Способ гашения дуги отключения в высоковольтном коммутационном аппарате и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H01H33/74 

Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть использовано в

выключателях высокого напряжения переменного и постоянного тока.

Известен способ гашения дуги в высоковольтном коммутационном аппарате (выключателе), заключающийся в том. что гашение образующейся при размыкании контактов дуги осуществляют посредством дутья сжатого газа на дугу с последующей эвакуацией плазменных образований из межконтактного промежутка.

Известен также способ гашения дуги в высоковольтном выключателе с продольным газовым дутьем, заключающийся в подаче сжатого газа с непрерывными газодинамическими характеристиками в зону дуги, образующейся при размыкании контактов, с одновременным выхлопом газа, отработанного в межконтактном промежутке в зону низкого давления.

Известная конструкция дугогаситель- ного устройства содержит полость высокого давления со сжатым газом, пневматически связанную кольцевым каналом с соплом, в котором размещены подвижный и неподвижный контакты, и полость низкого давления.

Недостаток известных способов заключающийся в том, что они не обеспечивают высокой, эффективности используемого для дугогэшения сжатого газа и ограничивают возможности повышения дугогасительной способности выключателей. Это объясняется тем, что эффективность дугогашения зависит от структуры потока дугогасящей среды и его давления. В условиях непрерывного потока дуге зсящего газа, создаваемого известными способами и устройством, повышение эффективности дугогашения достигается за счет повышения давления дугогасящего газа, что усложняет конструкцию выключателя и увеличивает его металлоемкость.

Цель изобретения состоит в повышении дугогасительной способности аппарата за счет повышения эффективности взаимодействия дуги отключения с потеком дугогасящего газа.

Поставленная цель достигается тем. что по способу гашения дуги отключения в высоковольтном аппарате, заключающемуся в том, что в полости высокого давления дуго- гасящий газ сжимают, затем формируют его в непрерывный поток, после чего направляют поток дугогасящего газа в зЬну горения дуги, перед подачей потока дугогасящего газа в зону горения дуги в непрерывном потоке дугогасящего газа генерируют колебания, преобразуя его в пульсирующий поток за счет собственной кинетической энергии непрерывного потока. Ввод пульсирующего потока в область горения дуги способствует более эффективному разрушению дуги, увеличению поверхности теплоотдачи и ускорению распада.

Спектр колебаний пульсирующего потока, направляемого в зону горения дуги, генерирует таким образом, чтобы он содержал по крайней мере одну частоту, характерную для спектра колебаний параметров дуги отключения. Наилучшее использование пульсирующего потока для гашения дуги

достигается при согласовании частоты ее колебаний с частотой колебаний пульсирующего потока, т.е. при резонансе.

Пульсирующий поток дугогасящего газа можно формировать путем разделения его

на две части, одна из которых генерирует колебания во второй части.

Способ реализуется дугогасительным устройством, содержащим полость высокого давления со сжатым газом, пневматически связанную кольцевым каналом с соплом, в котором размещены подвижный и неподвижный контакты, причем по крайней мере в один из указанных элементов введен по крайней мере один прерыватель потока

дугогасящего газа, обеспечивающий генерирование п/тьсзций в потоке дугогасяще- го газа.

Для генерирования пульсирующего по- тока дуо эсящего газа по крайней мере в

одном из , кэзэнных элементов дугогаси- тельного устройства может быть установлено пять прерывателей, расположенных равномерно по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной потоку дугогэсящего гэза. и симметричной относительно оси сопла При этом угол между соседними прерывателями равен C c2cos 5 1.618..., где а- ктассическое золотое сечение - иррациональное число, равное пределу отношения соседних чисел ряда Фибоначчи 1.1. 2, 3. 5, 8... . Такое расположение позволяет осуществить квазипериодическии (почти периодический) режим колебании с пульсирующем гстоке. характеризующийся

спектром несоизмеримых и несмешивающихся частот и. следовательно, возможностью довести без потерь колебания пульсирующего потока заданной частоты до зоны горения дуги, т.е. тот же самый квазипериодический режим колебаний с колебаниями распадающейся, т.е. теряющей устойчивость, например, при потере устойчивости ламинарного движения, дуги.

Генерирование пульсирующего потока

газа может быть достигнуто также и тем что в одном из указанных элементов дугогаси- тельного устройства по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной потоку дугогасящего газа, и симметричной относительно оси сопла, прерыватели установлены с шагом, определяемым одной из последовательностей:

1)1 А, U2 BA, Уз ABA, U4 BAABA(1)

Ui Ui-2 Ui-1,

где Ui - 1-я последбвательность расположения прерывателей;

А(В) - идентификатор наличия (отсутствия) прерывателя;

В(А) - идентификатор отсутствия (наличия) прерывателя,

а количество п; прерывателей и количество т интервалов между ними в последовательности Ui являются соседними числами ряда Фибоначчи, так что общее количество Xi прерывателей и интервалов в последовательности Uiравно

аЧ-1/а)1

Xj П1-ГТЬ

ITIi П|-1.

