具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室及应用的真空断路器

1.本发明属于大电流高电压真空断路器技术领域，具体涉及一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室及应用的真空断路器。


背景技术：

2.随着国内外对于环保型高压断路器的需求，具有环境友好特性的高电压等级真空断路器得以快速向更高电压等级发展。但是与具有强温室效应的sf6气体相比，126kv及更高电压等级的真空灭弧室及其应用的真空断路器的绝缘结构设计具有极大的挑战和难度。因此，需要根据真空灭弧室结构特征和耐压特性对真空灭弧室及应用的真空断路器结构进行优化和改进。
3.真空灭弧室作为真空断路器的核心器件，起着开断大电流、快速熄灭电弧及承受一定耐压的作用。在真空灭弧室的研发过程中，真空灭弧室的绝缘耐压水平是真空灭弧室电压等级设计的关键。在真空灭弧室内部拥有若干个真空间隙，根据设计的电压等级以及结构的差异，其真空间隙间的距离与电场强度分布特性也会有一定的不同。此外，不同的间隙结构，在研究过程中，也会有不同的绝缘特性。针对目前高电压等级的真空灭弧室具有多节瓷壳和多重屏蔽罩结构的特征，而在结构上采用了对称设计的结构以及感应悬浮电位的非对称分布特性，对高电压等级真空灭弧室的绝缘结构开展设计，提升真空灭弧室的绝缘耐压水平。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的问题，结合前期大量的仿真研究和试验积累，本发明的目的在于提出一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室及应用的真空断路器，本发明针对高电压等级真空灭弧室具有多节瓷壳和多级屏蔽罩的结构特征，开展高压真空灭弧室的绝缘结构设计，通过屏蔽罩和瓷壳结构的非对称分布，以及真空灭弧室瓷壳封接环、外部屏蔽环和端部外屏蔽罩的结构优化，提升了高电压等级真空灭弧室的绝缘耐压能力。
5.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，真空灭弧室瓷壳包括静侧端部瓷壳106和动侧端部瓷壳109以及中央主屏蔽罩103附近的静侧中部瓷壳107和动侧中部瓷壳108；真空灭弧室屏蔽罩包括中央主屏蔽罩103、静侧连接屏蔽罩102、静侧端部屏蔽罩101、动端连接屏蔽罩104、动端端部屏蔽罩105以及在真空灭弧室端部两侧增加的静端端部外屏蔽罩201和动端端部外屏蔽罩202；静侧连接屏蔽罩102和动侧连接屏蔽罩104分别焊接在静侧瓷壳封接环203与动侧瓷壳封接环205处；所述静侧瓷壳封接环203外部增加外部静侧屏蔽环206，动侧瓷壳封接环205外部增加外部动侧屏蔽环208，静侧中部瓷壳107和动侧中部瓷壳108经由中央主屏蔽罩处中央瓷壳封接环204连接，中央瓷壳封接环204外部设置外部中央屏蔽环207；
7.所述真空灭弧室瓷壳具有非对称分布特性，静侧端部瓷壳106高度大于静侧中部瓷壳107；动侧端部瓷壳109高度大于动侧中部瓷壳108高度；
8.所述真空灭弧室屏蔽罩具有非对称分布特性，静侧端部屏蔽罩101与静侧连接屏蔽罩102之间的距离大于中央主屏蔽罩103与静侧连接屏蔽罩102之间的距离；动侧端部屏蔽罩105与动侧连接屏蔽罩104之间的距离大于真空灭弧室中央主屏蔽罩103与动侧连接屏蔽罩104之间的距离。
9.位于真空灭弧室端部两侧的静侧端部瓷壳106和动侧端部瓷壳109高度分别大于等于真空灭弧室的静侧中部瓷壳107和动侧中部瓷壳108高度的1.1倍；位于真空灭弧室端部两侧的静侧端部屏蔽罩101与静侧连接屏蔽罩102之间的距离以及动侧端部屏蔽罩105与动侧连接屏蔽罩104之间的距离分别大于等于中央主屏蔽罩103与静侧连接屏蔽罩102之间的距离以及中央主屏蔽罩103与动侧连接屏蔽罩104之间的距离的1.1倍。
10.所述外部静侧屏蔽环206、外部中央屏蔽环207以及外部动侧屏蔽环208采用实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构；所述外部静侧屏蔽环206、外部中央屏蔽环207以及外部动侧屏蔽环208的剖截面为圆形或者椭圆形；所述的实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构的半径大于等于1mm。
11.所述外部静侧屏蔽环206、外部中央屏蔽环207以及外部动侧屏蔽环208上还设置镂空结构。
