专利名称:磁致断路器的制作方法
本发明涉及一种用于电路通断地断路器。
在各个领域中，经常使用着大量的各类电路。电路的通断也是十分频繁的。在现有技术中，通断电路和电流的方法有两大类，一种是传统的采用触头来通断电路的方法，一种是采用晶闸管等半导体元件构成静态无触点断路器的方法。
由触头的分、合来操作的断路器，使用范围广，历史也较长。因此这类断路器无论在理论和实践上都相当成熟，制造和运行水平都较高。但是，采用触头分离电路，不可避免地会产生电弧，且会因电路突然切断引起过电压。由此带来的问题限制了这类断路器的使用。例如，在冶金工业中，要求电力断路器作频繁的带负载通断。这样，通断时的电弧使触头烧蚀很快。造成断路器检修周期短，运行可靠性差。就是在大量使用这类断路器的电力系统中，断路器的检修周期按检修规程定也是由其动作次数确定的。广泛使用的油断路器，一般断开故障电流3～5次便需停修。在现代超高压电力系统中，对断路器要求更高。电力系统电压等级越高，其绝缘裕量越少，耐受操作过电压的能力越差。这就不允许断路操作时产生高的过电压。在将要发展使用的1100～1500KV电压等级，据估算，短路电流将达250KA。这种条件下，无论是触头选择，灭弧措施的考虑都变得很困难。
可以想到，解决以上问题的途径是去掉触头。晶闸管静态断路器就是这样产生的。这类断路器从原理上消除了触点，故没有电弧及由此带来的一系列问题。而且，制成足够大容量和足够高电压的静态断路器也是可能的。但是，由于其成本高，且在通过工作电流时，本身电能损耗大，故使用也不多。一般用于小功率的场合。
以上两类断路器，也有许多改进的专利。如日本特开昭53-123855，便是一种对有触点的断路器固有开闭时间，燃弧时间，系统电压和电流相位作逻辑运算处理，决定最佳时间再操作断路器的方案。它能抑制过电压，可靠性也好。又如特开昭54-68956，是 一种无触点开关，由晶闸管及稳压管等组成。仅用于弱电、小功率。
本发明的目的是提供一种制造容易，成本低，电能损耗小的无电触点的断路器。它在技术性能上优于常规有触点断路器，在经济性方面优于晶闸管静态断路器。
以下对本发明的原理作一叙述
图1是磁致断路器的原理结构图。图中原边绕组[1]，付边绕组[2]与铁心[3]一起构成一台普通变压器。在加上分支磁路铁心[4]之前，由铁心[3]构成主磁通φ的通路，从而实现了[1]和[2]间的电磁联系。[1]和[2]之间能顺利传递功率。这时一次绕组电流
1和二次绕组电流
2之间的关系由变压器磁势平衡方程决定。在一、二次匝数相等时该方程可表达为
1+
2＝
0或近似认为
1+
2＝0即
1＝-
2。
故在分析各种问题时，都等效地认为是一个
1＝-
2的电流从电源流经一、二次绕组到达负载。
如果我们在图1正常运行的变压器铁心中，合上一条分支磁路[4]。侧整个铁心中的磁通分布会发生改变。铁心中磁通φ的分布由铁心结构，一、二次绕组磁势大小和位置决定。我们假定图1中的断路器
1、铁心各支路载面相等，且磁路各部分长度比例如图，即分支磁路[4]把铁心[3]分隔成两个正方形;
2、铁心不饱和。即认为各支路磁阻为常数。
则通过磁通连续性原理和安培环路定律可计算得知，当变压器仅一次侧有电源
，二次侧空载时，有
式中
1为一次心柱中磁通;
2为二次心柱中磁通;
3为分支磁通。
在以上结果中再考虑由于φ的大小不同而导致的Rm不同，则可知由于φ2较小，φ3较大，使φ2对应的Rm比以上计算值小，φ3对应Rm较大。据此对以上结果修正后有 1/4
1＜
2＜
1。易于理解，这时与
2对应的二次空载电压也会降低。
在此基础上，让二次绕组带上负载，将产生
2。由楞次定律，可知
2将对产生它的
2起削弱作用。更重要的是，由于分支磁路[4]的存在，使
2产生的削弱
2的磁通可以不与一次绕组交链而闭合。故
2被削弱很多，
3对应增加。即是说，负载时，
2会进一步下降。其削弱后值的大小取决于
2的大小。在这里，
2和
