Электрическое оборудование, устойчивое к дуговому замыканию

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическому оборудованию, устойчивому к дугам, такому как, например, источники питания, трансформаторы и автоматические выключатели. Технический результат заключается в надежном и контролируемом перемещении/направлении электрической дуги в область(в частности, корпусу), где повреждение значительно уменьшается и контролируется, и дуга гасится. Проводящие элементы (104A-C) размещаются внутри корпуса (100) электрического устройства. Проводящие элементы (104A-C) расположены так, что в случае электрической дуги (106), возникающей между проводящими элементами (104A-C), электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги (106) так, что электрическая дуга (106) направляется к стене (108) корпуса (100). Кроме того, компоновка проводника (102) включает в себя проводники (104А, 104B, 104C) и жертвенные электроды (118A-C), размещенные внутри корпуса (100) электрического устройства, в котором проводники (104A-C) расположены так, что в случае электрической дуги (106), возникающей между проводниками (104A-C), электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги (105) так, что электрическая дуга (106) направляется к жертвенным электродам (118A-C). 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой США № 62/114,262, поданной 10 февраля 2015 года в Ведомство по патентам и товарным знакам Соединенных Штатов Америки, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область техники

[0002] Аспекты настоящего изобретения обычно относятся к электрическому оборудованию, устойчивому к дугам, такому как, например, источники питания, трансформаторы и автоматические выключатели.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0003] Электрическое устройство или оборудование, такое как, например, источник питания, трансформатор или автоматический выключатель, обычно размещают в камере или шкафу. Дуговые замыкания могут возникать внутри камер или шкафов, например, в результате неисправных соединений. Внутреннее короткое замыкание может привести к дуговому замыканию. Воздух ионизируется между двумя или более потенциалами в электрическом устройстве посредством дугового замыкания, вызывая вспышку дуги, содержащую плазменное облако быстро расширяющихся испаренных металлических материалов. Плазма побуждает высокие давления и температуры к быстрому увеличению за доли секунды внутри камеры. Состояния дугового замыкания должны либо удерживаться внутри камеры, либо выпускаться наружу камеры электрического устройства.

[0004] Эффекты дугового замыкания разрушительны для оборудования, где они происходят, и побочные эффекты, такие как взрывное удаление осколков и токсичных газов, вызывают серьезные опасности для персонала. В то время как горит электрическая дуга, значительное повреждение компонентов внутри камеры частично происходит из-за неконтролируемого направления дуги. Кроме того, электрическая дуга имеет тенденцию перемещаться внутри камеры от источника энергии. Таким образом, повреждение внутри является существенным и, как правило, вызывает необратимое повреждение всей камере и ее содержимому. Таким образом, по-прежнему существует потребность в улучшенной камере электрооборудования или корпусе, в частности в электрооборудовании, устойчивом к дугам.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Кратко описанные аспекты настоящего изобретения относятся к электрическому устройству и компоновки проводников для электрооборудования, устойчивому к дугам, включая оборудование низкого и среднего/высокого напряжения, в частности электрическое оборудование, содержащее камеру, шкаф или корпус, например, источники питания, трансформаторы, автоматические выключатели.

[0006] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения электрическое устройство содержит множество проводящих элементов, размещенных внутри корпуса электрического устройства, при этом множество проводящих элементов расположены так, что в случае электрической дуги, возникающей между множеством проводящих элементов, электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги так, что электрическая дуга направляется к стенке корпуса.

[0007] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения компоновка проводников для электрического устройства содержит множество проводников, размещенных внутри корпуса электрического устройства, в котором множество жертвенных электродов, размещенных внутри корпуса электрического устройства, в котором множество проводников расположены так, что в случае электрической дуги, возникающей между множеством проводников, электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги так, что электрическая дуга направляется ко множеству жертвенных электродов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Фиг. 1 показывает изображение перспективного схематического вида внутренней части шкафа или камеры электрического устройства в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0009] Фиг. 2 показывает изображение перспективного схематического вида проводящего элемента, включающего в себя упругие зажимы электрического устройства в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0010] Фиг. 3 показывает изображение перспективного схематического вида упругого зажимного устройства для проводящего элемента в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

[0011] Для облегчения понимания вариантов воплощения, принципов и признаков настоящего изобретения, они поясняются ниже со ссылкой на реализацию в иллюстративных вариантах воплощения. В частности, они описываются в контексте электрического устройства и компоновки проводников для электрооборудования, устойчивого к дугам, такого как, например, источники питания, трансформаторы, автоматические выключатели и т.д. Однако варианты воплощения настоящего изобретения не ограничиваются использованием в описанных способах или системах.

