《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》是西安交通大學於2010年3月29日申請的專利，該專利的申請號為2010101340835，公布號為CN101789338A，公布日為2010年7月28日，發明人是楊飛、榮命哲、吳翊、王偉宗、王小華、劉懿瑩。該發明涉及一種套用於中壓直流大電流斷路器上的限流技術。
《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》通過設定絕緣擋板對觸頭系統周圍進行空間設計，達到利用電弧自身能量即可產生高速氣流吹弧作用的目的，而無需設定額外氣吹機構。強烈的氣吹作用可以縮短電弧停滯時間，加速電弧由觸頭轉移至跑弧道，使電弧更快的進入滅弧室，縮短開斷時間，從而達到更快的短路限流的目的。
2013年10月，《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101789338A
- 公布日：2010年7月28日
- 申請號：2010101340835
- 申請日：2010年3月29日
- 申請人：西安交通大學
- 地址：陝西省西安市鹹寧路28號
- 發明人：楊飛、榮命哲、吳翊、王偉宗、王小華、劉懿瑩
- 分類號：H01H73/18（2006.01）I
- 專利代理機構：西安通大專利代理有限責任公司
- 代理人：陸萬壽
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
直流供電系統與人們日常生活的聯繫越來越緊密，截至2010年3月中國城市無軌電車、捷運、冶煉、化工、軋材、船電、礦山等許多重要行業中均採用了直流供電系統。其中，直流斷路器是直流供電系統安全運行的保證，具有可靠切斷直流迴路故障電流的保護功能。隨著中國經濟迅速發展以及工業交通部門逐步的現代化，對供電系統可靠性的要求也越來越嚴格，直流用電負荷容量也持續增加，由此引發了對直流斷路器需求量的不斷增大，同時對其開斷性能提出了越來越高的要求。同時，隨著電壓等級和額定電流的增加，大容量直流短路電流的開斷變得異常困難，其開斷時間的要求也越來越苛刻。因此對於直流斷路器的快速限流能力提出了更高的要求。
在2010年3月以前限流分斷技術當中，氣流吹弧的方法已經是一種公認的有效方法，在CN1564292A和CN1008415B等中均提出了氣吹型的斷路器。這種方法可以減少電弧停滯時間，加快電弧跑動速度，快速提高介質恢復強度，從而使斷路器具有更高的分斷能力。在2010年3月以前斷路器設計當中，氣吹方法有如下幾種，一種是由活塞機構做功形成壓縮氣體，結合電弧熱膨脹形成的高壓氣體在開斷時由噴口噴出吹弧，待電流過零後增加弧後介質恢復強度，此方法截至2010年3月普遍套用於封閉式的六氟化硫交流高壓斷路器。但這種方法需要單獨的氣吹機構，並且需要高度密封，體積巨大，不適合中壓等級快速直流斷路器使用。第二種是套用於低壓領域，通過活塞機構在斷路器起弧後，向燃弧區域進行強制氣吹，但機構運動速度有限，難以達到很好的氣吹效果。另一種是通過在電弧燃弧區域貼附產氣材料，產氣材料在電弧燒蝕後會氣化產生氫氣等成分冷卻電弧，同時增大燃弧區域壓強，形成氣吹作用，此方法在低壓斷路器中已有廣泛套用。然而在中壓大電流的情況下，短路容量增大後，若產氣材料設定於燃弧區域，在燃弧時會大量氣化，壽命減少，因此也不適合中壓等級快速直流斷路器使用。
發明內容
專利目的
針對上述2010年3月以前技術存在的不足或缺陷，《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》的目的在於提供一種無需外置氣吹機構，能夠利用電弧自身能量產生氣流吹弧作用，減少電弧停滯時間，加快電弧從觸頭到跑弧道的轉移過程，快速增加弧後介質恢復強度的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器。
技術方案
