Контактная система вакуумной дугогасительной камеры (варианты)

 

Изобретение относится к области сильноточных электрических выключателей. Технический результат - увеличение отключающей способности контактной системы без увеличения ее диаметра и, следовательно, омического сопротивления, а также уменьшение требуемого контактного нажатия путем придания рабочим поверхностям контактных накладок специальной формы. В контактной системе вакуумной дугогасительной камеры предлагается придавать рабочей поверхности одного из контактов выпуклую форму, а другого - вогнутую, причем отношение h/r должно находиться в пределах 0,15-0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно. Рабочие поверхности обоих контактов должны включать области контактирования, линии пересечения которых с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, должны иметь одинаковые радиусы кривизны. Границы областей контактирования определяются выбором радиусов их внутренней и внешней окружностей. 3 с. п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области сильноточных электрических выключателей, а именно к контактным системам вакуумных дугогасительных камер, которые являются основной частью вакуумных выключателей и вакуумных контакторов.

Известны три основных вида контактных систем. К первым двум видам относятся контактные системы, конструкция которых при отключении тока обеспечивает создание магнитного поля в области рабочих поверхностей контактов, управляющего поведением дуги отключения. Первый из этих видов - это контактные системы с магнитным полем, параллельным оси контактной системы, так называемые контактные системы с аксиальным магнитным полем. Они применяются в вакуумных дугогасительных камерах, предназначенных для силовых вакуумных выключателей с номинальными токами отключения 10-200 кА.

Второй вид - это контактные системы с радиальным магнитным полем. Они применяются в вакуумных дугогасительных камерах, предназначенных для силовых вакуумных выключателей с номинальными токами отключения 10-50 кА. Контакты контактной системы третьего вида имеют форму простых дисков или цилиндров. Они применяются в вакуумных дугогасительных камерах, предназначенных для вакуумных контакторов, вакуумных выключателей нагрузки, силовых вакуумных выключателей и других коммутационных аппаратов с номинальными токами отключения до 10 кА. Все три вида контактных систем отличаются один от другого по конструктивным признакам и принципу действия.

Предлагаемое изобретение распространяется на контактные системы всех трех видов. Ниже приведены описания изобретений трех видов (вариантов) контактных систем.

Первый вариант изобретения относится к контактным системам с аксиальным магнитным полем, представляющим собою контактные системы первого вида.

Известна контактная система [1] вакуумной дугогасительной камеры, включающая соосные присоединенные к токовводам подвижный и неподвижный контакты, каждый из которых содержит контактную накладку в виде диска с плоской рабочей поверхностью и по меньшей мере один из них содержит индуктор, состоящий из ряда дугообразных секций, причем один из концов каждой секции присоединен к тыльной стороне контактной накладки, другой - к токовводу вакуумной дугогасительной камеры, а концы соседних дугообразных секций перекрывают друг друга.

Указанная контактная система работает следующим образом.

Ток в вакуумной дугогасительной камере протекает через токовводы, индукторы и контактные накладки, если контакты замкнуты, а в процессе отключения тока также и через дугу, возникающую между рабочими поверхностями контактных накладок. Ток индуктора создает в области нахождения дуги и контактных накладок аксиальное магнитное поле. В аксиальном магнитном поле дуга распространяется по рабочей поверхности контактных накладок, а напряжение на дуге не превышает 100 вольт. Такую форму дуги называют диффузной. Возникновение диффузной формы дуги предотвращает недопустимый локальный перегрев рабочих поверхностей контактных накладок, приводящий к отказу при отключении аварийных токов. Взаимное перекрытие концов соседних дугообразных секций индукторов вводится для того, чтобы обеспечить существование аксиального магнитного поля на границах между соседними секциями индуктора и тем самым увеличить отключающую способность контактной системы.

Указанная контактная система обладает следующими недостатками: 1) Индуктор вносит в токоведущую цепь вакуумной дугогасительной камеры дополнительное омическое сопротивление, что увеличивает технические трудности при создании вакуумных выключателей с большими номинальными токами. Перекрытие концов соседних секций индуктора одновременно с улучшением распределения аксиального магнитного поля еще больше увеличивает омическое сопротивление индуктора.

2) Дальнейшее увеличение отключающей способности камер с указанной контактной системой достигается путем увеличения диаметра последней. Это приводит к увеличению диаметра самой вакуумной дугогасительной камеры и, следовательно, ее габаритов, массы и в конечном счете к увеличению стоимости вакуумной дугогасительной камеры и вакуумного выключателя в целом. Увеличение диаметра контактных систем сопровождается увеличением омического сопротивления индуктора из-за удлинения его секций.

3) Сила электродинамического отталкивания замкнутых контактов при протекании сквозных токов очень велика. Эта сила может вызвать кратковременное размыкание, так называемый "отброс" контактов. Для ее компенсации в выключателях предусмотрено устройство, создающее соответствующее контактное нажатие. Очевидно, что чем больше требуемое контактное нажатие, тем больше должна быть мощность привода, что ухудшает массогабаритные показатели выключателя.

Наиболее близкой к настоящему изобретению является контактная система [2] , включающая соосные подвижный и неподвижный контакты, каждый из которых содержит контактную накладку в виде диска, имеющего плоскую рабочую поверхность и ряд щелей, распространяющихся от периферии диска к центру, и по меньшей мере один из контактов содержит индуктор. Индуктор состоит из ряда дугообразных секций, причем один из концов каждой секции присоединен к тыльной стороне контактной накладки, другой - к токовводу вакуумной дугогасительной камеры. При протекании тока по индуктору создается аксиальное магнитное поле. Щели в контактных накладках предназначены для уменьшения вихревых токов в них, магнитное поле которых ослабляет поле индуктора. Щели расположены по отношению к местам их соединения с концами дугообразных секций индуктора таким образом, чтобы по возможности уменьшить долю тока в контактных накладках, которая создает магнитное поле, направленное противоположно полю индуктора.

