ДУГОГАСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГАЗОНАПОЛНЕННОГО АВТОКОМПРЕССИОННОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК H01H33/91 

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к дугогасительным устройствам (ДУ) высоковольтных газонаполненных выключателей промышленных электросетей.

Известны ДУ [1] газонаполненных (элегазовых) высоковольтных выключателей, содержащие неподвижные и подвижные главный и дугогасительный контакты и поршневое устройство для формирования потока элегаза.

Для отключения тока привод отодвигает подвижную группу элементов, включающую подвижный электрод, диэлектрическое сопло и цилиндр от неподвижного дугогасительного электрода (неподвижного относительно корпуса). При появлении межэлектродного промежутка в нем возникает дуга, по которой проходит отключаемый ток. Одновременно при движении подвижной группы компрессионный объем между цилиндром подвижного электрода и неподвижным поршнем сжимается.

Элегаз вытекает высокоскоростным потоком из сжимаемой полости через сопло в межэлектродный промежуток. Интенсивный обдув дуги обеспечивает уменьшение температуры плазмы дуги и восстановление электрической прочности промежутка.

Элегаз (SF6) обладает высокой электропрочностью, высокой теплоемкостью, что обеспечивает эффективное гашение дуги и отключение тока при относительно небольших габаритах выключателя.

Недостаток такой конструкции ДУ связан с явлением закупорки сопла (А.А. Чунихин. Электрические аппараты, Москва, Энергоатомиздат. 1986 г., стр. 169), суть которого заключается в том, что при больших величинах отключаемого тока в электрической дуге выделяется большое количество тепловой энергии, что повышает давление газа в межэлектродном промежутке и в сообщающейся с ним полости сжатия до критической величины, когда усилие привода оказывается не достаточным на дальнейшее сжатие газа. Большое давление газа замедляет движение подвижной группы, включающей сопло и подвижный электрод. В результате промежуток между дугогасительными электродами оказывается недоразведенным, и планируемая электропрочность промежутка не обеспечивается в заданный временной интервал. Из-за этого явления величина тока, которую может надежно отключать выключатель уменьшается.

Автором известны ДУ выключателя [2], в которых неподвижный поршень снабжен предохранительным клапаном. При повышении давления газа в полости сжатия до критической величины предохранительный клапан открывается, и часть газа из полости сжатия сбрасывается, давление остается ниже критического, и движение подвижного контакта не прекращается.

Недостатком такого решения является сброс части газа из полости сжатия, т. к. при этом количество газа, продуваемого через сопло, уменьшается, что снижает надежность работы выключателя.

Нам известен газовый выключатель, в котором сжимаемая полость ДУ образована цилиндром и подпружиненным поршнем [3], т.е. по сравнению с традиционной схемой автокомпрессионного выключателя неподвижный поршень в сжимаемой полости заменен подпружиненным подвижным поршнем. Однако такое конструктивное решение имеет недостаток, заключающийся в том, что подвижный поршень имеет подвижные соединения как по наружному диаметру, так и по внутреннему диаметру относительно штока подвижного контакта, в которых между сопрягаемыми поверхностями имеются зазоры. Это приводит к дополнительным люфтам, затрудняет выполнение требования точного ориентирования подвижного контакта при его вхождении в неподвижный контакт, а также вызывает повышенный износ, увеличение люфтов и снижение эксплуатационного ресурса выключателя. Последнее особенно важно, т.к. выключатель должен по отечественным и международным стандартам эксплуатироваться 30 лет и обеспечивать надежное срабатывание не менее чем в 5 тысячах циклов при усилии на штоке подвижного контакта до 10 тонн.

