ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ГАЗОВЫМ ДУТЬЕМ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1994 года по МПК H01H33/82 

Изобретение касается выключателя с газовым дутьем и, в частности, выключателя с газовым дутьем, снабженным изолирующим соплом и способным выдерживать высокое напряжение, причем сопло расположено смежно с дугообразующей секцией для направления дутья, например, газа SF₆ в сторону дуги, образующейся между подвижным и неподвижным контактами во время прерывания тока большой величины.

В настоящее время в связи с увеличением потребления электрической энергии потребовались электрические устройства для работы при высоком напряжении и токе большой величины. В выключателе с газовым дутьем, который является конечным защитным устройством для электроэнергетической системы, изолирующее сопло, которое осуществляет работу выключателя с газовым дутьем для прерывания цепи, должно быть способно выдерживать высокое напряжение.

Для удовлетворения этого требования предложена новая конструкция сопла, которая отличается от сопла известной конструкции благодаря применению прогрессивного метода анализа потока газа.

В таком сопле [1] зона газа под высоким давлением образуется на стороне горловины сопла вниз по течению, обычно наклонной поверхностью (которая проходит вдоль направления потока газа для гашения дуги), и наклонной в обратном направлении поверхностью, пересекающей эту обычно наклоненную поверхность, причем зона вблизи удаленного конца неподвижного контакта образует зону для газа высокого давления до тех пор, пока неподвижный контакт не пройдет через это пространство, таким образом, можно улучшить характеристику стойкости к высокому напряжению.

Известно устройство [2] для увеличения внутреннего сопротивления дуги, при котором 20 об.% нитрида бора (ВN) добавляют в качестве наполнителя во фторопластовый материал сопла.

С другой стороны, в сопле такого типа, чтобы увеличить внутреннее сопротивление дуги, необходимо добавлять нитрид бора в материал сопла. Однако в этом случае не учитывается, какое количество линий энергии дуги вторгается в сопло, причем на части поверхности сопла поглощение энергии дуги увеличивается. В результате износ дуги увеличивается, и сопло упомянутой конструкции испытывает трудности, а именно форма и размер наклоненной в обратном направлении поверхности изменяются из-за такого износа поверхности, в результате не достигается требуемая характеристика после неоднократного прерывания электрического тока большой величины.

Целью изобретения является создание выключателя с газовым дутьем, имеющего сопло, которое может выдерживать высокое напряжение и свободно от ухудшения его характеристики из-за деформации при износе поверхности даже после прерывания тока большой величины.

Для достижения цели предложен выключатель с газовым дутьем, содержащий изолирующее сопло для дутья гасящего газа в направлении дуги, образующейся между неподвижным и подвижным контактами, причем сопло имеет узкую секцию, в которую может перемещаться и выходить из нее один из двух контактов, и расходящуюся секцию, расположенную вниз по течению от узкой секции, где на расходящейся секции сопла образована наклонная поверхность для увеличения коэффициента отражения интенсивности энергии дуги, причем сопло изготовлено посредством добавки не свыше 15 об.% порошка нитрида бора в качестве наполнителя во фторопластовый материал.

Когда подвижный контакт перемещается в сторону от неподвижного контакта, линии энергии легко излучающей дуги, образующейся между этими двумя контактами, уменьшаются по количеству внедрения этих линий энергии в сопло по наклонной поверхности, расположенной вниз по течению от узкой секции сопла. Таким образом, можно уменьшить количество добавки нитрида бора, но даже в этом случае внутреннее сопротивление дуги можно поддерживать на одном уровне, который обычно достигается. Кроме того, при уменьшенном количестве добавки нитрида бора можно ограничить деформацию поверхности из-за износа сопла, таким образом, даже после неоднократного прерывания электрического тока большой величины можно получать одну и ту же характеристику при применении нового сопла.