12.所述的静端端部外屏蔽罩201和动端端部外屏蔽罩202结构采用环形薄壁金属卷边结构；所述的静端端部外屏蔽罩201和动端端部外屏蔽罩202结构的外部沿面具有3曲率特征，分别是上曲率、中间曲率和下曲率三部分，两端卷边曲率半径大于等于1mm，中间曲率大于等于5mm。
13.一种高电压真空断路器，包括所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，复合绝缘套管306，与静导杆304依次相连接的静侧滑动导流排303、静侧接线板302、散热帽301；与动导杆305相连接的绝缘拉杆307以及连接在绝缘拉杆307结构另一端与之配套的操动机构308。
14.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
15.1.本发明对真空灭弧室结构进行了重新设计，主要是针对高电压等级真空灭弧室内部存在各类间隙以及会在屏蔽罩上感应出悬浮电位的特性，设计了真空灭弧室瓷壳数量大于等于4，内部屏蔽罩数量大于等于5，在真空灭弧室两端施加电压后，真空灭弧室瓷壳内部的电势分布数量大于等于5，有效地平滑了电位的下降速度，优化了真空灭弧室内部的电场分布，提高了真空灭弧室的绝缘耐压水平。
16.2.本发明对真空灭弧室瓷壳及真空间隙的分布进行了重新设计，针对高电压等级真空灭弧室内部感应的悬浮电位具有非对称分布的特性，设计了非对称分布的真空灭弧室瓷壳和屏蔽罩结构。根据试验与仿真结果归纳，得到真空灭弧室端部与连接屏蔽罩的电势差大于连接屏蔽罩与中央主屏蔽罩的电势差，为了平滑瓷壳封接环处以及内部屏蔽罩间隙的电势下降速度，设计位于真空灭弧室端部的瓷壳高度大于等于真空灭弧室中部瓷壳高度，并优选设计为1.1倍，位于真空灭弧室内的端部屏蔽罩和连接屏蔽罩的距离大于等于真空灭弧室中部中央主屏蔽罩和连接屏蔽罩之间的距离，并优选设计为1.1倍；非对称分布的真空灭弧室瓷壳和屏蔽罩结构有效优化了瓷壳外部封接环处以及内部屏蔽罩间隙的电场
分布，降低了瓷壳外部的沿面闪络放电以及内部真空间隙的击穿概率。
17.3.本发明在真空灭弧室瓷壳封接环外部设计增加了屏蔽环结构，屏蔽环结构采用实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构，对瓷壳封接环起屏蔽保护作用，进一步平滑了电场分布特性，有效降低了封接环处的电晕及瓷壳沿面闪络放电。
18.4.本发明在真空灭弧室端部两侧设计增加外屏蔽罩结构，端部外屏蔽罩结构采用环形薄壁金属卷边结构，有效减小了真空灭弧室端部盖板附近的曲率，改善了外部动端盖板处及静端盖板处电场分布特性。
附图说明
19.图1为本发明的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室剖视图。
20.图2为本发明的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室瓷壳高度和屏蔽罩间隙配比示意图。
21.图3为本发明的瓷壳封接环外部的屏蔽环具体结构示意图，其中(a)是采用圆形截面的空心金属管或实心金属环的屏蔽环设计方案，(b)是采用椭圆形截面的空心金属管或实心金属环的屏蔽环设计方案，(c)是带有金属卷边结构的屏蔽环设计方案，(d)是带有金属卷边结构的屏蔽环的环截面剖视图。
22.图4中(a)和(b)分别为本发明的真空灭弧室端部盖板两侧的外屏蔽罩结构的上下二等角轴测图和截面剖面图。
23.图5为本发明的包含一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室的高电压真空断路器剖视图。
具体实施方式
24.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
25.图1为本发明的具有非对称瓷壳、非对称屏蔽罩结构的真空灭弧室的示意图。所述真空灭弧室外壁由多节瓷壳组成，静侧中部瓷壳107和动侧中部瓷壳108经由中央主屏蔽罩处中央瓷壳封接环204连接；静侧端部瓷壳106和静侧中部瓷壳107经由静侧连接屏蔽罩处静侧瓷壳封接环203连接；动侧端部瓷壳109和动侧中部瓷壳108经由动侧连接屏蔽罩处动侧瓷壳封接环205连接；中央主屏蔽罩103焊接在中央瓷壳封接环204处，静侧连接屏蔽罩102和动侧连接屏蔽罩104分别焊接在静侧瓷壳封接环203与动侧瓷壳封接环205处；所述静侧瓷壳封接环203外部增加外部静侧屏蔽环206，中部瓷壳封接环204外部增加外部中央屏蔽环207，动侧瓷壳封接环205外部增加外部动侧屏蔽环208；所述真空灭弧室静端盖板外部增加静端端部外屏蔽罩201，动端盖板外部增加动端端部外屏蔽罩202。所述的屏蔽环和屏蔽罩的材质均为金属。
