專利名稱：具有用于在斷路器的觸點部件附近產生軸向磁場的同軸線圈的真空斷路器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空斷路器，該真空斷路器有殼體，固定觸點部件和活動觸點部件以彼此電絕緣的方式分別安裝在支承接觸棒上并支承于該殼體中；以及線圈，該線圈與殼體同軸、環繞觸點部件并具有端部接頭，其中，第一端部接頭與其中一個觸點部件電連接。
類似的這種由歐洲專利申請EP0709867 A1可知。該已知裝置的優點是借助于分流器，并不是全部電流都流過線圈，而是只有產生軸向磁場所需的電流部分流過該線圈，從而與線圈必須能夠引導全部電流的情況相比，能夠使該線圈的尺寸更小。
因此，對于已知的真空斷路器，線圈的第一端部接頭與一個觸點部件電連接，例如與固定觸點部件電連接，而線圈的第二端部接頭布置成連接條。
在兩個端部接頭的末端之間有導電分流器，通過該分流器裝置，只有真空斷路器的總電流中的一部分流過將在觸點部件點產生軸向磁場的線圈。該分流器有阻抗，并能夠是電阻元件，且布置在線圈的端部接頭之間。
通過使用分流器，線圈不再只是沿已知設計的真空斷路器的線路串聯在真空斷路器的主電路中，而是使分流器并聯連接，這樣，只有一部分主電流流過該線圈，這能夠限制線圈中的發散損失。
因為線圈自身的電阻抗很小，分流器將只需要相對較低的阻抗來獲得合適效果，即限制流過線圈的主電流，因此，分流器的尺寸可以制成為較小。不過，根據國際標準，真空斷路器必須能夠瞬時承受10至80KA的連續短路電流1至3秒。由于該較大電流在非常短的時間內產生的熱量，該分流器必須有一定熱容量。為了滿足該要求，由EP0709867 A1中已知的真空斷路器可知，分流器也必須有較大軸向尺寸，以便滿足熱容的所需標準。這引起的缺點是使該線圈的端部接頭必須遠離布置，從而導致線圈沿軸向在端部接頭的位置處占據更大空間。由于短路電流產生的力，因此連接導體也必須較堅固，從而導致更大空間損失。
分流器必須滿足的附加要求是由于溫度變化而引起的電阻變化必須等于線圈中由于線圈溫度的變化而引起的電阻變化。這不僅在同等影響線圈和分流器的環境溫度逐漸變化的情況下，而且在線圈和分流器之間產生突然和較大溫度差的情況下都需要保證流過線圈的電流和流過分流器的電流之間的關系總是保持相同或大致相同。實際上，通過連續短路電流，在分流器中的溫度變化遠遠高于在線圈中的溫度變化。這主要是由于線圈的總熱容大于分流器的總熱容，因此，線圈比分流器更容易吸收由短路電流產生的熱量。實際上，出現的溫度差可以相當大，并能超過100℃。因此，分流器的材料選擇必須同時滿足多個要求，因此大大限制了可選材料。對于在歐洲專利申請EP0709867 A1中的裝置，還有由于線圈的端部接頭之間的物理定位而引起的附加限制。
本發明的一個目的是提供一種在引言中所述類型的真空斷路器，它消除了上述缺點。
根據本發明，該目的通過以下裝置實現。與線圈的第一端部接頭相連的觸點部件通過第一耦合元件與真空斷路器的饋電線或輸出器接頭耦合，線圈的第二端部接頭通過第二耦合元件與饋電線或輸出器接頭耦合。
本發明的優點是該分流器不再需要物理布置在線圈的端部接頭之間，因此，可以采用更多的、用于調節流過線圈的電流的參數，從而使線圈的尺寸確定更自由，從而增加柔性。這可以更好地將電流產生的磁場調節至合適的最佳強度。由文獻(包括H.C.W.Gundlach的文章“Interaction between a vacuum arc and an axial magnetic field”，包含于Proceedings 8thInt.Symposium Discharges and Electrical Insulationin Vacuum”，在Albuquerque，U.S.A.9月，5-7，1978 p.A2-1-11/見圖2以及S.Yanabu等的文章“Vacuum arc under an axial magnetic field andits interrupting ability”，出版于Proc.IEE Vol.126，No.4，1979年4月/見圖4、5和6)可知，根據幾種參數，為了對真空斷路器的中斷能力進行有利操作，磁場有最佳值。更高和更低的值將減小該操作的有利性。通常，最佳值在3和10mT每kA之間。
