一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置及方法

1.本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置及方法。


背景技术：

2.真空断路器相较于sf6断路器具有绿色环保、寿命高、设备维护成本低等优点，在我国“双碳目标”的大背景下，真空断路器正不断向着高电压等级发展，以取代sf6断路器。因此在高电压等级下，真空长间隙大电流电弧的开断成为关键，受到了研究人员的广泛关注。
3.在真空断路器中多采用纵向磁场控制电弧的开断，当触头拉开时，电流经过触头的特殊结构会产生纵(轴)向磁场。在中低电压等级下的真空灭弧室中，由于触头开距较小，因此随着触头的拉开磁场强度一般不会减小很多，可以有效的控制住电弧；但在高电压等级下，由于需要耐受冲击过电压以及真空间隙的耐压存在饱和特性等因素，真空灭弧室的触头开距需要大大增加。但是随着触头开距的不断增大，导致磁场强度不断被削弱，尤其在长燃弧时在很大的开距下较弱的磁场很难有效控制住电弧，使电弧变为集聚型，导致开断失败；而触头分断速度减慢又会导致在电弧开断后，触头间距离不够大不足以承受必须的耐受电压水平。
4.因此，高压真空断路器分闸过程要求动触头在开始阶段能够快速运动到足够距离，满足短燃弧条件下的必要电极开距能够承受电弧电流过零后的瞬态恢复电压(trv)；为了保证较长燃弧时间开断时触头间纵向磁场强度足够大以维持对电弧的控制，在分闸运动中段需要运动速度尽可能减缓以维持电弧在适中开距下燃弧；在电弧电流过零电弧熄灭后希望动触头再迅速分闸到最大开距以保证足够的绝缘强度。但是，现有的缓冲方法均为到位缓冲方法，其作用是在分闸运动末段防止触头分闸的回弹，目前还没有在分闸中期对动触头分闸进行缓冲减速，而在分闸后期对动触头分闸出力加速的特殊分闸过程缓冲装置以及方法。可见，高压真空断路器急需这样一种特殊的分闸过程中段缓冲方法与装置。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置及方法，可以实现对高压真空断路器动触头进行分闸中期缓冲与分闸后期加速的目的，从而提高高压真空断路器对长间隙下大电流电弧的开断能力。
6.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置，包括固定套设在高压真空断路器的操动杆上的圆盘式承力结构件，以及正对布置在高压真空断路器的操动杆两侧的y形缓冲结构件；每个所述y形缓冲结构件的三个杆件分别由第一杆件、第二杆件和第三杆件构成；所述圆盘式承力结构件的两侧分别位于对应的所述y形缓冲结构件的第一杆件和第二杆件之间，每个所述y形缓冲结构件的第三杆件的端部连接有弹性出力装置；在高压真空断
路器分闸中期，所述弹性出力装置通过所述y形缓冲结构件能够向所述圆盘式承力结构件施加弹性阻力；在高压真空断路器分闸后期，所述弹性出力装置通过所述y形缓冲结构件能够向所述圆盘式承力结构件施加弹性动力。
8.进一步地，每个所述y形缓冲结构件的第三杆件的端部分别连接有一个弹性出力装置，两个弹性出力装置正对设置；每个所述弹性出力装置包括水平设置的螺旋弹簧和连接杆，所述螺旋弹簧的第一端固定，所述螺旋弹簧的第二端朝向操动杆且与所述连接杆的第一端固定连接，所述连接杆的第二端朝向操动杆且与对应的第三杆件铰接；在高压真空断路器分闸中期，所述螺旋弹簧处于被压缩状态；在高压真空断路器分闸后期，所述螺旋弹簧处于恢复形变状态。
9.进一步地，每个所述弹性出力装置还包括第一端开口的套筒，所述套筒的第二端固定，所述螺旋弹簧位于所述套筒内，且所述螺旋弹簧的第一端与所述套筒固定。
10.进一步地，每个所述弹性出力装置还包括压块，所述压块滑动设置在所述套筒内，所述压块的一端与所述螺旋弹簧的第二端固定连接，所述压块的另一端与所述连接杆的第一端固定连接。
11.进一步地，缓冲装置还包括合闸位置限位环，所述操动杆穿过所述合闸位置限位环，在合闸状态时，每个所述y形缓冲结构件的第一杆件与所述合闸位置限位环接触。
