專利名稱：氣體熄弧斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體熄弧斷路器，特別是涉及一種這樣的氣體熄弧斷路器，即它在產(chǎn)生弧的部分附近設(shè)有耐高壓特性的絕緣噴嘴，從而在切斷大電流時，向動、靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧噴出熄弧氣體，例如SF6氣體。
目前，隨著電能消耗的增加，要求電力設(shè)備在高電壓、大電流的情況下操作。在一個作為電力系統(tǒng)中的最后保護(hù)裝置的氣體熄弧斷路器中，決定氣體熄弧斷路器遮斷特性的絕緣噴嘴非常需要具有高耐壓特性。
為了滿足這一需要，已有人提出了一種與常規(guī)噴嘴在結(jié)構(gòu)上不同的新噴嘴，并且最近已通過先進(jìn)的分析技術(shù)(例如氣流分析)完成。
在這種公開的噴嘴結(jié)構(gòu)中，例如，在未審查的日本專利公開號為60-218722(相應(yīng)的美國專利4，667，072)的申請中，一個高壓氣體空間區(qū)通過一個正向傾斜表面(沿滅弧氣體的流動方向延伸)和一與該正向傾斜表面相交的反向傾斜表面在該噴嘴的喉部下游形成，以及一個靜觸頭末端附近的一個區(qū)域直到靜觸頭通過該空間位置才構(gòu)成高壓氣體區(qū)域，從而使其有可能增加耐壓性能。
還有人曾經(jīng)提出一種增加噴嘴內(nèi)部電弧電阻的方法，例如。在日本專利中未審查的申請。公開號為57-210507，其中占體積20%的氮化硼作為填充劑混合在噴嘴的氟塑性材料中。
對于上面所述的日本公開號60-218722所公開的噴嘴，正如說明書中所述，通過試驗和分析表明反向傾斜表面的形狀和喉部的直徑大大地影響絕緣遮斷性能。
另一方面，在這種類型的噴嘴中，為增加內(nèi)部電弧電阻，有必要使氮化硼混合到噴嘴材料中，如上面所述的日本公開文獻(xiàn)57-210507。然而，在這種情況下，沒有考慮有多少電弧的能量線侵入到噴嘴中，并且在噴嘴的表面有一部份，其吸收電弧能量的能力增加，這導(dǎo)致了由電弧造成的表面損耗增加的缺點(diǎn)。并且在多次遮斷大電流后，上述噴嘴結(jié)構(gòu)遇到反向傾斜表面的形狀和尺寸由于損耗而變化的問題，其結(jié)果導(dǎo)致期望性能不能獲得。
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有一個噴嘴結(jié)構(gòu)的氣體熄弧斷路器，這種斷路器即使在遮斷大電流后，也具有高耐壓特性和避免由于損耗變形而使性能降低。
為了獲得上述目的，本發(fā)明提供的一個氣體熄弧斷路器包括一個絕緣噴嘴，用于向靜觸頭和動觸頭之間產(chǎn)生的電弧吹出熄弧氣體，該噴嘴具有一個喉部，兩個觸頭之一可在其中進(jìn)、出運(yùn)動，在喉部的下游有一個擴(kuò)張部分，其特征在于在噴嘴的擴(kuò)張部分形成一個用于增加電弧能量密度的反射能力的傾斜表面;噴嘴通過在氟塑性材料中加入不大于15vol%的氮化硼粉末作為添加劑而形成。
當(dāng)動觸頭離開靜觸頭時，由于噴嘴喉部下游的斜面使在兩觸頭之間產(chǎn)生的電弧快速射出的能量線進(jìn)入噴嘴的量減小。其結(jié)果，附加氮化硼的量可以減少，即使在這種情況下，和常規(guī)獲得的大體相同值的內(nèi)部電弧電阻可以保持。進(jìn)一步，隨著氮化硼附加量的減少，由于噴嘴的損耗引起的表面變形可被限制，從而即使在多次遮斷大電流后，可以獲得如同新噴嘴相同的性能。


圖1是本發(fā)明的氣體熄弧斷路器一個實施例的垂直截面圖;
圖2是圖1所示的實施例中噴嘴斜面的放大，橫截面圖;
圖3的特性曲線圖表示本發(fā)明的氣體熄弧斷路器的噴嘴傾斜表面角度和一個電弧能量線的密度反射性能之間的關(guān)系。
圖4的特性曲線圖表示本發(fā)明中氮化硼附加量和電弧能量線密度反射性能之間的關(guān)系;以及圖5所示特性曲線圖表示本發(fā)明中氮化硼附加量和噴嘴損耗量之間關(guān)系;以及圖6是一個放大橫截面圖，表示本發(fā)明的氣體熄弧斷路器中傾斜表面的另一實施例。
現(xiàn)在將參考附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述。
