ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГАЗОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С АВТОГЕНЕРАЦИЕЙ ДУГОГАСЯЩЕГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01H33/88 

Изобретение относится к газовым, в частности элегазовым, высоковольтным выключателям, в которых поток газа, обеспечивающий гашение дуги, создается одновременно за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия газа поршневым устройством в процессе отключения.

Известен высоковольтный газовый выключатель с автогенерацией дугогасящего потока: High voltage gas-blast circuit breaker, патент США N 4577074, кл. H 01 H 33/88, опубликовано 18.03.86. Выключатель содержит камеру нагрева газа, компрессионную полость, трубчатый контакт, являющийся частью подвижного контактного узла выключателя, поршень, расположенный в компрессионной полости, ограниченно-подвижную насадку, конец которой выполнен из изоляционного материала и насажен на трубчатый контакт. При этом подвижный контактный узел снабжен средством для захвата насадки. Кроме того, подвижный контактный узел выключателя содержит соединенный с трубчатым контактом цилиндр, объем которого, ограниченный внутренней коаксиально установленной цилиндрической стенкой образует компрессионную полость, в которой расположен поршень, выполненный неподвижным. Указанная цилиндрическая стенка охватывает трубчатый контакт на части его длины и соединяет его с цилиндром, причем в кольцевом зазоре между трубчатым контактом и цилиндрической стенкой установлена указанная ограниченно-подвижная насадка, которая выполнена трубчатой и подпружинена. Во внутренней цилиндрической стенке компрессионной полости и в стенке трубчатой насадки выполнены отверстия. Кольцевой зазор между трубчатой насадкой и трубчатым контактом образует дутьевой канал. Выключатель имеет также главные подвижный и неподвижный контакты и дугогасительный неподвижный контакт, охватывающий неподвижный дугогасительный электрод, который выступает за торец неподвижного дугогасительного контакта, причем главный неподвижный контакт концентрично окружает неподвижный дугогасительный контакт, а главный подвижный контакт расположен на торце цилиндра подвижного контактного узла. Между неподвижными главным и дугогасительным контактами установлена цилиндрическая стенка, снабженная со стороны размыкаемых контактов изоляционным наконечником, в который упирается изоляционный конец ограниченно-подвижной подпружиненной насадки. Объем, заключенный между этой цилиндрической стенкой и неподвижным дугогасительным контактом, образует камеру нагрева газа.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении выключателя его контакты замкнуты. При отключении подвижный контактный узел приводится в движение. Сначала размыкаются главные контакты. После размыкания главных контактов трубчатый контакт продолжает перемещаться в неподвижном дугогасительном контакте и одновременно скользит вдоль неподвижного дугогасительного электрода. В момент, когда трубчатый контакт сходит с неподвижного дугогасительного электрода, между ними загорается электрическая дуга, которая разогревает газ в камере нагрева. Давление газа в камере нагрева повышается, что создает условия для его истечения через изоляционный наконечник на дугу. Одновременно с этим происходит предварительное сжатие газа в компрессионной полости надвигающимся на неподвижный поршень цилиндром. После того, как трубчатый контакт сойдет при своем перемещении с изоляционного конца подпружиненной трубчатой насадки, открывается дутьевой канал и начинается интенсивное истечение предварительно сжатого в компрессионной полости газа на дугу. При этом насадка захватывается и в дальнейшем перемещается совместно с подвижным контактным узлом выключателя. В результате воздействия на дугу потоков газа, формируемых за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия, она разрушается и гаснет.

Выключатель имеет следующие недостатки.

Во-первых, относительная сложность конструкции устройства автокомпрессионного дутья, а также относительно большой поперечный размер из-за использования в конструкции выключателя ряда нанизанных друг на друга коаксиально расположенных цилиндрических элементов: трубчатого контакта, трубчатой насадки, внутренней цилиндрической стенки компрессионной полости. Кроме того, подвижный контактный узел выключателя выполнен относительно массивным, поскольку несет на себе подвижный цилиндр компрессионной полости.

Во-вторых, не используется энергия, выделяемая дугой отключения, для автоотбрасывания подвижного контактного узла в процессе отключения, чем облегчались бы условия работы привода.

В-третьих, отсутствие авторегулирования открытия дутьевого канала в зависимости от соотношения давления газа в компрессионной полости и в области горения дуги, так как момент открытия дутьевого канала жестко задан расстоянием, на которое для этого необходимо переместить подвижный контактный узел. Поэтому при отключении токов короткого замыкания возможны режимы, в которых дутьевой канал будет открываться в момент, когда давление газа в компрессионной полости не превышает или недостаточно превышает давление газа в области горения дуги для обеспечения эффективного дутья. В результате эффективность гашения дуги будет снижена, а движение подвижного контактного узла выключателя может затормозится из-за дополнительного термического возрастания давления газа в компрессионной полости, которая сообщается с областью горения дуги через открывшийся дутьевой канал.

Первые два недостатка устраняются в другом известном высоковольтном газовом выключателе с автогенерацией дугогасящего потока, который является наиболее близким к заявляемому: High voltage power switch, патент США N 4486632, кл. H 01 H 33/88, 04.12.84. Высоковольтный газовый выключатель с автогенерацией дугогасящего потока содержит камеру нагрева газа, компрессионную полость и подвижный контактный узел, включающий трубчатый контакт, соединенный с поршнем, который расположен в компрессионной полости, и дутьевой ствол, который расположен вокруг трубчатого контакта, присоединен к поршню со стороны размыкаемых контактов и имеет сквозной канал, конец которого выходит в компрессионную полость. Выключатель содержит также насадку на дутьевом стволе по крайней мере часть которой выполнена из изоляционного материала. Насадка выступает в камеру нагрева газа. Кроме того, выключатель содержит неподвижный контакт. Насадка выполнена неподвижной и установлена на торцевой стенке компрессионной полости. В указанной торцевой стенке выполнены отверстия, соединяющие камеру нагрева газа объемом, примыкающим к поршню со стороны размыкаемых контактов. Дутьевой ствол выполнен в виде кольцевой стенки, установленной относительно трубчатого контакта с зазором, которым образован указанный сквозной канал, соединяющий компрессионную полость с областью размыкания контактов. Выключатель может содержать также устройство магнитного вращения дуги.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении его контакты замкнуты. При отключении подвижный контактный узел приводится в движение, контакты размыкаются. При этом дутьевой ствол скользит вдоль насадки. Возникающая между контактами дуга обдувается направленным на нее продольным потоком газа, формируемым в результате сжатия газа под поршнем в компрессионной полости и его истечения через канал в дутьевом стволе. Одновременно с этим дуга нагревает газ в камере нагрева, его давление возрастает и начинается интенсивное истечение газа из камеры нагрева на дугу и дальше через внутреннюю полость трубчатого контакта. Оба потока смешиваются в области горения дуги, что способствует интенсивному разрушению, охлаждению и гашению дуги. В процессе отключения возрастающее давление газа из камеры нагрева передается через отверстия в торцевой стенке компрессионной полости на поршень, облегчая тем самым условия работы привода. В случае использования устройства магнитного вращения дуги, дуга дополнительно охлаждается за счет быстрого перемещения в дугогасящей среде, что способствует повышению отключающей способности выключателя.

Вследствие того, что канал дутьевого ствола соединяет сжимаемый объем под поршнем с областью размыкания контактов, выключатель имеет следующие недостатки:
отсутствие предварительного сжатия газа в компрессионной полости перед началом его истечения через канал, что снижает интенсивность выдувания дуги;
расход газа из компрессионной полости на дутье на начальной стадии размыкания контактов, когда они еще разведены на достаточное для эффективного дугогашения расстояние, а интенсивность дутья за счет автогенерации невысока из-за низкого давления газа в камере нагрева, вследствие чего гашение дуги на этой стадии в целом малоэффективно.

