具有增强熄弧能力的电路断流器 |
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| 申请号 | CN201180004671.X | 申请日 | 2011-04-19 | 公开(公告)号 | CN102667995B | 公开(公告)日 | 2015-07-01 |
| 申请人 | 嘉灵科技有限公司; | 发明人 | M·法萨诺; | ||||
| 摘要 | 电路 断流器具有第一触件、可相对于该第一触件运动的第二触件、 电弧 室以及分弧器。分弧器如同电弧流道那样位于第一触件的第一侧上。电导体连接于电弧流道，且该电弧流道具有从第一触件的第一侧朝第一触件的第二侧行进的第一部分，且该第二侧相对于第一触件与第一侧相对。第二部分连接于第一部分和第二触件；该第二部分位于第一触件的第二侧上。行进通过电弧流道和电导体的 电流 在电弧上产生磁 力 ，使电弧朝分弧器运动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电路断流器，包括： |
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| 说明书全文 | 具有增强熄弧能力的电路断流器技术领域[0001] 本发明总地涉及对于电气装置的保护，并且更确切地涉及带有电弧流道的电路断流器，且该电路断流器产生磁场以助于快速地消灭电弧。导体路径定位成：使得通过电流流过内部导体而产生的磁场很大程度地增大。此种增强的磁场有助于朝向分弧器快速地且有效地推动电弧，从而在故障条件下实现增强的断路。 背景技术[0002] 电路断流器是可将电路断开以中断电流的电气元件。电流断流器的基本示例是开关，开关通常由处于两个状态中一个状态下的两个电触件构成；或者闭合，意指这些触件进行接触，且电可在它们之间流动，或者打开，意指这些触件分开。开关可直接由人来操纵，从而例如计算机键盘按钮那样作为系统的控制信号，或者例如照明开关那样来控制电路中的功率通量。 [0003] 电路断流器的第二示例是断路器。断路器用在配电盘中，该配电盘对通过电线输送的安培量（amp）进行监测和控制。断路器设计成保护电路，防止受到由于过载或短路引起的损害。如果电线中发生功率突增，则断路器会断开。这会致使处于“闭”位置的断路器翻转至“开”位置，并且将由该断路器引起的电力切断。当断开断路器时，可防止过载电路上产生的火灾；还可防止吸电装置损坏。 [0004] 标准的断路器具有线路和负载。通常，线路是输入电，且大多数来自于电力公司。这有时可称作断路器的输入。有时称作输出的负载从断路器馈送出，并且连接于由断路器馈送的电气元件。可存在直接连接于断路器的单独元件，例如仅仅空调，或者断路器可通过终止在电气插口处的电源线而连接于多个元件。 [0005] 断路器可用作熔断器的替代。不同于一次性操作而然后须进行替换的熔断器，断路器可（人工地或自动地）重新设定以恢复正常操作。虽然熔断器执行与断路器基本相同的功能，然而断路器比熔断器使用起来更安全并且更易于固定。如果熔断器烧断，人经常无法知道哪个熔断器控制特定的电力区域。人将需要检查熔断器，以确定烧坏或失效的熔断器。然后，须从熔断器盒中移除该熔断器，并且须安装新的熔断器。 [0006] 断路器比熔断器更易于固定。当一定区域断电时，人可观察配电板并且查看已断开至“开”位置的断路器。然后，可将断路器翻转至“闭”位置，且电力将再次恢复。一般而言，断路器具有两个位于外壳内部的触件。第一触件是静止的，并且可连接于线路或负载。第二触件可相对于第一触件运动，从而当断路器处于“开”或者断开位置时，在第一和第二触件之间存在间隙。 [0007] 与电路断流器相关的问题在于：即使该电路断流器可处于打开位置、即开关打开或者断路器已被断开使连接断开，第一和第二触件之间的打开区域允许电弧形成在这两个触件之间。电弧是剩电并且可具有高的电压和安培数。由于电弧会致使电路断流器受损、确切地是损坏电触件，因而电弧会是有害的。对于电触件的任何损坏会使电路断流器的寿命缩短，并且影响电路断流器的性能。因此，极其重要的是使电弧快速地冷却并熄灭，以防止对电路断流器造成损坏。 [0008] 已提出许多装置来使电弧快速地熄灭。例如，授予Manthe等人的美国专利5,731,561披露了具有密封电弧室的装置。密封电弧室内部存在气体，该气体设计成使在断路器断开时形成的电弧熄灭。该装置的缺点在于生产成本昂贵。该断路器需要制造和测试成本昂贵的密封腔室，并且还需要特定的熄弧气体。密封腔室和该气体的组合致使该装置极其昂贵。附加地，腔室中的任何泄漏会致使气体泄漏，从而妨碍任何熄弧的产生。 [0009] 授予Kling等人的美国专利6,717,090披露了一种具有分弧器堆叠的装置，且电弧经由引导轨道通到该分弧器堆叠中。Kling所提出装置的缺点在于无法快速地熄灭电弧。虽然提供使用分弧器进行的一定程度熄弧，但仅仅分弧器无法提供充分的冷却来使电弧快速熄灭。 [0010] 因此希望一种电路断流器，该电路断流器可快速地冷却和熄弧并且生产成本较低，并提供快速冷却以保护电路断流器中的电触件。 发明内容[0011] 本发明涉及用于快速地冷却和熄灭电弧的断路器。断路器将电弧流引导通过特定设计的电弧流道，该电弧流道使用电流的磁力来迫使电弧从第二电触件快速地流至分弧器。 [0012] 本发明的这些和其它目的通过一种电路断流器来实现，该电路断流器具有第一触件、可相对于该第一触件运动的第二触件、电弧室以及分弧器。分弧器位于第一触件的第一侧上，且该分弧器具有多个各自具有v形切口的隔开板。电弧流道位于第一触件的第一侧上。电导体连接于电弧流道，且该电弧流道具有从第一触件的第一侧朝第一触件的第二侧行进的第一部分，且该第二侧相对于第一触件与第一侧相对。第二部分连接于第一部分和第二触件；该第二部分位于第一触件的第二侧上。行进通过电弧流道和电导体的电流在电弧上产生磁力，使电弧朝分弧器运动。 [0013] 在这些实施例中的一些实施例中，第一电端子电连接于第一触件，而第二电端子电连接于第二触件。在这些实施例中的一些实施例中，第一电端子和第二电端子位于第一触件的第二侧上。在这些实施例中的一些实施例中，第三部分电连接于第二部分，该第三部分位于第一触件的第三侧上且端接在第二电端子处，该第三侧相对于第一触件与第一侧相邻，且第一部分、第二部分以及第三部分基本上限定c形。在这些实施例中的一些实施例中，第一电端子和第二电端子位于第一触件的第三侧上。在这些实施例中的一些实施例中，板基本上是矩形的。在这些实施例中的一些实施例中，电路断流器是断路器。 [0014] 在本发明的另一实施例中，电路断流器具有第一触件、可相对于该第一触件运动的第二触件以及电弧室。分弧器在电弧室中位于第一触件的第一侧上。电弧流道位于第一触件的第一侧上。第一电端子和第二电端子位于第一触件的第二侧上，且第二侧相对于第一触件与第一侧相对。电导体连接于电弧流道，并且具有第一部分和第二部分。第一部分从第一触件的第一侧朝第一触件的第二侧行进。第二部分电连接于第一部分、第二触件以及第二电端子，并且位于第一触件的第二侧上。电流行进通过电弧流道和电导体并在电弧上产生磁力，使电弧朝分弧器运动。 [0015] 在这些实施例中的一些实施例中，分弧器是多个隔开的板。在这些实施例中的一些实施例中，这些板各自在一侧上具有基本上v形切口。在这些实施例中的一些实施例中，板基本上是矩形的。在这些实施例中的一些实施例中，电路断流器是断路器。 [0016] 在本发明的另一实施例中，断路器具有第一触件、可相对于该第一触件运动的第二触件以及电弧室。分弧器在电弧室中位于第一触件的第一侧上。电弧流道位于第一触件的第一侧上。第一电端子和第二电端子位于第一触件的第三侧上，且第三侧相对于第一触件与第一侧相邻。连接于电弧流道的电导体具有第一部分、第二部分以及第三部分。第一部分从第一触件的第一侧朝第一触件的第二侧行进，而第二侧相对于第一触件与第一侧相对。第二部分电连接于第一部分和第二触件并且位于第一触件的第二侧上。第三部分电连接于第二部分和第二端子，并且位于第一触件的第三侧上。行进通过电弧流道和电导体的电流在电弧上产生磁力，使电弧朝分弧器运动。 [0017] 在这些实施例中的一些实施例中，分弧器是多个隔开的板。在这些实施例中的一些实施例中，这些板各自具有基本上v形切口。在这些实施例中的一些实施例中，板基本上是矩形的。