Стреляющий предохранитель Советский патент 1984 года по МПК H01H33/76 

Изобретение относится к высоковольтному электроаппаратостроению, а именно к стре яющим предохранителям, обеспечивающим гашение электри ческой дуги за счет генерации газа стенок патрона под воздействием высоких температур электрической дуги и может найти применение для защиты силовых понижающих трансформаторов со стороны высшего напряжения. Известно коммутационное устройст во, состоящее из фарфорового корпуса, заполненного наполнителем -квар цевым песком, служащим для охлаждения и деионизации возникшей после перегорания плавкой вставки электри ческой дуги. Внутри корпуса распола гается ряд параллельно включенных плавких вставок, свитых в спираль. Внутри средней плавкой вставки проп щена высокоомная державка указателя срабатывания, воспринимающая растягивающее усилие пружины указателяСх Недостатком указанного устройств является нечувствительность к малым токам перегрузки, объясняющаяся тем что наполнитель предохранителя - кв цевый песок очень хорошо отводит те ло от тела проволок плавкой вставки. Другой материал, с низкой теплопроводностью, например хлопья асбеста или стекловаты, здесь применять нельзя, так как предохранитель ерестанет гасить электрическую дугу. Несмотря на то, что можно увеличивать длину проводящей ча сти плавкой вставки по сравнению с длиной державки, теплоотвод к окружающей среде не дает ей накапли вать тепло, чтобы отреагировать на малые токи повреждения. Поэтому и быстродействие предохранителя при незначительных перегрузках мало, что не может позволить этим предохранителям применяться для защиты трансформаторов малой мощности. Осо бенно неприменимы они для защиты трансформаторов с заземленной нейтралью, например, на напряжение 110/0,4 кВ. Дело в том, что при коротких замыканиях на низковольтном выводе трансформатора, находящемся :з зоне действия предохранителей, на высшей стороне трансформатора (на (зтороне звезды ) в одной из фаз (при двухфазном коротком замлкании) протекает полный ток, соответствующий трехфазному короткому замыканию на выводах низкого напряжения, а в двух других - токи примерно наполови ну меньше этого тока. После перегора ния предохранителя в фазе с наибольшим током и отключения этой фазы в оставшихся в работе фазах ток снизит ся и станет составлять доли предшествующего тока. После срабатывания второго предохранителя в оставшемся контуре фаза - земля ток повреждения будет определяться током нагрузки трансформатора и составлять порядка 1,5-2 тока номинального. Такой ток остается опасным для изоляции трансформатора и может привести к ее термическому разрушению. Предохранитель последней фазы не чувствует его, так как его тепло рассеивается в среде наполнителя. Выбирать же плавкую вставку только по номинальному току трансформатора невозможно, так как она будет перегорать при пусковых токах двигателей, расположенных за трансформатором, или от токов намагничивания трансформатора при включении его в работу. Все это касается медных и серебряных плавких вставок, обладающих малой инерционностью, которые применяются в предохранителях с наполнителем. Вставки с большой инерционностью - свинцовые оловянные, цинковые - неприменимы, так как при их исполь зовании в канале дуги будет образовываться большое количество металла и предохранители с наполнителем будут отказывать в гашении электрической дуги. Наиболее близким к изобретению является упр1вляемый стреляющий предохранитель, содержащий камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующего материала.г внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных крепежными наконечниками. Электроды подт пружинены пружиной патрона и рубящего контактного ножа, стремящегося под воздействием собственной пружины выбросить наружный электрод патрона в окружающее пространство 21. Недостатком известного устройства является малая чувствительность к токам перегрузки небольшой величины, объясняющаяся тем, что проводящая часть плавкой вставки хорошо отводит тепло в окружающеепространство и не может его накапливать при токах перегрузки небольшой величины за счет того, что вставка не защищена от изучения энергии лучеиспусканием и имеет хороший теплоотвод к электродам патрона, так как имеет небольшую лину. При заданной для предохраниеля длине плавв:ой вставки ее провоящая часть, изгибаясь, не должна касаться стенок патрона. Иначе это будет приводить к выгоранию газогенерирующего материала в области планкой вставки и разрушению патрона в омент коммутации. Кроме того, соприасаясь со стенкой камеры, проводящс1Я асть будет охлаждаться, а значит, зменять свои времятоковые характеристики. Это также будет приводить к еще большему затягиванию момента отключения предохранителя.