Эта контактная система работает так же, как и вышеупомянутая [1] , и имеет те же недостатки.

Целью данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно увеличение отключающей способности контактной системы без увеличения ее диаметра и, следовательно, омического сопротивления, а также уменьшение требуемого контактного нажатия путем придания рабочим поверхностям контактных накладок специальной формы.

Для достижения поставленной цели в контактной системе вакуумной дугогасительной камеры, состоящей из соосных присоединенных к токовводам подвижного и неподвижного контактов, по меньшей мере один из которых содержит контактную накладку и индуктор, предлагается придавать рабочей поверхности одного из контактов выпуклую форму, а другого - вогнутую, причем отношение h/r должно находиться в пределах 0,15 - 0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно, при этом рабочие поверхности обоих контактов должны включать области контактирования, линии пересечения которых с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, должны иметь одинаковые радиусы кривизны, причем отношение r₁/r не менее 0,02, а отношение r₂/r = 0,3-1, где r₁ и r₂ - радиусы окружностей, являющихся внутренней и внешней границами областей контактирования соответственно.

Для лучшего понимания сущности изобретения на фиг. 1 показан продольный разрез 1-го варианта предлагаемой контактной системы со сферическими рабочими поверхностями контактных накладок; на фиг. 2 и 3 изображен индуктор подвижного контакта; на фиг. 4 и 5 - контактная накладка подвижного контакта; на фиг. 6 и 7 - виды А-А и Б-Б фиг. 1; на фиг. 8 - изображение силы электродинамического отталкивания; на фиг. 9 - условное обозначение размеров контактной системы; на фиг. 10 - схематическое изображение контактной системы, соответствующей предлагаемому изобретению, с контактными выступами.

Контактная система, представленная на фиг. 1, имеет соосные подвижный и неподвижный контакты. Подвижный контакт содержит контактную накладку 1, индуктор 2, расположенный между контактной накладкой 1 и токовводом 3 вакуумной дугогасительной камеры, и держатель 4. Неподвижный контакт содержит те же конструктивные элементы: контактную накладку 5, индуктор 6, расположенный между контактной накладкой 1 и токовводом 7 вакуумной дугогасительной камеры, и держатель 8. Держатели 4 и 8 служат для увеличения механической прочности контактной системы. Они изготавливаются из металла с высокой механической прочностью и низкой электропроводностью, например из нержавеющей стали. Рабочие поверхности контактных накладок 1, 5 имеют сферическую форму: выпуклую 9 у подвижного контакта и вогнутую 10 у неподвижного. 11 и 12 - тыльные поверхности контактных накладок 1 и 5 соответственно.

Конструкции индукторов 2, 6 и контактных накладок 1, 5 показаны на примере этих деталей для подвижного контакта. На фиг. 2 изображен вид на индуктор 2 (фиг. 1) со стороны рабочей поверхности 9 (фиг. 1), на фиг. 3 - сечение В-В фиг. 2. Как видно из фиг. 2 и 3, индуктор 2 содержит два проводника, каждый из которых состоит из трех частей: дугообразных секций 13, радиальных частей 14 и выступов 15. Радиальные части 14 соединяют дугообразные секции 13 с кольцом 16, с помощью которого индуктор 2 закрепляется на токовводе 3 фиг. 1. Выступы 15 соединяют дугообразные секции 13 с тыльной стороной 11 контактной накладки 1 фиг. 1. Дугообразные секции 13 отделены друг от друга щелями 17. Между дугообразными секциями 13 и кольцом 16 имеются зазоры 18. Индуктор неподвижного контакта имеет конструкцию, аналогичную показанной на фиг. 2, 3. Индукторы изготавливаются из металла с высокой электропроводностью, например из меди.

На фиг. 4 показан вид контактной накладки 1 (фиг. 1) со стороны ее рабочей поверхности 9 (фиг. 1), а на фиг. 5 - сечение Г-Г фиг. 4. Как видно из фиг. 4, 5, рабочая поверхность 9 контактной накладки 1 подвижного контакта имеет выпуклую форму и представляет собою поверхность шарового слоя с радиусом сферы R и радиусом основания r. Рабочая поверхность 9 на оси контактной системы имеет плоскую площадку 19 с радиусом r₁, который представляет собою радиус окружности, являющейся внутренней границей области контактирования, ее внешняя граница совпадает с радиусом основания r рабочей поверхности контактов. Контактная накладка снабжена щелями 20, распространяющимися от ее периферии к центру.

Конструкция контактной накладки 5 неподвижного контакта ясна из фиг. 1. Ее рабочая поверхность 10 имеет вогнутую форму, представляющую собой поверхность шарового сегмента с радиусом сферы R и радиусом основания r. R и r неподвижного контакта равны соответствующим величинам для подвижного контакта. В отличие от выпуклой поверхности 9 вогнутая поверхность 10 не содержит на оси контактной системы плоского участка. Контактная накладка 5 также снабжена щелями, аналогичными щелям 20 фиг. 4. Контактные накладки изготавливаются из специального контактного материала, например из хромомедной композиции или сплава.

