ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГАЗОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01H33/53 

Изобретение относится к высоковольтному аппаратостроению и касается элегазовых выключателей.

Известны высоковольтные газовые выключатели, содержащие автопневматическое дугогасительное устройство, размещенное внутри фарфорового изолятора, установленного на опорном полом фарфоровом изоляторе. Полости изоляторов заполнены сжатым элегазом (SF₆) и сообщаются между собой. Изоляторы снабжены торцовыми фланцами и уплотнениями, герметизирующими их внутренние полости. Привод дугогасительного устройства и элементы контроля за состоянием элегаза расположены на потенциале земли [1]
Этот выключатель не пригоден для работы в условиях умеренного климата, нижнее значение температуры которого может достигать минус 45^oC. Дело в том, что электроизоляционные и дугогасительные свойства элегаза зависят от его плотности, определяемой рабочим давлением. Т.к. выключатель представляет собой герметичную систему, то плотность элегаза остается неизменной при колебаниях температуры, если не происходит конденсации элегаза. Конденсация элегаза возможна в условиях, когда температура окружающей среды становится ниже определенного значения. Так, для выключателя [1] с номинальным избыточным давлением 6•10⁵ Па конденсация наступает при температуре минус 28^oC. При дальнейшем снижении температуры в выключателе будет накапливаться жидкая фаза элегаза, что повлечет за собой снижение плотности и, как следствие, снижение изоляционных и дугогасительных свойств выключателя. В то же время образование жидкой фазы не представляет опасности, если плотность газовой фазы не становится ниже заданного значения.

Известен элегазовый выключатель [2] содержащий дугогасительное устройство, размещенное внутри фарфорового изолятора, установленного на опорном полом фарфоровом изоляторе. Полости изоляторов сообщаются между собой и заполнены сжатым элегазом. Изоляторы снабжены арматурой с уплотнениями, герметизирующими их внутренние полости. Для компенсации снижения давления элегаза при его конденсации полость опорного изолятора соединена внизу с двумя эластичными герметичными мешками, помещенными внутри металлических резервуаров, заполненных сжатым воздухом под давлением, несколько меньшим давления элегаза.

Внутренние полости изоляторов облицованы электроизоляционным материалом с выступающими ребрами. Это выполнено с целью исключения перекрытия по струйкам, образованным каплями сконденсированного элегаза.

Внизу опорного изолятора в виде стакана размещены коденсатор-испаритель с нагревателем. Нагреватель помещен внутри стакана в узких углублениях, выполненных в толще теплоизолирующего основания.

Для облегчения циркуляции пара в опорном изоляторе изоляционная тяга привода выполнена полой и имеет боковые отверстия в той части, которая расположена в стакане испарителя. Этот выключатель предназначен для работы при очень низких температурах окружающей среды, однако это достигнуто значительным усложнением конструкции выключателя. Кроме того, некоторые узлы явно не выполняют своей функции или вообще препятствуют достижению поставленных целей.

Так, эластичные мешки в первый момент снижения давления могут его повысить, однако не надо забывать, что одновременно идет процесс конденсации и сколько бы его не поступило, в конечном итоге он сконденсируется.

Выполненные ребра внутри фарфоровых изоляторов действительно увеличивают длину пути утечки, однако они одновременно увеличивают и поверхность конденсации, а значит, плотность капель на единицу поверхности не должна измениться и тем самым не снижается вероятность перекрытия по каплям.

Кроме того, увеличенная поверхность конденсации уменьшает количество жидкой фазы, необходимой для работы испарителя. Поэтому в конструкции объем испарителя уменьшен за счет теплоизоляционного наполнителя, что позволило в узком канале весь нагреватель разместить в жидкой фазе и тем самым производить испарение элегаза.

Большое сомнение вызывает возможность конденсации элегаза в конденсаторе-испарителе. Вернее было бы назвать его накопителем-испарителем, так как его температура в силу наличия нагревателя будет всегда выше температуры любой точки выключателя и поэтому на его внутренних стенках не может конденсироваться элегаз.

