专利名称：断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1前序部分所述的一种断路器。
背景技术：
文献EP 0 836 209 A2公开了一种可用于高压电网的断路器。这种断路器具有一个做成旋转对称的灭弧室，该灭弧室充有一种负电性的气体，例如充有六氟化硫(SF6)气体作为灭弧介质和绝缘介质。在接通状态中，一根导电杆跨接灭弧室的两个主触头之间的距离，对这种类型的断路器来说，该距离是固定的。在断开状态中，该导电杆在一个方向内轴向运动，而两个主触头则共同在相反的方向运动。这时，导电杆在两个主触头之间引起电弧，该电弧在一个位于主触头之间的电弧区域燃烧直至熄灭。
在燃弧区域内产生的热气体和电离气体被排出，其中的一部分存储在一个加热容积中，并在稍后以公知的方式用来支持灭弧过程。残余的热气体轴向向两侧通过做成管形的主触头排入一个排气容积中。这些轴向通过管形通道的气流通常把掺有开断残渣的热气体的绝大部分从电弧区带走，所以灭弧后不存在可能引起主触头之间的电弧重燃的载流子。为了保证有效的流动，管形通道应设计成尽可能有利于气体流动。此外，应当避免来自排气容积的太高的反压力作用到电弧区并对灭弧过程产生不利影响。这种断路器具有相当高的开断能力。
发明内容
如在独立权利要求特征部分所述，本发明用简单的方式解决了明显增加开断能力而又造价低的断路器问题。
本发明的断路器具有至少一个灭弧室，该灭弧室充有绝缘气体、沿纵轴延伸、径向对称、包含一个电弧区和具有至少两个电流触头。至少一个电流触头是管形的空心触头，这个空心触头用来把电弧区的热气体导入排气容积中并具有一个导向装置，该导向装置布置在空心触头背离电弧区的一侧上并与空心触头的至少第一孔共同作用来把热气体径向导入排气容积中，该排气容积通过至少第二孔与灭弧室容积连通。在空心触头和排气容积之间，至少设置第一中间容积。这个至少第一中间容积相对该排气容积被第一壁界定，其中这个第一壁具有至少一个第三径向对准的孔，该孔连通该中间容积和排气容积。这个第一壁用一种导热良好的材料尤其是用一种金属制成。但在这个部位用塑料是特别有利的，塑料除了具有良好的导热性能外。还在热气体撞击时具有轻微气化的性能，从而使气体散热。如果被气化的塑料中含有离解的和/或负电性的气体则又是一个优点。
在保持下列比例时，可获得断路器的一种断流容量特别大的实施方案，即V1/A1＝(0.1至0.5)米，V2/A2＝(0.1至0.5)米，V3/A3＝(1.0至2.5)米，其中V1为空心触头的容积，A1为第一孔的横截面，V2为中间容积的容积，A2为第三孔的横截面，V3为排气容积的容积，A3为第二孔的横截面。
断路器的第二实施方案是，在第一中间容积和排气容积之间具有至少一个叫做附加容积的第二中间容积。这个附加容积对该排气容积被第二壁界定。其中第二壁具有至少一个径向对准的第四孔，该孔连通该附加容积和排气容积。第二壁用一种导热良好的材料制成，特别是用一种金属或塑料制成，如结合第一壁所述的那样。
通过本发明所达到的诸多优点在于，由于热气体的特别好的冷却，保证了热气体体积的不断减小，并由此保证了热气体从电弧区的最佳流出，所以在相同灭弧室尺寸的情况下，灭弧室达到了明显高的开断容积。
本发明的其他改进可从各项从属权利要求中得知。
下面结合仅表示一种可能实施方法的附图来详细说明本发明及其改进以及由此可达到的诸多优点。
图1从断路器第一实施方案的灭弧室的排气区剖开的简化示意部分剖面图；图2从断路器第二实施方案的灭弧室的排气区剖开的简化示意部分剖面图；图3图1所示断路器第一实施方案的一个垂直于纵轴线的剖面B-B；图4图2所示断路器第二实施方案的一个垂直于纵轴线的阶梯式剖面C-C；图5从断路器第三实施方案的灭弧室的排气区剖开的简化示意部分剖面图；图6断路器第三实施方案的示意详图。
具体实施例方式
