Вакуумная дугогасительная камера
Использование: высоковольтная электровакуумная техника, в частности производство вакуумных дугогасительных камер, в том числе камер постоянного тока, применяемых в выключателях различных объектов энергетики, промышленности, транспорта. Сущность изобретения состоит в том, что в вакуумном выключателе тока, содержащем дугогасительную камеру, с магнитным полем, являющимся выключающим фактором, прикладываемым к высоковольтному промежутку, образованному аксиально-симметричными электродами, размещенными в диэлектрической оболочке, по крайней мере, один из которых выполнен подвижным за счет соединения с оболочкой посредством сильфона, обеспечивая при возвратно-поступательном перемещении возможность замыкания и размыкания высоковольтной цепи, электродная система выполнена из 2-х основных частей: А) собственно контактной части - электродов, находящихся в 2-х состояниях - замкнутом или разомкнутом, Б) удаленной от контактных элементов постоянно разомкнутой электродной части - камере гашения дуги, выполненной в виде 2-х электродов (например, коаксиальных), установленных таким образом, что по мере удаления от контактной части А путь разрядного тока увеличивается, а токи в смежных электродах текут в противоположных направлениях, причем их магнитное поле направлено таким образом, что обеспечивает перемещение дуги из части А в камеру гашения дуги. Техническим результатом изобретения является разработка устройства, обеспечивающего выключение токов 300-10000 А при значениях напряжений до 10 кВ, при достаточно низкой трудоемкости изготовления, малых габаритах и весе камеры. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области высоковольтной электровакуумной техники, в частности к вакуумным дугогасительным камерам, в том числе камерам постоянного и переменного тока, применяемым в мощных пускорегулирующих устройствах в различных отраслях промышленности, на транспорте и может быть использовано в производстве этих устройств.
Известны вакуумные дугогасительные камеры (ВДК), содержащие высоковольтные электроды, по крайней мере, один из которых выполняется подвижным, стеклянную или керамическую оболочку с системой экранов ([1] M.R.Reece, The Vacuum Switch and Its Application to Power Switching, J.IEEE, 1959, p.257; [2] L.T. Falkingham, A Brief History Showing Trends in Vacuum Interrupters Technology. Proc. XVIIIth Intern. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, The Netherlands, 1998, Vol.1, pp.407-414, а также [3] Белкин Г.С., Бочков В.Д., Ротт А.Т., Вакуумная дугогасительная камера. Свидетельство на полезную модель №28283 (Заявка №2002101026), МПК 7 H01J 33/66 от 22.01.2002).
Особенностью известной конструкции является сочетание функции пропускания тока в замкнутом состоянии и гашения дугового разряда при размыкании электродов, выполняемой одним элементом, а именно зазором (с размером от 0 до максимума для данной конструкции) между плоскими контактными поверхностями электродов. Электроды обычно выполняются из композитного материала, содержащего материал препятствующий свариванию контактов, например хром, а также высокопроводящую медь с относительно низкой температурой плавления и испарения. Это позволяет иметь малые потери энергии в месте контакта в замкнутом состоянии, однако приводит к значительной эрозии электродов в дуговом разряде в момент размыкания и затруднению гашения дуги при максимальном разведении контактов. Известная конструкция используется для размыкания цепей переменного тока до 30-40 кА при напряжениях до 30-50 кВ, однако не позволяет размыкать постоянный ток, т.к. непременным условием размыкания является прохождение тока через ноль. Выключить постоянный ток можно в данной конструкции только при небольшом его значении и при значительном увеличении расстояний между электродами в разомкнутом состоянии, что существенно увеличивает габариты прибора, усложняет конструкцию сильфонной системы и механического привода, делает прибор нетехнологичным.
Известны вакуумные выключатели ([4] Emtage P.R., Kimblin C.W., Gorman J.G. et al., // IEEE Trans. on Plasma Sci., 1980, vol.8, No.4, p.314-319.), в которых межэлектродный промежуток помещен в магнитное поле, создаваемое либо собственным током выключателя, либо независимой магнитной системой в виде соленоида, расположенного по оси камеры со стороны неподвижного контакта.
