Центробежное коммутационное устройство

 

(72) Лвторы мзобр теммя

В. Н. Калугин и N. В. Гончаров с

Московский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (7l) Заявитель (54) UEHTPOEERHOE KOMNYTAI|HOHHOE

УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к сильноточной

I коммутационной аппаратуре и касается усовершенствования центробежного коммутационного устройства (ЦКУ), используюшего жидкий металл в качестве контактной пары.

Оно может быть использовано для ком мутации больших токов в сотни-тысячи ампер и более в электросистемах повышенного напряжения переменного или постоянного тока. Предлагаемое БКУ может

30 работать в широком диапазоне рабочей температуры от -60о до +500 С при любом произвольно меняющемся положении в пространстве, а также при отсутствии

13 силы тяжести.

Преимущественная область использования ЦКУ вЂ” коммутационная аппаратура силовых электроцепей мошных энергоустановок с напряжением порядка 200 В и более, работаюших в особых условиях, например, при высоких окружающих температурах, когда известные электромеханические или полупроводниковые коммутаторы оказываются неработоспособными., Возможно использование ЦКУ для коммутации цепей во взрывоопасных cpeRax (в шахтах и т.п.).

Известны ртутные выпрямители и включатели, основанные на использовании жидкого металла в качестве контактного материала в силовой коммутационной аппаратуре с целью увеличения ее долговечности (1).

Однако эти устройства могут работать только, в стационарном положении в условиях действия силы тяжести.

Известны жидкометаллические коммутационные устройства, в которых жидкий металл замыкает или размыкает электроцепь за счет своего перемещения в замкнутом объеме под действием поршней,деформируемых сильфонов, под действием электромагнитных сил, в частности сил, возникающих в жидком металле под действием вращающегося магнитного поля.

Это 1ЖУ содержит цилиндрический трехфазный индуктор, создаюший врашаюшееся

864366 магнитноеполе, канал, образованный наружным и внутренним изоляционными цилиндрами и двумя торцовыми кольцевыми электродами. Наружный цилиндр имеет посередине обращенный внутрь кольцевого канала прямоугольный выступ с двумя электропроводными кольцами по бокам.

Устройство снабжено двумя патрубками подвода электропроводной жидкости к торцовым электродам и системой пневмоком- ip пенсации объема жидкого металла в канале. Состояние силовой электроцепи, в которую включено ЦКУ, зависит от того, с какой скоростью вращается жидкий металл на наружном изоляционном цилиндре.

При относительно небольшой скорости вращения, достаточной лишь для удержания металла на наружном цилиндре за счет центробежных сил, толщина слоя жидкого металла наибольшая и внутренний выступ наружного цилиндра перекрывается жидким металлом. В этом случае силовая цепь замкнута. При увеличении скорости вращения металла (любым из известных для индукционных асинхронных машин способом) под действием возросшей центробежной силы часть жидкого металла вытесняется из канала через патрубки торцовых электродов и внутренний выступ наружного изоляционного цилиндра обнажается. B этом случае БКУ разрывае1 силовую электроцепь(2).

К недостаткам данного UK/ следует отнести необходимость постоянного включения трехфазного индуктора с целью обеспечения однозначного состояния силовой

35 коммутируемой цепи при произвольно меняющемся во времени положении ЕНСУ в пространстве; необходимость в системе пневмокомпенсации объема жидкого металла, усложняющей конструкцию устройства и приводящей к увеличению мощности уп40 равления ЦКУ, так как для вытеснения жидкого металла из канала необходимо преодолеть силы упругости сильфонов; разомкнутость магнитной системы; наличие .потерь на вихревые токи в осевом элект- 45 роде от вращающегося магнитного поля, которые особенно существенны при одной паре полюсов индуктора. В таком ЕНСУ силовой ток проходит в осевом направлении по всей длине жидкометаллического кольца, что вызывает заметные потери мощнос-, ти в нем, а утолщение слоя жидкогометалталла с целью снижения потерь бт силового тока ухудшает быстродействие ЦКУ.

Наиболее близким по технической суш- 55 ности к предлагаемому изобретению явля» ется устройство, содержащее цилиндрический трехфазный индуктор, канал, образованный наружным и внутренним изоляционными цилиндрами и двумя торцовыми кольцевыми электродами, частично заполненный жидким металлом. Наружный цилиндр имеет посередине обращенный внутрь выступ, а пазы трехфазного индуктора выполнены с симметричным 0 -образным скосом относительно середины индуктора.

