ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC SWITCHING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области технологий коммутации среднего и высокого напряжения и к электрическому переключающему устройству и способу его работы согласно независимым пунктам формулы изобретения, в частности, использования в качестве заземляющего устройства, быстродействующего заземляющего устройства, выключателя, выключателя генератора, выключателя-разъединителя, комбинированного разъединителя - заземлителя или выключателя нагрузки в системах передачи и распределения электрической энергии.
Предшествующий уровень техники
Электрические переключающие устройства известны в области приложений, связанных с переключением среднего и высокого напряжений. Например, они используются для прерывания тока при возникновении короткого замыкания в электрической цепи. В качестве примера электрического переключающего устройства, задача выключателя состоит в том, чтобы размыкать контакты и удерживать их на определенном расстоянии друг от друга во избежание протекания тока даже в случае возникновения высокого электрического потенциала из-за короткого замыкания. В целях настоящего раскрытия термин "среднее напряжение" относится к напряжению от 1 кВ до 72,5 кВ и термин "высокое напряжение" относится к напряжению выше 72,5 кВ. Электрические переключающие устройства, типа упомянутых выключателей, могут быть рассчитаны на высокие номинальные токи 4000 А - 6300 А и могут переключать очень высокие токи короткого замыкания 40 кА - 80 кА при очень высоких напряжениях 110 кВ - 1200 кВ.
В связи с высоким номинальным током для современных электрических переключающих устройств требуются многочисленные так называемые пальцы номинального контакта для номинального тока. При разъединении (размыкании) номинального или короткозамкнутого тока в электрическом переключающем устройстве происходит переключение тока с номинальных контактов электрического переключающего устройства на его дугогасительные контакты. Кроме того, при соединении (замыкании) номинальных контактов электрического переключающего устройства дугогасительные контакты соединяются раньше. В вариантах осуществления дугогасительные контакты содержат, в качестве первого дугогасительного контакта, пальцы дугогасительного контакта, размещенные вокруг продольной оси электрического переключающего устройства в так называемой дугогасительной пальцевой клетке и, в качестве второго дугогасительного контакта, стержень или штырь, который приводится в действие в пальцевой клетке.
В процессе размыкания электрического переключающего устройства между первым и вторым дугогасительными контактами образуется электрическая дуга в зоне, которая называется дугогасительным пространством, при этом дуга является электропроводной, и даже после размыкания или физического разделения дугогасительных контактов все еще продолжает пропускать электрический ток. Для того чтобы прервать протекание тока, электрические переключающие устройства содержат диэлектрически инертную текучую среду, которая используется в качестве диэлектрической изолирующей среды и для максимально быстрого гашения электрической дуги. Гашение электрической дуги означает извлечение из нее энергии настолько, насколько это возможно. Следовательно, часть текучей среды, расположенной в зоне, где вырабатывается электрическая дуга, значительно нагревается (до приблизительно 20000°C - 30000°C) за очень короткий период времени. Из-за ее объемного расширения в этой части текучей среды повышается давление, и она выталкивается из дугогасительного пространства. Таким образом, электрическая дуга продувается повсюду в момент времени, когда значение тока равно нулю. Текучая среда втекает в одно или более пространств отработанного газа, где она охлаждается и перенаправляется охлаждающим устройством. Смешивание с холодной текучей средой, расположенной в пространстве или пространствах отработанного газа, возможно только в относительно небольшой степени, так как преобладающая часть холодного газа, имеющегося внутри соответствующего пространства отработанного газа, выдавливается из пространства отработанного газа горячей текучей средой, которая расширяется из дугогасительного объема прежде, чем может произойти какое-либо значительное смешивание. Когда горячая отработанная текучая среда входит в области, подверженные воздействию электрического поля, например, рядом с экранами, могут возникнуть нежелательные диэлектрические пробои диэлектрика, так как электрическая прочность диэлектрика отработанной текучей среды обычно ниже при более высоких температурах. Поэтому отработанную текучую среду необходимо охлаждать как можно больше, прежде чем она пройдет в такие области, подверженные воздействию электрического поля, пространств(а) отработанного газа.
6
6
6
6
6
6
6
6
В документе EP 1 403 891 A1 того же самого заявителя раскрыт SF-газовый выключатель, в котором отработанный газ SF выходит из зоны образования электрической дуги через пустотелый контакт в концентрически размещенное пространство отработанного газа и оттуда в объем переключающей камеры, расположенной дальше наружу. Для улучшенного охлаждения отработанного газа SF по меньшей мере одно промежуточное пространство и возможно дополнительное пространство размещается или размещаются концентрически между пустотелым контактом и пространством отработанного газа и разделены друг от друга промежуточными стенками. Промежуточные стенки создают повышенное промежуточное давление отработанного газа SF и имеют каналы или отверстия для формирования струи газа SF. Затем струи отработанного газа SF оказывают воздействие на противоположные стенки, расположенные напротив отверстий, и интенсивно завихряются на противоположных стенках. Таким образом, отработанный газ SF охлаждается в результате вытекания переключающего газа SF в радиальном направлении из внутренней части во внешних пространствах через последовательно расположенные отверстия для формирования струи и отражательных стенок, расположенных напротив завихряющейся струи, и, таким образом, большое количество тепловой энергии переносится к стенкам пространств в выпускной системе.
6
6
6
6
6
6
6
6
Отверстия между пространством пустотелого контакта, промежуточным пространством и при необходимости дополнительным пространством размещаются по окружности со смещением относительно друг друга. Отверстия между дополнительным пространством и пространством отработанного газа размещаются по окружности со смещением по отношению друг к другу и/или в направлении оси. Это также приводит к движению по извилистой траектории, а также к спиралевидному движению отработанного газа SF, причем увеличивается время задержки, в течение которого отработанный газ SF остается в выпускной зоне, и, кроме того, повышается теплопередача от отработанного газа SF. Кроме того, отверстия можно закрыть посредством панелей в виде перфорированных металлических листов для получения большего количества радиально направленных потоков отработанного газа SF или струй отработанного газа SF. Эти струи отработанного газа SF снова ударяются о противоположную стенку, закручиваются в точках соударения и, таким образом, интенсивно охлаждают горячий отработанный газ SF. Промежуточное пространство, которое улучшает охлаждение, размещается в выпускной зоне на стороне приводимых в движение контактов. На стороне неподвижных контактов можно также обеспечить второе промежуточное пространство. В общем, в выключателе дополнительно необходимо иметь одно промежуточное пространство, другими словами, в дополнение к пространству пустотелого контакта, пространству отработанного газа и пространству переключающей камеры для того, чтобы достичь эффективного охлаждения отработанного газа SF.
