ДУГОГАСЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕГАЗОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к коммутационной аппаратуре высокого напряжения.
Известно дугогасительное устройство автокомпрессионного элегазового выключателя (Заявка США №20100032411, класс Н01Н 9/32, опубл. 11.02.2010 г.), состоящее из двух контактов, соосно расположенных по осевой линии, один из которых подвижный. Вокруг контактов соосно с ними расположено электроизоляционное сопло, закрепленное на одном из них. Имеется труба, выполненная из электроизоляционного материала с утолщенными концами, также жестко закрепленная на указанном контакте соосно с соплом, которое расположено внутри нее.
Недостатком такого решения является усложнение конструкции за счет введения в нее дополнительного элемента - трубы.
Вследствие того, что диэлектрическая постоянная материала трубы существенно отличается от единицы, ее присутствие в межконтактном промежутке при отключенном положении выключателя изменяет электрическое поле в нем, снижая его напряженность на поверхности контактов и повышая, тем самым, электрическую прочность этого промежутка. Это происходит в отключенном положении выключателя и практически не влияет на нее в процессе отключения, в частности, при отключении емкостного тока.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является дугогасящее устройство элегазового выключателя (Заявка Германии №112005001520, класс Н01Н 33/70, опубл. 30.08.2007 г.), состоящее из двух контактов, размещенных вдоль одной оси, по меньшей мере, один из которых является подвижным, с закрепленным на одном из них электроизоляционным дугогасительным соплом, расположенным соосно с ними и состоящим из участков сужения потока газа, расширения потока газа и находящейся между ними горловины сопла.
В этом устройстве горловина сопла имеет цилиндрическую форму и ее внутренний диаметр постоянен по всей своей длине и равен диаметру участка сужения потока газа на его входе в горловину и диаметру участка расширения пока газа на выходе из горловины сопла.
Горловина сопла выполнена удлиненной по сравнению с преимущественно применяемыми в автокомпрессионных выключателях соплами Лаваля, что приводит к удлинению дуги и дополнительному увеличению давления газа в камере генерации давления газа за счет его дополнительного нагрева при отключении токов короткого замыкания и, следовательно, к увеличению отключающей способности в этом режиме.
Недостатком решения является ухудшение отключающей способности в отношении емкостного тока ненагруженной линии, так как при отключении контакт, находящийся во включенном положении внутри дугогасительного сопла, не успевает выйти из него до достижения пика восстанавливающегося напряжения, а сохраняющийся при этом минимальный зазор между концом контакта и горловиной сопла способствует повышению напряженности электрического поля в этом зазоре, что снижает электрическую прочность межконтактного промежутка. Это может вызвать его электрический пробой. Данный недостаток усиливается тем, что в зазоре, как в самом узком месте между цилиндрической горловиной сопла и находящимся внутри нее контактом создается повышенная скорость газа, достигающая скорости звука. Это приводит к двукратному снижению давления газа в зазоре, что также ведет к снижению величины пробивного напряжения. Вызванный этим повторный пробой при отключении емкостного тока приведет к возникновению недопустимых перенапряжений в линии, могущих вызвать в ней короткое замыкание.
Преодолеть этот недостаток в таком дугогасящем устройстве можно путем увеличения скорости движения контактов, что требует применения более мощных и более дорогих приводов, и усиления прочности элементов конструкции выключателя. Все это ведет к увеличению его стоимости.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение отключающей способности при отключении емкостного тока в элегазовом выключателе без увеличения его стоимости.
Технический результат достигается тем, что в дугогасящем устройстве элегазового выключателя, состоящем из двух контактов, размещенных вдоль одной оси, по меньшей мере, один из которых является подвижным, с закрепленным на одном из них электроизоляционным дугогасительным соплом, расположенным соосно с ними и состоящим из участков сужения потока газа, расширения потока газа и находящейся между ними горловины сопла новым является то, что горловина сопла по своей длине содержит, по меньшей мере, один участок, который в любом своем поперечном сечении имеет диаметр, превышающий диаметр, по меньшей мере, одного из участков сужения на входе в горловину и/или расширения потока газа на выходе из горловины сопла.
Введение в горловину сопла участка с увеличенным диаметром в любом его поперечном сечении по сравнению с диаметрами, хотя бы одного, из участков сужения на входе в горловину или расширения потока газа на выходе из горловины сопла позволяет повысить отключающую способность в отношении емкостных токов без необходимости увеличения мощности и стоимости привода элегазового выключателя.
