Высоковольтный коммутационный аппарат и горючая газовая смесь для привода высоковольтного коммутационного аппарата Советский патент 1991 года по МПК H01H33/68 H01H37/76 

сл

с

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение быстродействия, величины коммутируемых токов и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы. За счет выполнения подвижного контакта со сквозными прорезями обеспечивается создание параллельных дуг отключения, которые разделены потоками дугогасительного наполнителя. Цилиндр привода выполнен двойным с полостью между стенками, разделенной на отдельные камеры, сообщающиеся с полостью цилиндра привода радиальными отверстиями. Трубопровод для подачи горючей смеси пропущен через наружную стенку цилиндра привода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутации сильноточных и высоковольтных электрический цепей, например, в импульсных энергосистемах термоядерных установок.

Целью изобретения является повышение быстродействия и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы.

Нафиг.1 представлен коммутационный аппарат с замкнутыми контактами, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.7 - коммутационный аппарат с разомкнутыми контактами, общий вид.

Коммутационный аппарат содержит ду- гогасительную камеру 1, камеру 2 сгорания, рабочий цилиндр 3, цилиндр 4 привода,

дифференциальный поршень 5, подвижный

6и неподвижный 7 контакты, токосъемные контактные элементы 8, размещенные в диэлектрическом фланце 9, трубопроводы 10 и 11 для подачи компонентов горючей газовой смеси. Прижим ламелей неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6 осуществляется при поступательном перемещении рабочего цилиндра 3 при повороте штурвала 12. К подвижному контакту 6 жестко прикреплен диэлектрический шток 13, имеющий канавку 14 для управляемых фиксаторов 15. Ламели неподвижного контакта

7расположены вокруг рабочего цилиндра 3 со стороны одного из его торцов, а со стороны другого торца установлена малая головка дифференциального поршня 5. Полости камеры 2 сгорания и цилиндра 4 привода разделены большой головкой поршня 5. Полости дугогасительной камеры 1 и рабочего цилиндра 3 заполнены жидким дугогаю VI

сительным наполнителем. Большая головка дифференциального поршня 5 выполнена в виде двух дисков, один из которых (16) обращен к полости цилиндра 4 привода, а второй (17) - к полости камеры 2 сгорания. Первый диск 16 расположен с кольцевым зазором 18 относительно стенки цилиндра 4 привода, между боковыми поверхностями второго диска 17 и цилиндра 4 привода установлено уплотнение 19, между дисками 16 и 17 имеется полость 20, соединенная с полостью камеры 2 сгорания аксиальными каналами 21, выполненными во втором диске 17, и с полостью цилиндра привода 4 с помощью зазора 18 и радиальных каналов 22, при этом в радиальных каналах 22 установлены клапаны 23 напуска газовой смеси. Боковая стенка цилиндра 4 привода выполнена двойной: между наружной 24 и внутренней 25 стенками имеется полость, разделенная по длине цилиндра 4 привода непроницаемыми перегородками 26 на отдельные камеры 27,28 и 29, соединенные с внутренней поверхностью цилиндра 4 привода с помощью соответствующих каждой камере 27, 28 и 29 групп отверстий 30 во внутренней стенке 25 цилиндра привода 4. Расстояние Si между осями первого и последнего отверстий 30 в группах отверстий каждой камеры 27,28, кроме последней 29, считая от камеры 2 сгорания, меньше разности толщины па уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверстия 30 (Si 02 - d). В последней камере 29 расстояние Sn между осями первого и последнего отверстий 30 больше толщины Н большой головки дифференциального поршня 5 (Sn H). Трубопроводы 10 и 11 для подачи компонентов газовой смеси расположены в наружной стенке 24 цилиндра 4 привода. По торцам цилиндра 4 привода расположены фланцы 31 и 32. Для заполнения внутренней полости коммутационного аппарата электропрочной жидкостью служит клапан 33, а для стравливания избыточного давления в дугогасительной камере 1 - клапан 34, в камере 2 сгорания имеется клапан 35. Дуго- гасительная камера 1 установлена на диэлектрическом основании 36, на котором также укреплен диэлектрический фланец 37. Внутри диэлектрического основания 36 проходят герметичные токовводы 28, соединенные с неподвижным контактом 7 и коаксиальными кабелями 39. На наружной поверхности подвижного контакта 6 выполнены пазы 40 (см. фиг.6), которые расположены напротив зазоров 41 между ламелями неподвижного контакта 7 и промежутков между токосъемными контактами 8. Со стороны торца, обращенною к ламелям неподвижного контакта 7, пазы 40 переходят в сквозные прорези 42, длина LI которых не меньше суммы длин и соответственно перекрытия подвижного и неподвижного

