Вакуумная дугогасительная камера Советский патент 1982 года по МПК H01H33/664 

1

Изобретение относится к коммутационным аппаратам, в частности вакуумным выключателям со встроенными вакуумными дугогасительными камерами.

Известна вакуумная дугогасительная камера, состоящая из вакуумноплотного корпуса, внутри которого расположены экраны из никеля, токопроводящие стержни из меди и контак- ю ты из вольфрама. Корпус камеры состоит из двух изоляционных цилиндров, вакуумнр-плотно спаянных между собой через медную прокладку, к которой с помощью никелевых полосок точечной is сваркой прикреплен центральный экран, выполненный из никеля. С торцов корпус закрыт фланцами, наружная поверхность которых не выступает над верхней кромкой корпуса. В центре каждого 20 фланца имеется отверстие, сквозь которое проходят токопроводящие медкше стержни. К наружным частям каждого из стержней присоединяются шины коммутируемой цепи с помощью специальных зажимов, охватывающих стержень tOОсновной недостаток камеры - сниженная пропускная способность по току, что обусловлено ее конструктивными особенностями и используемыми материалами. Так, наличие экранов из ферромагнитного металла - никеля, магнитная проницаемость которого больше, чем у вакуума примерно в 600 раз, приводит к возникновению в экранах вихревых токов и дополнительно нагревает фланцы. Контакты из вольфрама, удельное электрическое сопротивление которого примерно в 16 раз выше сопротивления серебра, имеют большое переходное сопротивление, вследствие чего при протекании тока в месте их сопротивления выделяется значительное количество тепла, что также снижает пропускную спи-. собность камеры по номинальному току. Кроме того, дополнительное тепло выделяется и в месте присоединения шин к стержню из-за небольшого числ контактных точек, в которых зажим соприкасается со стержнем и, следовательно, высокого переходного сопротивления. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является камера, корпу которой состоит из одного изоляцион ного цилиндра, закрытого с торцов фланцами. Герметизирующие кольца, которые соединяют изолятор с фланца ми, выполнены из ковара (сплава кобальт-никель-железо), магнитная проницаемость которого примерно в 500 раз больше, чем у вакуума. Флан дды, закрывающие корпус, изготовлены из нержавеющей, стали. На одном из фланцев укреплен экран из сплава никель-молибден. Контакты выполнены из вольфрама или металлокерамической композиции, содержащей вольфрам z.. Однако эта камера имеет следующие недостатки: наличие экрана из ферромагнитного материала приводит выделению добавочного тепла за счеТ вихревых токов и снижению номинального тока камеры; применение контак тов из вольфрама или металлокерамики, содержащей вольфрам, при протек нии тока приводит к выделению в мес те соприкосновения контактов большо количества тепла, что снижает номинальный ток; использование фланца со стороны подвижного контакта, выполненного из нержавеющей стали,кот рая имеет большое удельное электросопротивление и высокую твердость,, приводит к выделению значительного тепла при переходе тока от шины ком мутируемой цепи к фланцу. Кроме того, у нержавеющей стали низкая тепл проводность, поэтому нетоковедущая часть фланца мало нагревается теплом, выделяющимся в других частях камеры, и мало рассеивает тепла в окружающую-атмосферу. Наличие коваровых колец, соединяющих фланцы с изоляционным корпусом, затрудняет п редачу тепла от фланца в изоляционн корпус из-за низкой теплопроводност ковара (it ). Кроме того, коваровые кольца имеют значительные размеры по высоте (высота каждого кольца составляет примерно 10% высоты корпуса KaMepuj. Так как магнитная проницаемость ковара дост гает 3700 Гс/Э, то кольца не только не отбирают тепло у фланцев, но и сами являются существенными источниками тепла, которое дополнительно повышает температуру фланца. Масса деталей , выполненных из ферромагнитных материалов, составляет 25-30 всех металлических деталей камеры. Повышенное выделение тепла во фланце и коваровых кольцах, а также плохой теплоотвод ведут к перегреву фланца и тоководов, т.