УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БЫСТРОГО ЗАМЫКАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
DEVICE AND METHOD FOR FAST CLOSING CIRCUIT OF ELECTRIC CIRCUIT AND USE OF THIS DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение в первом аспекте относится к устройству для быстрого замыкания электрической цепи, при этом упомянутое устройство содержит основной искровой промежуток, снабженный первым и вторым основными электродами и пусковым устройством, причем упомянутое пусковое устройство содержит дополнительный искровой промежуток, снабженный первым и вторым дополнительными электродами для зажигания дуги в основном искровом промежутке, при этом дополнительные электроды экранированы от упомянутого основного искрового промежутка посредством экранирующего блока, имеющего канальное средство, проходящее через него от наружной стороны дополнительного искрового промежутка до наружной стороны основного искрового промежутка.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу быстрого замыкания электрической цепи путем генерирования дуги между первым и вторым основными электродами основного искрового промежутка с помощью пускового устройства, причем, при необходимости, генерируют электрическую дугу между первым и вторым дополнительными электродами в дополнительном искровом промежутке, связанном с пусковым устройством, посредством чего зажигают дугу в основном искровом промежутке с помощью дуги в дополнительном искровом промежутке и экранируют дополнительный искровой промежуток от основного искрового промежутка посредством экранирующего блока, имеющего канальное средство, проходящее через него от наружной стороны дополнительного искрового промежутка до наружной стороны основного искрового промежутка.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к применению устройства по изобретению.
Предшествующий уровень техники
Искровые промежутки, приспособленные для генерации дуги между электродами и с использованием точного определения времени, применяются, в частности, в высоковольтных лабораториях для запуска лазерных лучей и в качестве защиты для последовательных конденсаторов в линиях электропередачи. Настоящее изобретение, главным образом, предназначено для применений в рамках последней области техники, но в любом случае не ограничивается этим. Последовательные конденсаторы используются в линиях электроснабжения, главным образом, для увеличения пропускной способности линии электроснабжения. Такое оборудование с последовательными конденсаторами содержит батарею конденсаторов, которая присоединена к линии электроснабжения, и пропускает через себя электрический ток линии электроснабжения. Напряжение на таком последовательном конденсаторе становится пропорциональным силе тока в линии электроснабжения, и в случае перегрузки по току в линии электроснабжения, например, вызванной коротким замыканием в сети электроснабжения, возникает перенапряжение на обкладках последовательного конденсатора.
В целях защиты конденсатора от такого перенапряжения уже известно соединение конденсатора параллельно с искровым промежутком, который приводится в действие подходящим образом в случае перенапряжения на конденсаторе. Таким способом ток линии шунтируется после конденсатора, который, таким образом, является защищенным. Известные защитные устройства этого типа описаны, например, в US 3725729, US 4625254, US 4652963, US 4703385, US 4860156, US 5325259, US 5893985, US 6700091, US 2008253040, US 2009134129 и USH756.
Один недостаток обычного зажигания дуги в основном искровом промежутке, основанного на дополнительном искровом промежутке, который возникает при активации основного искрового промежутка с возможностью зажигания путем искры, сгенерированной пусковой схемой, состоит в том, что оно требует очень высокого напряжения на основном искровом промежутке. Причина этого заключается в том, что режим работы основывается на дополнительном искровом промежутке, по существу, служащем для ионизации воздуха между основными электродами. Ионизация способствует образованию электрической дуги между ними; однако предполагается, что напряжение является достаточным для возникновения дугового разряда. Напряжение на основном искровом промежутке должно достигать, по меньшей мере, около 10 кВ. Это ограничивает возможности применения. Кроме того, это требует восстановления искрового промежутка даже после нескольких разрядов из-за того, что коррозия, вызванная электрической дугой на электродах, приводит к тому, что расстояние между электродами изменяется, что, в случае такого обычного типа запуска искры в зазоре, влияет на уровень выключения, то есть уровень, при котором напряжение на основном искровом промежутке обеспечивает дугу.
Вышеописанные недостатки в значительной степени должны быть преодолены посредством устройства, раскрытого в WO 03/096502. В устройстве этого раскрытия каждый дополнительный электрод снабжен направляющими, выполненными таким образом, чтобы дуга, через посредство направляющих и под воздействием генерированного собственного магнитного поля, перемещалась к основному искровому промежутку, причем каждая из двух направляющих имеет длину, которая больше, чем ширина дополнительного искрового промежутка, и при этом дополнительные электроды размещены таким образом, чтобы они были защищены от воздействия плазмы, образованной в основном искровом промежутке, и в результате чего герметичный корпус окружает основной искровой промежуток и дополнительный искровой промежуток.
