Центробежное жидкометаллическое коммутационное устройство Советский патент 1977 года по МПК H01H29/26 

1

Изобретение относится к области сильноточной коммутационной аппаратуры и может быть использовано для коммутации больших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей температуре (до 500°С) и при любом положении в пространстве, а также при отсутствии силы тяжести. Преимущественная область использования центробежного коммутационного устройства - коммутационная аппаратура силовых электрических цепей мопшых энергоустановок.

Известно использование жидкого металла в качестве контактного материала в электроаппаратуре с целью увеличения долговечности при коммутации сильных токов (ртутные выпрямители, ртутные выключатели) (1). Эти устройства могут работать только в стационарном положении в условиях действия силы гравитации. Также известны жидкометаллические коммутационные устройства, в которых жидкий металл замыкает пли размыкает электроды за счет своего перемещения под действием электромагнитных сил, в частности сил, возникающих в жидком металле под действием бегущего или вращающегося магнитного ноля (2).

Устройство состоит из цилиндрического канала, образованного между двумя коаксиальными цилиндрическими изоляционными обо9

лочками, на краях которых имеются два сильфона с жидким металлом, являющиеся одновременно электродами коммутатора. С нарул ной стороны к каналу примыкают два цилиндрических индуктора с трехфазными обмотками, создающими при замыкании контактора встречно бегущие магнитные поля и при размыкании контактора - магнитные поля, бегущие от центра канала к его краям. Это устройство работает при любом положении в пространстве и обеспечивает размыкание цепи м еж ду ж ид ко металл и чес к и j i и э л ектр ода м и. Однако палнчне двух цилиндрических линейных индукторов, постоянно работающих в режиме короткого замыкания в виду неподвижности металла в крайних положениях приводит к значительным потерям мощности на управление.

Известно центробел ное коммутационное устройство (ПКУ) (3), содержанхее индуктор с трехфазной распределеппой обмоткой, цилиндрическую изоляционную оболочку с двумя медными кольцевыми электродами на некотором расстоянии друг от друга в верхней части оболочки, помещенную в статор асинхронной машины. В вертикальном положении коммутатора, когда облштка статора обесточена, жидкий металл находится на дне оболочки, и электроды разомкнуты. При включении обмотки в сеть жидкий металл приводится во вращение под действием вращающегося магнитиого поля, поднимается по стенке оболочки, принимая форму параболоида, и замыкает электроды. Индуктор цептробежиого коммутатора работает в режиме, близком к холостому ходу, так как металл вращается с большой скоростью, а трение имеет место только на внутренней поверхности цилиндрической оболочки. Это позволяет упростить конструкцию устройства (2) и уменьшить потребляемую мощность управления. Уменьшению мощности управления способствует также и тот факт, что в центробежном устройстве удержанию металла в фиксированном положении содействуют цептробежпые силы. Однако при коммутировании тока в таком коммутаторе процесс дугообразования имеет место между жидким и твердым электродом, что приводит к эрозии последнего. Кроме того, данный коммутатор может работать только в вертикальном положении в условиях действия силы тяжести. Для обеспечения работоспособности предлагаемого устройства при любом положении в пространстве и невесомости при одновременном снижении мощности управления коммутационным устройством и коммутаций цепи между жидкими электродами цилиндрическая изоляционная оболочка имеет в середине по крайней мере один внутренний выступ с двумя электропроводными кольцами но бокам выступа, а электроды снабжены патрубками подвода жидкого металла и системой пневмокомпенсации объема жидкого металла. Для улучшения гидродинамики при вращении электропроводной жидкости в канале торцовые электроды выполнены в виде кольцевых коллекторов с внутренней полостью, соединенной с патрубками подвода }кидкого металла. Кроме того, система иневмокомпенсации объема л идкого металла может быть выполнена в виде резервуара переменного объема, например сильфона, сообщающегося с упомянутым кольцевым каналом при помощи осевого канала, выполненного в одном из электродов, и ряда радиальных отверстий, выполненных в том же электроде и внутреннем изоляционном цилиндре. На чертеже изображено описываемое коммутационное устройство, состоящее из кольцевого шихтованного статора 1, в пазах которого уложена двухскоростная трехфазная обмотка 2, наружной керамической оболочки 3 с прямоугольным выступом в середине, двух торцовых кольцевых медных электродов 4 и 5, цилиндрического осевого токоотвода 6 с электроизоляционной втулкой 7. По торцам прямоугольного выступа керамической оболочки 3 расположены два медных кольца 8. Электроды 4 и 5 соединены с оболочкой 3 при помощи тонких медных стенок 9 и 10. Стенки 9 и 10 нринаяны к оболочке 3 и электродам 4 и 5. Между стеиками 9, 10, электродами и оболочкой 3 образуются полости - кольцевые коллекторы, через которые по трубам 11, 12 происходит подвод (отвод) жидкого металла во внутреннюю полость. Через трубку 13 и отверстия в осевом токоотводе 6 и втулке 7 осуптествляетс пнезмокомпеисация внутреннего объема канала. Статор 1 запрессован в корпус 14, имеющий оребрение для улучшения охлаждения. Детали 15, 16 являются клеммами. Работает устройство следующим образом. Жидкий металл, постоянно находящийся в кольцевой полости устройства, образованной втулкой 3 и электродами 4, 5, занимают различное положение в зависимости от скорости его вращения. Когда устройство находится в положении «замкнуто, жидкий металл вращается с относительно небольшой скоростью, необходимой лишь для удержания металла на оболочке 3 иод действием центробежных сил. Внутренний выступ втулки 3 погружен в жидкий металл, и электроды 4 и 5 замкнуты жидким металлом. Для размыкания цепи необходимо увеличить скорость вращения металла, ч го обеспечивается соответствующим переключением обмотки статора на другую синхронную скорость вращения поля (изменением числа нар полюсов), либо путем увеличения напряжения питания обмотки. Под действием возросшей центробежной силы металл будет вытеснен из кольцевой полости по трубам И, 12 в соответствующие емкости, например сильфоны, внутренний выступ втулки 3 оголится, и произойдет разрыв электроцепи. Для ускорения процесса коммутации кольцевая полость ЦКУ соединена через кольцевую щель во втулке 7, систему отверсти в токоотводе 6 и трубку 13 с системой пневмокомпенсации, которая в простейшем случае может быть заменена сильфопом. Система пневмоколшенсацип ЦКУ может быть использована и для управления коммутатором, при неизменной синхронной скорости вращающегося магнитного поля положение свободной поверхности врапд,,егося металла может регулироваться давлением инертного газа, подаваемого по трубке 13 внутрь устройства. Большему давлению будет соответствовать разомкнутое положение коммутатора, меньшему давлению - замкнутое положение. Так как по осевому медному токоотводу 6 и жидкому металлу ток течет в противоположных направлениях, то тангенциальное магнитное поле в области за керамической втулкой 3 отсутствует, и магпитонровод статора 1 не насыо ается, В области вращающегося жидкого металла существует тангенциальное магнитное поле, которое создается током, протекающим по токоотводу 6. Взаимодействие этого поля с силовым током жидкого металла приводит к появлению радиальной электромагнитной силы, совпадаюпгей по направлению с центробел-сиой силой. Максимальной величины эта сила будет достигать в поверхностном слое металла, и следовательно, она будет способствовать стабилизации свободной поверхности металла.