Способ охлаждения выхлопного газа в электрическом выключателе и электрический выключатель
Изобретение относится к области высоковольтной техники, в частности к технике многоамперных выключателей в электроэнергетических распределительных сетях. Способ охлаждения выхлопного газа в электрическом выключателе, в частности генераторном выключателе (1), который включает в себя камеру, которая окружена корпусом камеры выключателя. Форсуночным элементом (10) в области для выхлопа (7) создаются газовые струи (12), направляются на отражающую стенку (14, 140) и превращаются в завихрения. Отражающая стенка (14, 140) является составной частью корпуса (3) камеры выключателя и имеет большую теплоемкость и/или высокую теплопроводность. Выключатель имеет первый и второй контакты, в области для выхлопа, в области для выхлопа первого и второго контактов находится элемент (10) с выпускными отверстиями (11) для истечения выхлопного газа, которые представляют собой форсунки. Во внутреннем пространстве (7а) имеется, по крайней мере, еще один элемент с дополнительными выпускными отверстиями для образования дополнительных газовых струй. Корпус (3) камеры выключателя является герметичной оболочкой для выхлопного газа. Техническим результатом является достижение высокоэффективного охлаждения выхлопного газа в вихрях (13) выхлопного газа у отражающей стенки (14, 140), обеспечивается защита корпуса (3) камеры выключателя от горячих газов, улучшенное охлаждение выхлопного газа и увеличение коммутационной способности выключателя. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области высоковольтной техники, в частности к технике многоамперных выключателей в электроэнергетических распределительных сетях, а именно, к способу охлаждения газа в электрическом выключателе и к электрическому выключателю.
Уровень техники
Изобретение учитывает уровень техники соответственно ЕР 1403891 А1. В этом патенте раскрывается силовой выключатель, в котором выхлопной газ дугового пространства направляется через пустотелый контакт в концентрическое пространство для выхлопного газа, а оттуда в следующую внешнюю дугогасительную камеру. Для повышения коммутационной способности между пустотелым контактом и пространством для выхлопного газа расположены концентрические, как минимум, одно промежуточное пространство и при необходимости одно дополнительное пространство, отделенные друг от друга перегородками, имеющими круглые отверстия или отверстия для истечения газа. В результате радиального истечения из внутренних во внешние пространства выхлопные газы образуют завихрения, и много тепловой энергии может поглощаться перегородками указанных пространств. Отверстия для истечения газа между пустотелым контактом, промежуточным пространством и, при необходимости, дополнительным пространством смещены относительно друг друга по окружности. Отверстия для истечения газа между дополнительным пространством и пространством для выхлопного газа смещены относительно друг друга по окружности и/или в осевом направлении. В результате этого выхлопной газ движется по извилистым и спиралевидным траекториям, продолжительность пребывания выхлопного газа в области выхлопа увеличивается, и отдача выхлопным газом тепла улучшается. Кроме того, отверстия можно закрывать перфорированными заслонками для увеличения количества радиально направленных потоков газа или струй газа, которые ударяются о расположенную напротив стенку, приобретают вихревой характер, и в результате этого горячий газ быстро охлаждается. Способствующее охлаждению промежуточное пространство находится в области выхлопа со стороны подвижного контакта. Может присутствовать и второе промежуточное пространство со стороны неподвижного контакта. Всего в силовом выключателе для достижения достаточного охлаждения наряду с пространством полого контакта, пространством для выхлопного газа и пространством камеры выключателя должно присутствовать, следовательно, как минимум еще одно промежуточное пространство.
В DE 2507163 А1 описывается электрический выключатель, который на внутренней стороне корпуса камеры имеет облицовочные элементы из теплопроводного металла. Эти элементы служат в качестве охладителей, распределителей температуры, распределяющих поле колец, экранов для защиты изолирующих поверхностей от коррозии и диффузии, а также элементов, отклоняющих поток образующегося в выключателе газа. При этом поток образующегося в выключателе газа направляется вдоль облицовочных элементов ламинарно. Отражательная стенка для придания потоку вихревого характера образующегося в выключателе газа отсутствует.
В DE 10156535 С1 описывается электрический выключатель, который имеет устройство для отклонения потоков, с помощью которого отдельные потоки газа направляются друг на друга и в результате этого образуются завихрения. Пересечение потоков газа и их завихрение заменяют поглощающую тепло, отражающую стенку. Для дополнительного завихрения устройство для отклонения потоков может иметь у выходных отверстий небольшие завихряющие элементы, которые оказывают влияние на направление потока выходящего газа. Эти завихряющие элементы не предназначены для того, чтобы забирать тепло от выхлопного газа.
В патенте на полезную модель DE 1889068 U раскрывается силовой разъединитель с улучшенным охлаждением выхлопного газа. Устройство для охлаждения включает в себя несколько концентрично расположенных в газоотводящем канале труб, в диаметральном направлении находящихся напротив расположенных выше их отверстий для истечения газа, поэтому выхлопной газ при ламинарном вытекании проходит по аналогичной лабиринту траектории с многочисленными поворотами и касается большой поверхности охлаждающих труб. Следовательно, при такой компоновке при выхлопе существенно удлиняется траектория истечения газа и увеличивается охлаждающая поверхность. Предпочитают широкие выпускные отверстия для газа, чтобы поддерживать обратное давление выхлопного газа на низком уровне. Предпочитают узкие каналы для протекания газа между охлаждающими трубами, чтобы обеспечить выхлопному газу большую охлаждающую поверхность. В целом течение газа поддерживают в ламинарном диапазоне и охлаждение выхлопного газа происходит в результате ламинарного конвективного перехода тепла в охлаждающие трубы.
