ЭКРАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ВАКУУМНОЙ ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ
SCREEN SYSTEM FOR HIGH-VOLTAGE VACUUM ARC-EXTINGUISHING CHAMBER

Изобретение относится к области электротехники, более точно к коммутационной технике, и может быть использовано в конструкциях сильноточных высоковольтных вакуумных дугогасительных камер (ВДК) с ходом дугогасительных контактов более 40 мм на классы напряжения более 35 кВ.
Широко известна выпускаемая промышленностью России ВДК типа КДВ-35, журнал «Электротехника» №9, 2001 г., с. 22. Электрическая прочность внутренней изоляции известной ВДК обеспечивается расстоянием равным (17,5±5)мм между дугогасительными контактами и экранной системой из пяти экранов, из которых три изолированы, а два имеют электрическое соединение с дугогасительными контактами. Экраны предназначены для защиты секций изоляционного корпуса от металлизации продуктами эрозии контактов при отключении токов. Центральный экран ВДК впаян между секциями корпуса и охватывает контакты. Два других изолированных экрана впаяны между другими секциями изоляционного корпуса и вместе с экранами, которые электрически соединены с дугогасительными контактами, защищают секции изоляционного корпуса от металлизации продуктами эрозии контактов, возникающей под действием вакуумной дуги при коммутации тока. Примененная в известной ВДК экранная система достаточна, чтобы обеспечить необходимую электрическую прочность внутренней изоляции, а в случае возникновения повторного пробоя исключить выдувание вакуумной дуги на центральный экран, который охватывает контакты. Недостатком такой конструкции экранной системы является то, что она подходит только для ВДК с небольшим, не более 20 мм, ходом контактов и ограничивается классом напряжения 35 кВ. Но в ВДК на более высокое, чем 35 кВ, напряжение для обеспечения электрической прочности внутренней изоляции ход контактов требуется увеличить до 40 мм и более. В этом случае, то есть при ходе контактов более 40 мм, недостатком экранной системы с центральным экраном, который охватывает контакты, является высокая вероятность выдувания поперечным магнитным полем на центральный экран вакуумной дуги в случае отключения токов короткого замыкания и в случае возникновения повторного пробоя между контактами. Эмпирически показано, что выдувание вакуумной дуги на центральный экран приводит к его прожигу отключаемой дугой и влечет за собой замыкание дугой контактов через центральный экран, т.е. дуга горит по пути: один из контактов - центральный экран - другой контакт. Как правило, в этом случае происходит отказ отключения тока ВДК.
Известна экранная система из пяти экранов ВДК на 170 кВ с ходом контактов 70 мм, Jaeseop Ryu, Young-Geun Kim, Jongwoong Choi, Seokwon Park, The Experimental Research of 170 kV VCB Using Single-Break Vacuum Interrupter, XXV-th ISDEIV, Tomsk, 2012, c. 493-496. В известном техническом решении три экрана изолированы, а два экрана имеют электрическое соединение с дугогасительными контактами. При этом, центральный экран охватывает не дугогасительные контакты, а два других экрана, которые охватывают каждый свой контакт.Применение такого расположения экранов вокруг межконтактного промежутка несколько увеличивает электрическую прочность ВДК. Однако, произвольная установка экранов, не может гарантированно предохранить центральный экран от выдувания на него вакуумной дуги или предотвратить путь электрической дуги: один из контактов - экран, охватывающий этот контакт, - другой экран - другой контакт. Важным условием успешного отключения тока ВДК является правильный выбор соответствующих расстояний между дугогасительными контактами и между смежными, соседними экранами, т.е. эти расстояния должны быть должным образом скоординированы между собой.
Целью изобретения является повышение надежности отключающей способности высоковольтной вакуумной дугогасительной камеры, повышение надежности работы высоковольтной ВДК.
Техническим результатом изобретения является разработка конструктивного исполнения экранной системы, повышающей надежность работы высоковольтной вакуумной дугогасительной камеры, при которой исключается возможность выдувания на экранную систему вокруг межконтактного промежутка так называемой длинной контрагированной вакуумной дуги, через которую протекает ток короткого замыкания или повторного пробоя.