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого дугогасящего устройства с горловиной сопла, состоящей из участков с постоянными по их длине диаметрами, причем диаметр горловины сопла d1 на входе больше, чем диаметр d2 на выходе из нее и совпадает с наибольшим диаметром D в ее средней части, т.е. d1=D и D>d2.
На фиг.2 - вариант, когда диаметр горловины сопла d1 на входе, и диаметр d2 на выходе из него меньше, чем ее диаметр D в средней части, т.е. когда D>d1 и D>d2.
На фиг 3 - вариант, когда диаметр горловины сопла с уменьшенным диаметром d1 имеется только в начале на ее входе, то есть d1 меньше D, а диаметр d2 на выходе из горловины сопла равен диаметру D в средней ее части, т.е. когда D>d1 и D=d2.
На фиг.4 - представлены графики электрической прочности межконтактного промежутка в зависимости от геометрии горловины сопла и скорости контакта.
Дугогасящее устройство элегазового выключателя, например, автогенерирующего типа (фиг.1) состоит из двух дугогасительных контактов, размещенных вдоль одной оси, из которых 1 является подвижным, а 2 - неподвижным. (Однако возможны конструкции выключателя, в которых оба контакта являются подвижными, или возможно, когда 1 - неподвижный контакт, а 2 - подвижный контакт). На неподвижном контакте закреплено дугогасительное сопло 3, выполненное из электроизоляционного материала и расположенное вокруг контактов соосно с ними. Дугогасительное сопло состоит из участка сужения потока газа 4, участка расширения потока газа 5 и горловины сопла 6, которая расположена между указанными участками 4 и 5.
Горловина сопла 6 в свою очередь состоит из отдельных частей:
- участка 6а, примыкающего к участку сужения потока газа дугогасительного сопла и имеющего диаметр D, равный диаметру d1 участка сужения потока газа 4 на его входе в горловину сопла (фиг.1);
- участка 6б, примыкающего к участку расширения потока газа дугогасительного сопла и имеющего диаметр d2, равный диаметру участка расширения потока газа 5 на его выходе из горловины сопла, причем d2<D.
В варианте, показанном на фиг.2, имеется также участок 6в с диаметром D, расположенным между участками горловины сопла с диаметрами d1 и d2, при этом D>d1 и D>d2.
В варианте, показанном на фиг.3, в отличие от фиг.1, участок 6б имеет диаметр D, который больше диаметра d1 участка сужения потока газа на входе в горловину и равен диаметру d2.
В описываемых вариантах продольный разрез горловины сопла имеет ступенчатую форму и состоит из двух или трех цилиндрических участков. Но в общем случае ее поверхность может быть выполнена другой формы, например, непрерывно изменяющейся (на фиг. не показана). При этом диаметры по краям должны совпадать с соответствующими наименьшими диаметрами участков сужения и расширения потока газа.
На фиг.1÷3 показаны варианты горловины сопла, содержащей по своей длине, по меньшей мере, один участок, который в любом своем поперечном сечении имеет диаметр D, превышающий хотя бы один диаметр d1 и/или d2 участков сужения на входе и/или расширения потока газа на выходе из горловины сопла.
При этом проходное сечение дугогасительного сопла, определяющее расход газа через него, находится в месте наименьшего диаметра, и в варианте фиг.1 определяется диаметром d2, фиг.3 - диаметром d1, а фиг.2 - наименьшим из диaмeтpoв d1 или d2.
Дугогасительное сопло 3 при помощи кольцевого канала 7 между ним и неподвижным контактом 2 соединено с камерой генерации давления газа 8.
Дугогасящее устройство работает следующим образом. При отключении тока подвижный контакт 1 приводится в движение и происходит размыкание контактов 1 и 2 с возникновением электрической дуги между ними, растягивающейся по мере их расхождения. Дуга нагревает дугогасящий газ, вследствие чего растет давление в камере генерации давления газа 8. Нагрев и давление газа увеличены за счет использования сопла с удлиненной горловиной, так как при этом увеличивается длина и время горения дуги а, значит, выделяемая ею энергия, идущая на нагрев газа. При выходе подвижного контакта из горловины сопла 6 открывается свободный проход для газа, который из камеры генерации давления газа через кольцевой канал 7 проходит в горловину сопла 6, а затем через участок расширения потока газа 5 выбрасывается во внутренний объем выключателя 9, ограниченный электроизоляционными или металлическими стенками (на фиг. не показаны). При этом дугогасящий газ обдувает дугу, вызывая ее гашение при прохождении переменного тока через свой естественный нуль.