Генерация дуги в основном искровом промежутке достигается с помощью этого устройства некоторым образом, который принципиально физически отличается от генерации дуги, которая достигается с помощью обычной технологии. С помощью обычной технологии электрическая дуга в основном искровом промежутке достигается посредством зажигания искры из дополнительного искрового промежутка, ионизируя воздух между основными электродами так, чтобы возникал дуговой разряд в промежутке между ними, что предполагает очень высокое напряжение между ними. С помощью специального исполнения дополнительного искрового промежутка, согласно упомянутому раскрытию, генерация электрической дуги в основном искровом промежутке, соответственно, не зависит от такой ионизации. Направляющие приводят электрическую дугу в дополнительный искровой промежуток посредством собственных магнитных сил, которые возникают вокруг электрической дуги, привлекаемые для целесообразного перемещения внутрь к основному искровому промежутку таким образом, чтобы между электродами основного искрового промежутка постепенно устанавливалась дуга.
Важное следствие этого отличия состоит в том, что нет необходимости в напряжении смещения на основном искровом промежутке в дополнение к падению напряжения на дуге и падению напряжения на электроде. Таким образом, здесь может быть достаточно использования напряжения по величине порядка 1 кВ или даже ниже.
Факт того, что не требуется высокое напряжение на основном искровом промежутке, обеспечивает значительные преимущества. Функция искрового промежутка будет относительно улучшена в отношении изменения его ширины. Таким образом, искровой промежуток не нужно восстанавливать после разряда. Поэтому искровой промежуток может быть активирован сотни раз без какого-либо требования для промежуточного технического облуживания. Кроме того, искровой промежуток может быть использован для новых функций, при которых не возникает высокое напряжение, когда искровой промежуток должен быть активирован. При этом искровой промежуток является невосприимчивым к внешним условиям, таким как влажность, лед, снег, загрязнение и насекомые. Поскольку дополнительные электроды защищены от воздействия плазмы, образуемой в основном искровом промежутке, исключается риск того, что электрическая дуга может повредить дополнительные электроды.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является дополнительное улучшение устройства обсуждаемого типа.
Эта задача согласно первому аспекту настоящего изобретения достигается  тем, что устройство такого типа, который изначально определен, включает в себя конкретные признаки, согласно которым устройство также включает в себя сопло с первым концом, являющимся наиболее близким к дополнительному искровому промежутку, и со вторым концом, наиболее близким к основному искровому промежутку, при этом первый конец имеет впускное отверстие, которое находится в соединении с упомянутым канальным средством.
Сопло образует сосредоточенную плазму дугового разряда, которая будет лучше направлена к основному искровому промежутку, чем это могло быть достигнуто с помощью известной технологии, например, такой как в вышеупомянутой публикации WO 03/096502. Высокая концентрация струи плазмы повышает эффективность пускового устройства и приводит к очень точной работе и более короткому времени срабатывания. Время срабатывания менее 0,5 мс может быть легко достигнуто с помощью этого сопла. Напряжение, требуемое на основном искровом промежутке для образования дуги, также может быть снижено за счет наличия сопла.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения сопло, по меньшей мере, частично размещено в упомянутом канальном средстве.
Таким образом, перемещение электрической дуги от дополнительного искрового промежутка к основному искровому промежутку будет более надежно в силу того, что предотвращена опасность утечки между экранирующим блоком и соплом. Размещение сопла частично в канальном средстве также снижает длину пускового устройства. Объединение в одно целое сопла с экранирующим блоком приводит к компактному исполнению.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, часть сопла образована канальными стенками канального средства.
Объединение в одно целое сопла с экранирующим блоком также обеспечивает, в связи с этим, простой способ достижения эффекта сопла, в котором канальное средство определяет его часть.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения участок головки сопла размещен на наружной стороне основного искрового промежутка экранирующего блока, и сопло, по меньшей мере, частично проходит через участок головки сопла.
Вследствие этого часть сопла может быть размещена в части с меньшими размерами, чем это требуется для экранирующего блока. Таким образом, сэкономленное пространство является предпочтительным в отношении размещения выходного отверстия сопла относительно основного искрового промежутка.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, экранирующий блок, участок головки сопла и сопло выполнены из одного и того же материала как одно целое.
