用于真空灯泡的电弧控制设备的制作方法

用于真空灯泡的电弧控制设备的制作方法
【专利摘要】为了控制在真空灯泡中切断时形成的电弧，提出了一种接触设备(10)，它可以使电弧进行旋转运动，同时保持电弧扩散。得到的旋转扩散电弧在于，接触设备(10)的每个电极(12)包括与花瓣型基底(30)相关联的实心薄片(20)，两个电极彼此镜像。
【专利说明】用于真空灯泡的电弧控制设备

【技术领域】
[0001]本发明涉及尤其用于真空灯泡的设备，该设备具有相对于彼此可动的两个触头，允许通过迫使形成的电弧沿其路径移动同时使电弧扩散来控制形成的电弧。特别地，可重合的电极包括联接至基底元件的片形元件，该基底元件包括狭槽和配件。
[0002]本发明还涉及中压灯泡和电开关设备，电开关设备实施通过接触设备进行的电弧控制类型。

【背景技术】
[0003]特别地在12和72”之间的中压配电设备可使用真空灯泡，真空灯泡必须处理通常为约1250八至10“的连续电流而不会过热，并且必须切断约数千安培的、通常从25“至100“的短路电流。因此，真空灯泡包括相对彼此可动的两个电极，这两个电极相接触用于使标称电流通过，分开用于切断电流。
[0004]电流切断可导致产生电弧，需要控制电弧并尽快消散电弧。因此，电弧控制可以是使用轴向磁场或八的类型，或者是使用径向或横向磁场，即應？或II？的类型，参见图1。
[0005]在咖？或II？型电弧控制中，电弧1集中、收缩进通常具有大约1(^1直径的柱中。借助在触头3内的电流所引起的径向或横向磁场，该电弧1进行沿着两个触头3的周界的旋转运动，并且其热能分布在宽广的表面范围内。为了产生磁场，已经形成了触头3的许多形状，特别地基于用于應？的“杯”型3八（参见02 372 48 13或图1八)的样式或者“花瓣”型2 541 038或图18)的样式。这些控制提供了良好的电流断开效率和具有长电弧作用时间（长于15^)的良好性能，同时很好的经受住由断路器和电池中的真空灯泡的接线棒所引起的电流波腹100^)8)效应。然而，旋转的电弧导致触头的过多侵蚀（连同填充它们存在的花瓣38之间的间隙），因此,设备的电气寿命较低,另外,介电击穿性能维持平均水平，特别是在事故电流断开以后。
[0006]在八1？控制中，电弧5保持散开，换言之包括若干几乎平行的电弧柱，从而使得在两个触头7的表面上的热能密度最小化直至电流自然降为零并且被中断为止，如图10。电弧5的能量的相对均匀分布提供了非常低的侵蚀率。然而，对于给定!'. 111.8的电流值，在电流波的特定阶段、特别地在瞬时电流非常高并且在强烈不对称时期，虽然电弧5可以维持相对散开，但是给定参数不允许该电弧5完全扩散，并且可能产生被光环围绕的主柱。由于热负荷不再均匀地分布，可以发生不断开的情况，另外，当关闭事故电流时，在触头7的两个表面之间可形成焊缝。为解决这些问题，在触头表面之上或之下设置切口（102001/41173),这导致介电性能特征降低，而同时未完全地解决问题。在…2006/124600中也描述了一个轴向控制的示例，在该情况下下，两个相同的电极彼此面对地放置。
[0007]为了利用两种类型的控制，已经形成了包含两种作用的某些系统：例如参考冊2012/038092或…2008/67151，它们使用包括II？型的中央部分和舰？型的周界部分的触头。然而，除了这些触头很昂贵的事实以外，所得到的结果仍然作出了妥协而且保留了前两种类型的弱点。特别地，應？控制造成的触头侵蚀仍然存在，并且填充花瓣之间的间隙。另夕卜，如果初始电弧在周界部分上开始，那么仅仅留下轴向控制，由触头的中央部分所负责的径向控制没有影响。


【发明内容】

[0008]因此，本发明旨在基于使电弧扩散的力与使电弧旋转运动的力具有不同性质的事实，通过新型接触设备提供对在断开时产生的电弧的混合控制。
[0009]由此，本发明涉及一种尤其用于中压真空灯泡的设备，该设备包括两个接触电极。所述设备的两个电极是彼此的镜像，每个电极安装在轴上，在闭合位置，每个电极的一个表面与另一个相接触，在打开位置，施加沿着所述轴之一的平移，并且两个表面在保持平行的同时彼此分开。
[0010]每个电极包括与基底元件相关联的片形触头。两个实心薄片可置于电极的圆形接触表面上。有利地，片形元件采取平坦完整盘的形式，并由适于电弧存在的材料制成，特别是铜合金。
