气体电路断路器 本发明涉及一种气体电路断路器，用以切断由于线路接地故障或线路间的短路故障产生的电流，以保护输电系统或电力分配系统，特别是涉及一种能熄灭电弧的气体电路断路器，此种断路器利用电弧能量产生的机械压缩和压力上升这两种效应，从而切断电流。
目前，作为保护72KV或更高的高电压输电系统的断路器广泛应用了吹气型气体电路断路器，它结构简单、可靠性高，并具有优异的气体断路性能。吹气型气体电路断路器按下述方式进行运转。即，一种诸如SF6的电弧熄灭气体受可移动汽缸的压缩，而汽缸直接连接至可移动触头，从而产生高压气流，此气流吹在电弧上，熄灭电弧，从而切断电流。因此，切断性能决定于可移动汽缸内的压力上升。因而当获得高的压力上升时，就获得高的切断性能；但是，压力上升引起机械驱动力的反作用力。因此，需要有高的驱动能以获得高的切断性能。
在这种情况下，对高切断性能的气体电路断路器的生产进行了各种开发和研究，它可以小量的驱动能获取高的压力上升。这些断路器地一个实例披露于日本专利申请公告57-54886和美国专利4,139,752中。在这些文件中，公开了基于下述方法的开发。即，在压缩室的前面设置了一个热压上升室，当高温气体从电弧流入室中时，室内的压力升高，而一个用于禁止气体从热压上升室流入压缩室的止回阀则安装在热压上升室和压缩室的隔板上，从而使两个室可相互联通。这样，大电流被切断时产生的高温气体阻止从热压上升室流至压缩室，以致压缩室中的压力能保持缓慢升高，从而降低驱动能量。
此外，作为上述技术的一个改进方案，开发了一个如图1所示的气体电路断路器(见公开的日本专利申请7-109744)，它能更为有效地降低驱动能。
现在将结合图1对常规气体电路断路器进行说明。图1是常规断路器的横截面图，以图中中心线指示的下半部表示电极关闭状态，而其上半部则表示关闭操作完成的状态。
由图1可见，固定触头部分10和可移动触头部分20相互面对地布置在一个充满着一种电弧熄灭气体的容器(未表示)内。应指出，关于可移动触头部分20的位置，为说明方便，将固定触头部分10定义为前侧，相对侧就定义为后侧。
固定触头部分10由固定电弧触头1和围绕电弧触头1和围绕电弧触头1布置的固定导电触头2构成。可移动触头部分20包括一根在其前端部分具有法兰3a的中空操作杆3、围绕操作杆3布置并与法兰3a连接的可移动汽缸4、一个固定至可移动汽缸4上，并具有若干沿想像中的汽缸横向表面互相隔开地成直线安排的指的中空可移动电弧触头5、一个围绕电弧触头5设置的可移动导电触头6、一个包围着可移动电弧触头5的绝缘喷嘴7、以及一件插入至可移动汽缸4的后部中的固定活塞构件8。
可移动汽缸4的内侧被一块中间分隔板4a分隔成位于前方的热压上升室S1和位于后方的压缩室S2。一个止回阀16设置在中央分隔板4a上，以禁止气体从热压上升室S1流至压缩室S2，但允许相反的气体流动。在可移动电弧接头5和喷嘴7之间设置有一条气体流动路径，以引导气体从热压上升室S1流向固定电弧触头1侧。
在可移动触头部分20中，操作杆3成形成在其轴向受驱动装置(未表示)驱动时能往复运动，而在操作杆3的后方位置制作有若干排气孔3b，它们能使杆的中空部分与充气气氛得以联通。
活塞8a成形成具有环形盘的形状，其内周边表面在操作杆3的外周边表面上滑移，而其外周边表面则在形成压缩室空间S2的可移动汽缸4部分的内周边表面上滑移。这里，活塞8a具有一根中空支承管8b，它成一体地设置在其后部，以便在轴向伸展，且活塞8a被支承管8b通过一件支承绝缘构件(未表示)固定在容器(未表示)内。
当操作杆3和可移动汽缸4作为一件整体组件相对按上述固定的活塞8a运动时，可移动汽缸4和活塞8a相互相对运动，从而产生于可移动汽缸4内部的压缩室空气S2受压缩。在支承管8b的后部，制作有若干排气孔8c，它使支承的中空部分和容器内的充气气氛相互联通。
此外，活塞8a装配有一个放泄阀18，在切断大电流的电极打开操作期间，当压缩室空间S2中的压力升高超过一个预定值时，此放泄阀18将压缩室空间S2内的气体释放至充气气氛中，从而限制空间S2中的压力升高，而止回阀17则可在电极关闭操作期间，通过使气体从充气气氛流至压缩空间S2，从而阻止压缩室空间S2中的压力下降。
此外，在操作杆3的外周边表面的两个位置上加工有若干在轴向延伸的凹槽3d和3e。凹槽3d成形成，在如图1下半部横截面所示的电极关闭时，其全部长度都位于压缩室空间S2之内，而在如图1上半部所示的电极打开时，使压缩室空间S2与充气气氛联通。
凹槽3e成形成在电极为关闭时，使压缩室空间S2与充气气氛相互联通。凹槽3d的作用是在电极打开操作的最后阶段，确保压缩室空间S2的压力升高的降低，以有助于获得驱动能的下降。凹槽3e的作用是在电极关闭操作的最后阶段，确保气体流至压缩室空间S2。
其次，现在将对借助图1所示的常规气体电路断路器的电极打开操作以切断电流的操作进行讨论。
电极打开操作期间，操作杆3按箭头D所示方向运动，因此包括操作杆3的可移动部分，即操作杆3、与其相连的可移动汽缸4、可移动电弧触头5、可移动导电触头6和喷嘴7如一件整件组件似地按箭头D所示方向运动。这样，由中央分隔板4a和活塞8a限定的可移动活塞4的后部分建立的压缩室空间S2的体积减少，因而压缩室空间S2内的压力增加。止回阀16迅速打开其阀门以追赶电极打开操作开始时刻的可移动部分的加速运动，这样，由于压缩室空间S2中由此时起产生的压力升高，止回阀16的打开状态得以保持。因此，气体从压缩室空气S2流至热压上升室S1。结果，热压上升室S1内的压力略有增加，气体通过喷嘴7和可移动电弧触头5之间的流动路径流向固定电弧触头1。
同时，由于上述电极打开操作，首先，固定导电触头2和可移动导电触头6相互分开，然后在某个延迟后，固定电弧触头1和可移动电弧触头5相互分开。这样，在电弧触头1和5之间产生电弧。当切断的电流较小时(如1KA左右或更小)，则由于切断电流产生的热压上升空间S1中的压力上升很少，以致气体从压缩室空间S2至热压上升室S1的流动状态得以保持。因此气体吹向电弧，从而产生切断。