在这些实施例中的一些实施例中，电路断流器是断路器。在这些实施例中的一些实施例中，电导体围绕第一和第二触件限定基本上c形。 [0018] 在本发明的另一实施例中，电路断流器具有分弧器和电弧流道。电弧流道具有电导体，该电导体基本上平行于电弧行进并且设置在与分弧器相对的电弧一侧上。当电流经过电导体时，该电导体将电弧推向分弧器。 [0020] 图1是根据本发明的处于闭合位置的电路断流器的侧视图。 [0021] 图2是处于打开位置的图1所示电路断流器的侧视图。 [0022] 图3是根据本发明另一实施例的处于打开位置的第二电路断流器的侧视图。 [0023] 图4是图2和图3所示分弧器的板的俯视图。 [0024] 图5是产生磁场的两个电导体的示意图，说明图3所示电路断流器的操作。 具体实施方式[0025] 可参见以下描述和相关附图来进一步理解本发明的示例实施例，其中赋予类似的元件以相同的附图标记。本发明的示例实施例涉及用于熄灭电弧的装置。确切地说，该装置使用磁场来快速地推进电弧朝向分弧器的运动，由此致使电弧被快速冷却和熄灭。虽然参见断路器描述示例实施例，但本领域那些技术人员应理解的是，本发明可在具有电触件并且能断开和闭合的任何电气装置上实施。 [0026] 图1中最佳示出，根据本发明一个实施例的断路器100示作处于闭合位置。断路器100可用在任何商业或非商业应用中，并且可设计成在无需修改现存设备的条件下替换当前的断路器。断路器100设计成使电弧快速地冷却和熄灭；这允许断路器100用于需要高压的设备。例如，断路器可具有小至2.625英寸高、3.7英寸长和0.5英寸厚的尺寸。此种尺寸的典型断路器额定用于大约160V的电压；然而，根据本发明的断路器可额定用于250伏特或更高的电压。应注意到，上述尺寸仅仅是示意性的，且当前的设计可用于任何尺寸的断路器、大于或小于上述详细尺寸，并且可额定用于高于或低于250伏特的电压。 [0027] 通常来自于电力公司的电通过端子130流入断路器100。可称作线路的端子130连接于第一触件115。第一触件115保持静止地附连于断路器100的外壳。第二触件120可相对于第一触件115运动。通常，电触件120连接于负载或者吸取电力的设备，然而电触件120可连接于线路或负载。电触件120可相对于电触件115运动。在正常操作过程中，断路器100处于闭合位置，藉此电触件120碰触电触件115。这允许电从线路流至负载。如果在电路中存在过载或短路，断路器100自动地断开，致使电触件120与电触件115分开。电触件120可电连接于断开机构125，该断开机构包括螺线管和过流传感器并且电连接于端子135。端子135通常连接于被供电的部件。 [0028] 在图2中最佳示出处于打开位置的断路器100。断路器100被人工地打开以使特定区域断电，或者断路器100可从过载电路自动地断开。虽然电触件120已与电触件115分开，但呈电弧205形式的电仍可在电弧室210中从电触件115流至电触件120。电弧205能够通过空气而在电触件之间跳接，并且可致使两个触件受到严重损坏。在最坏的情形中，单个电弧205可使触件严重地受损以至使这些触件在正常操作过程中失效。为了保护电触件115和120和断路器100，电弧205须尽可能快速地消失。这通过将电弧205推入分弧器215来实现。 [0029] 分弧器215可以是多个隔开的大体金属的板250，这些板吸入电弧205并且使电弧冷却和熄灭。每个板250能以等距隔开，或者每个板250之间的距离可根据断路器的应用情况而改变。例如，每个板250可与下个板隔开大约2毫米，或者每个板250之间的距离可改变，例如朝向外壳顶部的板可比朝向外壳底部的板更靠在一起，或反之亦然。电弧室210的位置允许在分弧器215中使用更多的板，这可实现更快速地冷却和熄灭电弧205。 [0030] 每个板250具有开口，以使电弧205能流过其中。电弧205产生周向地围绕电弧205的垂直磁场（在下文将更详细地进行解释）。在电弧205流动通过板150中的开口时，由电弧205产生的磁场将电弧205进一步推到开口中，直到电弧与板250的金属部分接触为止。下文将更详细地解释板250的结构。