контактов (фиг.6) и контактного промежутка (Li 1.2 + La). Токосъемные контактные элементы 8 расположены в отверстиях диэлектрического кольцеобразного фланца 9, выступы 43 которого входят в пазы 40 по0 движного контакта 6. С помощью токовво- дов 44 токосьемные контактные элементы 8 соединяются со стенкой дугогасительной камеры 1, которая выполнена из металла. Для торможения и возвращения подвижно5 го контакта 6 в исходное положение служит пружина 45. В стенке камеры 2 сгорания размещен искровой разрядник 46, необходимый для зажигания газовой смеси.

В качестве горючей газовой смеси в ком0 мутационном аппарате использована смесь из пропана (СзНе) и кислорода (02) состава, вес.%: пропан 11,5 - 12; кислород - остальное. Состав смеси выбран из условий полного сгорания пропана и взрывобезопасности.

5 Коммутационный аппарат работает следующим образом.

Сначала в камеру 29 подается кислород по трубопроводу 10. Кислород через отверстия 30 во внутренней стенке 25 цилиндра 4

0 привода поступает во внутреннюю полость последнего, затем в кольцевой зазор 18, клапаны 23 напуска газовой смеси, полость 20, аксиальные каналы 21, полость камеры 2 сгорания. После прекращения подачи кис5 лорода начинается подача пропана по трубопроводу 11 в камеру 28, затем аналогично кислороду пропан поступает в полость камеры 2 сгорания. В сообщающихся камерах 27, 28 и 29 полости 20, полости цилиндра 4

0 привода и камере 2 сгорания происходит образование горючей газовой смеси. Такая последовательность заполнения обеспечивает взрывобезопасность, поскольку в процессе заполнения не возникают

5 взрывоопасные концентрации в смеси пропан - кислород (1:2 - 1:10). После заполнения газовой смесью все магистрали перекрываются запорными вентилями и газы из них стравливаются.

0 В замкнутом положении контактов ток протекает по цепи: герметичный токоввод 38, ламель неподвижного контакта 7, подвижный контакт 6, токосъемный контактный элемент 8, токоввод 44. стенка

5 дугогасительной камеры 1 -и далее, например, по коаксиальным кабелям 39, симметрично расположенным по периметру в соответствии с количеством ламелей.

При подаче импульса напряжения на искровой разрядник 46 происходит зажигание

горючей смеси в полости камеры 2 сгорания. Газовая смесь загорается также в аксиальных каналах 21 и в полости 20. Распространению горения в полость цилиндра 4 привода и камеры 27, 28 и 29 препятствуют уплотнения 18 и клапаны 23 напуска газовой смеси. Под действием давления продуктов горения в камере сгорания в каналах 21 и в полости 20 начинается ускоренное (ускорение а) совместное движение дифференциального поршня 5. жидкого ду- гогасительного наполнителя в полости 47 рабочего цилиндра 3 и подвижного контакта 6. Через зазоры 41 (фиг.б) между ламелями неподвижного контакта 7 и сквозными прорезями 42, выполкекными в пазах 40 подвижного контакта 6, начинается истечение затопленных струй жидкости в полость ду- гогасительной камеры 1. К моменту разрыва контактов подвижный контакт 6 набирает скорость vi.

Когда поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршня 5, обращенная к полости камеры 2 сгорания, займет положение в плоскости оси первого отверстия в группе отверстий 30 камеры 23, полости камеры 2 сгорания и камеры 27 становятся сообщающимся. Происходит зажигание горючей газовой смеси в полости камеры 27. Горение не распространяется в полость цилиндра 4 привода перед первым диском 16 и в камеры 28 и 29, поскольку перед моментом, когда камера 27 и камера 2 сгорания становятся сообщающимися, сообщение камеры 27 и цилиндра 4 привода прекращается, так как расстояние Si (фиг,1) между осями первого и последнего отверстий 30 в группе отверстий камеры 27 меньше разности толщины ha уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверстия 30 (Si h2 - d). При горении смеси в камере 27 давление на поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршня 5 начинает увеличиваться. Кроме того, при движении поршня 5 увеличивается давление и на поверхность первого диска 16, обращенную к полости цилиндра 4 привода, но давление в цилиндре 4 привода возрастает пропорционально уменьшению объема газа (в 1,5 - 2 раза), а давление в камере 2 сгорания, в камере 27 увеличивается почти в 100 раз при сгорании газовой смеси. Возрастание давления в камере 2 сгорания и камере 27 приводит к увеличению силы, разгоняющей поршень 5, поэтому он движется уже с ускорением 32 ai. Аналогичным образом происходит загорание газовой смеси в камере 2, после чего поршень 5 движется с ускорением

