开口，且用作与弧隙16相反定向的吹气开口。在其外部，加热室18由隔热材料的周向第三隔板20包围，其用作加热室的隔热物。
在其上端处，弧隙16与压力室25连通，通过郁金香触头11的接触指部的端部形成的开口与压力室25分开，压力室由向上延伸的郁金香触头11、电绝缘材料构造的连续环形盖26和钢帽27包围，由此钢帽27利用介入的空隙包绕盖26，且在其外部与第一隔板9接合。盖26和布置得与其有空隙的帽27包围回流管道28，回流管道28围绕切换轴线2旋转对称，且其在压力室25的第一区域中在所有侧沿径向向外引导，且在第二区域转向下，且沿轴向方向引导至加热室18。因此，回流管道28的有效截面区域在第一区域中从切换轴线沿向外方向连续地延伸。从回流管道28到加热室18的开口形成用于隔离气体的入口。开口配备有第一止回阀，其设有第一闭塞器，闭塞器构造成优选为弹性钢的周向和刚性的第一金属环29。第一金属环29的面向回流管道28的背面设有环氧树脂的隔热涂层29a。压力室25借助于排气口与上壳体元件3的内部连通，其用作排气室30，帽27设有中心排气开口31。在其下端处，弧隙16与下壳体元件4中的另一个排气室30'连通。
第二隔板15设有分布在其圆周上的多个(例如，四个)吹气缸21，其中吹气活塞22由切换机构促动，它们借助于吹气管道23分别连接到加热室18。第二止回阀安装在吹气管道23进入加热室18的开口处，其设有构造为周向且刚性的第二金属环24的第二闭塞器。
详细而言，断开操作如下进行：
从图的左侧上表示的接通位置开始，切换机构(未显示)使可动额定电流触头8、接触棒14和吹气活塞22向下移动。在这些移动开始之后不久，可动额定电流触头8与上固定额定电流触头6分开，使得额定电流通路中断，且电流切换至灭弧触头布置10。稍后，接触棒14从郁金香触头11退出。电弧17在这些接触元件之间产生，在完成切换动作时，其延伸穿过弧隙16，弧隙16由断路器间隙上的接触棒14的移动形成。通过吹气活塞22的移动产生加热室18中的压力累积，这引起隔离气流从吹气活塞21经由吹气管道23行进到加热室18中。如果其它效果引起加热室18中的隔离气体的压力累积超过吹气压力，则第二止回阀24关闭，从而防止气体从加热室18逃逸到吹气管道23中。
借助于通过吹气槽口19从电弧17辐射到加热室18中的热能，后者中的隔离气体被强烈加热，使得加热室18中的压力经历进一步的较大增大。
对加热室18中的压力累积的进一步且很显著的贡献由电弧17的收缩效应压力带来，这由其在切换轴线2附近的快速收缩产生，且引起从弧隙16到压力室25的较强短期轴流，以及后者中的压力的相关联的较强增大。该压力经由回流管道28部分地排放到加热室18中。为此，有利的是，回流管道28中的流阻很低，这是由于回流管道28的截面的延伸和其直接引导以及其没有嵌入构件的构造。回流管道28进入加热室18的开口上的第一止回阀在其中的压力超过压力室25中的压力时防止气体从加热室18逃逸，该压力大体上相对较快地衰减。
在很高的流动体积的情况下，产生的收缩效应压力很高，使得将气体完全引导到加热室中会导致灭弧触头布置10的机械和热过载。因此，任何剩余压力经由排气开口31直接地排放到排气室30中。排气开口31的居中布置因此是有利的，因为过大的收缩效应压力主要产生沿轴向方向的压力波动，该压力波动可经由排气开口31释放而不引起破坏。为了减小压力室25中的压力累积的流动依赖，泄压阀可优选配合到排气开口。一旦高压累积在加热室18中，则电弧17在下一零交叉处熄灭，由此隔离气体通过吹气槽口19和郁金香触头11部分地流出加热室18到压力室25中，其中的压力已经在该时间点显著降低，且随后经由排气开口31流入排气室30中。因此，吹气槽口19用作隔离气体从加热室18到弧隙16的出口。在其向外流动中，绝缘气流不可避免地与电弧通路相交，且在相交区域中，大致转移所有电离气体，使得在零交叉之后，不可再产生电弧。隔离气体的其余部分平行于电弧通路16流动通过喷嘴12进入另一个排气室30'中。
图2示出了图1中的区域A的局部放大的示意图，其中详细示出了施加到面向回流管道28的第一金属环29的背面的环氧树脂隔热涂层29a。
隔热涂层29a的优选厚度优选小于金属环29的横截面，且限定为金属环29的横截面表面面积的平方根，优选小于金属环29在横截面中的最小纵向扩展。