е. к снижению номинального тока камеры. Цель изобретения - увеличение пропускной способности камер по номинальному .току. Для достижения поставленной цели в вакуумной дугогасительной камере, содержащей вакуумно-плотный корпус, состоящий по меньшей мере из одного изоляционного цилиндра, а(эмированного металлическими манжетами и закрытого металлическими фланцами, металлических экранов, по меньшей мере один из которых закреплен на фланце корпуса, и токоподводящих стержней с контактами, не менее 90 массы металлических деталей камеры предлагается выполнять из материалов, у которых отношение магнитной проницаемости материала к магнитной проницаемости вакуума находится в пределах от 1,0 до 1,5 причем у материалов, из которых выполнены токоподводящие стержни, контакты и по меньшей мере один фланец, отношение удельного электрического сопротивле.ния материала к удельному электрическому сопротивлению серебра не превышает десяти, а отношение коэффициента теплопроводности материала к теплопроводимости серебра находится в пределах от 0,1 до 1,0. По меньшей мере один изоляционный цилиндр выполняют из материала, отношение коэф фициента теплопроводности которого к коэффициенту теплопроводности технического стекла находится в пределах от 1,О до 250. Отношение толщины по меньшей мере одного фланца к его диаметру находится в пределах от 1:4 до 1:70, часть наружной поверхности по меньшей мере одного фланца выступает над кромкой корпуса на расстояние, составляющее 1-10 толщины фланца, причем в самом фланце закреплена по меньшей мере одна полая втулка или одна шпилька, при этом втулка выполнена с резьбой по меньшей мере на своей внутренней поверхности, а шпилька имеет резьбу на своей внешней поверхности и выступает над наружной поверхностью фланца на расстояние по меньшей мере равное толщине фланца. На фиг. 1 изображена предлагаема камера, осевой разрез; на фиг. 2 часть камеры с подсоединенной токоподводящей шиной, осевой разрез. Камера содержит по меньшей мере два ТОКОПОДВОДЯ1ДИХ стержня 1 и 2, на внутренних концах которых укреплены контакты 3 и 4. Стержень 1 жестко закреплен на фланце 5-- Стержень 2 вакуумно-плотно соединен с фланцем 6 через сильфон 7 который обеспечивает возможность перемещения стержня 2 с контактом 4 без нарушения герметичности камеры. Сильфон 7 выполнен из нержавеющей стали. Одним из своих торцов сильфон 7 вакуумно-плотно соединен с наружной стенкой втулки 8, внутренняя стенка которой соединена со стержнем 2. Что бы предотвратить прожигание сильфона раскаленными частями металла, воз никающими в процессе горения дуги между контактами 3 и , сильфон защищают экраном 9Экран 10 одним из своих торцов вакуумно-плотно соединен с сильфоном 7 и втулкой 11, а другим торцом с фланцем 6. На каждом из фланцев 5 и 6 укреплены металлические экраны 12, 13 и I. Цилиндры 15 и 16 вакуумно-плот но соединены между собой через металлическую прокладку 17f на которой внутри камеры укреплены экраны 18 и 19, образующие в совокупности центральный экран, изолированный от стержней 1 и 2 и охватывающий ,дуго гасительный промежуток между контактами 3 и 4. К внешним торцам изолированных ци линдров 15 и 16 вакуумно-плотно присоединены армирующие манжеты 20 и 21 с наружными кромками которых герметично соединены торцовые фланцы 5 и 6. К манжетам 20 и 21 присоединены кольца 22 и 23, служащие компенсаторами температурных напряжений, возни кающих в месте соединения манжет 20 и 21 с изоляционными цилиндрами 15 и 16. На внешних сторонах фланцев 5 и 6 т.