аз 32 ai. Количество камер, подобных 27 и 28. служащих для дополнительного разгона поршня, выбирается в зависимости от параметров коммутационного аппарата. Ес- 5 ли увеличиваются значения коммутируемого тока, увеличивается, соответственно, и время коммутации, Поэтому число дополнительных камер выбирается из условия поддержания ускоренного потока дугогасящей

0 жидкости в течение всего времени коммутации.

В момент, когда поверхность второго диска 7 большой головки дифференциального поршня 5 займет положение в плоско5 сти оси первого отверстия в группе отверстий 30 камеры 29, происходит зажигание газовой смеси в полости камеры 29, а затем горение распространяется в полость цилиндра 4 привода, перед первым диском

0 16. Зажигание газовой смеси в указанный момент в полости цилиндра привода 4 осуществляется струями воспламененной газовой смеси, истекающими из последней камеры 29 через отверстия во внутренней

5 стенке 25 цилиндра 4 привода, которые остаются не перекрытыми уплотненной поверхностью второго диска 17 большой головки поршня 5, так как в последней камере 29 расстояние Sn между осями первого и

0 последнего отверстий 30 больше толщины Н большой головки дифференциального поршня 5 (Sn Н). Давление на поверхность диска 16, обращенную к полости цилиндра 4 привода, начинает резко нарастать, что

5 приводит к торможению и остановке поршня 5.

При разрыве цепи подвижный контакт б - ламели неподвижного контакта 7 между кромками контактов загораются электриче0 ские дуги отключения, на которые воздействует поток электропрочной жидкости, истекающий из полости 47 рабочего цилиндра 3 через открывающийся кольцеобразный канал, образованный контактами б и 7,

5 в дугогасительную камеру 1. После того, как полностью открывается кольцеобразный зазор между контактами 6 и 7, подвижный контакт б тормозится с помощью пружины 45 и удерживается в конечном положении

0 управляемыми фиксаторами 15. Количество параллельных электрических дуг отключения соответствует числу ламелей неподвижного контакта 7, разделенных зазорами 41, и такому же числу участков подвижного кон5 такта б, разделенных радиальными каналами 42. Смещению и перекосу подвижного контакта 6 относительно ламелей неподвижного контакта 7 препятствуют выступы 43 диэлектрического кольцеобразного фланца 9, входящие в пазы 40 подвижного

контакта 6 (см. фиг.2 и 6). Под действием потока электропрочной жидкости происходит перемещение дуг по каналу, образованному кольцеобразными диэлектрическими фланцами 9 и 37. Объединению отдельных дуг в один или несколько мощных разрядов препятствуют сформированные до раскрытия контактов потоки электропрочной жидкости, истекающие через зазоры 41 между ламелями неподвижного контакта 7 и радиальные каналы 42, выполненные в пазах 40 подвижного контакта 6. Такая геометрия потока дугогасящей жидкости способствует также интенсивному охлаждению дуг. На большей части контактной поверхности дуг отключения и невозмущенной электропрочной жидкости в дугогасительной камере 1 имеются условия для развития неустойчивости Рэлея-Тейлора. т.е. градиент плотности сред и ускоренное движение в его направлении. Инкремент нарастания неустойчивости у с учетом того, что/Эж PR, имеет вид

у vk -a

где РЖ плотность электропрочной жидкости;

/Од - плотность плазмы дуги;

а - ускорение контактной поверхности, направленное от дуги к невозмущенной электропрочной жидкости;

к - волновой вектор k -т- ,

где Я - длина волны.

Неустойчивыми являются только гармоники, длина волн которых превышает некоторую критическую величину Ямин Эту величину и следует считать характерным расстоянием между фонтанчиками. Критическая длина волны

Ямин 2 П

где а- коэффициент поверхностного натяжения;

р плотность жидкости;

а - ускорение контактной поверхности.

