Вакуумная дугогасительная камера

 

Ссиоз Советскик

Сециапистичесииа

Республик, О П И С А Н И Е ()943896

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Sl ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 29. 08. 80 . (2 f ) 2976977/24-07 (53 ) М. Кл. с присоединением заявки РЙ н 01 н 33/66

9куаарйканы6 кемвтет сеем ао делам нзабретевнй и атерытвв (23) Приоритет

Опубликовано 15. 07.82. Бюллетень № 26 (53) уДК621 ° 316

° 524(088.8) Дата опубликования- описания 1 .07 .82 (72) Авторы изобретения

И.А, Лукацкая, В.С. Потокин, С.Н. В

М.д. Сипелев, А.С. Акулов, С.Г. Вол (7I) Заявитель (54) ВАКУУМНАЯ ДУГОГАсительнАЯ кАиеРА

Изобретение относится к коммута- ционным аппаратам, в частности вакуумным выключателям со встроенными вакуумными дугогасительными камерами.

Известна вакуумная дугогасительная камера, состоящая из вакуумноплотного корпуса, внутри которого расположены экраны из никеля, токопроводящие стержни из меди и контакты из вольфрама. Корпус камеры состоит из двух изоляционных цилиндров, вакуумно-плотно спаянных между собой через медную прокладку, к которой с помощью никелевых полосок точечной сваркой прикреплен центральный экран, выполненный из никеля. С торцов корпус закрыт фланцами, наружная поверхность которых не выступает. над верхней кромкой корпуса. В центре каждого 2о фланца имеется отверстие, сквозь которое проходят токопроводящие медные стержни. К наружным частям каждого из стержней присоединяются шины коммутируемой цепи с помощью специальных зажимов, охватывающих стержень (1).

Основной недостаток камеры — сниженная пропускная способность по току, что обусловлено ее конструктивными особенностями и используемыми материалами. Так, наличие экранов из ферромагнитного металла - никеля, магнитная проницаемость .которого больше, чем у вакуума примерно в

600 раз, приводит к возникновению в экранах вихревых токов и дополнительно нагревает фланцы. Контакты из вольфрама, удельное электрическое сопротивление которого примерно в

16 раз выше сопротивления серебра, имеют большое переходное сопротивление, вследствие чего при протекании тока в месте их сопротивления выделяется значительное количество тепла, что также снижает пропускную спо- . собность камеры по номинальному току. Кроме того, дополнительное тепло выделяется и в месте присоединения

943896

tS

35 о

55 шин к стержню из-эа небольшого числа контактных точек, .в которых зажим соприкасается со стержнем и, следовательно, высокого переходного сопротивления.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является камера, корпус которой состоит иэ одного изоляционного цилиндра, закрытого с торцов фланцами. Герметизирующие кольца, которые соединяют изолятор с фланцами, выполнены из ковара (сплава кобальт-никель-железо), магнитная проницаемость когорого примерно в

500 раэ больше, чем у вакуума. Флан1цы, закрывающие корпус, изготовлены иэ нержавеющей. стали. На одном из фланцев укреплен экран из сплава никель-молибден. Контакты выполнены иэ вольфрама или металлокерамической композиции, содержащей вольфрам (2).

Однако эта камера имеет следующие недостатки: наличие экрана из ферромагнитного материала приводит к выделению добавочного тепла эа счет вихревых токов и снижению номинального тока камеры; применение контактов иэ вольфрама или металлокерамики, содержащей вольфрам, при протекании тока приводит к выделению в месте соприкосновения контактов большого количества тепла, что снижает номинальный ток; использование фланца со стороны подвижного контакта, выполненного из нержавеющей стали, которая имеет большое удельное электросопротивление и высокую твердость,. приводит к выделению значительного тепла при переходе тока от шины коммутируемой цепи к фланцу. Кроме того, у нержавеющей стали низкая теплопроводность, поэтому нетоковедущая часть фланца мало нагревается теплом, выделяющимся в других частях камеры, и мало рассеивает тепла s окружающую--атмосферу. Наличие коваровых колец, соединяющих фланцы с изоляционным корпусом, затрудняет передачу тепла от фланца в изоляционный корпус из-эа низкой теплопроводности кал ковара (4 ° 1О -----------). Кроме см-с град того, коваровые кольца имеют значительные размеры по высоте (высота каждого кольца составляет примерно