В ЕР 0720774 В1 раскрывается высоковольтный силовой выключатель с полым цилиндрическим сплетением из металлической проволоки или металлическим элементом в качестве охлаждающего элемента используемых для гашения дуги газов. Дополнительно имеется расположенный глубже внутри непроницаемый для используемых для гашения дуги газов элемент из изолирующего материала, который ограждает металлический элемент от используемых для гашения дуги газов, предварительно в результате испарения материала охлаждает используемые для гашения дуги газы и, таким образом, противодействует перегреву сплетения из металлической проволоки. Используемый для гашения дуги газ при прохождении через сплетение из металлической проволоки в результате взаимодействия с ее металлической поверхностью охлаждается еще более. Ввиду наличия большого количества щелей для истечения газа сопротивление его потоку со стороны сплетения из металлической проволоки небольшое, поэтому, как и в предыдущем случае, сохраняется ламинарное течение.
В DE 10221580 В3 раскрывается высоковольтный силовой выключатель с размыкающим устройством, в котором выхлопные газы дважды изменяют направление своего движения на 180°. Для улучшения охлаждения газов на стороне неподвижного контакта имеется концентрически расположенная, имеющая вид полого цилиндра радиально проницаемая перфорированная пластина. И в этом случае, перфорированная пластина служит в качестве охлаждающего элемента, который забирает тепло у выходящего газа, не нарушая ламинарного характера потока выходящего газа.
Описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложить для способа и выключателя с турбулентным конвективным охлаждением выхлопного газа упрощенные процедуру обращения с выхлопным газом и конструкцию с улучшенными параметрами охлаждения и улучшенной коммутационной способностью. Эта задача в соответствии с изобретением решается на основе признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение заключается в способе охлаждения выхлопного газа в электрическом выключателе для электроэнергетических распределительных сетей, в частности, в генераторном выключателе, причем выключатель имеет камеру выключателя, которая окружена корпусом камеры выключателя, причем, к тому же, в процессе выключения выхлопной газ из зоны гашения дуги поступает в область выхлопа, при этом проходит имеющий множество выпускных отверстий элемент и разделяется на множество направленных газовых струй, причем, к тому же, газовые струи разделяются на множество вихрей и у вихрей в области отражающей стенки путем конвекции изымается отражательной стенкой тепловая энергия, причем, в тому же, отражающая стенка, по меньшей мере, частично образована участком корпуса камеры выключателя или прикреплена к участку корпуса камеры выключателя. Пронизываемым элементом в выхлопном газе, таким образом, создается достаточно большое противодавление, чтобы из выпускных отверстий для газа в указанном элементе могли выходить фокусированные струи газа. Пронизываемый элемент служит в первую очередь для образования струй и от него не требуется производить охлаждающего действия на газ. Лучшее охлаждение газа достигается тем, что тепловая энергия передается путем турбулентного перехода тепла от вихрей в отражательную стенку, и тем, что являющаяся составной частью корпуса камеры выключателя или монтажной частью корпуса выключателя отражательная стенка обеспечивает возможность высокоэффективного отвода тепла. Тепловая энергия может накапливаться в отражательной стенке или передаваться дальше термически связанному с отражательной стенкой теплоприемнику. Кроме того, струеобразующие характеристики выпускных отверстий согласуются с расстоянием до отражательной стенки таким образом, чтобы вихри образовывались у отражательной стенки или в области отражающей стенки.
Пример осуществления по п.2а имеет преимущество в том, что нет условий для пробоев между выхлопным газом и отражательной стенкой, потому что отсутствуют полностью или отсутствуют существенные градиенты потенциала в пронизываемых выхлопным газом пространствах. К тому же, еще сильно ионизированный, еще не ставший диэлектрическим выхлопной газ может охлаждаться у находящейся на потенциале отражательной стенки.
Пример осуществления по п.2b имеет преимущество в том, что корпус камеры выключателя в целом или, по меньшей мере, на стороне контакта выключателя используется как крупнообъемный теплоприемник для поглощенной отражательной стенкой тепловой энергии.
В другом примере осуществления изобретения образование вихрей поддерживается путем взаимодействия газовых струй друг с другом до достижения отражающей стенки. В частности, в элементе для истечения газа должны образовываться струи газа, траектории которых пересекаются друг с другом до достижения отражательной стенки. Таким образом, вихри образуются не тогда лишь, когда отдельные струи газа ударяются об отражательную стенку, а уже по пути к отражательной стенке в результате взаимодействия газовых струй друг с другом. В экстремальном случае интерактивное образование вихрей настолько сильное, что об отражательную стенку отдельные струи уже не ударяются и ее непосредственно достигает образованный, по меньшей мере, из двух отдельных газовых струй вихрь, охлаждающийся турбулентно конвективным путем от стенки.
Изобретение относится также к электрическому выключателю для электроэнергетических распределительных систем, в частности, к генераторному выключателю, имеющему камеру выключателя, которая окружена корпусом камеры выключателя, и центральную ось, а также первый контакт и второй контакт, причем в области выхлопа первого или второго контактов расположен элемент с выпускными отверстиями для истечения выхлопного газа, область выхлопа разделена этим элементом на внутреннее пространство и внешнее пространство и во внешнем пространстве имеется отражающая стенка для охлаждения выхлопного газа, причем, к тому же, выпускные отверстия служат для образования множества направленных струй газа, которые направлены на отражающую стенку и создают множество вихрей, а эти вихри способствуют конвективной передаче тепла от выхлопного газа в отражающую стенку, причем отражающая стенка образована, по меньшей мере, одним участком корпуса камеры выключателя или прикреплена к одному из участков корпуса камеры выключателя. Кроме того, отверстия для истечения газа на указанном элементе являются форсунками, которые, исходя из их местоположения, формы и/или направленности придают газовым струям требуемые струйные характеристики и/или направленность, причем газовые струи претерпевают в форсунках коллимацию, расширение или фокусирование, которые так согласованы с расстоянием до отражающей стенки, что образование вихрей происходит у отражающей стенки или в области прилегающей стенки. Кроме того, отражающая стенка обладает необходимой для охлаждения турбулентного выхлопного газа большой теплоемкостью и/или отражающая стенка имеет способствующую охлаждению турбулентного выхлопного газа высокую теплопроводность и имеет теплопроводную связь с корпусом выключателя.
