Высоковольтный коммутационный аппарат и горючая газовая смесь для привода высоковольтного коммутационного аппарата
Изобретение относится к электротехнике . Цель изобретения - повышение быстродействия , величины коммутируемых токов и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы. За счет выполнения подвижного контакта со сквозными прорезями обеспечивается создание параллельных дуг отключения, которые разделены потоками дугогасительного наполнителя. Цилиндр привода выполнен двойным с полостью между стенками, разделенной на отдельные камеры, сообщающиеся с полостью цилиндра привода радиальными отверстиями . Трубопровод для подачи горючей смеси пропущен через наружную стенку цилиндра привода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 01 Н 33/68, 37776
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4633280/07 (22) 22.11.88 (46) 15.01.91. Бюл. М 2 (72) Э.А,Азизов, В.А.Годонюк, А.И.Емельянов и Н.В.Цветков (53) 621.316.564 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 748545, кл. Н 01 Н 33/00, 1978.
Ахмеров Н.А. и др. ПТЭ, 1983, М 4, с. 132—
136, (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОММУТАЦИОННЫЙ АППАРАТ И ГОРЮЧАЯ ГАЗОВАЯ
СМЕСЬ ДЛЯ ПРИВОДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутации сильноточных и высоковольтных электрический цепей, например, в импульсных энергосистемах термоядерных установок.
Целью изобретения является повышение быстродействия и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы.
На фиг.1 представлен коммутационный аппарат с замкнутыми контактами, общий вид; на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 — разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4— разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 — разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.б — разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.7 — коммутационный аппарат с разомкнутыми контактами, общий вид.
Коммутационный аппарат содержит дугогасительную камеру 1, камеру 2 сгорания, рабочий цилиндр 3, цилиндр 4 привода, „„ЯЦ„„1621097 А1 (57) Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения — повышение быстродействия, величины коммутируемых токов и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы, За счет выполнения подвижного контакта со сквозными прорезями обеспечивается создание параллельных дуг отключения, которые разделены потоками дугогасител ьного наполнителя. Цилиндр привода выполнен двойным с полостью между стенками, разделенной на отдельные камеры, сообщающиеся с полостью цилиндра привода радиальными отверстиями. Трубопровод для подачи горючей смеси пропущен через наружную стенку цилиндра привода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил. дифференциальный поршень 5, подвижный
6 и неподвижный 7 контакты, токосъемные контактные элементы 8, размещенные в диэлектрическом фланце 9, трубопроводы 10 и
11 для подачи компонентов горючей газовой смеси. Прижим ламелей неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6.осуществляется при поступательном перемещении рабочего цилиндра 3 при повороте штурвала 12. К подвижному контакту 6 жестко прикреплен диэлектрический шток 13, имеющий канавку 14 для управляемых фиксаторов 15, Ламели неподвижного контакта
7 расположены вокруг рабочего цилиндра 3 со стороны одного из его торцов, а са стороны другого торца установлена малая головка дифференциального поршня 5. Полости камеры 2 сгорания и цилиндра 4 привода разделены большой головкой поршня 5.
Полости дугогасительной камеры 1 и рабочего цилиндра 3 заполнены жидким дугога1621097 сительным наполнителем. Большая головка дифференциального поршня 5 выполнена в виде двух дисков, один из которых (16) обращен к полости цилиндра 4 привода, а второй (17) — к полости камеры 2 сгорания.
Первый диск 16 расположен с кольцевым зазором 18 относительно стенки цилиндра
4 привода, между боковыми поверхностями второго диска 17 и цилиндра 4 привода установлено уплотнение 19, между дисками
16 и 17 имеется полость 20, соединенная с . полостью камеры 2 сгорания аксиальными каналами 21, выполненными во втором диске 17, и с полостью цилиндра привода 4 с помощью зазора 18 и радиальных каналов
22, при этом в радиальных каналах 22 установлены клапаны 23 напуска газовой смеси;
Боковая стенка цилиндра 4 привода выполнена двойной: между наружной 24 и внутренней 25 стенками имеется полость, разделенная по длине цилиндра 4 привода непроницаемыми перегородками 26 на отдельные камеры 27, 28 и 29, соединенные с внутренней поверхностью цилиндра 4 привода с помощью соответствующих каждой камере 27, 28 и 29 групп отверстий 30 во внутренней стенке 25 цилиндра привода 4.