Известно, что если в замкнутом объеме в какой-либо точке повышается давление, то оно становится повышенным во всем объеме, поэтому выполнение тяги полой для транспортировки испарившего элегаза в дугогасительное устройство является, по меньшей мере, лишним усложнением конструкции выключателя. Если сказать больше, то вынос теплого элегаза в более охлажденные точки выключателя снижает эффективность подогрева вследствие увеличения скорости конденсации.

Задачей настоящего изобретения является создание выключателя, простого по конструкции и пригодного для работ при низких температурах окружающей среды.

Решение этой задачи достигается тем, что в высоковольтном газовом выключателе, каждый полюс которого содержит по крайней мере одно дугогасительное устройство, размещенное в среде сжатого газа SF₆ внутри фарфорового изолятора, установленного при помощи соединительной арматуры на опорном полом фарфоровом изоляторе, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью указанного фарфорового изолятора, конденсатор, испаритель в виде стакана с электроподогревателем и опорный фланец, соединительная арматура шунтирована проводником с высокой электрической проводимостью и содержит ребра на своей наружной поверхности, а испаритель установлен на наружной стороне опорного фланца, при этом диаметр стакана имеет размер, меньший диаметра внутренней полости опорного изолятора, на внутренней стороне опорного фланца выполнены каналы, имеющие уклон в сторону стакана и сообщение с его внутренним объемом, отверстие нижнего фланца соединительной арматуры имеет форму усеченного конуса, больший диаметр которого обращен в сторону внутреннего объема указанной арматуры, а со стороны внутреннего объема опорного изолятора у кромки указанного отверстия выполнена кольцевая канавка. Кроме того, боковые фланцы соединительной арматуры имеют дополнительные отверстия, выполненные в нижней их части на уровне внутренней боковой поверхности фарфорового изолятора дугогасительного устройства.

Шунтирование соединительной арматуры проводником с высокой электропроводностью позволяет исключить ее нагрев при протекании номинального тока выключателя, т. к. почти весь ток будет проходить по проводнику. Имеющиеся ребра на наружной поверхности соединительной арматуры осуществляют дополнительный отвод тепла в атмосферу за счет увеличения поверхности охлаждения. Эти два решения приводят к тому, что соединительная арматура становится самой холодной поверхностью, на которой и происходит конденсация сжатого элегаза (SF₆) при определенной температуре окружающего воздуха. Иначе говоря, соединительная арматура выполняет функцию эффективного конденсатора. На других внутренних поверхностях явление конденсации почти не происходит, т.к. они имеют более высокую температуру за счет более низкой теплопроводности фарфора по сравнению с металлической соединительной арматурой. Кроме того, протекающий номинальный ток по дугогасительному устройству также способствует дополнительному нагреву, а значит, и более высокой температуре внутренней поверхности фарфоровых изоляторов.

С целью исключения застойных зон жидкой фазы элегаза нижний фланец соединительной арматуры имеет конусное отверстие, а опорный фланец - веерообразные каналы с уклоном в сторону стакана испарителя и сообщение с его внутренним объемом. Выполнение кольцевой канавки у кромки конусного отверстия со стороны внутреннего объема опорного изолятора позволяет избежать стекания капель по внутренней поверхности опорного изолятора и тем самым исключить снижение электрической прочности его внутренней изоляции. Дело в том, что любой выключатель имеет какое-то отклонение от вертикали, не выходящее за пределы допустимых значений. Поэтому капля будет подтекать по поверхности нижнего фланца соединительной арматуры к внутренней поверхности фарфорового изолятора. Кольцевая канавка препятствует этому и тем самым исключает "размазывание" жидкой фазы, что повышает эффективность испарителя, т.к. он наполняется большим количеством жидкой фазы. Это приводит к получению большого объема газовой фазы, что, в свою очередь, приводит к большему значению давления элегаза внутри выключателя.