Известен выключатель с автокомпрессионным ДУ двухстороннего дутья [4], содержащий неподвижный и подвижный главные и дугогасительные контакты, изоляционное сопло и полость сжатия между подвижной контактной группой и неподвижным поршнем. Внутрь полости сжатия дополнительно введен инерционный ограниченно подвижный поршень, который укреплен на пружине между внутренней поверхностью изоляционного сопла и внешней поверхностью дугогасительного контакта и отделен от инерционного поршня кольцевым каналом. При подаче команды на отключение привод перемещает подвижную контактную группу выключателя. При движении подвижной контактной группы относительно неподвижного поршня происходит сжатие элегаза в полости сжатия. Инерционный поршень, укрепленный на пружине, в начале процесса разгона движется в обратном направлении относительно движения подвижной контактной группы выключателя, а затем движется внутри полости сжатия колебательно. Поэтому приэлектродная часть объема в момент разведения контактов сжимается эффективнее, максимальное импульсное давление газа в межконтактном промежутке за счет колебаний дополнительно увеличивается, обеспечивая интенсивное продувание электрической дуги элегазом, что способствует повышению надежности отключения тока.

Недостатком такого дугогасительного устройства является то, что конструкция и размещение подвижного поршня не устраняет эффекта закупорки сопла электрической дугой при больших токах. Размещение инерционного поршня в полости сжатия не ограничивает величину давления в ней. Давление газа из-за большого выделения энергии в дуге при больших токах может достигать критических значений, при которых тормозящее действие давления газа на подвижную группу превышает максимальное усилие привода.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ДУ [5] автокомпрессионного типа, содержащего подвижный цилиндр с закрепленным на нем изоляционным соплом и трубчатым контактом с отверстиями в боковой стенке, неподвижный поршень, установленный на цилиндрическом основании. Внутри указанного цилиндрического основания неподвижного поршня установлен подвижный поршень, который соединен с трубчатым контактом, причем указанные отверстия в боковой стенке этого контакта соединяют внутреннюю полость его с полостью внутри цилиндрического основания между неподвижным и подвижным поршнем. При выполнении операции "отключение" в полости над неподвижным поршнем происходит сжатие газа, а в полости, образованной подвижным поршнем и цилиндрическим основанием неподвижного поршня, при этом образуется разряжение. Это обстоятельство приводит к перетеку газа через сопло и трубчатый контакт из полости сжатия в полость разряжения.

Преимуществом предложенной конструкции является то, что она создает к моменту размыкания дугогасительных контактов, т.е. при малом ходе и соответственно при малом приросте давления в полости сжатия увеличенный перепад давления между зоной размыкаемых контактов и объема разряжения, который обеспечивает большую интенсивность обдува дуги и тем самым способствует увеличению отключающей способности.

Недостатком такой конструкции является, что она не устраняет эффекта закупорки сопла электрической дугой при больших токах, т.к. полость сжатия сообщается с полостью разряжения через межконтактный промежуток, в котором происходит выделение большого количества тепловой энергии дуги, приводящей к подъему давления, и, как следствие, замедлению движения подвижной группы элементов ДУ.

Сложность отключения токов короткого замыкания промышленных электросетей, величины которых могут достигать многих десятков килоампер, связана с тем, что в дуге при разведении контактов за полупериод протекания тока происходит выделение энергии порядка 100 кДж, что эквивалентно выделению энергии при взрыве 20 грамм тротила. Это приводит к дополнительному подъему температуры и давления газа, в том числе и в полости сжатия, которая непосредственно сообщается с межконтактным промежутком. Поэтому возникает задача повысить надежность работы выключателя при отключении токов короткого замыкания.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы выключателя при больших величинах (50...80 кА) отключаемого тока путем предотвращения преждевременной остановки подвижного электрода.

Достигается это тем, что в дугогасительном устройстве высоковольтного газонаполненного автокомпрессионного выключателя, содержащем неподвижный и связанные с приводом подвижные главные и дугогасительные контакты, изоляционное сопло, полость сжатия между подвижным цилиндром и неподвижным поршнем, неподвижный поршень имеет основание, в котором образована цилиндрическая полость, сообщающаяся с полостью сжатия и установлен подвижный поршень, коаксиально расположенный и подпружиненный относительно неподвижного поршня, причем предварительный натяг пружины выполнен в соответствии с соотношением
G=F·S2·K/S1,
где F - максимальное усилие привода (Н);
S1 - площадь рабочей поверхности неподвижного поршня (м²);
S2 - площадь рабочей поверхности подвижного поршня (м²),
К - коэффициент запаса устойчивости работы привода, принимаемый равным 0,4...0,6.