2是互相制约的
2增大，
2被削弱，又使
2减小。故
2不可能被削弱至零;
2也不可能增至很大。
2的最大可能极限值是在φ2≈φ1且φ2被削弱至很小时。这种假设下I2将接近励磁电流。实际上，φ2＜φ1，且φ2不会在I2很大时接近零，可知I2总是小于励磁电流的。
综上述可见合上分支磁路后，断路器输出电压下降。如果带上负载，则负载电流不可能超过励磁电流。同时负载端压大大降低。这样，当我们断开分支磁路时(对应于断路器接通)，其工作状况与变压器相似。当合上分支磁路时(对应断路器断开状况)，这时断路器输出端仍带电，但电压很低，电流小于空载电流。即是说，磁致断路器动后，只断掉了负载电流，并没有使输出侧失电。如果需断电，可采用与断路器配用的隔离刀闸来完成。
当图1所示变压器两侧都有电源时(这是电力系统中更普通的情形)，要定量解算磁通分布就更加困难。困难不仅在于磁阻Rm随φ改变，还在于两侧线圈对交链的另一侧磁通的互相削弱。以下，我们根据图1的断路器的具体情况，仅作一定性分析。
设图1中一、二次侧磁势为
1、
2。同时，考虑到
1和
2的大小由
1和
2的大小决定，即可认为φ1和φ2恒定，与之对应的磁阻也就为常量。所以我们只要设分支磁路磁阻Rm为常量，再暂时不考虑对侧绕组的削弱便可解出以下结果
1＝1/15Rm(4
1+
2)＝
11+
12
2＝1/15Rm(
1+4
2)＝
21+
22
3＝1/15Rm(3
1-3
2)＝
1-
2
式中Rm为分支磁路磁阻;
11、
22为一、二次磁势产生的与本侧交链的磁通;
12、
21为它们产生的与对侧交链的磁通。
上式说明绕组心柱内流过的磁通由本侧磁势产生的部分(
11和
22)和对侧磁势产生的部分(
12和
21)共同组成。而且大部分磁通由本侧产生。
以下再考虑被忽略的因素对以上结果的影响。Rm随
3大小的变化，将影响流过另一侧心柱和分支磁路的磁通大小的分配。即改变
12和
21的大小。另一侧线圈的削弱作用，是削
12和
21，使各心柱内趋于只流过本侧磁势产生的磁通
11和
22，使
11和
22通过分支磁路[4]闭合。
综上可见，当断路器两侧均有电源时，
1和
2都主要通过分支磁路[4]构成通路，而很少互相交链。这时断路器可有以下几种运行状况
1、分支磁路[4]断开断路器处于合闸。两侧电源同期。
1＝
2，作变压器运行。
2、分支磁路[4]合上断路器处于分闸。一般这时两侧电源不同期。
。极端情形下
1＝-
2则
3＝2
1。可见分支磁路[4]的截面设计为两旁心柱的2倍。同时，这时不能随便断开[4]使断路器合闸。需对两侧电源进行同期操作，否则将引起危害性的大电流。在两侧电源同期后，
1＝
2，
3＝0，便可合闸。
顺便指出，以上讲的二侧的同期程度可以通过测量分支磁路中的磁通来检测。在图1那样的磁路结构下，当二侧同期时，
3＝0。这也说明在断路器合闸操作时，操作机构不需要克服附加电磁力。
以上讨论了空载时，磁致断路器分闸后断路器内部的物理过程。在负载时，磁致断路器分闸后，内部各磁通的分布会变得与空载基本相同。这时，原来一、二次侧间由磁势平衡方程限制的
1和
2将不再受该方程约束。
2失去了一次侧的能源，成为自由分量。它以二次绕组参数和负载阻抗所决定的时间常数衰减。
1中的负载分量也由于磁通分布的变化而不再与
2对应。它以一次绕组和电源内阻所决定的时间常数衰减。从这里可以看出，磁致断路器断路的过程，不是断开电流的回路，而是切断电流的能源，和联系。使它们成为自由分量，在各自的回路里衰减。因此，它断路时不会引起过电压，也不会产生电弧。
对磁致断路器工作原理的分析，还可采用传统的分析变压器的方法进行。我们把分支磁路对磁通的分流作用，看作是增加了变压器一、二次绕组的漏磁通。即增加了等值电路中的一、二次侧漏抗。由于分支磁路分流的磁通很多，故这时漏抗的值大于励磁电抗或与之相当。由等值电路可知，这时断路器输出端压下降，带负载的能力基本丧失只能提供很小(小于励磁电流)的负载电流。