在全部图中，凡是作用相同的件都用相同的附图标记表示；凡是对直接理解本发明不需要的件都没有画出或不作说明。
断路器可具有一个或多个串联的、充绝缘气体的灭弧室，这种灭弧室按常规的开断原理之一进行工作，亦即例如作为自吹式灭弧室、作为带有至少一个附加的压气式装置的自吹式灭弧室，或作为简单的压气式开关进行工作。断路器例如可具有类似于文献EP 0 836 209 A2所示的电流触头结构，但也可将一个或两个电流触头设计成活动的。断路器例如可设计成户外开关、气体绝缘金属封闭开关设备的一部分或接地箱壳式断路器。图1表示从断路器第一实施方案的一个灭弧室的排气区剖面的简化示意的部分剖面。
灭弧室的这个第一实施方案是旋转对称的，并沿一根纵轴线1延伸。该灭弧室具有一个在图中未画出的电弧区域，在该区域内，在开断过程中，在两个电流触头之间燃烧电弧。电弧按公知的方式加热电弧区域内的绝缘气体，这种被加热的、有压力的气体的一部分经两个电流触头之一即设计成管形的空心触头2流出电弧区域。箭头3表示这种热气体从电弧区域流入排气区域的流动方向，空心触头2内部的容积为V1。用箭头3表示的气流通过一个大致呈锥形的导向装置4偏转到大致径向的方向，如箭头5所示。该气流通过空心触头2外壁内设置的孔6流入一个与空心触头2同心布置的中间容积7中，该中间容积的容积为V2。该空心触头的外壁内的孔6具有一个共同的横截面A1。气体在中间容积7中产生涡流。
中间容积7由壁8封闭而成，该壁最好用金属例如钢或铜制成，但也可用导热较好的塑料。在这个部位用塑料是特别有利的，因为塑料除了具有较好的导热性能外，在热气体冲刷下还具有被轻微气化的性能，从而使气体散热。如果在被气化的塑料中含有离解的和/或负电性的气体则是又一个优点。壁8具有至少一个孔9，该孔可使涡流气体沿径向方向流入同心布置的排气容积10中。壁8的这个孔9具有横截面A2。如图3所示，孔6和9一般是相互错开的，所以在径向内流动的涡流气体不可能直接通过孔9继续流入排气容积10中。但也可设想孔9之一完全或部分对准孔6之一，以便有意使部分或全部气流直接通过孔6流入排气容积10中。孔9在形状、尺寸、排列和数量上都应进行最佳设计，并与相应的工作要求一致。
排气容积10向外由一金属壁11界定，该金属壁一方面支撑在空心触头2上，另一方面支撑在一个与灭弧室的电连接进行连接的金属连接件12上。导向装置4设计成这个连接件12的一部分。排气容积10具有容积V3。至少一个具有横截面A3的孔13从排气容积10通入一个充满冷却气体的灭弧室容积14中。至少一个孔13孔相对至少一个孔9错开布置。如果该灭弧室例如考虑用于户外，则灭弧室容积14向外通过一个灭弧室绝缘子15气密密封。
在断路器开断时，空心触头2一般与连接件12一起在箭头3的方向内向左运动。中间容积7和排气容积10固定布置在灭弧室绝缘子15的内部。在图1中，例如表示空心触头2的开断位置。但中间容积7与空心触头2和连接件12完全可以构成一个共同的组件，这样，在开断时，中间容积7与空心触头2一起通过固定布置的排气容积10进行运动。此外，排气容积10与中间容积7，空心触头2和连接件12可组成一个共同的组件，在开断时，该组件作为一个整体通过灭弧室容积14向左运动。
在灭弧室的这个第一实施方案中，气流的能量在导向装置4之前由于空心触头2的长度而有所减少，通过径向方向的导向和在中间容积7内的涡流而又使能量有所增加。在图3中，箭头19表示气流及其对中间容积7的壁8的撞击。从该撞击部位离开的两个小箭头20表示气流的涡流。这种撞击和随之而来的涡流对壁8产生特别好的热传递，从而有利于减小涡流气体的体积。在短路跳闸时，通常在空心触头2的端部的压力和中间容积7的压力之间产生一个大约0.4至1巴范围的压差，其中，中间容积7的压力较大。在中间容积7内停留一个较短的时间后，仍然相当热的气体通过至少一个孔9流出而进入排气容积10中。