Профилирование горловины сопла практически не влияет на отключение больших токов короткого замыкания, если при этом сохраняется неизменным проходное, то есть наименьшее сечение сопла. В этом случае гашение дуги происходит после выхода контакта 1 из горловины сопла. Отключающая способность в этих режимах определяется в основном давлением гасящего газа.
Однако отключение емкостного тока вследствие его малости возможно и тогда, когда подвижный контакт находится в горловине сопла. В этом случае наиболее тяжелым является режим, когда нуль тока совпадает с моментом размыкания. Здесь восстанавливающееся напряжение достигает максимума после времени Тn, которое равно полупериоду тока промышленной частоты. Если оно прикладывается к межконтактному промежутку тогда, когда подвижный контакт 1 еще проходит через горловину сопла 6, то вследствие того, что диэлектрическая постоянная материала электроизоляционного дугогасительного сопла больше, чем у газа, это приводит к повышению напряженности электрического поля в зазоре между контактом и горловиной сопла и снижению электрической прочности межконтактного промежутка.
На фиг 4 показано, как влияет профиль горловины сопла на восстанавливающуюся электрическую прочность. Эти зависимости получены путем расчета электрических полей в межконтактном промежутке, увеличивающемся с постоянной скоростью после размыкания контактов. Результаты расчета соответствуют форме сопла, показанного на фиг.1. На фиг.4 в одинаковом для всех кривых масштабе на оси абсцисс отложено время t момента размыкания контактов, а на оси ординат U восстанавливающаяся электрическая прочность межконтактного промежутка и восстанавливающееся напряжение.
Кривые (А) и (В) показывают изменение восстанавливающейся электрической прочности при разных скоростях подвижного контакта в горловине сопла, соответствующей прототипу, то есть имеющую цилиндрическую форму с постоянным диаметром. Диаметр подвижного контакта на 5% меньше горловины сопла. Из них кривая (В) соответствует скорости подвижного контакта в 1,5 раза превышающую скорость для кривой(А).
2
Кривая (С) показывает изменение восстанавливающейся электрической прочности для предлагаемого дугогасящего устройства в соответствии с фиг.1, когда диаметр d участка 6б, смежного с участком расширения потока газа 5, принят таким же, как диаметр горловины сопла в прототипе, а диаметр D участка 6а - на 10% больше. При этом скорость подвижного контакта 1 одинакова для кривых (А) и (С), а его диаметр равен диаметру прототипа. Длины горловин сопла в расчетах приняты одинаковыми.
Кривая (F) - восстанавливающееся напряжение.
Рассмотрим кривую (А). При расхождении контактов, когда в момент времени Т1 конец подвижного контакта подходит к входу в цилиндрическую горловину сопла, происходит усиление влияния диэлектрика дугогасительного сопла на восстанавливающуюся электрическую прочность и при продолжающемся расхождении контактов начинается ее снижение, которое заканчивается к моменту времени Т2 при полном вхождении конца контакта в горловину сопла. Это снижение связано с тем, что зона наибольшей напряженности электрического поля на подвижном контакте смещается с его переднего края на боковой край, ближе к цилиндрической поверхности горловины сопла, и в узком зазоре между контактом и горловиной создается повышенная напряженность. С момента времени Т2 начинается замедленный рост восстанавливающейся электрической прочности и к моменту времени Т3, когда конец подвижного контакта выходит из горловины сопла, попадая в участок расширения потока газа, она начинает ускоренно расти. Как видно из графика, кривая (А) пересекает кривую (F) восстанавливающегося напряжения в промежутке времени от Т1 до Т2. После пересечения кривых может произойти пробой межконтактного промежутка.
При увеличении скорости подвижного контакта в 1,5 раза (кривая В) восстанавливающаяся электрическая прочность достигает по величине такого же значения как в точке Т1 на кривой (А), но за более короткий промежуток времени Т4. Начиная с этого момента, происходит ее снижение, которое заканчивается к моменту времени Т5, а затем идет ее медленный рост до момента времени Т6. Кривая (В) везде проходит выше кривой восстанавливающегося напряжения (F), поэтому пробоя и отказа при отключении емкостного тока в этом случае не произойдет. Но достигается это ценой необходимости увеличения энергии привода более чем в 2 раза.