Кроме того, недостатком устройства является низкое быстродействие при токах повреждения небольшой величины. Предохранитель из-за интенсивного рассеяния тепла в окружающую среду и теплоотдачи массивным электродам предохранителя долго не отключает защищаемую сеть, т.е. фазу трансформатора. Это затягивание в отключении может привести к неопределенному термическому разрушению фазы трансформатора.

Невозможн применять плавкую вставку, имеющую проводящую часть повышенного сечения, и при этом обеспечивать защиту трансформатора небольшой мощности. Повышенное сечение плавкой вставки требуется из условий согласования работы предохранителей с защитами отходящих от трансформатора линий 0,4-10 кВ. При повреждениях на этих линиях, являющихся внешними для предохранителей, головные включатели (автоматы ) этих линий работают, как правило, в циклах автоматического повторного включения этих линий дпя устранения повреждения временным отключением места короткого замыкания. В 70-80% случаев это удается, особенно на воздушных линиях электропередачи. Работая в циклах АПВ, выключатели автоматы ) 0,4-10 кВ неоднократно провоцируют срабатывание плавких вставок у предохранителей на стороне высшего напряжения трансформаторов. Известно, что отходящих от подстан.ции линий может быть от трех до восьми. Следовательно, при повреждении на одной из линий 0,4-10 кВ может перегореть неселективно предохранитель на стороне высокого напряжения и вызвать неполнофазные режимы на всех линиях, отходящих от подстанции Последние по своему воздействию на потребителей являются.более нежелательными, чем полное отключение потребителей, так как они приводят всегда к массовому разрушению двигателей потребителей. И для отстройки от внешних коротких замдканий очень желательно, чтобы вставки предохранителей умели демпфировать начальные моменты повреждения, не перегорая, а затем быстро накапливать тепло, и перегорали бы до наступления термического разрушения изоляции трансформатора. Т.е. плавкие вставки отдачу тепла в окружающую среду при малых токах повреждений должны производить менее интенсивно, чем обмотки трансформатора через слой изоляции.

Недостатком известного устройства является также износ тела плавкой

вставки за счет коронирования, особенно на напряжениях 110 кВ. Последнее объясняется тем, что в месте крепления высокоомной державки и проводящей части плавкой вставки образуется тело малого поперечного сечения - малого радиуса. Известно, что чем меньше радиус провода, тем выше напряженность электрического поля на этом проводе. ПовЕлиенная же напряженность

0 при достижении размера 22,9 кВ/см начинает ионизировать воздух, прилегающий к месту электрической цепи, где во никла такая напряженность. Освободившиеся электроны атомов воздуха

5 начинают разгоняться и вести интенсивную бомбардировку этого участка электрической цепи. Происходит выбивание электронов из кристаллической решетки металла. Материал начинает

0 истончаться, теряет свое первоначальное сечение и уменьшает проводимость. Для плавкой вставки это равносильно снижению ее номинального тока, что приводит к снижению ее характеристики и ложному срабатыва5нию при внешних коротких зa 1ыкaнияx или даже в нормальном режиме работы, в часы, как правило, максимальной нагрузки подстанции. Для устранения опасности ложной работы предо::рани0телей по названной величине рекомендуется инструкцией на предохранители производить осмотр и замену плавких вставок не реже одного раза в полгода. Для подстанций с одним трансфор5матором, это приводит к дополнительным плановым потерям потребителей.

Целью изобретения является повышение чувствительности к токам перегрузки и увеличение быстродейст0вия и короностойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в стреляющем предохранителе, содержащем камеру гашения, выполненную из твердого изоляционно5го газогенерирующего материала, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и прово0дящего элемента, оснащенных крепежными наконечниками, проводящий элемент выполнен в виде спирали, навитой вокруг высокоомной державки, равного по всей длине радиуса, а

5 крепежные наконечники - в виде цилиндров, плавкая вставка содержит диэлектрическую втулку, снабженную на определенной длине теплоотражающим экраном, направленным в сторону

0 плавкой вставки, свободно располагаемой на одном из крепежных наконечников,а внутренняя полость дизлектричес-кой втулки заполнена теплоизоляционным материалом в виде хлопьев асбеста или стекловаты.