Кроме того, поскольку насадка на дутьевом стволе выполнена неподвижной, то при отклонении выключателя длина дутьевого канала непрерывно возрастает на всей длине хода подвижного контактного узла. Это приводит к возрастанию газодинамического сопротивления движению потока газа в дутьевом канале и тем самым к снижению эффективности гашения дуги.

Предлагамое изобретение решает задачу повышения отключающей способности высоковольтных газовых выключателей с автогенерацией дугогасящего потока, в которых используется дополнительное дутье, формируемое за счет автокомпрессионного сжатия газа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение, по сравнению с прототипом, эффективности гашения дуги.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным высоковольтным газовым выключателем с автогенерацией дугогасящего потока, содержащим камеру нагрева газа, компрессионную полость и подвижный контакт узел, включающий трубчатый контакт, соединенный с поршнем, который расположен в компрессионной полости, дутьевой ствол, который расположен вокруг трубчатого контакта, присоединен к поршню со стороны размыкаемых контактов и имеет хотя бы один сквозной канал, конец которого выходит в компрессионную полость, а также насадку на дутьевом стволе по крайней мере часть которой выполнена из изоляционного материала, выступающую в камеру нагрева газа, новым является то, что насадка вставлена в компрессионную полость и выполнена органиченно-подвижной, причем ее изоляционная часть насажена на трубчатый контакт за дутьевым стволом, а подвижный контактный узел дополнительно снабжен средством для захвата насадки.

Насаживание изоляционной части насадки на трубчатый контакт за дутьевым стволом позволяет изолировать компрессионную полость от области размыкания контактов на части длины хода подвижного контактного узла, так как трубчатый контакт перекрывает дутьевой канал и для его открытия необходимо переместить трубчатый контакт вдоль поверхности насадки. А то, что подвижный контактный узел снабжен средством для захвата насадки, а сама насадка выполнена подвижной, позволяет после открытия дутьевого канала захватить изоляционную насадку с тем, чтобы она в дальнейшем перемещалась совместно с подвижным контактным узлом и ширина дутьевого зазора, определяемая взаимным расположением торца трубчатого контакта и насадки, не увеличивалась, поскольку чрезмерное увеличение дутьевого зазора привело бы к уменьшению плотности газового потока и к снижению эффективности гашения дуги. Ограничение же подвижной насадки необходимо, чтобы зафиксировать ее крайнее положение, которым определяется минимальное расстояние, на которое должен быть перемещен подвижный контактный узел для открытия дутьевого канала. Таким образом, на начальной стадии размыкания контактов до момента открытия канала газ из компрессионной полости не расходуется на дутье. В это время происходит предварительное сжатие газа, способствующее его последующему интенсивному истечению на дугу. Задержка открытия канала позволяет к моменту его открытия сформироваться интенсивному потоку газа за счет процесса автогенерации. В результате после открывания канала создаются условия для более интенсивного по сравнению с прототипом взаимодействия потоков, формируемых за счет автокомпрессионного сжатия и автогенерации между собой и с дугой, что приводит к большей турбулизации среды в межконтактном промежутке и повышает эффективность гашения дуги.

В заявляемом выключателе насадка вставлена в компрессионную полость, чтобы уменьшить максимальную длину дутьевого канала. Поскольку насадка выполнена подвижной, то после захвата ее подвижным контактным узлом она будет перемещаться вместе с ним внутри компрессионной полости. При этом после захвата длина дутьевого канала при дальнейшем движении подвижного контактного узла, в отличие от прототипа, возрастать не может. Уменьшение длины дутьевого канала позволяет снизить газодинамическое сопротивление движению потока газа в канале и тем самым повысить интенсивность дутья, а следовательно, и эффективность дутья, а следовательно, и эффективность гашения дуги.

Кроме того, использование подвижности насадки в заявляемом выключателе в сочетании с ее расположением в камере нагрева газа позволяет осуществлять авторегулирование открытия дутьевого канала так, чтобы в момент его открытия давление газа в компрессионной полости превышало давление газа в области горения дуги (в камере нагрева) на величину, необходимую для обеспечения эффективного продува дуги. Это достигается тем, что на насадку воздействуют два противоположно направленных усилия:
нарастающее давление газа в компрессионной полости, которое передается на насадку через канал (или каналы, если их несколько) в дутьевом стволе и стремится переместить ее в направлении, противоположном направлению движения подвижного контактного узла;
давление газа в камере нагрева, которое повышается в результате выделения тепловой энергии дуги и стремится переместить насадку в противоположном направлении.

