Автоматический вакуумный выключатель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

1ПК Н Olh 33/66

Комитет по лелем изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

К 621.316.542.064.26. .027,3 (088.8) Авторы изобретения

Иностранцы

Бо Брайтхольц и Фред Карлен (Швеция) Иностранная фирма

«Аллменна Свенска Электриска Актиеболагет» (Швеция) Заявитель

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЪ

Известны автоматические вакуумные выключатели, содержащие вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные конденсационные экраны и электроды — анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные при помощи сильфонов, причем один или оба электрода выполнены подвижными и связаны с приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги, Однако применение таких выключателей в цепях постоянного тока ограничено, так как при этом необходимы специальные устройства, усложняющие работу выключателя и установки в целом.

В предлагаемом выключателе с целью повышения надежности работы и снижения износа контактных поверхностей электродов при воздействии на них электрической дуги катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает ее неконтактирующую поверхность. Кроме того, предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспечивает расположение экрана из электроизоляционного материала между анодом и катодом.

В выключателе могут быть предусмотрены дополнительные электроды — катоды и аноды, образующие дополнительные разрывные промежутки, последовательно соединенные с основным промежутком.

Анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены между собой и с анодом зажигания через резисторы, а катод выполнен так, что он в процессе отключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.

В случае выполнения дугогасительной камеры цилиндрической формы вспомогательные аноды расположены по спирали на цилиндри1> ческой стенке камеры, а катод перемещается вдоль оси камеры.

Резисторы могут быть расположены вне вакуумированной камеры.

Вспомогательные аноды присоединены внутри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы.

Для предотвращения возникновения дуги между вспомогательными анодами последние снабжены экранами из изоляционного материала.

Катод может быть изготовлен из материала с относительно высоким давлением паров, 299079

В выключателе может быть предусмотрен анод возбуждения, который питается от отдельного источника.

Экран представляет собой слой керамического материала, укрепленный на катоде.

Экран может быть расположен на некотором расстоянии от катода.

Между анодом и катодом могут быть включены резисторы, располо>кенные преимущсственно вне вакуумированной камеры.

На фиг. 1 показан предложенный выключатель с подвижными электродами; на фиг. 2 то же, с подвижным анодом; на фиг. 3 и 4— то же, с дополнительпымп разрывными промежутками; на фиг. 5 — то же, со,вспомогательными анодами; на фиг, 6 и 7 — то же, со вспомогательными анодами, снабженными экранами из изоляционного материала; на фиг. 8 — то же, с управляющим анодом; на фиг. 9 и 10 — варианты выполнения электродов — анода и катода и устройства для их перемещения.

Выключатель содержит вакуумнрова иную камеру 1, анод 2 и катод 8. Анод укреплен на стержне 4, проходящем через отверстие 5 в стенке камеры. Если стенки камеры изготовлены из электропроводного материала, то в качестве втулки предусматривается диск 6 из изоляционного материала, изолирующий стержень и анод от камеры. К стержню и стенкам камеры примыкает сильфон 7, что обеспечивает поддержание вакуума. Для предохранения сильфона и изолирующего диска от паров материала катода на стержне 4 укреплен экран 8. Kàòîä 8 выполнен из матсриала, имеющего соответствующее высокое давление паров. По неконтактирующей поверхности катод окружен экраном 9, например, из керамического, главным образом, изоляционного материала, так что остается свободной только его верхняя поверхность, расположенная против анода. Катод укреплен на стержне 10, который, как и у анода, проходит через отверстие

11 с втулкой 12 пз изоляционного материала.

Сильфон 18 герметизирует вакуумную камеру снаружи. Стержни 4 и 10 могут быть соединены между собой через активное сопротивление 14 и связаны с приводным устройством (на чертеже Н0 показано), осуществляющим их продольное перемещение по стрелкам 15—

17. Кроме того, предусмотрены автоматические выключатели 18 и 19.

Когда токовая цепь замкнута, анод и катод примыкают друг к другу (см. фиг. 1). В начале процесса отключения катод перемещается вниз в направлении стрелки 15. Таким образом анод и катод расходятся, н между ними возникает дуга. На катоде образуется катодное пятно, эмиттирующее проводящую плазму, которая выше горизонтальной плоскости, проходящей через верхнюю поверхность катода. Плазменная струя является наиболее сильной в направлении, перпендикулярном этой плоскости, уменьшается к ее краям и равна нулю на плоскости. Следующий этап процесса отключения состоит в том, что анод перемещается влево в направлении стрелки