[0011]在其与接触表面相对的表面上，实心薄片优选地通过焊接联接到基底元件。基底元件的联接表面是圆形的，直径小于或等于片形元件的直径，可提供固定装置，例如与片形元件的唇缘相关联的沟槽。
[0012]基底元件可采取盘或碗的形式，由导电材料制成，优选地由铜制成，有利地，除了联接表面以外，它的外部形状不包括任何锐角。基底在其中心被挖空，使得片形元件仅在周缘处刚性固定在基底上，然后，可以在空穴中央安装金属加固件来加固结构。
[0013]基底包括多个切口、狭槽或沟槽，它们允许确定在其中流动的电流线的路径，电流线的路径形成电弧扩散现象的基础。特别地，基底在联接表面和相对表面之间包括至少三个、优选五个贯通狭槽，使贯通狭槽将基底分成扇区。狭槽在第一周界端（可从基底开放或相反）和第二端（在基底内侧，朝向中心）之间延伸，在它们的内端，狭槽与跟所述轴同心的圆相切。狭槽可以是直线的或弯曲的，优选地，所有狭槽可彼此重叠，并且彼此隔开一恒定角度，使得扇区是相同的。
[0014]为了更好地引导电流线，有利地，在唇缘中还设备凹槽，用于刚性地附连至片形元件。特别地，有利的是，基底的中央空穴在每个扇区内延伸，从而形成例如联接表面，该联接表面包括均匀分布的环状扇区，一侧由切口之一定界。可替代的或作为补充的是，基底的刚性固定部分可具有合适的非圆形形状，例如具有星形中央空穴。
[0015]本发明还涉及一种真空灯泡，包括与所述轴中的至少一个相关联的、如前面限定的设备。本发明最后涉及一种中压开关单元，其中，接触设备允许分开电气动力系统的两条线路或线路的各部分或者隔离动力系统的电气设备的单元（尤其是交流发电机）。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]从附图表示的以非限制性说明方式给出的本发明的特定实施方式的以下描述，其它优势和特征将变得更加清楚明显：
[0017]已经描述的图1A、1B和IC表示根据现有技术的接触设备的运作原理。
[0018]图2A表示根据本发明一个实施方式所述的接触设备的运作原理；图2B和2C，作为分解视图并且处于被装配的位置，表示根据本发明一个优选实施方式的接触设备；图2D表不根据本发明一个实施方式所述的真空灯泡。
[0019]图3八和38表示根据本发明所述设备中的基底元件上的片形元件的安装替代方案。
[0020]图4表示对于根据本发明所述设备在基底元件的电流线上的作用。
[0021]图5八、58和50表示对于根据本发明所述设备的基底元件的可替代方案。
[0022]图6表示配备有根据本发明所述的设备和常规设备的商用灯泡中电阻测量值的分散。

【具体实施方式】
[0023]如上所述，在现有类型的电弧控制中，径向或横向场的磁力使得电弧旋转但是允许其收缩，而轴向场的磁力允许电弧在触头的某一表面范围上尽可能保持散开而不改变电弧区域。这两种选择允许耗散电弧能量。
[0024]根据本发明，在真空灯泡中触头分开时形成的电弧能量分布成能够保持瞬时重新启动电压11^，瞬时重新启动电压11^在电流归零的时刻灭弧之后立即出现在灯泡的终端之间，通过在允许电弧旋转的力和允许电弧扩散的力之间寻找两个力其中之一的来源使所述分布根据不同于现有技术的另一原理施加在与磁场内不同的地方，。特别地：
[0025]-通过电流在接触设备的电极结构内的总运动产生的径向磁场来获得电弧的旋转效果；
[0026]-通过在电流穿过接触设备电极时迫使电流线以高电流密度沿限定路径移动来获得电弧的扩散效果；
[0027]-然后，在电流线穿过形成触头表面的部分时以低电流密度来进入电弧并进入第二电极中。
[0028]事实上，电弧9如利用轴向电弧控制八1？那样扩散，但是进行如在模式下的旋转运动，但是该旋转运动在触头的整个表面上，包括触头的中心，参见图2八。因此，这种类型的电弧控制提供比轴向控制更好的断开率，同时维持很低的侵蚀水平。
[0029]特别地，其间产生电弧的触头形成为两个部分，即，用于电流线分布和用于电弧旋转加速的支撑部、电弧在其上灼烧的接触表面。电流的路径由支撑件中的切口形状限定，切口可以是笔直的或者弯曲的，以便限定出螺旋效应，并且造成两个触头是彼此的镜像，即不重叠的事实。