Такое асимметричное расположение прерывателей обеспечивает спектр колебаний пульсирующего потока со слабо отличающимися несмешизаемыми иррациональными частотами. При этом интервалы В (А) между прерывателями могут повторяться не более чем два раза подряд. Не более чем в два раза, точнее в а 1.618. разнятся между собой комбинационные частоты fi-1 и f., порождаемые частотами fAi 4-1 и fsi -f i прерывателя и интервала соответственно

f.-H пк1 fa, -t- - ± m; - i fe, + i. Частоты 1д и fs определяются как

fAi Ч- 1 т--- L

A| -4- 1 - a ( К П| 4- -, + П| j .

| ;

fB| + 1

iBi +

L

I ( К m + 1 + ni ) L ,

где К д|+ T/IBI + i - коэффициент, выбираемый по конструкционным соображениям и равный отношению линейных

размеров А| -f i прерывателя и IBI + i интервала, взятых вдоль направления их расположения;

S - полная длина, занимаемая прерывателями и интервалами;

L - размерный множитель, определяемый типом и конструкцией прерывателя;

а - скорость звука в дугогасящем газе;

, S К

IAI +1 ---

IBI + i

К П| -f 1 + ni

S

к m -f i + m

тогда

fi + 1 m -f 1 fA ± ni fe

11 m f - 11 m --т- ,r - cfi

i- pt f i-s-ao fA ± П|- 1 TB

учитывая.что

25

П| + 1 .v

11 m --- OL

eo П|

0

0

5

0

5

Введением в кольцевой канал дугогаси- тельного устройства радиальных ребер, разделяющих его на сектора с размещением в каждом секторе по крайней мере одного прерывателя, достигается конструктивное удобство расположения прерывателей, использования ребер в качестве элементов резонатора, возможность автономного г возбуждения колебаний разных частот в отдельных секторах.

Одним из конкретных конструктивных исполнений прерывателя является консоль- но закрепленная пластинчатая пружина, размеры которой выбраны из условия наличия зазора между ее свободным концом и окружающими ее стенками, а расположение - с возможностью пересечения потока дуго- гасящего газа. Это позволяет реализовать генерацию одночастотных колебаний в потоке дугогасящего газа.

В качестве прерывателя может быть выбран шарик из упругого материала, закрепленный посредством гибкой связи на стенках кольцевого канала или ребра. Этим достигается генерация многочастотного спектра колебаний в потоке дугогасящего газа за счет того, что времена между соударениями шарика о стенки не сохраняются постоянными.

В дугогасительном устройстве, содержащем кольцевой канал с радиальными ребрами, прерыватель может быть выполнен в виде шариков, свободно размещенных между ребрами кольцевого .канала, ширина которого между ребрами как со стороны полости высокого давления, так и со стороны сопла, должна быть меньше диаметра помещенного между ребрами ширика. Этим обеспечивается генерация многочастотного спектра колебаний в пульсирующем потоке. а также согласование этого спектра с собственным спектром частот колебаний дуги.

Прерыватель может быть также выполнен в виде продольных углублений (глухих отверстий) в стенках, ограничивающих тракт потока дугогасящего газа и расположенных вдоль него одного из указанных эяе- ментов (полости высокого давления, стенках кольцевого канала, ребрах, сопле, подвижного и неподвижного контактов). Продольный размер углублений | выбирается из условия

2li a/fi,

где fi - требуемая частота пульсаций в потопе дугогасящего газа;

а - скорость звука в дугогасящем газе,

Этим обеспечивается генерация колебаний акустического диапазона частот в потоке дугогасящего газа, так как каждое углубление забирает часть потока дугогасящего газа и генерирует в основном потоке колебания частоты fi..Соотношение 2li - a/fi вытекает из следующих соображений. Частота генерируемых в углублениях колебаний обратна их периоду ti, т.е. нь длину 2li. Поскольку скорость распространения этих ког 5аний определяется скоростью звука в потоке дугогасящей среды а, то пеоиод ti равен tr21i/a. а так как ti-1/fi, то2Ь- a/fi

На фиг. 1 показаны распределение (а) во времени давления в потоке дугогасящего газа и схема (б) разделения потока на две составляющие; на фиг. 2 - дугогасительное устройство с прерывателями: на фиг 3 - схемы симметричного (а) и асимметричного (fcj размещения прерывателей в кольцевом кзнале.