圖1表示本發(fā)明的氣體熄弧斷路器的一個實施例，在圖1中，動觸頭2與靜觸頭1相對設(shè)置，并且可移動地和靜觸頭1接觸和不接觸。一個驅(qū)動軸3與動觸頭2連接，并且一個固定活塞4滑動地支撐驅(qū)動軸3。一個可移動圓筒5安裝在驅(qū)動軸3上，并且包圍著固定活塞4，一個圓筒腔6由固定活塞4和移動圓筒5限定，一個開口7穿過與動觸頭2相鄰設(shè)置的移動圓筒5的一個端壁形成。一個噴嘴8安裝在移動圓筒5上，并且該噴嘴8用來噴出熄弧氣體，從圓筒腔6通過開口7排出吹向觸頭1和2之間產(chǎn)生的電弧9。噴嘴8包括一個喉部10，它與靜觸頭1之間根據(jù)動觸頭2的運(yùn)動而留有小的配合間隙，第一傾斜表面11設(shè)置在喉部10的下游并且沿著熄弧氣體流動方向延伸，從而增加電弧能量密度的反射性，一個第二傾斜表面12與第一傾斜表面11相交，并且一個擴(kuò)散部分13從第二傾斜表面12延伸。為了使噴嘴8可以具有絕緣性能，噴嘴8由氟塑性材料組成，并且氮化硼(BN)加入到這種氟塑性材料中。如后面所述。
下面，將參照圖2對電弧9的能量線14由第一和第二傾斜表面11和12反射的情況進(jìn)行描述。在圖2中，假定第一傾斜表面11和噴嘴8中心線(軸線)的夾角為θ，來自電弧9的能量線14變成射向噴嘴8的能量線14A和由于第一傾斜面11的反射得到的能量線14B。此時能量線密度的反射率I0一般由下列(1)和(2)式表示
這里ε1表示氣體的介電常數(shù)，以及ε2表示噴嘴介電常數(shù)。
從上述公式(1)和(2)，在圖3中表示的是當(dāng)θ＝0的反射率設(shè)定為1時，電弧能量線密度的反射率I0相對于斜面的角的相對值I(P.U.)，當(dāng)附加的氮化硼的量為0%時，可以獲得如圖3所示的能量線密度的反射率特性曲線。例如，在角度θ為40°所獲得的能量線密度反射率是θ為零時所獲得的能量線密度反射率的二倍。因此對于相同的電弧能量線來說，入射到噴嘴中的能量線密度可以減半，因為整個電弧能量是不變的。更為可取的是，根據(jù)圖3所示的特征曲線，斜面的角度應(yīng)設(shè)定為25°-45°。如此設(shè)定的原因下面將解釋。當(dāng)斜面的角度為25°時，能量線密度的反射率是1.4倍。如圖3所示。因此，用這種方法通過使能量線密度增加到1.4倍，可以獲得等于或大于通過減小一級額定遮斷電流(例如，額定遮斷電流從50KA減到40KA，這可以由50/40＝1.3倍表示)而減小射入噴嘴8的能量線的效果。相反，如果保持相同能量線則電弧能量線必須增加(例如，從40KA到50KA)。因此，可以向噴嘴的內(nèi)部電弧電阻提供安培容限特性。另一方面，從電能線密度的反射率的觀點(diǎn)看，最好使斜面的角度較大，然而如果角度太大，在第一和第二斜面11和12所限定的空間產(chǎn)生氣體渦流，并且氣體密度減小，從而耐壓減小，因此，由氣流分析來看，斜面最大角度θ不能大于45°。
根據(jù)上面的觀點(diǎn)，斜面角度最好為25°-45°。
下面，再考慮電弧能量線密度反射率和附加氮化硼的量之間的關(guān)系。
當(dāng)向噴嘴中附加的氮化硼的量增加時，噴嘴的介電常數(shù)也增加。另一方面，從公式(1)和(2)可以清楚，一種物質(zhì)介電常數(shù)的平方根正比于該物質(zhì)的折射率。這意味著在電弧能量線的入射角相同的情況下，物質(zhì)的介電常數(shù)越大(即，附加氮化硼的量越大)，電弧能量線穿透物質(zhì)的折射率也越大。氟化硼(BN)的附加量和電弧能量線密度的反射率相對于噴嘴的斜面的角度θ示于圖4。圖4中縱軸上的反射率表示為當(dāng)0°角(圖3)的反射率為1時所得的相對值，從圖4可以清楚看到，當(dāng)?shù)鹛砑拥牧窟_(dá)到約10vol%時，即使當(dāng)斜面11的角度θ在25°～45°范圍內(nèi)，在圖3中所示的每一角度的反射率保持不變。當(dāng)添加的量為15vol%，反射率稍有減小，但與減小一級額定遮斷電流的效果相類似的效果可以保持。然而，當(dāng)添加量為20vol%，斜面的每一角度的反射率減小，與減小一級額定遮斷電流的效果相類似的效果得不到保持。換句話說，通過將添加氮化硼的量保持在不大于15vol%，斜面的每個角度的反射率可以保持。