Расстояние Si между осями первого и последнего отверстий 30 в группах отверстий каждой камеры 27, 28, кроме последней 29, считая от камеры 2 сгорания, меньше разности толщины hz уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверстия 30 (Sl< hz — d). В последней камере 29 расстояние $n между осями первого и последнего отверстий 30 больше толщины Н большой головки дифференциального поршня 5 (Sn >Н). Трубопроводы 10 и 11 для подачи компонентов газовой смеси расположены в наружной стенке 24 цилиндра 4 привода. По торцам цилиндра 4 привода расположены фланцы 31 и 32. Для заполнения внутренней полости коммутационного аппарата электропрочной жидкостью служит клапан 33, а для стравливания избыточного давления в дугогасительной камере 1 — клапан 34, в камере 2 сгорания имеется клапан 35. Дугогасительная камера 1 установлена на диэлектрическом основании 36, на котором также укреплен диэлектрический фланец
37. Внутри диэлектрического основания 36 проходят герметичные токовводы 28, соединенные с неподвижным контактом 7 и коак.сиальными кабелями 39. На наружной поверхности подвижного контакта 6 выполнемы пазы 40 (см. фиг.6), которые расположены напротив зазоров 41 между ламелями неподвижного контакта 7 и промежутков между токосъемными контактами 8. Со стороны торца, обращенного к ламелям неподвижного контакта 7, пазы 40 переходят в сквозные прорези 42, длина L1 которых не меньше суммы длин 2 и бз соответственно перекрытия подвижного и неподвижного
5 контактов(фиг.6) и контактного промежутка (L> + 1 + L3). Токосъемные контактные элементы 8 расположены в отверстиях диэлектрического кольцеобразного фланца 9„ выступы 43 которого входят в пазы 40 по10
55 движного контакта 6. С помощью токовводов 44 То Yосъемные контактные элементы 8 соединяются со стенкой дугогасительной камеры 1, которая выполнена из металла.
Для торможемия и возвращения подвижного контакта 6 в исходное положение служит пружина 45..В стенке камеры 2 сгорания размещен искровой разрядник 46, необхо-. димый для зажигания газовой смеси.
В качестве горючей. газовой смеси в коммутациомном аппарате использована смесь из пропана (СзНв) и кислорода ((h) состава, вес.7: пропан 11,5 — 12; кислород — остальное. Состав смеси выбран из условий полного сгорания пропана и взрывобезопасности.
Коммутационный аппарат работает следующим образом.
Сначала в камеру 29 подается кислород по трубопроводу 10, Кислород через отверстия 30 во внутренней стенке 25 цилиндра 4 привода поступает во внутреннюю полость последнего, затем в кольцевой зазор 18, клапаны 23 напуска газовой смеси, полость
20, аксиальные каналы 21 ° полость камеры
2 сгорания. После прекращения подачи кислорода начинается подача пропана по трубопроводу 11 в камеру 28, затем аналогично кислороду пропан поступает в полость камеры 2 сгорания..В сообщающихся камерах
27, 28 и 29 полости 20, полости цилиндра 4 привода и камере 2 сгорания происходит образование горючей газовой смеси. Такая последовательность заполнения обеспечивает взрывобезопасность, поскольку в процессе заполнения не возникают взрывоопасные концентрации в смеси пропам — кислород (1:2 — 1:10). После заполнения газовой смесью все магистрали перекрываются запорными вентилями и raзы иэ них стравливаются, В замкнутом положении контактов ток протекает по цепи: герметичный токоввод
38, ламель неподвижного контакта 7, подвижный контакт 6, токосъемный контактный элемент 8, токоввод 44, стенка дугогасительной камеры 1 — и далее, например, по коаксиальным кабелям 39, симметрично расположенным по периметру в соответствии с количеством ламелей.
При подаче импульса напряжения ма искровой разрядник 46 происходит зажигание
1621097
10
25
50 горючей смеси в полости камеры 2 сгорания. Газовая смесь загорается также в аксиальных каналах 21 и в полости 20.
