КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА ВАКУУМНОЙ ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ НА НАПРЯЖЕНИЕ 110 кВ
CONTACT SYSTEM OF VACUUM ARC-QUENCHING CHAMBER FOR VOLTAGE OF 100 kV

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вакуумным выключателям и применяется в вакуумных дугогасительных камерах высокого напряжения.
Основным элементом, обеспечивающим коммутационные и высоковольтные характеристики вакуумных выключателей, являются вакуумные дугогасительные камеры (ВДК), характеристики которых, в свою очередь, в значительной степени определяются конструкцией контактной системы (КС). В настоящее время в ВДК на высокое напряжение (свыше 35 кВ) применяются исключительно КС, создающие продольное магнитное поле, где вектор магнитной индукции параллелен вектору тока электрической дуги. Продольное магнитное поле, создаваемое КС, при протекании по ней тока обеспечивает диффузную форму горения электрической дуги, которая возникает при размыкании контактов. Диффузная форма электрической дуги характеризуется низким напряжением и равномерным рассредоточением по поверхности КС, благодаря чему не происходит чрезмерного нагрева поверхности КС и при переходе тока через ноль между разомкнутыми контактами восстанавливается напряжение, то есть происходит успешное отключение тока в КС ВДК. Дополнительное требование к КС для ВДК на напряжение свыше 35 кВ состоит в том, что разомкнутые контакты должны выдерживать более высокие напряжения в отключенном состоянии, поэтому конфигурация КС должна быть такой, чтобы напряженность электрического поля на ее поверхностях не превышала критической величины.
В техническом решении (патент JP 2010113821 А, МПК: Н01Н 33/66, опубликован 20.05.2010) [1] предложена КС для высоковольтной ВДК, в которой продольное магнитное поле создается индуктором, имеющим форму чаши с несколькими косыми прорезями в ее стенках. Эти прорези направляют ток по винтовым линиям, в результате чего ток создает продольное магнитное поле. Индуктор соединен с контактной деталью, имеющей форму круглого и плоского диска, а снаружи закрыт экраном, изготовленным из нержавеющей стали, служащим для выравнивания напряженности электрического поля на острых кромках пазов.
Недостаток данной конструкции КС состоит в том, что применяемый в ней индуктор имеет большой размер по длине, а магнитное поле, создаваемое винтовыми линиями тока, ограничено по величине. Кроме того, внешний экран не закрывает боковые кромки самой контактной детали, на которых возникает повышенная напряженность электрического поля.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция, предложенная в (патент US 5777287 A, МПК: Н01Н 33/66, опубликован 07.07.1998) [2]. В ней контактная система содержит подвижный и неподвижный контактные узлы, которые далее в тексте будем называть также контактами, каждый из которых состоит из токоподвода в виде стержня, контактной детали в виде круглого диска с плоской поверхностью контактирования, индуктора в виде разрезного кольца из материала с высокой электропроводностью и втулки из материала с низкой электропроводностью, причем индуктор и втулка расположены между контактной деталью и токоподводом и соединены с ними, при этом втулка установлена внутри индуктора и соосно с ним.
Недостаток данной конструкции состоит в том, что на краях круглого диска контактной детали и кольцевого индуктора возникает повышенная напряженность электрического поля, что может привести к пробою вакуумного промежутка между разведенными контактами.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание КС ВДК на напряжение 110 кВ и выше с высоким пробивным напряжением промежутков между разведенными контактами за счет уменьшения напряженности электрического поля на поверхностях КС.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в создании контактной системы вакуумной дугогасительной камеры, содержащей подвижный и неподвижный контактные узлы, каждый из которых состоит из токоподвода в виде стержня, контактной детали в виде круглого диска с плоской поверхностью контактирования, индуктора в виде разрезного кольца из материала с высокой электропроводностью, втулки из материала с низкой электропроводностью, причем индуктор и втулка расположены между контактной деталью и токоподводом и соединены с ними, при этом втулка установлена внутри индуктора и соосно с ним.
Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что контактная деталь имеет форму перевернутой чаши с боковой цилиндрической поверхностью, охватывающей индуктор в виде разрезного кольца, а переход между плоской поверхностью контактирования и боковой цилиндрической поверхностью сделан с радиусом скругления не менее 5 мм.
За счет этого на краях контактной детали и кольцевого индуктора не возникает повышенной напряженности электрического поля, что снижает или исключает вероятность пробоя вакуумного промежутка между разведенными контактами.
Конструкция КС поясняется рисунками фиг.1 и фиг.2. Фиг.1 - общий вид контактной системы ВДК. Фиг.2 - разрезы узлов КС ВДК. Позициями на фиг.1 и фиг.2 обозначены:
1 - токоподвод подвижного контактного узла;
2 - токоподвод неподвижного контактного узла;
3 - контактная деталь в форме перевернутой чаши;
4 - индуктор в виде разрезного кольца;
5 - втулка.