[0012] Компоненты и материалы, описанные ниже как составляющие различные варианты воплощения, предназначены для иллюстрации, а не для ограничения. Многие подходящие компоненты и материалы, которые выполняют такую же или аналогичную функцию, как материалы, описанные здесь, подразумеваются попадающими в рамки вариантов воплощения настоящего изобретения.

[0013] Фиг. 1 показывает изображение перспективного схематического вида внутренней части шкафа или корпуса 100 электрического устройства в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения. Шкаф 100 может содержать, например, металл.

[0014] Для повышения безопасности электрического устройства во время дугового замыкания создается путь дугового замыкания, основанный на конкретной компоновки 102 проводящих элементов 104А, 104В и 104С. Проводящие элементы 104А, 104В, 104С подают электрическую энергию к электрическим элементам, таким как, например, трансформатор, который является, например, трехфазным и работает на среднем напряжении. Проводящие элементы 104А, 104В, 104С представляют собой электрические проводники, например кабели, каждый из которых содержит на первом конце электрод 112А, 112В, 112С для подачи электрической энергии на трансформатор. Вторые концы 114 проводящих элементов 104А, 104В, 104С подсоединяются к источнику питания или источнику тока, обеспечивающему электрическую энергию. Каждый проводящий элемент 104А, 104В, 104С иллюстрирует одну фазу трехфазного питания среднего напряжения.

[0015] Как показано на Фиг. 1, электроды 112А, 112В, 112С расположены внутри шкафа 100. Между этими электродами 112А, 112В, 112С может быть воспламенена электрическая дуга, о чем свидетельствует электрическая дуга 106. Конкретная компоновка 102 проводников 104А, 104В, 104С вызывает электромагнитную силу, воздействующую на плазму электрической дуги 106, так что электрическая дуга 106 удлиняется и направляется к верхней стенке 108 шкафа 100. Стрелка 120 указывает, что электрическая дуга 106 перемещается в частности к верхней стенке 108.

[0016] В соответствии с конкретной компоновкой 102 проводящие элементы 104А, 104В, 104С расположены так, что они образуют петли 110А, 110В, 11°C с одним или более витками. Например, проводящий элемент 104А образует петлю 110А, проводящий элемент 104В образует петлю 110В, и проводящий элемент 104С образует петлю 110С. Как показано на Фиг. 1, каждая петля 110А, 110В, 11°C представляет собой одну петлю, то есть содержит один виток. Но каждая петля 110А, 110В, 11°C может содержать множество витков, так что может быть предусмотрена компоновка множественных петель.

[0017] В соответствии с еще одним вариантом воплощения на верхней стенке 108 шкафа 100, выше которой возникает электрическая дуга 106, предусмотрены откидные створки стравливания давления 116, выполненные, например, из обычной (проницаемой) магнитной стали, через которую плазма электрической дуги 106 выходит из корпуса 100. Таким образом, эффект гашения магнитной силы увеличивается еще больше. Откидные створки стравливания давления 116 шарнирно соединены и открываются из-за внутреннего давления взрыва, когда электрическая дуга 106 зажигается, и позволяют выпустить плазму (плазменное облако) из шкафа 100 и, таким образом, избежать значительного повреждения электрических элементов внутри шкафа 100.

[0018] Побочным эффектом дугового замыкания является дуговая эрозия. Дуговая эрозия - это потеря или перенос материала с контактных поверхностей, которые возникают во время образования дуги. В соответствии с еще одним вариантом воплощения настоящего изобретения предусмотрены жертвенные электроды 118А, 118В, 118С. Как показано, для каждого электрода 112А, 112В, 112С проводящих элементов 104А, 104В, 104С предусмотрен ровно один жертвенный электрод 118А, 118В, 118С (специалисту в данной области техники будет понятно, что могут обеспечиваться в различных устройствах большее количество жертвенных электродов).