В зависимости от соотношения этих давлений насадка будет смещена в том или ином направлении. Соответственно этому произойдет изменение момента открытия дутьевого канала. При этом возможны режимы, в которых в процессе отключения тока открытие-закрытие дутьевого канала произойдет неоднократно. Тогда поток газа, направляемый на дугу, будет иметь прерывистый характер.

Указанные явления дополнительно повышают эффективность гашения дуги за счет повышения интенсивности продува дуги и большей турбулизации газового потока в межконтактном промежутке (см. Кукеков Г.А. Цыдыпев Д.Н. Влияние турбулизации газового потока в межконтактном промежутке на отключающую способность дугогасительного устройства. в сб. Динамика электрической дуги. Улан-Удэ, 1988).

На чертеже приведен пример исполнении конструкции заявляемого высоковольтного газового выключателя с автогенерацией дугогасящего потока. Выключатель изображен: во включенном положении слева от оси симметрии, в отключенном справа.

Выключатель содержит камеру нагрева газа 1, компрессионную полость 2 и подвижный контактный узел, включающий: трубчатый контакт 3, соединенный с поршнем 4, который расположен в компрессионной полости; дутьевой ствол 5, который расположен вокруг трубчатого контакта, присоединен к поршню со стороны размыкаемых контактов и имеет хотя бы один сквозной канал 6, конец которого выходит в компрессионную полость; насадку 7 на дутьевом стволе, выполненную из дугостойкого изоляционного материала и выступающую в камере нагрева газа. Насадка вставлена в компрессионную полость, выполнена ограниченно-подвижной и насажена на трубчатый контакт за дутьевым стволом. Следует отметить, что насадка не обязательно должна быть выполнена целиком из изоляционного материала, но по крайней мере та ее часть, которая насажена на трубчатый контакт и выступает в камеру нагрева должна быть изоляционной для предотвращения перебрасывания на нее электрической дуги в процессе отключения. Подвижный контактный узел выключателя снабжен средством для захвата насадки.

Конкретное исполнение средства для захвата насадки, а также конструкция и количество каналов 6 могут быть различными. В конструкции выключателя, представленной фигуре, средство для захвата насадки выполнено в виде кольцевого выступа 8 на дутьевом стволе 5.

Кроме того, выключатель содержит неподвижный контакт 9 и камеру низкого давления 10, примыкающую к перегородке 11. Выключатель заключен в герметичный изоляционный корпус 12, заполненный дугогасительным газом, например, элегазом (SF₆). Внутренняя полость трубчатого контакта соединена с камерой низкого давления 10 отверстиями 13, выполненными в стенке трубчатого контакта. Токовыводящие выводы 14 и 15 соединены с фланцем 16 и перегородкой 11 соответственно. Для обеспечения цепи тока перегородка 11 снабжена скользящим контактом 17. В боковой стенке 18 копрессионной полости под поршнем 4 и в стенке трубчатого контакта возле перегородки 11 могут быть выполнены отверстия 19 и 20 соответственно, а в той части перегородки 11, которая служит торцевой стенкой компрессионной полости, могут быть установлены обратные клапаны 21, открывающие в компрессионную полость. На торце боковой стенки 18 имеется ограничительный выступ 22, служащий для ограничения перемещения насадки в направлении к неподвижному контакту 9. Для ограничения перемещения насадки в обратном направлении служит кольцевой буртик 23.

Выключатель может содержать также устройство магнитного вращения дуги, выполненное, например, в виде катушки 24, один конец которой соединен с фланцем 16, а другой с кольцевым дугогасительным электродом 25, расположеным за торцом контакта 9. На фланце 16 может быть закреплен стержень 26 из дугостойкого изоляционного материала, конец которого заходит в полость трубчатого контактна. Посадка трубчатого контакта на стержень 26 скользящая.

