專利名稱:磁致斷路器的制作方法
本發(fā)明涉及一種用于電路通斷地斷路器。
在各個領域中，經(jīng)常使用著大量的各類電路。電路的通斷也是十分頻繁的。在現(xiàn)有技術中，通斷電路和電流的方法有兩大類，一種是傳統(tǒng)的采用觸頭來通斷電路的方法，一種是采用晶閘管等半導體元件構(gòu)成靜態(tài)無觸點斷路器的方法。
由觸頭的分、合來操作的斷路器，使用范圍廣，歷史也較長。因此這類斷路器無論在理論和實踐上都相當成熟，制造和運行水平都較高。但是，采用觸頭分離電路，不可避免地會產(chǎn)生電弧，且會因電路突然切斷引起過電壓。由此帶來的問題限制了這類斷路器的使用。例如，在冶金工業(yè)中，要求電力斷路器作頻繁的帶負載通斷。這樣，通斷時的電弧使觸頭燒蝕很快。造成斷路器檢修周期短，運行可靠性差。就是在大量使用這類斷路器的電力系統(tǒng)中，斷路器的檢修周期按檢修規(guī)程定也是由其動作次數(shù)確定的。廣泛使用的油斷路器，一般斷開故障電流3～5次便需停修。在現(xiàn)代超高壓電力系統(tǒng)中，對斷路器要求更高。電力系統(tǒng)電壓等級越高，其絕緣裕量越少，耐受操作過電壓的能力越差。這就不允許斷路操作時產(chǎn)生高的過電壓。在將要發(fā)展使用的1100～1500KV電壓等級，據(jù)估算，短路電流將達250KA。這種條件下，無論是觸頭選擇，滅弧措施的考慮都變得很困難。
可以想到，解決以上問題的途徑是去掉觸頭。晶閘管靜態(tài)斷路器就是這樣產(chǎn)生的。這類斷路器從原理上消除了觸點，故沒有電弧及由此帶來的一系列問題。而且，制成足夠大容量和足夠高電壓的靜態(tài)斷路器也是可能的。但是，由于其成本高，且在通過工作電流時，本身電能損耗大，故使用也不多。一般用于小功率的場合。
以上兩類斷路器，也有許多改進的專利。如日本特開昭53-123855，便是一種對有觸點的斷路器固有開閉時間，燃弧時間，系統(tǒng)電壓和電流相位作邏輯運算處理，決定最佳時間再操作斷路器的方案。它能抑制過電壓，可靠性也好。又如特開昭54-68956，是 一種無觸點開關，由晶閘管及穩(wěn)壓管等組成。僅用于弱電、小功率。
本發(fā)明的目的是提供一種制造容易，成本低，電能損耗小的無電觸點的斷路器。它在技術性能上優(yōu)于常規(guī)有觸點斷路器，在經(jīng)濟性方面優(yōu)于晶閘管靜態(tài)斷路器。
以下對本發(fā)明的原理作一敘述
圖1是磁致斷路器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖中原邊繞組[1]，付邊繞組[2]與鐵心[3]一起構(gòu)成一臺普通變壓器。在加上分支磁路鐵心[4]之前，由鐵心[3]構(gòu)成主磁通φ的通路，從而實現(xiàn)了[1]和[2]間的電磁聯(lián)系。[1]和[2]之間能順利傳遞功率。這時一次繞組電流
1和二次繞組電流
2之間的關系由變壓器磁勢平衡方程決定。在一、二次匝數(shù)相等時該方程可表達為

1+
2＝
0或近似認為
1+
2＝0即
1＝-
2。
故在分析各種問題時，都等效地認為是一個
1＝-
2的電流從電源流經(jīng)一、二次繞組到達負載。
如果我們在圖1正常運行的變壓器鐵心中，合上一條分支磁路[4]。側(cè)整個鐵心中的磁通分布會發(fā)生改變。鐵心中磁通φ的分布由鐵心結(jié)構(gòu)，一、二次繞組磁勢大小和位置決定。我們假定圖1中的斷路器
1、鐵心各支路載面相等，且磁路各部分長度比例如圖，即分支磁路[4]把鐵心[3]分隔成兩個正方形;
2、鐵心不飽和。即認為各支路磁阻為常數(shù)。