優選是，第一和第二耦合元件的阻抗設置成使產生最佳磁場量的電流引導通過線圈。
為了保證即使在工作過程中出現溫度變化和差異的情況下，設置電阻都將使得線圈中的電流能夠產生合適的最佳磁場，第一和第二耦合元件以及線圈的材料必須為電阻材料，這樣，即使在出現溫度變化和差異的情況下，第一和第二耦合元件以及線圈的電阻之間的設置關系保持相同或幾乎相同。
優選是，第一和第二耦合元件以及線圈的材料選擇為這樣，即對于在工作電流情況下和故障電流情況下產生的溫度變化，第一和第二耦合元件以及線圈的電阻之間的設置關系表現為相同或幾乎相同的電阻關系。
本發明的其它實施例如從屬權利要求中所述。
下面將通過附圖進一步解釋本發明，附圖中
圖1表示了根據本發明使用的優選真空斷路器的局部剖視圖。
圖2是圖1中所述的線圈的底視圖。
圖3表示了穿過圖2的線圈的剖視圖。
表1給出了在實際試驗變化過程中的測量數據。
圖1中所示的實施例截面是某種真空開關的實例；不過，本發明也可以用于各種其它類型的開關，其中，施加軸向場以便提高開關的電弧性能。
圖1中所示的連接結構包括真空管1，該真空管1包括外罩2，該外罩2由處于彼此相對的兩個端壁3和4封閉。
固定觸點部件5固定在接觸棒6上并形成與該接觸棒6導電連接的接頭。該接觸棒6固定支承在真空管1的端壁4上。活動觸點部件7固定在接觸棒8上，并形成與該接觸棒8導電連接的接頭，該接觸棒8特別通過波紋管(bellow)裝置9支承，這樣，它可以在該真空管1中運動。
而且，所示連接結構包括線圈10，該線圈10的一個端部接頭11與固定觸點部件5的接觸棒6電連接。
而且，真空斷路器形成與饋電線或輸出器接頭12導電連接的接頭，通過該接頭，該真空斷路器可以包含在電路中。另一個這樣的接頭并未示出，它與活動接觸棒8連接。
固定觸點部件5的接觸棒6通過第一耦合元件形成與饋電線或輸出器接頭12導電連接的接頭，該第一耦合元件成圖1中的桿14的形式。
線圈10的另一端部接頭13基本上通過第二耦合元件與饋電線或輸出器接頭12耦合。該耦合元件例如可以為條帶，或者可以為其它形式。
當具有線圈10的真空斷路器包含在電路中時，該電路在一側與接頭12相連，在另一側與上部接觸棒8的未示出接頭相連。主電流從接頭12通過第一耦合元件(例如桿14)、固定觸點部件5、活動觸點部件7和活動接觸棒8通向在真空斷路器的上部接觸棒8上的未示出接頭。該真空斷路器因為上部活動接觸棒8向上運動使觸點5和7分離而斷開。這時，在兩個觸點部件5和7之間產生電弧，要中斷的主電流的一部分隨后將從接頭12經過第一耦合元件、固定觸點部件5、產生的電弧、活動觸點部件7和活動接觸棒8流向真空斷路器的另一接頭。主電流的另外部分從接頭12通過第二耦合元件、線圈的端部接頭13、線圈10、線圈的端部接頭11、接觸棒6而流過第二電流通路，并隨后與前述主電流通路連接。流過線圈的電流在觸點部件5和7處產生軸向磁場。由上述文獻已知，軸向磁場有最佳值，流過線圈的電流應當使得軸向磁場盡可能接近該最佳值。因此，第一和第二耦合元件的電阻選擇為保證流過線圈的電流為能夠獲得合適的最佳強度的軸向場。與已知開關相比，第二耦合元件還可以使正確大小的電流通過線圈，因此產生最佳磁場。
在另一實施例(未示出)中，第二端部接頭13的端部15朝著第一耦合元件例如桿14橫向延伸，但是在該桿14之前終止，這樣，所述端部15并不與桿14接觸。在未示出的實施例中，在線圈10的第二端部接頭13的所述橫向端部15和接頭12之間可以提供第二耦合元件，這樣，這三個部件，即端部15、第二耦合元件(例如成條帶、桿等的形式)和接頭12可以通過任意合適裝置而彼此導電接觸。