5 На чертеже изображен данный предохранитель, разрез (прилегаюиие к плавкой вставке электроды патрона и сам газогенерирующий патрон даны в виде выреза ), Стреляющий предохранитель содер-жит камеру гашения I, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующего материала. Внутри камеры во внутреЕ1ней полости 2 установлены внутренний 3 и наружный 4 подгружен ные электроды патрона. В них ввинче ны на резьбе наконечники 5 и б плав кой вставки, изготовленные в виде цилиндров. Наконечники снабжены про дольными осевыми отверстиягли для закрепления на них высокоомной державки 7. Последняя пропускается чер эти отверстия и припаивается к нако нечникам в точках 8 и 9. Концы державки 10 и 11, расположенньае в отве стиях наконечников, могут такзке при паиваться по их длине для обеспечения лучшего электрического и механи ческого контактов с наконечниками. Вокруг дерлсавки навита проводящая часть плавкой вставки 12, выполЕ енная из серебра, меди или других хорошо проводящих материалов. Ока при репляется к наконечникам за счет па ки ее концов 13 и 14 к наружным обр зуюь-щм наконечников,, например, олов или медью. При этом расстояние мехд концами 13 и 14 от державки 7 составляет примерно радиус витка прово дящей части. Поверх плавкой вставки может быть надета втулка 15,- выполненная из диэлектрического материала, например электротехнического стекла. Эта втулка жестко прикрепля ется к нижнему наконечнику б с помощью термореактивного клея и свобо но располагается на верхнем наконеч нике 5, Сверху или внутри втулка мо жет покрываться слоем блестящей (зеркальной амальгаг-ды 16, служащей для отражения тепловых излучений плавкой вставки обратно- внутрь полости трубки-втулки 15. Для: избежа-ния случайного шунтирования тела плавкой вставки амальгама 16. имеет гю длине втулки разрыв 17. Для луч-лего реагирования плавкой выставки на токи перегрузок в ряде случаев может использоваться металлургический эффект, вызываемый наличием массивного оловянного наплава 18 (шарика ) на теле проводящей части вставки 12. Термореактивный слой 19 служит для удержания втулки 15 на электроде 4 в момент срабатывания предохранителя. Внутренняя полость 2 втулки 15 может заполняться хлопьяг м асбеста или стекловаты для еще большего задерживания тепла в теле плавкой вставки. При возникновении токов короткого замыкания на высоковольтном выводе зашлщаемого трансформатора, когда их величина достигает килоампер, процесс нагревания высокоомной державки 7 и проводящего элемента вставки 12 происходит практически адиабатическибез отдачи тепла в окружающую среду. Тело, плавкой вставки испаряется и освобо;кдает электроды 3 и 4 предохранителя. Между ними возникает электрическая дуга. По мере расхождения электродов под действием пружины патрона и рубящег(5 контактного ножа,, если он есть у предохранителя, дуга вытягивается и начинает воздействовать на стенки внутренней полости 2 камеры гашения 1. Из стенки генерируется газ, который воздействует на электроды 3 и 4 и с силой разводит их в противоположные стороны. Кроме того, газ охла :дает и деионизирует элекГрическую дугу. После достижения необходимого расстояния между электродами 3 и 4 и, как правило, в момент прохождения тока через ноль дуга гаснет, Происходит отключение предохранителем защищаемой фазы трансформаторов , При отключении перегрузочных токов очень важно сохранить тепло, выделяемое во вставке током перегрузки, В первоначальный момент (в течение нескольких секунд ) этого тепла не должно хватать для перегорания плавкой вставки или для приобретения ею остаточных деформаций: вытягивания дерЖс1вки 7 или скатывания шарика 18, если он имеется. В этот момент должно происходить так называемое демпфирование пусковых токов двигателей за трансформатором, токов намагничивания - при его включении в работу, токов внешних коротких за1 1ыканий ija линиях 0,4-10 кВ. При всех этих токах предохранитель не работать, сак как часть из них исчезает сама (.намагничивание и запуск двигателей) или отключается соответствую1цими выключателями и автоматами (.при коротких замыканиях на линиях 0,4-10 кВ ). Если повреждение находится в зоне д:;ейст:аия предохранителей, то должно идти истечении какоголибо времени интенсивное накапливание тепла в теле плавкой вставки. Как показали опыты, этому способствует увеличение длины проводящего элемента плавкой вставки 12. В этом случае близкое расположение одного от другого витков элемента вставки 12 обеспечивает подогрев один другого, а далекое расположение от середины вставк - наконечников 5 и б затрудняет отдачу тепла контактным способом к электродам предохранителя. Этому способствует нанесение шарика 18, выполненного из легкоплавного металла , например олова или его сплавов со свинцом. Парик при токах перегрузки нагревается быстрее, чем прилегающие слои плавкой вставк11, так как в нем на единицу объема приходится меньшая площадь излучаемой поверхности, чем у прилегающих концов элемента вставки 12. Кроме того, легкоплавка ть металла в шарике 18 позволяет элементу вставки 12 перегорать до наступления нагрева тела элемента до состояния свечения, когда до 50% энергии телом плавкой вставки в окружающее пространство отдается за счет лучеиспускания. Правда, наличие шарика не всегда желательно из-за приобретения им остаточных явлений после каждого проходящего нагрева элемента вставки 12. Эти явления состоят в том, что по истечении какого-то времени, в течение которого были неоднократные нагревы вставки, вставка может сработать ложно из-за внедрения внутрь элемента вставки 12 олова и амальгамирования им медного (серебряного) тела элемента вставки 12 в такой степени, что он перегорит в момент демпфирования внешних повреждений. Поэтому для сохранения тепла вставки целесообразно применить искусственную шубу, которая задержит тепло на плавкой вставке, не даст ему уйти в окружающее пространство, а значит, позволит перегореть плавкой вставке до наступления термического разрушения изоляции защищаемой обмотки трансформатора. Такой шубой может, например, являться втулка 15, выполняемая из диэлектрика, например электротехнического стекла. Она, особенно при наличии лучеотражательного слоя амальгаNtj 16, позволит резко уменьшить отчу тепла в окружающую среду. Это приведет к накоплению тепла и своевременному перегоранию предохранителя. Кроме отражательного слоя можно использовать и специальные накопители, обладающие низкими теплопередающими свойства «и. К ни можно отнести хлопья стекловаты, асбеста и т.д. При воздушной среде во втулке 15 все равно будет существовать конвективный отвод теп-. ла через воздух к внутренней стенке втулки, а через нее - в окружающую среду. При наполнении полости 20 хлопьями стекловаты конвективная передача тепла от державки 7 и тела элемента вставки 12 практически прекратится. Воздушные включения между хлопьями наполнителя задержат тепло в окрестностях слоев наполнителя, прилегающих к телу элемента вставки. Сам же наполнитель, обладающий замедленной теплопередачей, задержит отвод тепла во времени и обеспечит условия для обеспечения перегорания плавкой вставки. В . этом случае создаются условия . для отказа от использования шарика 18, который может привести 5 к ложной работе предохранителя. Отключение предохранителя и в этом случае происходит аналогично описанному при больших токах коротких замыканий. Наличие на наружном электроде 0 втулки 15 будет способствовать росту комлтутационной способности предохранителя: выдапяющийся газ с большим усилием будет давить на торец электрода, не проскальзывая вдоль него. 5 А чем выше скорость движения электрода 4 при одном и том же давлении, тем меньше тепла выделяется в канале дуги, а значит, легче выполнить ее деионизацию.