[0030]特别地，通过电流线在通过基底元件时（从中心向周界）自然地占据整个可用体积的事实来保证形成在支撑件中的电弧扩散，电流线经历它们所穿过的体积变宽，然后电流线分散。在阳极上，在相反方向上发生相同的现象：电流线经由最宽的部分进入阳极并且因此在电弧中分散，这给予后者其相对散开的形态，然后，电流线被引向远离电弧，朝向基底中心（电流线会聚）。
[0031]因此，如图28和2(:所示，接触设备10包括两个电极12，一般称作“触头”，它们是关于彼此的镜像。两个电极12安装在联接至致动装置（未示出）的两个轴14上从而允许两个电极12之间的相对运动，所述运动通过沿轴14的平移而发生。通常，其中一个轴14工固定安装在真空灯泡16中，而另一个轴142可平移（图20〉。当设备10用在真空灯泡16中时，它被放置在通常由陶瓷制成的绝缘腔内，绝缘腔常常带有金属屏幕18，该金属屏幕由例如铜或不锈钢制成，位于电极12周围且与电极的相对位置无关。
[0032]电极12 —般具有圆形形状，以更好地分布电场线，它们的直径按照真空灯泡16必须中断和重建的事故电流的函数而变化，特别地，介于用于小于20kA的事故电流的20mm至用于大约IOOkA或更大的事故电流的大于140mm之间。
[0033]每个电极12包括由具有低电阻率的材料（通常为铜）制成的基底元件30和形成两个电极12之间的接触表面的片形触头20。根据本发明，片形元件20 (有时也称作“触尖，，)是完整的盘，由通常用在该应用中的导电材料制成，特别是由铜/铬或铜/钨合金制成，盘20也可以是盘形的。优选地，实心薄片20的接触表面22是平坦的，不具有特定轮廓，但是可以添加切口，或者，如图3A中所示,片形元件20’在其与接触表面22相对的表面上包括唇缘24，唇缘通过覆盖支撑件的周界而防止支撑件30受到电弧的影响。然而，事实上，不具有切口的完整且平坦盘20 (易于制造且便宜）确保了其中安装有接触设备10的真空灯泡16的最佳电绝缘性能。
[0034]根据真空灯泡16必须中断和/或重建的事故电流的水平，片形元件20的厚度可以从一毫米变化至几毫米。片形元件20可以与其刚性附接到的支撑件30的表面大小相同。在图3B所示的一个优选实施例中，盘20的直径比基底30的直径大例如约其厚度，尤其大大O. 5mm、Imm或5mm，突出物26可达到片形元件20厚度的若干倍，如此扩大电弧的扩散区域。
[0035]因此，每个片形元件20优选地通过焊接与基底元件或基底30相关联。基底元件30包括圆形联接表面32，其可与片形元件20重叠或者具有稍微小的直径，基底元件的常规形状可以是盘状或碗状，但是优选地，基底元件30具有圆形边缘34，以确保良好的绝缘性能。取决于灯泡16必须连续地导电的标称电流，基底元件30的厚度可以是大约几毫米、直至十毫米左右。
[0036]基底元件30的中间被挖空以留下唇缘36，片形元件20靠在唇缘36上。空穴37的深度为几毫米、有利地为2mm，这允许电阻最小，确保在由真空灯泡16进行几百、或者甚至几千次操作期间触头破碎的情况下的良好补偿。为了使整个组件、特别是大电极稳定，可安装中央加固件38来支撑片形元件20，加固件38优选地由不锈钢制成并且是柱形的，在图3B中所示的一个优选实施例中，它被放置在基底元件30的适当的固定装置39中。
[0037]基底元件30包括切口 40，其迫使电流线从一个电极12到另一个期间的通过路径。切口是在基底的联接表面32和相对表面之间穿过基底30的狭槽40，从而形成基底30的扇区42。狭槽40在第一周界端44和第二中央端46之间延伸，有利地，狭槽40是开端的，换言之第一端44对应于与基底元件30的外壁。或者,例如图5A中所示,狭槽40不是开端的，并且第一端44形成内接在基底元件30中的圆，由此形成的圆通常具有I至2mm的直径，或者甚至几毫米的直径，其直径小于基底元件30的直径。
