專利名稱：旋氣式能量分離型高壓SF₆斷路器及其能量分離方法
技術領域：
本發(fā)明屬高壓SF6斷路器領域，尤其涉及一種對噴口流路區(qū)域的結構進行重新設計的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器及其能量分離方法。
背景技術：
在電力系統(tǒng)中，高壓開關設備起控制與保護作用。高壓斷路器是最為重要電氣設備，主要用于關合、開斷電路。隨著我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電器產(chǎn)品的運行性能、質量要求越來越高，高壓SF6斷路器作為高壓開關的主導產(chǎn)品，在高壓、超高壓以及特高壓輸電系統(tǒng)中起著重要的控制和保護作用。壓氣式SF6斷路器的滅弧室基本上有兩種結構類型單壓式和雙壓式。單壓式滅弧室只有一個氣壓系統(tǒng)，滅弧室的可動部分帶有壓氣裝置，靠分間過程中活塞氣缸的相對運動，形成短時間的氣壓升高，產(chǎn)生吹弧作用來熄滅電弧。單壓式斷路器結構簡單、造價低，應用廣泛，但如果希望增大斷路器的開斷能力，傳統(tǒng)的吹弧方式(一般為軸流式吹弧方式)有很大的困難，不利于大幅度提高觸頭間抗電場擊穿能力，而且，目前存在的斷路器噴口流路結構，僅利用SF6氣體吹弧。因此需要對現(xiàn)有的結構進行優(yōu)化設計使滅弧室內SF6氣體與電弧接觸更充分，加速電弧能量逸散，降低電弧溫度達到熄滅電弧的目的，使高壓SF6斷路器結構設計更加合理、產(chǎn)品整體技術指標更高、運行將更加可靠。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術的不足之處而提供一種滅弧室內SF6氣體與電弧接觸充分，電弧能量逸散迅速，電弧溫降快，絕緣性能好，開斷能力強，安裝維護方便，工藝簡便易于工程實現(xiàn)，運行可靠性高的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器。本發(fā)明還提供一種與上述旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器相配套的能量分離方法。能量分離效應(即總溫分離效應)早在上世紀30年代被發(fā)現(xiàn)，并于40年代被研究應用，目前已被廣泛的應用于一系列領域，如工業(yè)領域中的小型空調、軸承冷卻；生物醫(yī)學領域中的生物冷凍、內外科手術；科研領域中的熱電偶的冷結點恒溫、渦旋恒溫器，熱膨脹測試；航空領域中的宇宙飛船調節(jié)裝置、電子設備的冷卻。而能量分離現(xiàn)象廣泛存在于各式各樣的自然界流體運動中，包括龍卷風、邊界層分離、圓柱繞流、射流以及剪切流等。本發(fā)明首次提出應用氣體渦旋運動在斷口間產(chǎn)生能量分離效應，用以冷卻電弧加速電弧熄滅， 提高斷路器開斷能力。在高壓斷路器開斷線路故障時會產(chǎn)生一團高溫、發(fā)強光的等離子體(即為電弧)， 高壓斷路器要在有效時間內開斷故障電路，熄滅電弧。應用能量分離效應可以降低電弧溫度，提高吹弧能力，加速電弧的熄滅，可以有效提高高壓斷路器開斷性能，保障線路及重大設備的安全，維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行。為解決上述技術問題，本發(fā)明實現(xiàn)方式如下。
旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，它包括活塞、壓氣缸、動主觸頭、動弧觸頭、靜弧觸頭、靜主觸頭及噴口 ；在噴口上游，于動弧觸頭的端部近區(qū)固定設有渦旋導流機構。作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述渦旋導流機構由呈對稱分布的一組導流片單元構成，其采用交叉型結構。作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角 5° < θ < 45°。進一步地，本發(fā)明所述導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ =13°。另外，本發(fā)明所述渦旋導流機構可由多組導流片單元構成；后一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角比前一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角小
3° 5°。其次，本發(fā)明所述渦旋導流機構還可由扇片式導流片組成，每個扇片均與動弧觸頭柱面垂直，與動弧觸頭柱面的切線成角Y，Y的取值范圍為5° 45°。其中，扇片式導流片中兩相鄰扇片的氣流間隙H可選擇扇片長度的1/6 1/4。作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述扇片式導流片由彼此均勻設置的9個扇片組成， Y =7°。再次，本發(fā)明所述渦旋導流機構可由渦旋式導流片組成，其螺旋線角度取值范圍為5° 30°。上述旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器的能量分離方法，其在高壓SF6斷路器開斷時，于滅弧室中，使經(jīng)由壓氣缸流出的SF6氣體進行渦旋運動并射入斷口間，在運動過程中形成沿徑向方向的溫度梯度變化，進而產(chǎn)生能量分離效應。本發(fā)明通過三種基本結構的多種方案，將傳統(tǒng)的軸向吹弧變?yōu)樾D吹弧，氣體通過導流片產(chǎn)生渦旋運動，形成能量分離效應，總溫分離成兩個部分內部冷氣流、外部熱氣流。旋轉氣流與電弧充分接觸，加速電弧熄滅，提高斷路器開斷能力。本發(fā)明在噴口上游動弧觸頭柱形表面平滑段構造渦旋導流機構，使氣體從壓氣缸流出后，經(jīng)過導流片產(chǎn)生渦旋運動射入斷口間，形成能量分離效應加速電弧能量的逸散，使電弧溫度降低，具有絕緣水平高、開斷能力強、結構簡單，安裝維護方便、運行可靠性高等特點ο本發(fā)明所采用的新型旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器結構使高壓SF6氣體流經(jīng)導流片，由傳統(tǒng)的軸向流動變?yōu)樾郎u形式流動，在運動過程中氣體發(fā)生動能的徑向交換，形成沿徑向的溫度梯度，即噴口氣體能量的有效分離。本發(fā)明旋氣式能量分離型高壓3&斷路器采用能量分離原理，充分利用氣體旋渦運動，外旋氣流獲得動能遠高于內能損失，外旋氣體總溫升高，內旋氣流損失動能溫度降低，形成了噴口氣流能量分離，有效降低電弧溫度， 降低噴口燒蝕程度，保護噴口結構，提高高壓SF6斷路器開斷能力。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。圖1為現(xiàn)有斷路器噴口結構氣流運動示意圖。圖2為本發(fā)明旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器氣流運動示意圖。圖3為本發(fā)明X型導流片結構剖面圖。
圖4為本發(fā)明X型導流片主視圖。 圖5為本發(fā)明兩組同角度X型導流片疊加結構圖。圖6為本發(fā)明兩組不同角度X型導流片疊加結構圖。圖7為本發(fā)明兩組不同角度X型導流片主視圖。圖8為本發(fā)明扇片式導流片結構圖。圖9為本發(fā)明扇片式導流片主視圖。圖10為本發(fā)明雙重扇片式導流片結構圖。圖11為本發(fā)明螺旋式導流片結構圖。圖12為本發(fā)明分段式螺旋導流片結構圖。圖中1、活塞；2、壓氣缸；3、動主觸頭；4、動弧觸頭；5、靜主觸頭；6、靜弧觸頭；7、 噴口 ；8、渦旋導流機構；9、導流片單元；10、X型導流片下端；11、X型導流片上端；12、相同 θ角X型導流片；13、相同θ角X型導流片；14、不相同角度X型導流片；15、不相同角度 X型導流片；16、扇片式導流片；17、扇片；18、扇片；19、錯位式雙重扇片；20、錯位式雙重扇片；21、螺旋式導流片；22、螺旋分段式導流片。
具體實施例方式如圖所示，旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，它包括活塞1、壓氣缸2、動主觸頭 3、動弧觸頭4、靜弧觸頭5、靜主觸頭6及噴口 7 ；在噴口 7上游，于動弧觸頭4的端部附近固定設有渦旋導流機構8。本發(fā)明所述渦旋導流機構8由呈對稱分布的一組導流片單元9構成，其采用交叉型結構。本發(fā)明所述導流片單元9與動弧觸頭柱形表面的法線夾角5° < θ <45°。從能量分離效應的結果考慮，本發(fā)明所述導流片單元9與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ =13°時效果最理想。本發(fā)明所述渦旋導流機構8由多組導流片單元構成；后一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角比前一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角小3°
5° 0本發(fā)明所述渦旋導流機構8由扇片式導流片16組成，每個扇片均與動弧觸頭柱面垂直，與動弧觸頭柱面的切線成角Y，Y的取值范圍為5° 45°。本發(fā)明扇片式導流片16中兩相鄰扇片的氣流間隙H為扇片長度的1/6 1/4。本發(fā)明所述扇片式導流片16由彼此均勻設置的9個扇片組成，Y =7°。本發(fā)明所述渦旋導流機構8由渦旋式導流片21組成，其螺旋線角度取值范圍為 5° 30°。上述旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器的能量分離方法，其在高壓SF6斷路器開斷時，于滅弧室中，使經(jīng)由壓氣缸流出的SF6氣體進行渦旋運動并射入斷口間，在運動過程中形成沿徑向方向的溫度梯度變化，進而產(chǎn)生能量分離效應。本發(fā)明所述滅弧室中，可以根據(jù)能量分離效應原理，對導流片結構系統(tǒng)進行不同方案的設計，組成如下所述三種基本結構的多種方案設計。1. X型導流片結構(交叉型結構)。
氣體流經(jīng)X型導流片系統(tǒng)結構時，導流片的上端與下端之間會形成壓力差，強壓力差迫使氣體自動形成渦旋運動。兩導流片呈對稱分布，固定在動弧觸頭上，其材質與動弧觸頭材質相同，參見圖3所示。導流片與動弧觸頭柱形表面的法線夾角為θ，θ的取值范圍為5° 45°，如圖 4所示。如果高壓氣體渦旋運動的入射角度(既與噴口軸向截面的角度)大于45°，則無能量分離效應存在，經(jīng)計算機仿真分析得到的數(shù)據(jù)表明，導流片與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ的大小與高壓氣流渦旋運動的入射角有關，當θ為13°時，能量分離效應最顯著， 斷口間溫度可以降低30%左右。在X型導流片基礎結構上，可以構造多組X型導流片(兩組、三組或四組)，每組導流片與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ相同，參見圖5所示，多組導流片串連固定在動弧觸頭上。多組導流片串連可以加強氣流的渦旋運動，保持高壓SF6氣體射入角度，同時可以保證斷口間SF6氣體質量流量不變。同時，也可以構造多組X型導流片，每組導流片角度取值不同，結構如圖6所示，不同角度X型導流片主視圖如圖7所示。氣體流動依次流經(jīng)的導流片，后一對導流片與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ比前一對導流片與動弧觸頭柱形表面的法線夾角Θ、小3° 5°，后一對導流片可以修正高壓氣流入射角度，加強能量分離效應，加速滅弧速度，保護噴口減少燒蝕。2.扇片式導流片。氣體流經(jīng)扇片式導流片系統(tǒng)結構后，自然形成強制渦旋運動，結構如圖8所示。每個扇片均與動弧觸頭柱面垂直，與動弧觸頭柱面的切線成角Y，如圖9所示，γ的取值范圍為5° 45°。在動弧觸頭沿圓周方向可以均勻設置5 12個扇片，扇片的大小、γ角度及形狀相同，兩相鄰扇片的氣流間隙(既兩扇片的垂直距離H)取值為扇片大小的1/5。氣體流經(jīng)扇片形成渦旋流動，高壓氣體射入斷口間的角度大小與扇片傾斜角度Y關。經(jīng)計算機仿真研究表明，Y角度越小，能量分離效果越明顯，本方案的最優(yōu)結構為9扇片，7°，由計算結果得到，本結構方案可以使斷口間溫度可降低30%。在構造扇片式導流片基本結構上，還可以構造雙重扇片式導流片結構，結構如圖 10所示，氣體流經(jīng)第一組扇片式導流片結構時形成渦旋運動，第二組扇片結構與第一組結構錯位一定角度，用于修正高壓氣流入射角度，加強氣流渦旋運動，保護噴口結構。同時，還可以通過改變每組扇片的數(shù)量、大小、角度、方位以及兩組扇片的距離組成多種導流片結構，適用于不同的具體問題。3.螺旋式導流片。渦旋式導流片結構中，導流片的螺旋線角度取值范圍為5° ^30°。高壓氣體流經(jīng)螺旋式導流片結構后也會產(chǎn)生渦旋運動，本方案可以準確的控制高壓氣流的渦旋運動形式。如圖11所示。同時，可以將螺旋導流片分段，缺口處可以增加氣流流量，結構如圖12 所示?，F(xiàn)有斷路器噴口結構氣流運動如圖1所示，傳統(tǒng)的吹弧方式為軸向吹弧，而本發(fā)明通過改變噴口結構，應用能量分離原理提出旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器結構，使傳統(tǒng)的軸向吹弧變?yōu)闇u旋式吹弧，如圖2所示。渦旋運動產(chǎn)生能量分離效應，高壓旋轉氣體溫度分為兩個部分，內部溫度較低，冷氣流遇到靜弧觸頭逆返流出。外部溫度較高，圍繞靜弧
6觸頭以渦旋運動形式流出。電弧隨著觸頭的運動拉伸，旋轉氣流與電弧充分接觸，加速電弧能量逸散，加快其熄滅。 參見圖2，活塞1固定不動，開斷過程中操動機構通過連接桿使帶有動觸頭3、4和絕緣噴口 7的壓氣缸2運動，在活塞1與壓氣缸2之間產(chǎn)生壓力，高壓SF6氣體按圖示箭頭方向平直運動，氣體流經(jīng)噴口上游平直段渦旋導流機構，由于壓力差作用，氣體自動形成旋轉運動，按一定角度以渦旋運動形式射入端口間電弧區(qū)域。此時，動主觸頭3、動弧觸頭4和靜主觸頭5、靜弧觸頭6分離，觸頭間形成電弧，絕緣噴口脫離靜弧觸頭6，打開吹弧口，氣體在壓氣缸2壓力作用下，涌入噴口上游平直段。當氣體流經(jīng)X型導流片結構時，導流片因與動弧觸頭柱面法線成θ角，如圖4所示，X型導流片的一個X型導流片下端10和X型導流片上端11會產(chǎn)生壓力差，X型導流片下端10處氣體聚集，氣壓增大，而X型導流片上端11處相反氣壓低，導流片自動形成壓差， 而另一片X型導流片的高氣壓和低氣壓端與其相反，使氣體產(chǎn)生旋渦流動。設置兩組同角度的X型導流片組時，如圖5所示，氣體流經(jīng)相同θ角X型導流片12后形成渦旋運動，相同θ角X型導流片13加強高壓氣流的渦旋運動強度，可以加強能量分離效果，如設置不同角度的X型導流片組，如圖6所示，氣流經(jīng)過不相同角度X型導流片14形成渦旋運動，而不相同角度X型導流片15的角度θ比不相同角度X型導流片14的角度小;T 5°，修正高壓氣流入射角度，加強了渦旋運動。當氣體流經(jīng)扇片式導流片16時，扇片17的角度為Y，并且每組中各個扇片的角度均相同，氣體沿扇片表面流動，遇相鄰扇片之間的氣隙流出，形成渦旋流動。扇片角度Y，及相鄰扇片的氣隙大小H，對高壓氣流產(chǎn)生的渦旋運動入射角度有極大影響。設置錯位式雙重扇片結構時，如圖10，錯位式雙重扇片19與錯位式雙重扇片20有錯位角，氣體流經(jīng)錯位式雙重扇片19后形成渦旋流動，錯位式雙重扇片20修正氣體渦旋運動的角度，加強渦旋運動強度，保證能量分離效應。當氣流經(jīng)過螺旋式導流片21結構時，氣體沿螺旋式導流片表面流動，氣體跡線呈螺旋形式，螺旋角度與螺旋式導流片的角度相同。螺旋結構可以有效的控制高壓氣流的旋轉角度，但氣流質量流受到一定的限制，因此，可以將整片的螺旋結構分段形成螺旋分段式導流片22，保證氣流質量流量，如圖12所示。本發(fā)明能夠滿足不同運行工況下的開斷要求，并且通過容性電流開斷和短路電流開斷仿真實驗研究，可以提高產(chǎn)品可靠性、安全運行。