Распространению горения в полость цилиндра 4 привода и камеры 27, 28 и 29 препятствуют уплотнения 18 и клапаны 23 напуска газовой смеси. Под действием давления продуктов горения в камере сгорания в каналах 21 и в полости 20 начинается ускоренное (ускорение а;) совместное движение дифференциального поршня 5. жидкого дугогасительного наполнителя в полости 47 рабочего цилиндра 3 и подвижного контакта
6. Через зазоры 41 (фиг.6) между ламелями неподвижного контакта 7 и сквозными прорезями 42, выполненными в пазах 40 подвижного контакта 6, начинается истечение затопленных струй жидкости в полость дугогасительной камеры 1. К моменту разрыва контактов подвижный контакт 6 набирает скорость v>.
Когда поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршня 5, обращенная к полости камеры 2 сгорания, займет положение в плоскости оси первого отверстия в группе отверстий 30 камеры 23, полости камеры 2 сгорания и камеры 27 становятся сообщающимся. Происходит зажигание горючей газовой смеси в полости камеры 27. Горение не распространяется в полость цилиндра 4 привода перед первым диском 16 и в камеры 28 и 29, поскольку перед моментом, когда камера 27 и камера 2 сгорания становятся сообщающимися, сообщение камеры 27 и цилиндра
4 привода прекращается, так как расстояние S1 (фиг.1) между осями первого и последнего отверстий 30 в группе отверстий камеры 27 меньше разности толщины hz уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверстия 30 (31< hz — d). При горении смеси в камере 27 давление на поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршня 5 начинает увеличиваться. Кроме того, при движении поршня 5 увеличивается давление и на поверхность первого диска 16, обращенную к полости цилиндра 4 привода, но давление в цилиндре 4 привода возрастает пропорционально уменьшению объема газа (в 1,5 — 2 раза); а давление в камере 2 сгорания, в камере 27 увеличивается почти в 100 раэ при сгорании газовой смеси. Возрастание давления в камере 2 . сгорания и камере 27 приводит к увеличению силы, разгоняющей поршень 5, поэтому он движется уже с ускорением az > а1.
Аналогичным образом происходит загорание газовой смеси в камере 2, после чего поршень 5 движется с ускорением аз > az > а1. Количество камер, подобных 27 и 28. служащих для дополнительного разгона поршня, выбирается в зависимости от параметров коммутационного аппарата. Если увеличиваются значения коммутируемого тока, увеличивается, соответственно, и время коммутации, Поэтому число дополнительных камер выбирается из условия поддержания ускоренного потока дугогасящей жидкости в течение всего времени коммутации, В момент, когда поверхность второго диска 7 большой головки дифференциального поршня 5 займет положение в плоскости оси первого отверстия в группе отверстий 30 камеры 29, происходит зажигание газовой смеси в полости камеры 29, а затем горение распространяется в полость цилиндра 4 привода, перед первым диском
16. Зажигание газовой смеси в указанный момент в полости цилиндра привода 4 осуществляется струями воспламененной газовой смеси, истекающими иэ последней камеры 29 через отверстия во внутренней стенке 25 цилиндра 4 привода, которые остаются не перекрытыми уплотненной поверхностью второго диска 17 большой головки поршня 5, так как в последней камере 29 расстояние S> между осями первого и последнего отверстий 30 больше толщины
Н большой головки дифференциального поршня 5 (S< > H). Давление на поверхность диска 16, обращенную к полости цилиндра
4 привода, начинает резко нарастать, что приводит к торможению и остановке поршня 5.
При разрыве цепи подвижный контакт 6— ламели неподвижного контакта 7 между кромками контактов загораются электрические дуги отключения, на которые воздействует поток электропрочной жидкости, истекающий иэ полости 47 рабочего цилиндра 3 через открывающийся кольцеабразный канал, образованный контактами 6 и 7, в дугогасительную камеру 1. После того, как полностью открывается кольцеобразный зазор между контактами 6 и 7, подвижный контакт 6 тормозится с помощью пружины
45 и удерживается в конечном положении управляемыми фиксаторами 15. Количество параллельных электрических дуг отключения соответствует числу ламелей неподвижного контакта 7, разделенных зазорами 41, и такому же числу участков подвижного контакта 6, разделенных радиальными каналами 42. Смещению и перекосу подвижного контакта 6 относительно ламелей неподвижного контакта 7 препятствуют выступы
43 диэлектрического кольцеобразного фланца 9, входящие в пазы 40 подвижного
1621097
y=.4 а
40 мин =2л
Зо
50 контакта 6 (см, фиг.2 и 6). Под действием потока электропрочной жидкости происходит перемещение дуг по каналу, образованному кольцеобразными диэлектрическими фланцами 9 и 37. Объединению отдельных дуг в один или несколько мощных разрядов препятствуют сформированные до раскрытия контактов потоки электропрочной жид. кости, истекающие через зазоры 41 между ламелями неподвижного контакта 7 и радиальные каналы 42, выполненные в пазах 40 подвижного контакта 6. Такая геометрия потока дугогасящей жидкости способствует также интенсивному охлаждению дуг. На большей части контактной поверхности дуг отключения и невозмущенной электропрочной жидкости в дугогасительной камере 1 имеются условия для развития неустойчивости Рэлея-Тейлора, т.е. градиент плотности сред и ускоренное движение в его направлении, Инкремент нарастания неустойчивости ус учетом того, что рж» рд, имеет вид где уЪ вЂ” плотность электропрочной жидкости; рд — плотность плазмы дуги; а — ускорение контактной поверхности, направленное от дуги к невозмущенной электропрочной жидкости;
2л
k волновой вектор k =-у-, гдето- длина волны.