Повысить восстанавливающуюся электрическую прочность прототипа можно путем увеличения диаметра цилиндрической горловины сопла, не изменяя при этом диаметра, проходящего сквозь него подвижного контакта. Это связано с тем, что с увеличением зазора между ними напряженность электрического поля на боковой части контакта, т.е. там, где она имеет наибольшее значение, падает. Однако такое решение имеет ряд недостатков. Во-первых, увеличивается проходное сечение сопла и требуется больше газа для отключения тока. Во-вторых, если нет поперечной фиксации движения контакта по отношению к соплу, при их эксцентричном взаимном смещении произойдет одностороннее сближение и уменьшение электрической прочности межконтактного промежутка. И, в-третьих, снижение этой прочности произойдет в тех типах выключателей, в которых отключение емкостных токов сопровождается истечением газа через сопло. В таких выключателях в зазоре между подвижным контактом и горловиной сопла создается течение газа с соответствующим снижением давления и плотности газа и соответствующим снижением электрической прочности.
Введение 10-процентного расширения начального участка горловины сопла устранило провал в кривой (С) восстанавливающейся электрической прочности после достижения момента времени Т1, который совпадает с моментом начала вхождения в расширенную часть горловины сопла 6a конца подвижного контакта. Вследствие увеличения зазора между концом подвижного контакта и горловиной на этом этапе движения зона наибольшей напряженности на подвижном контакте сместилась с боковой поверхности несколько вперед, а сама максимальная напряженность снизилась. С этого момента происходит только снижение скорости роста восстанавливающейся электрической прочности до момента времени Т7 (от Т1 до Т7), после чего за промежуток времени Т7-Т8 происходит спад величины восстанавливающейся электрической прочности до уровня, совпадающего с кривой (А) в момент времени Т8. Это соответствует вхождению конца подвижного контакта 1 в суженную часть горловины сопла. По прошествии интервала Т8-Т3 и после выхода подвижного контакта из горловины сопла с момента Т3 восстанавливающаяся электрическая прочность нарастает практически так же, как и в случае кривой (А). Следует отметить, что ее снижение на участке Т7-Т8 произошло после того, как восстанавливающееся напряжение (F) прошло через свой максимум и начало снижаться. Поэтому пересечение кривых (С) и (F) не происходит и пробой невозможен.
Положительный эффект введения расширенного участка в горловине сопла при сохранении суженного участка на ее конце усиливается, если отключение емкостного тока сопровождается течением газа через сопло. В этом случае в течение всего времени, пока конец подвижного контакта не войдет в суженную часть, скорость движения газа около этого конца будет близка к нулю. Поэтому не будет происходить местное снижение плотности газа на боковой поверхности контакта вблизи его конца и вызванное этим снижение электрической прочности. Оно произойдет только на этапе Т8-Т3, и не вызовет пробоя для выключателей с такой скоростью движения контактов, при которой к этому времени начнется снижение восстанавливающегося напряжения.
Таким образом, при времени движения подвижного контакта (кривая С) от момента его размыкания с неподвижным контактом до момента выхода из горловины сопла Т3, которое превышает время полупериода тока Тn промышленной частоты, возможно повышение отключающей способности в отношении емкостного тока путем увеличения диаметра передней части горловины сопла (фиг.1).
Аналогично расширение только средней части 6в горловины сопла (фиг.2) может дать такой же эффект, если при вхождении конца подвижного контакта в переднюю суженную часть 6а, примыкающую к участку 4 сужения потока газа, восстанавливающееся напряжение еще настолько мало, что кривые восстанавливающихся электрической прочности и напряжения еще не пересекаются. При дальнейшем повышении восстанавливающегося напряжения конец движущегося подвижного контакта сойдет с начальной суженой части 6а горловины и перейдет в расширенную среднюю часть 6в, вследствие чего увеличится восстанавливающаяся прочность. Таким образом, может быть успешно преодолен пик восстанавливающегося напряжения, а последующее прохождение концом контакта второго суженного участка 6б, сопровождающееся снижением электрической прочности, будет происходить при уменьшившемся значении восстанавливающегося напряжения. Такое дополнительное сужение начального участка 6а горловины сопла оказывается целесообразным, поскольку именно ее передняя часть подвергается наибольшей дуговой эрозии и такое сужение повышает коммутационный ресурс выключателя.
При этом же условии может быть использовано сопло с горловиной, расширенная часть которого занимает заднюю часть 6б этой горловины (фиг.3). Его можно применять при таких скоростях контактов, когда при вхождении конца подвижного контакта в горловину сопла восстанавливающееся напряжение еще достаточно мало. Достоинством такого сопла является сохранение величины проходного сечения и расхода газа через него. Другим достоинством является применимость укороченных сопел, у которых контакт выходит из горловины не на этапе спада восстанавливающегося напряжения, а раньше, когда оно еще растет или проходит через максимум.
Полезная модель может использоваться в элегазовых выключателях автогенерирующего и автокомпрессионного типов среднего и высокого напряжения с целью повышения отключающей способности при отключении емкостного тока без повышения энергоемкости привода.