26.图2为本发明所述的不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室瓷壳高度和屏蔽罩间隙配比示意图，其中静侧端部瓷壳106高度d3大于等于静侧中部瓷壳107的高度d4的1.1倍，动侧端部瓷壳109的高度d3大于等于动侧中部瓷壳108的高度d4的1.1倍；静侧端部屏蔽罩101到静侧连接屏蔽罩102的距离d1大于等于静侧连接屏蔽罩102到中央主屏蔽罩103的距离d2的1.1倍，动侧端部屏蔽罩105到动侧连接屏蔽罩104到的距离d1大于等于动侧连接屏蔽罩104到中央主屏蔽罩103的距离d2的1.1倍；根据真空灭弧室端部屏蔽罩与连接屏蔽罩的电
势差大于连接屏蔽罩与中央主屏蔽罩的电势差的分布特性，不对称瓷壳高度以及屏蔽罩间隙配比可以有效优化瓷壳外部封接环处以及内部屏蔽罩间隙的电场分布，降低了瓷壳外部的沿面闪络放电以及内部真空间隙的击穿概率。
27.图3中(a)、(b)和(c)分别为本发明所述的真空灭弧室瓷壳封接环外部的外部静侧屏蔽环206结构三种不同设计示意图，图3中(a)是一种采用圆形截面的空心金属管或实心金属环的屏蔽环设计方案，图3中(b)是一种采用椭圆形截面的空心金属管或实心金属环的屏蔽环设计方案，图3中(c)是带有金属卷边结构的屏蔽环设计方案，图3中(d)是带有金属卷边结构的屏蔽环的环截面剖视图；所述的实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构的半径大于等于1mm；屏蔽环结构还可以增加一些其他的特征，比如镂空结构等。
28.图4中(a)和(b)分别为本发明所述的真空灭弧室端部两侧外屏蔽罩结构的上下二等角轴测图和截面剖面图，其中静端端部外屏蔽罩201结构采用环形薄壁金属卷边结构；如图4中(b)所示，所述的静端端部外屏蔽罩201结构的外部沿面具有3曲率特征，分别是上曲率、中间曲率和下曲率三部分，两端的卷边曲率半径大于等于1mm，中间的环面曲率半径大于等于5mm，改善了原本真空灭弧室盖板处直角曲率特性，优化了真空灭弧室两端的电场分布。
29.图5为本发明所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室的高电压真空断路器结构剖视图，所述真空灭弧室静导杆304上端部连接静侧滑动导流排303，静侧滑动导流排303另一端连接静侧接线板302，静侧接线板302顶端焊接散热帽301；所述真空灭弧室动导杆305下端连接绝缘拉杆307，绝缘拉杆307另一端连接操动机构308；所述真空灭弧室及部分套件包裹在复合绝缘套管306内。
30.本发明提供的一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，相比一般的高电压等级真空灭弧室在四个方面主要进行了改进：一方面，本发明对真空灭弧室结构进行了重新设计，主要是针对高电压等级真空灭弧室内部存在各类间隙以及在屏蔽罩上感应的悬浮电位具有非对称分布的特性，设计了非对称分布的真空灭弧室瓷壳和屏蔽罩间隙，优化了真空灭弧室内外的电场分布，提高了真空灭弧室的绝缘耐压水平；另一方面，本发明在真空灭弧室瓷壳封接环外部设计增加了屏蔽环结构，屏蔽环结构采用实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构，对金属封接环起屏蔽保护作用，有效降低了封接环处的电晕及沿面闪络放电；此外，本发明在真空灭弧室端部两侧设计增加端部外屏蔽罩结构，端部外屏蔽罩结构采用环形薄壁金属卷边结构，改善了外部动端盖板处及静端盖板处电场分布。
31.本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明的一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室及应用的真空断路器以及相关真空断路器做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，其特征在于：真空灭弧室瓷壳包括静侧端部瓷壳(106)和动侧端部瓷壳(109)以及中央主屏蔽罩(103)附近的静侧中部瓷壳(107)和动侧中部瓷壳(108)；真空灭弧室屏蔽罩包括中央主屏蔽罩(103)、静侧连接屏蔽罩(102)、静侧端部屏蔽罩(101)、动端连接屏蔽罩(104)、动端端部屏蔽罩(105)以及在真空灭弧室端部两侧增加的静端端部外屏蔽罩(201)和动端端部外屏蔽罩