这种流出是在径向内进行的。这样产生的气体喷射撞击到这里作为金属壁11制成的排气容积10的壁上，并通过该壁在形成强大涡流的情况下进行绕射。在图3中，箭头21表示气流及其对排气容积10的壁11的撞击。从该撞击部位离开的两个小箭头22表示气体喷射的涡流。这种涡流的形成对壁11产生特别好的热传递，从而有利于减小涡流气体的体积。已相当冷却的气体这时流到壁11中的轴向错开的孔13。这种气流呈螺旋形围绕纵轴1进行，并使气体进一步散热。然后冷却的气体从这个孔13流出而进入灭弧室容积14中，并供以后的开断过程使用。
在断路器的这个第一实施方案中，如果保持下面的比例，则可达到不断流动的热气体的特别好的冷却，即V1/A1＝(0.1至0.5)米，V2/A2＝(0.1至0.5)米，V3/A3＝(1.0至2.5)米，其中容积V1，2，3例如按立方米计，横截面A1，2，3按平方米计。
排气区的下列配置可使断路器第一实施方案的开断容积达到特别大的提高，即空心触头2以内的容积V1做成0.33升，第一孔的横截面A1设计成1850平方毫米；中间容积7的容积V2设计成0.7升，第三孔9的横截面A2设计成3800平方毫米；排气容积10的容积V3设计成8升，第二孔13的横截面A3设计成4000平方毫米。
图2表示从断路器第二实施方案的一个灭弧室的排气区剖开的大大简化和示意的部分剖面。灭弧室的第二种结构型式一般也是旋转对称的，并基本上相当于第一种结构型式。但第二种结构型式设置了容积为V4的第二附加容积16。附加容积16由一壁17界定并同心包围中间容积7。中间容积7的壁8内的孔9通入附加容积16。壁17最好用金属例如钢或铜制成，但也可用导热良好的塑料，塑料的其他优点已如前述。壁17具有至少一个孔18，产生涡流的气体可在径向方向通过该孔而进入同心布置的排气容积10中。壁17内的至少一个孔18具有横截面A4。这个孔18同样可配置一个挡板，如结合孔9所述的那样。如图2和4所示，孔9和18通常是轴向相互错开的，所以在径向内产生涡流的气体不可能直接通过孔18继续流入排气容积10中。但也可设想孔9和18至少部分地重合。
在图2中，只在上半图内画出了附加容积16。如图所示，该附图容积只围绕中间容积7的周边的一部分延伸，或如图4所示，整个中间容积7被同心包围。
在这种结构型式中，在断路器开断时，空心触头2一般也与连接件12一起在箭头3的方向内向左运动。中间容积7、附加容积16和排气容积10固定布置在灭弧室绝缘子15的内部。在图2中，例如示出了空心触头2的开断位置。但中间容积7和附加容积16完全可与空心触头2和连接件12构成一个共同的组件，这样，在开断时，中间容积7和附加容积16与空心触头2一起通过固定布置的排气容积10进行运动。此外，排气容积10与中间容积7、空心触头2和连接件12可组成一个共同的组件，在开断时，该组件作为一个整体通过灭弧室容积14向左运动。
在图4中，箭头23表示中间容积7的气流及其对附加容积16的壁17的冲击。从该冲击部位离开的两个小箭头24表示气体喷射的涡流。这种强大的涡流形成对壁17产生特别好的热传递，从而有利于减小涡流气体的体积。然后涡流气体从附加容积16流经孔18而进入排气容积10，如箭头21所示。这里气体喷射的撞击再次引起强大的涡流，也如前述。在断路器的这个第二实施方案中，热气体达到了特别好的冷却，因为气体又一次撞击到附加的壁17上，并由此而达到比第一实施方案更好的冷却效果。