[0019] Как проиллюстрировано на Фиг. 1, жертвенные электроды 118А, 118В, 118С расположены напротив электродов 112А, 112В, 112С и в непосредственной близости к стенке корпуса 100, в частности, в непосредственной близости к верхней стенке 108 шкафа 100. В частности, один жертвенный электрод 118А, 118В, 118С располагается напротив одного электрода 112А, 112В, 112С таким образом, что образуются пары, содержащие электрод 112А, 112В, 112С и жертвенный электрод 118А, 118В, 118С. Петли 110А, 110В, 11°C расположены в непосредственной близости к жертвенным электродам 118А, 118В, 118С. Жертвенные электроды 118А, 118В, 118С расположены на определенном расстоянии друг от друга, как показано стрелками 122, а электроды 112А, 112В, 112С расположены на определенном расстоянии друг от друга, как показано стрелками 124. Расстояния между электродами одного и того же типа или между электродами разных типов внутри пары могут быть равны. Расстояния между жертвенными электродами 118A, 118B, 118C соответствуют расстояниям между электродами 112A, 112B, 112C, поскольку они противоположны друг другу. Фиг. 1. показывает три пары электродов, где электроды пары расположены на определенном расстоянии друг от друга, как показывают стрелки 126, причем расстояния между электродами пары равны.

[0020] В иллюстративном варианте воплощения жертвенные электроды 118А, 118В, 118С соединены прочно с заземлением на первых концах, например, с заземляющим проводником 128. Заземляющий проводник 128 может быть расположен снаружи шкафа 100 или внутри шкафа 100, в зависимости от компоновки электрооборудования. Фиг. 1 показывает, что заземляющий проводник 128 расположен снаружи шкафа 100, а жертвенные электроды 118А, 118В, 118С расположены так, что они проникают в верхнюю стенку 108 шкафа 100 и идут внутрь корпуса 100. Вторые концы жертвенных электродов 118А, 118В, 118С, которые противоположны первым концам, идут внутрь корпуса 100. В еще одном примерном варианте воплощения заземляющий проводник 128 может быть расположен внутри шкафа 100. В случае, когда заземляющий проводник 128 расположен внутри шкафа 100, жертвенные электроды 118А, 118В, 118С не проникают в шкаф 100, так как заземляющий проводник 128 и все жертвенные электроды 118А, 118В, 118С располагаются внутри шкафа 100. Но заземляющий проводник 128 может, например, проникать внутрь шкафа 100 к внешней стороне шкафа 100, который должен быть подсоединен к земле.

[0021] Жертвенные электроды 118А, 118В, 118С могут проникать в шкаф 100 насколько это необходимо, чтобы гарантировать, что трехфазная электрическая дуга 106 будет перемещаться к верхней стенке 108 шкафа 100, и станут набором из трех фаз для заземления дуги, тем самым сопротивляясь дуговой эрозии, которая может возникать между электродами 112А, 112В, 112С, которые обычно подвергаются воздействию, металлическим стержнем, электродами. Набор из трех фаз для заземления дуги горит до тех пор, пока специализированное оборудование, например переключатель, не отключит замыкание. В дальнейшей разработке настоящего изобретения шкаф 100 содержит один или более датчиков 130 обнаружения дугового заземления, которые могут инициировать процесс отключения переключателя.

[0022] Для крепления петель 110А, 110В, 11°C проводящих элементов 104А, 104В, 104С в шкафу 100, в частности к потолку, то есть внутри верхней стенки 108 шкафа 100, необходимы специально разработанные приспособления. Как отмечалось ранее, проводящие элементы 104А, 104В, 104С могут быть кабелями среднего напряжения. Такие кабели среднего напряжения довольно тяжелые, и при необходимости трудно сформировать петли. Таким образом, электрическое устройство дополнительно содержит множество крепежных/фиксирующих устройств 131. Такие крепежные/ фиксирующие устройства 131 содержат, например, упругие зажимы и предохранительные штифты, прикрепленные болтами к потолку шкафа 100.