[0038]例如图4中所示，电流I线的方向取决于切口 40的取向：为了在两个电极12之间流动，电流I必须在切口 40所限定的体积内从基底元件30的中心去到其在阴极上的周界，并且在阳极上也是如此。狭槽40布置成其在第二端46处与相对于基底元件30定中的圆48相切。因此，对于基底元件30中的所有狭槽40，在狭槽40和圆48之间所限定的角α优选地是相同的，但是不论如何，角α总是处在相同方向上，换言之，扇区42的大小从中心向周界增大，所述大小沿着定心在基底元件30/轴14上的圆弧测得。有利地，狭槽40可重叠和/或以均匀方式分布在所述圆48周围，有利地，狭槽40之间的区别仅在于绕基底元件30的中心旋转一恒定角度。
[0039]切口 40的宽度足以允许分隔电流I线在其中流动的区域，这给电流提供了路径，并且根据电流是否靠近基底元件30的中心或周界来控制电流的密度，同时保持有限以使基底元件30保持稳定，优选地，狭槽40的宽度为约1mm。类似地，示出了至少三个狭槽，但是增加狭槽的数量会使得在电流线穿过基底元件30时允许最优化电流线的路径。为了维持在成本效益和机械有利的限制内，优选地包括五个或六个狭槽40。
[0040]出于制造原因，狭槽40可以是线性的。或者，例如图5B中所述，狭槽40’可以是弯曲的从而形成花瓣形式或螺旋桨形式的扇区42’ (优选地是可重叠的），以增强扩散电弧的旋转。
[0041]为强制电流I线的路径并且使电弧旋转和加速，有利地，在焊接唇缘36中额外设置凹槽52，因此，例如图4中所示，在唇缘36中，电流I线集中到凹槽50的边缘部分。凹槽52的宽度适配基底元件30，以便保证电极12的两个部分20、30之间的充分电传导，同时使电弧旋转和更好地加速。优选地，凹槽52对于所有扇区42来说是相同的并且占唇缘36的大约四分之一至一半。
[0042]或者，如图5C中示意性地表示，唇缘36在其周界上基本上封闭，除了开端狭槽40之外。在该实施例中，旋转由中央空穴37’的适当形状提供，该空穴不再是圆形的而是包括锐角，所述角部分地由狭槽40定界。这种替代例允许获得更大的联接表面32，并且对电流I线提供基本相等的路径。
[0043]扇区42的向中央区域变窄且向周界变宽的形状导致靠近中心处电流I线密集，具有集中区域54，随着电流线移向周界，它们扩展开从而在发散区域56中使电流密度最小，并且占据在空穴37内基底元件30的扇区42的全部可用体积，产生了使电弧扩散最优的效果O
[0044]如上所述，根据本发明所述的设备10包括两个面对彼此放置的电极12，两个电极是彼此的镜像，并具有切口 40，从而获得径向场，由此狭槽40彼此成直线排列，仅仅通过片形元件20分开。因此，在基底元件30的扇区42内流动的电流I线产生一磁场，该磁场产生使电弧旋转运动的力，与RMF或TMF电弧控制相比，电流在片形元件20内流动，从而产生使电弧旋转的磁场。电弧本身保留在两个片形元件20之间，在整个表面上扩散，在电弧控制的两个部分中，电流的宏观路径产生一磁场，该磁场独立于电弧扩散的事实而使电弧进行旋转运动。特别地：
[0045]-通过电流在基底元件30的结构内的总运动产生的径向磁场来获得电弧的旋转效果;
[0046]-通过迫使电流线以高电流密度沿限定路径移动来获得电弧的扩散效果。当电流离开灯泡的轴H1到阴极时，它从基底元件的中心流向基底元件的周周，穿过给电流I线提供很少材料的区域54，在阴极的基底周界，电流I线穿过材料的更广大体积，并且在进入已经形成在两个触头之间的电弧之前通过占据可用体积而扩散开，然后到达第二触头（阳极）从而完成在朝向灯泡的轴142的相反方向上的行程。
[0047]已经进行了若干测试。特别地，在模拟真空灯泡的真空室中，拍摄的图像和其电压的测量值（电弧出现情况下横跨两个触头的终端）已经表示出，电弧有效地扩散，并且进行旋转运动。
[0048]另外，图2(:中所示的接触设备100已经被用来代替施耐德销售的呢型真空灯泡中的现有接触设备：对于相同尺寸（60皿电弧控制在17. 5^带有31. 5^的断开率），真空灯泡允许高于最大电流（标准灯泡可以中断）20 %的事故电流被中断。另外，例如图6中所示，根据本发明的设备所允许的、带有新的电弧控制的灯泡的电阻更低（在所示实例中平均值减少2)，换言之，与所述电阻成比例的、断路器的极的加热受到限制，还注意到的是，测量值的分散更低，与对于电阻大约15.3^ ^的平均值具有大于3的标准差相比，对于电阻大约7. 8^ 0的平均值特别地具有小于1的标准差。
[0049]由于根据本发明所述的新型接触设备10并且由于根据扩散电弧概念的、非收缩的但是能够被施加旋转的电弧控制，开关设备和真空灯泡16提供了以下优势：