Элемент для истечения газа или многофорсуночный элемент служит, следовательно, для того, чтобы разделять выхлопной газ, по меньшей мере, в одной области выхлопа выключателя на множество направленных газовых струй, а отражающая стенка служит для завихрения струй и/или для течения вдоль нее завихренных струй, чтобы отводить тепловую энергию из выхлопного газа или же вихрей выхлопного газа путем турбулентного конвективного перехода тепла. Отражающая стенка может быть теплопоглотителем сама или быть связанной термически с теплопоглотителем. В частности, отражающая стенка, располагаясь вблизи стенки камеры выключателя или будучи составной частью корпуса камеры выключателя, может иметь очень большую площадь и служить для турбулентного охлаждения большого количества образованных струями выхлопного газа вихрей выхлопного газа. С помощью оборудованного в соответствии с изобретением выключателя в результате лучшего охлаждения выхлопных газов достигнута исключительно высокая коммутационная способность.
В соответствии с изобретением функции элемента для истечения газа в качестве многофорсуночного элемента и отражающей стенки в качестве теплоотвода разделены. Поэтому указанный элемент можно регулировать в отношении его расположения в области выхлопа, а также исполнения и расположения его форсунок, а отражающую стенку можно независимо от этого регулировать в отношении ее расположения во внешнем пространстве, ее термических свойств и ее термической связи с корпусом камеры выключателя. Ввиду большой термической массы и/или быстрой теплопроводности отражающей стенки или указанного участка корпуса камеры выключателя, локальные нагревы в местах ударов газовых струй быстро распределяются на всю отражающую стенку и, при необходимости, отводятся от отражающей стенки.
Кроме того, путем оптимизации компоновки форсунок, в частности удаления друг от друга, формы и/или ориентации, можно точнее определять и, прежде всего, расширять зону действия, с которой начинает проявляется соответствующее изобретению турбулентное конвективное охлаждение. В частности, функциональные характеристики форсунок элемента для истечения газа можно, с учетом расположения и, при необходимости, формы отражающей стенки, устанавливать такими, чтобы происходило интенсивное образование вихрей, и вихри интенсивно перемещались вблизи отражающей стенки и вдоль больших поверхностей отражающей стенки.
Примеры осуществления по п.8 имеют, в свою очередь, преимущество в том, что от отражающей стенки может охлаждаться еще сильно ионизированный, горячий выхлопной газ. Выполнение отражающей стенкой одновременно как функции охладителя, так и функции направляющей для потока газа позволяет создать наиболее простую и компактную конструкцию выключателя.
Пример осуществления по п.10 имеет преимущество в том, что в результате перекрещивания струй газа усиливается эффект завихрения. К тому же, эффект завихрения может достигаться уже раньше, т.е. в области более слабого действия.
Примеры осуществления по п.п.4 и 11-13 касаются других способов повышения эффективности охлаждения выхлопного газа в выключателе и, тем самым, повышения коммутационной способности выключателя.
Другие варианты осуществления, преимущества и области применения изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, из комбинаций пунктов формулы изобретения, а также из следующих далее описания и фигур.
Краткое описание чертежей
Схематично показывают:
фиг.1 - генераторный выключатель с металлической гильзой и прилегающей к корпусу отражающей стенкой для охлаждения выхлопного газа;
фиг.2а-2d - формы исполнения металлической гильзы;
фиг.3 - схему осуществления турбулентного конвективного охлаждения;
фиг.4 - давление выхлопа как функцию времени согласно уровню техники и согласно изобретению и
фиг.5 - эффективность охлаждения как функцию времени согласно изобретению.
На фигурах одинаковые детали обозначены одинаковыми сносками.
Варианты осуществления изобретения
Фиг.1 показывает генераторный выключатель 1 с осью выключателя 1а и камерой 2 выключателя или модуль прерывателя 2, который включает в себя дугогасительную камеру 9 и области для выхлопа 7, 8. Камера выключателя 2 окружена корпусом 3 камеры выключателя. Корпус 3 камеры выключателя состоит из корпуса дугогасительной камеры или изолятора 3с дугогасительной камеры, а также первого корпуса 3а выхлопного пространства и второго корпуса 3b выхлопного пространства. Для силового токопровода и прерывания электрической дуги имеются первый контакт или контактный штифт 4 и второй контакт в форме воротника 5 контактного гнезда, между которыми при размыкании выключателя 1 горит электрическая дуга 6а. Основная функция выключателя 1 описана в ЕР 0982748 В1, весь объем раскрытия которого включен в виде ссылок в данное описание. В частности, в нем описана функция выключателя 1. Сноски обозначают следующие составные части: токопровод 15 номинального тока, первый неподвижный контакт 16 номинального тока, второй неподвижный контакт 17 номинального тока, подвижный контакт 18 номинального тока, первая перегородка 19, модуль 20 горения в выключателе, форсунка 21 из изоляционного материала, направляющая 22 скольжения, вторая перегородка 23, пространство 24 для горения, щель продувки 25, стенка 26, цилиндр продувки 27, поршень продувки 28, канал продувки 29, обратный клапан 30. В ЕР 0982748 В1 функции и взаимодействие указанных составных частей описаны более подробно.
