АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Советский патент 1971 года по МПК H01H33/664 

Известны автоматические вакуумные выключатели, содержащие вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные Конденсационные экраны и электроды - анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные при помощи сильфонов, причем один или оба электрода выполнены подвижными и связаны с Приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги. Однако применение таких выключателей в цепях постоянного тока ограничено, так как при этом необходимы специальные устройства, услоЖНяющие работу выключателя и установки в целом.

В предлагаемом выключателе с целью повыщения надежности работы и снижения износа контактных поверхностей электродов при воздействии на них электрической дуги катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает ее неконтактирующую поверхность. Кроме того, предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспечивает расположение экрана из электроизоляционного материала между анодом и катодом.

В выключателе могут быть предусмотрены дополнительные электроды - катоды и.аноды, образующие дополнительные разрывные промежутки, последовательно соединенные с основным промежутком.

Анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены между собой и с анодом зажигания через резисторы, а катод выполнен так, что он в процессе отключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.

В случае выполнения дугогасительной камеры цилиндрической формы вспомогательные аноды расположены по спирали на цилиндрической стенке камеры, а катод перемещается вдоль оси камеры.

Резисторы могут быть расположены вне вакуумированной камеры.

Вспомогательные аноды присоединены внутри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы.

Для предотвращения возникновения дуги между вспомогательными анодами последние снабжены экранами из изоляционного материала.