相反，当要切断的是约几十千安培的大电流时，高温气体从电弧在喷嘴7和可移动电弧触头5之间的流动路径中逆向流动，进入热压上升室空间S1，以加热热压上升室空间S1内的气体，从而将压力升高至一个高值。由于高压，产生了一个从喷嘴7向着固定电弧触头1的气体流动，以冷却电弧，最终电弧在切断电流变零的交流电波的零点被熄灭。
当热压上升室空间S1的压力上升很多时，止回阀16关闭，禁止气体从热压上升室空间S1流至压缩室空间S2。因此，由于高温气体流入引起的压缩室空间S2中的压力上升被阻止。
但同时，气体从压缩室空间S2至热压上升空间S1的流出停止。因此，压缩室空间S2中的压力升高与无负载时电极打开操作产生的压力升高，或切断小电流时电极打开操作产生的压力上升高相比要显著的提高。但是，在这时，放泄阀18动作，从而将压缩室空间S2中的压力升高保持于一个预定的低值上。此外，在电极打开操作的最后阶段，如图1上半部的横截面所示，压缩室空间S2通过凹槽3d与充气气氛相联通，从而确保了压缩室空间S2中压力上升值的降低。这样就获得了大电流的切断和驱动能的降低。
但是，如上所述的常规气体电路断路器具有如图2所示的特征，即，为切断由于短路引起的大电流，当电流超出峰值范围时，电流值降低，压力上升值急剧减少，且在电流零点处的压力上升值要远小于压力上升值峰值处的压力上升值。文中说明的特征在论文CIGRE-13-110-1994的第六页图11中进行了讨论。压力上升的显著减少是热压上升室空间S1中必然要发生的现象，它不具压缩效应，此现象的出现是由于电流值减小时，高温气体停止从电弧流至热压上升室空间S1，或由于紧邻电弧的高温气体体积迅速减少。
除以上外，为获得高的切断性能，必须在电流零点获得高的压力升高。因此，随着电弧时间的延长，压力在电流零点的降低就变得更为重要。因此，很难维持一个高的切断性能。当压力增高值的顶峰增加时，也能保持高的切断性能。但是，很清楚，这样的一种方法将增加对于驱动力的作用力，因而效率不高。
此外，在切断大电流时，热压上升室空间S1中的压力升高的获得不是由于由压缩和/或气体从压缩室空间S2的流入引起的密度增加，而是由于来自电弧的高温气体引起的温度增加。因此，虽然电流切断后，温度继续增加，当气体流出喷嘴7时，压力减至与充气气氛的压力基本相同，热压上升室空间S1的气体密度已经显著减少至低于初始值(它与充气气氛内的气体密度相同)的水平。
为在供电系统事故后保持稳定的供电，要求气体电路断路器具有高速电极重关闭切断性能，在这种断路器中，作为装置的一个规范，电极在一次切断后立即重关闭，从而立即实现另一次切断。当热压上升室空间S1中的气体密度在一次切断后十分低时，在一次切断后立即实现重切断时就十分困难获得一个相当高的压力上升值。此外，即使压力升高，但吹至电弧的是低密度气体，因此切断性能恶化。高速电极重关闭的切断性能恶化是一个严重问题，作为一个解决方案，要求增加压缩室空间S2的气体压缩横截面面积，或增加驱动能。在气体电路断路器中，在断路器的阻尼器上作用着增大的负载量，因而阻尼器的尺寸增大。
一般，气体电路断路器应用一个以油压或类似物进行操作的阻尼器，其目的是减少紧临电极打开操作完成前的可移动部分的速度，从而此部分可在低冲击下停顿。虽然上文已阐述过，在应用可移动汽缸压缩气体的吹气型气体电路断路器中，不希望过度的压力增大，因为这将增加驱动能，但就所考虑的紧临电极打开操作完成前的压缩室中的压力升高而言，又需要减小速度，而且也减轻了在阻尼器上的负载。在具有图1所示结构的气体电路断路器中，压缩室空气S2中的压力升高受放泄阀的限制，在最后阶段，它被凹槽3d进一步降低。这样，当电极打开操作完成时，压力升高基本成为零。因而压缩室空间S2中压力升高引起的可移动部分的速度降低效应不可能发生，因此速度降低只能由装配的阻尼器承担。结果，必须增加阻尼器的尺寸。
如上所述，为解决切断性能恶化及设备装置增大的问题，包括驱动机构在内的整个断路器的尺寸必须增加以改进性能。但是断路器尺寸的增大将造成气体电路断路器的生产和运行在经济上处于不利位置，因此这是不希望的。
本发明的目的是提出一种具有高电流切断性能及应用低驱动能进行操作的气体电路断路器，它尺寸小巧、经济性能好，在其切断电流操作期间，在热压上升室空间中可获得对切断性能有影响的高的压力升高，从而压缩室空间中的压力升高被压缩至一个最小的必要极限，而可移动部分的运动在紧临电极打开操作前可有效地减慢。
为达到上述目的，根据本发明的第一方面，提出了一种气体电路断路器，该断路器包括：
一个充满着一种电弧熄灭气体的容器；
一个固定触头部分，它被固定在容器内，固定触头部分具有一个固定电弧触头；和
一个可移动触头部分，它面向固定电弧触头而布置，
可移动触头部分还包括：
一根中空操作杆，此操作杆具有一个面向固定电弧触头的前端部分和一个远离固定电弧触头而设置的后端部分，操作杆在其后端部分具有一个排气孔，能直线地向前移向固定电弧触头，也能直线地在相对方向向后移动；
一个中空可移动汽缸，该可移动汽缸与操作杆成同轴布置，并与之分隔开，以便围绕操作杆的靠近前端部分的部分外表面，还具有一个固定至操作杆前端部分的外周边部分上的法兰，以便密封外周边部分与可移动汽缸外表面之间的间隙；
一个中空可移动电弧触头，该可移动电弧触头安装在操作杆的前端部分上，以便面向固定电弧触头，并能与之接触；
一个绝缘喷嘴，它安装在可移动汽缸的法兰上，用以围绕可移动电弧触头，并与之隔开一个间距，绝缘喷嘴和可移动电弧触头构成一条第一流动路径，以便可移动汽缸的内侧与充满电弧熄灭气体的容器中的气氛能通过位于可移动汽缸法兰中的第一开口相互联通；
一根中空固定支承管，它与操作杆成同轴布置，用以围绕操作杆不同于前端部分的部分外表面，固定支承管具有一个固定至容器的后端部分、一个面向可移动汽缸的法兰的前端部分，还包括一块活塞板，该活塞板具有一个限定其内径，并制作成能在操作杆外表面滑移的部分，和一个限定其外径，并与固定支承管的外表面齐平的部分，且固定支承管在靠近后端部分的一个部分上具有一个与充满着气体的容器气氛相联通的第二开口，一个由支承管的内表面、操作杆的外表面及活塞板限定的空间，以便形成气体的第二流动路径，固定支承管制成相对可移动汽缸是可插入和可移出的；
一块分隔板，它设置在可移动汽缸的后端部分，并构成一个由操作杆外表面和可移动汽缸内表面围绕的第一空间，一个限定分隔板内径的部分成形成可在固定支承管的外表面上滑移，而一个限定分隔板外径的部分则是大于可移动汽缸的外径；
一个电流收集汽缸，它设置成与操作杆同轴，电流收集汽缸的一部分制成可在一个限定可移动汽缸的分隔板外径的部分上滑移，它在其前端部分具有一块电流收集板，该收集板可在可移动汽缸的外表面上滑移，并与之进行电接触，在其后端部分具有一块固定至固定支承管的支承板，电流收集汽缸与分隔板、固定支承管及支承板一起构成一个第二空间，它在其中央部分的内表面上沿着操作杆的轴向具有若干雕刻成与轴向平行的凹槽，还具有若干在电流收集汽缸的一部分上、从内表面穿透至外表面的联通孔，这些联通孔位于若干凹槽和电流收集板之间；和
一个止回阀，该止回阀设置在分隔板上，用于使第一空间和第二空间相互联通。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，电流切断操作期间，操作杆从可移动电弧触头与固定电弧触头啮合的状态向后推动，可移动电弧触头与固定电弧触头分开，第二空间中的气体被分隔板压缩，而由电流切断操作产生的电弧所形成的高温气体则通过第一流动路径流入第一空间，从而加热第一空间，引起压力上升。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，电流切断操作期间，当限定可移动汽缸的分隔板外径的部分移至一个面向电流收集汽缸若干凹槽的部分时，在第二空间中受压缩的气体通过若干凹槽和若干联通孔向外流至充满着电弧熄灭气体的容器的气氛中，从而减少第二空间中的压力。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，电流切断操作期间，当限定可移动汽缸的分隔板外径的部分移出并通过一个面向电流收集汽缸若干凹槽的部分时，在第一空间中、具有压力上升的气体通过第一流动路径向外流至充满着电弧熄灭气体的容器的气氛中，从而熄灭电弧。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，操作杆具有一个第三开口，此第三开口与位于固定支承管和操作杆之间的第二流动路径相联通，由电弧形成的高温气体通过操作杆的中空部分、第三开口和第二流动路径向外流至充满着电弧熄灭气体的容器的气氛中。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，电流切断操作期间，当限定可移动汽缸的分隔板外经的部分通过一个面向电流收集汽缸若干凹槽的部分，并继续移动、靠近支承板时，设置在分隔板上的止回阀打开，从而在第二空间中的、压力上升的气体向外流至第一空间中。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，分隔板和可移动汽缸是一体制成的。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，分隔板制作成一件与可移动汽缸分开的构件。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，电流收集汽缸包括一个外汽缸和一个内汽缸，而若干凹槽成形成穿透通过内汽缸的开口部分。
此外，气体电路断路器可具有一种结构，其中，操作杆具有一个第四开口，该第四开口在固定电弧触头和可移动电弧触头相互分开后，即刻与固定支承管和操作杆之间的第二流动路径联通，而由于固定电弧触头和可移动电弧触头相互分开所产生的电弧造成的高温气体通过操作杆的中空部分、第四开口和第二流动路径向外流至充满着电弧熄灭气体的容器中。
根据本发明的第一方面，在电极打开操作的初始阶段，在由可移动汽缸后端的分隔板、固定支承管和在其前端的活塞板等形成的第一空间(热压上升室空间)中的气体受到具有小直径及小横截面面积的固定活塞板的压缩，从而压力略为上升。在此期间，在由可移动汽缸后端部分的分隔板、电流收集汽缸等形成的第二空间(压缩室空间)中的气体受到位于压缩室侧的分隔板表面的压缩。在电极打开操作的初始阶段，压缩室空间的压力上升设置成高于热压上升室空间的压力上升。在此时刻，设置在分隔板上的止回阀由于可移动操作的加速运动而打开，气体从压缩室空间流至热压上升室，从而热压上升室空间中的初始气体密度和压力上升。
随着电极打开操作继续进行，固定电弧触头和可移动电弧触头相互分开，由于高电流在其间产生了电弧。结果，由电弧形成的高温气体开始流入热压上升室空间，热压上升室空间的温度增加，从而迅速增加压力。此外，伴随着压缩室空间的压力，热压上升室空间的压力进一步上升。在此状态下，设置在位于可移动汽缸后端的分隔板上的止回阀关闭。
与此同时，在压缩室空间中，流至热压上升室空间的气体被截断，因此压力开始进一步增加。但是，正在此时左右，压缩室空间通过设置在电流收集汽缸中间部分的内表面上的凹槽与充气气氛相联通。因此，在压缩室中的气体压力迅速下降，从而压力上升能保持在一低值。由于这一效应，对抗驱动力的反作用力能保持于低水平，驱动能可减少。
此外，热压上升室空间继续受到具有小横截面的活塞板的压缩，因此压力上升值的降低被抑止。这样，在切断电流零点时，压力上升值仍能保持在一个接近于压力上升峰值的高值，因而能继续获得高的电流切断性能。此外，随着电极打开操作进一步进行至接近电极打开操作完成的阶段，由于凹槽被设置成具有一长度，压缩室空间和充气气氛之间的联通关闭，压缩室中的压力重又迅速增加，以致高于热压上升空间的压力。结果，设置在位于可移动汽缸后端的分隔板上的止回阀打开，从而气体从压缩室空间流入至热压上升室空间。由于这一效应，在切断后下降的热压上升室空间中的气体密度又增加，因此，阻止了高速电极重关闭切断性能的恶化。
此外，由于压力上升，可移动部分的速度减低，因而装备于装置中的阻尼器的尺寸可减小。还有，在电极打开操作期间，从电弧流至操作杆中空部分的气体在操作的初始阶段流入热压上升室空间，因此在此室空间中的温度增加。这样，热压上升室空间中的压力能有效地增加。
根据本发明的第二方面，提出了一种气体电路断路器，该断路器包括：
一个充满着一种电弧熄灭气体的容器；
一个固定触头部分，它被固定在容器内，固定触头部分具有一个固定电弧触头；和
一个可移动触头部分，它面向固定电弧触头而布置，
可移动触头部分还包括：
一根中空操作杆，此操作杆具有一个面向固定电弧触头的前端部分和一个远离固定电弧触头而设置的后端部分，操作杆在其后端部分具有一个排气孔，能直线地向前移向固定电弧触头，也能直线地在相对方向向后移动；
一个中空可移动汽缸，该可移动汽缸与操作杆成同轴布置，并与之分隔开，以便围绕操作杆的靠近前端部分的部分外表面，还具有一个固定至操作杆前端部分的外周边部分上的法兰，以便密封外周边部分与可移动汽缸外表面之间的间隙；
一个中空可移动电弧触头，该可移动电弧触头安装在操作杆的前端部分上，以便面向固定电弧触头，并能与之接触；
一个绝缘喷嘴，它安装在可移动汽缸的法兰上，用以围绕可移动电弧触头，并与之隔开一个间距，绝缘喷嘴和可移动电弧触头构成一条第一流动路径，以便可移动汽缸的内侧与充满电弧熄灭气体的容器中的气氛能通过位于可移动汽缸法兰中的第一开口相互联通；
一块分隔板，它设置在可移动汽缸的后端部分，并构成一个由操作杆外表面和可移动汽缸内表面围绕的第一空间，一个限定分隔板内径的部分成形成可在操作杆的外表面上滑移，而一个限定分隔板外径的部分则是大于可移动汽缸的外径；
一个电流收集汽缸，它设置成与操作杆同轴，电流收集汽缸的一部分制成可在一个限定可移动汽缸的分隔板外径的部分上滑移，它在其前端部分具有一块电流收集板，该收集板可在可移动汽缸的外表面上滑移，并与之进行电接触，在其后端部分具有一块固定至容器的支承板，支承板限定内径的一部分成形成能在操作杆上滑移，电流收集汽缸与分隔板、操作杆及支承板一起构成一个第二空间，它在其中央部分的内表面上沿着操作杆的轴向具有若干雕刻成与轴向平行的凹槽，还具有若干在电流收集汽缸的一部分上、从内表面穿透至外表面的联通孔，这些联通孔位于若干凹槽和电流收集板之间；和
一个止回阀，该止回阀设置在分隔板上，用于使第一空间和第二空间相互联通。
在本发明第二方面提出的气体电路断路器中，电极打开操作期间，只有第二空间(压缩室空间)中的气体才受到压缩。在电极打开操作的初始阶段，设置在位于可移动汽缸后端的分隔板上的止回阀打开。气体流入第一空间(热压上升室空间)的效应，还有当热压上升室空间内的压力上升由于电弧而增加时引起止回阀关闭，从而禁止气体从热上升室空间流至压缩室空间的效应都可像本发明第一方面那样地获取。此外，在电极打开操作的中间，当位于可移动汽缸后端的分隔板的外径部分到达位于电流收集汽缸中的凹槽的前端时，压缩室空间通过电流收集汽缸前端的豁口凹槽、汽缸的联通孔等与充气气氛联通，从而降低压力上升。在电极打开操作的最终阶段，压缩室空间和充气气氛之间的联通关闭，因此，气体压力增加。结果，止回阀打开，从而气体从压缩室空间输入至热压上升室空间。此效应与本发明第一方面的效应相似。
本发明的其它目的和优越性将在下面的详细说明中变得更加明晰，并可借助下文具体指出的手段及它们的组合加以实现和获取。
说明书中包含的附图构成说明书的一个部分，它们示出了本发明的最佳实施例，并与上述总体说明及下文给出的最佳实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。
图1是一种常规气体电路断路器主要部分的横截面图，中心线的下半部展示电极关闭状态，而中心线以上的上半部则展示切断完成的状态；
图2是一个特性图表，它展示常规气体电路断路器的各种特性，诸如电极打开时的切断电流、电极运动距离(电极打开行程)，以及热压上升室空间中的压力上升；
图3是一种气体电路断路器的横截面图，断路器处于电极关闭操作；
图4A至4C是表示图3所示气体电路断路器的电极打开操作各阶段状态的图表，图4A表示电极打开操作初始阶段的断路器上半部的横截面图，图4B表示电极打开操作中间阶段的断路器的横截面图，而图4C表示电极打开操作中最后阶段的断路器的横截面；
图5表示图3所示气体电路断路器处于电极打开操作完成时的上半部横截面图；
图6是一个特性图表，它展示图3所示气体电路断路器的各种特性，如电极打开时的切断电流、电极运动距离(电极打开行程)，以及热压上升室空间中的压力上升；
图7是根据本发明第二实施例提出的一种气体电路断路器主要部分上半部的横截面图，断路器正处于电极关闭状态；
图8是根据本发明第三实施例提出的一种气体电路断路器主要部分上半部的横截面图，断路器正处于电极关闭状态；
图9是根据本发明第四实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图，断路器正处于电极关闭状态；
图10是根据本发明第五实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图，断路器正处于电极关闭状态；
图11是根据本发明第六实施例提出的一种气体电中断路器主要部分的横截面图，断路器正处于电极关闭状态。
现在将结合附图对本发明的实施例进行说明。
(第一实施例)
图3是根据本发明第一实施例提出的一种气体电路断路器的横截面图，图4A至4C是表示图3所示气体电路断路器的电极打开操作的初始、中间和最终阶段的横截面图，而图5则是表示电极打开操作完成状态的横截面图。应指出的是，关于可移动触头部分的位置，将静止触头部分侧定义为前侧，而相对侧定义为后侧。
