Высоковольтный плавкий предохранитель Советский патент 1984 года по МПК H01H33/76 

Изобретение относится к высоковольтному электроаппаратостроению, а именно к стреляющим плавким предохранителям, производящим гашение электрической дуги в потоке газа, генерированного патроном самого предохранителя под воздействием высокой температуры электрической дуги, и может найти применение для защиты силовых понижающих трансформаторов небольщой мощности на подстанциях 35/0,4-10 кВ и 110/0,410 кВ со стороны их высшего напряже ния. Известно, что главными недостатками современных предохранителей 35/110 кВ является их малая чувстви тельность к токам перегрузки и затягивание в отключении повреждения при токах коротких замыканий неболь шой величины., Плавкие вставки этих предохранителей изготавливают из безынерционного хорошо проводящего материала, например меди или серебра, и не могут демпфировать пусковых токов двигателей за трансформатором и токи внешних коротких замыканий на линиях 0,4-10 кВ.,, Поэтому чтобы их отстроить от указанных токов, приходится выбирать плавкие вставки на номинальный ток, превыша ющий номинальный ток защищаемого трансформатора как минимум в два и более -раз , Для этих целей подошли бы инерци онные плавкие вставки, изготавливаемые из олова или свинца. Такие вставки можно было бы выбирать по .номинальному току трансформатора. Тогда они были бы способны обеспечи вать чувствительность предохранителей к малым перегрузкам трансформаторов и позволяли бы отстраиваться за счет своей массивности от пусковых токов двигателей, питаемых тран форматором, и токов внешних коротких замыканий на линиях 0,4-10 кВ.Такие плавкие вставки позволяли бы демпфи ровать, не перегорая, кратковременные всплески нагревов от пусковых т ков двигателей и токов коротких замыканий при внешних повреждениях н линидх 0,4-10 кВ. Однако предохранители с такими плавкими вставками имели бы очень м лое быстродействие при коротких замы каниях в трансформаторах со стороны 35 и 110 кВ. Это связано с тем, что на разогрев и испарение тела массив ной плавкой вставкитребовалось бы большое время. С другой стороны, та кие предохранители обладали бы низкой коммутационной способностью. Пос леднее объясняется большим количест вом паров металла от плавкой вставки, внедряющимися в канал электричес кой дуги внутри патрона. Они способе твовали бы повБЕдению проводимости Е канале дуги, а значит, более трудному ее гашению. Поэтому представляют большой технический интерес решения; обеспечивающие выбор безынерционных плавких вставок для защиты понижающих трансформаторов, способных чувствовать малые перегрузки трансформаторов, быстро работать при токах коротких замыканий большой величины, сравнительно быстро срабатывать при токах перегрузок и одновременно обеспечивать демпфирование (затягивание; в срабатывании) при пуске двигателе:й и внешних коротких замыканиях, отключаемых автоматами и выключателями 0,4 и 10 кВ. Известны предохранители, у которых плавкие вставки выполняются из безынерционного материала, например меэди, но к ;торые чувствительны к токам перегрузок небольшой величины. Характеристики этих плавких вставок из меди и серебра (температура плавления составляет соответственно 1080 и ) могут быть улучшены путем Hciпайки капель олова или свинца, температура, плавления которых значительно ниже (соответственно 100 и 327°С) . При расплавлении металла пайки последний растворяет в себе тугоплавкую медь или серебро, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки 1.1. Однако при коротких замыканиях любой величины плавкая вставка перегорает в местах, где нет наплава из олова или свинца. Это объясняется тем, что при этих повреждениях треб-уется быстрое перегорание предохранителей. Следовательно, для того., чтобы отстроиться от внешних коротких замыканий на линиях 0,410 кВ, потребуется все равно увеличение сечений медной (серебряной) части вставки. Это же потребуют и пусковые токи двигателей и тохи намагничивания трансформаторов, возникающие при включении трансформаторов в работу. Как известно, они в 8-10 ; раз превышают номинальный ток трансформатора, однако длятся не более секунды или десятых ее долей. .Поэтому наплав олова или свинца не обеспечит демпфирования этих токов и потребуется отсторойка от них путем yEieличения сечения тела самой плавкой вставки. Вместе с тем,этого можно было бы избежать,если бы активизироват ь , отвод тепла от тела плавкой вставки в i ioмент возникновения этих токов.. Теплоотвод мог бы при пусковых токах и токах внешних коротких замыканий, имеющих сравнительно небольшую величину, демпфировать их, обеспечивая