則通過磁通連續(xù)性原理和安培環(huán)路定律可計算得知，當變壓器僅一次側(cè)有電源
，二次側(cè)空載時，有

式中
1為一次心柱中磁通;
2為二次心柱中磁通;
3為分支磁通。
在以上結(jié)果中再考慮由于φ的大小不同而導致的Rm不同，則可知由于φ2較小，φ3較大，使φ2對應的Rm比以上計算值小，φ3對應Rm較大。據(jù)此對以上結(jié)果修正后有 1/4
1＜
2＜
1。易于理解，這時與
2對應的二次空載電壓也會降低。
在此基礎上，讓二次繞組帶上負載，將產(chǎn)生
2。由楞次定律，可知
2將對產(chǎn)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產(chǎn)生的削弱
2的磁通可以不與一次繞組交鏈而閉合。故
2被削弱很多，
3對應增加。即是說，負載時，
2會進一步下降。其削弱后值的大小取決于
2的大小。在這里，
2和
2是互相制約的
2增大，
2被削弱，又使
2減小。故
2不可能被削弱至零;
2也不可能增至很大。
2的最大可能極限值是在φ2≈φ1且φ2被削弱至很小時。這種假設下I2將接近勵磁電流。實際上，φ2＜φ1，且φ2不會在I2很大時接近零，可知I2總是小于勵磁電流的。
綜上述可見合上分支磁路后，斷路器輸出電壓下降。如果帶上負載，則負載電流不可能超過勵磁電流。同時負載端壓大大降低。這樣，當我們斷開分支磁路時(對應于斷路器接通)，其工作狀況與變壓器相似。當合上分支磁路時(對應斷路器斷開狀況)，這時斷路器輸出端仍帶電，但電壓很低，電流小于空載電流。即是說，磁致斷路器動后，只斷掉了負載電流，并沒有使輸出側(cè)失電。如果需斷電，可采用與斷路器配用的隔離刀閘來完成。
當圖1所示變壓器兩側(cè)都有電源時(這是電力系統(tǒng)中更普通的情形)，要定量解算磁通分布就更加困難。困難不僅在于磁阻Rm隨φ改變，還在于兩側(cè)線圈對交鏈的另一側(cè)磁通的互相削弱。以下，我們根據(jù)圖1的斷路器的具體情況，僅作一定性分析。
設圖1中一、二次側(cè)磁勢為
1、
2。同時，考慮到
1和
2的大小由
1和
2的大小決定，即可認為φ1和φ2恒定，與之對應的磁阻也就為常量。所以我們只要設分支磁路磁阻Rm為常量，再暫時不考慮對側(cè)繞組的削弱便可解出以下結(jié)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為分支磁路磁阻;
11、
22為一、二次磁勢產(chǎn)生的與本側(cè)交鏈的磁通;
12、
21為它們產(chǎn)生的與對側(cè)交鏈的磁通。
上式說明繞組心柱內(nèi)流過的磁通由本側(cè)磁勢產(chǎn)生的部分(
11和
22)和對側(cè)磁勢產(chǎn)生的部分(
12和
21)共同組成。而且大部分磁通由本側(cè)產(chǎn)生。
以下再考慮被忽略的因素對以上結(jié)果的影響。Rm隨
3大小的變化，將影響流過另一側(cè)心柱和分支磁路的磁通大小的分配。即改變
12和
21的大小。另一側(cè)線圈的削弱作用，是削
12和
21，使各心柱內(nèi)趨于只流過本側(cè)磁勢產(chǎn)生的磁通
11和
22，使
11和
22通過分支磁路[4]閉合。
綜上可見，當斷路器兩側(cè)均有電源時，
1和
2都主要通過分支磁路[4]構(gòu)成通路，而很少互相交鏈。這時斷路器可有以下幾種運行狀況
1、分支磁路[4]斷開斷路器處于合閘。兩側(cè)電源同期。
1＝
2，作變壓器運行。
2、分支磁路[4]合上斷路器處于分閘。一般這時兩側(cè)電源不同期。
。極端情形下
1＝-
2則
3＝2