Кривая 1 (фиг. 1 а) показывает качественный характер распределения во времени давления непрерывного потока дугогасящего газа. т.е. без пульсаций; кривая 2 - собст- венные колебания дуги; кривая 3 - колебания давления в пульсирующем потоке дугогасящего газа, создаваемые по предлагаемому изобретению.

Поток 4 дугогасящего газа (фиг. 16) разделяется на две части, одна из которых 5 попадает в углубление 6, являющееся резонатором, а в другой части 7 воспринимаются колебания, возбуждаемые резонатором.

Дугогасительное устройство высоковольтного коммутационного аппарата состоит из полости 8 высокого давления с клапаном 9, кольцевого канала 10, сопла 11 с размещенными в нем подвижным 12 и неподвижным 13 контактами и прерывателей

14.

Устройство работает следующим образом.

При открывании клапана 9 сжатый в полости 8 дугогасящий газ через прерыватели

14, кольцевые каналы 10 и сопло 11 направляется в область горения дуги отключения между контактами 12 и 13. Колебания прерывателя 14 преобразуют непрерывный поток дугогасящего газа в пульсирующий.

Пять прерывателей, равномерно установленные по окружности кольцевого кана-. ла 10 и разделенные радиальными ребрами 15, имеют между собой центральный угол a-2cos v5 - 1,618... рад (фиг. За).

При пересечении прерывателей 14 (фиг. За и б) потоки дугогасящего газа в них воз-, буждают колебания с близкими иррациональными (несоизмеримыми) частотами пульсаций, что обусловлено заданным углом а. . Эти колебания возбуждают в газовом потоке соответствующие пульсации, которые передаются- в оСласть горения дуги отключения и способствуют ее гашению. Асимметричное расположение прерывателей (фиг. 36) и интервалов между ними по окружности кольцевого канала, разделенных радиальными ребрами 15 в соответствии с выражением (1). например при I - 5, Us-ABABAABA; Xs - 8; ns-5; ms-З; К- 1;

1д - IB S/8, тацоке способствует генерации близкого к иррациональному пульсирующего потока.

Работа прерывателей при таком их расположении аналогична работе прерывателей при их расположении по фиг. За.

Выполнение прерывателей 14 в виде шарика из упругого материала на гибкой связи или свободно размещенного в кольцевом канале между ребрами шарика из упрутого материала, или пластинчатых пружин приведено на фиг. 2, За и б.

Их работа аналогична описанной. Так, при использовании в качестве прерывателя шарика, с помощью гибкой связи прикрепленного к стенке кольцевого канала, при воздействии на него потока газа шарик начинает колебаться с частотой, определяемой длиной гибкой связи и стенками кольцевого канала, ударяясь о стенки кольцевого канала, генерируя пульсации в потоке газа.

При использовании в качестве прерывателя свободно размещенного при пересечении его потоком газа он начинает

колебаться между стенками кольцевого канала и ребрами, генерируя пульсации в потоке газа. При этом размер кольцевого канала между ребрами как со стороны полости высокого давления, так и со стороны сопла, меньше диаметра шарика. Это сделано с целью сохранения местоположения шарика между радиальными ребрами.

На фиг. 3 показаны Н - ширина кольцевого канала между ребрами в зоне перемещения шарика; h - ширина кольцевого канала между ребрами со стороны полости низкого {аналогично и высокого) давления, причем гКН.

При использовании в качестве прерывателя пластинчатой пружины под воздействием потека газа в ней возникают автоколебания, которые передаются Е виде пульсаций потоку дугогасительного газэ.

На фиг. 2 показано выполнение прерывателя в виде углубления, выполненного в стенке дугогасительногс устройства В месте входа в углубление дугэгасяший поток раздваивается: одна часть проходит в углубление, отражается от задней стенки и приходит обратно к месту разветвления;другзя часть свободно проходит вниз по потоку в область горения дуги.

Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить дугогасительную способ- ность без увеличения габаритов и металлоемкости аппарата. Кроме того, повышается надежность работы выключателя в энергосистеме.

Использование перечисленных прерывателей и расположение их в непосредственной близости от дуги отключения позволяет повысить эффективность взаимодействия дуги отключения с потоком дугога- сящего газа.