16, благодаря чему он выводится из наиболее плотной части плазменной струи. В то же время расстояние между анодом и катодом возрастает. Эти факторы приводят к тому, что повышается напря>кение дуги. При отклю чснии автоматический выключатель 19 размыкается, напряжение на промежутке анод —катод возрастает, и зажигается дуга, В предлагаемом варианте исполнения выключателя катод 8 неподви>кен, а анод 2 выполнен поворотным и не может перемещаться в вертикальном направлении. Анод укреплен на одном конце стержня 20. На стержне имеется шпилька 21, входящая в установочный корпус 22, окружающий стержень. Установочный корпус укреплен посредством элемента

28 на стенке камеры. Другим своим концом стержень 20 укреплен посредством шарнирного соединения 24 на оперативной тяге 25, что дает,возможность стержню 20 с анодом 2 поворачиваться независимо от оперативной тяги, причем анод в вертикальном направлеhHH следует за движением оперативной тяги

B вертикальном направлении. Стержень 20 и тяга 25 соединены проводником 2б, так как тяга служит в качестве токопроводящего элемента.

В начале процесса отключения оперативная тяга 25 и стержень 20 отжимаются вверх.

Шпилька 21 также передвигается вверх по левой вертикальной канавке 27. Достигнув наивысшего положения в вертикальной канавке, шпилька скользит по наклонному участку

28, обусловливая поворот стержня 20 таким образом, что анод отходит от катода. Когда шпилька достигает наивысшей точки 29 наклонного участка, перемещение вверх прекращается, и шпилька начинает двигаться вниз по участку 80. Когда анод достигает своего крайнего левого положения, катод начинает двигаться вверх в направлении стрелки 17.

Таким образом, анод приходит в контакт с менее плотной плазмой, и напряжение зажигания увеличивается. Когда анод занимает положение ниже плоскости, проходящей через эмиттирующее плазму катодное пятно, то он располагается в зоне пространственного заряда, в которой дуга в основном поддерживается только электронами, поступающими из плазмы. Таким образом, напряжение зажигания очень быстро повышается до больших значений,,вызывая соответствующее уменьшение тока в дуге до такой малой величины, что дуга гаснет, и токовая цепь обрывается, Это поло>кение действительно для цепей, обладающих малой индуктивностью.

Б случае длинной линии постоянного тока, имеющей относительно большую индуктивность. отключение происходит не мгновенно, а настолько медленно, на сколько это требуется для рассеивания индуктивной энергии. Поэтому необходимо соединение анода и катода

6() посредством внешнего сопротивления 14, ко299079

5 торос потребляет ток при гашении дуги. Относительно небольшой оставшийся ток может быть отключен обычным автоматическим выключателем 18.

При замкнутой цепи ток может и не протекать чер ез анод и катод. Сопротивление 14 при этом закорачивается ав-.оматическим выключателем 19. Затем анод и катод размыкаются, причем катод перемещается вниз. Ток протекает через два замки тых автоматических выключателя 18 и 19. В этом случае контактная поверхность анода находится ниже плоскости, проходящей через эмитирующее плазму катодное пятно, и большая часть дуги проходит в зоне, в основном свободной от плазмы, причем получается большое падение напряжения на дуге, и значительно снижается сила тока.

В выключателе (см. фиг. 3) полная длина дуги разделена на пять участков, образованных двумя U-образными соединительными элементами 81 и 82, укрепленными на стержне 20, каждый из которых имеет анод 33 и катод 84, и двумя подобными соединительными элементами 85 и 36, укрепленными при помощи изолирующих столбиков 87 — 39 и также имеющими анод 88 и катод 84. Между каждой парой взаимодействующих анодов и катодов размещен экран 40 из изоляционного материала.

В начале процесса отключения оперативная тяга 25 перемещается вниз, и дуги образуются между анодом 2 и верхним катодом 84, между тремя взаимодсйствуюшими анодами

33 и составными катодами (34 и между катодом 3 и нижним анодом 83. Когда шпилька

21 выходит из левой вертикальной канавки 27 и переходит на наклонный участок 28, стержень 20 начинает поворачиваться до тех пор, пока шпилька не выйдет на нижнюю точку своего пути. Затем направление движения тяги 25 меняется на обратное, и стержень 20 подается вверх, посредством чего достигается такое положение, при котором аноды располагаются сзади плоскости, ограничивающей зону существования плазмы. Экраны 40 препятствуют тому, чтобы плазма, эмитируемая в этой точке разрыва. достигла электродов в соседней точке разрыва.