6
6
6
В документе WO 2006/066420 того же самого заявителя раскрыт SF-газовый выключатель генератора с аналогичной газоотводной системой, которая имеет промежуточные стенки с отверстиями для формирования струи отработанного газа SF и противоположные стенки с отражательной стенкой и функцией теплоотвода для вихревого переноса тепла отработанного газа SF на такие противоположные стенки.
4
В документе WO 2010/142346 того же самого заявителя раскрыт газовый выключатель с новой дугогасящей изолирующей текучей средой, содержащей фторкетоны. Выключатели высокого напряжения, имеющие нагревательную камеру для обеспечения непосредственного воздействия газовой струи могут эксплуатироваться с такими фторкетонами и, в частности, с C6-фторкетонами. Такие фторкетоны раскрыты для преимущественного повышения непосредственно давления дутья в нагревательной камере во время фазы саморазогрева в операции переключения, так как они разлагаются на большое число фторуглеродных соединений, имеющих более низкое число атомов углерода. Внутри дугогасительной области благоприятные возможности фторкетонов, имеющих от 4 до 12 атомов углерода, осуществлять гашение дуги связаны по меньшей мере частично с рекомбинацией продуктов диссоциации фторкетонов в основном на тетрафторметан (CF), который является сильнодействующим средством для гашения дуги. Более того, C6-фторкетоны раскрыты как полезные для ограничения температуры отработанного газа во всей емкости и в выпускных пространствах во время и после прерывания дуги, так как разложение присутствующих в достаточном количестве молекул C6-фторкетона поглощает избыточную тепловую энергию и предотвращает дальнейшее нагревание отработанного газа за пределами диапазона температур разложения приблизительно 550°C-570°C.
4
В документе WO 2012/080246 того же самого заявителя раскрыт газовый выключатель с дугогасящей изолирующей текучей средой, содержащей C5-фторкетоны. C5-фторкетоны имеют нелинейное увеличение диэлектрической прочности в смесях с определенными газами-носителями, такими как азот и углекислый газ. C5-фторкетоны снова обеспечивают полезное увеличение давления дутья в компрессионной камере, и/или нагревательной камере и/или в дугогасительной области во время фазы гашения дуги в результате молекулярного разложения. В дополнение, рекомбинация C5-фторкетона на тетрафторметан (CF) в дугогасительной области является полезным для гашения дуги. Как упомянуто выше, молекулярный распад также полезен в области выпуска, так как довольно низкие температуры диссоциации фторкетонов около 400°C до около 600°C или даже 900°C могут действовать в качестве температурного барьера в отработанном газе.
В документах WO 2010/142346 и WO 2012/080246 разложение фторкетонов в нагревательной камере, компрессионной или дутьевой камере, дугогасительной области и выпускных пространствах рассматривается как полезное для рабочих характеристик выключателя и, в частности, для охлаждения отработанного газа.
В документе DE 10 2011 083 588 A1 раскрыта выпускная система по меньшей мере с двумя концентрическими выпускными трубами. Выпускные трубы имеют большое количество радиальных (расположенных на боковой поверхности) выпускных отверстий, которые взаимно смещены относительно друг друга таким образом, чтобы блокировался отток газа непосредственно в радиальном направлении через обе выпускные трубы. Выпускные отверстия могут размещаться таким образом, чтобы отработанный газ принудительно и периодически поступал в первую и вторую выпускные трубы. Кроме того, раскрыты осевые (со стороны конца) неперекрывающиеся выпускные отверстия, которые могут, например, находиться на противоположных торцевых сторонах первой и второй выпускных труб. Можно предусмотреть сердечник якоря, который имеет возможность перемещения или адаптации по размеру к скрытым или свободным отверстиям и, таким образом, адаптироваться к способности охлаждения. В общем, отработанный газ охлаждается за счет обеспечения длинной извилистой (то есть чередующейся радиальной и осевой) траектории движения газа, очень большого количества и плотности расположения отверстий, а также за счет обеспечения каждого отверстия противоположной отклоняющей стенкой для лучшего смешивания отработанного газа.
В документе US 7763821 раскрыт газовый выключатель компрессионного типа, который имеет подвижный пустотелый дугогасительный контакт с радиальным отверстием для выпуска отработанных газов в радиальном направлении. Приводной стержень для пустотелого дугогасительного контакта несет на себе элемент, перекрывающий поток газа, для предотвращения выброса газа в осевом направлении по отношению к блоку привода.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить охлаждение отработанного газа в электрическом переключающем устройстве. Эта задача решается с помощью предмета изобретения независимых пунктов формулы изобретения. Варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения в любой их комбинации и в описании совместно с фигурами.
Первый аспект изобретения, который относится к электрическому переключающему устройству, имеющему продольную ось z, содержащему дугогасительное пространство и по меньшей мере узел дугогасительных контактов с первым дугогасительным контактом и ответным вторым дугогасительным контактом и дополнительно содержащему выпускную систему по меньшей мере с одним выпускным пространством,
причем для замыкания и размыкания электрического переключающего устройства по меньшей мере один из дугогасительных контактов имеет возможность перемещаться параллельно продольной оси z и взаимодействует с другим дугогасительным контактом,
причем электрическое переключающее устройство содержит диэлектрическую изолирующую среду, содержащую фторорганическое соединение, выбранное из группы, состоящей из: фторэфира, фторамина, фторкетона, фторолефина и их смесей, и
внутри выпускного пространства размещается по меньшей мере одно промежуточное пространство, которое загорожено промежуточной стенкой, содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для приема отработанного газа, поступающего из дугогасительной области, и содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие, причем выпускное отверстие обращено к противоположной стенке, в частности, выпускного пространства, и служит для формирования по меньшей мере одной струи отработанного газа и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на противоположную стенку.
В вариантах осуществления воздействие заставляет завихряться по меньшей мере одну струю отработанного газа, причем завихрение вызывает теплопередачу турбулентного газа к противоположной стенке и уменьшает температуру и давление завихренной струи отработанного газа.
В вариантах осуществления фторорганическое соединение выбирается из группы, состоящей из: перфторэфира, гидрофторэфира, перфторамина, перфторкетона, перфторолефина, гидрофторолефина и их смесей; в частности, такое фторорганическое соединение может находиться в смесях с фоновым газом и, более конкретно, в смеси с соединением фонового газа, выбранным из группы, состоящей из: воздуха, компонентов воздуха, азота, кислорода углекислого газа и оксидов азота.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда содержит в качестве фторорганического соединения фторкетон, имеющий от 4 до 15 атомов углерода. Фторкетон может быть выбран из группы, состоящей из: фторкетонов, имеющих точно 5 атомов углерода, фторкетонов, имеющих точно 6 атомов углерода, фторкетонов, имеющих точно 7 атомов углерода, фторкетонов, имеющих точно 8 атомов углерода, причем такие фторкетоны по меньшей мере с одним из упомянутых атомов углерода замещаются гетероатомом, в частности, замещаются азотом, и/или кислородом, и/или серой и их смесями.