При размыкании дугового контактного штифта 4 выключателя зона 6 гашения дуги продувается поступающим из пространства 24 для горения газом для гашения дуги выдуванием или выхлопным газом. Выхлопной газ устремляется затем в первое и второе пространства для выхлопа 7, 8 и там охлаждается. Согласно изобретению теперь, например, в первом пространстве для выхлопа располагается элемент 10 с выпускными отверстиями 11 для истечения выхлопного газа. Пронизываемый газом элемент 10 разделяет область для выхлопа 7 на внутреннее пространство 7а и внешнее пространство 7b. Во внешнем пространстве 7b имеется отражающая стенка 14, 140 для охлаждения выхлопного газа. Отражающая стенка 14, 140 образована, по меньшей мере, одним участком 14 корпуса камеры выключателя 3 и в виде пластины 140, которая может быть исполнена более или менее отдельно, прикреплена к одному из участков корпуса 3 камеры выключателя. При такой компоновке достигается высокоэффективное турбулентное охлаждение выхлопного газа. Другое преимущество состоит в том, что корпус 3 камеры выключателя не подвергается непосредственному загрязнению самым горячим выхлопным газом, а несколько защищен форсуночным элементом 10.
Далее взаимодействие пронизываемого выхлопным газом элемента или форсуночного элемента 10 с отражающей стенкой 14, 140 подробнее излагается со ссылками на фиг.1. Из зоны 6 гашения дуги поток 100 горячего выхлопного газа поступает в первую область 7 для выхлопа, под воздействием отклоняющего поток выхлопного газа элемента 7с изменяет направление своего движения на радиальное, вдоль внутренней стенки изображенного здесь в виде гильзы элемента 10 возвращается назад и, таким образом, образует рециркуляционный поток 101, в результате которого во внутреннем пространстве 7а создается динамический напор. Через выпускные отверстия 11 в элементе 10 выхлопной газ истекает газовыми струями 12 во внешнее пространство 7b. Газовые струи 12 направлены на отражающую стенку 14, 140 и образуют вихри 13. Это происходит обычно в результате столкновения газовых струй 12 с отражающей стенкой 14, 140, так что каждая газовая струя 12 или место столкновения образует один вихрь 13.
Фиг.3 показывает в увеличенном виде, каким образом вихри 13 приводят к интенсивному охлаждению выхлопного газа в результате турбулентного конвективного перехода тепла в отражающую стенку 14, 140. При истечении выхлопного газа из отверстия 11 формируется газовая струя 12. После прохождения выпускного отверстия 11 газовая струя 12 создает пограничный слой 12а, 12b, причем в области отрыва 12а образуются небольшие вихри 13, которые с удалением от форсуночного элемента 10 увеличиваются в отношении мощности и размеров, а по мере приближения к отражающей стенке 14, 140 меняют направление своего движения по существу на осевое. Вблизи отражающей стенки 14, 140, т.е. области 14а отражающей стенки, образуется вихревая область или вихревая зона или вихревой пограничный слой 130, в которой вихрь 13 скользит вдоль отражающей стенки 14, 140, отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания 131 вихря 13 от отражающей стенки 14, 140 удаляется от нее, рециркулирует и в области 132 притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке 14, 140. В результате повторного интенсивного газообмена в области отражающей стенки 14, 140 достигается, таким образом, интенсивное охлаждение выхлопного газа. Предпосылкой для этого является то, что отражающая стенка 14, 140 сама действует как эффективный поглотитель тепла. Это достигается в соответствии с изобретением благодаря тому, что она образована участком корпуса 3 камеры выключателя или же в виде пластины 140 или обычного охлаждающего элемента 140 прикреплена к корпусу 3 камеры выключателя. С этой целью отражающая стенка 14, 140 может иметь большую теплоемкость для охлаждения турбулентного выхлопного газа. В качестве альтернативы или дополнительно отражающая стенка 14, 140 для охлаждения турбулентного выхлопного газа может иметь большую теплопроводность и теплопроводное соединение с корпусом 3 камеры выключателя.
Предпочтительно, если отражающая стенка 14, 140 находится на потенциале корпуса 3 камеры выключателя, чтобы уменьшить или исключить опасность электрического пробоя. Благодаря этому выхлопной газ перед взаимодействием его с отражающей стенкой 14, 140 не должен быть предварительно охлажден. Более того, он может быть еще горячим и, в частности, ионизированным. Особо компактное размещение достигается благодаря тому, что отражающая стенка 14, 140 является частью токопровода 15 выключателя 1. Изображенный на фиг.1 токопровод 15 является токопроводом номинального тока, однако в принципе может быть и токопроводом 15 силового тока.
Форсуночный элемент 10 может иметь низкую теплоемкость и/или низкую теплопроводность. От форсуночного элемента 10 не требуется, следовательно, участия в отводе тепла. Однако дополнительное охлаждающее действие и равномерное распределение тепла в форсуночном элементе 10 является преимуществом. Выпускные отверстия 11 элемента 10 должны функционировать как форсунки 110, 111, 112, которые придают, благодаря своему расположению, форме и/или направлению, газовым струям 12 требуемые струйные характеристики и/или направление. В частности, в форсунках 110, 111, 112 газовые струи 12 должны подвергаться коллимации, расширению или фокусированию, которые так согласовываются с удалением Н от отражающей стенки 14, 140, чтобы вихреобразование происходило у отражающей стенки 14, 140 или в области 14а отражательной стенки 14, 140.
