Центробежное коммутационное устройство Советский патент 1982 года по МПК H01H29/26 

Изобретение относится к сильноточной коммутационной аппаратуре и может быть использовано для коммутации бол ших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей температуре (до 500600 с) и любом произвольно меняющемся положении в пространстве, а. также при отсутствии силы тяжести. По основному авт. св. IP из вестно центробежное коммутационное устройство, содержащее цилиндрический трехфазный индуктор с пазами, скошенными по краям индуктора в одном направлении, по крайней мере, на два-три зубцовых делений, кольцевой канал, образованный между наружным и внутренним коаксиальными цилиндрами, причем наружный изоляционный ци-, линдр имеет внутренний выступ, кольцевые твердометаллические электроды, расположенные в канале, ижидкий металл, частично заполняющий канал. Устройство содержит также кольцевые и шихтованные магнитопроводы, кольцевые твердометаллические электроды, выполненные с цилиндрическими токоотводами и расположенные по торцам выступа наружного изоляционного цилиндра, имеющие диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного изоляционного цилиндра, по торцам твердометаллических кольцевых электродов в зазорах между их цилиндрическими отводами и трехфазным индуктбром расположены кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изоляционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра, а жидкий металл занимает объем, равный суммарному объему одной боковой кольцевой полости и межэлектродного промежутка lj . Такое устройство является нормально замкнутым контактором, и размыкание электрической цепи в нем про исходит после включения трехфазного индуктора, создающего в узком кольцевом канале с жидким металлом вращающееся магнитное поле. Это поле приводит металл во вращение, и он удаляется из межэлектродного промежутка в боковые полости. Недостаток устройства обусловлен тем, что с увеличением коммутируемого тока происходит увеличение толщины слоя жидкого металла в межэлектррдном промежутке, а с ростом напряжения отключаемой цепи приходится увеличивать длину межэлектродного промежутка. В итоге ухудшается быстродействие устройства, так как большое количество жидкого металла из межэлектродного промежутка может быть удалено за большое время. С уве личением коммутируемых тока и напряжения увеличивается время горения ду ги. Цель изобретения - повышение быст родействия центробежного коммутацион ного устройства. Эта цель достигается тем, что в центробежном коммутационном устройст ве внутренний выступ наружного изоля ционного цилиндра выполнен с на(эужным кольцевым Назом, в котором распо ложена многовитковая катушечная обмотка, под внутренним изоляционным цилиндром размещен кольцевой шихтованный магнитопровод с радиальными прорезями, который охвачен изнутри электропроводной кольцевой шиной V-образного сечения, примем наружные аксиальные поверхности бортиков профиля шины сообщаются с кольцевым каналом посредством кольцевых щелей, которые образованы у торцов внутреннего изоляционного цилиндра. На фиг. 1 изображено центробежное коммутационное устройство (ЦКУ); на фиг. 2-5 - устройство в различных стадиях процесса коммутации; на фиг. 6 - эпюры индукций магнитных полей в кольцевом зазоре. Устройство состоит из цилиндричес кого трехфазного индуктора в виде шихтованного статора 1, в пазах которого, скошенных по краям в одном направлении на 2-3 зубцовых деления уложена трехфазная обмотка 2, наружного изоляционного (керамического) цилиндра 3 с прямоугольным выступом в середине, коаксиального наружному внутреннему изоляционному цилиндру Между цилиндрами образован кольцевой канал, в котором находятся два кольцевых твердометаллических электрода 5 с коаксиально расположенными цилиндрическими токоотводами. Электроды размещены по торцам внутреннего выступа наружного цилиндра и имеют диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного цилиндра 3. К электродам 5 примыкают два кольцевых изолятора 6, имеющих цилиндрические основания. По торцам кольцевых электродов в зазоре между токоотводами и индуктором расположены два кольцевых шихтованных магнитопровода 7. Под внутренним изоляционным цилиндром Ц размещен кольцевой шихтованный магнитопровод 8 с радиальными прорезями. Магнитопровод 8 охвачен изнутри на меньшем радиусе кольцевой медной шиной 9 V-образного сечения. В наружном изоляционном цилиндре 3 имеется наружный кольцевой паз, в котором размещена многовитковая катушечная обйотка 10. Жидкий металл 1 занимает объем, равный сумме объемов боковой кольцевой полости между цилиндром 3 и магнитопроводом 7 и межэлектродного промежутка, при этом объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изоляционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектроднрго промежутка под выступом наружного цилиндра. Между торцами внутреннего изоляционного цилиндра 4 и торцами дисковых изоляторов 6 расположены кольцевые щели так, что наружные аксиальные поверхности бортиков профиля шины 9 сообщаются с кольцевыми каналами устройства. Устройство работает следующим образом. Жидкий металл, частично заполняющий кольцевую полость ЦКУ и постоянно находящийся в ней при любом произвольном положении ЦКУ в пространстве, замыкает дисковыр электроды 5, и ток силовой цепи 7 проходит в основном по медной шине 9 (ток 7«) и частично по жидкому металлу м (фиг. 2). При включении трехфазной обмотки 2 индуктора в сеть жидкий металл приводится во вращение и под действием центробежных сил перемещается из межэлектродного промежутка в боковые кольцевые полости. Одновременно с трехфазной обмоткой включается на постоянное.