1?？梢姺种Т怕穂4]的截面設計為兩旁心柱的2倍。同時，這時不能隨便斷開[4]使斷路器合閘。需對兩側(cè)電源進行同期操作，否則將引起危害性的大電流。在兩側(cè)電源同期后，
1＝
2，
3＝0，便可合閘。
順便指出，以上講的二側(cè)的同期程度可以通過測量分支磁路中的磁通來檢測。在圖1那樣的磁路結(jié)構(gòu)下，當二側(cè)同期時，
3＝0。這也說明在斷路器合閘操作時，操作機構(gòu)不需要克服附加電磁力。
以上討論了空載時，磁致斷路器分閘后斷路器內(nèi)部的物理過程。在負載時，磁致斷路器分閘后，內(nèi)部各磁通的分布會變得與空載基本相同。這時，原來一、二次側(cè)間由磁勢平衡方程限制的
1和
2將不再受該方程約束。
2失去了一次側(cè)的能源，成為自由分量。它以二次繞組參數(shù)和負載阻抗所決定的時間常數(shù)衰減。
1中的負載分量也由于磁通分布的變化而不再與
2對應。它以一次繞組和電源內(nèi)阻所決定的時間常數(shù)衰減。從這里可以看出，磁致斷路器斷路的過程，不是斷開電流的回路，而是切斷電流的能源，和聯(lián)系。使它們成為自由分量，在各自的回路里衰減。因此，它斷路時不會引起過電壓，也不會產(chǎn)生電弧。
對磁致斷路器工作原理的分析，還可采用傳統(tǒng)的分析變壓器的方法進行。我們把分支磁路對磁通的分流作用，看作是增加了變壓器一、二次繞組的漏磁通。即增加了等值電路中的一、二次側(cè)漏抗。由于分支磁路分流的磁通很多，故這時漏抗的值大于勵磁電抗或與之相當。由等值電路可知，這時斷路器輸出端壓下降，帶負載的能力基本喪失只能提供很小(小于勵磁電流)的負載電流。
以下對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和實施例作一敘述
磁致斷路器可用于單相電路的通斷，也可用于三相。圖2、圖3、圖4就是單相磁致斷路器的方案。同時，圖2、圖3、圖4也是三相組式鐵心結(jié)構(gòu)的斷路器一相的方案。因為在組式鐵心結(jié)構(gòu)下，只要三臺單相的斷路器，便可連接為三相。這時三臺的分支磁路鐵心[4]是聯(lián)動的，同步開合。其中圖2是線圈水平排列，分支磁路設在中部的方案。圖3是把圖2方案中的磁路[4]設在一旁。以上兩方案結(jié)構(gòu)簡單，但漏磁大。圖4是線圈縱向排列，分支磁路[4]設在中部的方案。這種結(jié)構(gòu)下，可以通過設計，盡量在保證分支磁路[4]截面的前提下，減小其縱向?qū)挾取?例如增加其橫向?qū)挾?，并增加它和鐵心[3]的兩柱接觸面，具體可把[4]做成兩半，從[3]的兩側(cè)合攏)從而減小漏磁，提高斷路器作為變壓器運行時的性能。
圖5是采用三柱式鐵心構(gòu)成三相磁致斷路器的方案。三相線圈在各自的心柱上縱向排列。分支磁路[4]設在三個心柱之間。采用這種結(jié)構(gòu)，設計時也應盡量減小線圈縱向矩離，以減小漏抗。當然，分支磁路的兩部分的動作應是同步的。
圖6是采用三柱式鐵心的三繞組磁致斷路器。它與電力系統(tǒng)中的三繞組變壓器對應?？梢詫蓚€輸出回路分別或同時進行分合。當系統(tǒng)僅一側(cè)有電源時，應把電源側(cè)(圖中一次繞組)安排在中間，這樣才能實現(xiàn)其余兩回路的獨立開合。
采用三柱式鐵心使斷路器結(jié)構(gòu)緊湊，耗材少。斷路器操作機構(gòu)也簡單。而用組式鐵心結(jié)構(gòu)，讓每相獨立使用一個油箱，則檢修靈活，而且可以分相操作。
當要把斷路器設計為斷開后輸出端完全不帶電，則可以采用圖7或圖8所示的方案。