На фиг. 6, 7 приведены виды А-А и Б-Б фиг. 1 соответственно, из которых видно расположение по отношению друг к другу контактных накладок 1, 5, индукторов 2, 6, а также подвижного и неподвижного контактов. Положение индукторов 2, 6 и пути токов I_и в них обозначены пунктирными линиями. Пути токов I_к в контактных накладках 1, 5 изображены сплошными линиями. Они проведены в предположении, что последние участки контактирования или основания дуги отключения в начальной стадии расположены на подвижном контакте в точках 21, на неподвижном - в точках 22. Как видно из фиг. 6, на которой изображен вид на подвижный контакт, щели 20 в контактной накладке 1 (фиг. 1) и щели 17 в индукторе 2 (фиг. 1) расположены по разные стороны выступов 15 индуктора 2. Аналогично расположены щели 23 контактных накладок 5 неподвижного контакта по отношению к щелям 24 и выступам 25 индуктора 6.

Контактная система, приведенная на фиг. 1, работает следующим образом. Токи I_и (фиг. 6, 7), протекающие в дугообразных секциях обоих индукторов 2, 6, создают аксиальное магнитное поле в области контактных накладок 1, 5. Указанное выше расположение щелей 20, 23 в контактных накладках 1, 5 позволяет уменьшить долю тока I_к в контактных накладках 1, 5, которая создает магнитное поле противоположной направленности по отношению к аксиальному магнитному полю индукторов 2, 6. Щели 20, 23 уменьшают также вихревые токи в контактных накладках и создаваемое ими магнитное поле, уменьшающее результирующее аксиальное магнитное поле.

Дуга, возникающая при размыкании контактов в процессе отключения тока короткого замыкания, под действием аксиального магнитного поля распространяется практически по всей рабочей поверхности 9, 10 каждой из контактных накладок 1, 5. Чем больше площадь этих поверхностей, тем больше отключающая способность контактной системы. В контактной системе, представленной на фиг. 1-7, увеличение площади и отключающей способности достигается не за счет увеличения диаметра контактной системы, а путем придания рабочей поверхности 9 одной (1) из контактных накладок выпуклой сферической формы, а другой (5) - вогнутой (10). Увеличение отключающей способности указанной контактной системы не приводит к удлинению дугообразных секций индукторов 2, 6 и, следовательно, их омического сопротивления, так как диаметр контактной системы и индукторов 2, 6 не увеличивается одновременно с увеличением площадей рабочих поверхностей 9, 10 контактных накладок 1, 5.

На фиг. 8 показана сила F_э электродинамического отталкивания, действующая на подвижный контакт при протекании через замкнутые контакты сквозного тока, и ее проекции F_эх и F_эу на оси x и y соответственно. Сила F_э возникает в месте контактирования (точка 21) и направлена по нормали к рабочей поверхности 9 контактной накладки 1. Если рабочие поверхности контактных накладок перпендикулярны оси контактной системы, сила F_э направлена вдоль этой оси, а сила контактного нажатия должна быть не меньше F_э. Если же сила F_э образует угол α с осью контактной системы, то отброс контактов уже вызывает сила меньшая, чем F_э, а именно ее проекция F_эу = F_э•cosα на ось y, параллельную оси контактной системы. Соответственно, и сила контактного нажатия, препятствующая отбросу контактов, может быть меньше F_э, но не меньше F_эу. Наличие на вершине выпуклого контакта плоской поверхности 19 в виде круга радиуса r₁ и ее отсутствие на вершине вогнутого контакта исключает контактирование рабочих поверхностей 9, 10 контактных накладок 1, 5 на расстояниях а от оси контактной системы меньших r₁. В любых других точках рабочих поверхностей 9, 10 контактных накладок 1, 5 (фиг. 1), удовлетворяющих условию ₁≅а≅r, контактирование возможно. Тем самым в контактной системе, представленной на фиг. 1, во всех случаях требуется меньшее, чем F_э, значение силы контактного нажатия, которое необходимо для предотвращения отброса контактов при протекании сквозных токов.

Помимо вышеперечисленных преимуществ следует отметить еще одно достоинство предлагаемой контактной системы. Дуга отключения в вакуумных дугогасительных камерах горит в парах металла, испаряющегося с рабочих поверхностей контактных накладок из-за рассеяния на них энергии, выделяющейся в дуге. Часть испарившихся атомов покидает межконтактный промежуток и оседает на окружающих его поверхностях. Расположение выпуклого контакта внутри вогнутого способствует тому, что количество пара, покидающего межконтактный промежуток, меньше, чем в традиционных контактных системах с плоскими рабочими поверхностями, что приводит к увеличению плотности пара в межконтактном промежутке. Это должно вызвать уменьшение падения напряжения на дуге отключения и, следовательно, энергии, рассеивающейся на рабочих поверхностях контактных накладок, их нагрева и увеличение отключающей способности контактной системы. Таким образом, увеличение отключающей способности предлагаемой контактной системы достигается не только за счет увеличения площади рабочей поверхности контактных накладок, но и дополнительно в результате вышеописанного эффекта.

На фиг. 9 приведено схематическое изображение контактной системы фиг. 1 с разомкнутыми контактами при ходе Н подвижного контакта. На фиг. 9 R - радиус сферических поверхностей, r - радиус их оснований, h - высота рабочей поверхности контактной накладки подвижного контакта.

На фиг. 10 приведено схематическое изображение контактной системы, у которой радиус r₂ окружности, являющейся внешней границей области контактирования, меньше радиуса r основания рабочей поверхности каждого из контактов. Это осуществляется путем выполнения на каждой из рабочих поверхностей 26, 27 контактных накладок выступов 28, 29. Область контактирования внутри и на периферии рабочих поверхностей контактных накладок может быть ограничена иным способом, отличающимся от приведенного на фиг. 1 и 10, например, путем изменения на ее границах радиусов кривизны линий пересечения рабочих поверхностей контактов с плоскостью, проходящей через ось контактной системы.

