專利名稱：帶產(chǎn)生軸向磁場的單獨(dú)內(nèi)部組件的真空斷流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有軸向磁場的真空斷流器的構(gòu)造，特別是涉及這樣一種真空斷流器，它包括一個與一對接觸電極之一相關(guān)聯(lián)的，能產(chǎn)生磁場的單獨(dú)內(nèi)部組件。
真空斷流器用來切斷大約數(shù)千安培的強(qiáng)交流電流，它典型地包括位于一個真空外殼中的兩個可相對移動的電極組件，或接觸式組件。在電流的傳導(dǎo)過程中，當(dāng)電極組件從一個普通的閉合回路狀態(tài)(此時每一個組件的一個接觸面與另一組件的接觸面貼合在一起)轉(zhuǎn)到一個開式回路狀態(tài)(此時接觸面之間的觸點(diǎn)間隙一般小于1英寸)時，在電流消失之前，通常在接觸面之間的觸點(diǎn)間隙之間形成一電弧。在軸向磁場(AMF)真空斷流器中，在觸點(diǎn)間隙之間形成一個軸向磁場。該磁場的作用是迫使最初的圓柱形高電流真空電弧迅速地擴(kuò)散，并在觸點(diǎn)間隙內(nèi)連續(xù)地分布，故陽極接觸僅是一種擴(kuò)散電流的無源集電極。這種產(chǎn)生高電流擴(kuò)散電弧的能力使該裝置具有優(yōu)異的斷流能力。
在一種AMF型真空斷流器中，做為每個電弧接點(diǎn)的部件而組裝的內(nèi)部裝置引導(dǎo)電流，以便產(chǎn)生AM(軸向)磁場B。B是產(chǎn)生AMF的電流I，軸向位置Z，接觸片間的距離d及組件的幾何形狀的函數(shù)。(為簡化描述，我們不考慮B的徑向變化)。實(shí)際上，作為現(xiàn)有技術(shù)的帶AMF接觸器的工業(yè)用AMF真空斷流器，在兩個電極組件中，一般已使產(chǎn)生AMF的裝置具有同樣的幾何形狀，這樣在兩個接觸表面上施加的AMF也是一樣的，并且所施加的AMF對于觸點(diǎn)間隙的中心平面是對稱的。因此產(chǎn)生的B與瞬時電流I成比例。對于現(xiàn)有技術(shù)中AMF接觸器構(gòu)造的某些重要的工業(yè)實(shí)例，在美國專利No.4,260,864，4,367,382及4,620,074中有描述說明。
用于構(gòu)成AMF真空斷流器的該現(xiàn)有技術(shù)有它不足的方面。因?yàn)樗鼈冇斜容^復(fù)雜的幾何形狀，所以與無AMF的接觸器相比，AMF接觸組件在某種程度上制造更困難并且成本更高。AMF接觸組件伴有附加的阻抗，這與要求真空斷流器有低的總阻抗的目的是對立的。在電流的傳導(dǎo)過程中，附加阻抗會在AMF接觸組件中引起額外的溫升，這與要求斷流器產(chǎn)生低熱的目的是對立的。溫升的原因部分是由渦流造成的，該渦流由真空斷流器內(nèi)導(dǎo)電部分中的正弦形AM磁場引起。由于這些渦流的作用減低了B的凈值，并增加了它對主電流的相滯后，故而也不希望有這些渦流。減少渦流的方法，例如在編號的共同申請中有所描述，往往會造成在接觸器或電極的幾何形狀方面有更大的復(fù)雜性。
因此，對于一種軸向磁場真空斷流器的要求是經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，以及能有效地斷開強(qiáng)大的交流電流，并且沒有現(xiàn)有技術(shù)裝置的不足和缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種有軸向磁場的真空斷流器，它具有比現(xiàn)有技術(shù)的裝置低的阻抗。
本發(fā)明的另一目的是提供一種有AM磁場的真空斷流器，它減少了在斷流器中產(chǎn)生的渦流熱，而且對接觸器及產(chǎn)生磁場的裝置而言不會增加其復(fù)雜性。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種有AM磁場的真空斷流器，它可產(chǎn)生斷開電流所需的最小磁場。