以下对本发明的具体结构和实施例作一叙述
磁致断路器可用于单相电路的通断，也可用于三相。图2、图3、图4就是单相磁致断路器的方案。同时，图2、图3、图4也是三相组式铁心结构的断路器一相的方案。因为在组式铁心结构下，只要三台单相的断路器，便可连接为三相。这时三台的分支磁路铁心[4]是联动的，同步开合。其中图2是线圈水平排列，分支磁路设在中部的方案。图3是把图2方案中的磁路[4]设在一旁。以上两方案结构简单，但漏磁大。图4是线圈纵向排列，分支磁路[4]设在中部的方案。这种结构下，可以通过设计，尽量在保证分支磁路[4]截面的前提下，减小其纵向宽度。(例如增加其横向宽度，并增加它和铁心[3]的两柱接触面，具体可把[4]做成两半，从[3]的两侧合拢)从而减小漏磁，提高断路器作为变压器运行时的性能。
图5是采用三柱式铁心构成三相磁致断路器的方案。三相线圈在各自的心柱上纵向排列。分支磁路[4]设在三个心柱之间。采用这种结构，设计时也应尽量减小线圈纵向矩离，以减小漏抗。当然，分支磁路的两部分的动作应是同步的。
图6是采用三柱式铁心的三绕组磁致断路器。它与电力系统中的三绕组变压器对应。可以对两个输出回路分别或同时进行分合。当系统仅一侧有电源时，应把电源侧(图中一次绕组)安排在中间，这样才能实现其余两回路的独立开合。
采用三柱式铁心使断路器结构紧凑，耗材少。断路器操作机构也简单。而用组式铁心结构，让每相独立使用一个油箱，则检修灵活，而且可以分相操作。
当要把断路器设计为断开后输出端完全不带电，则可以采用图7或图8所示的方案。
图7的方案是在图2的基础上，把铁心[4]中部留出了一个间隙[6]，并用非铁磁物质(例如树脂)填满，以保证其刚性。这样，一、二次侧间相互交换的磁通接近于零，使断路器分闸后输出端压趋近于零。由于铁轭上部开口，故采用非铁磁物质构件[7]把铁心夹紧。铁心[8]是在分支磁路[4]分离后，用来填充铁轭上的缺口以形成磁路的。弹簧9起缓冲[4]的冲击力和使[8]回位的作用。
图7的方案缺点是铁轭断开，工艺性差。图8的方案则把铁轭和分支磁路都做得不完全断开，使其整体性更好一些。其动作情况类似于图7、即断路器分闸时，[4]由操作机构推入，把[8]挤出铁轭取而代之。断路器合闸时，[4]退出，[8]由弹簧推入铁轭。
本发明与现有技术相比有以下优点
1、技术性能好。与有触点断路器相比，消除了电弧和过电压。同时易于制成大容量，高电压的产品。适用于象冶金工业，交通运输等需频繁开合的场合，可以开合成千上万次而不必停修。对它的漏抗等各参数仔细设计后，也适用于电力系统。这时，可兼作变压器和断路器。在合闸时(分支磁路断开)，是一台变压器。在分闸时(分支磁路合上)就起到断路器作用。分闸后，并未完全断电，但电流很小。可采用两侧隔离刀闸的分断来脱离电源。这样，就可在电力系统传统的结线方式(例如由发电机-变压器-断路器组成的单元结线)中，省掉一组设备。使系统得到简化，可靠性提高。
2、经济性好。本发明不仅经济性比晶闸管静态断路器好，而且与有触点断路器也是可比的。最近的资料表明，一台SFL1-20000/110电力变压器的价格与一台KW4-110空气断路器(这是一种灭弧性能较好的有触点断路器)价格基本相当。故当变压器容量更小(低于20000KVA)时变压器的价格将低于断路器价格。(例如6300KVA的110KV变压器价格约为配用的空气断路器的一半)。而本发明是在变压器的基本结构上添加分支磁路和操作机构而成，故价格比变压器高而高得不多。
可见，本发明的单台价格与现有性能较好的空气断路器相比，也是容量小时较便宜，容量大时贵一些。是可比和基本相当的。
以上是以单台价格看。如果考虑到使用本发明可以代替变压器和断路器两组设备的功能。节约了一组断路器的投资。则经济性就更好。
3、设计制造容易。本发明是变压器和断路器的组合。它的设计和制造都可沿用变压器结构和断路器操作机构部分(使分支磁路分合的机构与多油式断路器操作机构相类似)的成熟经验和工艺。因此，实现是容易的。工艺上也不需另设生产线，现有的变压器和断路器制造设备便可胜任。