由图3可见，固定触头部分110和可移动触头部分120相互面对地布置在一个充满着一种电弧熄灭气体的容器100内。固定触头部分110由固定电弧触头101和围绕触头101放置的固定导电触头102构成。
可移动触头部分120包括一根在其前端部分具有一个环形法兰103a的中空操作杆103，和一个可移动汽缸104，该汽缸104连接至操作杆103法兰103a的背部，并在其后端部分具有一块由一个小内径部分104a和一个大外径部分104c构成的分隔板。
可移动触头部分120还包括一个由支承构件112加以支承的固定电流收集汽缸109。电流收集汽缸109的直径大于可移动汽缸104的直径，因而可移动汽缸104能插入至汽缸中，或从其中移出。汽缸109具有一块电流收集板111，电流收集触头111a安装在其前端部分，电流收集板111在其于可移动汽缸104上滑移时，与可移动汽缸104的外表面进行接触，从而形成一条低电阻的导电路径。此外，分隔板的大外径部分104c设计成在电流收集汽缸109的内表面上进行滑移。
电流收集汽缸109具有一个装配在汽缸109内侧的内汽缸113。内汽缸113在中部具有若干沿轴向的凹槽113a，它们从内表面穿透至外表面，而在远端部分的轴向上有豁口凹槽或联通孔113，它从内表面穿透至外表面。在电流收集板111的附近，在电流收集汽缸109的远端制作了另一个联通孔109a，它与联通孔113b是对准的。此外，在电流收集汽缸109内侧设置了一块活塞板108a，它在其背部具有一根固定至支承板112上的支承管108b。
还有，在操作杆103的法兰103a的前侧设置有一个中空可移动电弧触头105，它与法兰103a相连接。可移动电弧触头105具这样的一种结构，其中若干指状物相互分隔地布置在想像中的汽缸上。在图3所示的横截面中，展示了一个指状物的投影图，因为横截面是沿指状物之间的间隙部分截取的。围绕可移动电弧触头105设置了可移动导电触头106和一个包围可移动电弧触头105的绝缘喷嘴107。
在可移动触头部分120中，活塞板108a的内径设置成基本与操作杆103的外径dr相等(或略大于)，而活塞板108a的外径dsp设置成基本与可移动汽缸104后端的小内径部分104a(此后将称为分隔板)的内径相等(或略小于)。在电极关闭状态，活塞板108和支承管108b插入至分隔板小内径部分104a的内径部分。在电极打开操作期间，操作杆103的外表面在活塞板108a的内径部分上滑移，而分隔板小内径部分104a的内径部分在活塞板108a及活塞板的支承管108b的外径部分上滑移。
分隔板的大外径部分104c的外径设置成基本与内汽缸113的内径dcc相同(或略小于)。这样，大外径部分104c插入至内汽缸113的内径部分中，在打开/关闭操作期间，大外径部分104c在内汽缸113的内径部分上滑移。
在上述结构中，在可移动汽缸104的内侧，操作杆103的法兰103a和分隔板小内径部分104a之间形成了一个由分隔板小内径部分104a、活塞板108a、支承管108b和操作杆103包围的热压上升室空间S1。在小内径部分104a的后侧形成了一个由内汽缸113、分隔板的小内径部分104a和大外径部分104c、支承管部分108b及支承板112包围的压缩室空间S2。
此外，在分隔板的小内径部分104a上设置了一个止回阀116，该阀116使气体得以从压缩室空间S2流至热压上升室空间S1，并禁止相反方向的气体流动。在支承板112上，设置了止回阀117，该阀117使气体得以从充气气氛中流至压缩室空间S2，并禁止相反方向的气体流动。在构成压缩室空气S2的内汽缸113a的中间部分，沿轴向设有若干从内表面穿透至外表面的凹槽113a。在内汽缸113的前端部分设置了若干从内表面穿透至外表面的豁口凹槽113b或联通孔109a。
凹槽113a的位置和长度调节成，断路器电极打开操作期间，固定电弧触头和可移动电弧触头相互分开(位于图3中可移动部分的运动距离为X1的位置)后的短暂时间之后，压缩室空间S2能通过内汽缸113的豁口凹槽113b和电流收集汽缸的联通孔109a与充气气氛相联通，而在接近电极打开操作完成的位置(位于图3中运动距离为X2的位置)，关闭其联通。
操作杆103成形成能在其轴向借助驱动装置(未表示)往复运动，而用作排气孔的豁口凹槽103b则设在比图1所示的常规情况更为向前的位置。即，操作杆103的排气孔103b成形成，它们位于活塞108的前侧，当活塞108a被推出到极限时，可移动电弧触头105的中空部分、操作杆103的中空部分和热压上升室空间S1在图4A所示的状态移至图4B所示状态的电极打开操作的初始阶段相互联通。在图4C所示的电极打开操作的后阶段，操作杆103的排气孔103b用于使可移动电弧触头105的中空部分和操作杆103的中空部分通过由支承管108b和操作杆103形成的中空部分及支承板112的排气孔112a与充气气氛相联通。
在紧接操作杆103的排气孔103b之后的部分，设置了一件气体流动制止构件103c。设置气体流动制止构件103c是为了切断从操作杆103的前部分至后部分的流动路径，引发气体从排气孔103b排出。
另外，虽在图3中未表示，但可在容器100中被一对切割线夹住的部分分别设置两个导体，每个导体被套筒包围。两个导体中的每一个与固定触头部分110及与电流收集汽缸109接触的支承构件112中的相应一个相连接，从而用作由电路断路器进行切断的外电路的外电极。
接着，现在将结合图3至6对第一实施例的运行进行说明。
首先，在图3所示的电极关闭状态，电流从固定触头部分110的固定导电触头102流至可移动导电触头部分120的可移动导电触头106，接着通过电流收集触头111a流至电流收集汽缸109。在电极关闭状态，当驱动装置(未表示)的驱动力沿箭头D所示方向作用，操作杆103在箭头方向运动时，包括操作杆103在内的可移动部分，即操作杆103、与之连接的可移动汽缸104、可移动电弧触头105、可移动导电触头106以及喷嘴107如一个一体组件似地沿箭头D所示的方向运动。