0 Защита плавкой вставки от коронирования происходит следующим образом. На плавких вставках,как говорилось выше, могут появляться места повышен-. ной напряженности электрического поля. с Навив вокруг державки 7 проволоки проводящего элемента 12 с определенным диаметром,значительно превышающим и диаметр проволоки державки, и диаметр проволоки вставки 12, способствует росту напряжения, при котором может

0 наступать корона на теле вставки. Как показали опыты, корона наблюдается по концам такой плавкой вставки, при которой концы 13 и 14 элемента вставки 12 были бы вправлены в отверстия 5 наконечников 5 и 6 -вместе с телом высокоомной державки 7. В предлагаемом устройстве этого не сделано, что позволяет избежать коронирования. Наличие э-крана амальгамы 16 выводит 0 заряды с проволок вставки на переферийный слой амальгама. Это резко уменьшает способность проволок такой вставки к коронированию даже при самом незначительном диаметре испопьзу5 емой проволоки

СТРЕЛЯЩИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, содержащий камеру гашения, выполненную из твердого изоляционного газогенерирующеро материала, внутри которой расположены внутренний и наружный электроды, соединенные между собой плавкой вставкой, состоящей из высокоомной державки и проводящего элемента, оснащенных крепежными наконечник.ами, отличающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности к токам перегрузки, увеличения быстродействия и короностойкости, проводящий элемент выполнен в виде спирали, навитой вокруг высокоомной-державки, равного по всей длине радиуса, а крепежные наконечники - в виде цилиндров, плавкая вставка содержит диэлектрическую втулку, снабженную на определенной длине теплоотражающим экраном, направленным в сторону плавкой вставки, свободно располагаемой на одном из крепежных наконечников, а S внутренняя полость диэлектрической (Л втулки заполнена теплоизоляционным материалом в виде хлопьев асбеста или стекловаты.