圖7的方案是在圖2的基礎上，把鐵心[4]中部留出了一個間隙[6]，并用非鐵磁物質(zhì)(例如樹脂)填滿，以保證其剛性。這樣，一、二次側(cè)間相互交換的磁通接近于零，使斷路器分閘后輸出端壓趨近于零。由于鐵軛上部開口，故采用非鐵磁物質(zhì)構(gòu)件[7]把鐵心夾緊。鐵心[8]是在分支磁路[4]分離后，用來填充鐵軛上的缺口以形成磁路的。彈簧9起緩沖[4]的沖擊力和使[8]回位的作用。
圖7的方案缺點是鐵軛斷開，工藝性差。圖8的方案則把鐵軛和分支磁路都做得不完全斷開，使其整體性更好一些。其動作情況類似于圖7、即斷路器分閘時，[4]由操作機構(gòu)推入，把[8]擠出鐵軛取而代之。斷路器合閘時，[4]退出，[8]由彈簧推入鐵軛。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點
1、技術性能好。與有觸點斷路器相比，消除了電弧和過電壓。同時易于制成大容量，高電壓的產(chǎn)品。適用于象冶金工業(yè)，交通運輸?shù)刃桀l繁開合的場合，可以開合成千上萬次而不必停修。對它的漏抗等各參數(shù)仔細設計后，也適用于電力系統(tǒng)。這時，可兼作變壓器和斷路器。在合閘時(分支磁路斷開)，是一臺變壓器。在分閘時(分支磁路合上)就起到斷路器作用。分閘后，并未完全斷電，但電流很小?？刹捎脙蓚?cè)隔離刀閘的分斷來脫離電源。這樣，就可在電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的結(jié)線方式(例如由發(fā)電機-變壓器-斷路器組成的單元結(jié)線)中，省掉一組設備。使系統(tǒng)得到簡化，可靠性提高。
2、經(jīng)濟性好。本發(fā)明不僅經(jīng)濟性比晶閘管靜態(tài)斷路器好，而且與有觸點斷路器也是可比的。最近的資料表明，一臺SFL1-20000/110電力變壓器的價格與一臺KW4-110空氣斷路器(這是一種滅弧性能較好的有觸點斷路器)價格基本相當。故當變壓器容量更小(低于20000KVA)時變壓器的價格將低于斷路器價格。(例如6300KVA的110KV變壓器價格約為配用的空氣斷路器的一半)。而本發(fā)明是在變壓器的基本結(jié)構(gòu)上添加分支磁路和操作機構(gòu)而成，故價格比變壓器高而高得不多。
可見，本發(fā)明的單臺價格與現(xiàn)有性能較好的空氣斷路器相比，也是容量小時較便宜，容量大時貴一些。是可比和基本相當?shù)摹?br> 以上是以單臺價格看。如果考慮到使用本發(fā)明可以代替變壓器和斷路器兩組設備的功能。節(jié)約了一組斷路器的投資。則經(jīng)濟性就更好。
3、設計制造容易。本發(fā)明是變壓器和斷路器的組合。它的設計和制造都可沿用變壓器結(jié)構(gòu)和斷路器操作機構(gòu)部分(使分支磁路分合的機構(gòu)與多油式斷路器操作機構(gòu)相類似)的成熟經(jīng)驗和工藝。因此，實現(xiàn)是容易的。工藝上也不需另設生產(chǎn)線，現(xiàn)有的變壓器和斷路器制造設備便可勝任。
附圖的說明
圖1是磁致斷路器的電氣原理示意圖。[1]和[2]是原付邊繞組，[
1]和[
2]是原付邊磁勢，[
1]和[
2]為原付邊電流。[3]是變壓器鐵心，[4]為分支磁路。[
1]，[
2]，[
3]分別為三鐵心柱中的磁通。
圖2是本發(fā)明的實施例之一的結(jié)構(gòu)示意圖。它是一個單相斷路器，也可認為是組式鐵心結(jié)構(gòu)斷路器的一相。圖中[1]和[2]是一、二次繞組，[4]為分支磁路，[3]為變壓器鐵心。
