Выключатель высокого и среднего напряжений с гасительной камерой с повышенной диэлектрической прочностью
Изобретение относится к области электротехники. Выключатель содержит подвижный и неподвижный контакты и гасительную камеру с внешним электродом и центральным электродом. Внешний электрод связан электрически с неподвижным контактом. В камере имеется катушка, включенная последовательно с внешним электродом и запитываемая током электрического дугового разряда для формирования магнитного поля и перемещения электрического дугового разряда по отношению к неподвижному газу-диэлектрику. Центральный электрод электрически связан с подвижным контактом и проходит через внешний электрод для смещения возникающего между этими двумя электродами электрического дугового разряда. Электрическое поле, возникающее между двумя электродами, является в высокой степени однородным, что позволяет повысить диэлектрическую прочность выключателя и снизить вероятность повторного поджига электрического дугового разряда. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к высоковольтному выключателю или выключателю для средних напряжений, в которых электрический дуговой разряд, возникающий при разрыве контактов выключателя, смещается под действием магнитного поля внутри гасительной камеры, заполненной газом-диэлектриком, и который содержит внешний цилиндрический электрод и центральный электрод, большая часть которого расположена вдоль оси внешнего электрода.
Подобная конструкция выключателя известна и описана в европейском патенте ЕР 0058007, опубликованном 4 июня 1986. В этом документе указано, что подвижной контакт одновременно играет роль электрического контакта и центрального электрода. При размыкании контактов выключателя электрический дуговой разряд, первоначально формирующийся между подвижным электродом и фиксированным электродом, быстро устанавливается между подвижным контактом и крайним электродом и, таким образом, создается ток питания катушки, которая подключена последовательно с внешним электродом. Созданное этой катушкой магнитное поле воздействует на электрическую дугу, заставляя ее за счет действия электромагнитных сил перемещаться в неподвижном газе, причем эти силы действуют на молекулы газа-диэлектрика, которые под действием дуги оказываются ионизированными.
В конце цикла разрыва контактов подвижной контакт располагается приблизительно вдоль по оси первого электрода, причем его свободный конец размещен перед одной из поверхностей первого электрода.
Такое расположение подвижного контакта в конце цикла разрыва представляется неудовлетворительным с той точки зрения, что его свободный конец создает довольно значительный местный градиент электрического поля.
Этот местный градиент может способствовать поддержанию дугового электрического разряда после того, как достигнуто нулевое значение электрического тока, который требовалось прервать. Это связано с тем, что снижается скорость деионизации газа-диэлектрика по сравнению со скоростью нарастания электрического напряжения в сети, к которой подключен выключатель. Кроме того, градиент может способствовать восстановлению дугового разряда уже по прошествии определенного времени после разрыва в сети.
В определенных условиях диэлектрическая прочность среды между подвижным контактом и внешним электродом может быть обеспечена только за счет повышения давления газа-диэлектрика, заполняющего гасительную камеру в процессе цикла отключения и в течение всего времени, пока электрическая цепь разорвана.
В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения диэлектрической прочности промежутка между электродами в гасительной камере выключателя.
В основе изобретения лежит идея заставить подвижной контакт выполнять роль электрического контакта, а центральному электроду, конструктивно отличному от этого контакта, предназначена роль электрода отключения.
Высоковольтный выключатель или выключатель для средних напряжений, где электрический дуговой разряд, возникающий при срабатывании выключателя, смещается за счет действия магнитного поля, наводимого в гасительной камере, содержащей газ-диэлектрик, причем выключатель содержит внешний цилиндрический электрод и центральный электрод, расположенный соосно с внешним электродом, согласно изобретению, центральный электрод проходит через внешний электрод.
Центральный электрод проходит через внешний электрод, чтобы создать между электродами однородное электрическое поле. Когда величина выключаемого тока достигает нуля, вероятность повторного возникновения дугового электрического разряда минимальна, что означает повышение диэлектрической прочности гасительной камеры выключателя.
Другие преимущества и характеристики изобретения поясняются описанием предпочтительных вариантов реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает выключатель, включающий гасительную камеру, где центральный электрод проходит через внешний электрод и остается фиксированным на соединительном устройстве за счет проводника, согласно изобретению;
фиг.2 - центральный электрод, изображенный на фиг.1 (частично покрыт изоляцией), согласно изобретению;
фиг.3 - выключатель, включающий гасительную камеру, где центральный электрод проходит через внешний электрод и остается зафиксированным на соединительном устройстве за счет изогнутого проводника, согласно изобретению.
