Центробежное коммутационное устройство Советский патент 1981 года по МПК H01H29/26 

(54) ЦЕНТРОБЕЖНОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к сильноточной коммутационной аппаратуре и касается усовершенствования центробежного коммутационного устройства (ЦКУ), использующего жидкий металл в качестве контактной пары. Оно может быть использовано для коммутации больших токов в сотни-тысячи ампер и более в электросистемах повышенного напряжения переменного или постоянного тока. Предлагаемое ЦКУ может работать в широком диапазоне рабочей температуры от -60° до ч-50О С при любом произвольно меняющемся положении в пространстве, а также при отсутствии силы тяжести. Преимущественная область использования ЦКУ - коммутационная аппаратура силовых электроцепей мощных энергоустановок с напряжением порядка 20О В и 6олее, работающих в особых условиях, например, при высоких окружающих температурах, когда известные электромеханические или полупроводниковые коммутаторы оказываются неработоспособными., Возможно использование ЦКУ для коммутации цепей во взрывоопасных средах ( в шахтах и т.п.). Известны ртутные выпрямители и включатели, основанные на использовании жвдкого металла в качестве контактного материала в силовой коммутационной аппаратуре с целью увеличения ее долговечности l. Однако эти устройства могут работать только. в стационарном положении в условиях действия силы тяжести. Известны жядкометаллические коммутационные устройства, в которых жидкий металл замыкает или размыкает электроцепь за счет своего перемещения в замкнутом объеме под действием порщнэй,деформируемых сильфонов, под действием электрс лагнитных сил, в частности сил, возншсающих в жидком металле под действием вращающегося магнитного поля. Это 1ЖУ содержит цилиндрический трехфазный индуктор, создающий вращающееся 3 .86 магнитное поле, канал, образован юый наружным и внутренним изоляционными цилиндрами и двумя торцовыми кольцевыми электродами. Наружный цилиндр имеет посередине обращенный внутрь кольцевого канала прямоугольный выступ с двумя электропроводными кольцами по бокам. Устройство снабжено двумя патрубками подвода электропроводной жидкости к торцовым электродам и системой пневмокомпенсации объема жидкого металла в канале. Состояние силовой электроцепи, в которую включено ЦКУ, зависит от того, с какой скоростью вращается жидкий металл на наружном изоляционном цилиндре, При относительно небольщой скорости вращения, достаточной лишь для удержания металла на наружном цилиндре за счет центробежных сил, толщина слоя жидкого металла наибольщая и внутренний выступ наружного цилиндра перекрывается жидким металлом. В этом случае силовая цепь за мкнута. При увеличении скорости вращения металла (любым из известных для индукционных асинхронных мащин способом) под действием возросшей центробежной силы часть жидкого металла вытесняется из канала через патрубки торцовых электродов и внутренний выступ наружного изоляционного цилинд1:а обнажается. В этом случае 1ЖУ разрывает силовую электроцепь 2 К недостаткам данного ЦКУ следует от нести необходимость постоянного включения трехфазного индуктора с целью обеспечения однозначного состояния силовой коммутируемой цепи при произвольно меняющемся воjBpeMeHH положении ЦКУ в пространстве;необходимость в системе пневмокомпенсации объема жидкогс метал ла, усложняющей конструкцию устройства и приводящей к увеличению мощности управления ЦКУ, так как для вытеснения жидкого металла из канала необходимо преодолеть силы упругости сильфонов; разомкнутость магнитной системы; наличие .потерь на вихревые токи в осевом электроде от вращающегося магнитного поля, которые особенно существенны при одной паре полюсов И1щуктора. В таком ЦКУ си ловой ток проходит в осевом направлении по всей длине жидкометаллического кольца, что вызывает заметные потери мощно ти в нем, а утолщение слоя жидкогометал талла с целью снижений потерь dt силово го тока ухудщает быстродействие ЦКУ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее цилиндрический трехфазный индуктор, канал, образова ный наружным и внутренним изоляционными цилиндрами и двумя торцовыми кольцевыми электродами, частично заполненный жидким металлом. Наружный цилиндр имеет посередине обращенный внутрь выступ, а пазы трехфазного индуктора выполнены с симметричным и -образным скосом относительно середины индуктора. Наличие (J -образного скоса пазов индуктора приводит к образованию U -образного фронта бегущей электромагнитной волны и к появлению вследствие этого в жидком металле помимо тангенциальныхс электромагнитных сил, вращающих жидкий металл, осевых электромагнитных сил,перемещающих металл в канале в осевом направлении. Жидкий металл в канале ЦКУ занимает различное положение в зависимости от направления вращения магнитного поля. Если поле вращается в сторону, в которую направлено острие U -образного скоса, то 1ЖУ разомкнуто, так как осевые силы в жидком металле направлены в противоположные стороны к торцовым электродам. При изменении направления вращения поля ЦКУ замыкает силовую цепь, так как осевые силы в жидком металле направлены навстречу друг к другу к диэлектрическому выступу наружной оболочки, и жидкий металл натекает на выступ. Таким образом, коммутация силовой цепи осуществляется изменением направления вращения магнитного