12.进一步地，缓冲装置还包括分闸位置限位环，所述操动杆穿过所述分闸位置限位环，在分闸状态时，每个所述y形缓冲结构件的第二杆件与所述分闸位置限位环接触。
13.进一步地，所述弹性出力装置为双稳态蝶形弹簧，所述双稳态蝶形弹簧的内环朝上且位于所述操动杆的正下方，所述双稳态蝶形弹簧的外环固定，每个所述y形缓冲结构件的第三杆件均与所述双稳态蝶形弹簧的内环连接。
14.一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲方法，基于所述的缓冲装置，包括：
15.在高压真空断路器分闸中期，所述弹性出力装置通过所述y形缓冲结构件向所述圆盘式承力结构件施加弹性阻力；
16.在高压真空断路器分闸后期，所述弹性出力装置通过所述y形缓冲结构件向所述圆盘式承力结构件施加弹性动力。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明提供的一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置，在高压真空断路器分闸中期，利用弹性出力装置通过y形缓冲结构件向圆盘式承力结构件施加弹性阻力。在高压真空断路器分闸后期，利用弹性出力装置通过y形缓冲结构件向圆盘式承力结构件施加弹性动力。本发明采用y形缓冲结构件与弹性出力装置相配合的缓冲方式，可以改变力的方向，实现对动触头双向出力的效果，利用弹性出力装置的双向出力的特性，同时实现动触头分闸中期的缓冲减速与分闸后期的出力加速效果，满足真空中长间隙下大电流电弧开断技术的触头运动特性要求。
19.进一步地，本发明提出的缓冲装置结构简单，不需要卡扣等零件的复杂配合，不仅大大降低使用过程中机构发生故障的概率，还兼备特性调节灵活方便的优点。
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸前期加速过程示意图；
23.图2为本发明一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸中期缓冲过程示意图；
24.图3为本发明一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸后期加速过程示意图；
25.图4为采用本发明一种实施方式作为缓冲装置时仿真得到的触头运动曲线示意图；
26.图5为本发明另一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸前期加速过程示意图；
27.图6为本发明另一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸中期缓冲过程示意图；
28.图7为本发明另一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置中，双稳态碟形弹簧在中间状态时的示意图；
29.图8为本发明另一种实施方式中提供的用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置在分闸后期加速过程示意图；
30.图9为采用本发明另一种实施方式作为缓冲装置时仿真得到的触头运动曲线示意图。
31.图中：1-操动杆；2-y形缓冲结构件；201-第一杆件；202-第二杆件；203-第三杆件；3-圆盘式承力结构件；4-弹性出力装置；401-螺旋弹簧；402-连接杆；403-套筒；404-压块；5-合闸位置限位环；6-分闸位置限位环。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在附图中示出了根据本发明公开实施装置的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状、它们之间的相对大小、位置关系以及数值展示仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
34.本发明提供的一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置，其目的是满足高压真空断路器分闸过程要求动触头在开始阶段能够快速运动到足够距离，满足短燃弧条件下