[0023] Фиг.2 показывает секцию петли 110А однофазного проводящего элемента 104А (см. Фиг.1), включающего в себя три крепежных устройства 131 с упругими зажимами 132А, 132В, 132С. Расстояние между зажимами 132А, 132В, 132С должно соответствовать желаемой кривизне петли 110А в зависимости от соответствующего диаметра кабеля. Фиг. 2 дополнительно показывает защитные муфты 134А, 134В, 134С для каждого зажима 132А, 132В, 132С, где одна или более муфта 134А, 134В, 134С расположена/расположены между зажимами 132А, 132В, 132С и проводящим элементом 104А. Проводящий элемент 104А (кабель) и дополнительные защитные муфты 134А, 134В, 134С могут быть вставлены в упругие зажимы 132А, 132В, 132С и надежно защищены упругими зажимами 132А, 132В, 132С и предохранительными штифтами 136А, 136В, 136C. Подробная информация о расположении зажима показана на Фиг. 3.

[0024] Фиг. 3 показывает секцию петли 110А, как показано на Фиг. 2 с крепежным устройством 131, включающим в себя упругий зажим 132А, защитную муфту 134А и предохранительный штифт 136А. Защитная муфта 134А имеет две роли, поскольку она обеспечивает защиту проводящего элемента 104А при вталкивании в упругий зажим 132А, а также служит в качестве промежуточного адаптера для кабелей с различным диаметром. Предохранительный штифт 136А обеспечивает дополнительную защиту положения кабеля 104А, особенно во время короткого замыкания. Упругий зажим 132А прикреплен к потолку шкафа 100, например, с помощью болта. Специалисту в данной области техники будет понятно, что доступно множество других средств и устройств крепления зажима 132А к шкафу 100. Описанное здесь зажимное устройство обеспечивает надежное и простое в использовании решение для направления, например, кабеля среднего напряжения во время ввода в эксплуатацию электрооборудования без необходимости предварительной компоновки. В другом иллюстративном варианте воплощения дополнительные упругие зажимы могут быть использованы внутри шкафа 100 для обеспечения защиты проводящих элементов 104А, 104В, 104С в разных местах по мере необходимости, кроме соответствующих петель 110А, 110В, 110С. Предохранительные штифты 136А, 136В, 136С выполнены из материала с соответствующей структурной прочностью, но изолированы, чтобы избежать создания проводящих контуров вокруг петель 110А, 110В, 11°C проводящих элементов (кабелей) 104А, 104В, 104С.

[0025] Как описано здесь, ток повреждения и его электромагнитные последствия (распределение силы Лоренца) используются для смягчения разрушающих эффектов, помогая перемещать электрическую дугу 106 в области, где повреждение значительно уменьшается и контролируется. Таким образом, шансы сохранения компонентов внутри шкафа 100 значительно усиливаются, в то время как приложенные силы на дуге 106 могут помочь погасить дугу 106. Электромагнитная сила Лоренца сильно зависит от величины тока повреждения и, следовательно, эффекты возрастают с увеличением величины тока замыкания. Кроме того, предлагаемые устройства и компоновки элементов, в частности компоновку проводников 104А, 104В, 104С и устройства жертвенных электродов 118А, 118В, 118С, легко и просто реализовывать.

[0026] Специалисту в данной области техники очевидно, что шкаф 100 может содержать другие компоненты и элементы, не описанные здесь. Например, шкаф 100 электрооборудования может дополнительно содержать воздухозаборники, которые также могут быть сконфигурированы с возможностью блокировать или уменьшать выход плазмы из корпуса 100 через воздухозаборники, позволяя охлаждающему воздушному потоку поступать в корпус 100 электропитания во время нормальной работы.

[0026] Хотя варианты воплощения настоящего изобретения раскрыты в иллюстративных формах, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в них могут быть внесены многие модификации, добавления и исключения без отхода от сущности и объема изобретения и его эквивалентов, как изложено в следующей формуле изобретения.

1. Электрическое устройство, содержащее:

множество проводящих элементов (104А, 104В, 104С), размещенных внутри корпуса (100) электрического устройства, при этом в случае электрической дуги (106), возникающей между множеством проводящих элементов (104А, 104В, 104С), электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги (106) так, что электрическая дуга (106) направляется к стенке (108) корпуса (100), и

причем каждый проводящий элемент (104А, 104В, 104С) содержит электрод (112А, 112В, 112С) на первом конце, при этом электрическая дуга (106) зажигается между электродами (112А, 112В, 112С) проводящих элементов (104А, 104В, 104С), и

дополнительно содержащее множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С), размещенных внутри корпуса (100),

причем множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) расположены напротив электродов (112А, 112В, 112С) каждого проводящего элемента (104А, 104В, 104С) и в непосредственной близости к стенке (108) корпуса (100).

