一种基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头

技术领域

本发明属于真空灭弧室技术领域，更具体地，涉及一种基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头。

背景技术

在高压直流输电系统中，直流断路器作为重要的控制、保护设备，是高压直流输电系统安全、可靠供电的保障。其中真空灭弧室作为电弧产生、熄灭的关键元件，其开断性能与所用的触头结构密切相关。

高压直流输电系统具有故障电流上升速度快、无自然过零点等特点，是制约直流输电技术发展的主要障碍。基于人工过零原理的直流断路器通过换流支路产生高频反向的电流叠加到主回路电流上，使真空灭弧室内的电弧因电流过零熄灭，这也导致直流电弧的燃弧时间比工频交流电弧更短，对真空灭弧室内电弧的扩散提出更高的要求。

传统的杯状纵磁触头生成钟形分布的纵向磁场，燃弧初始阶段对电弧的扩散是以抑制作用占主导，对直流真空电弧的控制作用有限。

发明内容

针对现有杯状纵磁触头的不足，本发明提供了一种基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头，旨在解决现有技术中由于杯状纵磁触头生成钟形分布的纵向磁场，燃弧初始阶段对电弧的扩散是以抑制作用占主导，导致对直流真空电弧的控制作用有限的问题；本发明的目的在于使其在分闸初期开距较小时触头边缘纵向磁场强度大于中心区域，开距较大时纵向磁场分布相对均匀，电流过零后剩余磁场较小。

为达到上述目的，本发明提供的基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头包括：触头片、触头托、支撑架、触头杯、导电杆和铁磁柱；触头片、触头托、支撑架、触头杯和导电杆从上到下依次设置，且各个接触面均通过高电导率的焊料连接；触头托与触头杯形成杯腔，支撑架位于杯腔中心，铁磁柱均匀分布在支撑架与杯腔内壁之间，支撑架的下端面和铁磁柱的下端面均通过定位槽与杯腔底部接触，支撑架的上端面和铁磁柱的上端面均连接触头托；导电杆设置在触头杯的底部，用于连接触头和真空灭弧室，传导电流。

更进一步地，在触头片上沿径向均匀设置有多个第一槽，第一槽用于减小触头片中的涡流，从而减小燃弧期间磁场的滞后和电流过零时刻的剩余磁场。在触头片上沿径向均匀设置有多个第二槽，且所述第二槽设置在相邻两个第一槽之间，第二槽的长度小于第一槽的长度，第二槽的宽度小于第一槽的宽度；第二槽用于进一步减小触头片中的涡流，同时保障燃弧期间阴极斑点的运动路径。

更进一步地，在触头托上均匀设置有沿径向的第三槽，且第三槽的位置与第一槽的位置相同，第三槽用于减小触头托中的涡流，减小燃弧期间磁场的滞后和电流过零时刻的剩余磁场。在触头托上沿径向均匀设置有多个第四槽，且第四槽设置在相邻两个第三槽之间，第四槽的长度小于所述第三槽的长度，第四槽的宽度小于所述第三槽的宽度；第四槽的位置与所述第二槽的位置相同，第四槽用于进一步减小触头托中的涡流。

其中，第一槽的数量与第三槽的数量相同，第二槽的数量与第四槽的数量相同；且第一槽的数量与触头杯的杯指数量相同。

更进一步地，支撑架的材料可以为不锈钢材料，在杯腔中心起支撑作用，以减轻触头片、触头托、触头杯的形变，提高触头的机械强度。

更进一步地，触头杯的结构与常见的杯状纵磁触头结构相同，在触头杯的杯壁上开槽且沿杯壁旋转90°形成杯指，触头杯上的槽口与所述触头托上的第三槽对应；电流流过触头杯时能产生纵向磁场。

更进一步地，铁磁柱固定在支撑架和触头杯内壁之间，铁磁柱的数量与触头杯的杯指数量相同，多个铁磁柱均匀分布在触头托的第三槽对应的直径方向，铁磁柱的下端面通过杯腔底部均匀设置于定位槽，铁磁柱的上端面与触头托的下表面接触。触头结构能改善触头间隙的纵向磁场分布，电流过零后剩余磁场较小，有利于电弧等离子体的快速扩散，适用于基于人工过零原理的直流开断工况。

进一步优选地，铁磁柱可以为圆柱形，定位槽为圆柱形；便于加工。

在本发明实施例中，真空灭弧室纵磁触头还包括垫环，触头中主要起导电作用的各部件从上到下依次为触头片、触头托、触头杯、导电杆和垫环，且由触头托和触头杯形成杯腔；支撑架位于杯腔中心，铁磁柱则均匀分布在支撑架与触头杯壁之间的区域，支撑架和铁磁柱的下端面均通过定位槽与杯腔底部接触，上端面连接触头托。

在本发明实施例中，触头片和触头托上均匀开有若干沿径向的槽，且两部件上开槽位置相同。其中与触头杯上槽口对应的位置开有长度、宽度较大的槽，数量等于触头杯指数，与现有的杯状纵磁触头片结构相同，目的是减小触头在电流过零时因涡流而产生的剩余磁场。由于添加的铁磁材料增大了剩余磁场，故在每相邻两个大槽之间又开有长度、宽度较小的槽，以在尽可能减小剩磁的同时，使燃弧期间的阴极斑点能有足够的空间向外扩散。