Выпуклая и вогнутая рабочие поверхности контактных накладок могут иметь форму, отличающуюся от сферической, например, конусную.

Отношение h/r должно находиться в пределах 0,15-0,95. При значениях h/r<0,15 увеличение отключающей способности и уменьшение силы требуемого контактного нажатия незначительны. При h/r>0,95 вершины рабочих поверхностей контактов попадают за пределы расположения индукторов, где величина индукции аксиального магнитного поля недостаточна для успешного функционирования контактной системы. Кроме этого, при h/r>0,95 увеличение продольного размера контактной системы становится экономически невыгодным.

Размеры области контактирования должны определяться следующими соотношениями.

Отношение r₁/r должно быть не менее 0,02. При r₁/r<0,02 уменьшение силы требуемого контактного нажатия незначительно.

Отношение r₂/r должно находиться в пределах 0,3-1. Это отношение влияет на износ контактов. Износ контактов в вакуумных дугогасительных камерах определяется по уменьшению продольного размера контактов в результате их электрической эрозии при коммутациях тока. Износ контактов увеличивается при увеличении отключаемого тока, уменьшении площади области контактирования и уменьшении индукции аксиального магнитного поля. Индукция аксиального магнитного поля имеет наибольшую величину по оси контактной системы и спадает по мере удаления от нее. При уменьшении r₂/r уменьшается площадь области контактирования, одновременно в процентном отношении увеличивается та ее часть, которая находится в зоне больших значений индукции аксиального магнитного поля. Таким образом, первый из этих факторов приводит к увеличению износа контактов, второй - к уменьшению. Опыт авторов позволяет сделать вывод, что оптимальными являются вышеназванные пределы значений r₂/r. Чем больше номинальный ток отключения контактной системы, тем меньшее значение отношения r₂/r в пределах 0,3-1 она должна иметь.

Отношение h/H должно находиться в пределах 0,1-8. Значения h/H<0, l неприемлемы из-за незначительного увеличения при этом площади рабочей поверхности контактов и соответственно их отключающей способности. При значениях h/H>8 вершины рабочих поверхностей попадают за пределы расположения индукторов, где величина индукции аксиального магнитного поля недостаточна для успешного функционирования контактной системы, кроме этого, при h/H>8 увеличение продольного размера контактной системы становится экономически невыгодным.

Испытания вакуумных дугогасительных камер с контактными системами с аксиальным магнитным полем, соответствующими предлагаемому изобретению, со сферическими и конусными рабочими поверхностями контактных накладок показали, что их отключающая способность в 1,6 раза больше, а сила контактного нажатия, требуемого для предотвращения отброса контактов, в 2 раза меньше, чем у вакуумной дугогасительной камеры с контактной системой того же вида и диаметра, но с плоскими рабочими поверхностями контактных накладок, перпендикулярными оси контактной системы.

Второй вариант данного изобретения относится к контактным системам с радиальным магнитным полем, представляющим собою контактные системы второго вида.

Известна контактная система [3] вакуумной дугогасительной камеры, включающая соосные присоединенные к токовводам подвижный и неподвижный контакты, выполненные в виде дисков с плоскими поверхностями областей контактирования, перпендикулярными оси контактной системы и расположенными в центральной области рабочей поверхности дисков. По меньшей мере один из дисков разделен прорезями, идущими от периферии диска к его центру, на ряд лепестков, изогнутых в тангенциальном направлении. Угол между радиусами диска, которые проходят через внутренний и периферийный концы средней продольной линии каждого лепестка, составляет не менее 1,1•360^o/n, где n - число лепестков, а отношения r₁/R и r₂/R составляют не менее 0,8 и 0,5 соответственно, где R - радиус диска, a r₁ и r₂ - расстояния от центра диска до касательных к указанной средней линии длиной l в двух ее точках, одна из которых расположена на периферийном конце линии, а другая на расстоянии 0,5 l от него соответственно.

Указанная контактная система работает следующим образом.

Когда контакты замкнуты, ток протекает через токовводы, контакты и упомянутые области контактирования. При этом в точках контактирования появляются электродинамические усилия, направленные параллельно оси контактной системы и отталкивающие контакты один от другого. Для предотвращения размыкания (отброса) контактов при протекании сквозных токов они должны быть сжаты силой контактного нажатия, уравновешивающей или превышающей силу электродинамического отталкивания. Контактное нажатие создается приводом вакуумного выключателя.

При отключении тока, когда контакты размыкаются, между поверхностями контактирования возникает дуга, основания которой в ее начальной стадии расположены в точках предшествовавшего контактирования. Путь тока через токовводы, контакты и дугу, как правило, образует петлю. При взаимодействии дуги с магнитным полем петли тока возникает электродинамическое усилие, направленное от центра дисков к их периферии. Под действием этого усилия дуга перемещается в область расположения лепестков, изогнутых в тангенциальном направлении. Путь тока через лепестки и дугу образует петлю, также изогнутую в тангенциальном направлении, магнитное поле которой содержит составляющую, направленную вдоль радиуса. Взаимодействие дуги с радиальной составляющей магнитного поля вызывает возникновение электродинамического усилия, направленного тангенциально, которое перемещает дугу вдоль лепестка и на периферийном его конце обеспечивает ее переход на соседний лепесток. Переходя с лепестка на лепесток под действием радиальной составляющей магнитного поля, дуга вращается по периферийной области рабочей поверхности дисков. Тем самым достигается практически равномерный нагрев рабочих поверхностей контактов, вследствие чего и происходит успешное отключение тока. Конфигурация лепестков, определяемая приведенными выше соотношениями их размеров, позволяет уменьшить нагрев экрана, окружающего контакты, предотвратить его оплавление и испарение. Это происходит благодаря уменьшению плотности энергии, рассеиваемой на экране плазмоидами, слетающими с вышеупомянутых лепестков. Это дало возможность увеличить отключающую способность контактных систем в 1,7-2 раза.