根據(jù)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)這些和其他目的，本發(fā)明提供了一種對峰值電流Im有最大斷流能力的真空斷流器，該斷流器包括第一及第二同軸定位的電極組件，它們可沿著由在開路及閉路狀態(tài)間的共同軸線限定的縱向相對移動，每一電極組件包括一個接觸面，它與另一電極組件的接觸表面相對。只有第一電極組件包括一個軸向磁場(AMF)組件，當(dāng)主電流I的一部分或全部流過它時，在接觸表面之間的觸點(diǎn)間隙中會產(chǎn)生一個磁場B。AMF組件是這樣構(gòu)成的，即當(dāng)瞬時電弧電流I(以千安(KA)計(jì))，處于它的峰值Im時，電極組件處在開路狀態(tài)，B在軸向上的瞬時分量為Ba(以毫忒斯拉(mT)計(jì))，它作用在每個接觸表面的大部分上及其間，Ba的特征為5mTkAIm>Ba≥3.2mTkA(Im-9kA)---[1]]]>根據(jù)本發(fā)明的另一方面，AMF組件包括一普通的環(huán)形有效線圈，該線圈具有一平均半徑a，并包括N個周向有間隔的線圈段，每段有一軸向厚度的中點(diǎn)，它沿軸向距接觸表面的平均間距為Z0，線圈段限定了N個基本上相同的平行電流通路，進(jìn)入第一電極組件的接觸表面之前，有近于相等的斷流器電流I的支路電流I′流過它們，線圈段還限定了一低電流泄漏通路，在進(jìn)入第一電極組件的接觸表面之前，斷流器電流I的基本相等的支路電流aI′流過該通路，通過任何一線圈段的aI′小于I′，如此構(gòu)成的真空斷流器使a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1(N+a)cosΦ[1-9kAIm]---[2]]]>式中d為處于開路狀態(tài)的觸點(diǎn)間隙，Φ為由渦流引起的Ba對I的相移，a、Z0及d用米表示，Im用千安(kA)表示。
在本發(fā)明的一個典型實(shí)施例中，有效線圈段通常為圓形，一般每段是共面的，并且在圓周上間隔開。在一個實(shí)施例中，真空斷流器的構(gòu)造參數(shù)是這樣的a大約為0.033米，Z0大約為0.0164米，N為2，Φ大約為37°，a大約為0.123，Im約為51千安，并且d小于或近似等于0.0128米。
在本發(fā)明的另一典型實(shí)施例中，線圈的構(gòu)造是這樣的，即線圈段限定了N個沿圓周隔開的窄槽，每個窄槽與縱軸形成的傾角為θ，這樣每段重疊在相鄰段上，具有該結(jié)構(gòu)的真空斷流器使a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1k(θ)·(N+a)cosΦ[1-9kAIm]---[3]]]>式中，k(θ)的范圍在1.0到1.2之間。在一個實(shí)施例中，d近似為0.008米，N＝6，而k(θ)近似為1.078。
本發(fā)明的上述目的及各方面情況可通過下述參照附圖所示典型實(shí)施例對本發(fā)明的說明有更加全面的了解。
圖中所示為本發(fā)明的某些優(yōu)選典型實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，該發(fā)明不局限于作為例子而揭示的典型實(shí)施例，并且能在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。


圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的真空斷流器的原理的局部軸向剖視圖；圖2為包含產(chǎn)生軸向磁場的一段線圈的電極組件的分解圖；圖3為圖2中沿3-3線的剖視圖。
圖4示出了裝有用以產(chǎn)生一軸向磁場的開槽杯形設(shè)置的電極組件。
圖1示意地示出了按照本發(fā)明的有軸向磁場(AMF)的真空斷流器1的主要元件，該圖為不完整的部分剖視圖。其內(nèi)裝有普通的同軸定位的內(nèi)部元件的真空殼體3包括間隔開的端蓋5及一個管狀絕緣殼體7，它們由金屬與絕緣的(metal-to-insulation)真空密封件9連接。在使用時，真空殼體內(nèi)一般被抽空到壓力大約為10-6乇(Torr)。在真空殼體內(nèi)放置第一電極組件11及第二電極組件13，在圖中它們處于開路狀態(tài)。電極組件11、13分別與第一及第二電極柱15、17電耦合并由它們支承，這提供了與斷流器1之外的一個電路(未示出)的電連接。一個裝有柱15的可動件的波紋管19可允許電極組件11，13在電極組件11，13彼此相互接觸的閉路狀態(tài)(未示出)和開路狀態(tài)之間沿由電極組件11，13的共同軸線限定的縱向相對移動。通常包圍在第一及第二電極組件11，13周圍，并在空間上與其隔開的是一個為本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員所公知的、通常為圓柱形的金屬汽化冷凝屏蔽21。第一電極組件包括一個第一電極接觸片23，而第二電極組件13包括一個第二電極接觸片25，它們分別有接觸表面27、29，其中一個電極接觸片的接觸表面面對另一電極接觸片的接觸表面。兩個接觸表面27、29間的距離定義為觸點(diǎn)間隙，在處于開路位置時其最大值為d，如圖1所示。