1
2
3
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что экранная система исполнена для высоковольтной вакуумной дугогасительной камеры, которая содержит секционированный диэлектрический корпус с торцевыми фланцами, герметизирующими ее внутренний объем, и, по меньшей мере, два дугогасительных контакта, имеющих гальванические контакты с соответствующими им торцевыми фланцами и выполненных с возможностью линейного перемещения друг относительно друга до расстояния d, необходимого для дугогашения. Экранная система расположена вокруг зоны нахождения дугогасительных контактов и состоит из четырех, но не ограничиваясь этим, экранов, выполненных в виде тел вращения: центрального, двух смежных и дополнительного. Образующие смежных экранов имеют ступенчатую форму, и смежные экраны охватывают дугогасительные контакты, образуя кольцевые зазоры S и S между контактом и соответствующим ему экраном. Центральный экран охватывает смежные экраны, образуя с ними минимальный кольцевой зазор S. Дополнительный экран выполнен в виде осесимметричной детали типа обечайки, расположен внутри центрального экрана и соединен с ним гальванически. Все экраны экранной системы не имеют гальванического контакта с дугогасительными контактами, смежные экраны и центральный экран впаяны между секциями диэлектрического корпуса. Ширина кольцевых зазоров между торцевыми поверхностями смежных экранов, ширина кольцевых зазоров между смежными экранами и боковыми поверхностями дугогасительных контактов, минимальная ширина кольцевых зазоров между центральным и смежными экранами, а также расстояние между дугогасительными контактами должны удовлетворять условиям:
S≈2/3⋅d;
1
2
3
S≈S≈S≈0,5⋅d,
где d - расстояние между дугогасительными контактами;
S - ширина кольцевых зазоров между торцевыми поверхностями смежных экранов;
1
2
S, S - ширина кольцевых зазоров между смежными экранами и боковыми поверхностями дугогасительных контактов;
3
S - минимальная ширина кольцевых зазоров между центральным и смежными экранами.
В электрических сетях с заземленной нейтралью в вакуумных выключателях с одной ВДК в полюсе выключателя возможны пробои, называемые повторными пробоями. После выполнения ВДК операции отключения тока, т.е. после погасания электрической дуги, между контактами ВДК возникает возвращающееся напряжение, которое может вызвать пробой межконтактного или межэкранного промежутков через более, чем 5 мс после успешного отключения тока. При таком времени отсутствия тока (>5 мс) пробой между контактами ВДК происходит тогда, когда расстояние между контактами в основном уже равно их номинальному ходу.
В момент пробоя вакуумная дуга всегда является контрагированной. Но при соответствующей конструкции контактов, обеспечивающей достаточное значение аксиальной составляющей магнитного поля (≥4 мТ/ кА), вакуумная дуга через некоторое время переходит из первоначальной контрагированной фазы в многоканальную, так называемую, квазидиффузную фазу. Дуга в квазидиффузной фазе занимает почти всю площадь контактирования контактов, а отключающая способность ВДК в этом случае является максимально возможной.
В ВДК с ходом контактов более, чем 40 мм, при так называемой «длинной» дуге, аксиальная составляющая собственного магнитного поля контактной системы ВДК, как правило, уже недостаточна, чтобы перевести вакуумную дугу из возникающей первоначально контрагированной фазы, в многоканальную, квазидиффузную фазу, и дуга остается контрагированной. При этом при «длинной» контрагированной вакуумной дуге отключающая способность ВДК ниже, чем при многоканальной. А сама контрагированная дуга может выдуваться за пределы межконтактного промежутка и перемыкать промежуток между контактами не непосредственно между ними, а, при наличии центрального экрана, охватывающего оба контакта, гореть каскадно. При большом значении тока, протекающего через вакуумную дугу, как это есть при отключении токов короткого замыкания, по значению соизмеримых с номинальным током отключения ВДК, возможно прогорание экрана и разгерметизация ВДК, если экран, как правило, является одновременно и корпусом ВДК.
Эту аварийную ситуацию можно предотвратить, если исключить возможность выдувания контрагированной вакуумной дуги за пределы пространства между контактами.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана схема расположения экранов вокруг межконтактного промежутка для высоковольтных ВДК с ходом контактов d>40 мм. На чертеже: 1 - неподвижный дугогасительный контакт; 2 - подвижный дугогасительный контакт; 3 и 4 - смежные экраны, охватывающие дугогасительные контакты 1, 2, соответственно; 5 - центральный экран, охватывающий смежные экраны 2 и 3; 6 и 7 - секции диэлектрического корпуса высоковольтной ВДК, 8 - дополнительный экран.
В одном конкретном исполнении, в соответствии с прилагаемым чертежом, экранная система для высоковольтной ВДК работает следующим образом.