необходимое быстрое охлаждение вставки. При коротких же замыканиях на высоковольтном вводе силового трансформатора, когда токи достигают очен больших значений, процесс накопления тепла плавкой вставкой идет , как правило, по адиабатическому закону без отдачи тепла в окружающее пространство, и тогда бы время плавления И количество паров металла в канале электрической дуги определялись бы только сечением плавкой вставки. В конструкции известного устройства теплоотвод при малых токах недостаточен, поэтому требуется увеличение сечения вставки. А это, в свою очередь снизит коммутационную способность предохранителя и затруднит его работу при малых токах. С другой стороны, наличие наплава олова или свинца может приводить к ложной и неизби рательной работе предохранителей. Дело в том, что при внешних коротких замыканиях будут наблюдаться такие разогревы плавкой вставки, которые будут приводить к постепенному скатыванию шарика наплава с тела вставки, а это будет приводить к нечувствительности ее к перегрузочным токам которые возникнут после скатывания наплава. Вместе с тем, наоборот, могут возникать условия, когда вставка будет срабатывать ложно - при пусковых токах и токах внешних коротких замыканий. Последнее объясняется тем, что наиболее нагретым слоем в наплаве является его часть, прилегающая к телу плавкой вставки. Таким образом, размягчаясь при ряде внешних повреждений, припой начнет внедряться в тело плавкой вставки еще тогда, когда не требуется ерабатывание вставки, т.е. в ней начне накапливаться так называемое последействие от внешних коротких замыканий, остаточные явления.Постепенно они приведут к преждевременному срабатыванию плавкой вставки, когда повреждение должно было бы отключиться выключателем или автоматом на стороне 10 или 0,4 кВ. Известно, что от каждой из рассматриваемых подстанций на стороне низшего напряжения может отходить до восьми линий 10 кВ.Тако преждевременное срабатывание будет приводить к неполнофазным режимам, аварийному недоотпуску энергии потре бителям, полному погашению подстанции при замене ложно сработавшей вставки. Все это создает большие народно-хозяйственные ущербы.

Наиболее близким к изобретению явлется высоковольтный плавкий стреляющий предохранитель, содержащий установленный вертикально газогенерирующий патрон, выполненный из твердого изоляционного газогенерирующего материала, внутренний и наружный

электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводящим наполнителем верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть Г2.

Недостатками известного устройства являются неч увствительность к токам перегрузки малой величины, объясняющаяся тем, что при таких перегрузках теплоотвод наполнителя происходит очень быстро и вставка не может накопить достаточно тепла для своего расплавления; малое быстродействие при средних значениях токов перегрузки и повреждениях на выводе трансформатора со стороны низшего напряжения, которое также может быть объяснено быстрым теплоотводом от плавкой вставки со стороны жидкого наполнителя. Известно, что масло в силовых тратрансформаторах отводит от обмоток тепло в 16 раз быстрее, чем это может сделать воздушная среда.

Целью изобретения является расщирение функциональных возможностей и быстродействие при токах перегрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в высоковольтном плавком предохранителе, содержащем патрон, установленный вертикально и-выполненный из твердого изоляционного газогенерирующего материала, внутренний и внешний электроды, соединенные с помощью плавкой вставки, состоящей; из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводящим наполнителем, верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть, верхний герметизирующий наконечник с плавким элементом снабжен дополнительной диэлектрической втулкой, внутренняя полость которой снизу сообщается с полостью державки, а высокоомная часть плавкого элемента на всю высоту погружена в жидкий наполнитель.

На чертеже дана конструкция предохранителя (в виде выреза в области плавкой вставки).