然后，分弧器215可快速地冷却和熄灭电弧205。 为实现更快速地冷却和熄灭电弧205，有益的是提供附加的磁力来将电弧推入或拉入分弧器215。 [0031] 端子130位于与分弧器215相对的一侧上。电沿第一方向流动通过端子130并进入第一触件115，且该第一触件与第二触件120电接触。电流入第二电触件120，并且基本上逆转方向进入臂导体260，且方向被逆转成几乎与通过端子130流入的电方向相反（参见图1）。电流方向逆转在端子130、第一触件115和第二触件120之间产生c形电流（在图1中大体由构件140所示）。c形电流在电流之间的区域中产生强磁场（在图1中大体由点145所示）。当断路器100断开时，致使第二触件120与第一触件115分开，该强磁场产生初始磁推力，这有助于将来自于第二触件120的电弧205推入电弧流道240、确切地进入电弧带220。附加地，在断路器100断开之后，在第一触件115和第二触件120之间马上产生电弧 205，从而甚至在断路器100断开之后维持c形磁场，有助于将来自于第二触件120的电弧 205快速地推入电弧带220。一旦电弧205被推离第二触件120，强磁场就会消失，然而由于通过导体225和230的电流仍存在强度较低的磁场。电弧带220可面向电触件115，以提供较大的表面积用以与电弧205相接触。然而，电弧带220可面向任何方向或者具有任何尺寸，使得电弧205能接触电弧带220。电弧带220电连接于电导体225，且该电导体225还电连接于电导体230，从而即使不再产生更显著的c形初始磁场，从电导体230仍持续地产生磁场。 [0032] 电导体230端接在端子135处，该端子135位于与分弧器215相对的侧部上。在端子位于与分弧器215相对的侧部上的情形下，电导体230能够放置在电触件115和120之后，以产生附加的磁力来将电弧205推入分弧器215。由于电弧被快速地推入分弧器215能使电弧205快速地冷却和熄灭，因而这允许使电弧205更快速地冷却和熄灭。此外，断路器100的外壳255的尺寸可显著地减小，从而允许具有更高额定电压的较小覆盖区。 [0033] 图3中最佳示出，根据本发明另一实施例的处于打开位置的断路器300。断路器300被人工地打开以使特定区域断电，或者断路器300可从过载电路自动地断开。虽然电触件310已与电触件305分开，但呈电弧335形式的电仍可在电弧室365中从电触件305流至电触件310。电弧335能够通过空气而在电触件之间跳接，并且可致使两个触件受到严重损坏。为了保护电触件305和310和断路器300，电弧335须尽可能快速地消失。这通过将电弧335推入分弧器325来实现。 [0034] 分弧器325可以是多个隔开的大体金属的板330，这些板吸入电弧335并且使电弧冷却和熄灭。每个板330具有开口，以使电弧335能流过其中。电弧室365的位置允许在分弧器325中使用更多的板，这可实现更快速地冷却和熄灭电弧335。 [0035] 电弧335产生周向地围绕电弧335的垂直磁场（在下文将更详细地进行解释）。在电弧335流动通过板330中的开口的情形下，由电弧335产生的磁场将电弧335进一步推到开口中，直到电弧与板330的金属部分接触为止。然后，分弧器325可快速地冷却和熄灭电弧335。为实现更快速地冷却和熄灭电弧335，有益的是提供附加的磁力来将电弧335推入或拉入分弧器325。 [0036] 端子320位于与分弧器325相邻的一侧上。电沿第一方向通过端子320进入。在附图中，示出电从与分弧器325相对的位置流入端子320，然而电可从与分弧器325相邻的位置通过端子320流入。一旦电流通过端子320进入，则电通过导体390流入第一电触件305，且该第一电触件305与第二电触件310电接触。电流入第二电触件310，并且基本上逆转方向进入臂导体395，且方向被逆转成几乎与通过电导体390流入的电方向相反。电流方向的逆转在电导体390、第一触件305、第二触件310以及臂导体395之间产生c形电流。c形电流在电流之间的区域中产生强磁场。 [0037] 当断路器300断开时，致使第二触件310与第一触件310分开，该强磁场产生初始磁推力，这有助于将来自于第二触件320的电弧335推入电弧流道350、确切地进入电弧带355。