В вариантах осуществления промежуточное пространство выполнено таким образом, чтобы во время работы, в частности, во время отвода отработанного газа,
давление отработанного газа уменьшалось вдоль пути прохождения отработанного газа из дугогасительной области через выпускную систему; и/или
7
8
промежуточное давление p; p отработанного газа в промежуточном пространстве превышало давление в пространствах, которые расположены ниже по потоку промежуточного пространства по пути прохождения отработанного газа через выпускную систему; и/или
давление отработанного газа по меньшей мере в одном промежуточном пространстве увеличивалось по сравнению с тем, когда отсутствует по меньшей мере одно промежуточное пространство.
7
8
7
f
8
В вариантах осуществления промежуточное пространство выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа промежуточное давление p; p отработанного газа в промежуточном пространстве превышало давление отработанного газа в непосредственно следующим за ним пространстве отработанного газа по меньшей мере при отношении K давлений, большем чем 1,1, в частности, отношение K давлений выбирается из группы, состоящей из: первого отношения K давлений, первого дополнительного отношения K давлений, второго отношения K давлений и их комбинаций.
7
7
7'
f
7
7f
8
8
8'
В вариантах осуществления отношение K давлений, в частности, первое отношение K=p/p давлений, и/или первое дополнительное отношение K=p/p давлений и/или второе отношение K=p/pдавлений, выбирается в зависимости от диэлектрической изолирующей среды.
7
7
7'
f
7
7f
8
8
8'
В вариантах осуществления отношение K давлений представляет собой критическое отношение K давлений, в частности, первое критическое отношение K=p/p давлений, и/или первое дополнительное критическое отношение K=p/p давлений и/или второе критическое отношение K=p/pдавлений, которое выбирается:
6
в диапазоне 1,6-1,7, когда диэлектрическая изолирующая среда преимущественно содержит SF, или
2
2
2
в диапазоне 1,7-1,8, когда диэлектрическая изолирующая среда преимущественно или исключительно содержит фторорганическое соединение в смеси с фоновым газом, в частности, фторкетон или C5-фторкетон в смеси по меньшей мере с одним из: CO, O и N.
Выбор высокого отношения K давлений является преимущественным для обеспечения высокой скорости соударения падающих газовых струй; однако можно увеличить сопротивление потока по пути прохождения отработанного газа. Выбор критического отношения K давлений является оптимальным, так как это позволяет достичь звуковой скорости выхода струи из первого и/или второго выпускного(ых) отверстия(й) (которая является максимально достижимой скоростью без обеспечения форм сопла на выпускном(ых) отверстии(ях)) при поддержании сопротивления потока по пути прохождения на все еще умеренных уровнях.
Второй аспект изобретения относится к электрическому переключающему устройству, в частности, как описано выше, имеющему продольную ось z, содержащему дугогасительное пространство и по меньшей мере узел дугогасительных контактов с первым дугогасительным контактом и ответным вторым дугогасительным контактом и дополнительно содержащему выпускную систему по меньшей мере с одним выпускным пространством,
причем для замыкания и размыкания электрического переключающего устройства по меньшей мере один из дугогасительных контактов имеет возможность перемещаться параллельно продольной оси z и взаимодействует с другим дугогасительным контактом, и электрическое переключающее устройство содержит диэлектрическую изолирующую среду, и
причем внутри выпускного пространства размещается по меньшей мере одно промежуточное пространство, которое загорожено промежуточной стенкой, содержит по меньшей мере одно впускное отверстие для приема отработанного газа, поступающего из дугогасительной области, и содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие, причем выпускное отверстие обращено к противоположной стенке, в частности, выпускного пространства, и служит для формирования по меньшей мере одной струи отработанного газа и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на противоположную стенку, и причем переключающее устройство имеет средство для изменения размера промежуточного пространства, в частности, причем средство предназначено для изменения размера первого и/или второго промежуточного пространства.
7
8'
8
В вариантах осуществления средство служит для адаптации первого промежуточного давления p отработанного газа в первом промежуточном пространстве ко второму давлению p отработанного газа во втором выпускном пространстве или ко второму промежуточному давлению p отработанного газа во втором промежуточном пространстве в пределах заданного диапазона разностей давлений, в частности, в пределах 0,5 бар, и, более конкретно, в пределах 0,4 бар и, наиболее конкретно, в пределах 0,3 бар.
В вариантах осуществления промежуточное пространство разделено подвижной стенкой, которая позволяет адаптировать размер промежуточного пространства; и/или первое промежуточное пространство разделено первой подвижной стенкой, которая позволяет адаптировать размер первого промежуточного пространства; и/или второе промежуточное пространство разделено второй подвижной стенкой, которая позволяет адаптировать размер второго промежуточного пространства.
В вариантах осуществления промежуточное пространство, в частности, первое промежуточное пространство и/или второе промежуточное пространство, выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время гашения дуги, в частности, в течение всего периода гашения дуги, дополнительное сопротивление потока, вносимое в отработанный газ, содержащий фторорганическое соединение, промежуточным пространством, в частности, первым промежуточным пространством и/или вторым промежуточным пространством, оставалось ниже порогового значения сопротивления потока, то есть ниже порогового значения сопротивления потока поддерживаются условия возникновения звукового или сверхзвукового потока в дугогасительной области, другими словами, при значении, равном или выше порогового значения сопротивления потока, будут выполняться условия возникновения звукового или сверхзвукового потока в дугогасительной области (6).
7
8
7'
8'
В вариантах осуществления размер промежуточного пространства и положения, число и поперечное сечение по меньшей мере одного выпускного отверстия адаптированы к характеристикам потока газа фторорганического соединения, в частности, фторкетона и, более конкретно, к скорости звука смесей газов фторкетонов, чтобы удерживать по меньшей мере временно во время гашения дуги заданное количество отработанного газа в промежуточном пространстве, и, в частности, чтобы достичь заданного уровня увеличения промежуточного(ых) давления(й) p; p отработанного газа в промежуточном пространстве выше давления(й) p, p отработанного газа в выпускных пространствах, расположенных ниже по потоку промежуточного пространства.