Объединение этих частей приводит к компактной конструкции, которая является простой в изготовлении.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения внутренность сопла является сужающейся от входного отверстия к выходному отверстию.
Сужающееся сопло приводит к тому, что перемещение дуги или струи плазмы будет более сфокусированным, что усиливает эффект зажигания дуги в основном промежутке. Предпочтительно сопло сужается непрерывным образом. Если внутреннее сечение сопла является квадратным или прямоугольным, оно может или сужаться при условии сужения только двух противоположных сторон или всех четырех. Сечение может быть круглым или овальным, форма может быть конической или конусообразной соответственно.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения выходное отверстие имеет удлиненную форму.
Обнаружено, что такая форма оптимально соответствует геометрическому контексту для инициирования основного искрового промежутка. Таким образом, выходное отверстие имеет в основном прямоугольную форму, но предпочтительно, что углы являются скругленными. Вследствие этого все короткие стороны полностью могут быть конфигурированы в виде круглых дуг. Также предпочтительно, что входное отверстие имеет соответствующую форму.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения внутренняя форма сопла является удлиненной в любом его сечении перпендикулярном продольному удлинению сопла.
Вследствие этого перемещение электрической дуги внутри сопла не будет подвергаться возмущающим эффектам из-за изменений формы и, таким образом, приводит к согласованному функционированию.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения материалом сопла является полимер.
При этом может быть найден подходящий материал, который соответствует требованиям работы, таким как предельные и изоляционные требования и потребности производства. Подходящими полимерами являются полиоксибензилметиленгликольангидрат (бакелит), полиэстр, полиимид и политетрафторэтилен (тефлон).
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения материалом сопла является политетрафторэтилен.
Было определено, что политетрафторэтилен является оптимальным для удовлетворения вышеупомянутых требований. В частности, в том, что касается износа сопла, который возникает из-за газификации материала под воздействием дуги, было определено, что политетрафторэтилен имеет высокую способность противостоять этому износу. Таким образом, большое число операций может быть выполнено без слишком большого расширения выходного отверстия.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один из основных электродов имеет кольцеобразную форму и сопло размещено по центру относительно кольцеобразного электрода.
С помощью такого размещения расстояние между электродами может быть уменьшено так, чтобы это размещение было оптимальным в отношении создания дуги в основном искровом промежутке. Таким образом, круглая форма электродов обеспечивает дополнительное уменьшение времени срабатывания.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения каждый дополнительный электрод снабжен направляющей, выполненной таким образом, чтобы дуга, через посредство направляющих и под воздействием генерированного собственного магнитного поля, перемещалась к экранирующему блоку стенки.
Это означает, что сопло применяется к конкретному типу устройства, раскрытому в вышеупомянутой публикации WO 03/096502, и, таким образом, будет иметь аналогичные преимущества, как это устройство и которое описано выше. Эти преимущества, вместе с преимуществами сопла, согласно настоящему изобретению, будут иметь синергический эффект.
Настоящее изобретение также относится к последовательному конденсатору, который включает в себя аппарат для защиты от перенапряжения, снабженный устройством согласно настоящему изобретению, в частности, по любому из вышеописанных его вариантов осуществления.
Поскольку изобретенное устройство представляет особый интерес как компонент в таком аппарате, аппарат защиты от перенапряжения по изобретению обеспечивает использование преимуществ устройства в области, в которой эти преимущества применяются в значительной степени.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения задача решается тем, что способ такого типа, который определен во вводной части, также включает в себя конкретные этапы размещения сопла с первым концом, являющимся наиболее близким к дополнительному искровому промежутку, и со вторым концом, наиболее близким к основному искровому промежутку, размещением входного отверстия на первом конце, соединением впускного отверстия к упомянутому канальному средству и размещением выпускного отверстия на втором конце и, таким образом, направлением электрической дуги от дополнительного искрового промежутка с возможностью перемещения к основному искровому промежутку через посредство сопла.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения способ осуществляется с использованием устройства согласно настоящему изобретению, в частности по любому из его вариантов осуществления.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения задача решается тем, что устройство по изобретению применяют для быстрого замыкания электрической цепи высокого напряжения.
Согласно варианту осуществления применения изобретения устройство применяют для защиты последовательного конденсатора от перенапряжения.