圖3是另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖2的實例類似。各部件的編號也相同。不同的是分支磁路移到外側(cè)。
圖4是又一實例的結(jié)構(gòu)示意圖。是單相和三相組式鐵芯結(jié)構(gòu)的示意圖。與圖1結(jié)構(gòu)，編號均類似。不同之處在于線圈采用縱向排列，且把一、二次繞組都一分為二，分別繞在兩個心柱上。
圖5是三相磁致斷路器的實施例。采用三柱式鐵心。圖中[1A]，[1B]，[1C]分別是ABC三相的一次繞組，[2A]，[2B]，[2C]是二次繞組。[3]為三柱式鐵心，[4]為分支磁路當然，[4]也可仿照圖3那樣設在一旁，不過這樣需多并一支路。
圖6是三相三繞組磁致斷路器的實施例。它與圖5相似。不同之處是增加了[2′A]，[2′B]和[2′C]這第三繞組，以及第二組分支磁路[5]。當一次側(cè)為電源時，合上[4]則[2A]、[2B]、[2C]斷開;合上[5]則[2′A]、[2′B]、[2′C]斷開。
圖7為輸出無電壓的實施例示意圖。a)圖為正視圖，b)圖為側(cè)視圖作了剖視。[1]和[2]是一、二次側(cè)繞組。[3]是鐵心，[4]是分支磁路。[6]是分支磁路中部留出的間隙。[7]是非磁性緊固件。[8]是填充鐵軛缺口的鐵心。[9]是彈簧。
圖8為圖7方案的改進。a)圖為正視圖，b)圖為側(cè)視圖，作了剖視。其中各數(shù)字標記的含義與圖7相同。不同的是無緊固塊[7]，且鐵心[8]，彈簧[9]為兩套。
權利要求
1、一種用于電路通斷的斷路器，其特征在于給變壓器的原付邊磁路[3]并上分支磁路[4](或[4]和[5])。使分支磁路并上或分開來通斷電路。
2、根據(jù)權利要求
1所述的斷路器，其特征是分支磁路[4]設置在鐵心[3]各心柱之間或心柱的一側(cè)。
3、根據(jù)權利要求
1和2所述的斷路器，其特征是鐵心[3]為三柱式鐵心。
4、根據(jù)權利要求
3所述的斷路器，其特征是
(1)、付繞組由[2A]，[2B]，[2C]和[2′A]，[2′B]，[2′A]兩組繞組構(gòu)成。
(2)、分支磁路由[4]和[5]設置在三心柱之間，與磁軛對應，并把三側(cè)繞組隔開。
5、根據(jù)權利要求
1、2、3、4所述的斷路器，其特征是分支磁路[4]和[5]中的每一條均由兩半組成。分別由操作機構(gòu)從鐵心[3]的兩邊合攏構(gòu)成分支磁路。以減小[4]、[5]縱向?qū)挾取?br>6、根據(jù)權利要求
1、2、3、4、5所述的斷路器，其特征是在分支磁路[4]中部設置間隙[6]，并對應的在鐵心[3]的鐵軛上開出缺口，使斷路器一、二次側(cè)繞組間的磁聯(lián)系進一步削弱，二次輸出電壓降低。斷路器分閘時，鐵軛上的缺口由對應的鐵心[8]填補。
專利摘要
本發(fā)明是一種從變壓器原理發(fā)展而來的無電觸點斷路器。在普通變壓器的鐵心[3]上，并聯(lián)分支磁路[4]，將使一、二次繞組[1]和[2]之間失去傳遞功率的能力。隨著[4]并上或分開，電路就斷開或接通。該斷路器通斷時無電弧，也不會產(chǎn)生操作過電壓，斷開后負載不失電，但負載電流將小于勵磁電流。本發(fā)明適用于各類電路，尤其是需要頻繁通斷負載以及對電弧和過電壓敏感的場合。且在電力系統(tǒng)中可代替現(xiàn)有變壓器和斷路器兩組設備。
文檔編號H01H36/00GK86102008SQ86102008
公開日1987年1月24日 申請日期1986年3月21日
發(fā)明者黃永銘 申請人:黃永銘導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan