ВАКУУМНАЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА Советский патент 1974 года по МПК H01H33/664 

1

Известны вакуумные дугогасительные камеры (в. д. к.), содержащие металлические экраны и контактную систему, создающую собственное магнитное поле при горении дуги в процессе отключения тока. Известны контактные системы в. д. к., выполненные в виде одной или нескольких нолых чащ, стенки которых перпендикулярны основаниям и обращены друг к другу своими торцами. Кроме того, стенки чащ разделены на косые зубцы прорезями, направленными под острым углом к поверхности соприкосновения контактов. На торцовые поверхности зубцов напаяны диски из сплава меди с висмутом, что предотвращает срез тока при горении слаботочной дуги. Однако подобные в. д. к. не обеспечивают нропускание и отключение больщих токов.

В предлагаемой конструкции в. д. к. для повыщения пропускаемого и отключаемого тока хотя бы один из контактов может быть выполнен в виде по крайней мере одной чащи, имеющей форму полого усеченного конуса, обращенного к другому контакту щироким основанием. При этом на косые зубцы разделены не только стенки чащи, но и основание. Если контакты состоят из нескольких чащ, то в предложенной в. д. к. контактирующая поверхность одной из чаш, например той, которая ближе всех расположена к оси контактной системы, может выступать на небольщую высоту над поверхностью остальных чащ. Благодаря такой конструкции зубцы выступающей чащи последними выходят из соприкосновения, и на них при отключении тока возникает дуга.

Поэтому именно зубцы выступающих чащ лшгут быть облицованы материалом, снижающим ток среза. В качестве материала, ликвидирующего срез тока, может быть использован как материал с легкоплавкими добавками, например сурьмой или висмутом, так и тугоплавкий металл, обладающи большим сечением ионизации, например гафпиГи Чем

больще отключаемый ток, тем выще напряженность магнитного поля, создаваемого контактной системой в процессе горения дуги, тем быстрее дуга перемещается с одного зубца на другой, двигаясь по сложному спиралеобразному пути от места возникновения к периферии контактной системы. Попав на зубцы наружной чащи, дуга движется по окружности, «перепрыгивая с зубца на зубец. Перед каладым «прыжком дуга задерживается

на краю зубна и разрущает его. Для предотвращения чрезмерного разрушения зубцов предложено торцовую поверхность зубцов облицовывать сплошной тонкой щайбой. Для предотвращения перегрева экрана, окружающего межконтактньп нромежуток, и

увеличения отключающей способности в предложенной конструкции расстояние от оси в. д. к. до внутренней поверхности экрана может но крайней мере в 1,5 раза превышать радиус контактной системы.

На фиг. 1 изображена вакуумная дугогасительная камера с контактами, находяпдимися в замкнутом состоянии (нормальном положении), осевой разрез (нри этом каждый контакг состоит из нескольких, в данном случа.е из трех, коаксиальных чаш, имеющих вид полых усеченных конусов, боковые стенки которых разрезаны прорезями на косые зубцы); на фиг. 2 - контактная система в. д. к. в разомкнутом состоянии с дугой, возникшей в нервый момент после расхождения контактов на зубцах, контактирующая новерхность которых немного, например на 0,05-2 мм, выступает над контактирующей поверхностью зубцов остальных чаш, осевой разрез (нри этом контактирующая новерхность зубцов наружного ряда выполнена в виде тонкой сплошной шайбы); на фиг. 3 - один из контактов, вид сверху (часть лепестков и шайбы не показаны); на фиг. 4 - два зубца, принадлежащие нротивоположным контактам, с дугой, горящей между ними, вид сбоку (стрелками показаны направления токов в зубцах); на фиг. 5 - контактная система, один из контактов которой образован зубцами, не имеющими оснований и впаянными непосредственно в токоввод, осевой разрез; на фиг. 6 - часть экрана, являющегося частью корпуса в. д. к. и состоящего из двух металлических слоев, осевой разрез.

У вакуумной дугогасительной камеры имеются токовводы - ненодвижный 1 и подвижный 2, находящиеся нод разными потенциалами в разомкнутом состоянии. На концах токовводов, обращенных друг к другу, закреплены чащи, разрезанные на косые зубцы, соприкасающиеся между собой в замкнутом состоянии. Поверхности зубцов, обращенные друг к другу, образуют несколько концентрических рядов (в данном случае три) 3, 4 и 5. Каждый зубец состоит из основания (6, 7 и 8), которое прочно закреплено (нредночтительно внаивается) в токовводы 1 и 2. Основания югут составлять одно целое с объединяющей их перемычкой. Грани основания расходятся от токовводов по радиусам. От каждого основания отходят зубцы 9, 10 и 11, грани которых расноложены нод углом (от 10 до 80°) к оси контактной системы и под углом (от 10 до 80°) к образующей чаши - к поверхности верхней грани каждого зубца.

Зубцы обладают упругостью благодаря своей изогнутой форме. Поэтому при достаточно сильном нажатии можно заставить войти в соприкосновение поверхности противолежащих зубцов. Вследствие этого образуется множество точек, через которые проходит ток. Это увеличивает величину тока, который может длительно протекать через контакты. После расхождения контактов и образования дуги на тех зубцах, которые носледними вышли из соприкосновения, по зубцам протекает гак по сложному петлеобразному нути. Л1агнитное действие цетли 12 тока (см. фиг. 2), проходящего но основаниям зубцов, заставляет дугу перемещаться с одного ряда зубцов на другой- от центрального ряда к периферийному. Магнитное действие петли 13 тока (см. фиг. 4),

проходящего по скошенным зубцам, заставляет дугу перемещаться с одного зубца на другой в одном и том же ряду. образом, дуга движется по спирали к периферии контактов.

Контактирующая поверхность каждого из зубцов облицована пластинками толщиной 2- 4 мм. Состав облицовочных пластинок может быть одинаков или различен в зависимости от ряда, к которому принадлежит зубец. Если

составы облицовочных пластин различны, то облицовочные пластинки 14 зубцов ряда, расположенного ближе всего к оси выключателя, выстунают на 0,05-2 мм над поверхностью пластинок 15 и щайбы 16 остальных рядов.

Благодаря этому последними из соприкосновения выходят зубцы этого ряда, именно на них возникает дуга в первый момент после размыкания контактов. Чтобы предотвратить форсированное погасание дуги (срез тока)

пластинки 14 выполнены из материала, ликвидирующего срез тока. Например, в тугоплавкую основу пластинок 14 вводятся добавки металла, обладающего большим сечением ионизации и низкой упругостью пара,

например гафния, астатия или ка кого-либо металла, принадлежащего группе лантанидов. Из-за низкой упругости пара эти металлы плохо распыляются нри воздействии высокой температуры, следовательно обладают достаточной дугостойкостью. Благодаря тому, что атомы этих металлов обладают большим сечением ионизации, даже небольшое количество атомов, попавших из опорных пятен дуги на электродах в межконтактный промежуток,

способно обеспечить перенос тока от контакта к контакту, так как атомы легко ионизуются и поставляют достаточное количество носителей зарядов в межконтактный нромежуток. Это позволяет поддерживать горение дуги до

прохождения тока через нуль даже при отключении малых токов, т. е. ликвидировать срез тока. Пластинки могут быть выполнены целиком из одного из перечисленных металлов. Пластинки 15 и щайба 16, облицовывающие зубцы других рядов, могут быть выполнены из того же металла, что и зубцы, нанример из меди. Кроме того, они могут быть изготовлены целиком из металлов, обладающих малым атомным весом и низкой упругостью пара, нанример бериллия. Благодаря тому, что атомы подобных металлов легки, они быстро уходят из межконтактного промежутка. Вследствие этого электрическая прочность промежутка восстанавливается очень быстро,

повторного зажигания дуги под воздействием

восстанавливающегося напряжения не нроисходит. еМталлы с перечисленными свойствами могут быть введены в пластинки 15 или шайбу 16 в качестве добавки.

В одной из модификаций контактной системы облицовка всех зубцов может быть вылолнена из одного и того же металла, например из гафния. В этом случае, зубцы ряда, расположенного ближе всех к оси в. д. к., могут и не выступать над новерхностью зубцов остальных рядов.

Предлагаемая контактная система может быть выполнена с зубнами, не имеющими основания и впаянными прямо в токоввод. Подобным образом выполнен один из контактов на фиг. 5. Аналогичную конструкцию может иметь и второй контакт. Один из контактов может быть выполнен в виде сплошного диска, диаметр которого равен диаметру наружной чаши противоположного контакта.

Токоввод 1 вакуумно-плотно соединен, например сварен, с металлическим, предпочтительно медным, фланцем 17. Последний сваривается с металлическим кольцом 18, имеющим специальную форму, которая обуславлиБается тем, что кольцо 18 выполняет следующие функции: служит прокладкой между компенсационным керамическом кольцом 19 и изоляционным керамическим цилиндром 20 (металлическая прокладка необходима для вакуумно-:плотного соединения кольца 19 и цилиндра 20 с помощью термодиффузионной сварки); закрывает место соединения металла и диэлектрика; служит для вакуумно-плотного соединения, например с помощью аргонодуговой сварки, с фланцем 17.

Керамический цилиндр 20 другим торцом соединен с прокладкой 21, составляющей одно целое с экраном 22, который одновременно является частью корпуса в. д. к. Экран 22 на фиг. 1 имеет неопределенную скругленную форму без резких переходов. В зависимости от различных условий эксплуатации и производства экран 22, являющийся частью корпуса, может иметь цилиндрическую или сферическую форму, он может быть образован как тело вращения гиперболы или параболы. На прокладке 21 внутри камеры укреплен экран 23 для запшты компенсапионного керамического кольца 24 от металлизации продуктами эрозии, возникаюп1,ими при горении дуги, и улавливания продуктов эрозии, которые, отразившись от внутренней поверхности экрана 22, могут попасть на внутреннюю поверхность керамического цилиндра 20.

Подвижный токоввод 2 вакуумно-плотно соединен с торцовым металлическим фланцем 25 с помощью сильфона 26, который позволяет перемещать токоввол 2 без нарушения герметичности. Конструкция вакуум-плотных соединений фланпа 25 и остальных деталей нижней половины в. д. к. аналогичны верхней половине, поэтому идентичные детали имеют те же номера с добавлением буквы а. Экраны 22 и 22а, являющиеся частью корпуса в. д. к.,

вакуумно-нлотно свариваются между сооои любым подходящим видом сварки (шов 27).

Применение экранов 22 и 22а в качестве корпуса в. д. к. дает ряд преимуществ. Как известно, при горении дуги образующиеся пары металла коитактов, попадая на экран, окружающий межконтактный промежуток, отдают ему свою энергию. Обычно экран расположен Б вакуумированном пространстве, поэтому он не отдавать тепло окружающей среде из-за отсутствия теплопередачи через пространство, в котором среда имеет маленькую плотность. Тепло аккумулируется в экране, который разогревается. Благодаря этому резко уменьшается его конденсирующая способность, пары отражаются от экрана и уходят обратно в межконтактный промежуток, что приводит к затягиванию дуги и неотключению. Кроме того, при увеличении температуры из экрана выделяются газы, что ухудшает давление внутри выключателя. Экраны 22 и 22а, являясь корпусом выключателя, соприкасаются с окружающей средой и могут эффективно отдавать ей свое тепло. Температура экрана должна быть ниже температуры, до которой нагревается в. д. к. при вакуумтехнологической обработке на откачном посту, т. е. не должна превышать 400-450°С.

Для более действенного предотвращения перегрева экрана его внутреннюю поверхность можно облицовывать тонкими слоями (от 1 до 10 мм) 226, 22в металла (см. фиг. 6), обладающего большой теплоемкостью, малым атомным весом и небольшой энергией связи Б решетке. Таким металлом может быть бериллий. Облицовка (слои 226, 22в) должна как можно более плотно прилегать к наружным слоям (экраны 22 и 22а), выполненным из металла с большей температуропроводностью, чем у облицовки, например, из меди. Плотное прилегание необходимо для того, чтобы ноток тенла, воспринимаемый во время горения дуги облицовочными слоями 226 и 22в, беспрепятственно проходил через границы раздела металлов.

Для длительного пропускания тока через контакты в. д. к. в замкнутом состоянии необходимо иметь больнтое количество зубцов, соприкасаюншхся отдельными рядами 3, 4, 5. Контактную систему необходимо выполнять больиюго диаметра. От краев контактной системы до внутренней поверхности экрана необходимо обеспечить достаточное расстояние с том. чтобы дуга, выбегающая на периферию контактной системы, не могла переброситься на экран. Кроме того, температура экрана не должна превысить той температуры, при которой он обезгаживался в процессе ваKyvMHO-технологической обработки на откачном посту, т. е. 400-450°С. Исходя из этих соображений, проверенных на опыте, определяют, что диал1етр экрана должен превышать диаметр контакта не меньше, чем в 1,5 раза.

При увеличении расстояния от контактной системы до экрана увеличивяе.тся диаметр

экрана, что приводит к увеличению иоверхности экрана, к снижению удельной энергии, получаемой экраном от паров, а это увеличивает отключающую способность в. д. к. Но увеличение диаметра экрана и, следовательно, изоляционного корпуса связано с большими затруднениями нри изготовлении изоляционных цилиндров. Поэтому предпочтительнее, если диаметр экрана 22 будет превышать диаметр контактов не более, чем в пять раз.

Перечисленные затруднения можно избежать, изготовив в. д. к., у которой центральный изолированный экран является одновременно и стенкой корнуса, что сушественно облегчает сборку в. д. к. в целом. Сначала собирается в отдельности верхняя и нижняя половины корпуса с неподвижным и подвижным контактами. Окончательная онерация сборки-1заварка шва 27. При этом диаметр контактной системы может быть больше диаметра изоляционных цилиндров, так как сквозь упомянутые цилиндры должны проходить только токоБводы, а не контакты.

Для того, чтобы иметь возможность перемещать подвижный контакт с большим начальным ускорением, его медный токоввод выполнен с внутренней конусообразной полостью, к внутренним стенкам которой плотно прилегает конусообразный стержень 28 из материала, у которого пластичность хуже, а прочность на разрыв значительно выше, чем у меди. Соедин-ение стержня 28 с токовводом 2 должно быть вакуумно-плотным, если отверстие в токовводе 2 сквозное. Стержень 28 соединяется с приводом, который приводит его в движение с необходимой скоростью. Усилие, обозначенное стрелкой А, от привода к токовводу 2 распределяется на большой площади соприкосновения двух конусообразных поверхностей, так как усилие прикладывается к вершине усеченного конуса, имеющей меньший диаметр; удельное усилие, передаваемое медному токовводу, будет небольшим, и поэтому токоввод 2 не будет деформирован.

Для передачи тока к токовводу 2 служит гибкий токопровод, составленный из большого числа отдельных тонких (0,1-0,5 мм) и узких (3-10 мм) пластинок-ленточек 29. Каждая ленточка одним своим концом 30 впаяна в наружный торец токоввода 2. Ленточки располагаются параллельно друг другу в несколько рядов, каждый ряд - по окружности определенного радиуса. Вторые концы 31 ленточек впаяпы в пластинки, имеющие вид сигментов 32 кольцевого токоподвода, который разрезан на части, чтобы получить возможность вставить при сборке подвижный токоввод 2 с напаянными предварительно ленточками 29 в нижнюю часть корпуса выключателя. После того, как токоввод 2 вставлен, и шов 33, вакуумно-плотно соединяющий сильфон 26 с фланцем 25, заварен, сегменты 32 укрепляются на фланце 25. При этом к некоторым сегментам 32 (или ко всем) присоединяются

наконечники 34, например, с помощью винтов 35. От наконечников 34 отходят к зажимам коММутируемой цепи токонодводы 36.

При тако.м расположении сегментов 32 кон5 цы 30 ленточек 29 параллельны концам 31 тех же ленточек, причем сами ленточки изогнуты таким образом, что выпуклая часть обращена наружу. Отключаемый ток, протекая но ленточкам,

0 образует петлю. Взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по петлеобразному пути, создает усилие, стремящееся удлинить петлю и совпадающее но направлению с направлением усилия, создаваемого приводом

5 при отключении.

Это усилие через ленточки 29 будет передаваться сегментам 32 и токовводу 2. Сегменты 32 жестко закреплены на фланце 25, а токоввод 2 может двигаться. Таким образом,

0 при отключении магнитное действие петли тока будет помогать приводу перемещать токоввод 2, следовательно увеличивается его скорость.

Предмет изобретения

1. Вакуумная дугогасительная камера, содержащая корпус, выполненный из диэлектрика и металла с расположенными внутри экранами, из которых хотя бы один изолирсхван, токовводами и контактами, по крайней мере один из которых состоит из одной или нескольких полых коаксиальных чаш с боковыми стенками, разрезанными на зубцы, расположенными под углом к поверхности соприкосновения контактов, отличающаяся тем, что, с целью повышения отключающей способности, указанные боковые стенки по крайней мере одного из контактов изготовлены в виде усеченных конусов, обращенных широким основанием в сторону контакта, причем расстояние от края контактов до внутренней поверхности изолированного экрана составляет от 0,5 до 5 радиусов контакта.

2.Камера по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью увеличения номинального тока, высота боковой стенки по крайней мере одной из чаш превышает высоту боковых стенок других чаш, например, в 1,1 -1,5 раза.

3.Камера по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью ликвидации перенапряжений, торцовые поверхности по крайней мере трех зубцов чаши, выступаюшей над поверхностями других, облицованы материалом, снижающим ток среза, например гафнием.

4.Камера по пп. 1-3, отличающаяся тем, что, с целью увеличения скорости восстановления электрической прочности после

погасания дуги, поверхности зубцов но крайней мере одной из чаш или одной из шайб облицованы материалом, обладающим атомным весом, меньшим, чем у меди, например бериллием.

« /lyij Hfc

1 ж

22

f&

J7

, «Риг. I

Г

.It

16

12

15

IB

fu..S

V