104 высоты корпуса камеры). Так как магнитная проницаемость ковара дости4 гает 3700 Гс/Э, то кольца не только не отбирают тепло у фланцев, но и сами являются существенными источниками тепла, которое дополнительно повышает температуру фланца. Масса деталей, выполненных иэ ферромагнитных материалов, составляет 25-304 всех металлических деталей камеры. Повышенное выделение тепла во фланце и коваровых кольцах, а также плохой теплоотвод ведут -к перегреву фланца и тоководов, т.е. к снижению номинального тока камеры.

Цель изобретения - увеличение пропускной способности камер по номинальному .току.

Для достижения поставленной цели в вакуумной дугогасительной камере, содержащей вакуумно-плотный корпус, состоящий по меньшей мере из одного изоляционного цилиндра, армированного металлическими манжетами и закрытого металлическими фланцами, металлических экранов, по меньшей мере один из которых закреплен на фланце корпуса, и токоподводящих стержней с контактами, не менее $04 массы металлических деталей камеры предлагаd ется выполнять из материалов, у которых отношение магнитной проницаемости материала к магнитной проницаемости вакуума находится в пределах от 1,0 до 1,5, причем у материалов, из которых выполнены токоподводящие стержни, контакты и по меньшей мере один фланец, отношение удельного электрического сопротивле.ния материала к удельному электричес. кому сопротивлению серебра не превышает десяти, а отношение коэффициента теплопроводности материала к теплопроводимости серебра находится в пределах от 0 1 до 1,0. По меньшей мере один изоляционный цилиндр выполняют из материала, отношение коэф фициента теплопроводности которого к коэффициенту теплопроводности технического стекла находится в пределах от 1,0 до 250. Отношение толщины по меньшей мере одного фланца к его диаметру находится в пределах от

1:4 до 1:70, часть наружной поверхности по меньшей мере одного фланца выступает над кромкой корпуса на расстояние, составляющее 1-104 толщины фланца, причем в самом фланце закреплена по меньшей мере одна полая втулка или одна шпилька, при этом втулка выполнена с резьбой по меньшей мере

5 9438 на своей внутренней поверхности, а шпилька имеет резьбу на своей внешней поверхности и выступает над наружной поверхностью фланца на расстояние по меньшей мере равное толщине фланца.

На фиг. 1 изображена предлагаемая камера, осевой разрез; на фиг. 2 часть камеры с подсоединенной токо подводящей шиной, осевой разрез. 30

Камера содержит по меньшей мере два токоподводящих стержня и 2, на внутренних концах которых укреплены контакты 3 и 4. Стержень 1 жестко закреплен на фланце 5. Стер- 15 жень 2 вакуумно-плотно соединен с фланцем 6 через сильфон 7, который обеспечивает возможность перемещения стержня 2 с контактом 4 без нарушения герметичности камеры. Сильфон 7 выполнен из нержавеющей стали.

Одним из своих торцов сильфон 7 вакуумно-плотно соединен с наружной стенкой втулки 8, внутренняя стенка которой соединена со стержнем 2. Что-р5 бы предотвратить прожигание сильфона раскаленными частями металла, возникающими в процессе горения дуги между контактами 3 и 4, сильфон защищают экраном 9.

Экран 10 одним из своих торцов вакуумно-плотно соединен с сильфоном 7 и втулкой 11, а другим торцомс фланцем 6.

На каждом из фланцев 5 и 6 укреплены металлические экраны 12, 13 и 14. Цилиндры 15 и 16 вакуумно-плотно соединены между собой через металлическую прокладку 17, на которой внутри камеры укреплены экраны 18 и

19, образующие в совокупности центральный экран, изолированный от

i стержней 1 и 2 и охватывающий,дугогасительный промежуток между контактами 3 и 4.

