ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01H33/88 

Изобретение относится к газовым, в частности элегазовым, электрическим выключателям с устройствами для гашения дуги, использующими энергию дуги для усиления потока дугогасящего газа и автоотбрасывания размыкаемых контактов.

Известен газонаполненный электрический выключатель: Выключатель с небольшой энергией переключения, Франция, заявка N 2610763, МПК H 01 H 33/95, опубликовано 12.08.88 г. Выключатель снабжен дугогасительным устройством, содержащим размытые контакты, один из которых выполнен подвижным и является частью подвижного контактного узла, торцевую перегородку и хотя бы один канал, один конец которого выходит к размыкаемым концам контактов, а другой - открыт к торцевой перегородке. Кроме того, выключатель содержит неподвижный контактный узел, соединенный с поршнем, расположенным в компрессионной полости, которую образует полуподвижный подпружиненный цилиндр, установленный вокруг неподвижного контактного узла. Поршень разделяет компрессионную полость на два объема. Объем, примыкающий к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам, сообщается с дутьевым соплом, установленным на неподвижном контактном узле. Указанные выше размыкаемые контакты являются дугогасительными. Выключатель содержит также пару главных контактов, установленных на большом радиусе на подвижном и неподвижном контактных узлах коаксиально дугогасительным контактам. Торцевая перегородка образована торцом цилиндра, расположенным со стороны размыкаемых контактов, причем указанный ранее канал выходит в объем компрессионной полости, примыкающий к торцевой перегородке. Торец цилиндра прижат усилием пружины к подвижному контактному узлу. При этом цилиндр и подвижный контактный узел взаимодействуют друг с другом через присоединенные к ним цилиндрические изоляционные элементы, расположенные вокруг главных контактов.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении его контакты замкнуты. При отключении подвижный контактный узел приводится в движение. Сначала размыкаются главные контакты, затем - дугогасительные. В момент размыкания дугогасительных контактов загорается электрическая дуга, которая через имеющийся канал сообщения поднимает давление газа, нагреваемого дугой, в объеме компрессионной полости, примыкающем к торцевой перегородке. Возросшее давление газа, воздействуя на торцевую перегородку, обеспечивает (совместно с пружиной) смещение цилиндра для сжатия газа в объеме, примыкающем к поршню со стороны, противоположной размыкаемым контактам. Цилиндр, перемещаясь, толкает подвижный контактный узел, с которым взаимодействует через цилиндрические изоляционные элементы, обеспечивая таким образом дальнейшее размыкание контактов. Сжатый в компрессионной полости газ истекает через дутьевое сопло на дугу и гасит ее, прерывая электрический ток, протекающий через контакты.

При включении выключателя подвижный контактный узел перемещается в обратном направлении. При этом он нажимает на цилиндр через цилиндрические изоляционные элементы и сдвигает его в первоначальное положение, преодолевая сопротивление газа в компрессионной полости и усиление пружины.

Выключатель имеет следующие недостатки. Его конструкция предполагает, что для успешного отключения тока электрическая дуга должна гаситься на длине хода полуподвижного цилиндра, сжимающего газ в компрессионной полости и выталкивающего его на дугу через дутьевое сопло. Поскольку цилиндр при своем перемещении взаимодействует с подвижным контактным узлом, то цилиндрические изоляционные элементы посредством которых осуществляется это взаимодействие, должны выдерживать бросок восстанавливающегося напряжения, возникающий между контактами в момент прерывания тока. Это приводит к необходимости увеличения линейных размеров изолированных элементов, а с ними и всего дугогасительного устройства в целом, т.к. напряжение электрического пробоя вдоль поверхности изолятора в несколько раз меньше напряжения пробоя через газовый промежуток. Напряжение пробоя вдоль поверхности взаимодействующих изоляционных элементов может дополнительно снижаться из-за покрытия поверхностей изоляторов продуктами эрозии конструкционных материалов дугогасительного устройства и в результате теплового воздействия дуги на материал самих изоляторов. Кроме того, увеличение линейных размеров цилиндрических изоляционных элементов предъявляет повышенные требования к их прочности, поскольку они испытывают переменные механические нагрузки, связанные с усилиями, которые возникают при перемещении взаимодействия друг с другом цилиндра и подвижного контактного узла в процессе включения-отключения. Перечисленные факторы снижают надежность работы выключателя.