Фиг.2а показывает пример осуществления, в котором форсунки 110 воронковидно сужены в идущем радиально наружу направлении истечения выхлопного газа. Согласно фиг.2b, имеются обеспечивающие преимущество такие форсунки 111, 112, которые направлены друг на друга таким образом, что траектории 121, 122 исходящих из них газовых струй 12 перекрещиваются друг с другом до достижения ими отражающей стенки 14, 140 и образуют вихри до достижения ими отражающей стенки 14, 140. Направленными друг на друга форсунками 111, 112 могут быть, в частности, соседние форсунки 111, 112, а также группы форсунок. Выпускные отверстия могут быть также цилиндрическими или конически расширяющимися в направлении истечения струи, в результате чего струи 12 газа могут быть расширяющимися. В ЕР 1403891 А1 описаны другие варианты выпускных отверстий 11, весь объем раскрытия которых включается в виде ссылок в данное описание. В нем описаны, в частности: осевые и/или смещенные по окружности относительно друг друга выпускные отверстия, выпускные отверстия с различными диаметрами, с различными расстояниями между центрами, выпускные отверстия, оптимизированные в отношении их формы, размеров, расположения (например, преимущественно в верхней части области для выхлопа) и количества. Для обеспечения высокой эффективности охлаждения предлагается отношение удаления Н выпускного отверстия от расположенной напротив стенки к его диаметру D предпочтительно в диапазоне 1,5<H/D<5 и, особенно, H/D=2. Предпочтительным является отношение среднего расстояния между центрами S выпускных отверстий к их диаметру S/H=1,4. Если это отношение не меньше указанной величины, то гарантировано, что образующиеся вокруг точки столкновения завихрения не оказывают отрицательного влияния друг на друга и газ эффективно охлаждается.
Форсуночный элемент 10 предпочтительно является гильзой 10, в частности из металла. Гильза 10, в принципе, может иметь любую форму и имеет, например, форму полого цилиндра (фиг.1) или сужается в виде усеченного конуса (фиг.2с) или сформирована как сходящий конус (фиг.2d). На фиг.1 нижняя крышка показана в виде первой перегородки 19 между дугогасительной камерой 9 и первой областью выхлопа 7, а верхняя крышка стенкой камеры выключателя. Гильза 10 охватывает объем V, причем дополнительно к выпускным отверстиям 11 принципиально допустимы и другие отверстия или неидеальная форма гильзы, если может быть достигнут достаточный динамический напор и возможно образование струй. Предпочтительно, если имеются только выпускные отверстия 11. Для обеспечения преимущества отношение замкнутого объема V к общей площади А выпускных отверстий 11 должно быть в интервале 0,5 м<V/A<1,5 м, предпочтительно 1 м<V/A<1,4 м, особенно предпочтительно 1,2 м<V/A<1,3 м.
Фиг.2с показывает пример осуществления, в котором выпускные отверстия 11 на элементе 10 сосредоточены в двух радиально противолежащих областях 11а и 11b. В результате этого в выхлопном газе во внешнем пространстве 7b индуцируется направляемый вдоль отражательной стенки 14, 140 поток. Обычно направляемый поток движется по круговым траекториям, винтовым траекториям и/или спиральным траекториям 11ab или по существу по вращательно-симметричным траекториям 11ab вокруг оси 1а выключателя. Вид траектории может выбираться или устанавливаться путем соответствующего расположения выпускных отверстий 11, с помощью направляющих поток элементов и/или формой форсуночного элемента 10 и отражающей стенки 14, 140. Например, при равномерно расположенных в осевом направлении выпускных отверстиях 11, при полой цилиндрической отражающей стенке 14, 140 и при форсуночном элементе 10 в форме полого цилиндра могут индуцироваться преимущественно круговые траектории или винтовые траектории, а при суживающейся форме форсуночного элемента 10 преимущественно спиральные траектории.
Был проведен теоретический анализ эффективности действия η компоновки с форсуночным элементом или гильзой 10 и отражающей стенкой 14, 140. Эффективность действия или охлаждающая эффективность гильзы η определена как отношение изъятой с помощью гильзы 10 из выхлопного газа тепловой энергии к общей тепловой энергии горячего выхлопного газа. Можно считать, что приблизительно
η(t)=(p2-p2')/p2,
где р2 - давление выхлопного газа без гильзы 10 в первой области 7 для выхлопа после разъединения контакта выключателя; а р2' - давление выхлопного газа в первой области 7 для выхлопа при наличии гильзы, усредненное по внутреннему и внешнему пространствам 7а, 7b, также после размыкания контакта выключателя. Экспериментально давление р2 без гильзы 10 было измерено, а давление р2' с гильзой 10 было определено таким образом, что было измерено первое давление во внешнем пространстве 7b, второе давление во внутреннем пространстве 7а было вычислено способом моделирования, и эти первое и второе давления были определены путем взвешивания с соответствующими пространствами 7а, 7b. Фиг.3 показывает кривую 31 давления как функции времени для области 7 для выхлопа без металлической гильзы 10 и кривую 32 давления для пространства с наличием металлической гильзы. После разъединения 33 контакта увеличение давления при неизменной крутизне кривой ограничено примерно 50% обычной ранее величины. При прохождении 34 тока через нуль давление теперь уже начинает снова снижаться, что приводит к значительному снижению давления в процессе включения. На фиг.4 показана охлаждающая эффективность действия η(t), которая после прохождения 34 тока через нуль составляет более 45%, достигая в течение небольшого промежутка времени максимума 60%.
Кроме того, были проведены экспериментальные исследования с силовым выключателем 1, имеющим металлическую гильзу 10 и отражающую стенку 14 в виде корпуса выключателя. В опыте отношение объема к площади у металлической гильзы 10 составило 1,05. При таком отношении учитывалось, что в данном случае фактически эффективными были примерно 80% геометрической площади А выпускных отверстий 11. В лабораторных условиях беспроблемно отключались токи в диапазоне более чем 63 кА с большой асимметрией, продолжительным временем горения электрической дуги и обусловленной этим подачей энергии в силовой выключатель 1 в количестве примерно 1 МДж. Таким образом, экспериментально и теоретически доказано, что применяя изобретение, можно значительно улучшить отвод тепла из выхлопного газа. К тому же, с помощью металлической гильзы 10 можно защитить корпус 3 камеры выключателя от горячих газов.