Стержень 10 с катодом 8 (см. фиг. 4) может быть длинен двумя изолирующими столбиками 41 и двумя сосдинитсльньнми элементами 42 и 48, каждый из которых имеет анод

44 и катод 45. На стержне 4, поддерживающем анод 2, имеются два соединительных элемента 46 и 47, разделен ы изолирующим элементом 48. Межд стержнем 4 и соединительным элементом 47 также располо>кен изолирующий элемент 48.

В начале процссса отключения стержень 10 подастся вниз, что Вызывает зажигание gvr на участках. Затем стержень -1 перемещается влево, и стержень 10 подается вверх. Применением магнитного поля можно получить еще большее напряжение зажигания, 6

Кроме основного анода 49 (зажигания) ав I îìàòè÷åñêíé выключатель (см. фиг. 5) может иметь несколько Вспомогательных анодов

50 — 55, которые укреплены на стенке камеры и изолированы один от другого. Лнод зажигания и вспомогательные аноды соединены олин с дрхтим через активные сопротивления 56—

61. Вспомогательнь,с аноды окружены экранами 6? из изоляционного материала (см. фиг. 6 и 7), которые препятствуют образованию дуги между ними, так как в процессе отключения они имеют различные потенциалы.

В дяlшом случае стенка камеры 1 выполнена цилиндрической фор bl. и таким образом

15 вспомогательные аноды находятся на одинаковом радиальном расстоянии от оси камеры, вдоль которой персмещасся катод в процессе отключения. Кроме того, вспомогательные аноды могут быть расположены на стенке камеры по спирали.

Процесс отключения начинается с того, что катод 3 опускается и ме>кд анодом зажигания и катодом образуется дхга. Затем анод зажигания перемещается влево, а катод вверх. Когда катод достаточно отойдет вверх тяк, что его верхняя поверхность, на которой находится катодное пятно, будет расположена выше свооодной поверхности анода зажигания, напряжение д ти быстро возрастает.

Прн этом вспомогательные аноды находятся в зоне плазмы, и падение напряжения между катодом и каждым из вспомогательных анодов составляет порядка 20 — 30 в. Как только сопротивление д.r» мс>::ду анодом зажигания и катодом становится почти равным результирующему сопротивлению дуги междх катодом и вспомогательным анодом 50 плюс сопротивление 56, ток начинает протекать по этому пути, и ток на первом,.часткс дуги сно40 ва уменьшается. Таким образом сопротивление 56 автоматически подключастся в цепь постоянного тока, чем достигается соответствующее уменьшение постоянного тока. Когда катод минует вспомогательный анод 50, паде45 ние напряжения на дуге повышается, дуга переходит на вспомогательный анод 51, и сопротивление 57 последовательно соединяется с сопротивлением 56, причем достигается дальнейшее уменьшение тока.

50 Процесс отключения продолжается до тех пор, пока между катодом и вспомогательным анодом 55 не зажигается дуга, и таким образом все шесть сопротивлений оказываются включенными. Количество вспомогательных

55 анодов и величина сопротивлений определяются напряжением и током сети, а также параметрами заданного процесса отключения.

Сопротивления могут быть размещены вне камеры 1 (см. фнг. 6), а вспомогательные

60 аноды могут быть присоединены к проводнику 3, спирально расположенному внутри камеры (см. фиг. 7). Прп этом перед проводником необходимо поместить защитный экран 64 для того, чтобы воспрепятствовать осаждению ма65 териала анода, испаряющегося из него, Что

299079

Зо

65 вызывает изменения в величине сопротивлений. В экране имеются отверстия для анодных держателей 65, причем эти отверстия прикрываются дополнительными экранами 66.

Частичным назначением сопротивления 14 (см. фиг. 1) является то, что оно препятствует произвольному отключению цепи постоянного тока при возрастании напряжения дуги, когда катодное пятно становится неустойчивым и исчезает. Возможность предотвращения произвольного отключения может быть достигнута также путем установки между анодом 2 и катодом 8 управляющего анода 67 (см. фиг. 8). При этом цепь возбуждения дуги питается от источника тока 68 через регулируемое сопротивление 69. Вспомогательная дуга 70 поддерживает эмитирующее плазму катодное пятно даже в том случае, если падение напряжения в главной дуге возрастает до такого значения, при котором разрывается цепь тока.

В автоматическом выключателе могут быть дополнительные устройства для создания магнитного поля, в основном перпендикулярного к дуге или участкам дуги. Так как в приведенных конструкциях выключателя дуги проходят,в горизонтальном направлении, то магнитное поле должно проходить в вертикальном направлении.