На фиг. 1 - один вариант конструкции выключателя с газовым дутьем в разрезе; на фиг. 2 - вид в разрезе в увеличенном масштабе наклонных поверхностей сопла в конструкции, показанной на фиг.1; на фиг.3 - диаграмма характеристик, показывающая зависимость между углом наклона поверхности сопла выключателя с газовым дутьем согласно настоящему изобретению и коэффициентом отражения интенсивности линий энергии дуги; на фиг.4 - диаграмма характеристик, показывающая зависимость между количеством добавки нитрида бора и коэффициентом отражения интенсивности линии энергии дуги; на фиг.5 - диаграмма характеристик, показывающая зависимость между количеством добавки нитрида бора и степенью износа сопла; на фиг.6 - вид в разрез в увеличенном масштабе, показывающей другой вариант исполнения наклонных поверхностей в выключателе с газовым дутьем.

Как показано на фиг.1, подвижный контакт 2 расположен противоположно неподвижному контакту 1, и он может перемещаться в позицию контакта с неподвижным контактом 1 и из нее. Ведущий вал 3 соединен с подвижным контактом 2, при этом неподвижный поршень 4 удерживает ведущий вал 3 с возможностью его скольжения. На ведущем валу 3 установлен подвижный цилиндр 5, который окружает неподвижный поршень 4. Камера 6 цилиндра образована неподвижным поршнем 4 и подвижным цилиндром 5. Отверстие 7 образовано через одну торцовую стенку подвижного цилиндра 5, расположенную смежно с подвижным контактом 2. Сопло 8 установлено на подвижном цилиндре 5, причем это сопло 8 служит для дутья гасящего газа, направляемого из камеры 6 цилиндра через отверстие 7 к дуге 9, образующейся между контактами 1 и 2. Сопло 8 включает в себя секцию 10 горловины, которая размещается на неподвижном контакте 1 с незначительным зазором между ними после перемещения подвижного контакта 2, первую наклонную поверхность 11, расположенную вниз по течению от секции 10 горловины и проходящую вдоль направления потока газа для гашения дуги, чтобы увеличить коэффициент отражения интенсивности энергии дуги, вторую наклонную поверхность 12, пересекающую первую наклонную поверхность 11 и расходящуюся секцию 13, проходящую от второй наклонной поверхности 12. Для того, чтобы сопло 8 могло обладать изолирующими свойствами, оно изготовлено из фторопластового материала, в который добавлен нитрид бора (ВN).

Опишем со ссылкой на фиг.2 условие для отражения линии 14 энергии дуги 9 первой и второй наклонными поверхностями 11 и 12.

Допустим, что угол между первой наклонной поверхностью 11 и центральной линией (осью) сопла 8 равен θ (фиг.2), линия 14 энергии дуги 9 становится линией 14А энергии, направленной в сопло 8, и линией 14В энергии, полученной в результате отражения энергии первой наклонной поверхностью 11. Коэффициент отражения I_o интенсивности линии энергии в данный отрезок времени обычно выражается следующими формулами (1) и (2):
I_o=K , (1)
a = sin · sin , (2) где ε₁ - диэлектрическая постоянная газа; ε₂ - диэлектрическая постоянная сопла.

Полученное по формулам (1) и (2) значение, которое показано на фиг.3, представляет собой относительное значение коэффициента отражения I_o интенсивности линии энергии дуги по отношению к углу θ наклонной поверхности, когда коэффициент отражения при угле θ = 0 равен 1. Характеристики коэффициента отражения интенсивности линии энергии, показанные на фиг.3, получены, когда количество добавки нитрида бора равнялось 0%. Коэффициент отражения интенсивности линии энергии дуги, полученный, например, при угле θ = 40^о, в два раза больше, чем коэффициент отражения, полученный при угле θ = 0, таким образом, по отношению к той же самой линии энергии дуги интенсивность линии энергии, падающей в сопло, можно сделать наполовину меньше, поскольку общая энергия дуги является постоянной. Преимущественно на основе кривой характеристик, показанной на фиг.3, угол θ наклонной поверхности должен быть установлен в пределах между 25^о и 45^о. Причина для такой установки следующая. Когда угол θ наклонной поверхности равен 25^о, коэффициент отражения интенсивности линии энергии в 1,4 раза больше, как можно видеть из фиг.3. Таким образом, посредством увеличения в 1,4 раза коэффициента отражения интенсивности линии энергии можно получить эффект, равный или превышающий эффект, когда линия направленной в сопло 8 энергии уменьшится на одну ступень по отношению к номинальному прерывающему току (например, когда номинальное значение уменьшается от 50 до 40 КА, то это выражается в виде 50/40 = 1,3 раз), напротив, если некоторая линия энергии сохраняется, то линия энергии дуги должна увеличиваться (например, от 40 до 50 КА). Таким образом, можно обеспечить достаточный предел характеристики внутреннего сопротивления дуги сопла. С другой стороны, с точки зрения коэффициента отражения интенсивности линии энергии предпочтительно, чтобы угол θ наклонной поверхности был больше, однако, если угол θ слишком большой, то в полости, образованной первой и второй наклонными поверхностями 11 и 12, будет создаваться завихрение потока газа, при этом плотность газа снижается и уменьшается способность к выдерживанию напряжения. Таким образом, на основе анализа потока газа вычислили, что максимальный угол θ наклонной поверхности должен быть не свыше 45^о.

