ВАКУУМНАЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА Советский патент 1985 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к области мощной высоковольтной коммутационной техники, более конкретно - к вакуумным дугогасительным камерам (в дальнейшем - камера).

Известны камеры, в которых для увеличения номинального напряжения в одном корпусе, ограниченном с торцов фланцами, располагаются несколько включенных последовательно разрывов, образуемых парами относительно подвижных контактов. Система контактов состоит из двух крайних и нескольких подвижных промежуточных контактов, причем один из крайних контактов подвижен и имеет вывод наружу для присоединения к приводу. Подвижность промежуточных контактов обеспечивается либо применением сильфонов, либо пружин, удерживающих все промежуточные контакты в разомкнутом положении [1].

Недостатком таких камер является малый отключаемый ток (не более 10 кА), что ограничивает их область применения. Это объясняется тем, что усилие при разведении контактов ограничено упругостью сильфонов или пружин и при больших токах возможна сварка контактов между собой с силой, превышающей силу упругости сильфонов или пружин, в результате чего при осуществлении процесса отключения промежуточные контакты или часть их не разомкнутся, т.е. наступит полный отказ в работе камеры.

Наиболее близкой к изобретению является вакуумная дугогасительная камера, содержащая цилиндрический изоляционный корпус, ограниченный с торцов фланцами, имеющими сильфоны, и разделенный параллельной фланцам перегородкой на два отсека, внутри каждого из которых размещены подвижный контакт, закрепленный на токоподводящем стержне, установленном по оси корпуса и проходящем через сильфон соответствующего фланца, и неподвижный контакт, прикрепленный через неподвижный токоподводящий стержень к перегородке. В каждом отсеке вокруг токоподводящих стержней и контактов расположены две группы стержневых электродов. Первая из них закреплена на фланце, вторая - на промежуточной перегородке. Стержневые электроды первой и второй групп располагаются через один. Обе группы стержневых электродов окружены тремя экранами, один из которых изолирован от других электродов, а два других соединены соответственно с фланцем и промежуточной перегородкой. Диаметр изолированного экрана меньше диаметра двух других экранов. При вытягивании подвижных токоподводящих стержней в обоих отсеках происходит размыкание контактов, между которыми возникает дуга. Эта дуга инициирует возникновение диффузных дуг между стержневыми электродами обеих групп. В результате ток, текущий через камеру, делится между контактами и стержневыми электродами, поэтому камера такой конструкции обладает повышенной отключающей способностью по току. Кроме того, поскольку оба отсека камеры электрически соединены последовательно, то эта конструкция обладает и повышенным рабочим напряжением [2].

Однако камера известной конструкции имеет недостатки, снижающие ее электрическую прочность, приводящие к увеличению габаритов и материалоемкости. Снижение электрической прочности происходит из-за наличия большого числа электрически параллельных вакуумных промежутков, образованных контактами, стержневыми электродами, фланцами и промежуточной перегородкой. Суммарное число таких промежутков K в одном отсеке равно

K=6С+1,

где С - количество пар стержневых электродов.

Так, например, при четырех парах стержневых электродов суммарное число параллельных промежутков составляет K=25. Обычно в мощных камерах число пар стержневых электродов превышает четыре соответственно увеличивается число электрически параллельных промежутков, а пробивное напряжение системы параллельных промежутков уменьшается с увеличением их числа. Так, при числе промежутков равном 25 снижение 50%-го разрядного напряжения составляет примерно 2σ, где σ - стандартное отклонение функции распределения пробивного напряжения. Если, например, 50%-е пробивное напряжение вакуумного промежутка составляет 100 кВ, а стандартное отклонение равно 15-20 кВ (это часто встречающееся соотношение между напряжением пробоя и стандартным отклонением для вакуумных промежутков), то для системы из 25 таких промежутков при параллельном включении 50%-е пробивное напряжения составит 60-70 кВ, т.е. снизится на 30-40%, что очень существенно. Электрическая прочность данной камеры также снижается за счет наличия стержневых электродов, образующих развитую поверхность в области высокой напряженности электрического поля. Повышенные габариты и материалоемкость камеры обуславливаются наличием большого количества стержневых электродов, размещенных в отсеках камеры. Кроме того, особенности горения дуги в стержневой системе электродов также ограничивают возможность снижения габаритов и материалоемкости. Между стержневыми электродами горит диффузная дуга, которая характеризуется тем, что на стержневых электродах образуются катодные пятна первого рода, скорость распространения которых по катодным электродам составляет 10-40 м/с. Длительность горения дуги в камере достигается 10 мс и более, за это время катодные пятна проходят расстояние 0,1-0,4 м. Следовательно, возникнув на стержневых электродах, они распространяются на торцовые фланцы и перегородку, по которым могут достигнуть расположенных по их периферии экранов, предохраняющих изоляционный корпус от металлизации продуктами эрозии электродов. Однако экраны выполняют свою функцию лишь при условии отсутствия на них катодных пятен. Заход катодных пятен на экраны приводит к отказу в работе камеры из-за потери электрической прочности по причине металлизации корпуса. Для предотвращения этого путь катодных пятен по стержневым электродам, перегородке и фланцам до экранов должен быть не менее 0,1 м, а неподвижные контакты должны быть закреплены на перегородке с помощью токоподводящего стержня.