При развитии неустойчивости Рэлея- Тейлора дуга, принимающая к этому моменту благодаря воздействию электропрочной дугогасящей жидкости форму пленочного разряда, пронизывается струями холодной дугогасящей жидкости. Происходит интенсивное перемешивание плазмы дуги с холодным газом, образовавшимся при испарении дугогасящей жидкости, объемная рекомбинация, возникновение диффузного (темного) разряда на переднем фронте

потока между частями дуги, параллельными потоку. На дуге нарастает напряжение, происходит коммутация тока в нагрузку. Применение в качестве дугогасящей среды

сжиженной шестифтористой серы, имеющей высокие электроотрицательные свойства, позволяет избежать повторных пробоев и успешно завершить коммутацию При срабатывании коммутационного аппарата в полости дугогасительной камеры 1 образуется избыточное давление паров электропрочной жидкости, которое при достижении пре- дельной величины стравливается в магистраль через клапан 34.

В исходное положение элементы коммутационного аппарата возвращаются следующим образом.

Сначала стравливается через клапан 35 избыточное давление из камеры 2 сгорания.

Под действием избыточного давления в дугогасительной камере 1 дифференциальный поршень 5 перемещается в начальное положение. Избыточное давление из полости цилиндра 4 привода стравливается через

кольцевой зазор 18. клапаны 23 напуска газовой смеси, полость 20, аксиальные каналы 21 в полость камеры 2 сгорания. Снимается усилие с ламелей неподвижного контакта 7. Для этого рабочий цилиндр 3 перемещается

в обратном направлении с помощью штурвала 12, затем подается команда на управляемые фиксаторы 15. Под действием пружины 45 подвижный контакт б возвращается в исходное положение. С помощью

штурвала 12 рабочий цилиндр 3 перемещается в начальное положение и прижимает ламели неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6.

Конструкция большой головки дифференциального поршня и цилиндра привода данного коммутационного аппарата позволяют создать ускоренный поток электропрочной жидкости в дугогасительной камере, эффективно воздействующий на дугу отключения. За счет увеличения скорости удлинения дуг и развития на контактной поверхности дуг и невозмущенной электропрочной жидкости неустойчивости Рэлея-Тейлора время коммутации уменыиается примерно в 1,5 раза по сравнению с известным устройством.

Торможение поршня 5 в данном аппарате осуществляется эффективнее, чем в известном устройстве.

Это связано с тем, что в известном устройстве поршень тормозится в результате постепенного повышения давления воздуха в цилиндре привода, а в данном коммутационном аппарате давление в цилиндре привода возрастает в необходимый момент при воспламенении горючей газовой смеси. В коммутационном аппарате заполнение горючей газовой смеси осуществляется через трубопроводы, расположенные в наружной стенке цилиндра привода. Это исключает случайный уход поршня из начального положения при подготовке к пуску, возможный в устройстве-прототипе, и повышает надежность коммутационного аппарата. В предлагаемом коммутационном аппарате параллельные дуги отключения, возникающие при разрыве контактов, надежно разделены потоками электропрочной жидкости, истекающими через зазоры между ламеля- ми неподвижного контакта и радиальные каналы, выполненные в подвижном контакте. Поэтому в коммутационном аппарате величина коммутируемого тока может быть увеличена почти в 1,3 раза приуменьшении эрозии контактов по сравнению с известным устройством, так как в последнем че обеспечивается параллельное дугогашение в течение всего времени коммутации. В коммутационном аппарате в процессе заполнения горючей газовой смесью и во время работы аппарата не возникают взрывоопасные концентрации газовой смеси.

Формула изобретения

5 внутренней полостью цилиндра привода посредством соответствующей этой камере группы радиальных отверстий, выполненных во внутренней стенке цилиндра привода, расстояние между осями первого и

0 последнего радиальных отверстий каждой камеры, кроме последней, считая в направлении от камеры сгорания, выбрано меньшим разности толщины уплотненной части второго диска и диаметра радиального от5 верстия, в последней камере расстояние между осями первого и последнего отверстий выбрано большим толщины большой головки дифференциального поршня, а трубопроводы для подачи компонентов газо0 вой смеси пропущены через наружную боковую стенку цилиндра привода.

0 подвижного и неподвижного контактов в замкнутом положении контактов и контактного промежутка в разомкнутом положении контактов, а токосъемные контактные элементы расположены в отверстиях дополни5 тельно введенного диэлектрического кольцеобразного фланца, выступы которого входят в указанные пазы подвижного контакта.

30

J2

« #ЯЛ

Фиг.1

дежности и безопасности, она имеет следующий состав, мас.%:

Пропан11,5-12

КислородОстальное

19

iH

д Фиг. 2.

Фиг.З

Ј ii

-. 4s

a

NJ

о

CD -g

31 13

Фиг.&

/4 Я

13

47 3768 Фие.7