Высоковольтный плавкий предохранитель

 

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ , содержащий установленный вертикально патрон, выполненный из твердого.изоляционного газогенерирующего материала, внутренний и .наружный электроды, соединенные с помоШью плавкой вставки, состоящей из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводя щим наполнителем, верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть, о тл и ч ающи и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и быстродействия при токах перегрузки, верхний герметизирующий наконечник сплавким элементом снабжен дополнительной диэлектрической втулкой, внутренняя полость которой снизу сообщается с i полостью державки, а высокоомная часть плавкого элемента на всю высо (Л ту погружена в жидкий наполнитель.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) Н 01 Н 33/76

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3566255/24-07 (22) 22.03.83. (46) 15.05.84. Бюл. Р 18 (72) A.ß.Çoòoâ (71) Ульяновский политехнический институт (53) 621.316.923 (088.8) (56) 1. Васильев А.A. Электрическая часть станций и подстанций.

Ч. I. М.-Л.,Госэнергоиздат, 1963, с ° 493.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 982113, кл. H 01 Н 33/76, 1981. (54) (57) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, содержащий установленный вертикально патрон, выполненный из твердого, изоляционного газогенерирующего материала, внутренний и ив (. пи А,наружный электроды, соединенные с помощью плавкой вставки, состоящей из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводя, т

" щим наполнителем, верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и быстродействия при токах перегрузки, верхний герметизирующий наконечник с плавким элементом снабжен дополнительной диэлектрической втулкой, внутренняя полость которой снизу сообщается с полостью державки, а высокоомная часть плавкого элемента на всю высоту погружена в жидкий наполнитель.

1092594

Изобретение относится к высоковольтному электроаппаратостроению, а именно к стреляющим плавким предохранителям, производящим гашение электрической дуги в потоке газа, генерированного патроном самого 5 предохранителя под воздействием высокой температуры электрической дуги, и может найти применение для защиты силовых понижающих трансформаторов небольшой мощности на подстанциях 35/0,4-10 кВ и 110/0,410 кВ со стороны их высшего напряжения.

Известно, что главными недостатками современных предохранителей 15

35/110 кВ является их малая чувствительность к токам перегрузки и затягивание в отключении повреждения при токах коротких замыканий небольшой величины., Плавкие вставки этих предохранителей изготавливают из безынерционного хорошо проводящего материала, например меди или серебра, и не могут демпфировать пусковых токов двигателей за трансформатором и токи внешних коротких замыканий на линиях 0,4-10 кВ„ Поэтому, чтобы их отстроить от указанных токов, приходится выбирать плавкие вставки на номинальный ток, превышающий номинальный ток защищаемого трансформатора как минимум в два и более раз.

Для этих целей подошли бы инерционные лавкие вставки, изготавливаемые иэ олова или свинца. Такие вставки можно было бы выбирать по номинальному току трансформатора.

Тогда они были бы способны обеспечивать чувствительность предохранителей к малым перегрузкам трансформа- "О торов и позволяли бы отстраиваться за счет своей массивности от пусковых токов двигателей, питаемых трансформатором,и токов внешних коротких замыка ний на линиях О, 4-10 кВ . Такие 45 плавкие вставки позволяли бы демпфировать, не перегорая, кратковременные всплески нагревов от пусковых токов двигателей и токов коротких замыканий при внешних повреждениях на. линиях 0,4-10 кВ.

Однако предохранители с такими

Плавкими вставками имели бы очень малое быстродействие при коротких замыканиях в трансформаторах со стороны

35 и 110 кВ. Это связано с тем, что на разогрев и испарение тела массивной плавкой вставки требовалось бы большое время. С другой стороны, такие предохранители обладали бы низкой коммутационной способностью. Последнее объясняется большим количеством паров металла от плавкой вставки, внедряющимися в канал электрической дуги внутри патрона. Они способс- 65 твовали бы повышению проводимости в канале дуги, а значит, более трудному ее гашению. Поэтому представляют большой технический интерес решения: обеспечивающие выбор безынерционных плавких вставок для защиты понижающих трансформаторов, способных чувствовать малые перегрузки трансформаторов, быстро работать при токах коротких замыка.ний большой величины, сравнительно быстро срабатывать при токах перегрузок и одновременно "обеспечивать демпфирование (затягивание в срабатывании) при пуске двигателей и внешних коротких замыканиях, отключаемых автоматами и выключателями

04 и 10 кВ.