Наличие 0 --образного скоса пазов индуктора приводит к образованию () -образного фронта бегущей электромагнитной волны и к появлению вследствие этого в жидком металле помимо тангенциальныхс электромагнитных сил, вращающих жидкий металл, осевых электромагнитных сил, перемещающих металл в канале в осевом направлении. Жидкий металл в канале UK3 занимает различное положение в зависимости от направления вращения магнитного поля. Если поле вращается в сторону, в которую направлено острие U -образного скоса, то UKY разомкнуто, так как осевые силы в жидком металле направлены в противоположные стороны к торцовым электродам. При изменении направления вращения поля ЦКУ замыкает силовую цепь, так как осевые силы в жидком металле направлены навстречу друг к другу к диэлектрическому выступу наружной оболочки, и жидкий металл натекает на выступ. Таким образом, коммутация"силовой цепи осуществляется изменением направления вращения магнитного поля трехфазного индуктора с практически постоянным потреблением мощности в цени управления в замкнутом и разомкнутом положениях )3).

Данное устройство обладает рядом недостатков: обмотка управления ПКУ потребляет мощность при замкнутом и разомкнутом положениях ИКУ; вследствие разомкнутости магнитной цепи мощность управления, в особенности ее веактивная составляющая, значительна; в осевом электроде возникают вихревые токи от вращающегося магнитного поля; приводящие к потерям мощности; силовой ток проходит в осевом направлении по всей длине жидкометаллического кольца между двумя твердометаллическими торцовыми электродами, что приводит к увеличению падения напряжения и дополнительным потерям. Кроме того, в данном БКУ ухудшается быстродействие, так как полное время переключения силовой цепи определяется суммарным временем динамического торможения жидкого металла, раскручивания его в противоположном по отноше864М6 нию к предыдушему режиму направлении и временем дугогорения между жидкометаллическим и электродами.

Бель изобретения — уменыцение мошности управления, потребляемой коммутационны.1 устройством, уменьшение падения напряжения в его силовой цепи, а также улучшение быстродействия БКУ.

Поставленная цель достигается тем, что кольцевые твердометаллические элект- 10 роды располагаются по торцам выступа наружного изоляционного цилиндра и имеют диаметр, больший внутреннего диаметра выступа по крайней мере на 2-3 мм, по торцам кольцевых твердометаллических электродов в зазоре между цилиндрическими токоотводами от них и трехфазным индуктором располагаются кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны высту- 2О па наружного изоляционного цилиндра, по крайней мере, не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выс=тупом наружного цилиндра, а жидкий металл занимает объем, равный суммарнму объему одной боковой кольцевой полости и межэлектродного промежутка.

Предлагаемое БКУ может быть реализовано как с внутренним (фиг.1),так и с наружным расположением трехфазного индуктора относительно канала (фиг. 2).

Различное расположение трехфазного индуктора приводит к некоторым непринципиальным различиям в конструкции внутреннего изоляционного цилиндра и токоотводов от кольцевых электродов.

На фиг. 1 изображено устройство с внутренним индуктором; на фиг. 2 — то же, с наружным индуктором, Устройство содержит цилиндрический шихтованный магнитопровод 1, трехфазную обмотку 2 управления, внутренний изоляционный цилиндр 3, нарумаплй изоляционный цилиндр 4 с выступом посередюе, твердометаллические кольцевые электроды

5, кольцевые шихтованные магнитопроводы 6, токоотводы 7 и 8 кольцевых электродов, конструктивные элементы 9 и 10 герметизации внутреннего объема канала.

Конструкция БКУ с внутренним индук50 тором (фиг. 1) проше и технологичнее.

Токоотводяшие части 7 и 8 электродов одинаковы, конструктивные элементы 9 и

10 герметизации внутреннего обьема канала различаются лишь наличием в одном к 55 из них технологического отверстия с тру кой, через которое после пайки керамических цилиндров 3 и 4 с элементами 9 и

10 заливается в канал жидкий металл 11 и создается нейтральная газовая среда или вакуум. Кольцевые шихтованные магнитопроводы 6 экранируют от врашаюшегося магнитного поля токоотводяшие части 7 и

8 кольцевых электродов и одновременно с этим уменьшают магнитное сопротивление врашаюшемуся магнитному потоку. Магни- . топроводы 6 могут быть закрыты со всех сторон тонкостенной оболочкой из оксидированной нержавеюшей стали во избежание коррозии и замыкания пластин магнитопровода жидким металлом. Возможно нанесение на цилиндрические поверхности магнитопровода 6 диэлектрического покрытия типа А8р05 методом напыления и др. Внутренний диаметр кольцевых электродов 5 должен быть больше (на несколько миллиметров) диаметра выступа наружного цилиндра 4, чтобы при разрыве цепи электроды 5 закрывались кольцевыми слоями врашаюшегося жидкого металла. В этом случае электрическая дуга возникает между жидкометаллическими пов ерхностями.