在圖1中所示的優選實施例中，線圈10的第二端部接頭13的橫向端部15越過桿14延伸。該橫向端部15和桿14必須不彼此接觸，因此，線圈10的第二端部接頭13的端部15有孔16，桿14穿過該孔16延伸，從而相互絕緣。第二耦合元件為襯套17的形式，該襯套17布置成與桿14同軸，并與該桿14絕緣，且該襯套可以是模制件。在圖1所示的優選實施例中，桿14是連接桿，它在一端與接觸棒6電連接，在另一端與接頭12連接，這樣，接觸棒6、線圈10的端部接頭11的端部18、絕緣層19(該絕緣層19可以是絕緣墊片)、線圈10的第二端部接頭13的端部15、第二耦合元件襯套17以及接頭12通過足夠大的電接觸壓力而推靠在一起，并一個在另一個上面。這里，桿14起到電和機械的組合功能。另外，該設計實施例的優點是第一耦合元件14相對于第二耦合元件同心布置，從而能夠用于形成所謂的“皮膚效應”，特別是，大的電流將沿端頭的外邊緣流過。因此，這也可以用于影響流過線圈的電流分布。
固定觸點部件5和接頭12之間的等效電路包括由桿14的阻抗以及串聯連接的線圈10和第二耦合元件或襯套17的阻抗形成的并聯電路。本發明可以從大量參數中選擇，以便使流過線圈的電流設置成最佳值，從而產生最佳軸向磁場。這些參數為連接桿14的材料、同軸耦合元件17的材料、線圈10、以及連接桿14、同軸耦合元件17和線圈10的長度和截面尺寸。
表1給出了在開關的實際試驗中記錄的數據。它涉及這樣的開關，即該開關根據國際標準必須能夠抗16kA的連續短路電流1秒鐘。在線圈10、連接桿14和耦合元件17的材料選擇中，也考慮溫度變化對電阻的影響以及對流過線圈10、連接桿14和耦合元件17的電流的相互關系的影響。由實際使用的材料可知，線圈10和耦合元件17選擇銅合金，連接桿14選擇黃銅合金。當然，也可以使用完全不同的材料，只要它們滿足這樣的要求，即由環境溫度波動以及由于負載或故障電流引起的溫度變化而導致的電阻變化不會或幾乎不會影響流過線圈10、連接桿14和耦合元件17的電流的關系。
對于試驗，采用了三種工作情況，即最低工作溫度-40℃、正常工作溫度20℃和最高工作溫度105℃。隨后，在所有三種情況中，故障電流情況模擬成使16kA電流流過該開關1秒鐘。
對于最低工作溫度，故障電流明顯使連接桿14的溫度升高118.2℃，使線圈10的溫度升高26.3℃。該溫度差使得電流關系偏差4.5％，因此，發現6.5mT每kA的初始軸向磁場強度升高至6.8mT每kA。
對于正常工作溫度，發現溫度分別升高146℃和29.2℃，因此，發現5.9mT每kA的初始軸向磁場強度升高至6.3mT每kA。
最后一種情況，對于最高工作溫度，測量的溫度分別升高184℃和33℃，因此，軸向磁場強度從5.3mT每kA升高至5.8mT每kA。
由這些測量值可知，正常工作溫度的最佳軸向磁場設置為5.9mT每kA，在從最低工作溫度到最高工作溫度變化的過程中，只偏離0.6mT每kA，或者偏離最佳值大約10％。在故障電流情況下，偏離為從0.1至0.9mT每kA，即最大偏離為大約15％。由此可知，實際產生的磁場相對于最佳磁場的偏離在所有情況下都保持在可接受的界限內。
因為在流過線圈的電流和流過開關的電流之間的相移也影響軸向磁場，因此也在測量過程中進行觀察。可以發現，幾乎沒有任何相移，因此對最佳軸向磁場沒有負面影響。
因為只需要在線圈10的端部接頭11、13之間施加絕緣層19，因此，端部接頭之間的距離只為該絕緣層19的厚度。根據該絕緣層的材料，這只需要幾毫米。還優選是可以在該位置使用彈簧墊片，該彈簧墊片可以吸收任何膨脹差異。因為測量數據顯示在故障電流情況下短期溫度差可以達到200℃，因此膨脹差異也相當大。對于已知開關，彈簧墊片不能很好地用于該位置，因為在線圈端部之間的會有引起前述高溫增大的電流通過，從而影響彈簧墊片的彈性。
應當知道，在本發明中，分流器并不是物理布置在線圈10的端部接頭11、13之間，而是在它們外部。這樣的優點是不會影響線圈10的尺寸，因此，對于最佳電阻、溫度系數和吸熱能力，可以選擇分流器的尺寸。盡管在所示實施例中第一耦合元件14完全安裝在真空管1的外部，但是本發明并不局限于此，例如，當真空管的設計允許時，也可以使耦合元件部分或完全在真空管中，從而減小軸向尺寸。