7
8
8
7
Второй аспект изобретения относится к способу функционирования электрического переключающего устройства, как описано в данном документе, в котором промежуточное давление p; p отработанного газа в одном из промежуточных пространств регулируется, в частности, путем смещения по меньшей мере одной подвижной стенки таким образом, чтобы оно приблизительно равняется, в частности, в пределах разности давлений 1 бар или 0,5 бар или менее, промежуточному давлению p; p отработанного газа в других из промежуточных пространств по меньшей мере временно во время гашения дуги; и/или
7
8
8
7
причем промежуточное давление p; p отработанного газа в одном из промежуточных пространств и/или промежуточное давление p; p отработанного газа в других из промежуточных пространств регулируется или регулируются, в частности, путем смещения по меньшей мере одной подвижной стенки (14a, 14b) таким образом, чтобы оно или они были меньше, чем третье давление в дугогасительном пространстве (6) по меньшей мере временно во время гашения дуги; и/или
7
8'
причем первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве регулируется, в частности, путем смещения первой подвижной стенки, таким образом, чтобы оно приблизительно равнялось, в частности, в пределах разности давлений 1 бар или 0,5 бар или менее, второму давлению p отработанного газа во втором выпускном пространстве по меньшей мере временно во время гашения дуги; и/или
7
причем первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве и/или давление отработанного газа во втором выпускном пространстве регулируется или регулируются, в частности, путем смещения первой подвижной стенки, таким образом, чтобы оно или они были меньше, чем третье давление в дугогасительном пространстве по меньшей мере временно во время гашения дуги.
7
8
В вариантах осуществления первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве и/или второе промежуточное давление p отработанного газа во втором промежуточном пространстве регулируется или регулируются, в частности, путем смещения по меньшей мере одной подвижной стенки вдоль продольной оси z в зависимости от интенсивности электрической дуги, образующейся между дугогасительными контактами при их размыкании или замыкании.
7
8
В вариантах осуществления первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве и/или второе промежуточное давление p отработанного газа во втором промежуточном пространстве регулируется или регулируются, в частности, путем смещения подвижной стенки вдоль продольной оси z, таким образом, чтобы температура диэлектрической изолирующей среды поддерживалась ниже температуры разложения фторорганического соединения, в частности, фторкетона.
Электрическое переключающее устройство и способ его функционирования имеет преимущество, которое состоит в улучшенном охлаждении изолирующей и гасящей дугу текучей среды, расположенной в переключающем устройстве. В частности, регулировка размера выпускного пространства обеспечивает гибкий способ учета различной силы тока, обеспечивая давление в соответствующем выпускном пространстве, которое является достаточным для создания сильного потока текучей среды, например, через по меньшей мере одно первое отверстие, в направлении внешней части выпускного пространства или выпускных пространств. Обеспечивая струеформирующие отверстия в промежуточном(ых) пространстве(ах) и, в частности, даже сетку отверстий для таких отверстий, можно повысить турбулентность упомянутого потока текучей среды отработанного газа и тем самым повысить также возможности теплопередачи от текучей среды к окружающей ее среде.
6
6
Описанные улучшения возможностей теплопередачи приводят к нескольким важным преимуществам для электрического переключающего устройства, например, выключателя высокого напряжения. Одно преимущество возникает в результате того факта, что за счет поддержания температуры текучей среды на сравнительно низком уровне, использование различных типов текучих сред, отличных от SF, является даже еще более преимущественным. Как известно, смеси изолирующих и гасящих дугу газов (которые в данном документе упоминаются просто как "диэлектрические изолирующие среды"), используемые в переключающих устройствах высокого или среднего напряжения, испытывают разложение при их нагревании выше определенных уровней, которые могут возникнуть при определенных условиях эксплуатации упомянутых переключающих устройств. Это разложение является нежелательным, так как оно ухудшает изоляционные свойства текучей среды. SF обладает свойством, которое состоит в том, что он рекомбинирует при охлаждении и тем самым по существу полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства; однако другие газы, содержащие фторорганическое соединение, типа фторкетона C5, не проявляют этого свойства. Настоящее изобретение позволяет улучшить выключатели и также делает возможным использование таких газов, содержащих соединение фторорганического типа, так как раскрытый предмет изобретения позволяет поддерживать температуру газа ниже температур разложения фторорганического соединения по меньшей мере в определенных зонах за пределами дугогасительного пространства, в частности, по меньшей мере в частях первого выпускного пространства, и/или второго выпускного пространства и/или внешнего пространства. Таким образом, можно уменьшить разложение, и, например, степень разложения или отношение концентраций продуктов разложения в фторорганическом соединении в отработанном газе можно поддерживать ниже заданного порогового значения. В результате можно уменьшить потери фторорганического соединения и можно увеличить интервалы времени технического обслуживания переключающего устройства. Другие преимущества заключаются в возможности уменьшения размера выпускных пространств.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления, преимущества и приложения изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, из комбинаций пунктов формулы изобретения и из последующего описания и сопроводительных фигур. На фигурах показано:
фиг.1 - вид в разрезе варианта осуществления выключателя высокого напряжения согласно изобретению;
фиг.2 - вид в разрезе другого варианта осуществления выключателя высокого напряжения согласно изобретению;
фиг.3 - детальный вид первого отверстия промежуточного выпускного пространства в выключателе, показанного на фиг.1 или 2, с отверстием, имеющим сетку струеформирующих отверстий для отработанного газа;
6
фиг.4 - график, показывающий зависимость поглощенной тепловой энергии в килоджоулях от времени CZ в секундах после текущего нулевого значения для новых сред гашения дуги (в данном случае для фторкетона в смеси с воздухом) по сравнению с традиционным газом SF; и
фиг.5 - вид в разрезе внутренних резьбовых элементов, которые в вариантах осуществления могут размещаться внутри выпускной трубы выключателя, показанного на фиг.1 и 2.
Подробное описание изобретения
Изобретение описано на примере выключателя высокого напряжения с номинальными контактами и дугогасительными контактами, но принципы, описанные в дальнейшем, также применимы для использования изобретения в других переключающих устройствах, например, типа, упомянутого в данном документе. Ниже одинаковые ссылочные позиции обозначают конструктивно или функционально одинаковые элементы различных вариантов осуществления изобретения.
Для целей данного документа термины "вправо" и "влево" используются в связи с положением вдоль продольной оси z, то есть влево обозначает относительное положение направления стрелки z, и вправо обозначает относительное положение противоположного направления стрелки z. Следует обратить внимание, что направления вправо и влево расположены ниже по потоку дугогасительного пространства, где давление является самым высоким и откуда берут начало дугогасительный газ и отработанной газ в направлениях влево и вправо.