第二实施方案的工作原理基本上相当于第一实施方案的工作原理，但这里从中间容积7流出的气体喷射撞击到中间容积16的壁17上，并通过该壁在形成强大涡流的情况下进行绕射。这种强大的涡流形成对壁17产生特别好的热传递，从而有利于再次减小涡流气体的体积。在中间容积16内停留一个较短的时间后，气体通过至少一个孔18流出而进入排气容积10中。这种流出是在径向的方向内进行的。这样产生的气体喷射撞击到排气容积的壁11上，并通过该壁在形成强大涡流的情况下进行绕射。如前所述，这种涡流的形成对壁11产生特别好的热传递，从而有利于再次减小涡流气体的体积。已冷却的气体这时流到壁11中的轴向错开的孔13。这种气流在排气容积10中呈螺旋形围绕纵轴流动，并使气体进一步散热，然后冷却的气体从这个孔13流出而进入灭弧室容积14中，并供以后的开断过程使用。
在这个实施方案中，如果保持下面的比例，则可达到不断流动的热气体的特别好的冷却，即V1/A1＝(0.1至0.5)米，V2/A2＝(0.1至0.5)米，V3/A3＝(1.0至2.5)米。
V3/A3≥V4/A4≥V2/A2其中容积V1，2，3，4例如按立方米计，横截面A1，2，3，4按平方米计。
图5表示从断路器的第三实施方案的一个灭弧室的排气区剖开的大大简化和示意的部分剖面。灭弧室的这个第三种实施方案也是相对于纵轴1旋转对称的，并基本上相当于第一种实施方案。虚线25表示空心触头2的外轮廓，图中未画出空心触头2的内部和中间容积7之间的孔。这个第三种实施方案与第一种实施方案的区别在于孔9的形状。这里的孔9例如用一块设置有许多孔9a、9b等等的节流钢板封闭，以便由此达到许多径向作用的气体束。这种气体束撞击到壁11上并在多个撞击部位产生涡流，所以热气体在该处达到特别好的冷却，并由此达到气体的特别有效的体积减小。
第一种实施方案的孔9的横截面A2在这里分成许多圆孔9a、9b等等。当然也可设想做成多孔的节流钢板，如图5和6所示，孔9a、9b等等在这里具有一个相同的直径D。但孔9a、9b等等也可具有不同的直径D。孔9a、9b等等在这里在轴向内例如具有一个中心距离S。但也可具有不同的中心距离S。孔9a、9b等等一般为圆筒形并具有圆筒形的侧壁26。在中间容积7的壁8的外侧和排气容积10的对面壁11的内侧之间的距离为H。比值H/D对流经孔9a、9b的热气体的冷却效率起决定性的作用。对这类断路器来说，H/D的值在正常情况下为5至大约1.5的范围。H/D的值等于2，已证明是特别有利的。
具有相同直径D的孔9a、9b等等之间的轴线中心距离S按下式计算，已证明是特别有利的，即
S＝1.4·H。
孔9a、9b等等和周边上的一排孔之间的中心距是这样确定的，即通过这些孔流出的气体喷射到对面壁上的撞击点分别位于相应布置的最佳距离S内。如果不低于这个距离S，则可保证围绕这些撞击点形成的涡流不相互产生负面影响，所以在任何情况下都保证了气体的有效冷却。
如欲进一步增加断路器的开断能力，则孔9a、9b等等在形状、尺寸、排列和数量上也可进行最佳设计，并与相应的工作要求一致。如图5中的孔9c所示，如果侧壁27做成倾斜的，则可达到特别好的冷却效果，其中孔9c沿热气体的流动方向扩大。斜面相对于相应孔的中轴低于45°的倾角已证明是特别有效的。
根据上述第三种实施方案的这个结构型式，也可用于断路器第二实施方案的改型，即在这种情况中，壁8和壁17连同其周围结构都可相应设置孔。但也可只在两个壁8或17之一相应设置。
迄今为止所述的实施方案，原则上都是旋转对称结构。如果可供的场地条件需要，设计成不旋转对称的结构是完全可能的，例如在第一实施方案时，中间容积7设计成独立的部件，该部件整个或部分地偏离旋转对称。在断路器的第二实施方案时，例如附加容积16可设计成独立的、全部或部分位于旋转对称以外的部件。但在这个第二实施方案时，中间容积7和附加容积16也可设计成偏离旋转对称的独立部件。当然，在全部这些方案中，都必须保持相应容积之间的单个容积V1，2，3，4和孔6、9、18的横截面A1，2，3，4之间的前述比例。
相应容积之间的孔6、9和18的横截面可按很不同的方式设计。这里只给出了少数几个实施例。这些孔的布置同样可有多种方案。当灭弧室例如为卧式工作时，则这些孔主要布置在排气区的上部，以使固态的开断残渣沉积在相应容积的下部，在该处，这些残渣是无害的。