е. на тех сторонах, которые соприкасаются с окружающей средой, имеются отверстия, в которых закреплены крепежные детали, имеющие вид втулок 24 и 25, с помощью которых к наружной поверхности фланцев прижимают токопроводящие шины (на фиг. 1 не показаны). Наружная часть токоподводящего стержня 2 оканчивается конусной поверхностью 2б, служащей для подсое динения гибкого шинопровода коммутируемой электрической цепи (на фиг. 1 не показана). Отличие камеры на фиг. 2 заключается в том, что крепежная деталь имеет вид шпильки 27, жестко закрепленной, например запаянной, в торцовую часть стержня 1, На шпильку 2 навинчивается гайка 2Ь, которая через шайбу 29 плотно прижимает токоподводящую шину 30 к фланцу 5- Количество крепежных деталей (втулок или шпилек) может отличаться от показанного на фиг. 1 и 2. До тех пор, пока контакты 3 и соприкасаются друг с другом, камера работает в замкнутом состоянии и номинальныи ток коммутируемой электрической цепи в один из полупериодов проходит через камеру по следующему контуру: токоподводящая шина (показана на фиг, 2)- переходное сопротивление в местах соприкосновения шины .с фланцем 5 фланец 5- стержень 1- контакт 3- переходное сопротивление в местах соприкосновения контакта 3 с контактом i- контакт t-. стержень 2- переходное сопротивление в местах соприкосновения конусной поверхности 2б стержня 2 с токопоДводящей шиной коммутируемой цепи- токоподводящая шина (не показана). В динамическом режиме камера работает следующим образом. После подачи сигнала на отключение тока (оперативное или аварийное) контакт Ц выходит из соприкосновения с контактом 3- Между контактами возникает электрическая дуга, в процессе горения которой возникают ионы и атомы металлов, разлетающиеся из межконтактного промежутка и конденсирующиеся на экранах 9. 12, 13,1 18 и 19. При переходе тока через нуль луга гаснет и на контактах камеры восстанавливается напряжение. Металлические детали камеры (стержни 1 и 2i контакты 3 и ;фланцы 5 и 6; сильфон 7; втулки 8, 11, 2k и 25; экраны 9, 10, 12, 13, 1t, 18 и 19; прокладка 17; манжеты 20 и 21; кольца 22 и 23; шпилька 27) должны быть выполнены из материалов, обладающих сочетанием определенных свойств., характеризующихся по меньше мере тремя показателями: магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления и коэффициента теплопроводности. Кроме того, материалы, из которых изготовлены отдельные детали, выполняющие специфические функции, должны обладать набором дополнительных ка честв. Так, например, контакты 3 и 4 не только пропускают ток, но и комму тируют егЬ, поэтому материалы, из которых выполнены контакты, обладают несколькими дополнительными свойства ми наряду с перечисленными тремя свойствами. Проведеннь е эксперименты и расчеты показали, что при уменьшении отно шения магнитной проницаемости материалов к магнитной проницаемости вакуума с 220 до 5.0, т.е. в А раза, выделение тепла в токопроводящих деталях и охватывающих их втулках снизилось всего на 20. При дальнейшем уменьшении указанного отношения еще в три раза, т.е. до Г,5 выделение тепла в указанных деталях обусловлено резко неравномерной зависимостью выделения тепла от величины магнитно проницаемости. Показатели металлов, из которых выполнены детали камеры, сравниваются с соответствующими показателями серебра, поскольку последнее обладарт наименьшим удельным электрическим сопротивлением и наибольшим коэффициентом теплопроводности среди известных в настоящее время металлов с обычной проводимостью. Магнитную проницаемость материала принято срав нивать с магнитной проницаемостью ва куума . Проведенные расчеты и экспериментальная проверка этих расчетов по оп ределению температуры металлических деталей, камеры как пропускающих ток при замкнутых контактах 3 и , так и охватывающих токопропускающие дета ли, локазали: если более 90 мас.