Недостатками этих устройств, т.к. они принципиально мало отличаются от конструкции [1-3] и функции пропускания и гашения дугового разряда выполняются только зазором, являются относительно малые токи отключения при узком диапазоне выключаемых токов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является техническое решение ([5] Алферов Д.Ф., Гостиев В.Г., Иванов В.П., Ильин В.Н., Симонов А.С., Сидоров В.А., Яшнов Ю.М., Вакуумный выключатель тока, Патент РФ заявка №2000132969/09 (035034) от 28.12.2000.), где для обеспечения выключения постоянного тока разрядный промежуток помещен в поперечно-радиальное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, расположенными снаружи камеры по оси контактов.
Однако и такая конструкция эффективна (в силу тех же причин, что характерны для [1-4]) только при рабочих токах не выше 80-100 А и не позволяет решить проблему обеспечения выключения больших значений токов при напряжениях свыше 1 кВ.
Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в обеспечении выключения токов 300÷10000 А при значениях напряжений до 10 кВ, при достаточно низкой трудоемкости изготовления, малых габаритах и весе ВДК.
Физической основой, обеспечивающей возможность данного решения, служит учет взаимодействия магнитных полей в электродной системе с магнитным полем дугового разряда, когда появляющаяся сила Лоренца, воздействует на канал дугового разряда таким образом, что, разрядный канал, возникая в момент размыкания в контактной части электродной системы и ускоряясь, выбрасывается со скоростью до 100 км/с в конец коаксиальной части, где увеличено расстояние между электродами. Все это, а также выполнение концевой части электродной системы из тугоплавких материалов способствует резкому снижению эрозии электродов и быстрому прерыванию тока.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в вакуумном выключателе тока, содержащем дугогасительную камеру, с магнитным полем, являющимся выключающим фактором, прикладываемым к высоковольтному промежутку, образованному аксиально-симметричными электродами, размещенными в диэлектрической оболочке, по крайней мере один из которых выполнен подвижным за счет соединения с оболочкой посредством сильфона, обеспечивая при возвратно-поступательном перемещении возможность замыкания и размыкания высоковольтной цепи, электродная система выполнена из 2-х основных частей:
А) собственно контактной части - электродов, находящихся в 2-х состояниях - замкнутом или разомкнутом, и
Б) удаленной от контактных элементов постоянно разомкнутой электродной части - камере гашения дуги, выполненной в виде 2-х электродов (например, коаксиальных), установленных таким образом, что по мере удаления от контактной части А путь разрядного тока увеличивается, а токи в смежных электродах текут в противоположных направлениях, причем их магнитное поле направлено таким образом, что обеспечивает перемещение дуги из части А в камеру гашения дуги.
При этом коаксиальные электроды могут быть выполнены в виде чашек, одна из которых входит в другую, причем в конце коаксиальной электродной части Б - камере гашения дуги, удаленной от контактной части А, расстояние между донышками электродов увеличено по сравнению с расстоянием между разомкнутыми контактами части А.
Другим отличием является то, что в качестве материала коаксиальной части Б электродной системы, по крайней мере, в камере гашения, использован тугоплавкий материал, например вольфрам, карбид вольфрама, карбид кремния или графит, а сама камера гашения, по крайней мере, в момент выключения тока помещена в магнитное поле.
Камера (см. чертеж) содержит электроды 1 и 5, по крайней мере один из которых выполнен подвижным за счет соединения с керамической оболочкой 14 через сильфон 15, выводы 12 и 16. Подвижный электрод 1 имеет плоскую контактирующую часть 3 и перпендикулярную ей цилиндрическую часть 6. Неподвижный электрод 5 состоит из контактирующей части 4 и чашеобразной части, состоящей из элементов 7, 8, 9, в которую коаксиально входит цилиндрическая часть 6 электрода 1. В первоначальном состоянии электроды 1 и 5 нормально замкнуты (такое положение на чертеже показано пунктиром) и через них протекает рабочий ток Iр. Для отключения нагрузки (при окончании работы, аварии, ремонте и пр.) электрод 1 по команде на привод выключателя перемещается таким образом, что контактные части 3 и 4 расходятся на определенное расстояние. В момент размыкания между контактами возникает дуговой разряд. В зависимости от величины тока может возникнуть одно или множество катодных пятен и соответственно 1 или более каналов разряда, распределенных по поверхности электродов. Ток разряда (путь тока показан пунктиром), проходя через фланец 12, промежуток между контактами 3 и 4, кондуктор 2, вывод 16, образует вблизи этого промежутка петлю с противоположным направлением течения в электродах 1 и 5. Магнитные поля электродов и канала дугового разряда в такой системе взаимодействуют таким образом, что возникающая сила Лоренца выталкивает разряд в направлении меньшей плотности магнитного поля, т.е. в коаксиальную часть электродной системы. Ускоряясь, дуга выбрасывается в камеру гашения 11, содержащую электроды 9 и 13 из тугоплавкого материала. Вблизи осевой линии прибора разряд прекращает горение, размыкая цепь тока. При относительно больших токах, обрыву дуги способствуют неустойчивости плазмы (например, пинчевание).