然后，將介紹噴嘴的表面損耗的量，制備圓柱試驗件，在每一試驗件上，以0.5周(60H2)頻率點(diǎn)燃10KAp的電弧，在10mm的電極間隙處測量噴嘴損耗量W(P.V./KA.S)，其結(jié)果如圖5所示。如圖5可以清楚看出，當(dāng)添加的氟化硼的量不大于15vol%，損耗量沒有很大區(qū)別，然而，特別是，在添加量為20vol%的損耗量與添加量為15vol%的損耗量有很大差別。偶然地，因為沒有噴嘴的內(nèi)部電弧電阻，即使在氮化硼為0vol%，損耗量也增加，這是由于噴嘴的內(nèi)部形成孔隙和表面部分剝落的緣故。
根據(jù)上面損耗量，添加氮化硼的量最好為5vol%～15vol%范圍內(nèi)。
對于上述結(jié)構(gòu)，通過在噴嘴的喉部10的下游設(shè)置第一和第二斜面11和12，熄弧氣體可以總是施加到靜觸頭受到增強(qiáng)電場作用那部分的表面，并且電流遮斷以后暫態(tài)耐壓可以保持。除此之外，通過合適地確定第一和第二斜面的角度及氮化硼的添加量，噴嘴的內(nèi)部電弧電阻可以增加，并且可以限制損耗量，其結(jié)果，可以提供在頻繁切斷大電流后遮斷小容量電流的氣體熄弧斷路器。
所描述的本發(fā)明上述實施例沒有如圖6所示，對斜面11和12端部角度θ1和θ2進(jìn)行特別地區(qū)分。然而，即使只有角度θ1和θ2之一設(shè)定為本發(fā)明上述范圍內(nèi)，即可獲得所期望的效果，即，如果在第一斜面11或第二斜面12處內(nèi)部電弧電阻增加，則在該表面的介質(zhì)遮斷性能也增加。另外，由這樣設(shè)置，設(shè)置斜面的角度θ1和θ2的自由度也增加，并且可以容易地設(shè)定用于控制氣體流動到靜觸頭的角度。
在本發(fā)明中，如圖6所示，可以提供多對第一和第二斜面。在這種情況下，可以用上面所述的方法對角度進(jìn)行設(shè)定。
由于電弧能量線射入的量在噴嘴8的喉部10比在斜面處大。因此，在本發(fā)明中，在喉部10添加的氮化硼的量可以為20%以增加喉部的內(nèi)部電弧電阻，從而限制由于損耗造成的表面變形。
根據(jù)本發(fā)明，通過合適地確定設(shè)置在噴嘴喉部下游的斜面的角度，以及氮化硼的添加量，來提供具有高耐壓特性的噴嘴，該噴嘴可以防止頻繁切斷大電流后由于損耗引起的噴嘴表面變形。
權(quán)利要求
1.一種氣體熄弧斷路器，包括一個向靜觸頭和動觸頭之間產(chǎn)生的電弧噴出熄弧氣體的絕緣噴嘴，上述噴嘴具有一個上述兩觸頭之一可以移動地進(jìn)、出的喉部，以及在上述喉部下游設(shè)有擴(kuò)張部分，其特征在于在上述噴嘴的上述擴(kuò)張部分上形成至少一個用來增加電弧的能量密度的反射的斜面；以及上述噴嘴由通過向氟塑性材料中加入不大于15vol%的氮化硼作為添加劑而形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體熄弧斷路器，其中上述斜面由沿著上述熄弧氣體流動方向延伸的第一斜面和與上述第一斜面相交的第二斜面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體熄弧斷路器，其中上述第一斜面和上述噴嘴的中心線之間的夾角以及上述第二斜面和上述噴嘴的中心線之間的夾角之一取自25°～45°的范圍。
4.一個氣體熄弧斷路器包括一個向一個靜觸頭和一個動觸頭之間產(chǎn)生的電弧噴出熄弧氣體的絕緣噴嘴，上述噴嘴具有一個上述兩個觸頭之一可以出、入的喉部，以及在上述喉部的下游設(shè)有擴(kuò)張部分，其特征為用于限制電弧能量射入噴嘴的斜面設(shè)置在上述噴嘴的上述擴(kuò)張部分;以及上述噴嘴的介電常數(shù)大于上述熄弧氣體的介電常數(shù)。
全文摘要
一個氣體熄弧斷路器包括用來向其靜觸頭和動觸頭之間產(chǎn)生的電弧噴射熄弧氣體的絕緣噴嘴。該噴嘴具有一個喉部，兩個觸頭之一可出、入其中，并在其下游有一個擴(kuò)張部分。一個用于增加能量密度反射率的斜面形成的噴嘴的擴(kuò)張部分。該噴嘴由氟塑性材料以及加入不大于15vol％的氮化硼粉末作為填充劑而形成。
文檔編號H01H33/70GK1058670SQ9110526
公開日1992年2月12日 申請日期1991年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月3日
發(fā)明者筑紫正范, 橋本斌, 佐藤稔, 黑澤幸夫, 平澤邦夫, 遠(yuǎn)藤奎將, 山極時生 申請人:株式會社日立制作所