Известны предохранители, у которых плавкие вставки выполняются из безынерционного материала, например меди, но к вторые чувствительны к токам перегрузок небольшой величины. Характеристики этих плавких вставок из меди и серебра (температура плавления составляет соответственно 1080 и

960 С) могут быть улучшены путем напайки капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 100 и 327 С) .

При расплавлении металла пайки последний растворяет в себе тугоплавкую медь или серебро, вследствие чего вставка быстро разрушается при темпе ратуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки t.1)..

Однако при коротких замыканиях любой величины плавкая вставка перегорает в местах, где нет наплава из олова или свинца. Это объясняется тем, что при этих повреждениях требуется быстрое перегорание предохранителей. Следовательно, для того, чтобы отстроиться от внешних коротких замыканий на линиях 0,4—

10 кВ, потребуется все равно увеличение сечений медной (серебряной) части вставки. Это же потребуют и пусковые токи двигателей и токи намагничивания трансформаторов, возникающие при включении трансформаторов в работу. Ка« известно,, они в 8-10 раз превышают номинальный ток трансформатора, однако длятся не более секунды или десятых ее долей. Поэтому наплав олова или свинца не обеспечит демпфирования этих токов и потребуется отсторойка от них путем увеличения сечения тела самой плавкой вставки. Вместе с тем,этого можно было бы избежать, если бы активизировать отвод тепла от тела плавкой вставки в мо мент возникновения этих токов. Теплоотвод мог бы при пусковых токах и токах внешних коротких замыканий, имеющих сравнительно небольшую величину, демпфировать их, обеспечивая

1092594 необходимое быстрое охлаждение вставки. При коротких же замыканиях на высоковольтном вводе силового трансформатора, когда токи достигают очень больших значений, процесс накопления тепла плавкой вставкой идет, как

5 правило, по адиабатическому закону без отдачи тепла в окружающее пространство, и тогда бы время плавления и количество паров металла в канале электрической дуги определялись бытолько сечением плавкой вставки . В конструкции известного устройства теплоотвод при малых токах недостаточен, поэтому требуется увеличение сечения вставки. A это, в свою очередь,15 снизит коммутационную способность предохранителя и затруднит его работу при малых токах. С другой стороны, наличие наплава олова или свинца может приводить к ложной и неизби-20 рательной работе предохранителей. Дело в том, что при внешних коротких замыканиях будут наблюдаться такие разогревы плавкой вставки, которые будут приводить к постепенному скатыванию шарика наплава с тела вставки, а это будет приводить к нечувствительности ее к перегрузочным токам, которые возникнут после скатывания наплава. Вместе с тем, наоборот, могут возникать условия, когда вставка будет срабатывать ложно — при пусковых токах и токах внешних коротких замыканий. Последнее объясняется тем, что наиболее нагретым слоем в наплаве является его часть, прилегающая к телу плавкой вставки.

Таким образом, размягчаясь при ряде внешних повреждений, припой начнет внедряться в тело плавкой вставки еще тогда, когда не требуется срабатывание вставки, т. е. в ней начнет накапливаться так называемое "последействие" от внешних коротких замыканий, остаточные явления. Постепенно они приведут к преждевременному срабаты- 45 ванию плавкой вставки, когда повреждение должно было бы отключиться выключателем или автоматом на стороне

10 или 0,4 кВ. Известно, что от каждой из рассматриваемых подстанций на стороне низшего напряжения может отходить до восьми линий 10 кВ,Такое преждевременное срабатывание будет приводить к неполнофазным режимам, аварийному недоотпуску энергии потре- 5 бителям, полному погашению подстанции при замене ложно сработавшей вставки. Все это создает большие народно-хозяйственные ущербы.

Наиболее близким к изобретению явлется высоковольтный плавкий стреляющий предохранитель, содержащий установленный вертикально газогенерирующий патрон, выполненный из твердо. го изоляционного гаэогенерирующего материала, внутренний и наружный 65 электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводящим наполнителем верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть Г2).