Осуществление изобретения.
В данной конструкции в отличие от известной, функцию обеспечения токопрохождения (мест локализации катодного падения дуги) в различные периоды работы, т.е. в замкнутом состоянии, в момент и после разрыва дугового разряда несут различные элементы электродной системы, что позволяет выбрать оптимальные материалы и вид устройства. Контакты 3 и 4 выполняются из композитного материала (например, медь-хром), содержащего высокопроводящую медь, и обеспечивают малые потери мощности в замкнутом состоянии. Гашение же дуги происходит между электродами 9 и 13, и этот процесс облегчается благодаря 2-м факторам - увеличенному расстоянию между ними и материалу этих электродов, имеющему высокую температуру плавления и испарения. Из подобного материала могут быть выполнены также и цилиндрические части 6, 7, 8 электродной системы Б. Обрыву тока способствует также магнитное поле, в которое помещена камера гашения. Магнитное поле препятствует контрагированию разряда (обеспечивает диффузное распределение разряда в объеме) и может создаваться либо постоянным магнитом 10, расположенным на камере гашения 11, либо за счет рабочего тока Iр, протекающего через соленоид, включенный в цепи ВДК между камерой гашения 11 и неподвижным электродом 5.
Применение такой конструкции дает возможность создания ВДК, обеспечивающей выключение постоянных токов до 10 кА и более, с относительно малыми габаритами и весом.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано для решения практических задач, касающихся управления (включения и отключения) цепей постоянного тока, в т.ч. электродвигателей постоянного тока железнодорожных локомотивов, троллейбусов и т.д.
1. Вакуумный выключатель тока, содержащий дугогасительную камеру с магнитным полем, являющимся выключающим фактором, прикладываемым к высоковольтному промежутку, образованному аксиально-симметричными электродами, размещенными в диэлектрической оболочке, по крайней мере, один из которых выполнен подвижным за счет соединения с оболочкой посредством сильфона, обеспечивая при возвратно-поступательном перемещении возможность замыкания и размыкания высоковольтной цепи, отличающийся тем, что электродная система выполнена из 2-х основных частей:
А) собственно контактной части - электродов, находящихся в 2-х состояниях - замкнутом или разомкнутом, и
Б) удаленной от контактных элементов постоянно разомкнутой электродной части - камере гашения дуги, выполненной в виде 2-х электродов (например, коаксиальных), установленных таким образом, что по мере удаления от контактной части А путь разрядного тока увеличивается, а токи в смежных электродах текут в противоположных направлениях, причем их магнитное поле направлено таким образом, что обеспечивает перемещение дуги из части А в камеру гашения дуги.
2. Вакуумный выключатель тока по п.1, отличающийся тем, что коаксиальные электроды выполнены в виде чашек, одна из которых входит в другую, причем в конце коаксиальной электродной части Б - камере гашения дуги, удаленной от контактной части А, расстояние между донышками электродов увеличено по сравнению с расстоянием между разомкнутыми контактами части А.
3. Вакуумный выключатель тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала коаксиальной части Б электродной системы, по крайней мере, в камере гашения, использован тугоплавкий материал, например, вольфрам, карбид вольфрама, карбид кремния или графит, а сама камера гашения, по крайней мере, в момент выключения тока помещена в магнитное поле.