Переключающее устройство означает электрическое переключающее устройство и может охватывать, например, высоковольтный выключатель, выключатель генератора, разъединитель, комбинированный разъединитель - заземлителя, выключатель нагрузки, заземляющее устройство или быстродействующее заземляющее устройство.
На фиг.1 показан вид в разрезе варианта осуществления выключателя 1 высокого напряжения в разомкнутой конфигурации. Устройство 1 может быть по существу вращательно-симметричным относительно продольной оси z. Ниже будут описаны только элементы выключателя 1, который относится к настоящему изобретению, другие элементы, присутствующие на фигурах не важны для понимания изобретения. Кроме того, не приводится подробное описание принципов работы выключателя 1.
"Замкнутая конфигурация", которая используется в данном документе, означает, что номинальные контакты и/или дугогасительные контакты выключателя 1 замкнуты (то есть касаются друг друга). Соответственно, "разомкнутая конфигурация", которая используется в данном документе, означает, что номинальные контакты и/или дугогасительные контакты выключателя 1 разомкнуты (то есть разделены).
Только примерный выключатель 1 заключен в кожух или внешний корпус 5, который обычно является цилиндрическим и размещается вокруг продольной оси z. Он содержит узел 3a, 3b номинальных контактов, содержащее первый номинальный контакт, содержащий множество контактных пальцев 3a, только два из которых показаны в данном документе по причинам ясности. Пальцы 3a номинального контакта сформированы в виде пальцевой клетки вокруг продольной оси z. Узел номинальных контактов дополнительно содержит второй ответный номинальный контакт 3b, который обычно представляет собой металлическую трубу. Экран 5a может размещаться вокруг первого и второго номинальных контактов 3a, 3b. Кроме того, выключатель 1 содержит узел дугогасительных контактов 4a, 4b, содержащее первый дугогасительный контакт 4a и второй дугогасительный контакт 4b. Аналогично первому номинальному контакту 3a первый дугогасительный контакт 4a также содержит многочисленные пальцы 4a, размещенные в пальцевой клетке. Второй дугогасительный контакт 4b имеет обычно форму стержня.
Контактные пальцы 3a, 4a имеют возможность перемещения относительно контактов 3b, 4b из упомянутой замкнутой конфигурации, в которой они находятся в электрическом контакте друг с другом, в разомкнутую конфигурацию, показанную на фиг.1, в которой они разнесены друг от друга, и наоборот. Возможно также, что только одна группа контактов 3a, 4a или 3b, 4b, соответственно, перемещается параллельно продольной оси z, а другая группа контактов 3b, 4b или 3a, 4a, соответственно, является неподвижной. Для пояснительных целей настоящего изобретения предполагается, что только первый номинальный контакт 3a и первый дугогасительный контакт 4a являются подвижными вдоль оси z, и второй номинальный контакт 3b и второй дугогасительный контакт 4b являются неподвижными. Однако изобретение не ограничивается этой конфигурацией.
Как упомянуто, выключатель 1 показан в процессе размыкания электрического переключающего устройства 1 в момент времени, когда расстояние между дугогасительными контактами 4a, 4b остается по-прежнему настолько маленьким, что электрическая дуга 3 все еще присутствует между дугогасительными контактами 4a, 4b. В целях настоящего раскрытия зона вокруг электрической дуги 3 называется дугогасительным пространством 6 или зоной 6 нагрева.
Первый дугогасительный контакт 4a присоединен к выпускной трубе 7''', и первый номинальный контакт 3a связан с первым промежуточным пространством 7, которое по меньшей мере частично окружает выпускную трубу 7'''.
Первое выпускное пространство 7' размещается вокруг первого промежуточного пространства 7. В данном варианте осуществления второй дугогасительный контакт 4b и второй номинальный контакт 3b связаны со вторым промежуточным пространством 8. Второе выпускное пространство 8' размещается вокруг второго промежуточного пространства 8. Корпус 5 ограничивает внешнее пространство 9, окружающее (по меньшей мере частично или полностью) выпускную трубу 7''', первое промежуточное пространство 7 и второе промежуточное пространство 8. Выпускная труба 7''', первое промежуточное пространство 7, первое выпускное пространство 7', второе промежуточное пространство 8, второе выпускное пространство 8' и внешнее пространство 9 образуют по меньшей мере один путь 2 прохождения для прохождения текучей среды через них. Этот путь 2 прохождения иллюстрирован на фиг.1 множеством стрелок, только некоторые из которых обозначены ссылочной позицией 2. Следует отметить, что электрическое переключающее устройство 1 может иметь меньше или больше выпускных пространств или замкнутых пространств в зависимости от его типа.
Дугогасительное пространство 6 имеет с левой стороны соединение для текучей среды, проходящее через выпускную трубу 7''' в первое промежуточное пространство 7, и с правой стороны через внутреннее пространство 80, окружающее и/или расположенное рядом со втором дугогасительным контактом (разъемом) 4b, во второе промежуточное пространство 8, как показано соответствующими стрелками 2. Таким образом, в частности, по меньшей мере дугогасительное пространство 6, первое промежуточное пространство 7, первое выпускное пространство 7' и внешнее пространство 9 образуют первый путь прохождения для отработанного газа, и/или по меньшей мере дугогасительное пространство 6, второе промежуточное пространство 8, второе выпускное пространство 8' и внешнее пространство 9 образуют второй путь прохождения для отработанного газа.
7
7'
7
7
7'
Более подробно, выпускная система 7, 7', 7'', 7'''; 8, 8', 8'' содержит первое выпускное пространство 7', расположенное ниже дугогасительной области 6 на первой стороне переключающего устройства 1, имеющего первый дугогасительный контакт 4a, и внутри первого выпускного пространства 7' размещается по меньшей мере одно первое промежуточное пространство 7, которое загорожено первой промежуточной стенкой 7a, содержит первое впускное отверстие 11a, которое предназначено для приема отработанного газа, выходящего из пустотелой выпускной трубы 7''', гидравлически связанной с дугогасительной областью 6, и содержит по меньшей мере одно первое выпускное отверстие 12a, которое обращено к первой противоположной стенкой 7b, в частности, первого выпускного пространства 7', и предназначено для формирования по меньшей мере одной первой газовой струи 77 и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на первую противоположную стенку 7b. Первое промежуточное пространство 7 выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве 7 превышало первое давление p отработанного газа в первом выпускном пространстве 7' по меньшей мере при первом отношении K=p/p давлений, большем, чем 1,1.