На фиг.1 изображена гасительная камера выключателя, рассчитанного на высокое и среднее напряжение. В гасительной камере под давлением в несколько десятых-долей МПа содержится газ, обладающий повышенными диэлектрическими и термическими свойствами, например, гексафторид серы SF6.
Электрический контактор 1 соединен с первым электровводом с помощью элементов 1А или 1В. Подвижной контакт 2 способен вращаться вокруг оси А по отношению к контактору 1. Этот подвижной контакт 2 может представлять собой пластину или несколько пластин, расположенных параллельно и совместно вращающихся вокруг той же оси А, причем число пластин выбирается в зависимости от интенсивности отключаемого тока.
Неподвижный контакт 3 электрически соединен со вторым электрическим вводом с помощью элемента 3А. Когда выключатель замкнут, подвижной контакт 2 с силой воздействует на неподвижный контакт 3. Для срабатывания выключателя механический привод (не показан) через изолирующую штангу 5, связанную с держателем контакта 15, заставляет вращаться подвижный контакт 2.
В процессе размыкания поворотом подвижного контакта 2 по отношению к контакту 3 осуществляют зажигание дугового электрического разряда, который быстро устанавливается между подвижным электродом 2 и внешним цилиндрическим электродом 6, находящимся в гасительной камере. Внешний электрод 6 электрически соединен с неподвижным контактом 3 через катушку 1, включенную последовательно с этим электродом. В описываемом примере внешний электрод 6 имеет трубчатую форму, где внешняя боковая стенка используется в качестве каркаса для ленточного проводника, образующего катушку 7.
Электрический дуговой разряд, образующийся между подвижным контактом 2 и внешним электродом 6, запитывает катушку 7, и таким образом формируется магнитное поле. Следует отметить, что ток, текущий через катушку 7, определяется переходным током, источником которого является электрический дуговой разряд, образующийся между внешним электродом 6 и электродом поджига 3В, связанным с неподвижным контактом 3. Электрод поджига 3В изготавливается из тугоплавкого материала, например из сплава вольфрама. Заостренная форма, направленная к внешнему электроду 6, способствует быстрому формированию электрического дугового разряда между подвижным контактом 2 и внешним электродом 6. Изолирующая пластина 14 толщиной в несколько миллиметров разделяет поджигающий электрод 3В и внешний электрод 6. Эта пластина 14 изготавливается из изолирующего термостойкого материала, такого, как огнеупорная керамика или фторированная пластмасса типа политетрафторэтилена.
Созданное с помощью катушки 7 магнитное поле приводит электрический дуговой разряд в движение по отношению к неподвижному газу-диэлектрику, заполняющему гасительную камеру.
Гасительная камера содержит центральный электрод 9, расположенный вдоль оси L внешнего электрода 6.
Согласно изобретению, центральный электрод 9 проходит через внешний электрод 6 с тем, чтобы между ними создавалось однородное электрическое поле. Когда величина отключаемого тока достигает нулевого значения, как это уже было показано, вероятность возникновения электрического дугового разряда становится минимальной, и отсюда следует эффект повышения диэлектрической прочности гасительной камеры выключателя.
В примере, изображенном на фиг.1, два электрода 6 и 9 в выключателе укреплены на держателе из изолирующего материала 10, и такая конструкция обеспечивает точную регулировку их относительного положения, что гарантирует механическую и диэлектрическую прочность гасительной камеры. Проводник 8 удерживает центральный электрод 9 и за счет электрического соединения 1 обеспечивает электрический контакт между этим центральным электродом и подвижным контактом 2. Центральный электрод 9 имеет цилиндрическую форму, а его концы 9А и 9В заметно выступают за пределы поверхностей внешнего электрода 6.
Согласно преимущественному варианту реализации изобретения два выступающих края 9А и 9В центрального электрода 9 имеют закругленную форму в виде полусфер или, что еще лучше, в виде полуэллипсоидов, что снижает величину локальных градиентов электрического поля и увеличивает диэлектрическую прочность гасительной камеры выключателя.