Устройство состоит из патрона 1, вйполненного из изоляционного твердого газогенерирующего материала, установленного в нормальном рабочем положении вертикально или близко к вертикали, как указано на чертеже. Во внутренней полости 2 патрона расположены внутренний 3 и наружный 4 электроды, подпружиненные пружиной патрона, устанавливаемой, как правило вверху - со стороны электрода 3. Между собой эти электроды соединены механически и электрически с помощью плавкой вставки, состоящей высокоомной державки 5, жестко склеенной с герметизирующими наконечник ми 6 и 7 , которые привинчены к верх нему электроду J и нижнему 4 соотве твенно. Электрическая связь между электродами предохранителя осуществляется с помощью проводящего (плав кого) элемента, состоящего из верхней хорошо проводящей части 8, имею щей , например, больщое сечение, и нижний 9, обладающей более низкой проводимостью, например, с меньшим сечением. Верхний наконечник 6 снаб жается дополнительной диэлектрической втулкой 10. Внутри нее располаг ется и проводящий элемент вставки. Втулка сверху герметизирована, а сн ЗУ сообщается с внутренней полостью диэлектрической державки 5, На высо элемента проводящей части, обладаюш го низкой проводимостью, наружная 1 и внутренняя 12 части сообщающихся сосудов - державки 5 и втулки 10 заполнены жидким диэлектрическим на полнителем, например трансформаторны маслом, эфиром, спиртом и т. д. Верх ние части полостей 13 и 14 - свободн и заполнены воздухом при обычном атмосферном давлении. Через осевые отверстия 15 и 16 наконечников пропуще ны концы проводящего (плавкого)элемента и припаяны к герметизирующим наконечникам в точках 17 и 18. При этом слоем припоя в этих точках произволчтся герметизация внутренней полости плавкой вставки от попадания наружного воздуха или от вытекания и полости вставки жидкого наполнителя. Последнее могло бы приводить к изменению время-токовых характеристик плавкой вставки. При запуске двигателей за трансформатором череэ предохранители, установленные в трех фазах защищаемого силового понижающего трансформатора, начинает протекать ток запуска этих двигателей. Он в несколько раз превышает номинальный ток трансформатора и длится порядка 7-10 с. В это время часть 8 плавкой вставки разогревается незначительно, так . как она обладает высокой проводимостью (или более значительным сечением и пр дназнс1чена реагировать на. токи повреждения при коротких замыканиях на вводе высшего напряжения и в баке трансформатора .Низкопроводящая нижняя,, часть 9 также не успевает нагреться до больших температур, так ка она охлаждается наполнителем плавкой вставки - диэлектрической жидкостью. Поэтому вставка и не реагирует на то ки пуска двигателей за трансформатором. Такое же демпфирование будет производиться предохранителями и при включении его в работу, и при коротких замыканиях на линиях 0,4-10 кВ, роны его низшего напряжения. Это обусловлено кратковременностью происходяащх возмущений и незначительностью токового импульса. При возникновении тока короткого замыкания большой величины, когда происходит двух- или трехфазное короткое замыкание на высоковольтном BBOjie трансформатора, плавкий элемент будет за сотые доли секунды разогреваться до температуры плавления на всей своей высоте - между наконечниками б и 7. Процесс этот происходит адиабатически- без отдачи тепла воздуху в полости 14 и жидкости во внутренней части 12. Он заканчивается расплавлением проводящего элемента, испарением жидкости под действием дуги и взрывом диэлектрической державки 5, Разрушение держс1вки приводит к освобождению электродов 3 и 4 одного от другого и их раздвижению в разные стороны. В разрыве между ним1-1 загорается диэлектрическая дуга, которая начинает воздействовать на внутренние стенки полости 2, газогенерирующего патрона 1 предохранителя. Из стенок начинает генерироваться газ, который образует продольное газовое дутье, идущее вверх и вниз патрона. При этом давление может достигать десятки и сотни атмосфер. Под воздействием газового потока электрод 4 быстро выбрасывается Нсфужу, а электрод 3 поднимается до своего упора. Электрическая дуга газом деионизируется и охлаждается. После достихкения необходимого промежутка между электродами 3 и 4 дуга гаснет и предохранитель отключает защищаемую фазу трансформатора . Гашение дуги происходит, как правило, при прохолс,цении тока коротких замыканий через ноль и не сопровождс ется перенапряжениями. При возникновении коротких замыканий на низковольтном выводе трансформатора - в зоне действия предохранителей, ток повреждения в несколькб раз будет превосходить номинальный ток трансформатора. На этот ток не будет реагировать часть 8 плавкого элемента., однако она будет им значительно разогрета. Высокоомная нижняя часть 9 плавкой вставки в этом случае начнет быстро отдавать свое тепло наполнителю внутренней части 12 и разогревать его. Наполнитель закипа;ет быстро испаряется в пространство ОЛОСТИ 14. Наполнитель наружной часи 11 при этом остается сравнительно холодным в связи с затрудненностью еплопередачи от наполнителя внутренней части 12 через стенку втулки 10 наполнителю державки. Поэтому давение газа в полости 13 практически стается прежним. В полости 14, на

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, содержащий установленный вертикально патрон, выполненный из твердого.изоляционного газогенерирующего материала, внутренний и .наружный электроды, соединенные с помоШью плавкой вставки, состоящей из полой цилиндрической диэлектрической державки с жидким непроводя щим наполнителем, верхнего и нижнего герметизирующих наконечников и составного плавкого элемента, имеющего снизу высокоомную часть, о тл и ч ающи и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и быстродействия при токах перегрузки, верхний герметизирующий наконечник сплавким элементом снабжен дополнительной диэлектрической втулкой, внутренняя полость которой снизу сообщается с i полостью державки, а высокоомная часть плавкого элемента на всю высо(Л ту погружена в жидкий наполнитель.