Целью изобретения является увеличение электрической прочности, упрощение конструкции, уменьшение габаритов и материалоемкости вакуумной дугогасительной камеры.

Поставленная цель достигается тем, что в вакуумной дугогасительной камере, содержащей цилиндрический изоляционный корпус, ограниченный с торцов фланцами, имеющими сильфоны, и разделенный параллельной фланцам промежуточной перегородкой на два отсека, внутри каждого из которых размещены неподвижный контакт, подвижный контакт, закрепленный на токоподводящем стержне, установленном по оси корпуса и проходящем через сильфон соответствующего фланца, и система экранов, один из которых электрически соединен с перегородкой, по крайней мере один из контактов каждого отсека выполнен в виде токоподводящего основания и закрепленных на нем центрального вкладыша и кольцевой периферийной части, выполненной в виде спирали с перекрывающимися концевыми участками, один из которых электрически соединен с токоподводящим основанием, причем высота кольцевой части превышает высоту вкладыша, а направление навивки кольцевых частей контактов совпадает, при этом неподвижные контакты размещены непосредственно на перегородке, а отношение расстояния между их плоскостями контактирования (М) к наружному диаметру (D) кольцевой периферийной части находится в пределах 0,05-1.

При этом перегородка выполнена из немагнитного металла или сплава, а отношение удельного сопротивления к удельному сопротивлению меди находится в пределах 1,5-100.

Па фиг. 1 представлена камера, продольный разрез; на фиг. 2 - устройство спирального контакта, вид сверху; на фиг. 3 - вид на концевые перекрывающиеся участки кольцевой периферийной части; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - вариант камеры, в котором спиральные контакты закреплены и на токоподводящих стержнях и на перегородке; на фиг. 6 - вариант камеры, в котором спиральные контакты располагаются на перегородке, а на токоподводящих стержнях располагаются контакты в виде дисков.

Вакуумная дугогасительная камера содержит корпус 1 (фиг. 1), составленный по длине из цилиндрических изоляторов, ограниченный с торцов фланцами 2 с соединенными с ними герметично сильфонами 3, расположенными по геометрической оси камеры. Корпус 1 разделен промежуточной перегородкой 4 на два отсека, в каждом из которых расположены подвижный 5 и неподвижный 6 контакты. Подвижные контакты 5 закреплены на токоподводящих стержнях 7, проходящих через сильфоны 3, и состоят из токоподводящего основания 8 и закрепленных на нем центрального вкладыша 9 и кольцевой периферийной части 10, выполненной в виде спирали с перекрывающимися концевыми участками, причем один участок электрически соединен с токоподводящим основанием 8, а второй участок остается свободным. Направление навивки кольцевых частей 10 всех спиральных контактов камеры одинаковое. Высота центрального вкладыша 9 меньше высоты кольцевой периферийной части 10, а электрическое соединение их осуществлено с помощью перемычки 11, эксцентричной относительно оси токоподводящего стержня 7, размещенной в кольцевом зазоре между вкладышем и периферийной частью. Для придания спиральному контакту механической прочности служит кольцевой элемент 12, выполненный из сплава с повышенными в сравнению с медью удельными электрическим сопротивлением и механической прочностью. Все элементы спиральных контактов выполняются из меди, кроме контактирующей части 13, которая выполнена из дугостойкого материала. Неподвижные контакты 6 выполнены также из дугостойкого материала, имеют форму дисков и закреплены непосредственно на перегородке 4.

В корпусе располагается также система экранов, состоящая из изолированных экранов 14 и 15, располагающихся непосредственно на обеих сторонах промежуточной перегородки 4. Экраны 15 могут быть одновременно элементами корпуса. Имеются также прифланцевые экраны 16.

На фиг. 3 показан вид на концевые перекрывающиеся участки 17 и 18 кольцевой периферийной части спирального контакта, где один участок 17 электрически соединен с токоподводящим основанием 8, а другой участок 18 остается свободным.

Камера работает следующим образом.

