СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
ELECTRIC ARC QUENCHING METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к выключателям и контакторам переменного или постоянного тока, размыкающим электрическую цепь с возникновением электрической дуги и последующим ее гашением в электроизоляционной среде, например, в элегазе, азоте, масле, воздухе или вакууме.
Известен способ гашения электрической дуги путем ее удлинения до критической величины  (Родштейн Л.А. Электрические аппараты низкого напряжения. M.-Л.: Энергия, 1964 - с. 109, 110) и его реализующее устройство, обеспечивающее гашение удлиняющейся практически прямолинейно электрической дуги между дугогасительными контактами в полости электроизоляционного тела - сопла (Александров Г.Н. и др. Проектирование электрических аппаратов. Л.: Энергоатомиздат, 1985 - с. 108, рис. 4-3, в). Этот способ и соответствующие ему устройства хорошо известны. Они реализованы в большом числе различных конструкций выключателей, контакторов и других аппаратов, размыкающих токоведущие электрические цепи. При этом гашение удлиняющейся электрической дуги осуществляется в ДугоГасительных Устройствах (ДГУ), в которых, благодаря увеличению ее длины до некоторой критической величины  дуга гасится. Величина же  зависит от ряда факторов, например, она возрастает при увеличении отключаемого тока, особенно постоянного, и уменьшается при наличии обдува электрической дуги.
Недостатками указанного способа и соответствующих устройств является то, что максимальное расстояние  между полностью разомкнутыми контактами ДГУ должно с запасом превышать критическую длину дуги . Следовательно, максимальный ход  подвижных дугогасительных контактов должен удовлетворять условию  вследствие чего могут возрастать размеры ДГУ и нагрузки в соответствующих приводных механизмах. В случае отключения постоянного тока, из-за отсутствия его нулевых значений и, следовательно, дополнительного возрастания  требуется еще большее увеличение хода  подвижных дугогасительных контактов. В обоих случаях (т.е. при отключении переменного и постоянного токов), вследствие увеличения нагрузок на привод, уменьшается рабочий ресурс аппаратов. С повышением уровней отключаемых токов и напряжений для уменьшения обгорания контактов необходимо существенно уменьшать и время их полного размыкания, что при значительных расстояниях  проблематично.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства гашения электрической дуги, радикально повышающих эффективность процесса ее гашения и тем самым значительно увеличивающих рабочий ресурс отключающих аппаратов, а также уровни отключаемых ими токов и напряжений как переменных, так и постоянных.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе гашения электрической дуги в электроизоляционной среде между размыкаемыми дугогасительными контактами, по мере увеличения расстояния между контактами, формируют(ся) удлиняющиеся соответственно величине этого расстояния соленоидальные каналы с непрерывно увеличивающимся числом витков, которые заполняют(ся) электрической дугой, совершающей при этом вращательно-поступательное движение (каналы, подобно резьбе, могут быть N-заходными при N≥1).
Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно заявляемому способу гашения электрической дуги, в известном устройстве гашения электрической дуги в электроизоляционной среде (в ДГУ), содержащем основное полое электроизоляционное тело, главные и дугогасительные контакты, в полости основного тела установлено дополнительное электроизоляционное тело, при этом зазор между поверхностями обоих тел содержит участки с расширениями, которые соответствуют соленоидальным каналам, причем при включенном положении устройства как главные, так и дугогасительные контакты электрически замкнуты, дугогасительные контакты расположены в одном из концов упомянутых каналов, при этом одна часть дугогасительных контактов механически связана с дополнительным телом, а другая часть - с основным телом, а при отключенном положении устройства, главные и дугогасительные контакты разомкнуты, причем упомянутые части дугогасительных контактов расположены в противоположных концах каналов.
Дополнительное тело в ДГУ может быть выполнено в виде поршня, при этом в поршне со стороны его наружной боковой поверхности выполнены соленоидальные каналы, причем одна часть дугогасительных контактов, механически связанных с поршнем, выполнена «точечными», а другая часть контактов, связанных с основным телом, выполнена «кольцевыми».
Дополнительное тело в ДГУ может быть выполнено в виде поршня, при этом в полости основного тела со стороны его внутренней поверхности выполнены соленоидальные каналы, причем одна часть дугогасительных контактов, механически связанных с поршнем, выполнена «кольцевыми», а другая часть контактов, связанных с основным телом, выполнена «точечными».
ДГУ может быть выполнено так, что оно содержит конструктивные элементы, установленные с возможностью обеспечения нагнетательного движения материала электроизоляционной среды по каналам при размыкании и замыкании дугогасительных контактов.