поля трехфазного индуктора с практически постоянным потреблением мощности в цепи управления в замкнутом и разомкнутом положениях з. Данное устройство обладает рядом недостатков: обмотка управления ЦКУ потребляет мощность при замкнутом и разомкнутом положениях ЦКУ; вследствие разомкнутости магнитной цепи мощность управления, в особенности ее реактивная составляющая, значительна; в осевом электроде возникают вихревые токи от вращающегося магнитного поля; пр1ЮОДя- щие к потерям мощности; силовой ток проходит в осевом направлении по всей длине жидкометаллического кольца между двумя твердометаллическими торцовыми электродами, что приводит к увеличению падения напряжения и дополнительным потерям. Кроме того, в данном ЦКУ ухудщается быстродействие, так как полное время переключения силоЬой цепи определяется суммарным временем динамического торможения жидкого металла, раскручивания его в противоположном по отнощеНИЮ к предыдущему режиму направлении и временем дугогорения между жидкометаллическими электродами. Цель изобретения - уменьшение мошнести управления, потребляемой коммутационным устройством, уменьшение падения напряжения в его силовой цепи, а также улучшение быстродействия 1ЖУ. Поставленная цель достигается тем, что кольцевые твердометаллические элект роды располагаются по торцам выступа наружного изоляционного цнл1шдра и имею диаметр, больший внутреннего диаметра выступа по крайней мере на 2-3 мм, по торцам кольцевых твердометаллических электродов в зазоре между цилиндрическими токоотводами от них и трехфазным индуктором располагаются кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны высту па наружного изоляционного цилиндра, по крайней мере, не меньше кольцевого объе ма межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра, а жидкий металл занимает объем, равный суммарнму объему одной боковой кольцевой ПОлости и межэлектродного промежутка. Предлагаемое 1ЖУ может быть реализовано как с внутренним (фиг.l),так и с наружным расположением трехфазного индуктора относительно канала (фиг. 2). Различное расположение трехфазного индуктора приводит к некоторым непринципиальным разли1иям в конструкции внутреннего изоляционного цдоиндра и токоотводов от кольцевых электродов. На фиг. 1 изображено устройство с внутренним индуктором; на фиг. 2 - то ж с наружным индуктором, Устройство содержит цилиндрический шихтованный магнитопровод 1, трехфазную обмотку 2 управления, внутренний изоляционный цилиндр 3, наружный изоляционный цилиндр 4 с выступом посередще, твердометаллические кольцевые электроды 5, кольцевые шихтованные магнитопроводы 6, токоотводы 7 и 8 кольцевых элект родов, конструктивные элементы 9 и Ю герметизации внутреннего объема канала. Конструкция ЦКУ с внутренним индуктором (фиг. 1) проше и технологичнее. Токоотводящие части 7 и 8 электродов одинаковы, конструктивные элементы 9 и 10 герметизации внутреннего объема канала различаются лишь наличием в одном из них технологического отверстия с труб кой, через которое после пайки керамических цилиндров 3 и 4 с элементами 9 и 1О заливается в канал жидкий металл 11 И создается нейтральная газовая среда или вакуум. Кольцевые шихтованные магнктопроводы 6 экранируют от вращающегося магнитного поля токоотводащие части 7 и 8 кольцевых электродов и одновременно с этим уменьшают магнитное сопротивление вращающемуся магнитному потоку. Магии- . топрюводы 6 могут быть закрыты со всех сторон тонкостенной оболочкой из оксидированной нержавеющей стали во избежание коррозии и замыкания пластин магнитопровода жидким металлом. Возможно нанесение на цилиндрические поверхности магии- топровода 6 диэлектрического покрытия типа Аба.О методом напыления и др. Внутренний диаметр кольцевых электродов 5 должен быть больше (на несколько миллиметров) диаметра выступа наружного цилиндра 4, чтобы при разрыве цепи электроды 5 закрывались кольцевыми слоями вращающегося жидкого металла. В этом случае электрическая дуга возникает между жидкометаллическими поверхностями. Геометрические размеры поперечного сечения канала рассчитываются таким образом, чтобы объем кольцевой полости меж-, электродного промежутка под выступом наружного изоляционного цилиндра (осевой размер объема равен сумме ширины выступа и удвоенной толщины кольцевого электрода ) был не больше объем i боковой кольцевой полости в пределах ширины шихто ванного магнитопровода 6. Это условие необходимо для того, чтобы после включения трехфазного индуктора вращающийся ЖИИКИЙ металл мог полностью переместиться из межэлектродного промежутка в боковую полость. При этом внутренний выступ цилиндра 4 должен полностью обнажиться. Ширина внутреннего выступа цилиндра 4 определяется напряжением и индуктивностью коммутируемой цепи, а тол щина и средний диаметр кольцевой дцели под выступом - допустимым потерями мощности в межэлектродном промежутке от коммутируемого тока. Пазы цилиндричеокого магнитопровода 1 выполнены с образнъ1М скосом с тем, чтобы во враща- кадпхся кольцевых объемах жидкого металла получить осевые усилия, напраЕиленные На противоположные стороны от , и тем самым обеспечить ускоренное и более стабильное размыкпние цепи. В качестве жидкого металла для 1ЖУ могут быть использованы различные щелочные металлы или их сплавы: NaKCS сЬп(-8О°С, ЫаК UnGaSn С 10, 1ЖУ работает следуюшим образом.