При разведении контактов в каждом отсеке камеры между контактами 5 и 6 возникают вакуумные дуги. Поскольку в замкнутом положении контактирование подвижных контактов с неподвижными происходит посредством кольцевых периферийных частей - спиралей с одинаковым направлением навивки, то текущий через контакты ток приводит к образованию в обоих отсеках согласованных магнитных полей. Эти магнитные поля сохраняются в межконтактных зазорах при разведении контактов и горении дуги и, проходя сквозь перегородку 4 и имея одинаковое направление, складываются, образуя поле с мощной (~0,01 Тл/кА) осевой составляющей. Получение магнитного поля с осевой составляющей в межконтактном промежутке порядка 0,01 Тл/кА возможно при условии, что спиральные контакты, расположенные по обе стороны промежуточной перегородки, находятся один от другого на расстоянии, при котором между ними существует достаточная взаимная индукция и которое определяется соотношением 0.05D≤M<D. Для предотвращения ослабления магнитного поля за счет индукционных токов, наводимых в перегородке, она изготовляется из металла или сплава, имеющего относительную магнитную проницаемость, близкую к единице, а удельное электрическое сопротивление в 1,5-100 раз большее, чем у меди. Кроме того, в перегородке могут быть сделаны радиальные прорези. Экспериментальным путем установлено, что взаимная индукция является достаточной, если расстояние М между плоскостями контактирования неподвижных контактов не превышает наружного диаметра D спирального контакта. При этом условии достаточная взаимная индукция сохраняется не только между спиральными контактами, расположенными непосредственно на перегородке (фиг. 5 и 6), но и между спиральными контактами, закрепленными на токоподводящих стержнях (фиг. 1), причем не только на кратчайшем расстоянии М при замкнутых контактах, но и на начальном участке их хода до момента погасания дуги. Увеличение межконтактного расстояния после погасания дуги может производится без учета взаимной индуктивности, исходя из условия получения заданной электрической прочности. Минимальное значение величины М найдено экспериментальным путем, исходя из требований механической устойчивости перегородки с расположенными на ней контактами к ударам подвижных контактов и к электродинамическим воздействиям отключаемого тока. Оценка этой величины показала, что при М меньше 0,05D надежная работа камеры не обеспечивается. Таким образом приемлемые значения величины М лежат в пределах 0,05D≤M<D.

Магнитное поле с мощной осевой составляющей стабилизирует вакуумную дугу, в результате напряжение на дуге каждого отсека не превышает 50-60 В при амплитуде отключаемого тока до 60-80 кА, в то время как без продольного магнитного поля напряжение на дуге из-за ее нестабильности составляет 150-200 В. Снижение напряжения на дуге приводит к уменьшению энерговыделения в камере, что дает возможность без использования стержневых электродов при значительно сокращенной в сравнении с поверхностью известной камеры электродов отключать не меньшие по значению токи. При этом сокращается число параллельно включенных промежутков и уменьшается поверхность электродов, что повышает электрическую прочность камеры. Исключение из конструкции стержневых электродов позволяет значительно упростить конструкцию, уменьшить ее габариты и материалоемкость. Наличие в предлагаемой камере мощного осевого магнитного поля, образуемого спиральными контактами, позволяет стабилизировать дугу и препятствовать образованию катодных пятен за пределами неподвижных контактов, а также распространению возникающих на контактах пятен на периферию перегородки и на имеющие с ней непосредственное электрическое соединение экраны 15. Это дает возможность разместить неподвижные контакты непосредственно на перегородке, за счет чего уменьшить длину камеры и приблизить экраны к этим контактам, за счет чего уменьшить диаметр камеры.

Варианты конструкции камеры, представленные на фиг. 1, 5 и 6, имеют каждый преимущественную область применения. Предпочтительным является вариант согласно фиг. 1 так как при таком варианте расположения контактов камера дает возможность получить максимальный отключаемый ток. Если камера предназначена для выключателей нагрузки, то ее лучше изготовить в соответствии с фиг. 6, так как при расположении спиральных контактов на перегородке от них улучшается теплоотвод на корпус, что позволяет получить наибольший номинальный ток камеры. Вариант камеры, выполненный в соответствии с фиг. 5, дает возможность реализовать наибольшую отключаемую мощность, поскольку при расположении спиральных контактов и на перегородке и на токоподводящих стержнях камера отключает максимальный ток при наибольшем возвращающемся напряжении.

По сравнению с известной предлагаемая камера при практически одинаковых габаритах имеет в 1,8 раза большую отключаемую мощность, что позволяет вдвое уменьшить число используемых в выключателе камер и получить экономический эффект в пересчете на одну камеру примерно 1000 руб.

1. Вакуумная дугогасительная камера, содержащая цилиндрический изоляционный корпус, ограниченный с торцов фланцами, имеющими сильфоны, и разделенный параллельной фланцам перегородкой на два отсека, внутри каждого из которых размещены неподвижный контакт, подвижный контакт, закрепленный на токоподводящем стержне, установленном по оси корпуса и проходящем через сильфон соответствующего фланца, и система экранов, один из которых электрически соединен с перегородкой, отличающаяся тем, что, с целью увеличения электрической прочности, упрощения конструкции, уменьшения габаритов и материалоемкости, по крайней мере, один из контактов каждого отсека выполнен в виде токоподводящего основания и закрепленных на нем центрального вкладыша и кольцевой периферийной части, выполненной в виде спирали с перекрывающимися концевыми участками, один из которых электрически соединен с токоподводящим основанием, причем высота кольцевой части превышает высоту вкладыша, а направление навивки кольцевых частей контактов совпадает, при этом неподвижные контакты размещены непосредственно на перегородке, а отношение расстояния между их плоскостями контактирования к наружному диаметру кольцевой периферийной части находится в пределах 0,05-1.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что перегородка выполнена из немагнитного металла или сплава, а отношение его удельного сопротивления к удельному сопротивлению меди находится в пределах 1,5-100.