Наиболее близким к заявленному является газонаполненый электрический выключатель: Высоковольтный силовой выключатель, патент США N 4486632, МПК H 01 H 33/88, опубликовано 04.12.84 г. Газонаполненный электрический выключатель снабжен дугогасительбным устройством, содержащим пару размыкаемых контактов, один из которых выполнен подвижным, соединен с торцевой перегородкой и является частью подвижного контактного узла, боковую стенку, расположенную вокруг подвижного контакта, насадку, хотя бы часть которой расположена за торцевой перегородкой со стороны размыкаемых контактов. Насадка образует в комбинации с торцевой перегородкой, боковой стенкой и подвижным контактом динамическую пару типа полость-поршень. Дугогасительное устройство содержит также хотя бы один канал, один конец которого выходит к размыкаемым концам контактов, а другой открыт к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов. Кроме того, выключатель содержит неподвижный контактный узел со вторым контактом указанной контактной пары, компрессионную полость, расположенную вокруг подвижного контакта, и камеру нагрева газа. Насадка выполнена из изоляционного материала, установлена неподвижно и образует торцевую стенку компрессионной полости. Компрессионная полость ограничена снаружи указанной боковой стенкой. Торцевая перегородка расположена в компрессионной полости и играет роль поршня. К торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов присоединена цилиндрическая стенка, окружающая подвижный контакт с кольцевым зазором, которым образован дутьевой канал, причем изоляционная насадка прилегает к наружной поверхности цилиндрической стенки. Камера нагрева газа расположена за торцевой стенкой компрессионной полости вокруг размыкаемых контактов. Насадка установлена относительно неподвижного концевого узла с торцевым зазором, выполненным в форме кольцевого сопла. Через этот зазор камера нагрева газа сообщается с областью размыкания контактов. В торцевой стенке компрессионной полости выполнены отверстия, соединяющие с ней камеру нагрева газа. Таким образом зазор между насадкой и неподвижным контактным узлом образует указанный выше канал, один конец которого выходит к размыкаемым концам контактов, а другой - открыт к торцевой перегородке. Дугогасительный контур в выключателе образуется, например, за счет того, что подвижный контакт выполнен трубчатым. Выключатель может содержать также устройство магнитного вращения дуги для повышения эффективности ее гашения.

Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении его контакты замкнуты. При отключении подвижной контакт приводится в движение, контакты размыкаются. При этом цилиндрическая стенка скользит вдоль насадки. Возникающая между контактами дуга обдувается направленным на нее продольным потоком газа, формируемым в результате сжатия газа торцевой перегородкой в компрессионной полости и его истечения через дутьевой канал. Одновременно с этим дуга нагревает газ в камере нагрева, его давление возрастает и начинается интенсивное истечение газа из камеры нагрева на дугу (автогенерация дугогасящего потока) и дальше - через внутреннюю полость подвижного 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 компрессорной полости на торцевую перегородку, осуществляя автоотбрасывание подвижного контакта.