Указанная контактная система обладает следующими недостатками.

1. Для дальнейшего увеличения ее отключающей способности необходимо увеличивать диаметр контактных дисков, что приводит к увеличению массогабаритных показателей вакуумной дугогасительной камеры и вакуумного выключателя в целом.

2. Сила электродинамического отталкивания, действующая на контакты в указанной контактной системе при протекании сквозных токов и направленная параллельно оси контактной системы, весьма велика и возрастает пропорционально квадрату пика тока. Например, для вакуумного выключателя с номинальным током отключения 20 кА она превышает 1000 Н. Соответственно, велика и сила контактного нажатия, которую должен обеспечивать привод выключателя для предотвращения отброса контактов. Это ухудшает экономические показатели вакуумных выключателей.

Наиболее близкой к предлагаемой является контактная система [4] , включающая соосные соединенные с токовводами подвижный и неподвижный контакты в виде дисков с областями контактирования, поверхности которых перпендикулярны оси контактной системы. Указанные области расположены на рабочей поверхности дисков на некотором расстоянии как от оси дисков, так и от их периферии. По меньшей мере один из этих дисков содержит прорези, идущие от периферии диска к его центру и создающие на периферии диска ряд лепестков изогнутых в тангенциальном направлении, причем начало и конец соседних прорезей перекрываются в радиальном направлении.

Принцип работы контактной системы [4] такой же, как и вышеописанной [3] , и она обладает теми же недостатками. Кроме вышеупомянутых недостатков конструкция контактной системы [4] обладает еще одним третьим недостатком, не свойственным контактной системе [3] . Третий недостаток состоит в том, что в конструкции [4] не предусмотрены меры, уменьшающие нагрев окружающего контакты экрана плазмоидами, слетающими с лепестков. Это приводит к уменьшению отключающей способности контактной системы [4] .

Целью данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно увеличение отключающей способности контактной системы без увеличения ее диаметра, уменьшение требуемого контактного нажатия, а также уменьшение нагрева экрана плазмоидами, слетающими с лепестков контактов, путем придания рабочим поверхностям контактов специальной формы.

Для достижения поставленной цели в контактной системе, состоящей из соосных, присоединенных к токовводам подвижного и неподвижного контактов, по меньшей мере один из которых содержит прорези, идущие от периферии контакта к его центру и создающие ряд лепестков, изогнутых в тангенциальном направлении, причем начало и конец соседних прорезей перекрываются в радиальном направлении, предлагается рабочей поверхности одного из контактов придавать выпуклую форму, а другого - вогнутую, причем отношение h/r= 0,15-0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно, при этом рабочие поверхности обоих контактов должны включать области контактирования, линии пересечения которых с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, должны иметь одинаковые радиусы кривизны, причем отношение r₁/r не менее 0,02, а отношение r₂/r= 0,6-1, где r₁ и r₂ - радиусы окружностей, являющихся внутренней и внешней границами области контактирования соответственно.

Для лучшего понимания сущности изобретения на фиг. 11 показан продольный разрез контактной системы с радиальным магнитным полем со сферической формой выпуклой и вогнутой рабочих поверхностей контактов. На фиг. 12 и 13 - виды Д-Д и Е-Е на рабочие поверхности контактов фиг. 11.

Контактная система, представленная на фиг. 11, имеет соосные подвижный 30 и неподвижный 31 контакты, присоединенные к токовводам 3, 7. На фиг. 12 и 13 показан вид рабочих поверхностей 32 и 33 контактов 30 и 31. Каждый из контактов 30, 31 разрезан прорезями 34, 35 на ряд лепестков 36, 37, изогнутых в тангенциальном направлении. Со стороны рабочих поверхностей прорези в противолежащих контактах направлены встречно. В рабочем состоянии при замкнутом и разомкнутом положениях контактов направления прорезей в обоих контактах совпадают.

В центральной области выпуклой рабочей поверхности подвижного контакта имеется плоская площадка с радиусом r₁ (фиг. 12), который представляет собою радиус окружности, являющейся внутренней границей области контактирования. Ее внешняя граница совпадает с радиусом r оснований рабочих поверхностей контактов 30, 31. Линии пересечения поверхностей областей контактирования с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, имеют у обоих контактов одинаковые радиусы кривизны.

Контакты 30, 31 изготавливаются из специального контактного материала, например из хромомедной композиции или сплава.

Контактная система, приведенная на фиг. 11, 12, 13, работает следующим образом.

Когда контакты 30, 31 замкнуты, ток протекает через токовводы 3, 7, контакты 30, 31 и области контактирования, расположенные на рабочих поверхностях 32, 33. Сила электродинамического отталкивания контактов F_э (фиг. 8), достигающая значительных величин при протекании сквозных токов, направлена по нормали к поверхности в точке контактирования. Так как ось контактной системы (фиг. 11, 12, 13) не проходит через область контактирования и удалена от нее на расстояние r₁, то нормаль к указанной поверхности и, следовательно, сила электродинамического отталкивания F_э в любой точке контактирования направлена под некоторым углом к оси контактной системы. Размыкание контактов 30, 31 может вызвать только составляющая этой силы F_эу (фиг. 8), параллельная оси контактной системы и меньшая F_э. Следовательно, для контактной системы, соответствующей данному изобретению, требуется меньшее контактное нажатие для компенсации силы электродинамического отталкивания, чем для традиционных контактных систем с плоскими поверхностями контактирования, перпендикулярными оси контактов.