При обесточенной трехфазной обмотке 2 управления жидкий металл 11, часттно заполняющий внутренний объем канала, постоянно замыкает электроды 5, независимо от положения ЦКУ в пространстве, а также при любых изменениях пространственной ориентации поперечной оси ЦКУ. Таким образом, предлагаемое ЦКУ является, по-существу, нормальнозамкнутым контактором. После включения обмотки 2 жидкий металл приводится во вращение магнитным полем и под действием центробежных и осевых электромагнитных сил перемещается из межэлектродного промежутка в одну или обе боковые кольцевые полости в зависимости от того, в каком положении ЦКУ находится. При вертикальном положении ЦКУ жидкий металл перемещается из щели под выступом в верхний кольцевой объем. При горизонтальном положении ЦКУ жидкий металл из щели под выступом перетекает в оба боковых кольцевых объема до полного их заполнения.

Предлагаемое ЦКУ сохраняет все преимущества своего прототипа - способность работать при высоких температурах при любом поло.сении в пространстве и невесомости с обеспечением кoм ryтaции силовой цепи меллу жидкометаллическими электродами, однако является более простым в конструктивном отношении, потребляет меньщую мощность управления и отличается лучщим быстродействием за счет отсутствия режима динамического торможени при изменении состояния силовой цепи.

Конструкция ЦКУ с наружным индуктором (фиг. 2) несколько сложнее по сравнению с ЦКУ (фиг. 1) и ее применение целесообразно при относительно малых токах коммутируемой цепи (до 1-3 кА), при которых средний диаметр канала имеет величину порядка 1ОО-12О MTVI. В этом случае размерь внутре}шей полости не позволяют разместить в ней трехфазный индуктор, способный создавать в зазоре порядка 10-15 мм магнитное поле с индукцией АсО,05-0,1 Тл, необходимой для устойчивого вращения жидкого металла. Различие в расположении трехфазных индукторов приводит к некоторым отличиям в конструкциях элементов 3; 7; 8; О; 10 (см. фиг. 1 и 2). Так как токоотводящие части 7 и 8 кольцевых электродов 5 приходится располагать внутри объема ЦКУ и коаксиально относительно друг друга с целью получения бифилярного токоотвода (дл предотвращения насыщения магнитопровЬда 1 трехфазного индуктора магнитным полем