在电极打开操作期间，压缩室空间S2中的气体受压缩横截面面积π(dcc2-dsp2)/4的压缩，而热压上升室空间S1气体受压缩横截面面积π(dsp2-dr2)/4的压缩。在电极打开操作中，首先，固定导电触头102和可移动导电触头106相互分开，某个延迟后，固定电弧触头101和可移动电弧触头105分开，从而在固定电弧触头101和可移动电弧触头105之间产生电弧。
图4A展示了固定电弧触头101和可移动电弧触头105相互分开的瞬间。从电极打开操作开始至图4A所示的状态，在可移动部分上作用着很大的加速度，因而止回阀116打开。此外，当压缩室空间S2的压缩横截面面积π(dcc2-dsp2)/4设置成大于热压上升室空间S1的压缩横截面面积π(dsp2-dr2)/4，且热压上升室空间S1中的“初始体积/由于活塞板108a在最大距离运动而缩减的体积”设置成大于压缩室空间S2中的“初始体积/由于分隔板104a和104c在最大距离上运动而缩减的体积”时，在电极打开操作的起始阶段，气体如图4A中箭头124所示地从压缩室空间S2流至热压上升室空间S1，从而增加热压上升室空间S1的起始气体密度。
随着电极打开操作的进展，如图4B可见，固定电弧触头101与可移动电弧触头105之间的距离加长，当瞬间电流值很大时，电弧121就具有很高的能量，并产生大量高温气体。当喷嘴107如图4B所示地尚未完全打开时，高温气体如高温气体流122a所示地从电弧吹出喷嘴107。同时，高温气体产生一股流经喷嘴107内侧与可移动电弧触头105外侧之间流动路径的高温气流122c，和一股流经可移动电弧触头105的高温气流122b，这些气流通过法兰103a中的开口及排气孔103b进入热压室空间S1，从而增加内部温度并提高压力。
除了由于高温气流提高压力外，再加上活塞板108a的压缩，在一个短时间内，热压上升室空间S1的压力上升值变得大于压缩室空间S2的压力上升值。在此时刻，由于压缩室空间S2中压力上升产生的反作用力，可移动部分的加速度已经很小。因而如图4B所示，由于热压上升室S1和压缩室空间S2之间的压力差，止回阀116就很容易地关闭，这样，从压缩室空间S2至热压上升室空间S1的气流被禁止。
假如电流值很大，则即使在电极打操作从图4B所示状态继续进行，操作杆103的排气孔103b移至相对活塞板108a的后部的情况，流至热压上升室空间S1的高温气流122c仍能保持。这样，热压上升室空间S1的温度升高，高的压力上升值得以保持。
与此同时，随着压缩室空间S2中的压力上升被电弧121急剧增加，分隔板的大内径部分104c到达如图4B所示的、位于内汽缸113中部的凹槽113a的前端部分(即可移动部分的运动距离为X1)，压缩室空间S2通过内汽缸113内径与可移动汽缸104外径之间的间隙、位于内汽缸113前远端的豁口凹槽113b和电流收集汽缸109的联通孔109a与充气气氛联通。结果，压缩室空间S2中的气体如箭头125所示地泄放至充气气氛中，压缩室空间S2中的压力下降。因而，对驱动力的反作用力下降，电极打开操作就可以低能量进行。
图4C表示电极打开操作继续进行，达到紧临电极打开操作完成前阶段的状态。在此状态下，喷嘴107完全打开，操作杆103的排气孔103b向着活塞板108a的后部分开口。结果，当电流值变小时，充满喷嘴107喉管部分的主高温气体消失，气体如所示气流123似的流出热压上升室空间S1。气流继续变成一股气流123a，并喷出喷嘴107。同时，产生了一股气流123b，它通过可移动电弧触头105的中空部分和操作杆103的中空部分后喷射至充气气氛。这样，电弧121被这两个方向上的气流强烈冷却，并在电流零点熄灭，从而切断电流。应指出，图4C展示的一是一个电流能切断的典型状态。在此状态之前，喷嘴107是完全打开的，而排气孔103b则向着活塞板108a的后部开口。因此，电流能在此时间切断。
在电流能被切断的状态之前，热压上升室空间S1的压力上升除去由于高温气体从电弧流入空间S1使温度增加这一主要原因外，由于在电极打开操作起始阶段发生的密度增加，以及活塞板108a的压缩效应而已足够高。第一实施例提出的断路器与图1所示常规气体电路断路器的不同之处在于，从电流峰值附近达到最大的压力上升值(压力上升峰值)降低至电流零点处的压力上升值的压力下降程度是低的，这是因为存在热压上升室空间S1受活塞板108a压缩的效应。由于这一效应，能在电流零点处获得高的压力上升值，从而获得高的电流切断性能。
在图4C所示的电极打开操作完成前瞬间的状态中，分隔板的大外径部分104c移至位于内汽缸113中间部分轴向方向的凹槽113a的后端部分之外(可移动部分的运动距离大于图3所示的X2)，压缩室空间S2和充气气氛之间的联通被关闭。因此，在此之后，压缩空间S2中的压力再一次升高。
图5表示电极打开操作进一步进行，并达到电极打开操作完成位置的状态。在此状态下，操作杆法兰103a与活塞板108a之间在热压上升室空间S1中的距离被定义为LCE1，而分隔板小内径部分与压缩室空间S2的后端之间的距离被定义为LCE2。这些距离中的每一个都被设置成能确保机械间隙、避免碰撞的最小值，或高一些。
电流在图4C所示的状态中被切断后，热压上升室空间S1中的气体继续从喷嘴107向外流出。因此，空间S1中的压力变得接近于充气气氛中的压力，密度下降。但是，当压缩室空间S2的压力上升值由于再一次受压缩而变得高于热压室空间S1的压力上升值时，止回阀116打开，压缩室空间S2中的气体流入热压上升室空间S1。这样，热压上升室空间S1中的密度增加。由于这一效应，高速电极重新打开切断性能，即紧接第一切断后，电极关闭，电流在其后被立即切断，得以加强。此外，紧临电极打开操作完成前的压缩室空间S2中的压力上升对可移动部分速度的减慢是有效的。