附图的说明
图1是磁致断路器的电气原理示意图。[1]和[2]是原付边绕组，[
1]和[
2]是原付边磁势，[
1]和[
2]为原付边电流。[3]是变压器铁心，[4]为分支磁路。[
1]，[
2]，[
3]分别为三铁心柱中的磁通。
图2是本发明的实施例之一的结构示意图。它是一个单相断路器，也可认为是组式铁心结构断路器的一相。图中[1]和[2]是一、二次绕组，[4]为分支磁路，[3]为变压器铁心。
图3是另一实施例的结构示意图。与图2的实例类似。各部件的编号也相同。不同的是分支磁路移到外侧。
图4是又一实例的结构示意图。是单相和三相组式铁芯结构的示意图。与图1结构，编号均类似。不同之处在于线圈采用纵向排列，且把一、二次绕组都一分为二，分别绕在两个心柱上。
图5是三相磁致断路器的实施例。采用三柱式铁心。图中[1A]，[1B]，[1C]分别是ABC三相的一次绕组，[2A]，[2B]，[2C]是二次绕组。[3]为三柱式铁心，[4]为分支磁路当然，[4]也可仿照图3那样设在一旁，不过这样需多并一支路。
图6是三相三绕组磁致断路器的实施例。它与图5相似。不同之处是增加了[2′A]，[2′B]和[2′C]这第三绕组，以及第二组分支磁路[5]。当一次侧为电源时，合上[4]则[2A]、[2B]、[2C]断开;合上[5]则[2′A]、[2′B]、[2′C]断开。
图7为输出无电压的实施例示意图。a)图为正视图，b)图为侧视图作了剖视。[1]和[2]是一、二次侧绕组。[3]是铁心，[4]是分支磁路。[6]是分支磁路中部留出的间隙。[7]是非磁性紧固件。[8]是填充铁轭缺口的铁心。[9]是弹簧。
图8为图7方案的改进。a)图为正视图，b)图为侧视图，作了剖视。其中各数字标记的含义与图7相同。不同的是无紧固块[7]，且铁心[8]，弹簧[9]为两套。
权利要求
1、一种用于电路通断的断路器，其特征在于给变压器的原付边磁路[3]并上分支磁路[4](或[4]和[5])。使分支磁路并上或分开来通断电路。
2、根据权利要求
1所述的断路器，其特征是分支磁路[4]设置在铁心[3]各心柱之间或心柱的一侧。
3、根据权利要求
1和2所述的断路器，其特征是铁心[3]为三柱式铁心。
4、根据权利要求
3所述的断路器，其特征是
(1)、付绕组由[2A]，[2B]，[2C]和[2′A]，[2′B]，[2′A]两组绕组构成。
(2)、分支磁路由[4]和[5]设置在三心柱之间，与磁轭对应，并把三侧绕组隔开。
5、根据权利要求
1、2、3、4所述的断路器，其特征是分支磁路[4]和[5]中的每一条均由两半组成。分别由操作机构从铁心[3]的两边合拢构成分支磁路。以减小[4]、[5]纵向宽度。
6、根据权利要求
1、2、3、4、5所述的断路器，其特征是在分支磁路[4]中部设置间隙[6]，并对应的在铁心[3]的铁轭上开出缺口，使断路器一、二次侧绕组间的磁联系进一步削弱，二次输出电压降低。断路器分闸时，铁轭上的缺口由对应的铁心[8]填补。
专利摘要
本发明是一种从变压器原理发展而来的无电触点断路器。在普通变压器的铁心[3]上，并联分支磁路[4]，将使一、二次绕组[1]和[2]之间失去传递功率的能力。随着[4]并上或分开，电路就断开或接通。该断路器通断时无电弧，也不会产生操作过电压，断开后负载不失电，但负载电流将小于励磁电流。本发明适用于各类电路，尤其是需要频繁通断负载以及对电弧和过电压敏感的场合。且在电力系统中可代替现有变压器和断路器两组设备。
文档编号H01H36/00GK86102008SQ86102008
公开日1987年1月24日 申请日期1986年3月21日
发明者黄永铭 申请人:黄永铭导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan