Стреляющий предохранитель

 

СТРЕЛЯЩИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, содержащий камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующеро материала, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных крепежными наконечник.ами, отличающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности к токам перегрузки, увеличения быстродействия и короностойкости , проводящий элемент выполнен в виде спирали, навитой вокруг высокоомной-державки, равного по всей длине радиуса, а крепежные наконечники - в виде цилиндров, плавкая вставка содержит диэлектрическую втулку, снабженную на определенной длине теплоотражающим экраном , направленным в сторону плавкой вставки, свободно располагаемой на одном из крепежных наконечников, а S внутренняя полость диэлектрической (Л втулки заполнена теплоизоляционным материалом в виде хлопьев асбеста или стекловаты.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

2595 А (19) (11) 3(5D Н 01 Н 33 76

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3566359/24-07 (22) 22.03.83 (46) 15.05.84. Бюл. М 18 (72) A.ß.Çoòoâ, В.Ф.Шишкин и Л.Ф.Овсиенко (71) ульяновский политехнический институт (53) 621.316.524(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 886092, кл. Н 01 Н 33/76, 1981.

2. Васильев А.A. Электрическая часть станций и подстанций. Ч. 1. М.-Л

ГЭИ, 1963, с.987, рис.14-22, с.1945. (54 ) (57 ) СТРЕЛЯЮЩИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, содержащий камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующего материала, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных крепежными наконечниками, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности к токам перегрузки, увеличения быстродействия и короностойкости, проводящий элемент выполнен в виде спирали, навитой вокруг высокоомной державки, равного по всей длине радиуса, а крепежные наконечники — в виде цилиндров, плавкая вставка содержит диэлектрическую втулку, снабженную на определенной длине теплоотражающим экраном, направленным в сторону плавкой вставки,. свободно располагаемой на одном из крепежных наконечников, а внутренняя полость диэлектрической втулки заполнена теплоизоляционным материалом в виде хлопьев асбеста или стекловаты.

1092595

Изобретение относится к высоковольтному электроаппаратостроению, а именно к стреляющим предохранителям, обеспечивающим гашение электрической дуги за счет генерации газа из стенок патрона под воздействием высоких температур электрической дуги,, и может найти применение для защиты силовых понижающих трансформаторов со стороны высшего напряжения.

1 1О

Известно коммутационное устройство, состоящее из фарфорового корпуса, заполненного наполнителем -кварцевым песком, служащим для охлаждения и деионизации возникшей после перегорания плавкой вставки электрической дуги. Внутри корпуса располагается ряд параллельно включенных плавких вставок, свитых в спираль.

Внутри средней плавкой вставки пропущена высокоомная державка указателя срабатывания, воспринимающая растягивающее усилие пружины указателя(11.

Недостатком указанного устройства является нечувствительность к малым токам перегрузки, объясняющаяся тем, что наполнитель предохранителя — кварцевый песок очень хорошо отводит тепло от тела проволок плавкой вставки. Другой материал, с низкой теплопроводностью, например хлопья зю асбеста или стекловаты, здесь применять нельзя, так как предохранитель -ерестанет гасить Электрическую дугу. Несмотря на то, что можно увеличивать длину проводящей части плавкой вставки по сравнению с длиной державки, теплоотвод к окружающей среде не дает ей накапливать тепло, чтобы отреагировать на малые токи повреждения. Поэтому и быстродействие предохранителя при незначительных перегрузках мало, что не может позволить этим предох-ранителям применяться для защиты трансформаторов малой мощности. Осо- 5 бенно неприменимы они для защиты трансформаторов с заземленной нейтралью, например, на напряжение