В других не показанных здесь примерах осуществления во внутреннем пространстве 7а имеется, по меньшей мере, еще один элемент с дополнительными выпускными отверстиями для образования дополнительных газовых струй и внутреннее пространство 7а указанным дополнительным элементом разделено на внутреннее и внешнее подпространства, причем во внешнем подпространстве установлена, по меньшей мере одна, дополнительная отражающая стенка так, что дополнительные газовые струи направлены на эту дополнительную отражательную стенку. Преимущество обеспечивается, если в первой области 7 для выхлопа первого контакта 4 и во второй области 8 для выхлопа второго контакта 5 имеется, по меньшей мере, по одному элементу 10 и, по меньшей мере, по одной относящейся к соответствующему элементу отражающей стенке 14, 140. Корпус 3 камеры выключателя может быть герметичной оболочкой 3 для выхлопного газа, в частности газа для гашения электрической дуги и выхлопного газа. Корпус 3 камеры выключателя может быть окружен внешним, защищающим от магнитного поля корпусом. Этот внешний корпус может быть в то же время выполнен и в качестве механического держателя для выключателя 1. Изобретение применимо к любому типу электрического выключателя 1, в частности в генераторном выключателе 1, в выключателях с вращающейся электрической дугой, в самопродувных выключателях, в газовых или SF6-выключателях и в выключателях с полой контактной трубой для отвода выхлопного газа из зоны гашения дуги.
Предметом изобретения является также способ охлаждения выхлопного газа в электрическом выключателе 1 для электроэнергетических распределительных сетей, в частности в генераторном выключателе 1, причем выключатель 1 включает в себя камеру 2 выключателя, которая окружена корпусом 3 камеры выключателя, причем, к тому же, в процессе выключения выхлопной газ из зоны 6 гашения дуги устремляется в область для выхлопа 7, 8, при этом выхлопным газом пронизывается имеющий множество выпускных отверстий 11 элемент 10 и выхлопной газ разделяется на множество газовых струй 12, причем, к тому же, газовые струи 12 превращаются во множество вихрей 13 и у этих вихрей 13 путем конвекции в области 14а отражающей стенки 14, 140 отражающей стенкой 14, 140 изымается тепловая энергия, причем отражающая стенка 14, 140 образована, по меньшей мере, одним участком 14 корпуса 3 камеры выключателя или прикреплена к одному из участков корпуса 3 камеры выключателя. Далее приводятся некоторые примеры осуществления.
Отражающую стенку 14, 140 можно удерживать на потенциале корпуса 3 камеры выключателя. Отражающую стенку 14, 140 можно также удерживать в результате теплопроводности на температуре корпуса 3 камеры выключателя. Образование вихрей 13 выхлопного газа можно поддерживать на основе взаимодействия газовых струй 12 между собой до достижения ими отражающей стенки 14, 140. В частности, в элементе 10 могут образовываться такие газовые струи 12, траектории которых 121, 122 пересекаются до достижения струями отражающей стенки 14, 140. Струеобразующие характеристики выпускных отверстий 11 также могут согласовываться с удалением Н от отражающей стенки 14, 140 таким образом, что вихри 13 образуются у отражающей стенки 14, 140 или в области 14а отражающей стенки 14, 140. Преимущество обеспечивается, если выхлопной газ и, в частности, вихри 13 направляется или направляются по круговым траекториям, винтовым траекториям или спиральным траекториям вокруг центральной оси 1а выключателя 1 вдоль отражающей стенки 14, 140.
Предметом изобретения является, кроме того, часть электрической установки высокого напряжения, которая включает в себя электрический выключатель 1, в частности, генераторный выключатель 1, каким он описан выше и каким заявляется в пунктах 5-13 формулы изобретения.
Сноски
1 - электрический выключатель
1a - центральная ось, ось выключателя
2 - камера выключателя
3 - корпус камеры выключателя, стенка камеры выключателя
3а - первая камера для выхлопа
3b - вторая камера для выхлопа
3с - корпус дугогасительной камеры, изолятор дугогасительной камеры
4 - первый контакт, (дуговой) контактный штифт
5 - второй контакт, (дуговой) воротник контактного гнезда
6 - зона гашения дуги
6а - электрическая дуга
7 - первая область для выхлопа
7а - внутреннее пространство
7b - внешнее пространство
7с - элемент для отклонения потока
8 - вторая область для выхлопа
9 - дугогасительная камера
10 - элемент, форсуночный элемент, гильза, металлическая гильза
100 - поток выхлопного газа из дугогасительной зоны
101 - рециркуляционный поток во внутреннем пространстве
11 - выпускные отверстия
11а, 11b - радиально противолежащие области
11ab - круговые траектории, винтовые траектории, спиральные траектории
110, 111, 112 - формы форсунок
12 - газовые струи
12а - область отрыва
12b - область завихрения
121, 122 - траектории
13 - вихри
130 - вихревая область, область конвективного турбулентного переноса тепла, вихревой пограничный слой
131 - область истекания
132 - область притекания, область захватывания
14 - отражающая стенка, участок корпуса камеры выключателя
140 - отражающая стенка, пластина, охладитель
14а - область отражающей стенки
15 - токопровод
16 - первый неподвижный контакт номинального тока
17 - второй неподвижный контакт номинального тока
18 - подвижный контакт номинального тока
19 - первая перегородка
20 - модуль горения в выключателе
21 - форсунка из изоляционного материала
22 - направляющая скольжения
23 - вторая перегородка
24 - пространство для горения
25 - щель продувки
26 - стенка
27 - цилиндр продувки
28 - поршень продувки
29 - канал продувки
30 - обратный клапан
31 - кривая давления (уровень техники)
32 - кривая давления при наличии гильзы и отражающей стенки
33 - размыкание контакта
34 - прохождение током нуля
D - диаметр выпускных отверстий
Н - удаление выпускного отверстия от отражающей стенки
S - расстояние между центрами выпускных отверстий
t - время
η - эффективность действия
1. Способ охлаждения выхлопного газа в электрическом выключателе (1) для электроэнергетических распределительных систем, в частности в генераторном выключателе (1), причем выключатель включает в себя камеру (2) выключателя, которая окружена корпусом (3) камеры выключателя, причем, к тому же, в процессе выключения выхлопной газ из зоны гашения дуги (6) поступает в область (7, 8) для выхлопа, при этом проходит имеющий множество выпускных отверстий (11) элемент (10) и разделяется на множество направленных газовых струй (12), причем, к тому же, газовые струи (12) превращаются во множество вихрей (13) и у вихрей (13) в области отражающей стенки (14, 140) в результате конвекции изымается отражательной стенкой (14, 140) тепловая энергия, отличающийся тем, что