断路器迄今为止所述的实施方案中，每个灭弧室分别只有一个电流触头，该触头设计成管形的空心触头2。如欲进一步提高断路器的开断容量，则第一空心触头2对面的第二电流触头的排气区域的几何结构也设计成类似于已述过的结构。所以，一个有效的类似径向导向装置和至少一个本发明的中间容积也可布置在第二电流触头一侧从电弧区域在排气容积10的方向内排出的热气体的通道上。如果在这侧也注意上面给定的几何比例，则在这里也可达到热气体的相似的有效冷却，并由此达到气体体积的进一步的有利减小。断路器，它的一个灭弧室或多个灭弧室两侧都设置了热气体的这种改进的导向和冷却时，比相同尺寸的常规断路器具有明显高的开断能力。
在已用于开关设备的常规断路器中，如果几何结构容许用合理的费用进行检查时，则可在热气体流入排气容积的排气区内补装一个附加的中间容积。用这种方式以相当少的费用就达到了开断能力的增加。这样改进的断路器的开断能力的提高可使现有高压电网的传输功率用很小的费用就获得了增加，因为不用新断路器的投资。由于多数常规灭弧室都是径向对称结构，所以，断路器的这种补装或这种事后的改造是相当简单的，而且用可接受的费用就能实现。
权利要求
1.断路器，具有至少一个灭弧室，该灭弧室充有绝缘气体、沿纵轴线(1)延伸、基本上径向对称、包含一个电弧区和具有至少两个电流触头，其中至少一个电流触头是可动的或固定的管形空心触头(2)，这个空心触头用来把电弧区的热气体导入一个排气容积(10)中并具有一个导向装置(4)，该导向装置布置在空心触头(2)背离电弧区的一侧上、与空心触头(2)的至少第一孔(6)共同作用并与一个连接件(12)连接，用来把热气体径向导入排气容积(10)中，该排气容积通过至少第二孔(13)与灭弧室容积(14)连通，其中在空心触头(2)和排气容积(10)之间至少设置第一中间容积(7)，其特征为，应保持下列的比例V1/A1＝(0.1至0.5)米，V2/A2＝(0.1至0.5)米，V3/A3＝(1.0至2.5)米，其中V1为空心触头(2)的容积，A1为第一孔(6)的横截面，V2为第一中间容积(7)的容积，A2为第三孔(9)的横截面，V3为排气容积(10)的容积，A3为第二孔(13)的横截面。
2.按权利要求1的断路器，其特征为，至少第一中间容积(7)固定布置在排气容积(10)中，而该排气容积则固定布置在界定灭弧室容积(14)的灭弧室绝缘子(15)的内部，其中空心触头(2)与连接件(12)一起可相对于它运动。
3.按权利要求1的断路器，其特征为，至少第一中间容积(7)与空心触头(2)和连接件(12)固定连接并与它们一起通过固定布置的排气容积(10)相对于该排气容积运动。
4.按权利要求1的断路器，其特征为，至少第一中间容积(7)与空心触头(2)和连接件(12)以及排气容积(10)固定连接，并与它们一起通过灭弧室容积(14)相对于该灭弧室容积运动。
5.按权利要求1至4任一项的断路器，其特征为-至少第一中间容积(7)与导向装置(4)同心布置；-至少第一中间容积(7)相对排气容积(10)被第一壁(8)界定；-第一壁(8)具有至少一个径向对准的第三孔(9)，该孔连通中间容积(7)和排气容积(10)；-第一壁(8)用一种导热良好的材料制成，特别是用一种金属或可气化的塑料制成。
6.按权利要求1至5任一项的断路器，其特征为-在第一中间容积(7)和排气容积(10)之间，设置了至少一个叫做附加容积(16)的第二中间容积；一这个附加容积(16)最好同心布置。
7.按权利要求6的断路器，其特征为-至少一个附加容积(16)相对中间容积(7)被第一壁(8)界定，并相对排气容积(10)被第二壁(17)界定；-第二壁(17)具有至少一个径向对准的第四孔(18)，该孔连通附加容积(16)和排气容积(10)；-第二壁(17)用一种导热良好的材料制成，特别是用一种金属或可气化的塑料制成。