110/0,4 кВ. Дело в том, что при коротких замыканиях на низковольтном выводе трансформатора, находящемся в зоне действия предохранителей, на высшей стороне трансформатора (на стороне "звезды") в одной из фаз (при двухфазном коротком замыкании) протекает полный ток, соответствующий трехфазному короткому замыканию на выводах низкого напряжения, а в двух других — токи примерно наполовину меньше этого тока. После перегорания предохранителя в фазе с наибольшим током и отключения этой фазы в оставшихся в работе фазах ток снизится и станет составлять доли предшествующего тока. После срабатывания второго предохранителя в оставшемся 65 контуре "фаза — земля" ток повреждения будет определяться током нагрузки трансформатора и составлять порядка 1,5-2 тока номинального. Такой ток остает ся опасным для из оляции трансформатора и может привести к ее термическому разрушению. Предохрани— тель последней фазы не чувствует его, так как его тепло рассеивается в среде наполнителя. Выбирать же плавкую вставку только по номинальному току трансформатора невозможно, так как она будет перегорать при пусковых токах двигателей, расположенных: за трансформатором, или от токов на— магничивания трансформатора при включении его в работу. Все это касается медных и серебряных плавких вставок, обладающих малой инерционностью, которые применяются в предохранителях с наполнителем. Вставки с большой инерционностью — свинцовые оловянные, цинковые — неприменимы, так как при их использовании в кана.— ле дуги будет образовываться большое количество металла и предохранители с наполнителем будут отказывать в гашении электрической дуги.

Наиболее близким к изобретению является управляемый стреляющий предохранитель, содержащий камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующего материалд, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных крепежными наконечниками. Электроды под-, пружинены пружиной патрона и рубящего контактного ножа, стремящегося под воздействием собственной пружины выбросить наружный электрод патрона в окружающее пространство (2 .

Недостатком известного устройства является малая чувствительность к токам перегрузки небольшой величины, объясняющаяся тем, что проводящая часть плавкой вставки хорошо отводит тепло в окружающее пространство и не может его накапливать при токах перегрузки небольшой величины за счет того, что вставка не защищена от излучения энергии лучеиспусканием и имеет хороший теплоотвод к электродам патрона, так как имеет небольшую длину. При заданной для предохранителя длине плавкой вставки ее проводящая часть, из гибаясь, не должна касаться стенок патрона. Иначе это будет приводить к выгоранию газогенерирующего материала в области плавкой вставки и разрушению патрона в момент коммутации. Кроме того, соприкасаясь со стенкой камеры, проводящая часть будет охлаждаться, а значит, изменять свои времятоковые характе1092595 ристики. Это также будет приводить к еще большему затягиванию момента отключения предохранителя.

Кроме того, недостатком устройства является низкое быстродействие при токах повреждения небольшой величины. Предохранитель из-за интенсивного рассеяния тепла в окружающую среду и теплоотдачи массивным электродам предохранителя долго не отключает защищаемую сеть, т.е. фазу трансформатора. Это затягивание в отключении может привести к неопределенному термическому разрушению фазы трансформатора.

Невозможн применять плавкую вставку, имеющую проводящую часть повышенного сечения, и при этом обеспечивать защиту трансформатора небольшой мощности. Повышенное сечение плавкой вставки требуется из условий 20 согласования работы предохранителей с защитами отходящих от трансформатора линий 0,4-10 кВ. При повреждениях на этих линиях, являющихся внешними для предохранителей, голов- 25 ные включатели (автоматы ) этих линий работают, как правило, в циклах автоматического повторного включения этих линий для устранения повреждения временным отключением мес- 30 та короткого замыкания. В 70-80% случаев это удается, особенно на воздушных линиях электропередачи.

Работая в циклах AIIB, выключатели автоматы ) 0,4-10 кВ неоднократно 35 провоцируют срабатывание плавких вставок у предохранителей на стороне высшего напряжения трансформаторов.

Известно, что отходящих от подстанции линий может быть от трех до вось- 4р ми. Следовательно, при повреждении на одной из линий 0,4-10 кВ может перегореть неселективно предохранитель на стороне высокого напряжения и вызвать неполнофазные режимы íà 45 всех линиях, отходящих от подстанции.