На стенке цилиндрического основания целесообразно выполнить страховочное выхлопное отверстие.

В предлагаемом решении подвижный поршень используется совместно с основным неподвижным поршнем. При этом шток подвижного контакта можно крепить на подшипниках скольжения в отверстии по оси неподвижного поршня. Такое крепление подвижного контакта достаточно жесткое, оно обеспечивает сохранность надежной ориентации подвижного контакта и работоспособность контактной группы в течение требуемого рабочего ресурса выключателя.

Для размещения подвижного подпружиненного поршня в основании основного поршня выполнена цилиндрическая полость, сообщающаяся с полостью сжатия. Подвижный поршень может перемещаться в своей полости, регулируя давление газа в сжимаемой полости, и таким образом, обеспечивает повышение надежности работы выключателя при больших токах.

Наличие дополнительного подвижного поршня, который подпружинен относительно неподвижного поршня с натягом пружины, выбранным по соотношению (1), который согласован с усилием привода, обеспечивает ограничение давления в полости сжатия на уровне ниже критического значения давления, при котором происходит преждевременная остановка разведения контактных групп.

При достижении планируемой величины давления, составляющей 0,4...0.6, от критического значения давления, пружина, удерживающая подвижный поршень, начинает деформироваться (сжиматься), дальнейший темп сжатия газа и подъем давления газа выше заданного оптимального значения замедляется, что позволяет развести контакты на планируемое расстояние, обеспечивающее электропрочность межэлектродного промежутка.

Т.к. отключаемый ток изменяется во времени по синусоидальному закону, то в моменты перехода тока через нуль (при смене направления протекания тока) выделение джоулевого тепла в дуге также прекращается, и давление в полости сжатия оказывается выше давления в межэлектродном промежутке. В эти моменты дугогасительный промежуток эффективно обдувается и охлаждается газом из полости сжатия. Наличие пружины подвижного поршня обеспечивает более длительный обдув промежутка. Длительность обдува промежутка увеличивается на то время, в течение которого пружина распрямляется и, толкая, подвижный поршень, вытесняет газ из цилиндрической полости в сопло Это способствует более глубокому охлаждению и повышению электропрочности газа в дугогасительном промежутке и более надежному отключению тока большой амплитуды.

В случае смещения дополнительного поршня до положения, определяемого отношением (2), сопротивление пружины возрастает до величины, при которой давление газа в сжимаемой полости повышается до 0.8 от критического значения давления, приводящего к остановке подвижной группы и таким образом к нарушению нормальной работы выключателя. В данной позиции поршень открывает страховочное выхлопное отверстие в стенке цилиндрической полости. Это обеспечивает сброс части сжимаемого газа из полости сжатия, прекращение роста его давления.

На фиг. 1 предлагаемое ДУ. На левой половине фиг. 1 изображено состояние ДУ при замкнутом положении контактных электродов, на правой половине - в разомкнутом.

Дугогасительное устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, неподвижную контактную группу, включающую главный контакт 2, и дугогасительный контакт 3, подвижную группу, включающую подвижный главный контакт 4, подвижный дугогасительный контакт 5, диэлектрическое сопло 6, цилиндр 7. Детали 4,5,6,7 подвижной контактной группы скреплены между собой с помощью диска 8, который имеет отверстия для свободного прохождения газа. Подвижная контактная группа приводится в движение приводом, который связан с ней через шток 9 (крепление на чертеже условно не показано). Цилиндр 7 и неподвижный поршень 10 образуют полость сжатия газа 11. Со стороны, противоположной полости сжатия 11 в цилиндрическом основании поршня 10 выполнена цилиндрическая полость 12, в которой установлен подвижный поршень 13, укрепленный на пружине 14, имеющей предварительный натяг. Пружина 14 сжата между поршнем 13 и электродом 15. Между поршнями 10 и 13 установлена клапанная пластина 16. Электроды 15 и 17 служат для подсоединения выключателя в электрическую сеть. В стенке цилиндра основания неподвижного поршня сделано страховочное выхлопное отверстие 18.