В исходном положении контакты ВДК 1 и 2 замкнуты. При отключении тока подвижный контакт 2 движется вниз (в соответствие с чертежом) и между контактами 1, 2 возникает контрагированная дуга. По мере разведения контактов дуга удлиняется и под воздействием поперечного магнитного поля начинает перемещаться к краю контактов. Если токи имеют номинальное значение и при соответствующей конструкции контактов, дуга из контрагированной фазы переходит в квазидиффузную и при переходе тока через ноль гаснет. Появляющееся возвращающееся напряжение между контактами 1, 2 не может вызвать повторный пробой между контактами, которые к этому моменту разведены на необходимое расстояние d, которое заведомо достаточно для выдерживания восстанавливающегося напряжения. В случае больших токов (токов короткого замыкания) дуга может дойти до края контактов и начнет изгибаться в сторону экранной системы, состоящей из двух смежных экранов 3, 4, охватывающих соответствующие главные контакты 1, 2, и центрального экрана 5, охватывающего смежные контакты 3 и 4. Смежные экраны 3, 4 не имеют гальванической связи, как между собой, так и с центральным экраном 5, потому что впаяны в секции ВДК 6, 7, изолирующие все экраны 3, 4, 5 друг от друга и от контактов 1,2. Все три экрана 3, 4 и 5 не имеют гальванического контакта друг с другом и с контактами 1, 2, впаяны между секциями диэлектрического корпуса 6, 7 для предотвращения электрического пробоя вдоль диэлектрических колец секций ВДК 6, 7 и для их защиты от запыления продуктами эрозии контактов в результате горения вакуумной дуги.
Экранная система выполнена с дополнительным экраном 8, который представляет собой осесимметричную деталь типа обечайки и расположен внутри центрального экрана 5. Дополнительный экран 8 имеет гальванический контакт с центральным экраном 5 и предохраняет место пайки центрального экрана 5 к секциям 6 и 7 диэлектрического корпуса высоковольтной ВДК.
1
2
1
2
3
3
Поперечное магнитное поле может достаточно сильно изогнуть дугу, она может коснуться одного из экранов 3 или 4. Это приведет к тому, что потенциал экрана, которого коснется дуга примет потенциал электрической дуги, но т.к. экран не имеет гальванической связи с другими экранами и расстояние между торцами экранов 3, 4 равное S выбрано равным 2/3d, то вероятность пробоя промежутка S незначительна, т.к. напряжение будет приложено к двум последовательным промежуткам S и S или S и S, которые в сумме больше расстояния d между контактами 1 и 2, т.к. эти промежутки выбираются из соотношений S≈2/3d, a S≈S≈0f5d. Пробой промежутка S в этом случае также маловероятен, т.к. дуга вначале должна перекрыть промежуток S, что, как сказано выше, маловероятно, и только потом продвигаться к экрану 5, отдаленному от смежных экранов 3, 4 на расстояние S≈0,5d. Скорость распространения электрической дуги ограничена, расстояние до центрального экрана 5 равно ≈d, ток имеет синусоидальный характер с полупериодом 10 мс, что в совокупности приведет к его отключению, а значит и к обрыву электрической дуги до момента распространения электрической дуги каскадным путем от контактов 1, 2 сначала на один из смежных экранов 3, 4, а потом - до центрального экрана 5.
1
2
3
Способность предлагаемой конструкци ВДК предотвращать выход вакуумной дуги на центральный экран 5, который возможен при повторном пробое межу контактами 1 и 2, достигается определенным расположением экранной системы с полученными эмпирическим путем значениями расстояний между экранами: смежными и центральным и боковыми поверхностями дугогасительных контактов, а место пайки защищено от дуги дополнительным экраном 8. Предлагаемые пространственное расположение экранной системы с определенными расстояниями между экранами и дугогасительными контактами затрудняет выход дуги на центральный экран 5, причем, чем меньше длина промежутка S, тем более эффективна экранировка центрального экрана 5 смежными экранами 3 и 4. Однако при отключенном положении выключателя с уменьшением размера промежутка S возрастает вероятность пробоя этого промежутка под воздействием напряжения грозового импульса. Поэтому для размеров кольцевых зазоров S, S, S, S необходимо выбрать компромиссные значения, при которых и дуга не будет выдуваться на центральный экран 5, и пробой этих промежутков при воздействии грозового импульса будет исключен:
S≈2/3d;
1
3
S≈S2≈S≈0,5d,
где: d - расстояние между дугогасительными контактами;
S - ширина кольцевых зазоров между торцевыми поверхностями смежных экранов;
1
2
S, S - ширина кольцевых зазоров между смежными экранами и боковыми поверхностями дугогасительных контактов;
3
S - минимальная ширина кольцевых зазоров между центральным и смежными экранами.
Таким образом, использование конструктивных особенностей приведенной экранной системы с дополнительным экраном и определенными расстояниями между экранами и дугогасительными контактами, повышает надежность работы высоковольтной вакуумной дугогасительной камеры, повышает надежность отключающей способности ВДК, полностью исключая возможность выдувания на экранную систему вокруг межконтактного промежутка так называемой длинной контрагированной вакуумной дуги, через которую протекает ток короткого замыкания или повторного пробоя.