包括觸頭系統以及設定在觸頭系統兩側的滅弧室，所說的觸頭系統包括動觸頭、靜觸頭以及與靜觸頭連線的電流進線和電流出線構成的導電迴路，其特徵在於：兩靜觸頭之間通過靜觸頭絕緣擋板相接，在動觸頭的上端設定有一與動觸頭相適應的氣吹系統殼體，在氣吹系統殼體內的動、靜觸頭兩側分別設定有觸頭絕緣擋板，觸頭絕緣擋板將氣吹系統殼體分為中間跑弧區域和兩側冷卻通道，所述的中間跑弧區域與滅弧室相連通，在觸頭絕緣擋板中間開設有使跑弧區域與冷卻通道相連通的開口。
該發明的冷卻通道側壁為平面結構、側壁為凹凸不平的波浪形或在側壁上開設有冷卻氣室；觸頭絕緣擋板採用耐電弧燒蝕材料的薄板；動觸頭的前方區域為跑弧區域，跑弧區域的上下表面為銅或鍍銀的銅導體金屬表面；跑弧區域和冷卻通道在觸頭周圍的氣體介質成“回”字形連通布置；冷卻通道內表面為平面或者凹凸不平狀。
該發明緊貼著動觸頭設定有絕緣擋板，使動觸頭周圍空間形成氣流循環通道，當電弧產生後，尤其是大電流斷路時，電弧受到磁場和熱場作用在燃弧區域產生強烈對流，對電弧產生強烈氣吹作用，使電弧快速從觸頭轉移到跑弧道，加速進入滅弧室，電弧電壓快速升高，同時冷空氣補充到動靜觸頭之間，快速增加介質恢復強度。
附圖說明
圖1是《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》整體結構示意圖；
圖2是該發明觸頭系統及跑弧道示意圖；
圖3是該發明氣吹系統示意圖；
圖4是該發明觸頭系統與氣吹系統剖面圖；
圖5是該發明觸頭打開起弧階段示意圖；
圖6是該發明電弧由觸頭轉移至跑弧道示意圖。
圖7是該發明電弧即將進入滅弧室示意圖。
圖8是該發明氣吹系統橫截面起弧後流場示意圖；
圖9，圖10和圖11分別是冷卻通道三種結構水平截面示意圖。
權利要求
1.《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》包括觸頭系統（2）以及設定在觸頭系統（2）兩側的滅弧室（3），所說的觸頭系統（2）包括動觸頭（7）、靜觸頭（8）以及與靜觸頭（8）連線的電流進線（11）和電流出線（12）構成的導電迴路，其特徵在於：兩靜觸頭（8）之間通過靜觸頭絕緣擋板（14）相接，在動觸頭（7）的上端設定有一與動觸頭（7）相適應的氣吹系統殼體（1），在氣吹系統殼體（1）內的動、靜觸頭（7、8）兩側分別設定有觸頭絕緣擋板（5），觸頭絕緣擋板（5）將氣吹系統殼體（1）分為中間跑弧區域（4）和兩側冷卻通道（6），所述的中間跑弧區域（4）與滅弧室（3）相連通，在觸頭絕緣擋板（5）中間開設有使跑弧區域（4）與冷卻通道（6）相連通的開口（13）。
2.根據權利要求1所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的冷卻通道（6）側壁為平面結構、凹凸不平的波浪形或在側壁上開設有冷卻氣室（16）。
3.根據權利要求1所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的觸頭絕緣擋板（5）採用耐電弧燒蝕材料的薄板。
4.根據權利要求1所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的動觸頭（7）的前方區域為跑弧區域（4），跑弧區域（4）的上下表面為金屬表面。
5.根據權利要求4所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的金屬表面為銅或鍍銀的銅導體表面。
6.根據權利要求1所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的跑弧區域（4）和冷卻通道（6）在觸頭周圍的氣體介質成“回”字形連通布置。7.根據權利要求1所述的自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器，其特徵在於：所述的冷卻通道（6）內表面為平面或者凹凸不平狀。
實施方式