При отключении тока между поверхностями контактирования возникает дуга. Путь тока через дугу и контакты 30, 31 образует петлю. При взаимодействии тока дуги с магнитным полем петли тока появляется сила, выталкивающая дугу в область расположения изогнутых в тангенциальном направлении лепестков 36, 37. При протекании тока через дугу и лепестки 36, 37 создается радиальное магнитное поле, при взаимодействии с которым дуга вращается, переходя с лепестка на лепесток. Придание рабочим поверхностям 32, 33 контактов 30, 31 сферической формы позволяет увеличить их площадь и, следовательно, отключающую способность контактной системы без увеличения ее диаметра.

Выполнение рабочей поверхности 32 одного из контактов 30 выпуклой, а другого (31) - вогнутой (33) позволяет избежать еще одного недостатка, свойственного контактным системам с радиальным магнитным полем. Имеется в виду рассеивание на экране, окружающем контакты 30, 31, энергии плазмоидов, слетающих с лепестков 36, 37 контактов. Плазмоиды летят прямолинейно, и в предлагаемой контактной системе большая их часть встречает на своем пути вогнутую рабочую поверхность 33 контакта 31, где и рассеивается их энергия. Следовательно, уменьшается нагрев экрана, окружающего контакты 30, 31, и увеличивается отключающая способность вакуумной дугогасительной камеры с предлагаемой контактной системой. Таким образом, увеличение отключающей способности предлагаемой контактной системы достигается не только за счет увеличения площади рабочих поверхностей контактов 30, 31, но и дополнительно в результате уменьшения нагрева экрана.

В контактной системе второго варианта изобретения, как и в системе первого варианта, имеет место увеличение плотности пара из-за экранирования его выхода за пределы межконтактного промежутка вогнутой рабочей поверхностью 33 контакта 31. Следствием этого является уменьшение падения напряжения на дуге, энергии, рассеиваемой на поверхностях 32, 33 контактов 30, 31 и их нагрева. Этот фактор, как и увеличение площади рабочих поверхностей 32, 33 контактов 30, 31 и уменьшение нагрева экрана, должен дать дополнительное увеличение отключающей способности контактной системы.

Радиус окружности, являющейся границей области контактирования, может и не совпадать с радиусом основания рабочих поверхностей контактов, как это показано на фиг. 10. В этом случае в контактных системах с радиальным магнитным полем уменьшаются длины участков лепестков, на которых возможно контактирование при замкнутом положении контактов. Следовательно, уменьшается и омическое сопротивление вакуумной дугогасительной камеры, что имеет большое значение для вакуумных дугогасительных камер с большими номинальными токами.

Рабочие поверхности контактов могут иметь не только сферическую (фиг. 11), но и иную форму, например конусную.

В контактных системах с радиальным магнитным полем отношение h/r (фиг. 9) должно находиться в пределах 0,15-0,95. При h/r<0,15 увеличение отключающей способности и уменьшение силы требуемого контакного нажатия незначительны. При h/r>0,95 увеличение продольного размера контактной системы становится экономически невыгодным. Размеры области контактирования должны определяться следующими соотношениями. Отношение r₁/r (фиг. 9) должно быть не менее 0,02. При r₁<0,02 уменьшение силы требуемого контактного нажатия незначительно. Отношение r₂/r (фиг. 10) должно находиться в пределах 0,6-1. Это отношение влияет на омическое сопротивление контактной системы и износ контактов. При уменьшении отношения r₂/r уменьшается омическое сопротивление контактной системы и одновременно увеличивается износ контактов, т. е. имеют место как положительный, так и отрицательный эффекты. Опыт авторов позволяет сделать вывод, что для контактных систем с радиальным магнитным полем, соответствующих предлагаемому изобретению, для отношения r₂/r оптимальными являются пределы 0,6-1. Чем больше номинальный ток отключения контактной системы, тем меньшее значение r₂/r в пределах 0,6-1 она должна иметь.

Отношение h/H (фиг. 9) для контактных систем с радиальным магнитным полем должно находиться в тех же пределах, что и для контактных систем с аксиальным магнитным полем.

Третий вариант данного изобретения относится к контактным системам, имеющим форму контактов в виде простых дисков или цилиндров, представляющим собою контактные системы третьего вида.

Известна контактная система [5] , включающая соосные присоединенные к токовводам подвижный и неподвижный контакты, имеющие форму простых цилиндров с плоскими, перпендикулярными оси контактов рабочими поверхностями, выполняющими одновременно функции контактирования и дугогашения. Увеличение отключающей способности этой контактной системы достигалось путем увеличения диаметра контактов.

Эта контактная система работает следующим образом.

При замкнутых контактах ток протекает через токовводы и контакты. В точках контактирования появляется сила электродинамического отталкивания, параллельная оси контактной системы. Для предотвращения размыкания (отброса) контактов при протекании сквозных токов они должны быть сжаты силой контактного нажатия, уравновешивающей или превышающей силу электродинамического отталкивания. Сила контактного нажатия создается приводом вакуумного выключателя или вакуумного контактора.