% металлических деталей камеры выполне ны из материала, у которого магнитна проницаемость превышает магнитную проницаемость вакуума более, чем в 1,5 раза и при этом удельное электри ческое сопротивление материала по меньшей мере одной детали из токопо Э (8 водящего контура камеры превысит удельное электрическое сопротивление серебра более, чем в 10 раз, а коэффициент теплопроводности материала по меньшей мере еще одной детали меньше коэффициента теплопроводности серебра более, чем в 10 раз, то температура наружных концов стержней и 2 превысит на 5-10с температуру, допускаемую стандартами СССР для электрических аппаратов при работе в номинальном режиме, т.е. при длительном пропускании номинального тока при замкнутых контактах. Чтобы уложиться в требования стандартов, нужно снижать величину номинального тока. Таким образом, материалы, указанные показатели которых выходят за обозначенные пределы, снижают пропускную способность камер по номинальному току. В предлагаемой камере контакты 3 и 4, экраны 9 и 10, кольца 22 и 23, втулки 8, 11 и 25 являются теми деталями, которые могут быть изготовлены из материалов с магнитной проницаемостью выше 1,5. Указанное исключение по сравнению с остальными металлическими детйлями объясняется теми функциями, которые выполняют контакты и кольца. В процессе эксплуатации контакты могут коммутировать и большие, и малые токи (более 30 кА и менее 5А). Контакты выполнены из материалов, способных противостоять ЭРОЗИО.Нному разрушению в течение всего срока службы камеры и одновременно не создавать среза отключаемого тока, например, из композиционных материалов железо - медь,железо - медь сурьма или хром - медь - вольфрам. У контактных материалов на основе железа отношение магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума больше, чем 1,5Чтобы выполнить функцию компенсаторов температурных напряжений в диапазоне температур как рабочих (от 60 до 105 с), так и технологических (до 1300 с) и при этом не увеличивать габариты камеры, кольца 22 и 23 выполнены из сплава железо - никель, причем содержание железа может меняться от ЦО до 60. В предлагаемой камере контакты 3 и t, втулки 11 и 25, кольца 22 и 23, экраны 9 и 10 по массе составляют не более 10 от массы всех металлических деталей камеры, поэтому условие по 9 ограничению первого показателя отношения магнитной проницаемости ма териала к магнитной проницаемости вакуума в пределах 1,0-1,5 для 90 металлических деталей камеры выполне но. В камере, в соответствии с проведенными расчетами и экспериментами, материалы, из которых выполнены стер ни 1 и 2, контакты 3 и 4, по меньшей мере один фланец 5 и хотя бы два экрана 18 и 19, соответствуют еще двум требованиям: их удельное электрическое сопротивление не превышает 15 мкОМСМ, другими словами отношение их удельного электрического сопротивления к этому же показателю у серебра не превышает 10,0;, коэффициент теплопроводности этих материалов находится в пределах от 2 до 420 Вт/м-град, т.е. отношение этих коэффициентов к коэффициенту теплопроводности серебра находится в пределах от 0,1 до 1,0, Материалами, которые обладают необходимым сочетанием трех свойств, являются: сверхпроводящие металлы, сопротив ление которых равно нулю, а коэффициент теплопроводности составляет не менее Вт/м-град при температурах, близких к абсолютному нулю; серебро, которое обладает наиболь шим коэффициентом теплопроводности, равным Вт/мтрад, но является драгоценным металлом; медь или ее сплавы, в состав кото рых медь входит р качестве основы, например, медь - висмут - бор;. композиционные материалы, например железо - медь, хром - медь, желе зо - медь - сурьма, хром - медь вольфрам, в состав которых медь входит в качестве одного из компонентов Чтобы увеличить отдачу тепла в окружающую среду, профиль наружной поверхности по меньшей мере одного фланца 5 полностью соответствует про филю той поверхности токоведущей шин 30, которой она соединяется с фланце 5. Эти профили на фиг. 1 и 2 выполнены в виде плоскостей., но они могут быть волнистыми или ребристыми. Пред лагаемое сопротивление профилей позволяет плотно прижать шину 30 к флан цу 5 во многих точках с помощью крепежных деталей, имеющих вид втулок 25 на фиг. 1 и шпилек 27 на фиг. 2. 