В вариантах осуществления, не показанных на фигурах, пустотелая выпускная труба 7''' механически соединена с первым дугогасительным контактом 4a на второй концевой части, и/или
7
7f
f
7
7f
снаружи первого промежуточного пространства 7 размещается первое дополнительное промежуточное пространство, которое загорожено первой дополнительной промежуточной стенкой, содержит первое дополнительное впускное отверстие 12a для приема отработанного газа, выходящего из первого промежуточного пространства 7, и содержит по меньшей мере одно первое дополнительное выпускное отверстие, которое обращено к первой дополнительной противоположной стенкой, в частности, первого выпускного пространства 7', и служит для формирования по меньшей мере одной первой дополнительной газовой струи и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на первую дополнительную противоположную стенку, и первое промежуточное пространство 7 и/или первое дополнительное промежуточное пространство выполнено или выполнены таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа первое промежуточное давление p отработанного газа в первом промежуточном пространстве 7 превышало первое дополнительное промежуточное давление p отработанного газа в первом дополнительном промежуточном пространстве по меньшей мере при первом дополнительном отношении K=p/p давлений большем, чем 1,1.
8
8'
8
8
8'
В вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и 2, выпускная труба содержит второе выпускное пространство 8', расположенное ниже дугогасительной области 6 на второй стороне переключающего устройства 1, имеющего второй дугогасительный контакт 4b, и внутри второго выпускного пространства 8' размещается по меньшей мере одно второе промежуточное пространство 8, которое загорожено второй промежуточной стенкой 8a, содержит второе впускное отверстие 11b, которое служит для приема отработанного газа, поступающего из дугогасительной области 6, и содержит по меньшей мере одно второе выпускное отверстие 12b, которое обращено к второй противоположной стенке 8b, в частности, второго выпускного пространства 8', и предназначено для формирования по меньшей мере одной второй газовой струи 88 и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на вторую противоположную стенку 8b, и второе промежуточное пространство 8 выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа второе промежуточное давление p отработанного газа во втором промежуточном пространстве 8 превышало второе давление p отработанного газа во втором выпускном пространстве 8' по меньшей мере при втором отношении K=p/p давлений большем чем 1,1.
7
7f
8
6
В вариантах осуществления отношения давлений, раскрытые в данном документе, могут быть выбраны в качестве критических отношений давлений, то есть K, K, K, K, между 1,6 и 1,7 (преимущественно) для SF или между 1,7 и 1,8 для фторорганических соединений с фоновым газом. Это гарантирует звуковой отток из первого промежуточного пространства 7, и/или второго промежуточного пространства 8 и/или первого дополнительного промежуточного пространства.
6
В целях настоящего раскрытия текучая среда, используемая в выключателе 1, может быть газом SF или любой другой диэлектрической изолирующей средой, она может находиться в газообразном и/или жидком состоянии и, в частности, может быть диэлектрическим изолирующим газом или дугогасительным газом. Такая диэлектрическая изолирующая среда может, например, охватывать среды, содержащие фторорганическое соединение, такое как фторорганическое соединение, выбранное из группы, состоящей из: фторэфира, оксирана, фторамина, фторкетона, фторолефина и смесей и/или продуктов их разложения. Используемые в данном документе термины "фторэфир", "оксиран", "фторамин", "фторкетон" и "фторолефин" относятся по меньшей мере частично к фторированным соединениям. В частности, термин "фторэфир" охватывает одновременно гидрофторэфиры и перфторэфиры, термин "оксиран" охватывает одновременно гидрофтороксираны и перфтороксираны, термин "фторамин" охватывает одновременно гидрофторамины и перфторамины, термин "фторкетон" охватывает одновременно гидрофторкетоны и перфторкетоны, и термин "фторолефин" охватывает одновременно гидрофторолефины и перфторолефины. Таким образом, может быть предпочтительным, чтобы фторэфир, оксиран, фторамин и фторкетон полностью фторировались, то есть перфторировались.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда выбирается из группы, состоящей из: одного (или нескольких) гидрофторэфира(ов), одного (или нескольких) перфторкетона(ов), одного (или нескольких) гидрофторолефина(ов) и их смесей.
В частности, термин "фторкетон", который используется в контексте настоящего изобретения, должен интерпретироваться в широком смысле и должен охватывать одновременно фтормонокетоны и фтордикетоны или обычно фторполикетоны. Очевидно, в молекуле может присутствовать более чем одна карбонильная группа, фланкированная атомами углерода. Термин должен также охватить одновременно насыщенные соединения и ненасыщенные соединения, включая двойные и/или тройные связи между атомами углерода. По меньшей мере частично фторированная алкильная цепь фторкетонов может быть линейной или разветвленной и в некоторых случаях может образовывать кольцо.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда содержит по меньшей мере одно соединение, представляющее собой фтормонокетон и/или содержащее также гетероатомы, включенные в основную углеродную цепь молекул, таких как по меньшей мере одно из: атома азота, атома кислорода и атома серы, заменяющих один или более атомом углерода. Более предпочтительно, фтормонокетон, в частности, перфторкетон, может иметь от 3 до 15 или от 4 до 12 атомов углерода и, в частности, от 5 до 9 атомов углерода. Наиболее предпочтительно он может содержать точно 5 атомов углерода, и/или точно 6 атомов углерода, и/или точно 7 атомов углерода и/или точно 8 атомов углерода.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда содержит по меньшей мере одно соединение, представляющее собой фторолефин, выбранный из группы, состоящей из: гидрофторолефинов (HFO), содержащих по меньшей мере три атома углерода, гидрофторолефинов (HFO), содержащих точно три атома углерода, транс-1,3,3,3-тетрафтор-1-пропена (HFO-1234ze), 2,3,3,3-тетрафтор-1-пропена (HFO-1234yf) и их смесей.
2
2
2
2
2
2
4
3
6
Диэлектрическая изолирующая среда может дополнительно содержать фоновый газ или газ-носитель в отличие от фторорганического соединения (в частности, в отличие от фторэфира, оксирана, фторамина, фторкетона и фторолефина), и в вариантах осуществления может быть выбран из группы, состоящей из: воздуха, N, O, CO, благородного газа, H; NO, NO, NO; фторуглеродов и, в частности, перфторуглеродов, таких как CF; CFI, SF; и их смесей.
7
8
7'
8'
В соответствующих вариантах осуществления размер промежуточного пространства 7, 8 и положение, число и поперечный разрез по меньшей мере одного выпускного отверстия 12a; 12b адаптированы к характеристикам потока газа фторорганического соединения, в частности, фторкетона и, более конкретно, к скорости звука смесей газа фторкетона, чтобы удерживать по меньшей мере временно во время гашения дуги заданное количество отработанного газа в промежуточном пространстве 7; 8, и, в частности, чтобы достичь заданного уровня увеличения промежуточного(ых) давления(й) p; p отработанного газа в промежуточном пространстве 7; 8 выше давления(й) p, p отработанного газа в выпускных пространствах 7'; 8' ниже по потоку промежуточного пространства 7; 8.