В процессе отключения тока при размыкании контактов между ними возникает дуга. В начальной стадии, пока расстояние между контактами мало, дуга имеет контрагированную форму. По мере расхождения контактов контрагированная форма дуги переходит в диффузную. На катоде появляется множество катодных пятен, количество которых пропорционально току. Вследствие эффекта обратного движения катодных пятен в магнитном поле они отталкиваются друг от друга и движутся к краям катода. Постоянно происходит погасание одних и появление новых катодных пятен. Анодные части дуги следуют за катодными. Падение напряжения на дуге не превышает нескольких десятков вольт.

В области катодных пятен на катоде возникают микроскопические участки испарения с небольшой тепловой инерцией, снабжающие дугу паром. При номинальных токах отключения рабочие поверхности контактов нагреваются дугой практически равномерно и остывают при приближении переменного тока к нулю. Поэтому при переходе тока через нуль дуга гаснет и происходит отключение тока. При превышении предельных токов отключения на рабочих поверхностях контактов появляются макроскопические глубоко разогретые, расплавленные и испаряющиеся участки. К моменту перехода тока через нуль эти участки не успевают достаточно остыть, что приводит к отказу при отключении тока. Величина тока, при котором на рабочих поверхностях контактов появляются очаги, приводящие к отказу, зависит от материала и диаметра контактов.

Вышеописанная контактная система [5] обладает следующими недостатками.

1) Увеличение ее отключающей способности при прочих равных условиях - одинаковой конструкции, контактном материале, характеристиках хода подвижного контакта и т. п. - может быть достигнуто только путем увеличения диаметра контактов.

2) При протекании сквозных токов электродинамическое усилие отталкивания может достигать значительной величины. Это в особенности касается контактных систем, применяемых в вакуумных дугогасительных камерах, предназначенных для силовых выключателей и выключателей нагрузки. Номинальные сквозные токи последних значительно превышают номинальные токи отключения. Большое усилие электродинамического отталкивания вызывает необходимость создания соответствующего контактного нажатия, что ухудшает массогабаритные показатели выключателей.

Наиболее близкой к третьему варианту настоящего изобретения является контактная система [6] , включающая соосные, присоединенные к токовводам подвижный и неподвижный контакты, причем рабочая поверхность неподвижного контакта имеет выпуклую форму, а подвижного - вогнутую. Радиус кривизны дуги, расположенной на пересечении рабочей поверхности неподвижного контакта с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, меньше соответствующего радиуса кривизны для подвижного контакта. Вследствие этого область контактирования замкнутых контактов расположена на оси контактов, а в периферийной части рабочих поверхностей контактов имеется зазор.

Указанная контактная система работает аналогично вышеописанной [5] со следующими отличиями: 1) Контактирование (соприкосновение) контактов осуществляется не по всей рабочей поверхности контактов, как в [5] , а только по оси контактной системы.

2) Выполнение рабочей поверхности неподвижного контакта выпуклой с меньшими радиусом кривизны линии ее пересечения с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, чем у вогнутой рабочей поверхности подвижного контакта, позволяют направить продукты эрозии контактов, вылетающие из межконтактного промежутка, в сторону, противоположную расположению сильфона, который соединяет подвижный контакт с оболочкой вакуумной дугогасительной камеры. Предполагается, что это предохраняет сильфон от прожигания продуктами эрозии контактов.

Указанная [6] контактная система обладает следующими недостатками.

1) Вследствие того что область контактирования расположена на оси контактной системы, сила электродинамического отталкивания контактов также направлена вдоль оси контактной системы. При протекании сквозных токов эта сила достигает значительной величины, и для ее компенсации конструкция вакуумного выключателя должна обеспечивать создание соответственного контактного нажатия, что ухудшает его массогабаритные показатели.

2) Разные радиусы кривизны указанных линий на рабочих поверхностях подвижного и неподвижного контактов обуславливают контактирование (соприкосновение) контактов в ограниченной области. Если рабочие поверхности контактов представляют собою поверхности шаровых сегментов, контактирование новых, не подвергавшихся эрозии контактов происходит в одной точке, расположенной на оси контактной системы. Если рабочие поверхности контактов представляют части цилиндра, контактирование происходит по образующим этих цилиндров. По мере износа контактов вследствие их электрической эрозии при коммутациях тока область контактирования несколько расширяется, но все же остается весьма ограниченной. Известно, что износ контактов обратно пропорционален площади поверхности контактирования. В связи с этим ограничение области контактирования [6] приводит к повышенному износу контактов.

3) В контактной системе [6] требование, чтобы рабочая поверхность именно неподвижного контакта имела выпуклую форму, а подвижного - вогнутую, является обязательным. Это ограничивает свободу выбора при конструировании контактных систем.

Целью данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно увеличение отключающей способности контактной системы без увеличения ее диаметра, уменьшение требуемого контактного нажатия и износа контактов путем придания рабочим поверхностям контактов специальной формы.

Для достижения поставленной цели в контактной системе, включающей присоединенные к токовводам соосные подвижный и неподвижные контакты, причем рабочая поверхность одного из которых имеет выпуклую форму, а другого - вогнутую, предлагается обе упомянутые поверхности выполнять таким образом, чтобы линии пересечения указанных поверхностей с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, имели одинаковые радиусы кривизны. При этом отношение высоты каждой из рабочих поверхностей к радиусу ее основания должно находиться в пределах 0,15-0,95.

Для лучшего понимания сущности изобретения на фиг. 14 приведен продольный разрез предлагаемой контактной системы, соответствующей третьему варианту изобретения, на фиг. 15 - вид Ж-Ж на рабочую поверхность подвижного контакта.