Кроме того, для повышения эффективности гашения дуги выключатель может содержать изоляционный козырек 27, с помощью которого формируется дополнительное сопло 28 камеры нагрева газа.

Работает выключатель следующим образом. При его отключении подвижный контактный узел проводится в движение. Контакты 3 и 9 размыкаются. Между ними зажигается электрическая дуга, которая затем перебрасывается на кольцевой дугогасительный электрод 25, включая катушку 24 в электрическую цепь. Электрический ток, протекая по катушке, создает в области горения дуги поперечное магнитное поле, которое, взаимодействуя с дугой, приводит ее во вращение. Быстрое вращение дуги в дугогасящем газе обеспечивает ее охлаждение, равномерный разогрев газа в камере нагрева 1 и уменьшает износ контакта 3 и электрода 25 из-за эрозии поверхностей.

В момент, когда трубчатый контакт 3 сходит с изоляционного стержня 26, открывается отверстие в полость трубчатого контакта, выполненное в форме сопла. К этому моменту давление газа в камере нагрева 1 значительно возрастает за счет выделения в ней тепловой энергии дуги. Приращение давления ΔP можно оценить, воспользовавшись выражением:

где γ показатель адиабаты используемого газа;
W энергия, выделенная дугой;
V объем камеры нагрева газа.

Поэтому после открытия сопла трубчатого контакта начинается интенсивное истечение газа из камеры нагрева через сопло 28 (если установлен козырек 27) на дугу и далее через полость трубчатого контакта в камеру низкого давления 10, выдувающее дугу.

Одновременно с этим при перемещении подвижного контактного узла происходит процесс предварительного сжатия газа под поршнем 4 в компрессионной полости. После того, как трубчатый контакт сойдет при своем перемещении с изоляционной части насадки, образуется кольцевой зазор, через который начинается истечение предварительно сжатого в компрессионной полости газа на дугу (т. е. открывается дутьевой канал). При этом насадка захватывается кольцевым выступом 8 на дутьевом стволе 5, и в дальнейшем перемещается совместно с подвижным контактным узлом выключателя.

Давление P₂ газа под поршнем к моменту открытия дутьевого канала можно оценить с помощью выражения:

где P₁, V₁ начальное давление и объем газа под поршнем соответственно;
V₂ объем газа под поршнем к моменту открытия дутьевого канала.

Для обеспечения совместного воздействия потоков, формируемых за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия, на дугу длина изоляционного стержня 26 выбирается такой, чтобы сопло трубчатого контакта открывалось одновременно или несколько раньше открытия дутьевого канала автокомпрессионного устройства.

Условием истечения газа через дутьевой канал на дугу с момента его открытия является выполнение неравенства:
P₂>P^'
где P¹ давление газа в межконтактном пространстве на выходе дутьевого канала.

Приведенная конструкция выключателя позволяет осуществлять авторегулирование момента открытия дутьевого канала с тем, чтобы выполнялось последнее условие. Это обеспечивается тем, что в данной конструкции выключателя на насадку воздействуют два противоположно направленных усилия: с одной стороны, нарастающее давление газа в компрессионной полости, которое передается на насадку через канал (или каналы, если их несколько) в дутьевом стволе и стремится переместить ее в крайнее положение (определяемое расположением кольцевого выступа 22) в направлении к неподвижному контакту 9; с другой стороны, на насадку воздействует давление газа в камере нагрева, которое повышается в результате выделения тепловой энергии дуги и стремится переместить ее в обратном направлении. Если окажется, что последнее усилие выше (т.е. давление газа в компрессионной полости недостаточно велико), насадка будет смещена в обратном направлении. При этом открытие канала автокомпрессионного дутья произойдет при перемещении подвижного контактного узла на относительно большее расстояние и, следовательно, давление газа в компрессионной полости дополнительно возрастет. Соответствующим выбором геометрических и конструктивных параметров насадки и сопряженных с ней элементов всегда можно добиться, чтобы в момент открытия дутьевого канала выполнялось условие P₂ больше P^'. При необходимости насадка может быть дополнительно подпружинена.