С учетом сказанного предпочтительно, чтобы угол θ наклонной поверхности был в пределах между 25^о и 45^о.

Теперь рассмотрим связь между коэффициентом отражения интенсивности линии энергии дуги и количеством добавки нитрида бора.

Когда количество добавки нитрида бора в материал сопла увеличивается, то диэлектрическая постоянная сопла увеличивается. С другой стороны, как это видно из формул (1) и (2), корень квадрата диэлектрической постоянной материала пропорционален показателю преломления материала. Это значит, что в случае одинакового угла падения линии энергии дуги, чем больше диэлектрическая постоянная материала (т.е. большое количество добавки нитрида бора), тем больше преломление линии энергии дуги, проникающей в материал. На фиг. 4 показана зависимость между количеством добавки нитрида бора (BN) и коэффициентом отражения интенсивности линии энергии дуги по отношению к углу θ наклонной поверхности сопла. Коэффициент отражения (ось ординаты на фиг.4) выражен в виде относительного значения, полученного, когда коэффициент отражения при угле (фиг.3) θ равен 1. Как видно из фиг.4, когда количество добавки нитрида бора составляет до 10 об.%, коэффициент отражения при каждом угле, показанном на фиг.3, поддерживается, даже когда угол θ наклонной поверхности 11 находится в пределах между 25^о и 45^о. Когда количество добавки составляет 15 об.%, коэффициент отражения слегка уменьшается, но эффект, подобный эффекту, когда номинальный ток прерывания уменьшается на одну степень, можно сохранить. Однако, когда количество добавки составляет 20 об. % , то коэффициент отражения при каждом угле наклонной поверхности уменьшается и тогда нельзя будет обеспечить эффект, подобный эффекту уменьшения номинального прерывающего тока. Другими словами, если количество добавки нитрида бора будет не свыше 15% от объема, то можно поддерживать коэффициент отражения при каждом угле наклонной поверхности.

Теперь будет объяснена степень износа поверхности сопла. Приготовили цилиндрические образцы, и в каждом образце зажгли дугу 10 Кар, при частоте 0,5 цикла (60 Гц). После этого измерили степень W износа сопла (Р.U/KA.S) при электродном зазоре, равном 10 мм. Результаты испытаний представлены на фиг. 5. Как показано на фиг.5, когда количество добавки нитрида бора не превышает 15 об.%, то в степени износа не будет большого различия. Однако степень износа при 20 об.% значительно отличается от степени износа при 15 об. % . Даже при 0 об.% нитрида бора степень износа увеличивается, и это является следствием образования пустот во внутренней поверхности сопла и частичного отстаивания на поверхности, поскольку не обеспечивается внутреннее сопротивление дуги в сопле.

Ввиду указанной степени износа предпочтительно, чтобы количество добавки нитрида бора находилось в пределах между 5 и 15 об.%.

При применении описанной конструкции и благодаря размещению первой и второй наклонных поверхностей 11 и 12 вниз по течению от горловины 10 сопла газ для гашения дуги можно всегда направлять в части поверхности неподвижного контакта, которая подвергается действию повышенного электрического поля, и можно поддерживать переходное напряжение, которое можно выдерживать после прерывания потока тока. И кроме того, за счет определения соответствующим образом углов первой и второй наклонных поверхностей и количества добавки нитрида бора можно увеличить внутреннее сопротивление дуги и уменьшить степень износа сопла. В результате можно изготовить выключатель с газовым дутьем для гашения дуги, который позволит прерывать небольшой емкостный ток после частого прерывания большого тока.