Расположение испарителя на наружной стороне опорного фланца позволяет уменьшить высоту выключателя, расположить электронагреватель вне герметизирующего объема и тем самым упростить конструкцию выключателя, его обслуживание и ремонт. Выполнение стакана диаметром, меньшим в 4-5 раз диаметра внутренней полости выключателя, позволяет даже при небольшом количестве жидкой фазы получить достаточный столб жидкости в испарителе и тем самым при более высоком давлении газа начать его повышение за счет испарения и повысить эффективность подогревателя, обычно располагаемого по высоте боковой поверхности стакана испарителя. Кроме того, такое соотношение диаметров не приводит к увеличению габаритов шкафа управления, т.к. для такого габарита испарителя всегда найдется свободное пространство.

При отсутствии номинального тока температура всех поверхностей выключателя, находящегося длительное время в отключенном положении, может выравняться и, как следствие, возможна конденсация на внутренней поверхности изолятора дугогасительного устройства. Однако из-за низкой теплопроводности фарфора конденсация будет незначительной и не будет приводить к образованию струек элегаза, что исключает перекрытие высоким напряжением изолятора дугогасительного устройства. В то же время на поверхности металлического дугогасительного устройства и боковых фланцев соединительной арматуры могут образоваться струйки, которые, стекая, могут образовать застойные зоны на внутренней поверхности изолятора возле боковых фланцев соединительной арматуры. Поэтому выполненные дополнительные отверстия в нижней части боковых фланцев соединительной арматуры на уровне внутренней боковой поверхности изоляторов дугогасительного устройства позволяют исключить застойные зоны и тем самым повысить эффективность предлагаемого устройства подогрева элегаза.

На фиг. 1 изображен вариант общего вида полюса выключателя с частичным продольным разрезом, а на фиг. 2 конусное отверстие и кольцевая канавка нижнего фланца соединительной арматуры в увеличенном масштабе.

Полюс выключателя содержит опорный фланец 1, на котором установлен опорный полый изолятор 2. На опорном изоляторе 2 при помощи соединительной арматуры 3 закреплены два полых фарфоровых изолятора 4, в которых размещены дугогасительные устройства 5.

Соединительная арматура 3 содержит нижний фланец 6 и два боковых 7, а на наружной ее поверхности выполнены ребра 8. Снизу с наружной стороны опорного фланца 1 на потенциале земли закреплен стакан испарителя 9 с нагревателем 10. Внутренний объем испарителя сообщается с внутренним объемом изолятора 2 при помощи отверстия 11. Внутренние полости изоляторов 2 и 4 герметизированы и заполнены сжатым газом SF₆, а сообщение между ними выполнено при помощи отверстий 12, 13 и конусного отверстия 14. Дополнительное отверстие 13 выполнено на уровне боковой внутренней поверхности изоляторов 4. Нижний фланец 6 соединительной арматуры 3 со стороны внутреннего объема опорного изолятора 2 у кромки отверстия имеет кольцевую канавку 15. Опорный фланец 1 со стороны внутреннего объема опорного изолятора 2 имеет каналы 16, имеющие уклон в сторону стакана испарителя 9.

Управление полюсом осуществляется приводом (на фиг.1 не показан) при помощи изоляционной тяги 17 и системы рычагов 18, а контроль состояния сжатого газа производится прибором 19.

Соединительная арматура 3 шунтирована проводником высокой проводимости 20, а дугогасительные устройства 5 имеют контактные выводы 21.

В исходном состоянии полюс выключателя заполнен сжатым газом SF₆ с несколько повышенной плотностью, достаточной, чтобы произошла конденсация необходимого количества газа для процесса испарения. При этом, если выключатель включен, номинальный ток протекает от вывода 21 по дугогасительному устройству 5, фланцу 7, проводнику 20 и далее к второму выводу 21 по указанным элементам цепи.

