Газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока

 

Изобретение относится к газовым, в частности элегазовым, электрическим выключателям, в которых поток газа, обеспечивающий гашение дуги, создается за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия газа поршневым устройством в процессе отключения. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газовым электрическим выключателем с автогенерацией дугогасящего потока, содержащим контакты, один из которых выполнен подвижным и соединен с поршнем, расположенным в компрессионной полости, изоляционную насадку и хотя бы один канал, один конец которого соединен с объемом, примыкающим к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам, новым является то, что другой конец канала выходит на поверхность изоляционной насадки, прилегающую к наружной поверхности подвижного контакта за компрессионной полостью со стороны размыкаемых контактов. 2 ил.

Изобретение относится к газовым, в частности к элегазовым, электрическим выключателям, в которых поток газа, обеспечивающий гашение дуги, создается одновременно за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия газа поршневым устройством в процессе отключения.

Известен газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока [1] Выключатель содержит контакты, один из которых выполнен подвижным и соединен с поршнем, расположенным в компрессионной полости, канал, один конец которого соединен с объемом, примыкающим к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам. Кроме того, выключатель содержит камеру нагрева газа, обеспечивающую автогенерацию дугогасящего потока, в которой происходит размыкание контактов и с которой соединен другой конец указанного канала, а также устройство магнитного дутья и камеру низкого давления. Подвижный контакт выключателя выполнен трубчатым, а его внутренняя полость соединена с камерой низкого давления.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении выключателя его контакты замкнуты. При отключении подвижный контакт приводится в движение, контакты размыкаются, возникающая между ними дуга, быстро перемещаясь под воздействием устройства магнитного дутья, нагревает газ в камере нагрева газа, его давление возрастает и начинается интенсивное истечение газа через внутреннюю полость подвижного контакта в камеру низкого давления. Одновременно с этим происходит сжатие газа в компрессионной полости под поршнем и его истечение через канал в камеру нагрева газа, создающее дополнительное дутье через внутреннюю полость подвижного контакта. Возникающим потоком газа дуга втягивается в полость подвижного контакта, интенсивно охлаждается и гасится. Вследствие того, что канал соединен с камерой нагрева газа, выключатель имеет ряд недостатков. Во-первых, поток газа, создаваемый автокомпрессорным устройством, не направлен непосредственно на дугу. Во-вторых, дополнительное повышение давления газа, а следовательно, и интенсивность дополнительного дутья через подвижный контакт, создаваемые автокомпрессионным устройством, сравнительно невелики. Это приводит к тому, что автокомпрессионное устройство, практически, не повышает отключаемый ток, а выполняет в выключателе вспомогательную функцию, обеспечивая отключение малых токов, когда эффективность гашения дуги за счет автогенерации и магнитного дутья (при использовании катушек, обтекаемых током отключения) невелика.

Наиболее близким к заявляемому является газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока: высоковольтный силовой выключатель [2] Газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока содержит контакты, один из которых выполнен подвижным и соединен с поршнем, расположенным в компрессионной полости, изоляционную насадку и хотя бы один канал, один конец которого соединен с объемом, примыкающим к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам. Кроме того, выключатель содержит камеру нагрева газа, сообщающуюся с областью размыкания контактов, кольцевую стенку, установленную на поршне со стороны размыкаемых контактов концентрично подвижному контакту, причем кольцевой зазор между стенкой и подвижным контактом образует указанный канал, а изоляционная насадка прилегает к наружной поверхности кольцевой стенки. Дугогасительный контур в выключателе образуется, например, за счет того, что подвижный контакт выполнен трубчатым. Выключатель может содержать также устройство магнитного дутья для повышения эффективности гашения дуги.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении его контакты замкнуты. При отключении подвижный контакт приводится в движение, контакты размыкаются, при этом кольцевая стенка скользит вдоль изоляционной насадки. Возникающая между контактами дуга обдувается направленным на нее продольным потоком газа, формируемым в результате сжатия газа под поршнем в компрессионной полости и его истечения через кольцевой канал. Одновременно с этим дуга нагревает газ в камере нагрева, его давление возрастает и начинается интенсивное истечение газа из камеры через внутреннюю полость подвижного трубчатого контакта. Оба потока смешиваются в области горения дуги, что способствует интенсивному разрушению, охлаждению и гашению дуги.