Последние по своему воздействию на потребителей являются более нежелательными, чем полное отключение пот ребителей, так как они приводят всегда к массовому разрушению двигателей потребителей. И для отстройки отвнешних коротких замыканий очень желательно, чтобы вставки предохранителей "умели демпфировать" начальные моменты повреждения, не перегорая, а затем быстро накапливать тепло, и перегорали бы до наступления термического разрушения изоляции трансформатора. Т.е. плавкие вставки отдачу тепла в окружающую среду при 60 малых токах повреждений должны производить менее интенсивно, чем обмотки трансформатора через слой изоляции.

Недостатком известного устройства является также износ тела плавкой 65 вставки за счет коронирования, особенно на напряжениях 110 кВ. Последнее объясняется тем, что в месте крепления высокоомной державки и проводящей части плавкой вставки образуется тело малого поперечного сечения — малого радиуса. Известно, что чем меньше радиус провода, тем выше напряженность электрического поля на этом проводе. Повышенная же напряженность при достижении размера 22,9 кВ/см начинает ионизировать воздух, прилегающий к месту электрической цепи, где во=никла такая напряженность. Освободившиеся электроны атомов воздуха начинают разгоняться и вести интенсивную бомбардировку этого участка электрической цепи. Происходит выбивание электронов из кристалличе кой решетки металла. Материал начинает истончаться, теряет свое первоначальное сечение и уменьшает проводимость. Для плавкой вставки это равносильно снижению ее номинального тока, что приводит к снижению ее характеристики и ложному срабатыванию при внешних коротких замыканиях или даже в нормальном режиме работы, в часы, как правило, максимальной нагрузки подстанции. Для устранения опасности ложной работы предо: канителей по названной величине рекомендуется инСтрукцией на предохранители производить осмотр и замену плавких вставок не реже одного раза в полгода. Для подстанций с одним трансформатором это приводит к дополнительным плановым потерям потребителей.

Целью изобретения является повышение чувствительности к токам перегрузки и увеличение быстродействия и короностойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в стреляющем предохранителе, содержащем камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующего материала, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных кре— пежными наконечниками, проводящий элемент выполнен в виде спирали, навитой вокруг высокоомной державки, равного по всей длине радиуса, а крепежные наконечники — в виде цилиндров, плавкая вставка содержит диэлектрическую втулку, снабженную на определенной длине теплоотражающим экраном, направленным в сторону плавкой вставки, свободно располагаемой на одном из крепежных наконечников,а внутренняя полость диэлектричес" кой втулки заполнена теплоизоляционным материалом в ниде хлопьев асбеста или стекловаты.

1093595

На чертеже изображен данный. предохранитель, разрез (прилегающие к плавкой вставке электроды патрона и сам газогенерирующий патрон даны в виде выреза ).

Стреляющий предохранитель содер-жит камеру гашения 1, выполненную иэ твердого изоляционного газогенерирующего материала. Внутри камеры во внутренней полости 2 установлены внутренний 3 и наружный 4 подгруженные электроды патрона. В них ввинчены на резьбе наконечники 5 и 6 плавкой вставки, изготовленные в виде цилиндров. Наконечники снабжены продольными осевыми отверстиями для закрепления на них высокоомной державки 7. Последняя пропускается через эти отверстия и припаивается к наконечникам в точках 8 и 9. Концы,цержавки 10 и 11, расположенные в отверстиях наконечников, могут также при20 паиваться по их длине для обеспечения лучшего электрического и механического контактов с наконечниками.

