Дугогасительная камера выключателя переменного тока с замкнутым потоком дугогасящей среды

 

Изобретение может быть использовано для коммутации переменного тока высокого напряжения. Технический результат - увеличение отключающей способности выключателя переменного тока и уменьшение его габаритов. Поток дугогасящей среды формируется источником давления (компрессором), управляемым клапаном. В качестве дугогасящей среды в дугогасительной камере применен водород. Между парами контактов перпендикулярно к ним расположен плоский графитовый экран, имеющий площадь, достаточную для полной деионизации электрической дуги на каждой из его сторон. 1 ил.

Изобретение относится к выключателям переменного тока с замкнутым потоком дугогасящей среды от источника давления (компрессора), управляемого клапаном, и может быть использовано для коммутации переменного тока высокого напряжения.

Известна дугогасительная камера маломасляного выключателя переменного тока, включающая корпус, подвижные и неподвижные контакты (Теория и конструкции выключателей / Под ред. Ч.X.Флершейма. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.34, 134-136). При разложении масла электрической дугой образуются следующие вещества: 70% водорода Н₂, 25% ацетилена C₂H₂, 5% метана СH₄, дугу гасит в основном водород. При расчете маломасляных выключателей принимают, что в результате разложения масла образуется 100% водорода H₂ при давлении 0.3... 10 МПа. Гашение дуги в среде водорода (как в наиболее эффективной дугогасительной среде) является достоинством маломасляного выключателя. К его недостаткам относятся: необходимость постоянного контроля, низкая надежность, пожаро- и взрывоопасность.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является дугогасительная камера выключателя переменного тока с замкнутым потоком дугогасящей среды (элегаза), включающая корпус, компрессор, управляющий клапан, бак высокого давления, трубопроводы высокого и низкого давления, трубчатые неподвижные контакты, торцовые подвижные контакты (Полтев А.И. Конструкции и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. - Л.: Энергия, 1979, с.122). Недостатком данного устройства является использование элегаза для гашения дуги. Элегаз, имея сравнительно высокие изоляционные свойства, обладает следующими недостатками: - неравномерность распределения температуры в сечении столба дуги, в центральной области которого электропроводность резко возрастает, температура повышается, что может привести к оплавлению контактов и увеличению неоднородности электрического поля, что увеличивает вероятность электрического пробоя между контактами, а неравномерность распределения температуры в сечении столба дуги ухудшает ее охлаждение и деионизацию; - сложность использования элегазового выключателя в холодном климате без подогрева при сохранении его отключающей способности из-за сжижения элегаза, для устранения этого явления применяют смесь азота и элегаза, что снижает дугогасящую способность выключателя и приводит к увеличению его габаритов.

Цель изобретения увеличение отключающей способности выключателя переменного тока и уменьшение его габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в качестве дугогасящей среды применен водород, имеются два разрыва дуги и деионизация водородной плазмы происходит на поверхности графитового экрана.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве дугогасящей среды применен водород, а между парами контактов перпендикулярно им расположен плоский графитовый экран, установленный так, чтобы потоки водородной плазмы, образующиеся в процессе отключения или включения выключателя, одновременно нагревали обе стороны плоского графитового экрана, при этом плоский графитовый экран должен иметь площадь, достаточную для полной деионизации электрической дуги на каждой из его сторон.

На чертеже изображена схема дугогасительной камеры выключателя переменного тока, содержащей корпус 1, выполненный из диэлектрического материала, на котором закреплены два неподвижных трубчатых контакта 2 в паре с двумя подвижными торцовыми контактами 3, трубопровод низкого давления 5, соединяющий корпус 1 с компрессором 6, который соединен через трубопровод высокого давления 4 с баком высокого давления 7 и управляющим клапаном 8. Внутри корпуса 1 перпендикулярно парам контактов 2-3 между ними расположен плоский графитовый экран 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Компрессор 6 перекачивает водород из корпуса 1 по трубопроводу низкого давления 5 в бак высокого давления 7. В момент отключения или включения управляющий клапан 8 открывается и водород по трубопроводам высокого давления 4 подходит к неподвижным трубчатым контактам 2 и подвижным торцовым контактам 3. Одновременно привод выключателя (не показан) перемещает с силой F подвижные торцовые контакты 3, в результате чего между подвижными торцовыми контактами 3 и неподвижными трубчатыми контактами 2 появляется электрическая дуга. Затем сжатый водород перемещает дугу внутрь трубчатого неподвижного контакта 2, дуга, достигнув поверхности графитового экрана 9, интенсивно деионизируется и гаснет в момент перехода тока через ноль.