Вследствие того, что дутьевой канал автокомпрессионного устройства образован кольцевым зазором между кольцевой стенкой, установленной на поршне, и подвижным контактом, он соединяет сжимаемый объем под поршнем с областью размыкания контактов, что приводит к следующим недостаткам выключателя: отсутствию предварительного сжатия газа в компрессионной полости перед началом его истечения через канал, что снижает интенсивность обдува дуги; расходу газа из компрессионной полости на дутье на начальной стадии размыкания контактов, когда они еще не разведены на достаточное для эффективного дугогашения расстояние, а интенсивность дутья за счет автогенерации невысока из-за низкого давления газа в камере нагрева, вследствие чего гашение дуги на этой стадии в целом малоэффективно.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения отключающей способности газовых электрических выключателей с автогенерацией дугогасящего потока, в которых используется дополнительное дутье, формируемое за счет автокомпрессионного сжатия газа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение, по сравнению с прототипом, эффективности гашения дуги.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газовым электрическим выключателем с автогенерацией дугогасящего потока, содержащим контакты, один из которых выполнен подвижным и соединен с поршнем, расположенным в компрессионной полости, изоляционную насадку и хотя бы один канал, один конец которого соединен с объемом, примыкающим к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам, новым является то, что другой конец канала выходит на поверхность изоляционной насадки, прилегающую к наружной поверхности подвижного контакта за компрессионной полостью со стороны размыкаемых контактов.

Выведение канала на поверхность изоляционной насадки, прилегающую к наружной поверхности подвижного контакта за компрессионной полостью со стороны размыкаемых контактов, позволяет изолировать компрессионную полость от области размыкания контактов на части длины хода подвижного контакта, т.к. подвижный контакт перекрывает указанный канал и для его открытия необходимо переместить подвижный контакт вдоль поверхности изоляционной насадки. Таким образом, на начальной стадии размыкания контактов до момента открытия канала газ из компрессионной полости не расходуется на дутье, а поскольку поршень автокомпрессионного устройства соединен с подвижным контактом, то в это время происходит предварительное сжатие газа, способствующее его последующему интенсивному истечению на дугу. Задержка открытия канала позволяет к моменту его открытия сформироваться интенсивному потоку газа за счет процесса автогенерации. Кроме того, к этому моменту контакты могут быть разведены на необходимое для эффективного дугогашения расстояние, которое определяется конкретной геометрией использованной дутьевой системы. В результате после открытии канала создаются условия для более интенсивного по сравнению с прототипом взаимодействия потоков, формируемых за счет автокомпрессионного сжатия и автогенерации, между собой и с дугой, что приводит к большей турбулизации среды в межконтактном промежутке, способствует развитию неустойчивости дуги, увеличению поверхности теплоотдачи и ее распаду.

На фиг. 1 и 2 приведены два типа конструкций заявляемого газового электрического выключателя. Варианты отличаются формой и расположением камеры нагрева газа. Кроме того, в варианте, приведенном на фиг. 2, выключатель содержит устройство магнитного дутья. На фигурах выключатели изображены: во включенном положении слева от оси симметрии, в отключенном справа.

Заявляемый газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока содержит контакты 1 и 2, один из которых 2 выполнен подвижным и соединен с поршнем 3, расположенным в компрессионной полости 4, изоляционную насадку 5 и хотя бы один канал 6, один конец которого соединен с объемом 7, примыкающим к поршню 3 со стороны, противоположной размыкаемым контактам 1 и 2. Другой конец канала 6 выходит на поверхность изоляционной насадки 5, прилегающую к наружной поверхности подвижного контакта 2 за компрессионной полостью 4 со стороны размыкаемых контактов 1 и 2.