(202)；静侧连接屏蔽罩(102)和动侧连接屏蔽罩(104)分别焊接在静侧瓷壳封接环(203)与动侧瓷壳封接环(205)处；所述静侧瓷壳封接环(203)外部增加外部静侧屏蔽环(206)，动侧瓷壳封接环(205)外部增加外部动侧屏蔽环(208)，静侧中部瓷壳107和动侧中部瓷壳108经由中央主屏蔽罩处中央瓷壳封接环204连接，中央瓷壳封接环(204)外部设置外部中央屏蔽环(207)；所述真空灭弧室瓷壳具有非对称分布特性，静侧端部瓷壳(106)高度大于静侧中部瓷壳(107)；动侧端部瓷壳(109)高度大于动侧中部瓷壳(108)高度；所述真空灭弧室屏蔽罩具有非对称分布特性，静侧端部屏蔽罩(101)与静侧连接屏蔽罩(102)之间的距离大于中央主屏蔽罩(103)与静侧连接屏蔽罩(102)之间的距离；动侧端部屏蔽罩(105)与动侧连接屏蔽罩(104)之间的距离大于真空灭弧室中央主屏蔽罩(103)与动侧连接屏蔽罩(104)之间的距离。2.根据权利要求1所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，其特征在于：位于真空灭弧室端部两侧的静侧端部瓷壳(106)和动侧端部瓷壳(109)高度分别大于等于真空灭弧室的静侧中部瓷壳(107)和动侧中部瓷壳(108)高度的1.1倍；位于真空灭弧室端部两侧的静侧端部屏蔽罩(101)与静侧连接屏蔽罩(102)之间的距离以及动侧端部屏蔽罩(105)与动侧连接屏蔽罩(104)之间的距离分别大于等于中央主屏蔽罩(103)与静侧连接屏蔽罩(102)之间的距离以及中央主屏蔽罩(103)与动侧连接屏蔽罩(104)之间的距离的1.1倍。3.根据权利要求1所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，其特征在于：所述外部静侧屏蔽环(206)、外部中央屏蔽环(207)以及外部动侧屏蔽环(208)采用实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构；所述外部静侧屏蔽环(206)、外部中央屏蔽环(207)以及外部动侧屏蔽环(208)的剖截面为圆形或者椭圆形；所述的实心金属环或者空心金属管或者金属卷边结构的半径大于等于1mm。4.根据权利要求3所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，其特征在于：所述外部静侧屏蔽环(206)、外部中央屏蔽环(207)以及外部动侧屏蔽环(208)上还设置镂空结构。5.根据权利要求1所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，其特征在于：所述的静端端部外屏蔽罩(201)和动端端部外屏蔽罩(202)结构采用环形薄壁金属卷边结构；所述的静端端部外屏蔽罩(201)和动端端部外屏蔽罩(202)结构的外部沿面具有3曲率特征，分别是上曲率、中间曲率和下曲率三部分，两端卷边曲率半径大于等于1mm，中间曲率大于等于5mm。6.一种高电压真空断路器，其特征在于：包括权利要求1至5任一项所述的具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室，复合绝缘套管(306)，与静导杆(304)依次相连接的静侧滑动导流排(303)、静侧接线板(302)、散热帽(301)；与动导杆(305)相连接的绝缘拉杆(307)以及连接在绝缘拉杆(307)结构另一端与之配套的操动机构(308)。

技术总结
具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室及应用的真空断路器，该高压真空灭弧室包括多节非对称分布瓷壳、多个非对称分布的屏蔽罩间隙、瓷壳封接环外部的屏蔽环结构、真空灭弧室端部两侧的端部外屏蔽罩结构；该高压真空断路器包括具有不对称瓷壳结构的高电压真空灭弧室、静侧滑动导流排结构、散热帽和与其相匹配的操动机构；本发明针对高电压等级真空灭弧室具有多节瓷壳和多级屏蔽罩的结构特征，以及感应悬浮电位的非对称分布特性，通过屏蔽罩间隙和瓷壳结构的非对称分布设计，以及对真空灭弧室外部瓷壳封接环、外部屏蔽罩环的结构优化和增加端部外屏蔽罩结构，优化了真空灭弧室内部及端部盖板处的电场分布，提升了高压真空灭弧室的绝缘耐压能力。室的绝缘耐压能力。室的绝缘耐压能力。


技术研发人员：马慧 高玉龙 邓世臣 李元钊 刘志远 耿英三 王建华
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/20