Формула изобретения

1. Способ гашения дуги отключения в высоковольтном коммутационном аппарате , заключающийся в том, что сжимает ду- гогасящий газ в полости высокого давления, формируют его в непрерывный поток, после чего направляют поток газа в зону горения дуги, отличающийся тем, что, с целью повышения дугогасительной способности аппарата за счет повышения эффективности взаимодействия дуги отключения с потоком, перед подачей потока дугогасящего газа в зону горения дуги в непрерывном потоке дугогасящего газа генерируют колебания, преобразуя его в пульсирующий поток.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в спектре колебаний пульсирующего потока дугогасящего газа генерируют по крайней мере одну частоту, характерную

для спектра колебаний параметров дуги отключения.

3. Способ по пп. 1и2,отличающи- й с я тем, что поток дугогасящего газа раз- деляют на две части, одна из которых генерирует колебания в другой части.

4. Дугогасительное устройство высоковольтного коммутационного аппарата, содержащее полость высокого давления,

пневматически связанную кольцевым каналом с соплом, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты, отличающееся тем, что, с целью повышения дугогасительной способности, по крайней

мере один из указанных элементов снабжен по крайней мере одним прерывателем потока дугогасящего газа.

5. Устройство поп.4, отличэющее- с я тем, что по крайней мере в одном из

указанных элементов установлены пять прерывателей, расположенных равномерно по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к потоку дугогасящего газа, и симметричной относительно оси сопла,

6. Устройство по п. 4,отличэющее- с я тем, что по крайней мере в одном из указанных элементов по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к потоку дугогасящего газэ, и симметричной

относительно оси сопла, прерыватели установлены с . определяемым одной из I последовательностей:

Ui -A.

U2 В А.

Уз АЕА,

LU- ВААВА,

где Ui - 1-я последовательность ратоложения прерывателей;

А(В) - идентификатор н&личия (отсутст- вия) прерывателя;

В(А) - идентификатор отсутствия (наличия) прерывателя.

7. Устройство по пп. 4-6, отличающееся тем, что кольцевой канал снабжен радиальными ребрами, разделяющими его на сектора, причем в каждом секторе размещен по крайней мере один прерыватель.

8. Устройство по пп. 4-7, отличающееся тем, что в качестве прерывателя выбрана консольно закрепленная пластинчатая пружина.

9. Устройство по пп. 4-7, отличаю- щ е е с я тем, что в качестве прерывателя выбран шарик из упругого материала, закрепленный посредством гибкой связи на стенках кольцевого канала или ребра.

10. Устройство по пп. 4-7, отличающееся тем, что в качестве прерывателя

выбран свободно размещенный в кольцевом канале шарик из упругого материала, причем ширина кольцевого канала между ребрами как со стороны полости высокого давления, так и со стороны сопла, меньше диаметра шарика.

11. Устройство по пп. 4-6, отличающееся тем, что прерыватель выполнен в виде углублений, расположенных, по направлению движения потока дугогасящего

рз

газа по крайней мере в одном из указанных элементов, причем размер углублений выбран из условия

2li-a/fi,

где li - продольный размер углубления;

fi - требуемая 1-я частота колебаний дугогасящего газа;

а - скорость звука в дугогэсящем газе.

Изобретение относится к области высоковольтной техники и может быть использовано в выключателях высокого напряжения переменного и постоянного тока. Цель изобретения - повышение дугогасительной способности аппарата за счет, повышения эффективности взаимодействия эффективности взаимодействия дуги отключения с потоком дугогасящего газа (ДГ). Способ заключается в сжатии ДГ в полости высокого давления и формировании его в непрерывный поток. После этого направляют поток газа в зону горения дуги, перед подачей потока ДГ в зону горения дуги в непрерывном потоке ДГ генерируют колебания, преобразуя его в пульсирующй поток. Кроме того, в спектре колебаний пульсирующего потока ДГ генерируют по крайней мере одну частоту, характерную для спектра колебаний параметров дуги отключения. Пульсацию потока создают также разделением его на две части, одна из которых генерирует колебания во второй части. В дугогасящем устройстве, содержащем полость высокого давления, пневматически связанную кольцевым каналом с соплом, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты, по крайней мере один из указанных элементов снабжен как минимум одним прерывателем (П) потока ДГ. Для создания пульсирующего потока допускается использовать пять П. поскольку это оптимальное количество для нарушения устойчивости дуги при условии, что а 2cos v5 1,618..., рад, где а-классическое золотое сечение (угол между соседними прерывателями) - иррациональное число, равное пределу отношения соседних чисел ряда Фибоначчи. Такое расположение прерывателей позволяет осуществить квазипериодический (почти периодический) режим колебаний в пульсирующем потоке. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л С VI О VI о 1±

/Ч

а)

5)

Ю

1 /

У

5 7

W

В

щ

А-А

15