現(xiàn)有技術(shù)的典型AMF真空斷流器為對稱結(jié)構(gòu)，每個電極包括一個由斷流器電流激磁的線圈式結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生AMF。相反，真空斷流器1是非對稱式結(jié)構(gòu)，僅是第一電極組件11包含一個軸向磁場組件(AMF組件)31，它有磁場產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，例如線圈33，當(dāng)由斷流器電流勵磁時，能產(chǎn)生軸向磁場(AMF)。第二電極組件13不包含AMF組件。這樣與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中一般每個電極組件都含有產(chǎn)生AMF的結(jié)構(gòu)相比，降低了復(fù)雜性、成本、阻抗、溫升及渦流。可以理解，AMF組件能裝入可移動電極組件或固定電極組件中的任一個。
真空斷流器一般由最大峰值斷流電流Im及一個最大回路電壓來標(biāo)定。在開路狀態(tài)下，接觸表面27、29分開時，最小容許的AMF做為用于確定AMF組件31的參數(shù)Im及d的依據(jù)。如果將額定電流規(guī)定為Irms，則Im=(2)Irms]]>。最好將AMF減少到其可容許的范圍內(nèi)，因?yàn)楫a(chǎn)生比所需軸向磁場大的接觸器設(shè)計(jì)將會導(dǎo)致其比所需的更加復(fù)雜，成本更高，阻抗、傳熱及渦流更大。
為了減少有害的陽極活動性，有一個臨界的或最小的AMF值。這個臨界的AMF值隨電弧電流線性地增加。當(dāng)觸點(diǎn)間隙在其最大給定值d時，在觸點(diǎn)間隙內(nèi)的最小可容許的AMF由斷流時的最大峰值電流Im來確定。
根據(jù)本發(fā)明，AMF組件31的構(gòu)成使得當(dāng)瞬時電弧電流為Im(千安)，并且觸點(diǎn)間隙完全按間距d分開時，由AMF組件分別施加在接觸片23，25的接觸表面27，29上的大部分及其間的磁場B(毫忒斯拉)的瞬時軸向分量，符合下述關(guān)系5mTkAIm>Ba≥3.2mTkA(Im-9kA)---[4]]]>在產(chǎn)生AMF的結(jié)構(gòu)(即AMF組件31)位于第一電極組件11的接觸表面27的平面之后的情況下，電極組件11的幾何形狀可由Im，d及AMF組件31的幾何形狀的解析函數(shù)表示。在該情況下，在離開AMF組件31及第一電極組件11的方向上，AMF的溫度隨沿觸點(diǎn)間隙的軸向距離單調(diào)地降低。那么，公式4中所述的特性變?yōu)椋?dāng)I＝Im′的一瞬間，在第二電極接觸片25的接觸表面29的軸向區(qū)域內(nèi)，由AMF組件施加的軸向磁場強(qiáng)度B由公式4求得，式中Im為千安(kA)。
在AMF組件31包括一帶有多個弧形段的有效線圈結(jié)構(gòu)的情況下，第一電極組件11的幾何形狀特性可由Im及d的解析函數(shù)表示。這包括以下情況，即例如有N個同樣的弧形線圈段，在電流進(jìn)入第一電極接觸片的接觸表面之前，通過它們流過相等部分的主電流。圖2及3示出了這種電極組件的實(shí)例，圖2為部件分解側(cè)視圖，而圖3為圖2的一個剖視圖。
電極組件100包括一個對接式電極接觸器102，以及在電極柱106及電極接觸器102之間耦合的AMF組件104。AMF組件104包括第一及第二線圈段108，110，每個線圈段沿圓周伸展近180度。一個通常為環(huán)形的基座112支承第一及第二線圈段108、110，并與電極柱106連接。在第一及第二線圈段108、110和電極接觸器102之間的電接觸分別由接線柱114及116來完成的。由圓柱形支架118提供用于接觸器102的附加支撐。接觸器102有一接觸表面120，它與無磁場的第二電極組件124的接觸表面112相對。
第一及第二線圈段108、110提供了兩個平行的支路電流通路。由支架118形成一條導(dǎo)電性低的通路，電流的一部分通過它分流到激勵線圈段108、110中，這部分電流比通過任何激勵線圈段的部分都小。雖然AMF組件104僅包括兩個激勵線圈段，可以認(rèn)為在AMF組件中可包括一個延伸約360度的單個環(huán)形激勵線圈，或多于兩個的激勵線圈。
現(xiàn)在回到在AMF組件中有N個激勵線圈段(例如第一及第二線圈段108、110)的一般情況，以及當(dāng)激勵線圈段相同時的特殊情況，設(shè)I′為通過一段的電流，并設(shè)aI′為通過泄漏通路(即支架118)的電流，此處0＜a＜1，那么總電流I＝(N+a)I′。設(shè)Z為從接觸表面120的平面到間隙126中的一個軸向位置測得的軸向距離，這樣0≤Z≤d。設(shè)Z0為從每段線圈的中心到接觸器102的接觸表面120的平面測得的距離并設(shè)a為線圈段的平均半徑。