Недостатками известного устройства являются нечувствительность к токам перегрузки малой величины, объясняющаяся тем, что при таких перегрузках теплоотвод наполнителя происходит очень быстро и вставка не может накопить достаточно тепла для своего расплавления; малое быстродействие при средних значениях токов перегрузки и повреждениях на выводе трансформатора со стороны низшего напряжения, которое также может быть объяснено быстрым теплоотводом от плавкой вставки со стороны жидкого наполнителя. Известно, что масло в силовых тратрансформаторах отводит от обмоток тепло в 16 раз быстрее, чем это может сделать воздушная среда.

Целью изобретения является расши" рение функциональных возможностей и быстродействие при токах перегрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в высоковольтном плавком предохранителе, содержащем патрон, установленный вертикально и.выполненный из твердого изоляционного газоге— нерирующего материала, внутренний и внешний электроды, соединенные с помощью плавкой вставки, состоящей; из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводящим наполнителем, верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть, верхний герметизирующий наконечник с плавким элементом снабжен дополнительной ди— электрической втулкой, внутренняя полость которой снизу сообщается с полостью дерх<авки, а высокоомная часть плавкого элемента на всю высоту погружена в жидкий наполнитель

На чертеже дана конструкция предохранителя(в виде выреза в области плавкой вставки).

Устройство состоит из патрона 1, выполненного из изоляционного твердого газогенерирующего материала, установленного в нормальном рабочем положении вертикально или близко к вертикали, как указано на чертеже. Во внутренней полости 2 патрона расположены внутренний 3 и наружный 4 электроды, подпружиненные пружиной патрона, устанавливаемой, как правило вверху — со стороны электрода 3.

Между собой эти электроды соединены механически и электрически с помощью плавкой вставки, состоящей нз высокоомной державки 5, жестко скле1092594 роны его низшего напряжения. Это обусловлено кратковременностью проис— ходящих. возмущений и незначительностью токового импульса.

При возникновении тока короткого замыкания большой величины, когда происходит двух- или трехфазное короткое замыкание на высоковольтном вводе трансформатора, плавкий элемент будет за сотые доли секунды разогреваться до температуры плавления на всей своей высоте — между наконечниками 6 и 7. Процесс этот происходит адиабатически- без отдачи тепла воздуху в полости 14 и жидкости во внутренней части 12. Он заканчивается расплавлением проводящего элемента, испарением жидкости под действием дуги и взрывом диэлектрической державки 5, Разрушение державки приводит к освобождению электродов 3 и 4 одного от другого и их раздвижению в разные стороны. В разрыве между ними загорается диэлектрическая дуга, которая начинает воздействовать на внутренние стенки полости 2, газогенерирующего патрона 1 предохранителя. Из стенок начинает генерироваться газ, который образует продольное газовое дутье, идущее вверх и вниз патрона. При этом давление газа может достигать десятки и сотни атмосфер. Под воздействием газового потока электрод 4 быстро выбрасывается наружу, а электрод 3 поднимается до своего упора. Электрическая дуга газом деионизируется и охлаждается. После достижения необходимого промежутка между электродами 3 и 4 дуга гаснет и предохранитель отключает защищаемую фазу трансформатора.

Гашение дуги происходит, как пра.:..-;ило, при прохождении тока коротких з.-".лыканий через ноль и не сопровожда ется перенапряжениями.

При возникновении коротких замыканий на низковольтном выводе трансформатора — в зоне действия предохранителей, ток повреждения в несколько раз будет превосходить номинальный ток трансф*рматора. На этот ток не будет реагировать часть 8 плавкого элемента, однако она будет им значительно разогрета. Высокоомная нижняя часть 9 плавкой вставки в этом случае начнет быстро отдавать свое тепло наполнителю внутренней части 12 и разогревать его. Наполнитель закипает и быстро испаряется в пространство полости 14. Наполнитель наружной части 11 при этом остается сравнительно холодным в связи с затрудненностью теплопередачи от наполнителя внутренней части 12 через стенку втулки 10 к наполнителю державки. Поэтому давление газа в полости 13 практически остается прежним, B полссти 14, наен ной с герметизируюшими наконечника— ми 6 и 7, которые привинчены к верхнему электроду Л и нижнему 4 соответ=твенно. Электрическая связь между электродами предохранителя осущест-вляется с помощью проводящего (плавкого) элемента, состоящего из верхней хорошо проводящей части 8, имеющей, например, большое сечение, и нижний 9, обладающей более низкой проводимостью, например, с меньшим сечением. Верхний наконечник 6 снабжается дополнительной диэлектрической втулкой 10. Внутри нее располагается и проводящий элемент вставки.