Способ по изобретению и применение изобретения и вышеописанные варианты их осуществления имеют аналогичные преимущества в отношении таковых для устройства по изобретению изобретенного и его вышеописанных вариантов осуществления.
Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что другие варианты осуществления, конечно, могут быть составлены путем любой возможной комбинации вышеописанных вариантов осуществления и с помощью любой возможной их комбинации и признаков, упомянутых в описании примера, приведенного ниже.
Далее настоящее изобретение будет объяснено с помощью следующего подробного описания его примера и посредством ссылки на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид сбоку электрода и его поддерживающей конструкции согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой первое диаметральное сечение, выполненное через верхнюю часть, согласно фиг.1.
Фиг.3 представляет собой второе диаметральное сечение, выполненное через верхнюю часть, согласно фиг.1, ортогональное к разрезу согласно фиг.2.
Фиг.4 представляет собой вид в перспективе детали на фиг.2 и 3.
Фиг.5 представляет собой первый разрез, выполненный через деталь, согласно фиг.4.
Фиг.6 представляет собой второй разрез, выполненный через деталь, согласно фиг.4.
Фиг.7 представляет собой вид сверху с торца детали, изображенной на фиг.4.
Фиг.8 представляет собой вид снизу с торца детали, показанной на фиг.4.
Фиг.9 представляет собой схематичный чертеж дополнительного искрового промежутка согласно настоящему изобретению.
Фиг.10 изображает последовательный конденсатор, снабженный устройством защиты от перенапряжения, согласно настоящему изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Фиг.1 на виде сбоку изображает один из основных электродов 1 в устройстве согласно настоящему изобретению. Электрод 1 установлен на поддерживающей конструкции 2 и взаимодействует со вторым электродом (не показан), образуя основной искровой промежуток А между друг другом. Электрод 1 имеет форму круглого кольца и может быть выполнен из меди. Устройство размещено в герметичном корпусе (не показан).
Основная функция такого устройства подробно описана в вышеупомянутой публикации WO 03/096502, которая включена в данный документ посредством ссылки. Конкретная ссылка выполнена на фиг.1 и 2 этого раскрытия и соответствующие части описания касательно примера в отношении того, как может быть выполнено пусковое устройство, как может быть сконструирован дополнительный искровой промежуток и как функционирует дуга в дополнительном искровом промежутке с возможностью генерирования дуги в основном искровом промежутке. Настоящее изобретение сфокусировано на конструкции пускового устройства в области между экранирующим блоком и основным искровым промежутком.
Верхняя часть, согласно фиг.1, изображена на фиг.2 и 3 в двух диаметральных сечениях, которые являются ортогональными друг другу. Пусковое устройство 3 имеет корпус, окружающий пусковую схему, и пару дополнительных электродов, образующих дополнительный искровой промежуток. Это устройство будет дополнительно объяснено ниже в отношении фиг.9.
На верхнем конце пусковое устройство 3 закрыто экранирующим блоком 4, через которое проходит центральное канальное средство. На вершине экранирующего блока 4 размещен участок 5 головки сопла. Внутренность участка 5 головки сопла и верхняя часть канального средства в пределах экранирующего блока 4 образуют сопло 6, через которое дуга из дополнительного искрового промежутка в пусковом устройстве перемещается к основному искровому промежутку А.
Размещение сопла 6 по отношению к экранирующему блоку 4 и участку 5 головки сопла более подробно объясняется посредством ссылки на фиг.4-8. На фиг.4 компонент, образованный экранирующим блоком 4 и участком 5 головки сопла, может быть виден в перспективе. Экранирующий блок 4 по существу имеет коробчатую форму с прямоугольным сечением, перпендикулярным продольному удлинению сопла 6. Экранирующий блок 4 имеет внешнюю сторону 11 дополнительного искрового промежутка, направленную к пусковому устройству, и внешнюю сторону 12 основного искрового промежутка, направленную к основному искровому промежутку А. Участок 5 головки сопла установлен на внешней стороне 11 дополнительного искрового промежутка экранирующего блока 4 и имеет круглую цилиндрическую форму. Экранирующий блок 4 и участок 5 головки сопла выполнены в этом примере как одно целое и материалом является политетрафторэтилен. На конце участка 5 головки сопла может быть видно выходное отверстие 8 сопла 6. Выходное отверстие 8 имеет продолговатую форму.