При включенном положении выключателя, показанном на левой половине фиг. 1, ток проходит параллельно по замкнутым главным контактам 2 и 4 и дугогасительным контактам 3 и 5.

При работе выключателя на отключение переменного тока небольшой величины привод за шток 9 отводит подвижную контактную группу от неподвижной. За счет разницы перекрытия главных 2, 4 и дугогасительных 3, 5 контактов вначале разъединяются главные контакты 2, 4 без образования дуги, т.к. ток может еще протекать по дугогасительным контактам 3, 5, продолжающим идти на размыкание. Когда начинают расходиться дугогасительные контакты 3, 5, между ними возникает дуговой канал высокотемпературного токопроводящего газа. Одновременно с размыканием контактов движение подвижной группы приводит из-за ее приближения к неподвижному поршню 10 к уменьшению сжимаемой полости 11. Давление газа в полости сжатия повышается и формируется поток газа, вытесняемого через сопло 6 в область горения дуги между контактами, что приводит к ее охлаждению, восстановлению электропрочности промежутка между контактами 3, 5 и отключению тока.

Отключение больших токов короткого замыкания имеет особенности, связанные с выделением в электрической дуге больших мощностей энергии, что приводит к дополнительному повышению энергосодержания газа, в том числе в полости сжатия 11, сообщающейся с дугогасительным промежутком между электродами 3, 5. Поэтому подъем давления газа в полости сжатия 11 происходит круче, чем при отключении малых токов.

Пружина 14 настроена так, что в случае, если давление в полости сжатия приблизится к критическому уровню, при котором возникает опасность того, что привод не сможет обеспечить дальнейшее движение подвижной группы элементов 4, 5, 6, 7, пружина 14 начинает сжиматься, поршень 13 начинает отодвигаться, что обеспечивает увеличение объема полости сжатия. При этом подъем давления газа резко замедляется, что дает возможность приводу продолжить перемещение подвижной группы и обеспечить увеличение промежутка между электродами до планируемой величины, обеспечивающей необходимую электропрочность. Газ при этом из полости сжатия 11 не сбрасывается. Надежная работа выключателя обеспечивается тем, что предварительный натяг пружины подвижного поршня по соответствию (1) выбран таким образом, что пружина подвижного поршня начинает сжиматься при повышении давления газа до уровня значения 0.6 от критического давления газа, которое способно останавливать перемещение подвижной группы под действием привода. Сжатие пружины регулирует подъем давления газа в полости сжатия.

Поскольку в выключателе протекает переменный ток, то при очередной смене направления во временном интервале вблизи нуля тока выделение мощности становится близким к нулю, и давление плазмы в дуге уменьшается. При этом давление газа в полости сжатия становится достаточным для продувки дуги в межэлектродном промежутке. Весь объем газа из сжимаемой полости усилиями привода и распрямляющейся пружины подвижного поршня продувается через дугогасительный промежуток, что интенсивно охлаждает газ, восстанавливает электропрочность и обеспечивает прекращение протекания (отключение) тока.

При максимально больших величинах отключаемого тока и большом вкладе электрической энергии в нагрев и повышение давления газа подвижный поршень может быть отжат до положения, при котором пружина займет предельно сжатое состояние. Если это произойдет, то подвижный поршень откроет страховочное отверстие 18, расположение которого определяется из соотношения (2). Это гарантирует перемещение подвижной группы до планируемого положения, обеспечивающего электропрочность промежутка между дугогасительными контактами и надежное отключение тока в результате обдува дуги потоком газа и восстановления электропрочности при прохождении отключаемого переменного тока через нулевое значение.

При работе выключателя на включение привод воздействует на шток в направлении замыкания контактов.