Геометрические размеры поперечного сечения канала рассчитываются таким образом, чтобы объем кольцевой полости межэлектродного промежутка под выступом наружного изоляционного цилиндра (осевой размер объема равен сумме ширины выступа и удвоенной толшины кольцевого электрода) был не больше объем1 боковой кольцевой полости в пределах ширины шихтованного магнитопровода 6. Это условие необходимо для того, чтобы после включения трехфазного индуктора врашаюшийся жицкий металл мог полностью переместиться из межэлектродного промежутка в боковую полость. При этом внутренний выступ цилиндра 4 должен полностью обнажиться. Ширина внутреннего выступа цилиндра 4 определяется напряжением и индуктивностью коммутируемой цепи, а толшина и средний диаметр кольцевой щели под выступом — допустимым потерями мошности в межэлектродном промежутке от коммутируемого тока. l !азы цилиндрического магнитопровода 1 выполнены с образным скосом с тем, чтобы so врашаюшпхся кольцевых объемах жидкого металла получить осевь е усилия, направленные на противоположные стороны от выступа, и тем самым обеспечить ускоренное и более стабильное раэмык ние цепи. B качестве жидкого металла для

БКУ могут быть использованы различные шелочные металлы или их сплавы: ЙОКСЗ с 6,„=80 С, ЙаК сФ.„„=11 С; Ьибабп с с пь =+10,4 С и т.д.

БКУ работает следуюшим образом.

При обесточенной трехфазной обмотке

2 управления жидкий металл 11, частично заполняющий внутренний объем канала, постоянно замыкает электроды 5, независимо от положения ЦКУ в пространстве, а также при любых изменениях пространственной ориентации поперечной оси

БКУ. Таким образом, предлагаемое ЦКУ является, по-существу, нормальнозамкнутым контактором. После включения обмот- 10 ки 2 жидкий металл приводится во вращение магнитным полем и под действием центробежных и осевых электромагнитных сил перемешается из межэлектродного промежутка в одну или обе боковые кольцевые полости в зависимости от того, в каком положении UKY находится. При вертикальном положении БКУ жидкий металл перемешается из щели под выступом в верхний кольцевой объем. При горизонта- 2о льном положении UKY жидкий металл из щели под выступом перетекает в оба боко вых кольцевых объема до полного их заполнения.

Предлагаемое 13КУ сохраняет все преимущества своего прототипа — способность работать при высоких температурах при любом полонении в пространстве и невесолюстн с обеспечением коммутации силовой цепи между жидкометаллическими эле- ЗО ктродами, однако является более простым в конструктивном отношении, потребляет меньшую мощность управления и отличается лучшим быстродействием за счет отсутствия режима динамического торможения 5 при изменении состояния силовой цепи.

Конструкция UKY с наружным индуктором (фиг. 2) несколько сложнее по сравнению с 1ЖУ (фиг. 1) ы ее применеьие целесообразно при относительно малых то- щ ках коммутируемой цепи (до 1-3 кА), при которых средний диаметр канала имеет величину порядка 100-120 мм. 13 этом случае размеры внутренней полости не позволяют разместить в ней трехфазный индук- 4 тор, способный создавать в зазоре порядка 10-15 мм магнитное поле с индукцией ф 0,05-0,1 Тл, необходимой для устойчивого вращения жидкого металла. Различие в расположении трехфазных индукторов приводит к некоторым отличиям в конструкциях элементов 3; 7; 8; 0; 10 (см. фиг. 1 и 2). Так как токоотводящие части 7 и 8 кольцевых электродов 5 приходится располагать внутри обьема ЦКУ и коаксиально относительно друг друга с целью получения бифилярного токоотвода (для предотвращения насыщения магнитопровода

1 трехфазного индуктора магнитным полем силового коммутируемого тока), то кяструкция ЦКУ оказывается несимметричной относительно поперечной оси. Кольцевые твердометаллические электроды 5, имеющие, как и в устройстве по фиг. 1, наружный диаметр больше диаметра внутреннего выступа наружного изоляционного ци- . линдра 4, необходимо располагать по бокам этого выступа на некотором расстоянии, образуя узкую кольцевую щель. При этом внутренний изоляционный цилиндр 3 имеет более сложную форму (по сравнению с цилиндром по фиг. 1) и выполняет функцию изолятора между торцами электродов