下面結合附圖及雙斷口的優選實施例對《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》的結構和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1-4，《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》優選實施例為橋式觸頭雙斷口斷路器，包括觸頭系統2以及設定在觸頭系統2兩側的滅弧室3，所說的觸頭系統2包括動觸頭7、靜觸頭8以及與靜觸頭8連線的電流進線11和電流出線12構成的導電迴路，兩靜觸頭8之間通過靜觸頭絕緣擋板14相接，在動觸頭7的上端設定有一與動觸頭7相適應的氣吹系統殼體1，在氣吹系統殼體1內的動、靜觸頭7、8兩側分別設定有觸頭絕緣擋板5，觸頭絕緣擋板5將氣吹系統殼體1分為中間跑弧區域4和兩側冷卻通道6，所述的中間跑弧區域4與滅弧室3相連通，在觸頭絕緣擋板5中間開設有使跑弧區域4與冷卻通道6相連通的開口13。
該發明的氣吹系統由跑弧區域4，絕緣擋板5和冷卻通道6組成。其中絕緣擋板5是由耐電弧燒蝕材料製成的薄板，分布於每個動觸頭的兩邊，緊貼著動觸頭7的側面，並且不阻礙動觸頭的分合閘過程。在動觸頭7的前方區域為跑弧區域4，跑弧區域4的上下表面為金屬表面（通常為銅或者鍍銀的銅導體），也就是動、靜觸頭對應的跑弧道10、9。跑弧區域4的側面則是絕緣擋板5的壁面。跑弧區域4的出口通向滅弧室3。冷卻通道6和跑弧區域4以絕緣擋板5為分界，其四面均為絕緣器壁。在絕緣擋板5中間設定一個開口13，使跑弧區域與冷卻通道在內部相連通，在每個動觸頭周圍形成“回”字形氣體連通區域。
下面按照分閘過程詳細介紹《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》涉及的斷路器的具體操作過程、氣吹原理及優點。
參見圖4，為該發明處於合閘狀態時，電流通過進線11，動觸頭7，靜觸頭8，和出線12形成正常的通流迴路。參見圖5，為發生短路故障時，在脫扣器動作後斷路器動觸頭7在操動機構帶動下向上運動，開始分閘過程，此時在動靜觸頭之間產生電弧15。在圖5的設定情況下，兩條電弧在迴路及自生磁場的作用下，會分別朝向對應的滅弧室3方向產生強烈的氣流流動，形成壓力差，並逐步帶動周圍的低溫氣體產生較大範圍的氣流場流動。
參見圖6，為該發明觸頭打開到一定位置時，電弧由動觸頭7轉移至跑弧道10的過程。此時由於短路電流很大，對電弧的熱作用及電磁力很強，使得跑弧區域4和冷卻通道6形成的“回”字形氣體區域形成強烈對流，高溫氣體向滅弧室方向高速噴射，同時低溫氣體由冷卻通道6通過開口13回流至動靜觸頭之間。圖8為氣吹系統中水平截面的流場速度矢量示意圖，箭頭所示為流場速度分布。此時即形成了強烈的自能式氣流吹弧作用，使得電弧能夠快速由觸頭轉移至跑弧道，並且由於低溫氣體補充於動靜觸頭之間，使得動靜觸頭之間的介質恢復強度得以快速提高，避免了電弧轉移過程中的背後擊穿現象。
參見圖7，為該發明觸頭打開後，電弧完全轉移至跑弧道，即將進入滅弧室的狀態。此時隨著短路電流的增大，跑弧區域4和冷卻通道6形成的連通區域內的氣流場更加強烈，對電弧的氣吹作用也更加強烈，推動電弧15加速向滅弧室運動，並且在動靜觸頭之間完全由原來處於冷卻通道6內的非電離的低溫氣體充滿，介質恢復強度高。
圖9，圖10和圖11分別為該發明中冷卻通道的三種派生結構水平截面示意圖。在該發明中，冷卻通道的作用是，一方面作為氣吹系統氣流通道的一部分，形成氣流循環通路，使一部分電弧自身能量能夠轉化成氣吹能量。另一方面當高速氣流循環形成並且電弧進入滅弧室後，會有一小部分熱氣體從滅弧室進入冷卻通道，冷卻通道將對其產生冷卻作用，增強介質恢復強度。圖9的冷卻通道側壁均為平面，可以使氣流通暢，但側壁表面積小，冷卻能力相對較差。其中非絕緣擋板5的部分，其材料可以為產氣材料，遇到熱氣體流入時可產生有消游離作用的氣體如氫氣等，由於並非電弧直接燒蝕，熱氣體溫度遠低於電弧中心區域溫度，燒蝕相對不嚴重，可以保證壽命，同時可以達到更好的冷卻效果。附圖11的冷卻通道側壁為凹凸不平的波浪形，增大了接觸表面積，冷卻作用更好。附圖11的冷卻通道為在遠離動觸頭的絕緣側壁設定一個冷卻氣室16，氣室內的低溫氣體與進入冷卻通道的熱氣體混合，從而實現進一步冷卻熱氣體的作用。以上所述三種方法可以相互結合使用。
榮譽表彰
2013年10月，《一種自能式氣吹中壓大電流直流快速限流斷路器》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