此外，根據(jù)發(fā)明專利的工作原理和設計方案，對導流片系統(tǒng)不同結構的夾角，導流片形狀大小、規(guī)格的不同可以組成不同的結構方案。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，包括活塞(1)、壓氣缸(2)、動主觸頭(3)、動弧觸頭(4)、靜弧觸頭(5)、靜主觸頭(6)及噴口(7);其特征在于，在噴口(7)上游區(qū)域，于動弧觸頭(4)的端部近區(qū)固定設有渦旋導流機構(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述渦旋導流機構(8)由呈對稱分布的一組導流片單元(9)構成，其采用交叉型結構。
3.根據(jù)權利要求2所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述導流片單元(9)與動弧觸頭柱形表面的法線夾角5° < θ <45°。
4.根據(jù)權利要求3所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述導流片單元(9)與動弧觸頭柱形表面的法線夾角θ =13°。
5.根據(jù)權利要求1所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述渦旋導流機構(8)由多組導流片單元構成；后一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角比前一組導流片單元與動弧觸頭柱形表面的法線夾角小3° 5°。
6.根據(jù)權利要求1所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述渦旋導流機構(8)由扇片式導流片(16)組成，每個扇片均與動弧觸頭柱面垂直，與動弧觸頭柱面的切線成角Y，Y的取值范圍為5° 45°。
7.根據(jù)權利要求6所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于扇片式導流片(16)中兩相鄰扇片的氣流間隙H為扇片長度的1/6 1/4。
8.根據(jù)權利要求7所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述扇片式導流片(16)由彼此均勻設置的9個扇片組成，γ=7°。
9.根據(jù)權利要求1所述的旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器，其特征在于所述渦旋導流機構(8)由渦旋式導流片(21)組成，其螺旋線旋轉角度取值范圍為5° 30°。
10.一種如權利要求1 9之任一所述旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器的能量分離方法，其特征在于，在高壓SF6斷路器開斷時，于滅弧室中，使經(jīng)由壓氣缸流出的SF6氣體進行渦旋運動并射入斷口間，在運動過程中形成沿徑向方向的溫度梯度變化，進而產(chǎn)生能量分離與旋氣式能量逸散效應。
全文摘要
本發(fā)明屬高壓SF6斷路器領域，尤其涉及旋氣式能量分離型高壓SF6斷路器及其能量分離方法，它包括活塞(1)、壓氣缸(2)、動主觸頭(3)、動弧觸頭(4)、靜弧觸頭(5)、靜主觸頭(6)及噴口(7)；在噴口(7)上游，于動弧觸頭(4)的端部附近固定設有渦旋導流機構(8)；渦旋導流機構(8)由一組采用交叉型結構的導流片單元(9)構成；渦旋導流機構(8)也可由扇片式導流片(16)或螺旋式導流片(21)構成。本發(fā)明使經(jīng)由壓氣缸流出的SF6氣體進行渦旋運動，在運動過程中形成沿徑向方向的溫度梯度變化，其電弧能量逸散迅速，電弧溫降快，絕緣性能好，開斷能力強，安裝維護方便，運行可靠性高。
文檔編號H01H33/91GK102364656SQ20111030954
公開日2012年2月29日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者劉曉明, 曹云東, 李俐瑩 申請人:沈陽工業(yè)大學