在本发明实施例中，铁磁柱固定在支撑架和触头杯内壁之间。由于触头杯所产生的磁场对杯腔内铁磁材料磁化作用最强的区域主要是分布在靠近触头杯槽口的位置，同时触头整体不宜做得过重，故只在触头杯槽口附近位置放置铁磁柱，数量与杯指数相同，形状为圆柱型便于加工。其下端面通过杯腔底部的均匀分布的圆柱槽定位，上端面与触头托的下表面接触。电流流过触头杯并产生纵向磁场时，铁磁柱易被磁化而产生同方向的纵向磁场，对触头边缘处的纵向磁场强度起增强的作用。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)在分闸初期，触头开距较小，通过触头外围特定位置添加的铁磁材料被磁化，在间隙产生与原触头结构同向的纵向磁场，在不过多增加触头质量的基础上能显著提高电弧起始扩散阶段触头边缘处的纵向磁场强度，有利于电弧的快速扩散。

(2)达到额定开距后，开距相对较大，分布于杯腔内的铁磁材料在间隙产生的纵向磁场较弱，主要是通过触头杯产生沿径向分布较均匀的纵向磁场，且能保持在一定的强度对电弧产生有效的控制效果，有利于电弧等离子体的均匀分布，减少集聚。

(3)触头片的大、小槽处理，能有效减小由铁磁材料带来的更大的涡流，使间隙剩余磁场较小，同时使燃弧期间在阴极触头片上运动的阴极斑点向外扩散的路径不至于被阻挡，有利于电弧等离子体的扩散，提高开断性能。

附图说明

图1为本发明提出的基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的真空灭弧室纵磁触头中触头片的结构俯视图；

图3为本发明实施例提供的真空灭弧室纵磁触头中触头托的结构俯视图；

图4为本发明实施例提供的真空灭弧室纵磁触头中支撑架的结构剖面图；

图5为本发明实施例提供的真空灭弧室纵磁触头中触头杯的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的真空灭弧室纵磁触头中铁磁柱的结构剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及具体实施例来对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于铁磁材料的真空灭弧室纵磁触头的核心部件包括触头片1、触头托2、支撑架3、触头杯4、导电杆5、垫环6和铁磁柱7；触头片1材料选用在高压真空灭弧室中被广泛运用的CuCr50，即Cu、Cr的质量分数均占50％，能同时兼顾触头在较高电导率和机械强度方面的需求，耐电弧烧蚀能力强；触头托2、触头杯4、导电杆5、垫环6材料为TU1无氧铜，以减小触头闭合时的通流损耗；支撑架3的材料为不锈钢022Cr17Ni12Mo2，强度高，耐腐蚀性能强；铁磁柱7的材料为电工纯铁DT4，该材料在触头所产生的mT级磁场范围内的磁导率约为7000，易被磁化。

如图2、图3所示，触头片1和触头托2上均匀开有12个沿径向的槽，两部件上开槽位置相同，其中6个为大槽8、10，6个为小槽9、11，大、小槽交错分布。在基于人工过零原理的直流断路器中，以开断5kA直流电流为例，电流峰值时刻触头中间平面产生20-25mT的纵向磁场；当施加换流电流后，电流在百微妙级甚至更少的时间内快速过零时，由于触头杯、触头托中的涡流，会在触头间隙产生15-20mT剩余磁场，铁磁材料的存在也进一步增强了剩磁，抑制弧后等离子体的扩散，对开断不利。开槽处理能有效减小涡流的影响，同时部分槽设置为小槽可使燃弧阶段阴极斑点有足够的空间向外运动。

如图4所示，支撑架3为不锈钢材料。由于触头片1、触头托2、触头杯4均有较多的开槽，需要支撑架3以减轻触头片1、触头托2、触头杯4在快速分合闸时的形变，提高触头的机械强度。

如图5、图6所示，触头杯4上开槽12沿杯壁旋转90°，形成杯指。当电流流过时形成环向的电流路径，在触头间隙生成纵向磁场。触头杯4上的槽口13与触头托2上的大槽10对应。由于触头杯4所产生的纵向磁场对杯腔内不同位置铁磁材料的磁化作用有所区别，如果直接放置环形的铁磁材料或是过多的铁磁柱，对边缘纵向磁场的增强作用有限，却会极大增加触头的质量，故需要对铁磁柱的位置进行选择。本发明在触头杯4内腔底部开有6个圆形定位孔14，以固定铁磁柱7，均匀分布在槽口13对应的直径方向上。铁磁柱7下端面通过杯腔底部的6个均匀分布的圆柱槽定位，上端面与触头托的下表面接触。由于铁磁柱磁导率较高，易被磁化产生纵向磁场，方向与触头杯所产生的纵向磁场相同。

在本发明实施例中，在分闸初期，触头开距较小，铁磁材料在间隙所产生的同向纵向磁场较明显，能显著提高电弧起始扩散阶段触头边缘处的纵向磁场强度。同时，由于铁磁柱7与触头托、触头杯通过焊料电气连接，其电导率约为1×10

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。