的必要电极开距。高压真空灭弧室多采用纵向磁场控制电弧，而随着电极开距增大纵向磁场强度会迅速减小，为了保证较长燃弧时间开断时触头间纵向磁场强度足够大以维持对电弧的控制，在分闸运动中期需要动触头运动速度尽可能减缓以维持电弧在适中开距下燃弧，在电弧电流过零电弧熄灭后希望动触头再迅速分闸到最大开距以保证足够的绝缘强度。
35.本发明一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置，包括固定套设在高压真空断路器的操动杆1上的圆盘式承力结构件3，以及正对布置在高压真空断路器的操动杆1两侧的y形缓冲结构件2，每个y形缓冲结构件2的三个杆件分别由第一杆件201、第二杆件202和第三杆件203构成。圆盘式承力结构件3的两侧分别位于对应的y形缓冲结构件2的第一杆件201和第二杆件202之间，每个y形缓冲结构件2的第三杆件203的端部连接有弹性出力装置4。
36.在高压真空断路器分闸前期，圆盘式承力结构件3与两个y形缓冲结构件2的第一杆件201之间不产生推力，操动杆1处于加速运动阶段。
37.在高压真空断路器分闸中期，弹性出力装置4通过y形缓冲结构件2能够向圆盘式承力结构件3施加弹性阻力。
38.在高压真空断路器分闸后期，弹性出力装置4通过y形缓冲结构件2能够向圆盘式承力结构件3施加弹性动力。
39.作为本发明的一种具体实施方式，结合图1至图4所示，在每个y形缓冲结构件2的第三杆件203的端部分别连接有一个弹性出力装置4，两个弹性出力装置4正对设置。具体地说，每个弹性出力装置4包括水平设置的螺旋弹簧401和连接杆402，将螺旋弹簧401的第一端进行固定，将螺旋弹簧401的第二端朝向操动杆1且与连接杆402的第一端固定连接，将连接杆402的第二端朝向操动杆1且与对应的第三杆件203铰接。
40.如图1所示，在高压真空断路器分闸前期，圆盘式承力结构件3与两个y形缓冲结构件2的第一杆件201之间不产生推力，操动杆1处于加速运动阶段。
41.如图2所示，在高压真空断路器分闸中期，螺旋弹簧401处于被压缩状态，通过连接杆402向y形缓冲结构件2施加阻力，进而使得y形缓冲结构件2向圆盘式承力结构件3施加弹性阻力，进而实现高压真空断路器分闸中期对操动杆1进行缓冲。
42.如图3所示，在高压真空断路器分闸后期，螺旋弹簧401处于恢复形变状态，即螺旋弹簧401通过连接杆402向y形缓冲结构件2施加推力，进而使得y形缓冲结构件2向圆盘式承力结构件3施加动力，进而实现高压真空断路器分闸后期对操动杆1进行加速。
43.在上述一种实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，结合图1至图3所示，为了保证螺旋弹簧401在压缩和恢复形变的过程中性能稳定，每个弹性出力装置4还包括第一端开口的套筒403，套筒403的第一端(开口端)朝向操动杆1，套筒403的第二端固定，螺旋弹簧401位于套筒403内，且螺旋弹簧401的第一端与套筒403固定。优选的，每个弹性出力装置4还包括压块404，将压块404滑动设置在套筒403内，压块404的一端与螺旋弹簧401的第二端固定连接，压块404的另一端与连接杆402的第一端固定连接。当螺旋弹簧401在压缩和恢复形变的过程中，利用套筒403和压块404之间的配合，能够更好的实现螺旋弹簧401运动的稳定性。
44.在上述一种实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，结合图1至图3所示，为
了确保在合闸时y形缓冲结构件2的位置状态稳定，本发明的缓冲装置还包括合闸位置限位环5，将操动杆1穿过合闸位置限位环5，将合闸位置限位环5进行固定。如图1所示，在在合闸状态时，每个y形缓冲结构件2的第一杆件201与合闸位置限位环5接触，即合闸位置限位环5对每个y形缓冲结构件2的第一杆件201进行限位，防止y形缓冲结构件2晃动。