[0050]-热能的有效分布，这允许满足特定应用的需求，例如那些具有非常长的电弧作用时间的应用（如交流发电机断开时的零延时），某些具有16取频率的铁路应用等；
[0051]-高断开率，与應？或II？类型的电弧控制相同；
[0052]-对于具有长电弧作用时间的电流中断的良好性能；
[0053]-在事故电流断开以前或以后的高且恒定的电介质性能特征；
[0054]-借助完整的接触表面22的电气寿命；
[0055]-预防关闭运作期间的焊接现象，这是由于电弧9在其产生时（两个触头之间的距离小于1毫米）的旋转的能力分布在表面22上；
[0056]-对于电容器组的断开的非常好的性能特征，这是由于良好的电介质击穿性能以及在关闭可达到20“或更高的电容器组电流期间的弧前的旋转；
[0057]-低电阻；
[0058]-保持在接触表面22之内并且不锁在真空灯泡16上的可控的电弧定位；
[0059]-比舰？或咖?/預？型更好的接触设备10的机械阻力；
[0060]-片形触头20的制造成本比花瓣型的II？的电弧控制、尤其是舰？型电弧控制更低。
【权利要求】
1.一种用于真空灯泡(16)的接触设备(10)，包括两个电极(12)，每个电极刚性地附连至轴(14)，所述轴(14)彼此沿轴向对齐，每个电极(12)包括经由联接表面(32)与基底元件(30)相关联的片形元件(20)，两个电极(12)能够处于所述片状元件(20)相接触的位置和所述片状元件通过沿轴(14)的相对平移彼此分开的位置，其中所述联接表面(32)包括在位于所述基底元件(30)的周界处的第一端(44)和位于所述基底元件(30)内部的第二端(46)之间延伸的切口(40)，每个切口(40)在其第二端(46)处与对中于所述轴(14)的圆(48)相切，其特征在于，所述切口(40)通过所述基底元件(30)的厚度，基底元件(30)的切口(40)均处于相同方向以形成电弧基底元件(30)的扇区(42)，所述扇区从中心向周界变宽，两个电极(12)是彼此的镜像，使得所述切口(40)在所述接触设备(10)中重叠。
2.根据权利要求1所述的接触设备，其中，所述片形元件(12)是基本平面的完整盘。
3.根据权利要求2所述的接触设备，其中，所述联接表面(32)包含在内接于所述片形元件(12)的盘内的圆中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接触设备，其中，每个基底元件(30)包括中央空穴(37)，从而形成用于与所述片形元件(20)联接的周界唇缘(36)。
5.根据权利要求4所述的接触设备，其中，每个电极(12)还包括位于所述空穴(37)内的加固件(38)，用于支撑所述片形元件(20)。
6.根据权利要求4或5所述的接触设备，其中，每个唇缘(36)包括位于所述空穴(37)的延伸范围并在所述周界敞开的至少一个凹槽(52)。
7.根据权利要求6所述的接触设备，其中，所述联接表面(32)包括由五个凹槽(52)分隔并且在一端由切口(40)定界的五个唇环部分(36)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的接触设备，其中，所述切口(40)是在它们的第一端(44)处开放的狭槽(40)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的接触设备，其中，所述切口(40)是相同的，通过绕所述轴(14)的旋转而彼此偏移。
10.根据权利要求9所述的接触设备，其中，所述切口(40)和扇区(42)绕所述轴(14)均匀地分布。
11.一种真空灯泡(16)，包括气密室，根据前述权利要求中任一项所述的接触设备(10)定位在所述气密室中，所述设备的轴(14)中的至少一个与致动装置相关联，从而允许片形元件(20)处于两个位置。
12.—种开关单元，包括如前述权利要求所述的真空灯泡。
【文档编号】H01H33/664GK104335314SQ201380026673
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】S.坎塔斯 申请人:施耐德电器工业公司