5 и токоотводяшими частями 7 и 8. Примыкающие к торцам электродов 5 узкие дисковые части цилиндра 3 должны иметь одинаковый с электродами диаметр для того, чтобы после удаления жидкого металла из узкой кольцевой щели между выступом наружного цилиндра 4 и внутреннего цилиндра 3 под действием вращающегося магнитного поля разрыв электроцепи происходил между цилиндрическими поверхностями жидкого металла, образованными между обращенными друг к другу торцами выступа оболочки 4 и дисковых частей цилиндра 3. Конструктивные элементы 9 и

1С после гайки с оболочками 3 и 4 герметизируют внутреннюю полость канала

ЕКУ. В одном из них должно находиться технологическое отверстие для заполнения: канала жидким металлом. Как и в ЦКУ с внутренним индуктором, объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного цилиндра 4 должен быть по крайней мере не меньи|е кольцевого объеMQ межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра. Объем жидкого металла должен быть равен сумме объемов межэлектродного промежутка и одного бокового объема.

1КУ (фиг. 2) работает аналогично БКУ с внутренним индуктором и имеет также препл ущества по сравнению с прототипом.

Надежность и долговечность предлага« емого 11КУ обусловлена отсутствием в нем движущихся или дейормируемых твердоме-! б таллических элементов — поршней или силь<).снов, а также тем обстоятельством,что разрыв силовой электроцепи, сопровождаемый горением дуги, происходит между жидкометаллическими поверхностями и твердометаллические электроды не подвергаются эрозии. При этом, как показали эксперименты, дуга вращается в межэлектродном промежутке под действием магнитного поля трехфазного индуктора и, таким э образом, ее термическое воздействие на

86436 стенки керамических цилиндров в межэлектродном промежутке равномерно распределяется по всему периметру кольцевого канала; испарение жидкого металла в области анодного и катодного пятен замедляется, так как скорость движения дуги отличается от скорости жидкого металла.

UKY с диаметром расточки индуктора

50 мм было проведено несколько сот коммутационных циклов с параметрами комму-10 тационной цепи 0=100 - 200 В, 1=100300 А. Полное время срабатывания UKP0,18 - 0,3 с (большее время соответствует большей коммутируемой мошности).

Мошность управления HKY составляет 1% от мошности нагрузки при U =130 В 1=

300 А. Эксперименты проводились на модельном рабочем теле -сплаве индий-галийолово. Поэтому из-за большого удельного веса сплава и вследствие этого инерционности его при раскрутке время раскручи-, вания сплава от момента включения обмотки до начала спада тока составляет наибольшую часть полного времени срабатывания -0,16 - 0,26 с. Время горения дуги колеблется от 0,006 с до

0,025 с в зависимости от силы тока, напряжения и индуктивностн цепи. При использовании более легких сплавов на основе натрия и калия можно получить сушественно меньше время срабатывания контактора.

Формула изобретения

Центробежное коммутационное устройство, содержашее цилиндрический трехфазный индуктор с пазами, скошенными IIQ краям индуктора в одном направлении по крайней мере на две-три зубцовых деле6 10 ния, кольцевой канал, образованный между наружными и внутренними изоляционными коаксиальными цилиндрами, причем наружный изоляционный цилиндр имеет внутренний выступ, кольцевые твердометаллические электроды, расположенные s канале и жидкий металл, частично заполняюший канал, о т л и ч а ю ш е,е с я тем, что, с целью уменьшения мошности управления коммутационным устройством, повышения быстродействия центробежною коммутационного устройства и уменьшения падения напряжения в его силовой цепи, оно снабжено кольцевыми шихтованными магнитопроводами, кольцевые твердометаллическне электроды выполнены с цилиндрическими токоотводами и расположены по торцам выступа наружного изоляционного цилиндра, и имеют диаметр больший внутреннего диаметра выступа наружного изоляционного цилиндра, по торцам кольцевых твердометаллических электродов в зазоре между их цилиндрическими токоотводами и трехфазным индуктором кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изоляционного цилиндра, по крайней мере, не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра, а жидкий металл занимает объем, равный суммарному объему одной боковой кольцеъой полости и межэлектродного промежутка.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Механические ртутные выпрямители.

Технический справочник, М-Л., 1951.

2. Авторское свидетельство СССР

И 546954, кл. Н .01 -Н 29/26, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

14 612299, кл. Н 01 Н 29/26, 1976.