В примере конкретного выполнения корпус дугогасительного устройства выполнен из фарфора цилиндрической формы, торцевые электроды выполнены из алюминия. В качестве рабочего газа использован элегаз по ТУ-02-1249-83 при номинальном давлении около 5 ати. Уплотнения подвижных соединений выполнены с помощью фторопластовых прокладок. Страховочное отверстие выполнено диаметром 4,5 мм.

То, что в предлагаемой конструкции сохранен неподвижный поршень, обеспечивает надежную ориентацию подвижной группы контактов на замыкание относительно неподвижных, малый износ деталей и надежную работу выключателя в течение 5000 циклов рабочего ресурса.

Настоящее изобретение обеспечивает повышение надежности работы выключателя при больших (50...80 кА) токах короткого замыкания в течение гарантированного числа циклов рабочего ресурса промышленных выключателей.

В решении по настоящей заявке, использующем крепление дополнительного поршня на пружинном механизме с предварительным натягом, герметичность полости сжатия не нарушается и количество газа, охлаждающего дугу, не уменьшается. Ограничение давления в полости сжатия достигается не сбросом газа, как в конструкции с клапаном, а увеличением объема полости сжатия.

Источники информации:
1. А.Д.Чунихин "Электрические аппараты" Москва, Энергоатомиздат, 1988 г.

2. Рекламное описание "Damler-Benz Industrie AEG, SF6 - Leistungbbchiter der 3. Generation" AEG Fktiengesellschft, Hochspannungsgerae, Lilienthalstrass 150, D- 34123 Kassel.

3. Zimmertman. H, и др. Германия (DE) Газовый выключатель, патент DE 4017643 (Z2TI 1) A1 от 22. 06. 89. кл. МПК H 01 H 33/91.

4. Ю.Л.Вишневский, В.П.Курицын, К.А.Поздняков, В.С.Чемерис, С.К.Чумаков. "Электрический газовый компрессионный выключатель" А.С.888808. 1979 г. м. кл. H 01 H 33/91, Бюллетень N 22, 26.06.81.

5. В.П.Курицын, Ю.И.Вишневский, Л.И.Гожева, Ю.Т.Савинков, К.А.Поздняков и В.С.Чемерис "Газовый выключатель" SU 902093 м. кл. H 01 H 33/91 Бюллетень N4 1982 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным газонаполненным выключателям промышленных электросетей. Технический результат: повышение надежности работы выключателя. Дугогасительное устройство газонаполненного автокомпрессионного выключателя содержит неподвижные и связанные с приводом подвижные главные и дугогасительные контакты, полость сжатия, образованную между подвижным контактом цилиндром и неподвижным поршнем, а также подвижный подпружиненный поршень и изоляционное сопло, причем неподвижный поршень со стороны, противоположной полости сжатия, содержит сообщающуюся с полостью сжатия цилиндрическую полость, в которой размещен дополнительный подвижный поршень, коаксиально расположенный и подпружиненный относительно неподвижного поршня с предварительным натягом пружины. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дугогасительное устройство высоковольтного газонаполненного автокомпрессионного выключателя, содержащее неподвижную контактную группу, включающую главный контакт и дугогасительный контакт, подвижную контактную группу, включающую скрепленные между собой подвижный главный контакт, подвижный дугогасительный контакт, диэлектрическое сопло и цилиндр, связанную с приводом, полость сжатия, образованную между диэлектрическим соплом, цилиндром и неподвижным поршнем, в котором выполнена сообщающаяся с полостью сжатия цилиндрическая полость, в которой размещен коаксиально расположенный подвижный поршень, отличающееся тем, что подвижный поршень подпружинен относительно неподвижного поршня пружиной, предварительный натяг G которой выбран в соответствии с соотношением
G = F · S₂ · K/S₁,
где F - максимальное усилие привода;
S₁ - площадь сечения неподвижного поршня;
S₂ - площадь сечения подвижного поршня;
K - коэффициент запаса устойчивости работы привода, принимаемый равным 0,4 - 0,6. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на стенке цилиндрической полости неподвижного поршня выполнено страховочное выхлопное отверстие.