В процессе испытаний обнаружено, что напряжение Ua дуги зависит от поперечного магнитного поля по формуле Ув=КВ, где

К вЂ” коэффициент пропорциональности, В— индукция. В выключателе дуга в вакууме вначале зажигается при помощи разведения контактов, а затем происходит увеличение магнитного поля с соответствующей постоянной времени, причем Ув возрастает пропорционально В (направление магнитного поля показано стрелкой В). Другим преимуществом при наличии магнитного поля является увеличение времени существования катодного пятна при небольших токах. При этом возможность преждевременного прерывания тока значительно уменьшается, так как имеется еще одна возможность управления разрядом, и следовательно, временем выключения.

Катод 8 может быть изготовлен в виде подвижного поршенька в изоляционном цилиндре (см. фиг. 9), Стержень 10 имеет отжимающую пружину 71, которая прижимает катод к гнезду 72 на верхнем крае изоляционного цилиндра. Катод присоединен к клемме 78 на стенке вакуумированной камеры посредством гибкого проводника 74. Анод 2 изготовлен в форме дуги и укреплен на поворотном валу

75, на котором также находится шестерня 76, входящая в зацепление с зубцами 77, находящимися на оперативной тяге 78. Тяга перемещается в горизонтальном направлении, и таким образом,вал с анодом приобрстает вращательное движение. Спиральная пружина

79 присоединяется к креплению 80 и валу 75, и таким образом пружина натягивается, да тяга движется вправо, а анод перемещает8 ся по направлению к катоду. В замкнутом положении выключателя тяга 78 блокируется посредством блокирующего устройства (»a чертеже не показан), которое освобождает тягу при действии выключателя. Таким образом, пружина 79 обусловливает быстрое движение анода от катода в такое положение, при котором анод не подвергается непосредственному действию струи плазмы, эмитируемой катодным пятном. Анод соединен посредством гибкого проводника 81 с клеммой 82, находящейся на вакуумированной камере, Вход тяги 78 в стенку 1 камеры герметизирован посредством сильфона 7. Конструкция выключателя, показанная на фиг. 9, предназначена главным образом для выключения постоянного тока определенной полярности, однако ее действие возможно и при обратном направлении тока.

Если необходимо, чтобы конструкция выключателя действовала совершенно независимо от полярности тока, то нужно несколько изменить подвижную часть (см. фиг. 10). В этом случае на валу 75 укреплены два одинаковых анода 2, выполненных в виде рычагов и расположенных диаметрально противоположно, причем каждый из них взаимодействует со своим катодом 8. Дуговые рычаги перемещаются в осевом направлении по валу 75 таким образом, чтобы их движению не препятствовал электрод, находящийся на другом конце оси.

Предмет изобретения

1. Автоматический вакуумный выключатель, преимущественно для цепей постоянного тока, содержащий вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные конденсационные экраны и электроды — анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные .при помощи сильфонов, причем один или оба электрода выполнены подвижными и связаны с приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и снижения износа контактных поверхностей электродов при воздействии на них электрической дуги, катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает его неконтактирующую поверхность, и предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспечивает расположение экрана из электроизоляционного материала между анодом и катодом.

2. Выключатель .по п. 1, отличающийся тем, что в пем предусмотрены дополнительные электроды — катоды и аноды, образующие дополнительные разрывные промежутки, последовательно соединенные с основным про.-. межутком, 299079

3. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены между собой и с анодом зажигания через резисторы, а катод выполнен так, что он в процессе отключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.

4. Выключатель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что в случае выполнения дугогасительной камеры цилиндрической формы вспомогательные аноды расположены по спирали на цилиндрической стенке камеры, а катод перемещается вдоль оси камеры.

5. Выключатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что резисторы расположены вне вакуумированной камеры.

6. Выключатель по пп. 3 и 4, отлача1ощийся тем, что вспомогательные аноды присоединены внутри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы.

7. Выключатель по пп. 4 — б, отличающийся тем, что, с целью предотвращения возникновения дуги между вспомогательными анодами, последние снабжены экранами из изоляционного материала.

8. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что катод изготовлен из материала с относительно высоким давлением паров.

9. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в нем предусмотрен анод возбуждения, который питается от отдельного источника.

10. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что экран представляет сооой слой керамического материала, укрепленный на катоде.

11. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что экран расположен на некотором расстоянии от катода.

12. Выключатель по пп, 1 — 11, отличающийся тем, что между анодом и катодом включе20 ны резисторы, расположенные преимущественно вне вакуумированной камеры. фиг В

78

73 82 Фиг. 9

Фиг. 10

Составитель Н. Карасева

Редактор А. Ю. Пейсоченко Техред Л. Л. Евдонов Корректор А. П. Васильева

Заказ 852 14 Изд. № 351 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2