силового коммутируемого тока), то конструкция ЦКУ оказывается несимметричной относительно поперечной оси. Кольцевые твердометаллические электроды 5, имеющие, как и в устройстве по фиг. 1, наружный диаметр больще диаметра внутреннего выступа наружного изоляционного ци- . линдра 4, необходимо располагать по бокам этого выступа на некотором расстоянии, образуя узкую кольцевую щель. При этом внутренний изоляционный цилиндр 3 имеет более сложную форму (по сравнению с цилиндром по фиг. 1) и выполняет функцию изолятора между торцами электродов 5 и токоотводящими частями 7 и 8. Примыкающие к торцам электродов 5 узкие дисковые части цилиндра 3 должны иметь одинаковый с электродами диаметр для того, чтобы после удаления жидкого металла из узкой кольцевой щели между выступом наружного цилиндра 4 и внутреннего цилиндра 3 под действием вращающегося магнитного поля разрыв электроцепи происходил меладу цилиндрическими поверхностями жидкого металла, образованными между обращенными друг к другу торцами выступа оболочки 4 и дисковых частей цилиндра 3. Конструктивные элементы 9 и 1C после пайки с оболочками 3 и 4 герметизируют внутреннюю полость канала ЦКУ. В одном из них должно находиться технологическое отверстие для заполнения: канала жидким металлом. Как и в ЦКУ с внутренним индуктором, объек) боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного цилиндра 4 должен быть по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом нарул ного цилиндра. Объем жидкого металла должен быть равен сумме объемов межэлектродного промежутка и одного бокового объема.

ЦКУ (фиг. 2) работает аналогично ЦКУ с внутренним индуктором и имеет также гфеимущества по сравнению с прототипом,

Надежность и долговечность предлагаемого ЦКУ обусловлена отсутствием в нем движущихся или десЬормИруемых твердометаллических элементов - поршней или сильфонов, а также тем обстоятельством, что разрыв силовой электроцепи, сопровождаекш1й горением дуги, происходит между жддкометаллическими поверхностями и твердометаллические электроды не подвергаю1-ся эрозии. При этом, как показали эксперименты, дуга вращается в межэлектродном промежутке под действием магнитного поля трехфазного индуктора и, таким образом, ее термическое воздействие на стенки керамических цилиндров в межэпектродном промежутке равномерно распределяется по всему периметру кольцевого канала; испарение жидкого металла в области анодного и катодного пятен замедляе-гся, так как скорость движения дуги отличается от скорости жидкого металла. ЦКУ с диаметром расточки индуктора 50 мм было проведено несколько сот ком мутационных циклов с параметрами комму ташюнной цепи - 2ОО В, 1 1ООЗОО А. Полное время срабатывания ЦКУОД8 - 0,3 с (большее время соответствует большей коммутируемой мощности). Мощность управления 1ЖУ составляет 1% от мощности нагрузки при Ц 13О В 1 ЗОО А. Эксперименты проводились на модельном рабочем теле-сплаве индий-галий опово. Поэтому из-за большого удельного веса сплава и вследствие этого инерцнон- ности его при раскрутке время раскручивания сплава от момента включения обмотки до начала спада тока составляет наибольшую часть полного времени срабатывания -0,16 - О,2в с. Время горения дуги колеблется от 0,ОО6 с до 0,025 с в зависимости от силы тока, напряжения и индуктивности цепи. При использовании более легких сплавов на основе натрия и калия можно получить сушественно меньше время срабатывания контактора. Формула изобретения Центробежное коммутационное устройство, содержащее цилиндрический Трехфазный индуктор с пазами, скошенными по краям индуктора в одном направлении по крайней мере на две-три зубцовЫх делеНИЯ, кольцевой канал, образованный между наружными и внутренними изоляционными коаксиальными цилшадрйми, причем наружный изоляционный цилиндр ил-геет внутренний выступ, кольцевые твердомегаллические электроды, расположенные в канале и жидкий металл, частично заполняющий канал, отличаюше.еся тем, что, с целью уменьшения мощности управления коммутационным устройством, повышения быстродействия центробежного коммутационного устройства и уменьшения падения напряжения в его силовой цепи, оно снабжено кольцевыми шихтованными магнитопроводами, кольцевые твердометаллические электроды выполнены с цшишдрическими токоотводами и расположены по торцам выступа наружного изоляционного цилиндра, и имеют диаметр больший внутреннего диаметра выступа наружного изоляционного цилиндра, по торцам кольцевых твердометаллических электродов в зазоре между их цил1шдрическими токоотводами и трехфазным индуктором кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны вые тупа наружного изоляционного цилиндра, по крайней мере, не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра, а жидкийметалл занимает объем, равный суммарному объему одной боковой кольцеъой полости и межэпектродного промежутка. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Механические ртутные выпрямители. Технический справочник, М-Л., 1951. 2.Авторское свидетельство СССР № 546954, кл. Н 01 Н 29/26, 1975. 3.Авторское свидетельство СССР № 612299, кл, Н 01 Н 29/26, 1976.