Катод может быть изготовлен из материала с отнпг.ительно высоким давлением паров. В вЫКЛЮчателе может быть предусмотрен анод возбуждения, который нитается от отдельного источника. Экран представляет собой слой керамического материала, укрепленный на катоде. Экран может быть располол еи на некотором расстоянии от катода. Между анодом и катодом могут быть включены резисторы, расположенные преимущественно вне вакуумированной камеры. На фиг. 1 показан нредложенный выключатель с подвижными электродами; на фиг. 2 - то же, с подвижным анодом; на фиг. 3 и 4 - то же, с донолнительными разрывными промежутками; на фиг. 5 - то же, со вспомогательными анодами; на фиг. 6 и 7 - то же, со вспомогательными анодами, снабженными экранами из изоляционного материала; на фиг. 8 - то же, с управляющим анодом; на фиг. 9 и 10 - варианты вынолнепия электродов - анода и катода и устройства для их перемещения. Выключатель содержит вакуумированную камеру /, анод 2 и катод 3. Анод укреплен на стержне 4, проходящем через отверстие 5 в стенке камеры. Если стенки камеры изготовлены из электропроводного материала, то в качестве втулки предусматривается диск 6 из изоляционного материала, изолирующий стержень и анод от камеры. К стержню и стенкам камеры примыкает сильфон 7, что обеспечивает поддержание вакуума. Для нредохранения сильфона и изолирующего диска от паров материала катода на стержне 4 укреплен экран 8. Катод 3 вынолнен из материала, имеющего соответствующее высокое давление паров. По неконтактирующей поверхности катод окружен экраном 9, например, из керамического, главным образом, изоляционного материала, так что остается свободной только его верхняя поверхность, расноложенная против анода. Катод укреплен на 10, который, как и у анода, проходит через отверстие II с втулкой 12 из изоляционного материала. Сильфон 13 герметизирует вакуумную камеру снаружи. Стержни 4 и 10 могут быть соединены между собой через активное сопротивление 14 и связаны с приводным устройством (на чертеже не показано), осуществляющим их продольное перемещение по стрелкам 15- 17. Кроме того, предусмотрены автоматические выключатели 18 и 19. Когда токовая цепь замкнута, анод и катод примыкают друг к другу (см. фиг. 1). В начале процесса отключения катод перемещается вниз в нанравлении стрелки 15. Таким образом анод и катод расходятся, и между ними возникает дуга. На катоде образуется катодное нятно, эмиттирующее нроводящую плазму, которая выше горизонтальной плоскости, проходящей через верхнюю поверхность катода. Плазменная струя является наиболее сильной в нанравлении, перпендикулярном этой плоскости, уменьшается к ее краям и роцесса отключения состоит в том, что аНОД еремещается влево в направлении стрелки 6, благодаря чему он выводится из наиболее лотной части плазменной струи. В то же ремя расстояние между анодом и катодом возрастает. Эти факторы приводят к тому, что повышается напряжение дуги. При отключении автоматический выключатель 19 размыкается, напряжение на промежутке анод - катод возрастает, и зажигается дуга. В предлагаемом варианте иснолнения выключателя катод 5 неподвижен, а анод 2 выполнен поворотным и не может перемещаться в вертикальном направлении. Анод укреплен на одном конце стержня 20. На стержне имеется щпилька 21, входящая в установочный корпус 22, окружающий стержень. Установочный корпус укреплен посредством элемента 23 на стенке камеры. Другим своим концом стержень 20 укреплен посредством щарнирного соединения 24 на оперативной тяге 25, что дает возможность стержню 20 с анодом 2 поворачиваться независимо от оперативной тяги, цричем анод в вертикальном нанравлении следует за движением оперативной тяги в вертикальном направлении. Стержень 20 и тяга 25 соединены проводником 26, так как тяга служит в качестве токопроводящего элемента. В начале процесса отключения оперативная тяга 25 и стержень 20 отжимаются вверх. Шпилька 2/ также передвигается вверх по левой вертикальной канавке 27. Достигнув наивысщего положения в вертикальной канавке, щнилька скользит но наклонному участку 28, обусловливая поворот стержня 20 таким ооразом, что анод отходит от катода. Когда щпилька достигает наивысщей точки 29 наклонного участка, перемещение вверх нрекращается, и шпилька начинает двигаться вниз но участку 30. Когда а под достигает своего крайнего левого положения, катод начинает двигаться вверх в направлении стрелки 17. Таким образом, анод приходит в контакт с менее плотной плазмой, и напряжение зажигания увеличивается. Когда анод занимает положение ниже плоскости, проходящей через эмнттирующее плазму катодпое пятно, то он располагается в зоне пространственного заряда, в которой дуга в основном поддерживается только электронами, постунающими из плазмы. Таким образом, нанряжение зажигания очень быстро повышается до больших значений, вызывая соответствующее уменьшение тока в дуге до такой малой величины, что дуга гаснет, и токовая цень обрывается. Это положение действительно для ценей, обладающих малой индуктивностью. В случае длинной линии постоянного тока, имеющей относительно больщую индуктивность, отключение нроисходит не мгновенно, а настолько медленно, на сколько это требуется для рассеивания индуктивной энергии. Поэтому необходимо соединение анода и катода торое потребляет ток при гашении дуги. Относительно небольшой оставшийся ток может быть отключен обычным автоматическим выключателем 18. При замкнутой цепи ток может и не протекать через анод и катод. Сопротивление 14 при этом закорачивается автоматическим выключателем 19. Затем анод и катод размыкаются, причем катод перемещается вниз. Ток протекает через два замкнутых автоматических выключателя 18 и 19. В этом случае контактная поверхность анода на.