Конструкция каналов и изоляционной насадки, а также количество каналов могут быть различными. В представленных на фиг. 1 и 2 вариантах выключателей имеется по одному каналу 6, причем канал на части своей длины образован кольцевым зазором между цилиндрической стенкой 8 и наружной поверхностью полого цилиндра 9, а его пpодолжение проходит через изоляционную насадку 5, которая состоит из двух деталей, установленных соосно с зазором, который образует указанное пpодолжение канала. Изоляционная насадка выполнена из дугостойкого изоляционного материала.

Кроме того, выключатель содержит камеру нагрева газа 10 и камеру низкого давления 11, примыкающую снизу к перегородке 12. Выключатель заключен в герметичный изоляционный корпус 13, заполненный дугогасительным газом, например, элегазом (SF₆). Внутренняя полость подвижного трубчатого контакта соединена с камерой низкого давления 11 отверстиями 14, выполненными в стенке подвижного контакта. Токоподводящие выводы 15 и 16 соединены с фланцем 17 и перегородкой 12, соответственно. Для обеспечения цепи тока перегородка 12 снабжена скользящим контактом 18. В поршне 3 выполнены обратные клапаны 19, открывающиеся в объем 7 под поршнем, а в стенке подвижного контакта отверстия 20, соединяющие объем 21, примыкающий к поршню сверху, с внутренней полостью подвижного контакта 2.

В варианте исполнения выключателя, представленном на фиг. 1, камера нагрева газа 10 расположена под фланцем 17 и соединена с внутренней полостью контакта 1, выполненного в форме розетки. Выключатель может содержать неподвижный дугогасительный электрод 22, соединенный с фланцем 17 и расположенный коаксиально внутри контакта 1, выступая за его край, причем на электроде 22 может быть установлен наконечник 23 из дугостойкого изоляционного материала, максимальный диаметр которого не превышает диаметра электрода. Конец дугогасительного электрода 22 заходит в полость подвижного контакта 2. Посадка подвижного контакта на электрод 22 обеспечивает возможность его перемещения со скольжением по электроду 22.

В варианте исполнения выключателя, представленном на фиг. 2, все элементы выключателя расположенные над перегородкой 12, находятся в камере нагрева газа 10. Камера нагрева газа сообщается с областью размыкания контактов через кольцевой канал 24. Выключатель может содержать также устройство магнитного дутья, выполненное, например, в виде катушки 25, один конец которой соединен с фланцем 17, а другой с кольцевым дугогасительным электродом 26, расположенным за торцом контакта 1. На фланце 17 может быть закреплен стержень 27 из дугостойкого изоляционного материала, конец которого заходить в полость подвижного контакта 2. Посадка подвижного контакта на стержень 26 - скользящая.

Работает выключатель следующим образом. При его отключении подвижный контакт 2 приводится в движение. Контакты 1 и 2 размыкаются. В варианте конструкции выключателя, изображенном на фиг. 1, после размыкания контактов подвижный контакт 2 продолжает скользить по дугогасительному электроду 22. В момент, когда подвижный контакт сползает с дугогасительного электрода на изоляционный наконечник 23, между ними зажигается электрическая дуга, которая нагревает газ в камере нагрева 10.

В варианте конструкции выключателя, изображенном на фиг. 2, электрическая дуга зажигается между контактами 1 и 2 в момент их размыкания и затем перебрасывается на кольцевой дугогасительный электрод 26, включая катушку магнитного дутья 25 в электрическую цепь. Электрический ток, протекая по катушке, создает в области горения дуги поперечное магнитное поле, которое, взаимодействуя с дугой, приводит ее во вращение. Быстрое вращение дуги в дугогасящем газе обеспечивает ее охлаждение, равномерный разогрев газа в камере нагрева 10 и уменьшает износ контакта 2 и электрода 26 из-за эрозии поверхностей.

В момент, когда подвижный контакт 2 сходит с изоляционного наконечника 23 (в варианте конструкции, изображенном на фиг. 1) или с изоляционного стержня 27 (в варианте конструкции, представленном на фиг. 2), открывается отверстие в полость подвижного контакта, выполненное в форме сопла. К этому моменту давление газа в камере нагрева 1 значительно возрастает за счет выделения в ней тепловой энергии дуги. Приращение давления ΔP можно оценить, воспользовавшись выражением: где W энергия, выделенная дугой; V объем камеры нагрева газа; γ показатель адиабаты используемого газа (для элегаза g = 1,08 Поэтому после открытия сопла начинается интенсивное истечение газа через полость подвижного контакта в камеру низкого давления 11, выдувающее дугу.