可移动部分在电极打开操作中的运动位置(行程)、热压上升室空间S1中的压力上升和压缩室空间S2的压力上升的计算结果示于图6。
由图6可见，直至紧临两个电弧触头相互分开之前，压缩室空间S2的压力上升高于热压上升室空间S1的压力上升。因此，气体从压缩室空间S2输至热压上升室空间S1。产生电弧后，热压上升室空间S1的压力迅速增加，而压缩室空间S2的压力上升已下降至低值，因为空间S2通过凹槽113b与充气气氛相联通。电弧时间约长为20ms；但是，热压上升室空间S1在电流零点的压力上升保持在接近压力上升峰值的值。此外，可清楚地看到，紧临电极打开操作之前，压缩室空间S2中的压力迅速增加，气体被输入至热压上升室空间S1中。
此外，在图5所示的状态之后，即电极打开操作完成之后，电极关闭操作开始。接着，当压缩室空间S2中的压力减少时，止回阀117打开，这样，气体从充气气氛输入至压缩室空间S2中，从而阻止压缩室空间S2中压力的下降。同时，当热压上升室空间S1的压力开始下降时，止回阀116打开，这样，气体就从压缩室空间S2输入至热压上升室空间S1中，从而阻止热压上升室空间S1中压力的下降。
如上所述，在第一实施例中，电极打开操作初始阶段的气体密度增加效应及小径活塞部分的压缩效应加入至由电弧热能获得的压力上升效应，因而能获得热压上升室空间S1中的高的压力上升。特别，小直径活塞的压缩效应的加入使它可能抑制电流零点时的压力上升的减少，从而能获得高的切断性能。
此外，在图4B所示状态之后，直至紧临电极打开操作完成之前，压缩室空间S2中的压力上升能保持一个低值，因此，对驱动力的反作用力能减少。结果，驱动能能减少，同时能获得高的打断性能，因为热压上升室空间S1中具有高的压力上升。
(第二实施例)
图7是本发明第二实施例提出的气体电路断路器主要部分的横截面图。从此实施例起，与第一实施例相同的结构件将采用相同标号标出，而其解释将不再重复。
由图7可见，在第二实施例中，可移动汽缸104的后端，即分隔板的小内径部分104a被推向后，或分隔板的大外径部分104c被拉向前(位于电流收集汽缸9远端的电流收集板111相应地前进)，这样，小内径部分104a的后端表面和大外径部分104c的后端表面形成同一平面。因此，活塞板108a的前端表面所在的位置与完全重新布置状态下的分隔板小内径部分104a的前端表面的位置基本相同。这时，分隔板的大外径部分104c被推向前。这里，为确保可移动汽缸外表面在位于电流收集汽缸109远端的电流收集板111上的滑移距离，制作了这样一种结构，即可移动汽缸104覆盖了操作杆的法兰103a。不同于分隔板小内径部分104a和大外径部分104c周边的部分则与第一实施例中的那些部分相同，因此对它们的解释不再赘述。
接着，现在将对本发明的第二实施例的运转进行说明。
热压上升室空间S1中的气体受压缩横截面面积π(dsp2-dr2)/4的压缩，而压缩室空间S2中的气体受压缩横截面面积π(dcc2-dsp2)/4的压缩。在热压上升空间S1和压缩室空间S2的每一空间中的压力上升进程、止回阀116在从电弧触头分开及电弧产生至切断，即切断运转的完成、及止回阀116和117在电极关闭操作中的运转都与图4A至4C所示的第一实施例的相同。采用第二实施例，可获得图6所示的压力上升特征。即，与第一实施例相似，在第二实施例中，在电极打开操作初始阶段的气体密度增加效应及活塞部分的压缩效应加入至由电弧热能获得的压力上升效应中。因此能获得高的压力上升。此外，它能抑制压力上升在电流零点时的下降，这样就能得高的切断性能。
此外，直至紧临电极打开操作完成前，压缩室空间S2中的压力上升能借助凹槽113a保持于低值，因此对驱动力的反作用力能减少。结果，驱动能能减少，同时由于热压室空间S1中的高的压力上升，能获得高的切断性能。此外，如在第一实施例一样，压缩室空间S2的压力是在电极打开操作完成之前的瞬间升高的，止回阀116打开使气流得以从压缩室空间S2流至热压上升室空间S1，从而恢复热压上升室空间S1中的密度。结果，高速电极重新关闭切断性能能得到加强。另外，紧临电极打开操作完成臆的压缩室空间S2的压力上升，如在第一实施例中一样，能被用于减慢可移动部分的速度。
按照本发明的第二实施例，可移动汽缸的结构可加以简化，从而能降低生产成本。
(第三实施例)
图8是本发明第三实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图。
如图8所示，在第三实施例中，包括分隔板104a和104b在内的部件被设置成与可移动汽缸104分开的构件114(将称为后端滑移板)，止回阀116设置在可移动汽缸104的后端部分，并处于后端滑移板114之内，用以使气体能从压缩室空间S2进至热压上升室空间S1。不同于可移动汽缸104和后端滑移板114的周边的其余部分则与第二实施例的那些部分相同，因而对它们的说明将不再重复。
就止回阀116部分而言，第三实施例的结构较上述实施例简单。此外，后端滑移板114制作成一件与可移动汽缸104分开的小尺寸构件，因而配置止回阀的过程容易。同时，设计成可夹持后端滑移板114的可移动汽缸104的后端部分可设置一件防脱落构件，用以防止构成止回阀的零件的脱落，即可以是一个弹簧或类似物(未表示)。
如上所述，根据第三实施例，除可获得第一实施例相同的运行效果外，气体电路断路器的整体结构得以简化，从而能得到生产成本的下降。
(第四实施例)
图9为本发明第四实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图。