Как уже упоминалось выше, для такой адаптации размеров первое промежуточное пространство 7 и/или второе промежуточное пространство 8 разделяется или разделяются на одной стороне по меньшей мере первой стенкой 14 (показанной в качестве примера с левой стороны на фиг.1, 2), размещенной поперек продольной оси z и имеющей возможность перемещаться параллельно ей с помощью по меньшей мере исполнительного устройства 15, 16, 17. В настоящем варианте осуществления по меньшей мере одно исполнительное устройство содержит по меньшей мере одну пружину 16, соединяющую исполнительный механизм 15 с первой стенкой 14. Понятно, что исполнительное устройство 15 может также принимать форму гидравлического, или пневматического или электрического исполнительного устройства 15 или может представлять непосредственно пружину или даже пружину 16. Цель этой подвижной первой стенки 14a состоит в том, чтобы регулировать объем первого промежуточного пространства 7 и/или второго промежуточного пространства 8 в зависимости от рабочих параметров выключателя 1, с целью оптимизации потока текучей среды в пределах выключателя 1, что приводит к более эффективному охлаждению текучей среды или отработанного газа в выключателе 1.
Например, первое промежуточное пространство 7 можно уменьшить путем продвижения первой стенки 14a в направлении продольной оси z (в правую сторону) в случае предполагаемых маленьких токов. В этом случае уменьшение первого промежуточного пространства 7 позволяет поддерживать необходимое давление газа или отработанной текучей среды и достичь оптимального эффекта 77 падающей струи для отработанной текучей среды или газа. В результате, отработанная текучая среда или газ, выходящий из промежуточного пространства 7 или пространств 7, 8 через первые выпускные отверстия 12a или вторые выпускные отверстия 12b, создает более высокую турбулентность в соответствующем первом и втором выпускных пространствах 7'; 8'. В случае более сильных токов, при наличии которых большее количество энергии передается текучей среде или газу, текучая среда или газ в дугогасительном пространстве 6 имеет более высокое давление и расширение, и может потребоваться больший объем. Таким образом, объем первого промежуточного пространства 7 можно увеличить путем смещения первой стенки 14 влево в направлении, противоположном или встречно параллельном продольной оси z (направление вправо, обозначенное стрелкой z).
Кроме того, при наличии пружины и исполнительной системы 15, 16 можно достичь в определенной степени автоматическое регулирование первого и/или второго промежуточного пространства 7, 8. Это делается путем смещения первой стенки 14a в основное положение посредством исполнительного механизма 15 (или альтернативно путем обеспечения основного положения с помощью пружины или непосредственно пружины 16). Пружина 16 имеет такую жесткость пружины, чтобы она позволяла изменять объем первого и/или промежуточного пространства 7, 8 в диапазоне максимум ±90%, в частности, ±70% и, более конкретно, ±50% и, наиболее конкретно, ±30%, по отношению к основному объему первого и/или второго промежуточного пространства 7, 8, ограниченного основным положением первой подвижной стенки 14a или второй подвижной стенки 14b, соответственно. Самоподстраивающееся изменение объема, например, в вышеупомянутых пределах, происходит в результате изменения давления в соответствующем выпускном пространстве 7, 8 из-за перемещения текучей среды или отработанного газа.
Другими словами, первое давление в одном из промежуточных пространств 7, 8 регулируется путем смещения подвижной стенки 14a и/или 14b таким образом, чтобы оно было приблизительно равным второму давлению другого промежуточного пространства 8, 7. Это изменение объема с возможностью самоподстройки и управления давлением можно достичь с помощью по меньшей мере одной первой и/или второй стенкой 14a, 14b с возможностью смещения и перемещения с помощью любой исполнительной системы, например, исполнительной системы 15-17, имеющейся в выключателе 1. В вариантах осуществления существует одна первая стенка 14a с возможностью смещения и перемещения любой исполнительной системой, например, исполнительной системой 15-17, имеющейся с левой стороны (как показано на фиг.1, 2), или с правой стороны или с обеих сторон переключающего устройства и, в частности, выключателя 1.
В следующем примере показано, как выполняется регулировка объема в соответствующем промежуточном пространстве 7, 8 путем смещения первой стенки 14a. Предполагается, что в этом примере значение тока и значение давления являются примерными и могут изменяться. Первоначально, основное положение первой стенки 14a устанавливается исполнительным механизмом 15 перед работой электрического переключающего устройства 1, и давление в соответствующем промежуточном пространстве 7, 8 вычисляется для 90% максимального тока, например, равного 50 бар; то есть основное положение определяется этими параметрами. Жесткость пружины выбирается таким образом, чтобы во время работы электрического переключающего устройства 1 первая стенка 14 не перемещалась тогда, когда ток меньше, чем 90% от максимального тока. Первая стенка 14a только перемещается тогда, когда ток выше, чем 90% от максимального тока. Например, в этом случае давление может равняться 60 бар, в результате чего первая стенка 14a смещается влево, то есть в противоположном направлении по отношению к стрелке z, представляющей собой продольную ось z. Когда давление снова падает до 50 бар или ниже, первая стенка 14a перемещается обратно в свое основное положение.
Альтернативно или дополнительно, первое давление в первом промежуточном пространстве 7 и/или во втором промежуточном пространстве 8 адаптируется в зависимости от интенсивности электрической дуги 3, образующейся между дугогасительными контактами 4a, 4b при их размыкании или замыкании. Преимущественно, такие меры также способствуют выравниванию давления одновременно в первом и втором промежуточных пространствах 7 и 8. Выравнивание давления происходит лучше всего в варианте осуществления с использованием подвижной стенки 14a, 14b, прикрепленные к исполнительным механизмам 15-17 одновременно для первого и второго промежуточных пространств 7, 8.
7
8
7
8
Альтернативно или дополнительно, первое давление p в первом промежуточном пространстве 7 и/или второе давление p во втором промежуточном пространстве 8 регулируется или регулируются путем смещения первой стенки 14a и/или второй стенки 14b таким образом, чтобы первое давление p и/или второе давление p было или были меньше, чем третье давление в дугогасительном пространстве 6. Это желательно для того, чтобы предотвратить протекание текучей среды или отработанного газа, который переместился в промежуточное пространство или пространства 7, 8, обратно в дугогасительное пространство 6.