К внешним торцам изолированных цилиндров 15 и 16 вакуумно-плотно присоединены армирующие манжеты 20 и 2 1, с наружными кромками которых герметично соединены торцовые фланцы 5 и 6. К манжетам 20 и 21 присоединены

50 кольца 22 и 23, служащие компенсаторами температурных напряжений, возникающих в месте соединения манжет 20 и 21 с изоляционными цилиндрами 15 и 16.

На внешних сторонах фланцев 5 и 6, т.е. на тех сторонах, которые соприкасаются с окружающей средой, имеют96 б ся отверстия, в которых закреплены крепежные детали, имеющие вид втулок

24 и 25, с помощью которых к наружной поверхности фланцев прижимают токопроводящие шины (на фиг. 1 не показаны). Наружная часть токоподводящего стержня 2 оканчивается конусной поверхностью 26, служащей для подсое динения гибкого шинопровода коммутируемой электрической цепи (на фиг. 1 не показана).

Отличие камеры на фиг. 2 заключается в том, что крепежная деталь имеет вид шпильки 27, жестко закрепленной, например запаянной, в торцовую часть стержня 1, На шпильку 27 навинчивается гайка 28, которая через шайбу 29 плотно прижимает тоноподводящую шину 30 к фланцу 5. Количество крепежных деталей (втулок или шпилек) может. отличаться от показанного на фиг. 1 и 2.

До тех пор, пока контакты 3 и 4 соприкасаются друг с другом, камера работает в замкнутом состоянии и номина lbный ток коммутируемой электрической цепи в один из полупериодов проходит через камеру по следующему контуру: токоподводящая шина (показана на фиг. 2)- переходное сопротивление в местах соприкосновения шины с фланцем 5- фланец 5- стержень

1- контакт 3- переходное сопротивление в местах соприкосновения контакта 3 с контактом 4- контакт 4- ; стержень 2- переходное сопротивление в местах соприкосновения конусной поверхности 26 стержня 2 с токопоДводящей шиной коммутируемой цепи - токоподводящая шина (не показана).

В динамическом режиме камера работает следующим образом.

После подачи сигнала на отключение тока (оперативное или аварийное) контакт 4 выходит из соприкосновения с контактом 3. Иежду контактами возникает электрическая дуга, в процес. се горения которой возникают ионы и атомы металлов, разлетающиеся из межконтактного промежутка и конденсирующиеся на экранах 9, 12, 13, 14, 18 и 19. При переходе тока через нуль луга гаснет и на контактах камеры восстанавливается напряжение.

Металлические детали камеры (стержни 1 и 2 контакты 3 и 4;фланцы 5 и 6; сильфон 7; втулки 8, 11, 24 и 25; экраны 9, 10, 12, 13, 14, 18 и 19; прокладка 17; манжеты 20

943896.и 21; кольца 22 и 23; шпилька 27) должны быть выполнены из материалов, обладающих сочетанием определенных свойств., характеризующихся по меньшей мере тремя показателями: магнитной проницаемости, удельного электричес" кого сопротивления и коэффициента теплопроводности.

Кроме. того, материалы, из которых изготовлены отдельные детали, выпол- 10 няющие специфические функции,.должны обладать набором дополнительных качеств. Так, например, контакты 3 и 4 не только пропускают ток, но и коммутируют его, поэтому материалы, из которых выполнены контакты, обладают несколькими дополнительными свойствами наряду с перечисленными тремя

I свойствами.

Проведенные эксперименты и расче- 20 ты показали, что при уменьшении отно. шения магнитной проницаемости материалов к магнитной проницаемости вакуума с 220 до 5,0, т.е. в 44 раза, выделение тепла в токопроводящих де- 25 талях и охватывающих их втулках снизилось всего на 20 . При дальнейшем уменьшении указанного отношения еще в три раза, т.е. до 1,5, выделение тепла в указанных деталях обусловле- 50 но резко неравномерной зависимостью выделения тепла от величины магнитной проницаемости.