Неустойчивыми являются только гармоники, длина волн которых превышает некоторую критическую величину 4щ . Эту величину и следует считать характерным расстоянием межДу фонтанчиками. Критическая длина волны где о- коэффициент поверхностного натяжения; ф- плотность жидкости; а — ускорение контактной поверхности.
При развитии неустойчивости РэлеяТейлора дуга, принимающая к этому моменту благодаря воздействию электропрочной дугогасящей жидкости форму пленочного разряда, пронизывается струями холодной дугогасящей жидкости. Происходит интенсивное перемешивание плазмы дуги с холодным газом, образовавшимся при испарении дугогасящей жидкости, обьемная рекомбинация, возникновение диффузного (темного) разряда на переднем фронте
30 потока между частями дуги, параллельными потоку. На дуге нарастает напряжение, происходит коммутация тока в нагрузку. Применение в качестве дугогасящей среды сжиженной шестифтористой серы, имеющей высокие электроотрицательные свойства, позволяет избежать повторных пробоев и успешно завершить коммутацию. При срабатывании коммутационного аппарата в полости дугогасительной камеры 1 образуется избыточное давление паров электропрочной жидкости, которое при достижении предельной вел ичины стравливается в магистраль через клапан 34.
В исходное положение элементы коммутационного аппарата возвращаются следующим образом.
Сначала стравливается через клапан 35 избыточное давление из камеры 2 сгорания.
Под действием избыточного давления в дугогасительной камере 1 дифференциальный поршень 5 перемещается в начальное положение. Избыточное давление из полости цилиндра 4 привода стравливается через кольцевой зазор 18, клапаны 23 напуска газовой смеси, полость 20, аксиальные каналы
21 в полость камеры 2 сгорания. Снимается усилие с ламелей неподвижного контакта 7.
Для этого рабочий цилиндр 3 перемещается в обратном направлении с помощью штурвала 12, затем подается команда на управляемые фиксаторы 15. Под действием пружины 45 подвижный контакт 6 возвращается в исходное положение. С помощью штурвала 12 рабочий цилиндр 3 перемещается в начальное положение и прижимает ламели неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6.
Конструкция большой головки дифференциального поршня и цилиндра привода данного коммутационного аппарата позволяют создать ускоренный поток электропрочной жидкости в дугогасительной камере. эффективно воздействующий на дугу отключения. За счет увеличения скорости удлинения дуг и развития на контактной поверхности дуг и невозмущенной электропрочной жидкости неустойчивости
Рзлея-Тейлора время коммутации умен ьшается примерно в 1 5 раза по сравнению с известным устройством.
Торможение поршня 5 в данном аппарате осуществляется эффективнее, чем в известном устройстве.
Это связано с тем, что в известном устройстве поршень тормозится в результате постепенного повышения давления воздуха в цилиндре привода, а в данном коммутационном аппарате давление в цилиндре при1621097
5
30
50 вода возрастает в необходимый момент при воспламенении горючей газовой смеси. В коммутационном аппарате заполнение горючей газовой смеси осуществляется через трубопроводы, расположенные в наружной стенке цилиндра привода. Это исключает случайный уход поршня иэ начального положения при подготовке к пуску, возможный в устройстве-прототипе, и повышает надежность коммутационного аппарата, В предлагаемом коммутационном аппарате параллельные дуги отключения, возникающие при разрыве контактов, надежно разделены потоками электропрочной жидкости, истекающими через зазоры между ламелями неподвижного контакта и радиальные каналы, выполненные в подвижном контакте. Поэтому в коммутационном аппарате величина. коммутируемого тока может быть увеличена почти в 1,3 раза при уменьшении эрозии контактов по сравнению с известным устройством, так как в последнем че обеспечивается параллельное дугогашение втечение всего времени коммутации, В коммутационном аппарате в процессе заполнения горючей газовой смесью и во время работы аппарата не возникают взрывоопас." ные концентрации газовой смеси.