Вокруг державки навита проводящая ) С часть плавкой вставки 12, выполненная из серебра, меди или других хо-. рошо проводящих материалов. Она прикрепляется к наконечникам за счет пайки ее концов 13 и 14 к наружным образующим наконечников, например, оловом30 или медью. При этом расстояние между концами 13 и 14 от державки 7 составляет примерно радиус витка прово-дящей ч асти . Поверх плавкои вс танки может быть надета втулка 15,. выпол-- 35 ненная из диэлектрического материа-ла, например электротехнического стекла. Эта втулка жестко прикрепляется к нижнему наконечнику 6 с помощью термореактивного клея и свобод-4п но располагается на верхнем наконечнике 5. Сверху или внутри втулка мо= жет покрываться слоем блестящей (зеркальной ) амальгамы 16, служащей для отражения тепловых излучений плавкой вставки обратно- внутрь по-. лости трубки-втулки 15. Для избе>кания случайного шунтирования тела планкой вставки амальгама 16. имеет по длине втулки разрыв 17. Для луч"»его реагирования плавкой вставки на токи перегрузок в ряде случаев может использоватьcÿ металлургиче-.

"кий эффект, вызываемый наличием массивного оловянного наппава 18 шарика ) на теле проводящей части

:вставки 12. Термореактивный слой 10 .-.лужит для удержания втулки 15 на электроде 4 в момент срабатыьания предохранителя. Внутренняя полость 20 втулки 15 может заполняться хлопьями асбеста или стекловаты для еще боль-: шего задерживания тепла в теле плавкой вставки.

IIoH возникновении токов короткого замыкания на высоковольтном выводе 65 ащищаемо:o трансформатора когда их величина достигает килоампер, процесс нагревания высокоомной державки

7 и проводящего элемента вставки 12 происходит практически адиабатическибез отдачи тепла в окружающую среду.

Тело плавкой вставки испаряется и освобождает электроды 3 и 4 предохранителя. Между ними возникает электрическая дуга. По мере расхождения электродов под действием пружины патрона и рубящего контактногQ ножа, если он есть у предохранителя, дуга вытягивается и начинает всздействовать на стенки внутренней полости 2 камеры гашения 1. Из стенки генерируется газ„ который воздействует на электроды 3 и 4 и с силой разводит их в противоположные стороны. Кроме того, .газ охлаждает и деионизирует электрическую дугу. После достижения необходимого расстояния между электродами 3 и 4 и, как правило, в момент прохождения тока через ноль дуга гаснет . Происходит отключение предохранителем защищаемой фазы трансформаторов.

При от:<лючении перегрузочных токов очень .з ажно сохр анить тепло, выделя емое во вставке током перегрузки. В первоначальный момент (в течение нескольких секунд ) этого тепла не должно хватать для перегорания плавкой вставки или для приобретения ею остаточных деформаций: вытягивания державки 7 или скатывания шарика 18, если он имеется. В этот момент должно происходить так называемое "демпфирование" пусковых токов двигателей за трансформатором, токов намагничивания — при его включении в работу, токов знешних коротких замы <аний и:- линиях О, 4-10 кВ. При всех этих токах предохранитель не должен работать, гак как часть из них исчезает сама (намагничи:зание p запуск двигателей ) или отключается соответствующими выключателями и автома=ами (при коротких замыканиях на линиях

О, 4 — 10 кВ ). Если повреждение находится в зоне действия предохранителей, то должно идти по истечении какоголибо времени интенсивное накапливание тепла в теле плавкой вставки.

Как показали опыты, э-ому способствует увеличение длины проводящего элемента. пла.зкой вставки 12. В этом случае близкое ра.сположение одного от другого витков элемента вставки 1Z обеспечивает поцогрев один другого, а далекое расположение от середины вставки наконечников 5 и б затрудняет отдачу тепла контактным способомк электродам предохранителя„ Этому способ твует нанесение шарика 18, выполн нного из легкоплавногo металла, например олова или его сплавов со свинцом. 1йарик при токах пе1092595