Показатели металлов, из которых выполнены детали камеры, сравниваются с соответствующими показателями серебра, поскольку последнее обладает наименьшим удельным электрическим сопротивлением и наибольшим коэффициентом теплопроводности среди известных в настоящее время металлов с обычной проводимостью. Магнитную проницаемость материала принято сравнивать с магнитной проницаемостью вакуума. 45

Проведенные расчеты и экспериментальная проверка этих расчетов по определению температуры металлических деталей, камеры как пропускающих ток при замкнутых контактах 3 и 4, так и охватывающих токопропускающие детали, показали: если более 90 мас Ф металлических деталей камеры выполнены из материала, у которого магнитная проницаемость превышает магнитную

55 проницаемость вакуума более, чем в

1 5 раза и при этом удельное электрическое сопротивление материала по меньшей мере одной детали из токопод. водящего контура камеры превысит удельное электрическое сопротивление серебра более, чем в 10 раз, а коэффициент теплопроводности материала по меньшей мере еще одной детали меньше коэффициента теплопроводности серебра более, чем в 10 раз, то температура наружных концов стержней 1 о и 2 превысит на 5- 10 С температуру, допускаемую стандартами СССР для электрических аппаратов при работе в номинальном режиме, т.е. при длительном пропускании номинального тока при замкнутых контактах. Чтобы уложиться в требования стандартов, нужно снижать величину номинального тока.

Таким образом, материалы, указанные показатели которых выходят за обозначенные пределы, снижают пропускную способность камер по номинальному току.

B nðåäëàãàåèoé камере контакты 3 и 4, экраны 9 и 10, кольца 22 и 23, втулки 8, 11 и 25 являются теми деталями, которые могут быть изготовлены из материалов с магнитной проницаемостью выше 1,5. Указанное исключение по сравнению с остальными металлическими деталями объясняется теми функциями, которые выполняют контакты и кольца. В процессе эксплуатации контакты могут коммутировать и большие, и малые токи (более 30 кА и менее

5A). Контакты выполнены из материалов, способных противостоять эрозионному разрушению в течение всего срока службы камеры и одновременно не создавать среза отключаемого тока, например, из композиционных материалов железо - медь, железо - медь сурьма или хром - медь - вольфрам. У контактных материалов на основе железа отношение магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума больше, чем 1,5.

Чтобы выполнить функцию компенсаторов температурных напряжений в диапазоне температур как рабочих (от 60 до 105 С), так и технологических (до 1300 С) и при этом не увеличивать габариты камеры, кольца 22 и 23 выполнены из сплава железо - никель, причем содержание железа может меняться от 40 до 604.

В предлагаемой камере контакты 3 и 4, втулки 11 и 25, кольца 22 и 23, экраны 9 и 10 по массе составляют не более 103 от массы всех металлических деталей камеры, поэтому условие по

943896

9 ограничению первого показателяотношения магнитной проницаемости материала к магнитной проницаемости вакуума в пределах 1,0-1,5 для 903 металлических деталей камеры выполне- 5 но.

В камере, в соответствии с проведенными расчетами и экспериментами, материалы, из которых выполнены стерж. ни 1 и 2, контакты 3 и 4, по меньшей 1В мере один фланец 5 и хотя бы два экрана 18 и 19, соответствуют еще двум требованиям: их удельное электрическое сопротивление не превышает

15 икОМ см, другими словами отноше- 15 ние их удельного электрического со" противления к этому же показателю у серебра не превышает 10,0;, коэффициент теплопроводности этих материалов находится в пределах от 42 до . 2o

420 Вт/м град, т.е. отношение этих коэффициентов к коэффициенту теплопроводности серебра находится в пределах от 0,1 до 1,0.

1 25

Материалами, которые обладают необходимым сочетанием трех свойств, являются: . сверхпроводящие металлы, сопротивление которых равно нулю, а коэффициент теплопроводности составляет не менее 42 Вт/м-град при температурах, близких к абсолютному нулю, серебро, которое обладает. наиболь-. шим коэффициентом теплопроводности, 35 равным 420 Вт/м град, но является драгоценным металлом; медь или ее сплавы, в состав кото. рых медь входит в качестве основы, например, медь — висмут — бор; композиционные материалы, например железо — медь, хром - медь, железо " медь - сурьма, хром - медьвольфрам, в состав которых медь входит в качестве одного из компонентов.4

Чтобы увеличить отдачу тепла в окружающую среду, профиль наружной поверхности по меньшей мере одного фланца 5 полностью соответствует профилю той поверхности токоведущей шины

30, которой она соединяется с фланцем

5. Эти профили на фиг. 1 и 2 выполнены в виде плоскостей,, но они могут быть волнистыми или ребристыми. Предлагаемое сопротивление профилей позволяет плотно прижать шину 30 к фланцу 5 во многих точках с помощью крепежных деталей, имеющих вид втулок

25 на фиг. 1 и шпилек 27 на фиг. 2.