После деионизации дуги управляющий клапан 8 закрывается, а компрессор 6 начинает перекачивать образовавшийся при этом водород из корпуса 1 в бак высокого давления 7.

В предлагаемой дугогасительной камере применен водород, так как он обладает двумя потенциалами ионизации. При достижении первого потенциала ионизации молекула водорода Н₂ разделяется на два атома водорода Н, каждый из которых имеет свой электрон и протон. Водород в атомарном состоянии (так же, как и в молекулярном) является лучшим газообразным диэлектриком. При достижении второго потенциала ионизации атомы водорода распадаются на протоны и электроны, т.е. образуется водородная плазма. Достижение второго потенциала ионизации водорода с помощью электрической дуги проблематично при наличии газового дутья, охлаждающего дугу, так как для этого необходима температура более 25000 К.

Водород также обладает наименьшей динамической вязкостью по сравнению с любыми другими газами (в 4 раза меньше, чем у элегаза). Чем больше динамическая вязкость газа, тем более концентрирована дуга в центральной области столба дуги, тем сложнее ее охладить. При большой динамической вязкости газа (например, у элегаза) и коммутации больших токов вдоль канала дуги движется ламинарный поток газа, разрушающий контакты.

Наличие двух потенциалов ионизации водорода обусловливает его большую удельную теплоемкость (в 5...20 раз больше по сравнению с элегазом), что позволяет растягивать дугу, увеличивая тем самым ее площадь и улучшая условия ее охлаждения. Неподвижные трубчатые контакты 2 в предлагаемом устройстве направляют дугу к поверхности графитового экрана 9.

Кроме того, важным свойством водородной плазмы является ее усиленная деионизация и соединение в молекулы Н₂ атомарного водорода Н на поверхности. При этом развивается температура около 3000 К. Деионизирующей поверхностью в предлагаемом устройстве является графитовый экран 9, на поверхности которого и происходит деионизация и погасание дуги. Выбор материала экрана 9 обусловлен тем, что углерод в виде графита не реагирует с водородом при температуре менее 4000 К.

Из-за низкой теплопроводности графита необходимо обеспечить одновременный нагрев обеих сторон плоского графитового экрана. Для этого и применяются две пары контактов 2-3 и соответственно два разрыва дуги. В зависимости от применения дугогасительной камеры выключателя переменного тока две пары контактов 2-3 можно соединить электрически последовательно или параллельно.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить отключающую способность выключателя переменного тока за счет применения в качестве дугогасящей среды водорода, что позволяет, в свою очередь, уменьшить габариты выключателя (например, при установке трансформаторной подстанции в городе) и увеличить отключаемую мощность (например, для генераторных выключателей).

Формула изобретения

Дугогасительная камера выключателя переменного тока с замкнутым потоком дугогасящей среды, включающая корпус, компрессор, бак высокого давления, управляющий клапан, трубопроводы высокого и низкого давления, трубчатые неподвижные контакты, торцовые подвижные контакты, отличающаяся тем, что в качестве дугогасящей среды применен водород, а между парами контактов перпендикулярно им расположен плоский графитовый экран, установленный так, чтобы потоки водородной плазмы, образующиеся в процессе отключения или включения выключателя, одновременно нагревали обе стороны плоского графитового экрана, при этом плоский графитовый экран должен иметь площадь, достаточную для полной деионизации электрической дуги на каждой из его сторон.

РИСУНКИ

Рисунок 1