假設(shè)由于渦流的影響，軸向磁場B滯后電流I一個相位移Φ，那么B=0.5a2μ0IcosΦ(N+a)[a2+(Z0+Z)2]1.5---[5]]]>式中B以忒斯拉為單位，μ0＝4π×10-7N/A2，I以安培為單位，參數(shù)(a，Z0及Z)的數(shù)量量綱為米。
當(dāng)I＝Im(千安)，Z＝d并且B的單位為毫忒斯拉時，公式〔5〕的詳細(xì)表示為B=a2μ0ImcosΦ(N+a)[a2+(Z0+d)2]1.5≥3.2mTkA[Im-9kA]---[6]]]>重新整理各項(xiàng)，這個改進(jìn)的接觸組件的量綱的詳細(xì)表達(dá)式為a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1[1-9kAIm]---[7]]]>作為一個實(shí)例，設(shè)想有一種與圖2及3所示設(shè)計(jì)類似的，采用一種反向?qū)有徒佑|器的，直徑為3英寸的AMF接觸組件。在那種情況下，a＝0.033米，Z0＝0.0164米，N＝2并且a＝0.123。從有限元電磁場分析出發(fā)，我們可以認(rèn)定這種AMF接觸組件的相移Φ＝37°。我們也能認(rèn)定當(dāng)Im＝5.1×104安時，如果d≤0.0128米，這種構(gòu)造應(yīng)該滿足公式7。將這些參數(shù)值代入公式7，我們可得到12.75≥11.14，故對這樣的峰值電流及最大間隙來說，這是一種成功的結(jié)構(gòu)組成。
當(dāng)AMF由一種杯形接觸器產(chǎn)生時，該接觸器具有一在接觸器配置的軸向上有沿相同方向傾斜的N個窄槽的空心圓柱形接觸載流器，AMF接觸組件的幾何形狀的特性也可由Im，d及AMF接觸組件的幾何形狀的解析函數(shù)表示。圖4示出了該種配置。一個第一電極組件200包括一個在電極接觸板204及電極棒206之間電耦合的呈開槽杯形件202形式的AMF組件。槽208形成一用以產(chǎn)生磁場的一個軸向分量B的有效線圈段。設(shè)定a為開槽區(qū)的平均半徑，并設(shè)定Z0為槽的平均高度加上接觸器204的厚度，此外，d為電極組件200與一相對的無軸向磁場的接觸組件210間的最大間隙。
大致上，開槽的杯形配置可以設(shè)計(jì)成一種分段的激勵線圈，這與參考圖2及3在上述討論中分析的情況相似。為了優(yōu)化槽的傾角θ的范圍，由于傾斜狹槽的重疊將使實(shí)際的AMF值稍大于由公式5得出的值。設(shè)定適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)為k(θ)，它一般為1.1左右。
采用將其結(jié)果用公式7表示的同樣的分析，我們得到用于該接觸組件的量綱的下述詳細(xì)表達(dá)式a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥[Im-9)(N+a)m-1ImcosΦ---[8]]]>作為一個實(shí)例，設(shè)想在由美國專利No.4,620,074中所描述的帶有開槽杯形接觸器配置的斷流器的情況下，它公開了相對式的接觸器，每個接觸器有一開槽杯形的產(chǎn)生AMF的結(jié)構(gòu)。對于在此描述的幾何形狀而言，a＝0.0415米，Z0＝0.0105米，d＝0.015米，N＝6及ζ＝75°。由于兩個AMF組件，在觸點(diǎn)間隙的中心的AMF總值為4.2μT/A，這比它們的最小可容許值3.5μT/A大。在對它們的分析中，a＝0，且相移Φ被認(rèn)為是無意義的。采用公式(5)的形式，如果k(ζ)是符合我們的估算值，即大約為1.078，就可得到它們確定的AM場強(qiáng)。
現(xiàn)在假設(shè)不是兩個AMF結(jié)構(gòu)中的每一個都與一個電極組件相關(guān)聯(lián)，而是僅采用一個有上面引用的專利的幾何形狀的開槽接觸器。如果最大的間隙d減至0.008米，保持k(ζ)＝1.078，并且假設(shè)Φ＝12.3°(即由圖2及3所示的兩段線圈產(chǎn)生的相移的1/3)，將它們代入公式(8)，這樣最大峰值電流為Im＝24,500安，可以預(yù)期消除在無軸向磁場的電極接觸器中與陽極有關(guān)的問題。這是在無AMF接觸器的表面上，B/I＝2μT/A時得到的，它比上述引用專利中所要求的值要低。