第一金属环29由至少部分地沿周向构造的凸起9a保持就位，凸起9a布置在设在第一隔板9上的突出物9b上，与通向加热室18的回流管道28的开口相反。作为优选，图2中未显示的一个或多个弹簧(特别是螺旋弹簧或片簧)可设在第一金属环29与凸起9a之间，以便相对于开口压缩或预张紧第一金属环29。
尽管环氧树脂的分解温度取决于其准确成分位于200℃到400℃的范围内，且因此大致低于回流管道28中的隔离气体的最高温度Tmax，使得Tmax≥2300K，但测试意外地展示了涂层29a可有效地减少或甚至完全防止在已知电路断路器的闭塞器中观察到的应变，使得甚至在多个断开操作之后也有效地防止隔离气体从加热室18到回流管道28的回流。这部分归因于以下事实，鉴于在0.1≤λ·mk/W≤0.5的范围内的环氧树脂的低导热率λ，金属环29的加热被防止，或至少大致减少。第二，第一金属环29的机械稳定由于在15GN/m2≥E≥20GN/m2的范围内的环氧树脂的高弹性模量E实现。
实验意外地展示了尽管涂层29a与第一止回阀上的略差的密封相关联，但这对电路断路器的断开性能没有影响，如惯例测量和研究的背景下确定的那样。
还展示了可省略第二止回阀上的第二金属环24的隔热涂层的施加，这是由于在第二止回阀的区域中相比于第一止回阀的区域中在骤冷气体中出现的显著较低的压力和温度。还如上文所述，仅在相对较低压力(优选1到10bar的范围中)下的冷的骤冷气体通过第二止回阀借助于吹气缸21经由吹气管道23压缩到加热室18中。骤冷气体的压力的进一步且较大增大(优选至10到100bar的范围中的值)仅通过电弧的直接加热效应和骤冷气体经由回流管道28额外返回到加热室18中来实现。
图3示出了根据本发明的实施例的另一个优选示例的用于电路断路器的第一闭塞器的横截面的示意图。环氧树脂隔热涂层29a施加成使得其完全包围金属环29。首先，这允许了较简单且更成本效益合算的制造过程；第二，其允许应变的进一步减小。这里，隔热涂层29a的优选厚度D又优选小于金属环29的横截面Q，其横截面限定为金属环29的截面表面面积A的平方根，即，Q=√A；优选小于金属环29在横截面中的最小纵向扩展Lmin。
实验还意外地展示了，在使用环氧树脂的情况下，优选D＜Q/2和/或D＜Lmin/2的值，甚至最优选D＜Q/10和/或D＜Lmin/10的值，将足以用于隔热涂层29a的厚度D。隔热涂层29a的厚度D优选处于0.01mm≤D≤1.0mm的范围中，优选0.05mm≤D≤0.5mm，且最优选0.08mm≤D≤0.2mm。最小纵向扩展Lmin和/或横截面Q优选处于0.5到2.0mm的范围内，且最优选在1.0mm到5.0mm之间。
尽管迄今参照实施例的特定形式描述和示出了本发明，但所述发明不限于这些形式的实施例。在专利权利要求的保护范围和等同物内，可应用各种细节的变化而不产生与本发明的偏离。
参考标号列表
1 壳体
2 切换轴线
3 上壳体元件
4 下壳体元件
5 中间壳体元件
6 上固定额定电流触头
7 下固定额定电流触头
8 可动额定电流触头
9 第一隔板
9a 凸起
10 灭弧触头布置
11 郁金香触头
12 喷嘴
13 滑套
14 接触棒
15 第二隔板
16 弧隙
17 电弧
18 加热室
19 吹气槽口
20 第三隔板
21 吹气缸
22 吹气活塞
23 吹气管道
24 止回阀
25 压力室
26 盖
27 帽
28 止回管道
29 金属环
29a 隔热涂层
30 排气室
30’ 另一个排气室
31 排气开口
32 外部熄灭室。

Claims (28)

1.一种电路断路器，其可在接通位置与断开位置之间切换，使得在所述断开位置，形成包括弧隙(16)的中断通路；其中所述电路断路器
a)包括用于骤冷气体的储存容积，其与所述弧隙(16)处于气体连通，其中所述储存容积设有用于所述骤冷气体的入口，且其中
b)所述入口还配备有包括闭塞器的阀，
其特征在于，
c)所述闭塞器设有用于防止塑性应变的隔热涂层(29a)。
2.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层(29a)由热固性塑料形成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层由具有E≥5GN/m2的弹性模量E的材料形成。