При понижении температуры окружающего воздуха до определенной величины, при которой начинается конденсация, газ начинает конденсироваться на внутренней поверхности соединительной арматуры 3, т.к. эта поверхность в силу высокой теплопроводности, наличия ребер 8 и отсутствия источника выделения тепла (ток проходит по проводнику 20) имеет самую низкую температуру по сравнению с другими частями выключателя. Капли жидкого газа 22 по наклонным поверхностям стекают к конусному отверстию 14 и далее в силу наличия кольцевой канавки 15, не имея возможности стекать по внутренней поверхности опорного изолятора 2, они падают на опорный фланец 1, где по каналам 16 стекают в стакан испарителя 9.

При достижении заданного снижения плотности газа от действия контрольного прибора 19 срабатывает релейная автоматика (на фиг.1 не показана), включающая электронагреватель 10. Начинается процесс испарения жидкой фазы, чем достигается повышение давления (плотности) и температуры за счет отдачи тепла в процессе конвекции и частичной конденсации.

Процесс испарения продолжается до тех пор, пока давление в выключателе не повысится до нормированной величины (несколько больше, чем нужно для нормальной работы выключателя), а затем нагреватель 10 отключается от действия прибора 19 на релейную автоматику. Необходимо отметить, что при работе нагревателя процесс испарения и конденсации происходит одновременно, однако процесс испарения является преобладающим за счет выбора необходимой мощности нагревателя 10.

В случае длительного отсутствия номинального тока часть сжатого газа может конденсироваться на дугогасительном устройстве 5 и накапливаться в нижней части внутренней полости фарфорового изолятора 4. Для исключения образования застойных зон жидкого газа выполнены дополнительные отверстия 13, через которые жидкость беспрепятственно стекает в стакан испарителя 9.

Циклы "включение пауза" продолжаются до тех пор, пока температура окружающей среды не станет такой, при которой давление (плотность) станет выше заданного нижнего значения давления на контрольном приборе.

Предлагаемое изобретение было опробовано на макетном полюсе выключателя ВГУ-500 напряжением 500 кВ и с номинальным током 3150 А в зимних условиях, когда температура окружающего воздуха понижалась до минус 45^oC. Испытания велись при различных величинах номинального тока, температуре окружающей среды и мощности нагревателя индукционного типа. Благодаря простоте конструкции предлагаемого устройства получены результаты надежной работы выключателя при очень низкой температуре окружающей среды.

Сущность: выключатель содержит два дугогасительных устройства, размещенных в полых фарфоровых изоляторах и установленных при помощи соединительной арматуры на опорном полом фарфоровом изоляторе, закрепленном на опорном фланце. Соединительная арматура содержит нижний фланец и два боковых, а по наружной ее поверхности выполнены ребра. Снизу с наружной стороны опорного фланца на потенциале земли закреплен стакан испарителя с подогревателем, а на внутренней стороне выполнены каналы, имеющие уклон в сторону стакана испарителя. Внутренние полости изоляторов сообщаются между собой. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высоковольтный газовый выключатель, каждый полюс которого содержит по крайней мере одно дугогасительное устройство, размещенное в среде сжатого газа SF₆ внутри фарфорового изолятора, установленного при помощи соединительной арматуры на опорном полом фарфоровом изоляторе, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью указанного фарфорового изолятора, конденсатор, испаритель в виде стакана с электронагревателем и опорный фланец, отличающийся тем, что соединительная арматура шунтирована проводником с высокой электрической проводимостью и содержит ребра на своей наружной поверхности, а испаритель установлен на наружной стороне опорного фланца, при этом диаметр стакана имеет размер меньший диаметра внутренней полости опорного изолятора, на внутренней стороне опорного фланца выполнены каналы, имеющие уклон в сторону стакана и сообщение с его внутренним объемом, отверстие нижнего фланца соединительной арматуры имеет форму усеченного конуса, больший диаметр которого обращен в сторону внутреннего объема указанной арматуры, а со стороны внутреннего объема опорного изолятора у кромки указанного отверстия выполнена кольцевая канавка. 2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что боковые фланцы соединительной арматуры имеют дополнительные отверстия, выполненные в нижней их части на уровне внутренней боковой поверхности фарфорового изолятора дугогасительного устройства.