Формула изобретения
1, Высоковольтный коммутационный аппарат, содержащий дугогасительную камеру, внутри которой вертикально установлены соосно расположенные полый нижний неподвижный контакт с ламелями, установленный коаксиально на наружной боковой поверхности рабочего цилиндра, и верхний подвижный контакт с тсхосъемными контактными элементами, выполненный в виде стакана, стенки которого охватывают снаружи стенки неподвижного контакта, дифференциальный поршень, малая головка которого установлена в указанном рабочем цилиндре, а большая — в цилиндре привода, камеру сгорания, установленную на торце цилиндра привода с подпоршневой стороны большой головки дифференциального поршня, жидкий дугогасящий наполнител ь, заполняющий полость рабочего цилиндра, подвижного контакта и частично дугогасительную камеру, трубопроводы для подачи горючей газовой смесм, отличающийся твм, что, с целью повышения быстродействия величины коммутируемых токов и срока службы, большая головка дифференциального поршня выполнена в виде двух аксиально расположенных дисков разного диаметра, прилегающих друг к другу по торцу, из которых первый диск меньшего диаметра рэсположен со стороны, обращенной к рабочему цилиндру, и образует с внутренней боковой поверхностью цилиндра привода кольцевой зазор, между боковыми поверхностями цилиндра привода и второго диска большего диаметра установлены уплотнения, на прилегающих друг к другу торцах дисков выполнены противостоящие углубления, образующие совместно полость, соединенную с камерой сгорания посредством каналов, выполненных во втором диске, и с полостью цилиндра привода посредством указанного кольцевого зазора и радиальных каналов, выполненных в первом диске, причем в радиальных каналах установлены дополнительно введенные клапаны для напуска горючей газовой смеси, цилиндр привода выполнен двойным с кольцевой полостью между коаксиально расположенными наружной и внутренней боковыми стенками, разделенной дополнительно введенными аксиально расположенными кольцевыми перегородками на отдельные камеры, каждая из которых сообщается с внутренней полостью цилиндра привода посредством соответствующей этой камере группы радиальных отверстий, выполненных во внутренней стенке цилиндра привода, расстояние между осями первого и последнего радиальных отверстий каждой камеры, кроме последней, считая в направлении от камеры сгорания, выбрано меньшим разности толщины уплотненной части второго диска и диаметра радиального отверстия, в последней камере расстояние между осями первого и последнего отверстий выбрано большим толщины большой головки дифференциального поршня, а трубопроводы для подачи компонентов газовой смеси пропущены через нар жную боковую стенку цилиндра привода, 2, Аппарат по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности подвижного контакта напротив зазоров между ламелями неподвижного контакта и промежутков между токосьемными контактами выполнены пазы, переходящие вблизи торцов контакта в сквозные прорези, длина которых не меньше суммы длин перекрытия подвижного и неподвижного контактов в замкнутом положении контактов и контактного промежутка в разомкнутом положении контактов, а токосьемные контактные элементы располо>кены в отверстиях дополнительно введенного диэлектрического кольцеобразного фланца, выступы которого входят в указанные пазы подвижного контакта, 3. Горючая газовая смесь для привода высоковольтного коммутационного аппара11
1621097
12 та с подвижной контактной системой и с воздействием жидкого дугогасящего наполнителя на дугу отключения, состоящая из. пропана (C3H8) и кислорода (02), о т л и ч а юща я с я тем, что, с целью повышения надежности и безопасности, она имеет следующий состав, мас.$:
Пропан 11,5 — 12
Кислород Остальное
1621097
1621097
®
2)
22
1621097
47 376 В
Фиг. 7
Составитель Ю,Быковец
Редактор Л.Веселовская Техред M.Моргентал Корректор M.Øàðoøè
Заказ 4251 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101