На фиг. 1-5 проиллюстрирован способ гашения электрической дуги, соответствующий п. 1 формулы изобретения.
0
На фиг. 1-5 указаны элементы, относящиеся к заявляемому способу: электроизоляционная среда 1, например, тело, размыкаемые дугогасительные контакты 2 и 3, соленоидальный канал 4 и его частный случай - спиральный канал 4 (фиг. 3), условная круговая цилиндрическая поверхность 5 постоянного радиуса R (фиг. 1), условная круговая коническая поверхность 6 (фиг. 2), условная плоскость 7 (фиг. 3).
На фиг. 6-37 показаны устройства гашения электрической дуги.
Фиг. 6-9 относятся к пп. 2, 3 и 5 формулы изобретения, причем фиг. 6 соответствует замкнутому положению всех контактов ДГУ, фиг. 7 - размыканию главных контактов при замкнутых дугогасительных контактах, фиг. 8 - размыканию дугогасительных контактов с образованием электрической дуги с током i, фиг. 9 - полностью разомкнутому положению всех контактов ДГУ.
Фиг. 10-13 аналогичны фиг. 6-9, они также относятся к пп. 2, 3 и 5 формулы изобретения, но уже при движении поршня по дуге окружности радиуса R, а не по прямой линии, как в случае фиг. 6-9.
Фиг. 14-17 относятся к пп. 2, 4 и 5 формулы изобретения, причем фиг. 14 соответствует замкнутому положению всех контактов ДГУ, фиг. 15 - размыканию главных контактов при замкнутых дугогасительных контактах, фиг. 16 -размыканию дугогасительных контактов с образованием электрической дуги с током i, фиг. 17 - полностью разомкнутому положению всех контактов ДГУ.
Фиг. 18-21 аналогичны фиг. 14-17, они также относятся к пп. 2, 4 и 5 формулы изобретения, но уже при движении поршня по дуге окружности радиуса R, а не по прямой линии, как в случае фиг. 14-17.
Фиг. 22-29 относятся к пп. 2 и 5 формулы изобретения при плоском варианте реализации ДГУ, причем фиг. 22 и 23 соответствуют замкнутому положению всех контактов ДГУ, фиг. 24 и 25 - размыканию главных контактов при замкнутых дугогасительных контактах, фиг. 26 и 27 - размыканию дугогасительных контактов с образованием электрической дуги с током i, фиг. 28 и 29 - полностью разомкнутому положению всех контактов ДГУ.
На фиг. 30 для примера показана схема превращения модели фиг. 6-9 в реальный выключатель, изображенный на фиг. 31, в котором согласно п. 5 формулы изобретения, при движении со скоростью V электроизоляционного поршня 13 вместе с дополнительными конструктивными элементами, обеспечивается нагнетательное давление Р материала электроизоляционной среды как при отключении выключателя (фиг. 32), так и при его включении (фиг. 33).
На фиг. 34 для примера показана схема превращения модели фиг. 14-17 в реальный выключатель, изображенный на фиг. 35, в котором согласно п. 5 формулы изобретения, при движении со скоростью V электроизоляционного поршня 13 вместе с дополнительными конструктивными элементами, обеспечивается нагнетательное давление Р материала электроизоляционной среды как при отключении выключателя (фиг. 36), так и при его включении (фиг. 37).
ДГУ (фиг. 6-21) содержит полое электроизоляционное тело 8, главные контакты 9 и дугогасительные контакты: «точечный» - 10 и «кольцевой» - 11, полость 12 в теле 8, электроизоляционный поршень 13 с соленоидальным каналом 14, контактные выводы 15 и 16, изоляционную тягу 17.
ДГУ (фиг. 22-29) содержит основное плоское электроизоляционное тело 18, плоские главные контакты с выводами 19, 20 и дугогасительные конаткты: «точечный» - 21 и «линейный» - 22, плоский спиральный канал 23, дополнительное плоское электроизоляционное тело 24, отверстие 25 для обеспечения нагнетательного движения материала электроизоляционной среды по каналу 23.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
V
0
0
Ток i протекает через замкнутые дугогасительные контакты 2 и 3 (фиг. 4). Если контакты размыкаются, то образуется электрическая дуга с током i (фиг. 1-3). При этом контакт 3 движется по соленоидальному каналу 4 (фиг. 1 и 2) или по его частному случаю - спиральному каналу 4 (фиг. 3) с суммарной скоростью ω, состоящей из угловой скорости ω и прямолинейной - V, т.е. контакт 3, а значит и электрическая дуга с током i, совершают вращательно-поступательное движение. В результате этого значительно увеличивается длина электрической дуги, благодаря чему она может быстро погаснуть еще до достижения контактом 3 конечного положения (фиг. 5). Сказанное можно подтвердить математически. Например, согласно фиг. 1 и 5 максимальному прямолинейному расстоянию  между полностью разомкнутыми контактами 2 и 3 соответствует максимальная соленоидальная длина электрической дуги , где h - шаг витков соленоидального канала, а N - число его витков радиусом R. Следовательно, Значит конструктивно (за счет выбора размеров R и h) можно выполнить соотношение  т.е. обеспечить условие:
свидетельствующее о радикальном увеличении длины дуги  по сравнению с длинной  межконтактного промежутка.