Контактная система, представленная на фиг. 14, имеет соосные подвижный 38 и неподвижный 39 контакты, присоединенные к токовводам 3, 7. Рабочая поверхность 40 подвижного контакта - выпуклая, а неподвижного 41 - вогнутая. Обе рабочие поверхности имеют сферическую форму с одним и тем же радиусом сферы. Вид Ж-Ж на рабочую поверхность 40 подвижного контакта, приведенный на фиг. 15, имеет форму круга. Вид И-И на рабочую поверхность 41 неподвижного контакта идентичен виду Ж-Ж. Контакты изготавливаются из специального контактного материала, например из композиции хром-медь или вольфрам-медь.

Показанная на фиг. 13, 14 контактная система работает следующим образом. Когда контакты 38, 39 замкнуты, ток протекает через токовводы 3, 7, контакты 38, 39 и их рабочие поверхности 40, 41, в любых точках которых возможно контактирование. В этих точках возникают силы электродинамического отталкивания. Составляющие этих сил, параллельные оси контактной системы, которые должны быть скомпенсированы контактным нажатием, во всех точках поверхностей 40, 41, за исключением точек, расположенных вблизи оси, меньше сил электродинамического отталкивания, направленных по нормали к рабочим поверхностям контактов.

В вакуумных контакторах и ряде других коммутационных устройств номинальный ток отключения не превышает 5 кА, а наибольший пик сквозного тока соответственно 13 кА. При таких токах силы электродинамического отталкивания не очень велики. Поэтому вблизи оси контактной системы на рабочей поверхности контактов можно и не выделять область, в которой исключается контактирование. В вакуумных выключателях нагрузки сквозной ток значительно превышает отключаемый. Велик сквозной ток и в силовых вакуумных выключателях с током отключения более 5 кА. В указанных выключателях силы электродинамического отталкивания достигают значительных величин. Поэтому в контактных системах, применяемых в вакуумных дугогасительных камерах, предназначенных для указанных выключателей, целесообразно вблизи оси контактной системы выделять область, в которой контактирование исключается. Эта область может, например, представлять собой плоский круг с радиусом r₁ на вершине выпуклой рабочей поверхности контактов, аналогично показанному на фиг. 1, 4, 5, 8, 9, 11, 12.

В процессе отключения тока при размыкании контактов 38, 39 между ними в начальной стадии возникает контрагированная дуга, основания каналов которой расположены в точках предшествовавшего контактирования. По мере расхождения контактов 38, 39 контрагированная дуга переходит в диффузную форму, при которой катодные пятна распространяются по всей рабочей поверхности катода, а анодные области дуги следуют за ними.

Придание рабочей поверхности 40 одного из контактов 38 выпуклой формы, а другого (39) - вогнутой (41) с одинаковыми радиусами кривизны линий пересечения указанных поверхностей с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, позволяет увеличить площадь рабочих поверхностей контактов, являющихся одновременно областями контактирования, и, следовательно, увеличить отключающую способность, и уменьшить износ контактов без увеличения их диаметра.

Указанные выше достоинства контактной системы, соответствующей третьему варианту изобретения, позволяют улучшить массогабаритные показатели вакуумных дугогасительных камер и вакуумных выключателей в целом.

Выпуклая 40 и вогнутая 41 рабочие поверхности контактов 38, 39 могут иметь форму, отличающуюся от сферической, например, конусную.

Отношения h/r и h/H (фиг. 9) для контактных систем третьего вида должны иметь те же значения, что и для контактных систем первого и второго видов.

Формула изобретения

1. Контактная система вакуумной дугогасительной камеры, состоящая из соосных присоединенных к токовводам подвижного и неподвижного контактов, по меньшей мере один из которых содержит контактную накладку и индуктор, отличающаяся тем, что рабочая поверхность одного из контактов имеет выпуклую форму, а другого - вогнутую, причем отношение h/r находится в пределах 0,15-0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно, при этом рабочие поверхности обоих контактов включают области контактирования, линии пересечения которых с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, имеют одинаковые радиусы кривизны, а границы указанных областей определяются отношениями r₁/r не менее 0,02 и r₂/r = 0,3-1, где r₁ и r₂ - радиусы окружностей, являющихся внутренней и внешней границами областей контактирования соответственно.

2. Контактная система вакуумной дугогасительной камеры, состоящая из соосных присоединенных к токовводам подвижного и неподвижного контактов, по меньшей мере один из которых содержит прорези, идущие от периферии контакта к его центру и создающие ряд лепестков, изогнутых в тангенциальном направлении, причем начало и конец соседних прорезей в радиальном направлении перекрываются, отличающаяся тем, что рабочая поверхность одного из контактов имеет выпуклую форму, а другого - вогнутую, причем отношение h/r = 0,15-0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно, при этом рабочие поверхности каждого из контактов включают области контактирования, линии пересечения которых с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, имеют одинаковые радиусы кривизны, а границы указанных областей определяются отношениями r₁/r не менее 0,02 и r₂/r = 0,3-1, где r₁ и r₂ - радиусы окружностей, являющихся внутренней и внешней границами областей контактирования соответственно.

3. Контактная система вакуумной дугогасительной камеры, включающая соосные присоединенные к токовводам подвижный и неподвижный контакты, рабочая поверхность одного из которых имеет выпуклую форму, а другого - вогнутую, отличающаяся тем, что линии пересечения рабочих поверхностей каждого из контактов с плоскостью, проходящей через ось контактной системы, имеют одинаковые радиусы кривизны, причем отношение h/r = 0,15-0,95, где r и h - радиус основания и высота рабочей поверхности каждого из контактов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15