8.按权利要求7的断路器，其特征为，应保持下列的比例V1/A1＝(0.1至0.5)米，V2/A2＝(0.1至0.5)米，V3/A3＝(1.0至2.5)米，V3/A3≥V4/A4≥V2/A2，其中V1为空心触头(2)内的容积，A1为第一孔(6)的横截面；V2为中间容积(7)的容积，A2为第三孔(9)的横截面；V3为排气容积(10)的容积；A3为第二孔(13)的横截面；V4为附加容积(16)的容积，A4为第四孔(18)的横截面。
9.按权利要求5至8任一项的断路器，其特征为，至少第一孔(6)相对于至少第三孔(9)在圆周上是这样错开的，使热气流不可能径向对准地直线通过中间容积(7)。
10.按权利要求5至8任一项的断路器，其特征为，至少第一孔(6)相对于至少第三孔(9)是这样布置在圆周上的，即热气流的至少一部分可以径向对准地直线通过中间容积(7)。
11.按权利要求6至10任一项的断路器，其特征为，至少第四孔(18)相对于至少第三孔(9)在圆周上和/或在轴向内是这样错开的，使热气流不可能径向对准地直线通过附加容积(16)。
12.按权利要求6至10任一项的断路器，其特征为，至少第四孔(18)相对于至少第三孔(9)是这样布置的，即热气流至少一部分可以径向对准地直线通过附加容积(16)。
13.按权利要求1的断路器。其特征为-空心触头(2)内的容积V1为0.33升，第一孔(6)的横截面A1为1850平方毫米；-中间容积(7)的容积V2为0.7升，第三孔(9)的横截面A2为3800平方毫米；-排气容积(10)的容积V3为8升，第二孔(13)的横截面A3为4000平方毫米。
14.按权利要求8的断路器，其特征为，孔(9)用一块具有许多孔(9a、9b等等)的挡板封闭。
15.按权利要求14的断路器，其特征为-在壁(8)的外侧和其对面的壁(11)的内侧之间有一个垂直距离H；-孔(9a、9b等等)分别具有一个直径D；-比值H/D为5至1.5的范围。
16.按权利要求15的断路器，其特征为，在孔(9a、9b等等)之间有一个轴向中心距离S，该距离按下式计算S＝1.4·H。
17.按权利要求14至16任一项的断路器，其特征为，孔(9a、9b等等)具有倾斜的壁(27)，使孔(9a、9b等等)在热气体的流动方向内扩大。
18.按权利要求17的断路器，其特征为，扩大的孔(9a、9b等等)的侧壁(27)相对于孔(9a、9b等等)的纵轴线具有一个35°至50°范围的角度，但最好具有一个45°的角度。
19.按权利要求16至18任一项的断路器，其特征为，在圆周上相对于孔(9a、9b等等)移位的其他孔是这样布置的，即通过这些孔流动的气体喷射到对面壁上的撞击点都具有距离S。
20.按权利要求1的断路器。其特征为，至少一个中间容积(7)设计成可在事后装入已工作的断路器中。
全文摘要
本发明断路器具有至少一个灭弧室，该灭弧室充有绝缘气体、沿一纵轴(1)延伸、径向对称、包含一个电弧区并具有至少两个电流触头，其中至少一个电流触头是管形空心触头(2)，这个空心触头用来把电弧区的热气体导入一个同心布置的排气容积(10)中。在空心触头(2)背离电弧区的一侧上，设置了一个与空心触头(2)的至少第一孔(6)共同作用的、用来把热气体径向导入排气容积(10)的导向装置(4)，该排气容积通过至少第二孔(13)与一个灭弧室容积(14)连通。通过在空心触头(2)和排气容积(10)之间至少设置一个中间容积(7)提高了本发明断路器的开断能力。
文档编号H01H33/02GK1497632SQ0315973
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月24日 优先权日2002年9月24日
发明者M·克莱森斯, S·格罗布, 叶向阳, M 克莱森斯, 薏 申请人:Abb瑞士有限公司