ходится плоскости, проходящей через эмитирующее плазму катодное пятно, и большая часть дуги проходит в зоне, в основно.м свободной от плазмы, причем получается большое падение напряжения на дуге, и значительно снижается сила тока. В выключателе (см. фиг. 3) полная длина дуги разделена на пять участков, образованных двумя U-образными соединительными элементами 31 и 32, укрепленными на стержне 20. каждый из которых имеет анод 33 и катод 34, и двумя подобными соединительными элементами 55 и 36, укрепленными при помощи изолирующих столбиков 37-39 и также имеющими анод 33 и катод 34. Между каждой парой взаимодействующих анодов и катодов размещен экран 40 из изоляционного материала. В начале процесса отключения оперативная тяга 25 перемещается вниз, и дуги образуются между анодом 2 и верхним катодом 34, между тремя взаимодействующими анодами 33 и составными катодами 34 и между катодом 3 и нижним анодом 33. Когда шпилька 21 выходит из левой вертикальиой канавки 27 и переходит на наклонный участок 28, стержень 20 начинает поворачиваться до тех пор, тюка щпилька не выйдет па нижнюю точку своего пути. Затем направление движения тяги 25 меняется на обратное, и стержень 20 подается вверх, посредством чего достигается такое положение, при котором аноды располагаются сзади плоскости, ограничивающей зону существования плазмы. Экраны 40 препятствуют тому, чтобы плазма, эмитируемая в этой точке разрыва, достигла электродов в соседней точке разрыва. Стержепь 10 с катодом 3 (см. фиг. 4) может быть удлинен двумя изолирующими столбиками 4 и двумя соединительными элементалги 42 и 43, каждый из которых имеет анод 44 и катод 45. На стержне 4, поддерживающем анод 2, имеются два соединительных элемента 46 и 47, разделенных изолирующим элемеитом 48. Между стержнем 4 и соединительным элементом 47 также расположен изолирующий элемент 48. В начале процесса отключения стержень W подается вниз, что вг тзывает зажигание ДУГ па участках. Затем стержень 4 перемещается влево, и стержень 10 подается вверх. Применением магнитного поля можно получить еще большее напряжение зажигания. Кроме основного анода 49 (зажигания) автоматический выключатель (см. фиг. 5) может иметь несколько вспомогательных анодов 50-55, которые укреплены на стенке камеры и изолированы один от другого. Анод зажигания и вспомогательные аноды соединены один с другим через актив 1ые сонротивле)и1я 56- 61. Вспомогательные а йоды окружены экранами 62 из изоляционного материала (см. фиг. 6 и 7), которые препятствуют образованию дуги между ними, так как в процессе отключения они различные потенциалы. В данном случае стенка камеры 1 выполнена цилиндрической формы, и таким образом вспомогательные аноды находятся на одинаковом радиальном расстоянии от оси камеры, вдоль которой иерсмегцаеся катод в процессе отключения. Кроме того, вспомогательные аноды могут быть расположены на стенке камеры по спирали. Процесс отключения начинается с того, что катод 3 опускается и между анодом зажигания и катодом образуется дуга. Затем анод зажигания перемешается влево, а катод вверх. Когда катод достаточно отойдет вверх так, что его верхняя поверхность, на которой находится катодное пятно, будет расположена выше своооднои поверхности анода зажигания, напряжение дуги быстро возрастает. При этом вспомогательные аноды находятся в зоне плазмы, и падение напряжения между катодом и каждым из вспомогательных анодов составляет порядка 20-30 в. Как только еопротивленис ДУГИ между анодом зажигания и катодом становится почти равным результирующему сопротивлению дуги между катодом и вспомогательным анодом 50 плюс сопротивление 56, ток начинает протекать но этому пути, и ток на первом участке дуги снова уменьшается. Таким образом сопротивление 56 автоматически подключается в цепь постоянного тока, достигается соответствующее уменьшение постоянного тока. Когда катод минует всполгогательный анод 50, падение напряжения на дуге повышается, дуга переходит на вспомогательный анод 51, и сопротивление 57 последовательно соединяется с сопротивлением 56, причем достигается дальнейшее уменьшение тока. Процесс отключения продолжается до тех пор, пока между катодом и вспомогательным анодом 55 не зажигается дуга, и таким образом все шесть сопротивлений оказываются включенными. Количество вспомогательных анодов и величина сопротивлений определяются напряжением и током сети, а также параметрами заданного процесса отключения. Сопротивления могут быть размещены вне картеры / (см. фпг. 6), а вспомогательные аноды могут быть присоединены к нроводнику f. спирально расположенному внутри камеры (. фпг. 7). При этом перед проводником необходимо поместить защитный экран 64 для того, чтобы воспрепятствовать осаждению материала анода, испаряющегося из, него, что вызывает изменения в величине сопротив.тений. В экране имеются отверстия для анодных держателей 65, причем эти отверстия прикрываются дополнительными экранами 66. Частичным назначением сопротивления 14 (см. фиг. 1) является то, что оно препятствует произвольному отключению цепи постоянного тока при возрастании напряжения дуги, когда катодное пятно становится неустойчивым и исчезает. Возможность предотвращения произвольного отключения может быть достигнута также путем установки между анодом 2 и катодом 3 управляющего анода 67 (см. фиг. 8). При этом цепь возбуждения дуги питается от источника тока 68 через регулируемое сопротивление 69. Вспомогательная дуга 70 поддерживает эмитирующее плазму катодное пятно даже в том случае, если падение напряжения в главной дуге возрастает до такого значения, при котором разрывается цепь тока. В автоматическом выключателе могут быть дополнительные устройства для создания магнитного поля, в основном перпендикулярного к дуге или участкам дуги. Так как в приведенны.