4.根据权利要求3所述的电路断路器，其特征在于，所述材料具有E≥20GN/m2的弹性模量E。
5.根据权利要求3所述的电路断路器，其特征在于，所述材料是塑料。
6.根据权利要求4所述的电路断路器，其特征在于，所述材料是塑料。
7.根据权利要求1或2所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层由具有α≤20*10-6/K的纵向热膨胀系数α的材料形成。
8.根据权利要求7所述的电路断路器，其特征在于，所述材料具有α≤10*10-6/K的纵向热膨胀系数α。
9.根据权利要求7所述的电路断路器，其特征在于，所述材料是塑料。
10.根据权利要求8所述的电路断路器，其特征在于，所述材料是塑料。
11.根据权利要求1或2所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层(29a)由环氧树脂形成。
12.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层(29a)由陶瓷材料形成。
13.根据权利要求1或2所述的电路断路器，其特征在于，在所述闭塞器与所述隔热涂层之间形成持久且不可逆的材料结合。
14.根据权利要求1或2所述的电路断路器，其中所述弧隙形成在第一接触元件与第二接触元件之间，其特征在于，在断开操作期间由所述第一接触元件与所述第二接触元件之间产生的电弧加热的骤冷气体可经由所述入口从所述弧隙(16)引导到所述储存容积。
15.根据权利要求14所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器为发电机电路断路器，且所述第一接触元件与第二接触元件形成灭弧触头布置的一部分，在断开操作期间在所述第一接触元件与第二接触元件之间产生电弧，且所述发电机电路断路器还设有额定电流触头(6,7,8)。
16.根据权利要求15所述的电路断路器，其特征在于，所述储存容积沿径向方向由外部熄灭室(32)包围，所述额定电流触头(6,7,8)布置在所述外部熄灭室(32)中，且其中隔热材料的周向第三隔板(20)将所述储存容积与所述外部熄灭室(32)分开。
17.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述隔热涂层(29a)应用至所述闭塞器的表面，所述表面在其关闭位置背对所述储存容积。
18.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述储存容积构造为加热室(18)，所述骤冷气体可由通过断开操作产生的电弧所辐射的热能在所述加热室中加热。
19.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述闭塞器由金属形成。
20.根据权利要求19所述的电路断路器，其特征在于，所述闭塞器由铝或钢形成。
21.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，用于与所述弧隙(16)的气体交换的所述储存容积设有用于所述骤冷气体的出口。
22.根据权利要求21所述的电路断路器，其特征在于，用于所述骤冷气体的所述出口构造为与所述弧隙(16)相对定向的吹气开口。
23.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器包括压力室(25)，其沿轴向方向与所述弧隙(16)连通，且经由所述入口与所述储存容积处于气体连通。
24.根据权利要求23所述的电路断路器，其特征在于，用于所述骤冷气体的回流管道(28)布置在所述压力室(25)与所述入口之间。
25.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述储存容积沿径向方向包围所述弧隙(16)。
26.根据权利要求25所述的电路断路器，其特征在于，所述储存容积以至少基本上环形或环面形式构造。
27.根据权利要求1,2,15或16所述的电路断路器，其特征在于，所述骤冷气体为SF6、CO2、N2、空气或这些气体的混合物。
28.根据权利要求27所述的电路断路器，其特征在于，所述空气为干空气。
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