Фиг.5 представляет собой сечение, выполненное по фиг.4, взятое по центральной плоскости параллельно большим сторонам экранирующего блока 4. Канальное средство, проходящее через экранирующий блок 4, имеет нижнюю широкую часть 10 около дополнительного искрового промежутка и верхнюю более узкую часть 9 около сопла 6. Каждая из этих частей имеют строго параллельные прямые стенки. Сопло 6 присоединяется к верхнему концу узкой части 9 канального средства. Сопло 6 в этом сечении сужается от своего впускного отверстия 7, присоединенного к части 9, к своему выпускному отверстию 8. Как может быть видно, сопло в этом примере частично проходит через участок 5 головки сопла и частично через верхнюю часть экранирующего блока 4.
Фиг.6 представляет собой сечение, ортогональное в отношении сечения, согласно фиг.5. В этом сечении канальные средства 9, 10 и сопло 6 имеют одинаковую ширину и строго параллельные стенки. Верхний конец и нижний конец компонента на фиг.4 показаны в соответствующем виде с торца на фиг.7 и 8 соответственно.
В вышеизложенном примере экранирующий блок 4 имеет размеры 40×28×20 мм. Участок головки сопла имеет высоту 11 мм и диаметр 18 мм. Нижняя часть 10 канального средства имеет глубину 11 мм и сечение 22×10 мм, верхняя часть - глубину 12 мм и сечение 8×10 мм. Сужающееся сопло 6 имеет длину 16 мм. Входное отверстие 7 сопла имеет длину 10 мм и ширину 8 мм и выходное отверстие 8 - длину 10 мм и ширину 4 мм.
Дополнительный искровой промежуток В схематично изображен на фиг.9. Он имеет первый дополнительный электрод 13 и второй дополнительный электрод 14. Каждый из этих электродов имеет удлинение, образующее соответствующую направляющую 15, 16. Направляющие 15, 16 имеют функцию приведения электрической дуги, генерируемой в дополнительном искровом промежутке В, к экранирующему блоку 4, через посредство такового и через сопло 6 для достижения основного искрового промежутка для генерирования в нем дуги.
Пусковая схема 20 для дополнительных электродов 13, 14 имеет батарею 21 конденсаторов с одной стороной, присоединенной к первому дополнительному электроду 13 и к земле. Другая сторона присоединена через посредство катушки 23 и нормально разомкнутого замыкателя 22, в этом примере в виде тиристора, присоединенного ко второму дополнительному электроду 14. По команде замыкатель 22 замыкается для возбуждения дуги в дополнительном искровом промежутке В. Между дополнительными электродами 13, 14 размещено некоторое количество подэлектродов 17, которые могут быть изготовлены из меди. Слой изолирующего материала 18 предусмотрен между каждой парой подэлектродов 17 и между каждым дополнительным электродом 13, 14 и соответствующим ближайшим подэлектродом. Резистор 19 соединяет каждую пару подэлектродов друг с другом и каждый дополнительный электрод 13, 14 с ближайшим подэлектродом.
Фиг.10 изображает схему, в которой устройство применяется в качестве устройства защиты от перенапряжения для последовательного конденсатора. В линии 30 электропитания с последовательным конденсатором 31 имеется устройство защиты от перенапряжения, содержащее варистор 32, основной искровой промежуток А и механическое контактное устройство 33, причем эти три компонента соединены параллельно. Устройство 34 для измерения тока размещено последовательно с варистором.
При перегрузке по току в линии 30 энергоснабжения, например, в результате короткого замыкания в сети, возникает превышение напряжения на обкладках конденсатора 31. Сила тока через варистор 32 измеряется с помощью устройства 34 для измерения тока. Измерение суммируется за период времени от нескольких миллисекунд до около 20 или 30 миллисекунд, и величина измеренной энергии составляет критерий в отношении того, должно ли быть активировано или нет устройство защиты от перенапряжения. Пороговое значение, при котором происходит активация, может составлять величину порядка около 20 или 30 МДж. Таким образом, устройство 34 для измерения тока определяет, когда имеется необходимость генерации электрической дуги.
Когда это имеет место, устройство для измерения тока посылает сигнал на замыкатель 22. Это приводит к генерации дуги в дополнительном искровом промежутке В, и эта дуга зажигает дугу в основном искровом промежутке А. В то же время контактное устройство 33 активируется с возможностью замыкания.