Выключатель имеет следующие недостатки. Несмотря на то, что в конструкции выключателя электропрочность межконтактного промежутка несколько повышена по сравнению с аналогом за счет отсутствия механически взаимодействующих изоляционных элементов, устанавливаемых между контактными узлами, все же она остается еще относительно низкой, поскольку в процессе разведения контактов не происходит увеличения газового промежутка между насадкой и неподвижным контактным узлом. При этом насадка не может быть изначально установлена на большом расстоянии относительно неподвижного контактного узла, т.к. кольцевой зазор между ними служит в качестве сопла для истечения газа из камеры нагрева в область размыкания контактов. Увеличение этого расстояния привело бы к снижению эффективности гашения дуги. Другим недостатком выключателя является то, что газ из камеры нагрева засасывается на всей длине хода подвижного контакта в объем разрежения компрессионной полости, примыкающей к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов. Иными словами, объем камеры нагрева газа не остается постоянным и непрерывно возрастает за счет дополнительного присоединения к нему объема компрессионной полости, освобождаемого в процессе перемещения подвижного контактного узла. Это снижает давление газа в камере нагрева и уменьшает перепад давлений в дугогасительном устройстве, отрицательно сказываясь на эффективности гашения дуги.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения отключающей способности и надежности работы газонаполненных электрических выключателей, использующих энергию дуги для усиления потока дугогасящего газа и автоотбрасывания размыкаемых контактов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение, по сравнению с прототипом, эффективности гашения дуги и электропрочности межконтактного промежутка, достигаемой в процессе размыкания контактов.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным электрическим выключателем с дугогасительным устройством, содержащим пару размыкаемых контактов, один из которых выполнен подвижным, соединен с торцевой перегородкой и является частью подвижного контактного узла, боковую стенку, расположенную вокруг подвижного контакта, насадку, хотя бы часть которой расположена за торцевой перегородкой со стороны размыкаемых контактов, образующую в комбинации с торцевой перегородкой, боковой стенкой и подвижным контактом динамическую пару типа полость - поршень, хотя бы один канал, один конец которого выходит к размыкаемым концам контактов, а другой - открыт к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов, новым является то, что насадка выполнена ограниченно-подвижной, содержит указанный канал и установлена таким образом, что отделяет размыкаемые концы контактов от пространства, окружающего дугогасительное устройство, хотя бы на части длины хода подвижного контактного узла, который снабжен средством для ее захвата.

Поскольку в заявленном техническом решении насадка содержит указанный канал, то при размыкании контактов возникающая между ними дуга поднимает давление газа через этот канал сообщения в объеме, примыкающем к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов. При этом отделение насадкой размыкаемых контактов хотя бы на части длины хода подвижного контактного узла от пространства, окружающего дугогасительное устройство, предотвращает сброс в него газа из-под насадки на это части длины хода, что привело бы к уменьшению перепада давлений в дугогасительном устройстве и к снижению эффективности гашения дуги. Возрастающее давление газа стремится вытолкнуть насадку в направлении, противоположном направлению движения подвижного контакта. Поэтому ее подвижность в этом направлении должна быть ограничена. В процессе перемещения подвижного контакта и соединенной с ним торцевой перегородки относительно насадки начинает формироваться и заполняться газом объем камеры нагрева (следует заметить, что в данном выключателе до момента начала размыкания контактов камеры нагрева газа может, как таковой, вообще не существовать). Так как насадка выполнена подвижной, а подвижный контактный узел снабжен средством для ее захвата, то в процессе его перемещения насадка захватывается и в дальнейшем перемещается вместе с подвижным контактным узлом. Поэтому после захвата насадки объем камеры нагрева газа оказывается сформированным и перестает расти. Этим достигается повышение давлен я газа в камере нагрева по сравнению с прототипом, в котором объем камеры нагрева газа увеличивается на всей длине хода подвижного контактного узла. В результате возрастает перепад давлений газа в дугогасительном устройстве и, следовательно, повышается эффективность гашения дуги за счет процесса автогенерации дугогасящего потока. Одновременно с процессом формирования объема камеры нагрева газа происходит, как в прототипе, автообрасывание подвижного контакта возрастающим в камере нагрева давлением газа, которое воздействует на соединенную с ним торцевую перегородку. После захвата насадки на завершающей стадии размыкания контактов она, перемещаясь вместе с подвижным контактным узлом, сдвигается на расстояние, необходимое для образования газового промежутка между контактами выключателя. Таким образом электропрочность межконтактного промежутка, в отличии от прототипа, может регулироваться за счет выбора расстояния, на которое перемещается насадка. При этом, поскольку газовый промежуток обладает высокими электроизолирующими свойствами, а его длина при том же межконтактном расстоянии может быть увеличена по сравнению с прототипом, вероятность электрических пробоев между контактами существенно уменьшается. С другой стороны, при заданной электропрочности межконтактного промежутка для включателей на высокие классы напряжений захват и смещение насадки позволяет уменьшить продольный размер их дугогасительных устройств.