如由图9可见，在第四实施例中，第一实施例中的电流收集汽缸和装配于其中的内汽缸被制作成一件一体组件的电流收集汽缸109，若干凹槽109b则沿轴向设置在电流收集汽缸109中间部分的内径部分上，并使凹槽不穿透至外径部分。此外，在凹槽109b的前头部分设置了若干联通孔109a，它们从内径穿透至外径。采用这一结构时，分隔板大外径部分104c的外径部分在电流收集汽缸109的内径部分滑移。不同于电流收集汽缸109周边的其余部分则与第一实施例的那些部分相同，因而对它们的说明将不再重复。
如上所述，根据第四实施例，除可获得第一实施例的优越性外，还能获得以下的优点。即，由于在电流收集汽缸109内径部分的中间部分沿轴向设置了若干凹槽109b，且凹槽不穿透至外径部分，因而零件数目减少、结构简化，虽然与第一至第三实施例中内汽缸的联通孔113a的加工相比，凹槽的加工必然会略为困难。
(第五实施例)
图10是本发明第五实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图。
由图10可见，在第五实施例中，操作杆103的排气孔103b从电极关闭状态时刻起，就设置在活塞108a之后的部分上，或在电极打开操作期间，最迟在固定电弧触头101和可移动电弧触头105相互刚分开后，就移动到达活塞108a之后的部分，从而将操作杆103的中空部分和充气气氛加以联通。不同于电流收集汽缸109周边的其它部分则与第一实施例的相同，因此其解释将不再在此重复。
如上所述，根据第五实施例，固定电弧触头101和可移动电弧触头105相互分开后，高温气从所产生的电弧通过可移动电弧触头105的中空部分流入操作杆103的中空部分，不再流入热压上升室空间S1，而是通过操作杆103的排出孔103b立即排至支承管108b的中空部分，然后通过支承板112的排气孔112a排至充气气氛。因此，由于电弧的加热不如第一至第四实施例中的那样高，热压上升室空间S1的压力上升效果或压力上升较低。但是，当固定电弧触头101和可移动电弧触头105被电极打开操作分开，从它们之间产生电弧时刻起，然后电弧熄灭，至电弧打开操作完成，能获得的效应则与第一实施例的相同。
此外，高的压力上升涉及在电流零点的压力下降较少，在热压上升室空间S1中仍能获得高的压力上升。同时，在压缩室空间S2中的压力仍保持于低点，因此，尽管能获得高的切断性能，驱动能仍能减少。此外，当电极打开操作完成时，气体从压缩室空间S2输入热压上升室空间S1，因此，高速电极重关闭切断性能能得以加强。
(第六实施例)
图11是根据本发明第六实施例提出的一种气体电路断路器主要部分的横截面图。
如图11所示，根据第六实施例，分隔板小内径部分104a的内径设置成基本与操作杆103的外径相同，并取消第五实施例中的活塞。压缩室空间S2由位于支承板112前端的小内径部分112b加以密封，操作杆103在其滑移同时受到支承。此外，在电极关闭状态，操作杆103的排气孔103b位于支承板112前端的小内径部分112b之后，从而可移动电弧触头105的中空部分和操作杆103的中空部分与充气气氛联通。不同于可移动汽缸104及操作杆和支承板112中每一周边的其它部分则与第一实施例的相同，因此解释在此不再重复。更具体地说，根据图4A至4C和图5所作的说明基本可用于第六实施例。此外，分隔弧104a和104c可制作成具有图8所示的结构，而电流收集汽缸可制作成具有图9所示的结构。
如上所述，根据第六实施例，电极打开操作期间，只有压缩室空间S2中的气体受压缩。在电极打开操作初始阶段，设置在分隔板小内径部分104a上的止回阀116打开，可获得与第一实施例中气体流入热压上升室空间S1的相同效应。此外，也可获得第一实施例的另一效应，即当然压上升室中的压力上升由于电弧增大时，止回阀关闭，从而禁止气体从热压上升室空间S1流入压缩室空间S2。
另外，还是在本发明中，在电极打开操作的过程中间，当运动距离为X1，分隔板的大外径部分104c越过内汽缸113的凹槽113的前端部分时，压缩室空间S2就通过位于内汽缸113前端的豁口凹槽113b、电流收集汽缸109的联通孔109a等与充气气氛联通，从而减少压力上升。当可移动部分的运动距离在电极打开操作最后阶段达到X2时，压缩室空间S2和充气气氛间的联通关闭。结果，气体压力增加，止回阀116打开，使气体从压缩室空间S2流至热压上升室空间S1。刚刚说明的效应也与第一实施例的相似。
如上所述，根据第六实施例，电极打开操作后，对于大电流切断，热压上升室空间S1中的气体密度恢复，因此，与常规技术相比，可获得十分良好的高速电极重新关闭切断性能。此外，还能获得可移动部分的高的断路特征。
应指出的是，本发明并不局限于上述实施例，而是可以各种型式加以实现。例如，某些或所有实施例可适当地结合在一起。此外，活塞和可移动汽缸组或电流收集汽缸和内汽缸组的特定结构、这些构件间横截面面积的比例、或热压上升室空间和压缩室空间中每一个的初始体积和最终体积之间的比例均可随意选取。此外，在每个结构中的止回阀、排气孔、凹槽等的数目、形状、尺寸等也可自由设计。
如上所述，与常规气体切断断路器相比，应用本发明可获得下述明显的优越性。即，热压上升室空间中的压力增加，同时将压缩室中的压力上升保持于低值，并降低电流零点处的压力减少。此外，在电极打开操作完成时，使气体从压缩室流至热压上升室，从而阻止热压上升室中气体密度的下降。结果，可提供一种经济性能很高的气体电路断路器，它具有高的切断性能及小巧的尺寸，并能以低驱动能进行运动。
另外，根据本发明，在电极打开操作期间，只有压缩室空间中的气体受到压缩，而在电极打开操作最后阶段，压缩室和充气气氛之间的联通被关闭。因此，气体压力增加，止回阀打开，从而气体从压缩室空间输入至热压上升室空间。结果，可以提供一种高经济性的气体电路断路器，它具有高的切断性能和小巧的尺寸，并能以低的驱动能进行运动。
对本技术领域普通技术人员来讲显然还有其它的优越性和修改方案。因此，本发明就其更广泛的方面而言，并不局限于文中所示及说明的具体细节和代表性实施例。因而，只要不偏离权利要求及它们等同物限定的总体发明概念的精神或范围，可进行多种修正。