附加地，在断路器300断开之后，在第一触件305和第二触件310之间马上产生电弧 335，从而甚至在断路器300断开之后维持c形磁场，有助于将来自于第二触件310的电弧 335快速地推入电弧带335。一旦电弧335被推离第二触件310，磁场就会消失。 [0038] 电弧带355可面向电触件305，以提供较大的表面积用以与电弧335相接触。然而，电弧带355可面向任何方向或者具有任何尺寸，使得电弧335能接触电弧带355。电弧带355电连接于电导体360，且该电导体360还电连接于电导体340，从而即使电弧335并不流动通过电触件310，从电导体340仍持续地产生磁场。 [0039] 电导体340连接于电导体345，该电导体垂直于电弧335并且平行于通过电导体390的电流动方向行进。由来自于导体390和导体345的平行电流在c形电流附近产生的磁场组合会产生更强的且持续的磁场，该磁场将电弧335推入分弧器325，这会使电弧335快速地冷却和熄灭。电导体345端接在端子315处，该端子315位于外壳380的底部。端子的位置允许断路器300具有较小的覆盖区，而由于电弧的快速冷却和熄灭会维持高的额定电压。因此，断路器300可比标准断路器用在需要更高电压的部件中，同时仅仅需要插入较小的区域。 [0040] 在图4中最佳示出分弧器的板。板250可类似于图2所示的板250或者图3所示的板330。多个板250可用在单个分弧器中，且其形状和构成会使电弧205快速地冷却和熄灭。在一较佳实施例中，板250成形为矩形。然而，板250可成形为圆形、椭圆形或允许在中间切开的任何其它几何形状。板250较佳地由能够与磁场反应的金属材料制成，这允许电弧205被快速地推入板250。 [0041] 板250具有开口405。在一较佳实施例中，开口成形为三角形，且在三角形的基部处具有圆形部分410。然而，开口405可具有任何形状和尺寸，并且无需具有圆形部分410。此外，圆形部分410可成形为方形、矩形或任何其它几何形状。当电弧205进入开口405时，由电弧205产生的磁场与板250的金属部分相互作用。磁场垂直于电弧205的方向产生并且周向地围绕电弧205行进。在磁场按序地围绕电弧205转动的情形下，磁场被吸至板250的金属部分，且该金属部分会吸入电弧205。最后，电弧205与板250的金属部分直接接触，并且通过空气跨接在每个相继的板之间。在电弧与板250接触、通过空气跨接并且与另一板接触的情形下，电弧被冷却并熄灭。在分弧器中，每个电弧传播通过多个板250使电弧冷却和熄灭，直到电弧消失为止。 [0042] 在图5中最佳示出，两个电导体的示意图说明本发明的操作。电导体510和515是俯视观察而得的电导体。行进通过电导体510和515的电流沿向上方向行进。如本领域已知的是，当电流流动通过电导体510时，磁力505围绕该导体510而产生。磁力505垂直于电流方向行进，且周向地围绕导体510行进。磁力505的方向取决于电流的方向，并且通过右手定则来确定，右手定则是指：如果人将手握成拳并使大拇指向上，则磁场505围绕大拇指沿逆时针方向行进。与此相反，如果人使大拇指指向下，则磁场505会沿顺时针方向行进。 [0043] 电导体510和515都沿向上方向行进，这两个电导体都产生它们自身的垂直磁场。两个磁场的组合产生比每个单独磁场更强的强磁场。如上文参见图3所进行的描述，该强磁场是电弧如何被快速的推入分弧器并被冷却和熄灭的原因。 [0044] 该装置所具有的优点在于：该装置能额定用于比标准断路器高得多的电压，同时仍保持较小的尺寸。该装置能通过使用磁场将电弧推向分弧器而快速地冷却并熄灭电弧，并且能保护电触件和断路器不受损坏，从而延长断路器的使用寿命。由于该装置节省了替换断路器的金钱成本以及替换断路器的劳力成本，因而这提供了很大程度的成本节约。 [0045] 应由本领域的技术人员理解的是，可对在此描述的实施例进行各种变化和修改，而不偏离本发明的精神。所有这些变化和修改都由本文所涵盖。 |
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