На чертеже приведен пример исполнения конструкции заявляемого газонаполненного электрического выключателя. Выключатель изображен: во включенном положении - слева от оси симметрии, в отключенном - справа.

Выключатель снабжен дугогасительным устройство, содержащим пару размыкаемых контактов 1 и 2, один из которых 2 выполнен подвижным, соединен с торцовой перегородкой 3 и является частью подвижного контактного узла, боковую стенку 4, расположенную вокруг подвижного контакта, насадку 5, хотя бы часть которой расположена за торцевой перегородкой 3 со стороны размыкаемых контактов. Насадка образует в комбинации с торцевой перегородкой 3, боковой стенкой 4 и подвижным контактом 2 динамическую пару типа полость - поршень. Дугогасительное устройство содержит также каналы 6, один конец которых выходит к размыкаемым концам контактов, а другой - открыт к торцевой перегородке 3 со стороны размыкаемых контактов. Насадка 5 выполнена ограниченно-подвижной и содержит указанные каналы, а подвижный контактный узел снабжен средством для ее захвата.

Следует заметить, что средство для захвата насадки, которое должно обеспечивать ее захват при перемещении подвижного контактного узла, конструктивно может быть выполнено различным образом. В представленном на фигуре примере в качестве средства для захвата насадки служит торцевая перегородка 3, которая при перемещении подвижного контактного узла взаимодействует с кольцевым буртиком 7 на насадке 5. Количество и исполнение каналов также может быть различным. В представленном примере каналы 6 выполнены в форме отверстий в насадке, которые входят в кольцевую проточку 8, открытую к торцевой перегородке. Сама насадка состоит из двух частей: металлического хвостовика 9 и наконечника 10, расположенного за торцевой перегородкой со стороны размыкаемых контактов. Наконечник выполнен из дугостойкого изоляционного материала, охватывает размыкаемые концы контактов 1 и 2, образуя с ними скользящую газонепроницаемую посадку, и упирается в основание неподвижного контактного узла 11, на котором смонтирован контакт 1.

Кроме того, выключатель содержит компрессионную полость 12, примыкающую к торцевой перегородке 3 со стороны, противоположной размыкаемым контактам, неподвижный поршень 13, расположенный в компрессионной полости, и пару главных контактов 14 и 15. Контакты 1 и 2 являются дугогасительными. Боковая стенка 4 дугогасительного устройства служит, одновременно, внешней стенкой компрессорной полости и соединена с торцевой перегородкой 3 и с подвижным контактом 2, причем с последним соединение выполнено с помощью соединительных элементов 16. Она имеет цилиндрическую форму и заканчивается главным контактом 15. Между насадкой и боковой стенкой имеет кольцевой зазор 17, а боковая стенка снабжена кольцевым запорным буртиком 18, который выполнен по размеру этого зазора. Использование кольцевого зазорного буртика в сочетании с тем, что насадка охватывает размыкаемые концы дугогасительных контактов, позволяет отделить их телом насадки от пространства, окружающего дугогасительное устройство, на части длины хода подвижного контактного узла.

Насадка установлена таким образом, что проходит через торцевую перегородку 3 в компрессорную полость 12, и расположена относительно неподвижного контакта 2 с кольцевым зазором, который образует дутьевой канал 19. Конец хвостовика 9 насадки расположен в кольцевом зазоре между подвижным контактом 2 и поршнем 13 и прилегает к последнему. В хвостовике установлена пружина 20, которая упруго взаимодействует с насадкой и, через соединительные элементы 16, с подвижным контактом. В стенке дутьевой насадки имеются отверстия 21, соединяющие компрессионную полость 12 с дутьевым каналом 19, который отделен от указанного кольцевого зазора перегородкой 22.