20 регрузки нагревается быстрее, чем прилегающие слои плавкой вставки, так как в нем на единицу объема приходится меньшая площадь излучаемой поверхности, чем у прилегающих концов элемента вставки 12. Кроме того, легкоплавк -ть металла в шарике 18 позволяет элементу вставки 12 перегорать до наступления нагрева тела элемента до состояния свечения, когда до 50Ъ энергии телом плавкой вставки в окружающее пространство отдается за счет лучеиспускания. Правда, наличие шарика не всегда желательно из-за приобретения им "остаточных" явлений после 15 каждого проходящего нагрева элемента вставки 12. Эти явления состоят в том, что по истечении какого-то времени, в течение которого были неоднократные нагревы вставки, вставка может сработать ложно из-за внедрения внутрь элемента вставки " 2 олова и амальгамирования им медного (серебряного ) тела элемента вставки 12 в такой степени, что 25 он перегорит в момент "демпфирования" внешних повреждений. Поэтому для сохранения тепла вставки целесообразно применить искусственную

"шубу", которая задержит тепло на плавкой вставке, не даст ему уйти в окружающее пространство, а значит, позволит перегореть плавкой вставке до наступления термического разрушения изоляции защищаемой обмотки трансформатора. Такой "шубой" может, например, являться втулка 15, выполняемая из диэлектрика, например электротехнического стекла. Она, особенно при наличии лучеотражательного слоя амальгамы 16, позволит резко уменьшить отдачу тепла в окружающую среду. Это приведет к накоплению тепла и своевременному перегоранию предохранителя. Кроме отражательного слоя 45 можно использовать и специальные накопители, обладающие низкими теплопередающими свойствами. К ним можно отнести хлопья стекловаты, асбеста и т.д. При воздушной среде 50 во втулке 15 все равно будет существовать конвективный отвод теп-. ла через воздух к внутренней стенке втулки, а через нее — в окружающую среду . При наполнении полос- 55 ти 20 хлопьями стекловаты конвективная передача тепла от державки 7 и тела элемента вставки 12 практически прекратится. Воздушные включения между хлопьями нанолнителя задержат тепло в окрестностях слоев наполнителя, прилегающих к телу элемента вставки. Сам же наполнитель, обладающий замедленной теплопередачей, задержит отвод тепла во времени и обеспечит условия для обеспечения перегорания плавкой вставки. В этом случае создаются условия для отказа от использования шарика 18, который может привести к ложной работе предохранителя. Отключение предохранителя и в этом случае происходит аналогично описанному при больших токах коротких замыканий . Наличие на наружном электроде втулки 15 будет способствовать росту коммутационной способности предохранителя: выделяющийся газ с большим усилием будет давить на торец электрода, не проскальзывая вдоль него.

А чем выше скорость движения электрода 4 при одном и том же давлении, тем меньше тепла выделяется в канале дуги, а значит, легче выполнить ее деионизацию.

Защита плавкой вставки от коронирования происходит следующим образом.

На плавких вставках,как говорилось выше, могут появляться места повышенной напряженности электрического поля.

Навив вокруг державки 7 проволоки проводящего элемента 12 с определенным диаметром, значительно превышающим и диаметр проволоки державки, и диаметр проволоки вставки 12, способствует росту напряжения, при котором может наступать корона на теле вставки. Как показали опыты, корона наблюдается по концам такой плавкой вставки, при которой концы 13 и 14 элемента вставки 12 были бы вправлены в отверстия наконечников 5 и 6 вместе с телом высокоомной державки 7. B предлагаемом устройстве этого не сделано, что позволяет избежать коронирования. Наличие экрана амальгамы 16 выводит заряды с проволок вставки на переферийный слой амальгамы. Это резко уменьшает способность проволок такой вставки к коронированию даже при самом незначительном диаметре используемой проволоки

1 09.? 59 5

Составитель B. Погона

Редактор Л.Повхан Техред Л.Мартяшова Корректор А.Тяско

Заказ 3265/37 Тираж 683 Подпи с ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, ?I<-35, Раушсквя наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4