6 Отдача тепла от камеры в окружаю щую среду происходит за счет конвективного -теплообмена, который тем больше, чем больше площадь деталей i соприкасающихся с окружающей средой, и чем больше разница температур межfly этими деталями и окружающей средой . Для увеличения отдачи тепла в изобретении предлагается использовать изоляционные цилиндры 15 и 1б, выполненные из вакуумно-плотной керамики, например алюмо-оксидной или бериллиевой. Коэффициент теппопроводности у алЮ1 э-оксидной керамики в 25 раз, а у бериллиевой а 250 раз больше коэффициента теплопроводности технического стекла. По меньшей мере один фланец 5 выполняет две функции: пропускает ток и служит местом крепления втулки 25 (или шпильки 27). С учетом этих двух функций экспериментально установлено, что толщина по меньшей мере одного фланца 5 должна находиться в пределах от 3 до 25 мм, а отношение толщины фланца к его диаметру в пределах от 1:4 до 1:70. По меньшей мере у одного фланца 5 наружная поверхность выступает над кромкой армирующей манжеты на расстояние от 0,1 до 2,5 мм, т.е. на расстояние, составляющее 1-10 толщины фланца. Для плотного соединения шины с фланцем это расстояние должно быть не меньше 0,1 мм, тогда шина не касается кромки армирующей манжеты. Если расстояние превысит 2,5 мм, это приведет к ненужному увеличению габаритов и массы камеры. Изобретение позволяет увеличить пропускную способность предлагаемой камеры по номинальному току по меньшей мере в 1,6 раза по сравнению с известной. Формула изобретения 1. Вакуумная дугогасительная камера, содержащая вакуумно-плотный корпус, состоящий по меньшей мере из одного изоляционного цилиндра, армированного металлическими манжетами и закрытого металлическими фланцами, металлических экранов, по меньшей мере один из которых закреплен на ланце корпуса, и токоподводящих стерЛней с контактами, отличаюП94щ а я с я тем, что, с целью увеличения пропускной способности камеры по номинальному току, не менее90.массы указанных металлических деталей выполнено из материалов, у которых отношение магнитной проницаемости к магнитной проницаемости вакуума находится в пределах ot 1,0 до 1,5,причём у материалов, из которых выполнены стержни, контакты и по меньшей мере один фланец, отношение удельного электрического сопротивления к удельному электрическому сопротивлению се ребра не превышает 10,0, а отношение коэффициента теплопроводности к коэффициенту теплопроводности серебра находится в пределах от 0,1 до 1,0. 2, Камера по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что по меньшей мере один изоляционный цилиндр выполнен из материала, отношение кoэффициeнta теплопроводности которого к коэффициенту теплопроводности технического стекла находится в пределах от 1,0 до 250. 6 3. Камера по п, 1, о т л и ч а rout а я с я тем, что отношение толщиHbi по меньшей мере одного фланца к его диаметру находится в пределах от 1:А до 1:70. Ц. Камера по п. 1,2 и 3 о т л ичающаяся тем, что не менее 75 наружной поверхности фланца выступает над кромкой корпуса на расстояние, составляющее 1-10% толщины фланца, а в самом фланце закреплена по меньшей мере одна полая втулка, имеющая резьбу по меньшей мере на своей внутренней поверхности. 5. Камера по пп 1-4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что во фланце укреплена шпилька, имеющая резьбу на своей внешней поверхности и выступающая над наружной поверхностью фланца. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 01 Н 33/66, 1972. 2.nateHT США № 3590ГЗ, кл. , 1968.

Фи1.2