Поршень выключателя снабжен обратными клапанами 23, открывающимися в компрессионную полость. Для обеспечения дугогасительного контура подвижный контакт 2 выключателя выполнен полым. Скользящий контакт 24 служит для передачи тока, протекающего через главные контакты выключателя, на соединенную с поршнем неподвижную цилиндрическую шину 25, в которой выполнены пазы 26 для перемещения соединительных элементов 16. Выключатель заключен в герметичный корпус 27, заполненный газом, например, элегазом (SF₆).

Работает выключатель следующим образом. Во включенном положении его контакты замкнуты. При отключении подвижный контактный узел приводится в движение. Сначала размыкаются главные контакты 14 и 15, затем - дугогсительные 1 и 2. К моменту размыкания дугогасительных контактов кольцевой запорный буртик 18 заходит в кольцевой зазор 17 между насадкой и боковой стенкой, тем самым перекрывая канал сообщения, соединяющий объем, примыкающий к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов, с пространством, окружающим дугогасительное устройство. Между дугогасительными контактами 1 и 2 при их размыкании загорается электрическая дуга, которая разогревает газ и через каналы 6, выполненные в изоляционном наконечнике насадки, поднимает его давление в указанном объеме, который, таким образом, играет роль камеры нагрева газа. Объем камеры нагрева газа продолжает формироваться, увеличиваясь в размере, в процессе перемещения подвижного контакта 2 и соединенной с ним торцевой перегородки 3 относительно насадки 5, которая остается неподвижной, поскольку прижимается усилием пружины 20 и нарастающим в камере нагрева давлением газа к неподвижному контактному узлу 11. Одновременно с этим происходит предварительное сжатие газа в компрессионной полости 12 надвигающейся на неподвижный поршень 13 торцевой перегородкой 3. При этом торцевая перегородка скользит вдоль поверхности хвостовика насадки. Прилегание конца хвостовика 9 насадки к поршню 13 препятствует сбросу газа из компрессионной полости 12 через зазор между хвостовиком и поршнем. Для этой же цели служит и перегородка 22 на хвостовике насадки. После того как подвижный контакт 2 переместится на расстояние, необходимое для открытия дутьевого канала 19, начинается интенсивное истечение предварительно сжатого в компрессионной полости газа через отверстия 21 в хвостовике насадки и через дутьевой канал на дугу. Одновременно в нуле тока дуга продувается потоком газа истекающим на нее из камеры нагрева через каналы 6.

После открытия дутьевого канала насадка 5 захватывается торцевой перегородкой 3, наезжающей на кольцевой буртик 7, и в дальнейшем перемещается совместно с подвижным контактным узлом. При этом объем камеры нагрева газа оказывается сформированным и после захвата насадки при дальнейшем перемещении подвижного контактного узла остается неизменным, чем достигается повышение гашения дуги по сравнению с прототипом за счет дополнительного возрастания давления газа в камере нагрева и, следовательно, усиления интенсивности газового потока, направленного на дугу. Количество это можно оценить, воспользовавшись выражением для скорости изменения давления газа P в камере нагрева, что газ идеален и имеет постоянную теплоемкость

где
γ - - показатель адиабаты используемого газа;
V, P₀, V₀ - переменный объем, начальное давление и объем камеры нагрева;
W - энергия, выделенная дугой;
R - газовая постоянная;
T - температура газа;
μ - - грамм-молекула газа;
m - массовый расход газа через внутреннюю полость подвижного контакта.

Из приведенного выражения видно, что приращение давления газа в камере нагрева за счет выделения в ней тепловой энергии дуги ограничивается из-за сброса газа через внутреннюю полость подвижного контакта, а также вследствие увеличения объема камеры в процессе перемещения подвижного контактного узла. Поскольку производная dV/dt обращается в нуль после захвата насадки 5, то влияние последнего фактора в заявляемом техническом решении снижается, чем достигается указанное повышение эффективности гашения дуги.