Контактная система ВДК содержит: подвижный и неподвижный контактные узлы (контакты), каждый из которых состоит из токоподвода, выполненного в виде стержня, контактной детали в форме перевернутой чаши 3, индуктора в виде разрезного кольца 4 из материала с высокой электропроводностью и втулки 5 из материала с низкой электропроводностью, причем индуктор в виде разрезного кольца 4 и втулка 5 расположены между контактной деталью в форме перевернутой чаши 3 и неподвижным токоподводом 2 или подвижным токоподводом 1. Все детали соединены друг с другом с помощью пайки. Контактная деталь в форме перевернутой чаши 3 имеет плоскую поверхность контактирования S, сопряженную радиусом скругления R не менее 5 мм, с боковой цилиндрической поверхностью Р, охватывающей индуктор 4 (фиг.1).
Контактная система работает следующим образом: при выполнении операции отключения привод выключателя через систему валов, рычагов и изоляционную тягу (не показаны на рисунках) размыкает контакты КС ВДК на расстояние Н. При этом в межконтактном вакуумном промежутке возникает электрическая дуга, которая горит в парах металла, из которого изготовлена контактная деталь в форме перевернутой чаши 3 (обычно композиция хром-медь). Ток I в контактной системе протекает следующим образом: от подвижного токоподвода в виде стержня 1 попадает в индуктор в виде разрезного кольца 4 и, проходя по его кольцу, создает в промежутке между контактами КС продольное магнитное поле с индукцией В. Затем через выступ на конце кольца индуктора ток перетекает в контактную деталь в форме перевернутой чаши 3. В неподвижном контакте ток I протекает аналогичным образом: из контактной детали в форме перевернутой чаши 3 ток попадает в индуктор в виде разрезного кольца 4, протекает по его кольцу и попадает в токоподвод неподвижного контакта. Направления векторов индукции магнитного поля В, создаваемого индукторами подвижного и неподвижного контактов, совпадают. Таким образом, вектора индукции магнитного поля в межконтактном промежутке суммируются. Продольное магнитное поле обеспечивает диффузную форму горения электрической дуги, при этом электрическая дуга равномерно рассредоточена по поверхности контактной детали в форме перевернутой чаши 3. Как указывалось ранее, вакуумная дуга в продольном магнитном поле имеет диффузную форму, которая не вызывает сильного разогрева поверхностей контактирования. При переходе переменного тока через ноль, дуга гаснет, и между контактами восстанавливается напряжение. Операция отключения тока КС ВДК успешно завершена.
При протекании тока в КС он преимущественно проходит по индуктору в виде разрезного кольца 4, так как он изготовлен из материала с высокой электропроводностью, и лишь малая его часть проходит через втулку 5, так как она изготовлена из материала с низкой электропроводностью (например из нержавеющей стали). Назначение втулки 5 состоит в том, чтобы воспринимать механические нагрузки, которые возникают при операции включения, когда контакты КС замыкаются с высокой скоростью, а затем поджимаются для снижения переходного электрического сопротивления и обеспечения электродинамической устойчивости.
После отключения тока межконтактный промежуток подвергается воздействию электрического поля. Причем в классе 110 кВ пик восстанавливающегося напряжения между разомкнутыми контактными узлами КС может достигать величины 200 кВ. Чтобы выдержать такое напряжение, поверхности КС не должны иметь острых углов или кромок, на которых происходит концентрация напряженности электрического поля. В предлагаемом изобретении контактная деталь в форме перевернутой чаши 3 своей боковой цилиндрической поверхностью Р экранирует острые кромки индуктора в виде разрезного кольца 4. Переход от плоской поверхности контактирования S к боковой цилиндрической поверхности Р сделан с радиусом скругления R не менее 5 мм. Такая конструкция КС позволяет максимально снизить напряженность электрического поля. Кроме того, предлагаемая конструкция обладает компактностью, что позволяет экономить внутренний объем и габариты ВДК, а магнитное поле, создаваемое индуктором в виде разрезного кольца, имеет большую величину, так как витки предельно приближены к поверхности контактирования.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать контактную систему с продольным магнитным полем для вакуумной дугогасительной камеры на высокое (до 110 кВ) напряжение. Предлагаемая КС проста в изготовлении и технологична.
Вакуумные выключатели в настоящее время занимают лидирующие позиции среди остальных типов коммутационных аппаратов в классе напряжений 10-35 кВ в силу таких преимуществ, как:
- экологическая чистота;
- высокий коммутационный ресурс;
- возможность эксплуатации при температурах -60°С и ниже.
Они в последние годы стали также применяться в классе напряжения 110 кВ и создавать конкуренцию элегазовым аппаратам.
Положительный эффект от предлагаемого изобретения заключается также в том, что КС позволяет уменьшить ход контактов и габариты самой ВДК. Кроме этого конструкция вакуумного выключателя также станет более компактной и менее материалоемкой.
Источники информации
[1]. Патент JP 2010113821 А, МПК: Н01Н 33/66, опубликован 20.05.2010.
[2]. Патент US 5777287 А, МПК: Н01Н 33/66, опубликован 07.07.1998.