напряжение кольцевая обмотка 10, создающая в зазоре с жидким металлом под внутренним выступом наружного цилиндра 3 радиальное магнитное поле. После удаления части жидкого металла из межэлектродного промежутка исчезает электрический контакт с медной шиной 3, и весь ток проходит через постоянно уменьшающийся слой жидкого металла (фиг. 3). Когда весь жидкий металл удаляется из межэлектродного промежутка, диэлектрический выступ цилинд ра 3 обнажается, между «идкометаллическими кольцевыми электродами возни кает электрическая дуга (фиг. k). На электрическую дугу действует вращающееся магнитное поле BV и постоян ное магнитное поле В катушки 10, имеющее противоположное направление по краям коммутирующего выступа (фиг. 5). В результате взаимодействия магнитных полей с горящей дугой происходит раскручивание дуги и растягивание ее в узкой кольцевой щели по винтовой, линии. Положение дуги в за ви си т от ,,соот ношени я Вг . При О (фиг. 6в), дуга перемещается за вращающимся магнитным полем, и скорость ее опреде:ляется лишь трением о среду и стенЛи. В идеальном случае (при отсутст. ВИИ трения} дуга будет вращаться.х синхронной скоростью. Если по краям щели шириной Вщ при Z tf (фиг. 6а,в) поле по координат Т не будет знакопеременным, и дуга в области анодного и катодного пятен перемещается в противоположных направлениях. Сопротивление шнура ду ги увеличивается, и дуга быстро гаснет. После разрыва цепи кольцевая обмотка 10 должна быть отключена. Во избежание насыщения кольцевого магнитопровода 8 магнитным полем коммутируемого тока после исчезновения тока в V-образной шине магнитопровод 8 должен иметь радиальные про рези, увеличивающие магнитное сопротивление в тангенциальном направлении. Так как обмотка 10 включается кратковременно (на десятые доли секунды) , то плотность тока в ней может быть существенной, и, несмотря на малое поперечное сечение окна обмотки, индукция В, как показывают расчёты, оказывается одного порядка с 87. Для питания обмотки 10 может использоваться напряжение коммутируемой цепи. Обмотка 10 должна изготавливаться из тонкого медного провода диаметром 0,1-0,2 мм, так как в более толстом проводе наводятся существенные вихревые токи от вращающегося магнитного поля трехфазного индуктора и обмотка 10 экранирует кольцевую межэпектродную полость, что ухудшает быстродействие устройства. Электропитание к обмотке 10 подводится по проводникам, расположенные в щели одного из пазов индуктора (между пазовым клином и наружным изоляционным цилиндром). Обмотка 10 может иметь параллельные ветви. .Введение кольцевой обмотки, кольцевого шихтованного магнитопровода и V-образной шины пoвышaёt эффективность устройства. Наличие магнитопровода и шины обеспечивает поперечную (радиальную)компоненту, поля коль-i цевой обмотки 10 в межэлектродной полости, что заставляет электрическую дугу растягиваться впоперечном ма1- нитном поле. Использование медной кольцевой шины позволяет снизить толщину слоя жидкого металла, а следовательно, высоту межэлектродного кольцевого промежутка, что, в свою очегредь, увеличивает радиальное поле и эффективность кольцевой.оЬмотки. Трехфазный индуктор должен включаться таким образом,чтобы магнитное поле вращалось а сторону, противоположную направлению скоса пазов. Возможно принципиально обеспечить работу устройства в циклическом режиме. Для этого индуктор включают .та- КИМ образом, чтобы поле вращалось в сторону, скоса пазов. Кольцевая обмотка должна периодически включаться на переменное напряжение, например, повышенной частоты до 200400 Гц. В этом случае во вращающемся кольцевом слое жидкого металла в межэлектродном промежутке наводятся замкнутые вихревые токи от пульсирующего потока кольцевой обмотки. Взаимодействие этих токов с радиальным пульсирующим потоком приводит к появлению осевых электромагнитных сил в жидком металле, направленных в противоположные стороны к боковым кольцевым полостям. Под действием этих сил металл удаляется из кольцевой полости, а электрическая цепь размыкается. V-образная медная и1ина, охватывающая-кольцевой магнитопровод, выполняет одновременно еще одну функцию. Она пропускает через себя боль шую часть коммутируемого тока и тем самым предотвращает возникновение пинч-эффекта,приводящего к выплескиванию жидкого проводника из межэлектродного промежутка и неуправляемому размыканию силовой цепи. Ос бенно заметно пинч-эффект может про явиться для жидких металлов невысокой плотности (Na) при горизонтальн положении продольной оси коммутацио ного устройства. Формула изобретения Центробежное коммутационное устройство по авт. св. № , о т личающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, внутренний выступ наружного изоляционного цилиндра .выполнен с наружным кольцевым пазом, в котором помещена многовитковал катушечная обмотка, под внутренним изоляционным цилиндром размещен кольцевой шихтованный магнитопровод с радиальными прорезями, который охвачен изнутри электропроводной кольцевой шиной V-образного профиля, причем наружные аксиальные поверхности бортиков профиля шийы сообщаются с кольцевым каналом посредством кольцевых щелей, которые образованы у торцов внутреннего изоляционного цилиндра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № , кл, Н 01 Н 29/26, 1979.