Так как насадка установлена таким образом, что ее изоляционный наконечник 10 газонепроницаемо охватывает размыкаемые концы дугогасительных контактов 1 и 2, а кольцевой буртик 18 к моменту размыкания дугогсительных контактов перекрывает кольцевой зазор 17 между насадкой и боковой стенкой 4, то это предотвращает сброс газа из области размыкания дугогасительных контактов в пространство, окружающее дугогасительное устройство, до момента, пока изоляционный наконечник 10 насадки не сойдет с дугогасительного контакта 1 при перемещении насадки после ее захвата подвижным контактным узлом (указанный сброс газа мог бы привести к снижению эффективности гашения дуги по сравнению с прототипом из-за его потери из дугогасительного контура, не связанной с процессом дугогашения, и из-за уменьшения перепада давлений в дугогасительном устройстве). Таким образом до момента сползания изоляционного наконечника насадки с контакта 1 дутье осуществляется только через внутреннюю полость контакта 2. В результате воздействия на дугу потоков газа, формируемых за счет его истечения в нуле тока из камеры нагрева и за счет автокомпрессионного сжатия газа, она разрушается и гаснет. При этом выполнение наконечника 10 насадки из дугостойкого изоляционного материала и разведение его и дугогасительного контакта 1 на конечной стадии размыкания контактов обеспечивают электропрочность межконтактного промежутка.

Следует заметить также, что, аналогично прототипу, в процессе отключения выключателя имеет место автоотбрасывание подвижного контакта 2, которое возникает в результате воздействия на торцевую перегородку 3 возрастающего в камере нагрева давления газа. Автоотбрасывание происходит до момента захвата насадки подвижным контактным узлом.

Таким образом, приведенная конструкция выключателя позволяет повысить, по сравнению с прототипом, эффективность гашения дуги и электропрочность межконтактного промежутка, сохраняя при этом облегченный режим работы привода за счет автоотбрасывания подвижного контакта.

При включении выключателя подвижный контактный узел перемещается в обратном направлении. После того как изолированный наконечник насадки упрется в неподвижный контактный узел 11, где из объема, примыкающего к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов (т.е. из камера нагрева газа), выталкивается через каналы 6 наружу, а после их перекрытия подвижным контактом - через открывающийся кольцевой зазор 17 между насадкой и боковой стенкой дугогасительного устройства. Одновременно компрессионная полость 12 заполняется дугогасительным газом через обратные клапаны 23, подготавливая выключатель к последующему отключению.

Выключатель относится к элегазовым выключателям с автодутьем и снабжен дугогасительным устройством, которое содержит пару размыкаемых контактов, подвижный из которых соединен с торцевой перегородкой и является частью подвижного контактного узла, и насадку, которая образует в комбинации с торцевой перегородкой, боковой стенкой, расположенной вокруг подвижного контакта, и подвижным контактом динамическую пару типа полость-поршень. Технический результат - повышение эффективности гашения дуги и электропрочности межконтактного промежутка. 1 ил.

Газонаполненный электрический выключатель с дугогасительным устройством, содержащим пару размыкаемых контактов, один из которых выполнен подвижным, соединен с торцевой перегородкой и является частью подвижного контактного узла, боковую стенку, расположенную вокруг подвижного контакта, насадку, хотя бы часть которой расположена за торцевой перегородкой со стороны размыкаемых контактов, образующую в комбинации с торцевой перегородкой, боковой стенкой и подвижным контактом динамичеcкую пару типа полость-поршень, хотя бы один канал, один конец которого выходит к размыкаемым концам контактов, а другой открыт к торцевой перегородке со стороны размыкаемых контактов, отличающийся тем, что насадка выполнена ограниченно-подвижной, содержит указанный канал и установлена таким образом, что отделяет размыкаемые концы контактов от пространства, окружающего дугогасительное устройство, хотя бы на части длины хода подвижного контактного узла, который снабжен средством для ее захвата.