Отдача тепла от камеры в окружаю" щую среду происходит за счет конвек" тивного теплообмена, который тем больше, чем больше площадь деталей; соприкасающихся с окружающей средой, и чем больше разница температур меж ду этими деталями и окружающей средой. Для увеличения отдачи тепла в ,изобретении предлагается использовать изоляционные цилиндры 15 и 16, выполненные из вакуумно-плотной керамики, найример алюмо-оксидной или бериллиевой. КоэФфициент теплопроводности у алюмо-оксидной керамикив 25 раз, а у бериллиевой в 250 раз больше коэффициента теплопроводности технического стекла.

По меньшей мере один фланец 5 вы" полняет две функции: пропускает ток. и служит местом крепления втулки 25

\или шпильки 27). С учетом этих двух функций экспериментально установлено, что толщина по меньшей мере одного фланца 5 должна находиться в пределах от 3 до 25 мм, а отношение толщины Фланца к его диаметру в преде лах от 1:4 до 1:70.

По меньшей мере у одного фланца 5 наружная поверхность выступает над кромкой армирующей манжеты на расстояние от О, 1 до 2,5 мм, т.е, на расстояние, составляющее 1-103 толщины фланца. Для плотного соединения шины с фланцем это расстояние должно быть не меньше 0,1 мм, тогда шина не касается кромки армирующей манжеты. Если расстояние превысит 2,5 мм, это приведет к ненужному увеличению габаритов и массы камеры.

Изобретение позволяет увеличить пропускную способность предлагаемой камеры по номинальному току по меньшей мере в 1,б раза по сравнению с известной.

Формула изобретения

1. Вакуумная дугогасительная камера, содержащая. вакуумно-плотный корпус, состоящий по меньшей мере из одного изоляционного цилиндра, армированного металлическими манжетами и закрытого металлическими фланцами, металлических экранов, по меньшей мере один из которых закреплен на фланце корпуса, и токоподводящих стержней с контактами, о т л и ч а ю11 9438 щ а я с я тем, что, с целью увеличения пропускной способности камеры по номинальному току, не менее 903.массы укаэанных металлических деталей выполнено из материалов, у которых 5 отношение магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума находится в пределах от 1,0 до 1,,причем у материалов, из которых выполнены стержни, контакты и по меньшей ме- 1В ре один фланец, отношение удельного электрического сопротивления к удельному электрическому сопротивлению серебра не превышает 10,0, а отношение коэффициента теплопроводности к коэф-.И

I фициенту теплопроводности серебра находится в пределах от 0,1 до 1,О.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ю 445082, кл. Н 01 H 33/66, 1972. т 2. Патент США М 3590184, кл. 200-144, 1968.

2. Камера по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что по меньшей мере один изоляционный цилиндр выполнен из материала, отношение коэффициента теплопроводности которого к коэффициенту теплопроводности технического стекла находится в пределах от 1,0 до 250.

96 12

3. Камера по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что отношение толщи- ны по меньшей мере одного фланца к его диаметру находится в пределах от 1:4 до 1:70.

4. Камера по пп. 1,2 и 3, о т л и. ч а ю щ а я с я тем, что не менее

754 наружной поверхности фланца выступает над кромкой корпуса на расстояние, составляющее 1-101 толщины фланца, а в самом фланце закреплена по меньшей мере одна полая втулка, имеющая резьбу по меньшей мере на своей внутренней поверхности.

5. Камера по пп 1-4, о т л и ч аю щ а я с я тем, что во фланце укреплена шпилька, имеющая резьбу на своей внешней поверхности и выступающая над наружной поверхностью фланца.

993896

Составитель В. Попова

Техред М.Тепер Корректор М.Коста

Редактор М. Петрова

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 5 136/65 Тираж 761 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5