45.在上述一种实施方式的基础上，作为更加优选的实施方式，结合图1至图3所示，为了确保在分闸时y形缓冲结构件2的位置状态稳定，本发明的缓冲装置还包括分闸位置限位环6，将操动杆1穿过分闸位置限位环6，将分闸位置限位环6进行固定。如图3所示，在分闸状态时，每个y形缓冲结构件2的第二杆件202与分闸位置限位环6接触，即分闸位置限位环6对每个y形缓冲结构件2的第二杆件202进行限位，防止y形缓冲结构件2晃动。
46.作为本发明的另一种具体实施方式，结合图5至图9所示，该实施方式中，选择双稳态蝶形弹簧作为弹性出力装置4，在安装时，将双稳态蝶形弹簧的内环朝上，双稳态蝶形弹簧的外环固定，且双稳态蝶形弹簧位于操动杆1的正下方，将每个y形缓冲结构件2的第三杆件203均与双稳态蝶形弹簧的内环连接。
47.如图5所示，在高压真空断路器分闸前期，圆盘式承力结构件3与两个y形缓冲结构件2的第一杆件201之间不产生推力，操动杆1处于加速运动阶段。
48.如图6所示，在高压真空断路器分闸中期，圆盘式承力结构件3卡在y形缓冲结构件2的第一杆件201和第二杆件202形成的夹角处，在双稳态蝶形弹簧的第一种稳态阻力下，使得y形缓冲结构件2向圆盘式承力结构件3施加弹性阻力，进而实现高压真空断路器分闸中期对操动杆1进行缓冲。
49.如图7所示，该状态为双稳态蝶形弹簧开始由第一种稳态向第二种稳态转变的过程。
50.如图8所示，在高压真空断路器分闸后期，在双稳态蝶形弹簧的第二种稳态推动力的作用下，使得y形缓冲结构件2向圆盘式承力结构件3施加动力，进而实现高压真空断路器分闸后期对操动杆1进行加速。
51.综上两种实施方式所述，本发明提供的一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置的缓冲过程如下：
52.(1)分闸初期，如图1与图5所示，操动杆1受到操动机构向下的作用力，带动动触头一起向下做加速运动，产生如图4与图9中分闸前期的运动曲线。
53.(2)分闸中期，操动杆1继续向下运动，其上的圆盘式承力结构件3会与y形缓冲结构件2相接触碰撞，由于惯性以及受到的操动机构分闸作用力，操动杆1会继续向下运动。此过程如图2与图6所示，螺旋弹簧与双稳态碟形弹簧开始通过y形缓冲结构件2和圆盘式承力结构件3，给操动杆1向上的作用力，致使动触头得到缓冲减速的效果，产生如图4与图9中分闸中期的运动曲线，此效果会一直持续到y形缓冲结构件2过中，因为此时缓冲装置在竖直方向上不再出力。
54.(3)分闸后期，此时y形缓冲结构件2已经过中，y形缓冲结构件2开始向下开口。此过程如图3与图8所示，图3的过中弹簧与图8的双稳态碟形弹簧开始通过y形缓冲结构件2和圆盘式承力结构件3，给操动杆1向下的作用力，致使动触头得到加速分闸的效果，产生如图4与图9中分闸后期的运动曲线。
55.通过适当的尺寸与参数配合，就可以得到类似于图4与图9的三段式动触头分闸行
程曲线，以满足真空中长间隙下大电流电弧开断技术对触头运动特性的要求。
56.下面对本发明提供的一种用于高压真空断路器分闸过程的缓冲装置，做更进一步地分析说明：
57.(1)在高压真空断路器的操动杆1上，采用具有一定厚度的圆盘式承力结构件3设计作为承力结构，合闸状态下，圆盘式承力结构件3与y形缓冲结构件2留有一定距离，用于实现在分闸中期与后期承接弹性出力装置4对其的出力作用，具体地说，圆盘式承力结构件3与y形缓冲结构件2的距离大小由高压真空断路器开断的具体运动特性要求而定，作为本领域技术人员可通过仿真实现，此处不再赘述。
58.(2)采用螺旋弹簧401或双稳态蝶形弹簧作为缓冲的出力装置，具有双向出力的特点。在操动杆1上的圆盘式承力结构件3与y形缓冲结构件2开始接触，运动到y形缓冲结构件2过中时，螺旋弹簧401或双稳态蝶形弹簧可以为操动杆1提供反力，使其得到缓冲减速的效果；在y形缓冲结构件2过中后，螺旋弹簧401或双稳态蝶形弹簧可以为操动杆1提供分闸力，实现分闸后期触头的加速运动。
59.(3)采用y形缓冲结构件2与操动杆1上的圆盘式承力结构件3进行缓冲配合。y形缓冲结构件2作为缓冲装置的连接结构可以起到承上启下的作用，其特有的结构形状可以使缓冲的出力装置对操动杆1具有双向出力的效果，实现中期缓冲与后期加速的装置一体化目的。
60.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。