Втулка сверху герметизирована, а cни-15 зу сообщается с внутренней полостью диэлектрической державки 5. На высоту элемента проводящей части, обладаюшего низкой проводимостью, наружная 1 и внутренняя 12 части сообщающихся 7д сосудов — державки 5 и втулки 10 заполнены жидким диэлектри:еским наполнителем, например трансформаторным маслом, эфиром, спиртом и т. д. Верхние части полостей 13 и 14 — свободнь>!5 и заполнены воздухом при обычном ат— мосферном давлении. Через осевые отверстия 15 и 16 наконечников пропущены концы проводящего (плавкого)элемента и припаяны к герметизирующим 30 наконечникам в точках 17 и 18. При этом слоем припоя з этих точках произзот«ится герметизация внутренней полости плавкой вставки от попадания наружного воздуха или от вытекания из 8 полости вставки жидкого наполнителя, Последнее могло бы приводить к изменению время-токовых характеристик главкой вставки.

При запуске двигателей за трансФорматором через предохранители, ус-. тановленные в т)>ех фазах защищаемого силового понижающего трансформатора, начинает протекать ток запуска этих двигателей. Он з несколько раз превышает номинальный ток транс- форматора и длится порядка 7-10 с.

В это время часть 8 плавкой вставки разогревается незначительно, так как она обладает высокой проводимостью (или более значительны л сечением) и предназначена реагировать на. токи повреждения при коротких замыка.ниях на вводе высшего напряжения и в баке трансформатора . Низкопроводящая ниж-няя.часть 9 также не успевает нагреться до больших температур, так как она охлаждается наполнителем плавкой вставки — диэлектрической жидкостью.

Поэтому вставка и не реагирует на токи пуска двигателей за трансформа- >(> тором. Такое же демпфирование будет производиться предохранителями и при включении его в работу, и при корот-ких замыканиях на линиях 0,4-10 кВ, отходящих от трансформатора со сто-,у

1092594

ВНИИПИ Заказ 3265/37 тираж 683 Подписное филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул. Проектная, 4 оборот, давление газа растет из-за кипения наполнителя внутренней части

12, поэтому уроьень жидкости во внутренней части 12 под воздействием этого давления начнет быстро понижаться.

Жидкость будет перекачиваться в полость между стенками державки 5 и втулки 10. Понижение уровня жидкости вызовет оголение высокоомной нижней части 9 плавкой вставки. Затрудненность теплоотвода вызовет рост кон- 10 тактного увода тепла к нижней части

9 высокоомного элемента. Поэтому верхние слои жидкости наполнителя в полости втулки 10 начнут испаряться еще интенсивнее, что вызовет еще более 15 стремительный отвод наполнителя в направлении, показанном на чертеже стрелками. По достижении определенной длины оголенного участка нижней части 9 предохранитель перегорит. Этому 2О будет способствовать и выбор нижней части 9 на номинальные токи меньшие, чем номинальный ток защищаемого транс. форматора (при работе этой части в воздушной среде).

Дальнейшее гашение электрической дуги и отключение фазы трансформатора будет происходить аналогично описанному. При этом следует заметить, что подбором жидкого наполнителя можно осуществлять создание лучших условий гашения дуги, особенно при малых токах повреждения.

Таким образом, подбором сечений державки 5 и втулки 10, проводимости частей 8 и 9, а также-состава жидкого наполнителя можно создать предохранитель, обладающий лучшими время-токовыми характеристиками для зашиты конкретного трансформатора по сравнению с известными.