х конструкциях выключателя дуги проходят в горизонтальном направлении, то магнитное поле должно проходить в вертикальном направлении. В Процессе испытаний обнаружено, что напряжение U дуги зависит от поперечного магнитного поля по формуле UB KB, где К - коэффициент пропорциональности, В - индукция, в выключателе дуга в вакууме вначале зажигается при помощи разведения контактов, а затем происходит увеличение магнитного поля с соответствующей постоянной времени, причем UB возрастает пропорционально В (направление магнитного поля показано стрелкой В). Другим преимуществом при наличии магнитного поля является увеличение времени существования катодного пятна при небольших токах. При этом возможность преждевременного прерывания тока значительно уменьщается, так как имеется еще одна возможность управления разрядом, и следовательно, временем выключения. Катод 3 может быть изготовлен в виде подвижного порщенька в изоляционном цилиндре (см. фиг. 9). Стержень 10 имеет отжимающую пружину 71, которая прижимает катод к гнезду 72 на верхнем крае изоляционного цилиндра. Катод присоединен к клемме 73 на стенке вакуумированной камеры посредством гибкого проводника 74. Анод 2 изготовлен в форме дуги и укреплен на поворотном валу 75, на котором также находится щестерня 76, входящая в зацепление с зубцами 77, находящимися на оперативной тяге 78. Тяга перемещается в горизонтальном направлении, и таКИМ образом вал с анодом приобретает вращательное движение. Спиральная пружина 79 присоединяется к креплению 80 и валу 75, и таким образом пружина натягивается, когда тяга дви.жется вправо, а анод перемещается по направлению к катоду. В замкнутом положении выключателя тяга 78 блокируется посредством блокирующего устройства (на чертеже не показан), которое освобождает тягу при действии выключателя. Таким образом, пружина 79 обусловливает быстрое движение анода от катода в такое положение, при котором анод не подвергается непосредственному действию струи плазмы, эмитируемой катодным пятном. Анод соединен посредством гибкого проводника 81 с клеммой 82, находящейся на вакуумированной камере. Вход тяги 78 в стенку / камеры герметизирован посредством сильфона 7. Конструкция выключателя, показанная на фиг. 9, предназначена главным образом для выключения постоянного тока определенной полярности, однако ее действие возможно и при обратном направлении тока. Если необходимо, чтобы конструкция выключателя действовала совершенно независимо от полярности тока, то нужно несколько изменить подвижную часть (см. фиг. 10). В этом случае на валу 75 укреплены два одинаковых анода 2, выполненных в виде рычагов и расположенных диаметрально противоположно, причем каждый из них взаимодействует со своим катодом 5. Дуговые рычаги перемещаются в осевом направлении по валу 75 таким образом, чтобы их движению не препятствовал электрод, находящийся на другом конце оси. Предмет изобретения 1. Автоматический вакуумный выключатель, преимущественно для цепей постоянного тока, содержащий вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные конденсационные экраны и электроды - анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные .при помощи сильфонов, причем один или оба электРода выполнены подвижными и связаны с приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и снижения износа контактных поверхностей электродов при воздействии на них электрической дуги, катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает его неконтактирующую поверхность, и предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспеивает расположение экрана из электроизояционного материала между анодом и катоом. 2. Выключатель ло п. 1, отличающийся тем, то в нем предусмотрены дополнительные лектроды - катоды и аноды, образующие ополнительные разрывные промежутки, поседовательно соединенные с основнь npq-. ежутко.м.

3.Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены между собой и с анодом зажигания через резисторы, а катод выполнен так, что он в процессе отключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.

4.Выключатель по пп. -1 и 3, отличающийся тем, что в случае выполнения дугогасительной камеры цилиндрической формы вспомогательные аноды расположены по спирали на цилиндрической стенке камеры, а катод перемещается вдоль оси камеры.

5.Выключатель по пи. 3 и 4, отличающийся тем, что резисторы расположены вне вакууМИрованной камерь.

6.Выключатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что вспомогательные аноды присоединены внутри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы.

7.Выключатель по пп. 4-6, отличающийся тем, что, с целью предотвращения возникновения дуги между вспомогательными анодами, последние снабжены экранами из изоляционного материала.

8.Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что катод изготовлен из материала с относительно высоким давлением паров.

9.Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в нем .предусмотрен анод возбуждения,

который питается от отдельного источника.

10.Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что экран представляет собой слой керамического материала, укрепленный на катоде.

11. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что экран расположен на некотором расстоянии от катода.

12. Выключатель по пп. 1 - 11, отличающийся тем, что между анодом и катодом включены резисторы, расположенные преимущественно вне вакуумированной камеры.

,61