На фиг.2 показан выключатель той же конструкции, что и на фиг.1, но в нем край 9А центрального электрода 9, расположенный с другой стороны по отношению к проводнику 8, покрыт слоем изоляционного материала 11, чтобы локализовать электрический дуговой разряд между электродами 6 и 9 и препятствовать значительному смещению разряда под действием электромагнитных сил.
Кроме того, в конструкции предусмотрено частичное покрытие внешнего электрода 6 слоем изолирующего материала 12, расположенного напротив слоя покрытия 11 центрального электрода 9, что усиливает локализацию электрического дугового разряда между электродами 6 и 9.
Как правило, изолирующее покрытие 11 и 12 изготавливается путем напыления огнеупорной керамики, или используется колпачок из фторированной пластмассы типа политетрафторэтилена.
На фиг.3 показан еще один вариант реализации настоящего изобретения. Изогнутый по отношению к оси L проводник 8’ удерживает центральный электрод 9, что позволяет подвижному контакту 2 смещаться по углу вокруг оси вращения А, начиная от первой позиции, когда имеется электрическое соединение с неподвижным контактом 3, ко второй позиции контакта с этим изогнутым проводником 8’ и, затем, до третьей позиции контакта с зажимом заземления 13. Три положения подвижного контакта 2, т.е. замыкания, размыкания и заземления, дают возможность использовать выключатель такой конструкции на понижающих электроподстанциях.
Изолирующий держатель 10 служит для закрепления двух электродов выключателя и обеспечивает точную регулировку их относительного расположения. Проводник изогнутой формы 8’ связан с изолирующим держателем 10, и он расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения А, чтобы избежать подвижного контакта 2 при перемещении последнего. Свободный конец 2А подвижного контакта 2 имеет ширину D, превышающую расстояние между поджигающим электродом 3 и изогнутым проводником 8’, и это позволяет при перемещении подвижного контакта 2 центральному электроду 9 оставаться электрически замкнутым на этот подвижный контакт 2 все то время, пока этот электрод не окажется отключенным от неподвижного контакта 3.
В конструкции предусмотрена возможность выбора расстояния между изогнутым проводником 8’ и зажимом заземления 13, чтобы подвижной контакт 2 одновременно был бы электрически связанным и с заземлением, и с изогнутым проводником 8’, обеспечивая разряд центрального электрода 9.
В приведенных двух вариантах реализации изобретения установление электрического дугового разряда между подвижным контактом 2 и центральным электродом 9 происходит очень быстро, что также позволяет уменьшить время горения электрической дуги и уменьшить износ электродов.
1. Выключатель высокого и среднего напряжений, содержащий подвижный (2) и неподвижный (3) контакты и заполненную газом-диэлектриком гасительную камеру с внешним цилиндрическим электродом (6) и центральным электродом (9), расположенным по оси (L) внешнего электрода (6), в указанном выключателе возникающий при включении электрический дуговой разряд смещается в гасительной камере под действием магнитного поля, формируемого катушкой (7), расположенной на внешнем электроде гасительной камеры, который электрически связан через катушку (7) с неподвижным контактом (3), отличающийся тем, что центральный электрод (9) гасительной камеры электрически соединен с подвижным контактом (2) и проходит через внешний электрод гасительной камеры, причем концы центрального электрода гасительной камеры, выступающие за пределы ее внешнего электрода, имеют закругленную форму.
2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что концы (9А, 9В) центрального электрода (9) гасительной камеры имеют форму полусфер.
3. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что закругленные поверхности концов центрального электрода (9) гасительной камеры представляют собой половины эллипсоида.
4. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что два электрода (6, 9) гасительной камеры крепятся с помощью изолирующей детали (10).
5. Выключатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что внешний или центральный электрод или оба электрода (6, 9) гасительной камеры покрыты изоляцией (11, 12) из пластмассы или из огнеупорной керамики для предотвращения перемещения электрического дугового разряда за пределы гасительной камеры.
6. Выключатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что центральный электрод (9) гасительной камеры закреплен на изогнутом проводнике (8’) для перемещения по углу подвижного контакта (2) к зажиму (13) заземления.
7. Выключатель по п.6, отличающийся тем, что центральный электрод (9) гасительной камеры связан с зажимом (13) заземления через подвижный контакт (2).