Одновременно с этим при перемещении контакта 2 происходит процесс предварительного сжатия газа под поршнем в объеме 7. После перемещения подвижного контакта 2 на расстояние, необходимое для открытия дутьевого канала 6, начинается интенсивное истечение предварительно сжатого газа из объема 7 на дугу. Давление P₂ газа под поршнем к моменту открытия канала 6 можно оценить с помощью выражения P₁, V₁ соответственно, начальное давление и объем газа под поршнем;
V₂ объем газа под поршнем к моменту открытия канала 6.

Условием истечения газа через канал на дугу с момента его открытия является выполнение неравенства P₂≥P', где P' давление газа в межконтактном пространстве в месте выхода канала на поверхность изоляционной насадки в момент его открытия. В первом приближении можно принять, что Pʹ≈ P₁+ΔP Для обеспечения совместного воздействия потоков, формируемых за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия, на дугу длина изоляционного наконечника 23, либо изоляционного стержня 27 выбирается такой, чтобы сопло подвижного контакта открывалось одновременно или несколько раньше открытия дутьевого канала 6 автокомпрессионного устройства.

В случае, если не используются изоляционные детали 23, 27 (фиг. 1, 2), закупоривающие сопло подвижного контакта на части длины его хода, то для повышения эффективности гашения дуги взаимное расположение дутьевого канала 6 и контакта 1 может быть выбрано таким, чтобы при открытии канала контакты были разведены на расстояние, близкое к оптимальному расстоянию, необходимому для эффективного дугогашения, которое определяется конкретной геометрией дутьевой системы. Например, при гашении дуги в элегазе с использованием одностороннего дутья, реализуемого в данном случае, оптимальное расстояние между контактами 1 и 2 можно оценить, воспользовавшись выражением:

где Z_o расстояние между контактами, d_c диаметр сопла (см. Электрические аппараты высокого напряжения: Учебное пособие для вузов /Под ред. Г.Н. Александрова. Ленинград: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988, с. 61).

Кроме того, при перемещении поршня создается дополнительный перепад давлений в дутьевой системы из-за разрежения газа в объеме 21 над поршнем и засасывания в него газа из внутренней полости подвижного контакта через отверстия 20 в его стенке, что дополнительно повышает интенсивность дутья.

В результате в области горения дуги происходит более интенсивное по сравнению с прототипом взаимодействие направленных друг на друга потоков, сформированных за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия газа. Это приводит к большей турбулизации среды в межконтактом промежутке, что способствует более интенсивному разрушению дуги, увеличению поверхности теплоотдачи и ее распаду (см. Кукеков Г.А. Цыдыпев Д.Н. Влияние турбулизации газового потока в межконтактном промежутке на отключающую способность дугогасительного устройства. В сб. Динамика электрической дуги. Улан-Удэ, 1988). Таким образом, эффективность гашения дуги в данном устройстве повышается по сравнению с прототипом, а следовательно, повышается отключающая способность выключателя.

При включении выключателя подвижный контакт 2 перемещается в обратном направлении. При этом объем 7 компрессионной полости заполняет дугогасительным газом через канал 6 и обратные клапаны 19, установленные на поршне, а после перекрытия канала 6 подвижным контактом только через обратные клапаны 19, подготавливая выключатель к следующему отключению.

Формула изобретения

Газовый электрический выключатель с автогенерацией дугогасящего потока, содержащий контакты, один из которых выполнен подвижным и соединен с поршнем, расположенным в компрессионной полости, изоляционную насадку и хотя бы один канал, один конец которого соединен с объемом, примыкающим к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам, отличающийся тем, что другой конец канала выходит на поверхность изоляционной насадки, прилегающую к наружной поверхности подвижного контакта за компрессионной полостью со стороны размыкаемых контактов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2