因此，采用在此所描述的本發(fā)明，能夠得到一種與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)相比，有顯著的斷流能力、簡化的結(jié)構(gòu)及較低阻抗的真空斷流器。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)相比，該結(jié)果可以由一種每單位電流的較小的軸向磁場得到。
與上述的變化及實(shí)例、附加的變型相結(jié)合所揭示的本發(fā)明對本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言現(xiàn)在已是顯而易見的了。本發(fā)明并不旨在局限于這里專門提到的變化，應(yīng)當(dāng)對所附權(quán)利要求提供相應(yīng)的參考資料，而不是對較佳實(shí)例的上述討論提供參考，從而了解其中要求了全部權(quán)利的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有峰值電流Im的最大斷流能力的真空斷流器(1)，包括第一及第二同軸定位的電極組件(11，13)，它們可沿著開路狀態(tài)及閉路狀態(tài)之間的一條公共縱向軸線相對移動，每一電極組件包括一接觸表面(27、29)，該接觸表面與另一電極組件的接觸表面(29、27)相對，僅有第一電極組件(11)包括AMF裝置(31)，它在電極組件(11，13)處于開路狀態(tài)，并且瞬時電弧電流為Im(以千安計(jì))時，在接觸表面(27、29)之間的觸點(diǎn)間隙中產(chǎn)生一個基本上沿縱向的磁場B，B在軸向上的瞬時分量Ba，以毫忒斯拉計(jì)，作用在每個接觸表面(27、29)的大部分上，其值為5ImmT/kA≥Ba≥3.2(Im-9kA)mT/kA
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空斷流器(1)，其特征為，在開路狀態(tài)時觸點(diǎn)間隙為d，并且AMF裝置(31)包括一通常為環(huán)形的有效線圈，該線圈的平均半徑為a并包括N個沿圓周隔開的線圈段，每個線圈段有一從接觸表面(27)起沿縱向平均間距為Z0的中點(diǎn)，線圈段形成了N個實(shí)質(zhì)上是相等的平行電流通路，在進(jìn)入第一電極組件(11)的接觸表面(27)之前，經(jīng)過它們流過大致相等的斷流器I的支路電流I′；而且還有一低電流的泄漏通路，在進(jìn)入第一電極組件(11)的接觸表面(27)之前，通過該通路流過斷流器電流I的一支路電流aI′，aI′小于通過任一段線圈的I′，該真空斷流器的組成使得a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1N+acosΦ[1-9kAIm]]]>式中，Φ是Ba與I的相移，a、Z0及d以米為單位計(jì)算，Im以千安為單位來計(jì)算。
3.由權(quán)利要求2所述的真空斷流器(1)，其特征為，線圈通常是圓形的，每個線圈段(108，110)通常是共面的，并且在圓周上是間隔開的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空斷流器(1)，其特征為，a為0.033米左右，Z0約為0.0164米，N為2，Φ為37°左右，a約為0.123，Im約為51千安，并且d小于或等于0.0128米左右。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空斷流器(1)，其特征為，線圈段限定了N個沿圓周間隔開的槽(208)，每個槽相對于縱向軸線傾斜角θ，這樣每段重疊在相鄰一段上，該真空斷流器的構(gòu)成使得a2[a2+(Z0+d)2]1.5≥5.09m-1k(θ)(N+a)cosΦ[1-9kAIm]]]>式中，k(θ)的范圍近似地在1.0及1.2之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的真空斷流器(1)，其特征為，d約為0.008米，N＝6，而k(θ)約為1.078。
全文摘要
一種軸向磁場真空斷流器包括一個僅與兩個相對的電極組件之一相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)的特征在于當(dāng)瞬時電弧電流為I
文檔編號H01H33/18GK1144391SQ96102270
公開日1997年3月5日 申請日期1996年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者米歇爾·B·舒爾曼, 保羅·G·斯萊德 申請人:尹頓公司