Поскольку в процессе авторегулирования давление газа в компрессионной полости после открытия дутьевого канала может упасть до величины меньшей относительной величины давления газа в камере нагрева, то при отключении токов могут иметь место повторные циклы открывания закрывания дутьевого канала. При этом поток газа на дугу будет носить прерывистый характер.

Кольцевой буртик 23 на насадке служит для ограничения ее перемещения в направлении движения подвижного контактного узла при отключении выключателя с тем, чтобы в любом случае обеспечить открытие дутьевого канала автокомпрессионного устройства в конце хода подвижного контактного узла. При этом должно выполняться условие:
δ + L - A - B > 0,
где δ ширина кольцевого зазора между торцом трубчатого контакта и краем изоляционной части насадки на выходе дутьевого канала автокомпрессионного устройства;
L полная длина хода подвижного контактного узла;
A длина хода подвижной насадки 7, определяемая расстоянием от кольцевого буртика 23 насадки до ограничительного выступа 22 на торце боковой стенки 18;
B расстояние, на которое необходимо переместить подвижный контактный узел для захвата насадки 7 в процессе отключения в предположении, что насадка остается неподвижной.

Аналогично прототипу в данной конструкции выключателя возрастающее давление газа из камеры нагрева передается в процессе отключения тока через отверстия 19 на поршень, обеспечивая отбрасывание подвижного контактного узла и тем самым облегчая условия работы привода. Передача давления газа из камеры нагрева на поршень может обеспечиваться конструктивно иначе. Например, с помощью отверстий или пазов в насадке 7.

В результате в процессе отключения в области горения дуги происходит более интенсивное по сравнению с прототипом взаимодействие направленных друг на друга потоков, сформированных за счет автогенерации и автокомпрессионного сжатия газа. Это приводит к большей турбулизации среды в межконтактном промежутке, что способствует более интенсивному разрушению дуги, увеличению поверхности теплоотдачи и ее распаду. Таким образом эффективность гашения дуги в данном выключателе повышается по сравнению с прототипом и, следовательно, повышается его отключающая способность.

При включении выключателя подвижный контактный узел перемещается в обратном направлении. При этом компрессионная полость заполняется дугогасительным газом через обратные клапаны 21, а в конце хода подвижного контактного узла еще и через открывающиеся в компрессионную полость отверстия 19 и 20.

Сущность изобретения: высоковольтный газовый выключатель с автогенерацией дугогасящего потока, содержит камеру нагрева газа, компрессионную полость и подвижный контактный узел, дутьевой ствол, расположенный вокруг трубчатого контакта, присоединенный к поршню со стороны размыкаемых контактов и имеющий хотя бы сквозной канал, конец которого выходит в компрессионную полость, а также насадку на дутьевом стволе. По крайней мере часть насадки выполнена из изоляционного материала. Насадка выступает в камеру нагрева газа, вставлена в компрессионную полость и выполнена ограниченно-подвижной, причем ее изоляционная часть насажена на трубчатый контакт за дутьевым стволом, а подвижный контактный узел дополнительно снабжен средством для захвата насадки. 1 ил.

Высоковольтный газовый выключатель с автогенерацией дугогасящего потока, содержащий камеру нагрева газа, компрессионную полость и подвижный контактный узел, включающий трубчатый контакт, соединенный с поршнем, который расположен в компрессионной полости, дутьевой ствол, который расположен вокруг трубчатого контакта, присоединен к поршню со стороны размыкаемых контактов и имеет хотя бы один сквозной канал, конец которого выходит в компрессионную полость, а также насадку на дутьевом стволе, по крайней мере часть которой выполнена из изоляционного материала, выступающего в камеру нагрева газа, отличающийся тем, что насадка вставлена в компрессионную полость и выполнена ограниченно-подвижной, причем ее изоляционная часть насажена на трубчатый контакт за дутьевым стволом, а подвижный контактный узел дополнительно снабжен средством для захвата насадки.