a) отражающая стенка (14, 140), по меньшей мере, частично образована участком (14) корпуса (3) камеры выключателя или прикреплена к участку корпуса (3) камеры выключателя,
b) струеобразующие характеристики выпускных отверстий (11) так согласованы с удалением (Н) от отражающей стенки (14, 140), что вихри (13) образуются у отражающей стенки (14, 140) или в области (14а) отражающей стенки (14, 140) и
c) тепловую энергию накапливают в отражающей стенке (14, 140) или передают далее в термически связанный с отражающей стенкой (14, 140) теплонакопитель.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
a) отражающую стенку (14, 140) удерживают на потенциале корпуса (3) камеры выключателя и/или
b) отражающую стенку (14, 140) на основе теплопроводности удерживают на температуре корпуса (3) камеры выключателя.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что
a) образование вихрей (13) поддерживают путем взаимодействия между собой газовых струй (12) до достижения ими отражающей стенки (14, 140) и
b) в частности тем, что в элементе (10) образуются такие газовые струи (12), у которых траектории (121, 122) перекрещиваются до достижения отражающей стенки (14, 140).
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выхлопной газ и, в частности вихри (13), направляется или направляются по круговым траекториям, винтовым траекториям или спиральным траекториям вдоль отражающей стенки (14, 140).
5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что из зоны (6) гашения дуги поток (100) горячего выхлопного газа поступает в первую область (7) для выхлопа, под воздействием отклоняющего поток выхлопного газа элемента (7с) изменяет направление своего движения на радиальное, вдоль внутренней стенки элемента (10) возвращается назад и, таким образом, образует рециркуляционный поток (101), в результате которого во внутреннем пространстве (7а) элемента (10) создается динамический напор.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области (14а) отражающей стенки образуется вихревой пограничный слой (130), в которой вихрь (13) скользит вдоль отражающей стенки (14, 140), отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания (131) вихря (13) удаляется от отражающей стенки (14, 140), рециркулирует и в области (132) притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке (14, 140).
7. Способ по п.2, отличающийся тем, что в области (14а) отражающей стенки образуется вихревой пограничный слой (130), в которой вихрь (13) скользит вдоль отражающей стенки (14, 140), отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания (131) вихря (13) удаляется от отражающей стенки (14, 140), рециркулирует и в области (132) притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке (14, 140).
8. Способ по п.3, отличающийся тем, что в области (14а) отражающей стенки образуется вихревой пограничный слой (130), в которой вихрь (13) скользит вдоль отражающей стенки (14, 140), отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания (131) вихря (13) удаляется от отражающей стенки (14, 140), рециркулирует и в области (132) притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке (14, 140).
9. Способ по п.4, отличающийся тем, что в области (14а) отражающей стенки образуется вихревой пограничный слой (130), в которой вихрь (13) скользит вдоль отражающей стенки (14, 140), отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания (131) вихря (13) удаляется от отражающей стенки (14, 140), рециркулирует и в области (132) притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке (14, 140).
10. Способ по п.5, отличающийся тем, что в области (14а) отражающей стенки образуется вихревой пограничный слой (130), в которой вихрь (13) скользит вдоль отражающей стенки (14, 140), отдает ей там часть своей тепловой энергии, в области истекания (131) вихря (13) удаляется от отражающей стенки (14, 140), рециркулирует и в области (132) притекания захватывает дополнительное количество выхлопного газа и подводит его для охлаждения к отражающей стенке (14, 140).
11. Электрический выключатель (1) для электроэнергетической распределительной сети, в частности генераторный выключатель (1), включающий в себя камеру (2) выключателя, которая окружена корпусом (3) камеры выключателя и имеет центральную ось (1а), а также первый контакт (4) и второй контакт (5), причем в области для выхлопа (7, 8) первого или второго контактов (4, 5) находится элемент (10) с выпускными отверстиями (11) для истечения выхлопного газа, область для выхлопа (7, 8) разделена элементом (10) на внутреннее пространство (7а) и внешнее пространство (7b) и во внешнем пространстве (7b) имеется отражающая стенка (14, 140) для охлаждения выхлопного газа, причем, к тому же, выпускные отверстия (11) элемента (10) служат для формирования множества направленных газовых струй (12), газовые струи (12) направлены на отражающую стенку (14, 140) и образуют множество вихрей (13) и вихри (13) обеспечивают конвективный переход тепла из выхлопного газа в отражающую стенку (14, 140), отличающийся тем, что
a) отражающая стенка (14, 140) образована, по меньшей мере, одним участком (14) корпуса (3) камеры выключателя или прикреплена, по крайней мере, к одному участку корпуса (3) камеры выключателя,
b) выпускные отверстия (11) элемента (10) представляют собой форсунки (110, 111, 112), которые, исходя из схемы их расположения, формы и/или направленности, придают газовым струям (12) требуемые струйные характеристики и/или направление, причем газовые струи (12) подвергаются в форсунках (110, 111, 112) коллимации, расширению или фокусированию, согласованным с удаленностью (Н) от отражающей стенки (14, 140) таким образом, что образование вихрей происходит у отражающей стенки (14, 140) или в области (14а) отражающей стенки (14, 140), и
c) отражающая стенка (14, 140) имеет большую теплоемкость для охлаждения турбулентного выхлопного газа и/или отражающая стенка (14, 140) для охлаждения турбулентного выхлопного газа имеет высокую теплопроводность и теплопроводно соединена с корпусом (3) камеры выключателя.
12. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что
d) отражающая стенка (14, 140) находится на потенциале корпуса (3) выключателя и/или
e) отражающая стенка (14, 140) является частью токопровода (15) выключателя (1).
13. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что элемент (10) имеет низкую теплоемкость и/или низкую теплопроводность.
14. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что
a) форсунки (110) воронковидно сужены в радиальном направлении потока выхлопного газа и/или
b) имеются форсунки (111, 112), в частности соседствующие друг с другом форсунки (111, 112), которые направлены друг на друга таким образом, что траектории (121, 122) относящихся к ним газовых струй (12) пересекаются друг с другом до достижения отражающей стенки (14, 140) и до достижения отражающей стенки (14, 140) образуют вихри.
15. Электрический выключатель (1) по одному из пп.11-14, отличающийся тем, что
a) элемент (10) представляет собой гильзу (10), в частности, из металла, у которой отношение охватываемого объема V к общей площади А выпускных отверстий (11) находится в интервале 0,5 м<V/А<1,5 м, предпочтительно 1 M<V/A<1,4 м, особенно предпочтительно 1,2 M<V/A<1,3 м, и/или
b) выпускные отверстия (11) на элементе (10) сосредоточены в двух радиально противолежащих областях (11а, 11b) для того, чтобы индуцировать в выхлопном газе во внешнем пространстве (7b) направляемый вдоль отражательной стенки (14, 140) поток по круговым траекториям, винтовым траекториям и/или спиральным траекториям.
16. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что
а) во внутреннем пространстве (7а) имеется или имеются, по меньшей мере, еще один элемент с дополнительными выпускными отверстиями для образования дополнительных газовых струй и внутреннее пространство (7а) указанным дополнительным элементом разделено на внутреннее и внешнее подпространства и
b) во внешнем подпространстве установлена, по меньшей мере, одна дополнительная отражающая стенка так, что дополнительные газовые струи направлены на эту дополнительную отражательную стенку.
17. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что в первой области (7) для выхлопа первого контакта (4) и во второй области (8) для выхлопа второго контакта (5) имеется, по меньшей мере, по одному элементу (10) и, по меньшей мере, по одной относящейся к соответствующему элементу отражающей стенке (14, 140).
18. Электрический выключатель (1) по п.11, отличающийся тем, что
a) корпус (3) камеры выключателя является герметичной оболочкой (3) для выхлопного газа и/или
b) корпус 3 камеры выключателя окружен внешним, защищающим от магнитного поля корпусом и/или
c) выключатель (1) является генераторным выключателем (1).
19. Электрический выключатель (1) по п.12, отличающийся тем, что элемент (10) имеет низкую теплоемкость и/или низкую теплопроводность.
20. Электрический выключатель (1) по п.14, отличающийся тем, что
a) во внутреннем пространстве (7а) имеется, по меньшей мере, еще один элемент с дополнительными выпускными отверстиями для образования дополнительных газовых струй и внутреннее пространство (7а) указанным дополнительным элементом разделено на внутреннее и внешнее подпространства и
b) во внешнем подпространстве установлена, по меньшей мере одна, дополнительная отражающая стенка так, что дополнительные газовые струи направлены на эту дополнительную отражательную стенку.
21. Электрический выключатель (1) по п.15, отличающийся тем, что
a) во внутреннем пространстве (7а) имеется, по меньшей мере, еще один элемент с дополнительными выпускными отверстиями для образования дополнительных газовых струй и внутреннее пространство (7а) указанным дополнительным элементом разделено на внутреннее и внешнее подпространства и
b) во внешнем подпространстве установлена, по меньшей мере, одна дополнительная отражающая стенка так, что дополнительные газовые струи направлены на эту дополнительную отражательную стенку.
22. Электрический выключатель (1) по п.14, отличающийся тем, что в первой области (7) для выхлопа первого контакта (4) и во второй области (8) для выхлопа второго контакта (5) имеется, по меньшей мере, по одному элементу (10) и, по меньшей мере, по одной относящейся к соответствующему элементу отражающей стенке (14, 140).
23. Электрический выключатель (1) по п.15, отличающийся тем, что в первой области (7) для выхлопа первого контакта (4) и во второй области (8) для выхлопа второго контакта (5) имеется, по меньшей мере, по одному элементу (10) и, по меньшей мере, по одной относящейся к соответствующему элементу отражающей стенке (14, 140).
24. Электрический выключатель (1) по п.16, отличающийся тем, что в первой области (7) для выхлопа первого контакта (4) и во второй области (8) для выхлопа второго контакта (5) имеется, по меньшей мере, по одному элементу (10) и, по меньшей мере, по одной относящейся к соответствующему элементу отражающей стенке (14, 140).
25. Электрический выключатель (1) по п.17, отличающийся тем, что
a) корпус (3) камеры выключателя является герметичной оболочкой (3) для выхлопного газа и/или
b) корпус 3 камеры выключателя окружен внешним, защищающим от магнитного поля корпусом и/или
c) выключатель (1) является генераторным выключателем (1).