Таким образом, при реализации заявляемого способа благодаря условию (1) радикально повысится эффективность гашения электрической дуги, что свидетельствует о решении поставленной задачи. ДГУ работает следующим образом.
0
0
Во включенном положении ДГУ (например, фиг. 6) главные 9 и дугогасительные 10, 11 контакты замкнуты, т.е. через ДГУ протекает рабочий ток i, часть которого i протекает через главные контакты, а часть i-i через дугогасительные контакты. В процессе отключения ДГУ привод воздействует через тягу 17 на его контакты, которые начинают двигаться с определенной скоростью V. При этом сначала размыкаются главные контакты 9 на расстояние  между ними, равном небольшой величине  (фиг. 7). Затем размыкаются дугогасительные контакты 10, 11, в результате чего между ними возникает электрическая дуга с током i (фиг. 8), которая вследствие поступательного перемещения поршня 13 со скоростью V, содержащего «точечный» контакт 10 и наличия в поршне соленоидального канала 14, начинает его заполнять. При этом, вследствие перемещения кромки канала 14 относительно «кольцевого» дугогасительного контакта 11 по его окружности, электрическая дуга совершает вращательно-поступательное движение. По мере увеличения расстояния между контактами 10 и 11, длина электрической дуги все больше и больше увеличивается в соответствии с длиной соленоидального канала, образуя соленоидальный токоведущий проводник. При достижении конечного положения контактом 10 (фиг. 9) длина  этого проводника согласно условию (1) будет значительно превышать величину промежутка  между контактными выводами 15 и 16, что обеспечит эффективное гашение дуги еще до достижения контактом 10 указанного конечного положения как при переменном, так и постоянном токе.
m
0
Аналогичным образом работает ДГУ, изображенное на фиг. 10-13, с той лишь разницей, что теперь вместо линейной скорости V фигурирует угловая скорость ω=V/R, а вместо линейных размеров  углы β, β и β соответственно.
Все сказанное полностью относится и к ДГУ, изображенных на фиг. 14-17 и фиг. 18-21.
Подобным образом работает и плоское ДГУ, изображенное на фиг. 22-29, с той лишь разницей, что канал 23, заполняемый электрической дугой при размыкании дугогасительных контактов 21 и 22, является спиральным (т.е. частным случаем соленоидального канала 14, изображенного на фиг. 6-13), а «линейный» контакт 22 выполняет функцию «кольцевого» контакта 11, показанного на фиг. 6-13.
Таким образом, при выполнении ДГУ в соответствии с формулой изобретения, согласно конструктивно реализуемому условию (1), длина  электрической дуги в виде соленоидального (спирального) проводника, значительно превысит прямолинейный межконтактный промежуток  что обеспечит радикальное повышение эффективности гашения электрической дуги как при переменном, так и постоянном токе i. Следовательно, при этом обеспечиваются и условия для повышения уровней отключаемых токов и напряжений, уменьшения скорости V размыкания контактов, понижения давления Р электроизоляционной среды (фиг. 31-33, фиг. 35-37) и даже, возможно, замены экологически вредного элегаза, например, на азот. Все это свидетельствует о решении поставленной задачи.
v
В заключение необходимо обратить особое внимание на то, что предлагаемое изобретение, благодаря вращательно-поступательному движению со скоростью ω электрической дуги с током i (фиг. 1-3, 8, 12, 16, 20, 27), реализует принципиально новый для электрических выключателей физический эффект. Этот эффект, электромагнитно-торсионного характера, может обеспечить качественный скачок в области конструирования современных электрических выключателей, развитие которых уже достигло определенного предела, поскольку в основном базируется на реализации в межконтактном промежутке  прямолинейных «пушечных» скоростей V, взрывоопасных давлений Р, применения экологически вредного элегаза (кстати, недавно запрещенного в Европе) и сложных систем обдува электрической дуги, понижающих надежность и повышающих стоимость выключателей.