圖2表示了線圈10的底視圖，而圖3表示了該線圈的剖視圖。
如圖所示，線圈包括一圈20。不過，線圈也可以有多圈，或者包括多個部分圈，這些部分圈形成一圈或多圈。具有圈20的線圈提供有端部接頭11和13，該端部接頭11和13有垂直延伸到端部(分別為18和15)的圈20，這些圈展開成環21和22。
表1使用材料線圈10銅連接桿14黃銅耦合元件17銅
注意在觸點之間的磁場和流過真空斷路器的電流的相移可以忽略(Δt＜＝0.5ms)
權利要求
1.一種真空斷路器，提供有殼體(1)，固定觸點部件和活動觸點部件(5、8)以彼此電絕緣的方式分別安裝在支承接觸棒上并支承于該殼體中；以及線圈(10)，該線圈與殼體同軸、環繞觸點部件并具有端部接頭(11、13)，其中，第一端部接頭(11)與其中一個觸點部件電連接；其特征在于與線圈(10)的第一端部接頭(11)相連的觸點部件通過第一耦合元件與真空斷路器的饋電線或輸出器接頭(12)耦合，線圈(10)的第二端部接頭(13)通過第二耦合元件與饋電線或輸出器接頭(12)耦合。
2.根據權利要求1所述的真空斷路器，其中第一和第二耦合元件的電阻設置成使產生最佳磁場量的電流引導通過線圈。
3.根據權利要求2所述的真空斷路器，其中第一和第二耦合元件的材料有這樣的電阻，即在工作電流情況下和短路電流情況下產生溫度差時，該電阻的變化與線圈在相同溫度變化時的電阻變化相同或幾乎相同。
4.根據權利要求1、2或3所述的真空斷路器，其中第二端部接頭(13)的端部(15)橫向延伸，但并不與平行于真空斷路器的中心線延伸的第一耦合元件接觸；第二耦合元件也平行于真空斷路器的中心線延伸，且一端與第二端部接頭(13)的橫向端部(15)連接。
5.根據權利要求4所述的真空斷路器，其中第一耦合元件是桿(14)，第二端部接頭(13)的橫向端部(15)越過該桿(14)延伸，并設有孔(16)，該桿(14)穿過該孔(16)延伸并因此絕緣，且該第二耦合元件布置成與該桿同軸并絕緣。
6.根據權利要求5所述的真空斷路器，其中桿(14)是連接桿，它通過足夠的壓力使上述支承連接第一端部接頭(11)的觸點部件(5)的接觸棒(6)、朝著線圈(10)的第一端部接頭(11)的桿(14)橫向延伸的端部(18)、絕緣層(19)、線圈(10)的第二端部接頭(13)的橫向端部(15)、同軸耦合元件(17)以及饋電線或輸出器接頭(12)推靠在一起。
7.根據權利要求6所述的真空斷路器，其中電絕緣彈簧墊片加在線圈(10)的端部接頭(13、11)的端部(15、18)之間。
8.根據權利要求6或7所述的真空斷路器，其特征在于通過選擇連接桿(14)和/或同軸耦合元件(17)的長度和/或截面尺寸、或者選擇連接桿(14)和/或同軸耦合元件(17)的材料，從而設置流過線圈的電流。
9.根據權利要求8所述的真空斷路器，其特征在于對于由工作電流和故障電流情況導致的溫度變化，連接桿(14)和同軸耦合元件(17)的材料產生電阻變化，從而使線圈在相同工作電流和故障電流情況下的電阻變化最大為15％。
全文摘要
一種真空斷路器，提供有殼體，固定觸點部件和活動觸點部件以彼此電絕緣的方式分別安裝在支承接觸棒上并支承于該殼體中；以及線圈，該線圈與殼體同軸、環繞觸點部件并具有端部接頭。線圈的第一端部接頭與其中一個觸點部件電連接。與線圈的第一端部接頭相連的觸點部件通過第一耦合元件與真空斷路器的饋電線或輸出器接頭耦合。線圈的第二端部接頭通過第二耦合元件與饋電線或輸出器接頭耦合。
文檔編號H01H33/664GK1509485SQ02809300
公開日2004年6月30日 申請日期2002年5月3日 優先權日2001年5月3日
發明者馬丁·伯納德斯·約翰內斯·洛伊森坎普, 約翰內斯·赫爾曼納斯·勞倫丘斯·安東尼厄斯·希爾德因克, 斯 赫爾曼納斯 勞倫丘斯 安東尼厄斯 希爾德因克, 馬丁 伯納德斯 約翰內斯 洛伊森坎普 申請人:霍萊茨荷蘭公司