2. Электрическое устройство по п.1, в котором проводящие элементы (104А, 104В, 104С) образуют петли (110А, 110B, 110C), при этом петли (110А, 110B, 110C) расположены в непосредственной близости к жертвенным электродам (118А, 118В, 118С).

3. Электрическое устройство по п.1, в котором множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) подсоединены к заземляющему проводнику (128), при этом заземляющий проводник (128) расположен снаружи корпуса (100).

4. Электрическое устройство по п.3, в котором множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) проникают через стенку (108) и проходят внутрь корпуса (100).

5. Электрическое устройство по п.1, в котором множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) подсоединены к заземляющему проводнику (128), причем заземляющий проводник (128) расположен внутри корпуса (100).

6. Электрическое устройство по п.1, дополнительно содержащее множество крепежных устройств (131) для крепления петель (110А, 110В, 110С) проводящих элементов (104А, 104В, 104С) к корпусу (100).

7. Электрическое устройство по п.6, в котором множество крепежных устройств (131) содержит упругие зажимы (132А, 132В, 132С) и предохранительные штифты (136А, 136В, 136С).

8. Электрическое устройство по п.6, дополнительно содержащее множество защитных муфт (134А, 134В, 134С), при этом каждая защитная муфта (134А, 134В, 134С) размещена между крепежным устройством (131) и проводящим элементом (104А, 104В, 104С).

9. Электрическое устройство по п.1, дополнительно содержащее множество откидных створок (116) стравливания давления, размещенных внутри стенки (108) корпуса (100), к которому направлена электрическая дуга (106), при этом откидные створки (116) стравливания давления сконфигурированы с возможностью закрываться в отсутствие электрической дуги (106) в корпусе (100) и с возможностью открываться в присутствии электрической дуги (106) в корпусе (100), так что плазма электрической дуги (106) выходит из корпуса (100) через откидные створки (116) стравливания давления, при этом откидные створки (116) стравливания давления содержат магнитную сталь так, что электромагнитная сила усиливается.

10. Компоновка (102) проводников для электрического устройства, содержащая:

множество проводников (104А, 104В, 104С), размещенных внутри корпуса (100) электрического устройства, и

множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С), размещенных внутри корпуса (100) электрического устройства,

причем в случае электрической дуги (106), возникающей между множеством проводников (104А, 104В, 104С), электромагнитная сила воздействует на плазму электрической дуги (106) так, что электрическая дуга (106) направляется к множеству жертвенных электродов (118А, 118В, 118С), и

причем множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) расположены в непосредственной близости к стенке (108) корпуса (100).

11. Компоновка (102) проводников по п.10, в которой каждый из множества проводников (104А, 104В, 104С) образует одну или более петель (110А, 110В, 110С), при этом петли (110А, 110В, 110С) расположены в непосредственной близости от множества жертвенных электродов (118А, 118В, 118С).

12. Компоновка (102) проводников по п.10, дополнительно содержащая множество крепежных устройств (131) для закрепления одной или более петель (110А, 110В, 110С) на внутренней поверхности корпуса (100).

13. Компоновка (102) проводников по п.12, в которой множество крепежных устройств (131) содержат упругие зажимы (132А, 132В, 132С).

14. Компоновка (102) проводников по п.12, дополнительно содержащая множество защитных муфт (134А, 134В, 134С), причем каждая защитная муфта (134А, 134В, 134С) расположена между крепежным устройством (131) и проводником (104А, 104В, 104С).

15. Компоновка (102) проводников по п.10, в которой множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) подсоединены к заземляющему проводнику (128), причем заземляющий проводник (128) размещается снаружи корпуса (100).

16. Компоновка (102) проводников по п.10, в которой множество жертвенных электродов (118А, 118В, 118С) подсоединены к заземляющему проводнику (128), причем заземляющий проводник (128) размещается внутри корпуса (100).