Упомянутая конструкция согласно изобретению была описана без указания особого различия между углами θ₁ и θ₂ торцовых участков первой и второй наклонных поверхностей 11 и 12, как показано на фиг.6. Однако эффекта можно ожидать, даже если только один из углов θ₁ и θ₂находится в пределах, установленных согласно настоящему изобретению, а именно если внутреннее сопротивление дуги увеличивается на первой наклонной поверхности 11 или второй наклонной поверхности 12, тогда диэлектрическая характеристика прерывания улучшается на этой поверхности. Также благодаря такой установке увеличивается степень свободы в регулировании углов θ₁ и θ₂ наклонных поверхностей и можно легко определить угол для регулирования потока газа к неподвижному контакту. Как показано на фиг.6, можно обеспечить множество пар первой и второй наклонных поверхностей. В этом случае установку угла осуществляют описанным способом.

Количество силовых линий энергии дуги падает больше на горловину 10 сопла, чем на наклонные поверхности. Таким образом, количество добавки нитрида бора в секции горловины 10 может составлять 20% для увеличения внутреннего сопротивления дуги в секции 10 горловины с тем, чтобы уменьшить деформацию поверхности из-за ее износа.

Посредством определения соответствующим образом угла наклонной поверхности, расположенной вниз по течению от горловины сопла, а также количества добавки нитрида бора можно получить сопло с характеристиками способности выдерживать высокое напряжение, причем сопло свободно от деформации, вызванной износом его поверхности после многократного прерывания большого электрического тока.

Выключатель с газовым дутьем содержит изолирующее сопло для дутья гасящего газа в направлении дуги, образующейся между неподвижным и подвижным контактами. Сопло имеет секцию горловины, в которую может перемещаться и выходить из нее один из двух контактов, и расходящуюся секцию, расположенную вниз по течению от горловины. На расходящейся секции сопла образована наклонная поверхность для увеличения коэффициента отражения интенсивности энергии дуги. Сопло изготовлено из фторопластового материала с добавкой порошка нитрида бора в качестве наполнителя в количестве не свыше 15 об.% 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Выключатель с газовым дутьем, содержащий изолирующее сопло для дутья гасящего газа в направлении дуги, образующейся между неподвижным и подвижными контактами, причем сопло имеет секцию горловины, в которую может перемещаться и входить из нее один из двух контактов и расходящуюся секцию, расположенную вниз по течению от секции горловины, причем, одна наклонная поверхность образована на расходящейся секции сопла, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента отражения интенсивности энергии дуги, сопло изготовлено посредством добавки не свыше 15 об.% порошка нитрида бора в качестве наполнителя фторопластового материала. 2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что наклонная поверхность образована первой наклонной поверхностью, проходящей вдоль направления потока гасящего газа, и второй наклонной поверхностью, пересекающей первую наклонную поверхность. 3. Выключатель по п.2, отличающийся тем, что один из углов между первой наклонной поверхностью и центральной линией сопла и между второй наклонной поверхностью и центральной линией сопла находится в пределах между 25 и 45^o. 4. Выключатель с газовым дутьем, содержащий изолирующее сопло для дутья гасящего газа в направлении дуги, образующейся между неподвижным и подвижным контактами, причем сопло имеет секцию горловины, внутрь которой перемещается или выходит из нее один из двух контактов и расходящуюся секцию, расположенную вниз по течению от секции горловины, причем наклонная поверхность для ограничения проникновения энергии дуги внутрь сопла образована на расходящейся секции сопла, отличающийся тем, что диэлектрическая постоянная сопла выше, чем у гасящего газа, причем сопло выполнено из фторопластового материала, импрегнированного наполнителем, содержащим не более 15 об.% порошка нитрида бора, при этом диэлектрическая постоянная сопла становится выше, чем у гасящего газа.