7
8
В вариантах осуществления первое давление p в первом промежуточном пространстве и/или второе давление p во втором промежуточном пространстве 7, 8 регулируется или регулируются таким образом, чтобы температура диэлектрической изолирующей среды поддерживалась ниже температуры разложения изолирующей среды путем смещения соответствующей первой стенки 14a, 14b вдоль продольной оси z. Как упомянуто выше, фторкетон имеет температуру разложения приблизительно 600-900°C. За счет регулировки давления газа упомянутым способом можно избежать или уменьшить его разложение путем эффективного охлаждения газа электрического переключающего устройства (в частности, выключателя 1).
6
На фиг.4 показан положительный эффект использования первого промежуточного пространства 7 совместно с диэлектрической изолирующей средой, содержащей фторкетон, в частности, газообразный C5-фторкетон (то есть, содержащей точно 5 атомов углерода), в смеси с воздухом в качестве фонового газа. На графике показана зависимость поглощенной тепловой энергии в килоджоулях (то есть охлаждение отработанного газа) от времени CZ в секундах после текущего нулевого значения для фторкетон-воздушных смесей (верхняя кривая) по сравнению с зависимостью для традиционного газа SF (нижняя кривая). Это доказывает, что новая среда гашения дуги, содержащая фторорганические соединения, имеет, как и следовало ожидать, лучшее охлаждение отработанного газа с помощью промежуточного пространства 7, 8, как раскрыто в данном документе.
В вариантах осуществления, схематично показанных на фиг.3, по меньшей мере одно выпускное отверстие 12a; 12b, в частности, первое выпускное отверстие 12a и/или второе выпускное отверстие 12b, закрыто по меньшей мере одной сеткой отверстий, содержащей множество отверстий 13.
В вариантах осуществления отношение расстояния H между промежуточной стенкой 7a; 8a и противоположной стенкой 7b, 8b к среднему диаметру D выпускного отверстия 12a; 12b находится в диапазоне 1,5-8, конкретно, отношение имеет значение, равное 6; в частности, первое отношение первого расстояния между первой промежуточной стенкой 7a и первой противоположной стенкой 7b к среднему диаметру D первого выпускного отверстия 12a находится в диапазоне 1,5-8 или равняется 6, и/или второе отношение второго расстояния между второй промежуточной стенкой 8a и второй противоположной стенкой 8b к среднему диаметру D второго выпускного отверстия 12b находится в диапазоне 1,5-8 или равняется 6. В любом из этих вариантов осуществления отношение, равное 6, может быть предпочтительным. Это гарантирует оптимальную передачу потока текучей среды или отработанного газа из промежуточных пространств 7, 8 в их соответствующие первое и/или второе выпускные пространства 7', 8'.
На фиг.2 показан вид в разрезе другого варианта осуществления выключателя 1 высокого напряжения в разомкнутой конфигурации. Данный вариант осуществления аналогичен варианту осуществления, описанному в связи с фиг.1 с той разницей, что первая стенка 14a (которая показана здесь для первого промежуточного пространства 7, находящегося слева, но альтернативно или дополнительно, в равной степени одинаково применима ко второму промежуточному пространству 8, находящемуся справа) приводится в действие иным образом для ее перемещения вдоль продольной оси z. В данном варианте осуществления исполнительный механизм и пружина отсутствуют. Вместо привода с использованием привода 17, который уже имеется в выключателе 1 и присоединен к номинальным и/или дугогасительным контактам 3a, 3b, 4a, 4b с помощью стержня исполнительного механизма. Главная задача привода 17 состоит в том, чтобы перемещать контакты, находящиеся слева, в этом примере номинальный контакт 3a и дугогасительный контакт 4a, во время процедур размыкания и замыкания. Таким образом, выпускная труба 7''' также смещается вдоль продольной оси z. Первая стенка 14a присоединена к выпускной трубе 7''' и, следовательно, также перемещается вместе с ней. При замыкании контактов 3a, 3b; 4a, 4b первое промежуточное пространство 7 уменьшается до тех пор, пока контакты 3a, 3b; 4a, 4b не достигнут своей замкнутой конфигурации, в которой первое промежуточное пространство 7 имеет минимальный размер. При перемещении контактов 3a, 3b; 4a, 4b в разомкнутую конфигурацию 1-ое промежуточное пространство 7 увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального размера. Во время увеличения объема в соответствующем промежуточном пространстве 7, 8 возникает пониженное давление. Это способствует дополнительному всасыванию или ускорению нагретой текучей среды или отработанного газа, который выходит из дугогасительного пространства 6. Одно преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что дополнительные части, типа исполнительного механизма 15 и пружина 16, показанные на фиг.1, являются необязательными.
В вариантах осуществления средство 14a, 14b, 15, 16, 17 для изменения размера промежуточного пространства 7, 8, в частности, по меньшей мере одно исполнительное устройство 17, содержит по меньшей мере одну выпускную трубу 7''', размещенную в первом выпускном пространстве 7' и присоединенную к первому дугогасительному контакту 4a, и по меньшей мере один привод17 переключающего устройства 1 для перемещения выпускной трубы 7''' и первого дугогасительного контакта 4a вдоль продольной оси z, причем по меньшей мере одна первая подвижная стенка 14a присоединена к выпускной трубе 7'''; и/или первая подвижная стенка 14a действует как вспомогательная поддержка движущей силы, приводимой в действие давлением отработанного газа для привода17.
На фиг.2 первая стенка 14a показана как установленная на одной оконечности выпускной трубы 7'''. В других вариантах осуществления первую стенку 14a можно также установить в другом местоположении вдоль выпускной трубы 7'''. Ограничение, касающееся того, как далеко ее можно установить на наружной поверхности выпускной трубы 7''', как это видно в направлении продольной оси z, задается минимальным требуемым размером первого промежуточного пространства 7 и положением отверстий 11a в выпускной трубе 7'''.
На фиг.2 показан также вариант осуществления второй стенки 14b с возможностью перемещения поперек продольной оси z. Среди других возможностей обеспечения первой и/или второй подвижных стенок 14a, 14b, это является полезным и можно реализовать относительно простым способом.
На фиг.3 показан детальный вид варианта осуществления одного из первых выпускных отверстий 12a или вторых выпускных отверстий 12b, показанных на фиг.1 или 2. По меньшей мере промежуточная стенка 7b (и/или 8b) первого промежуточного пространства 7 (и/или второго промежуточного пространства 8, соответственно) может содержать многочисленные выпускные отверстия 12a, 12b типа, показанного на фиг.3. Промежуточная стенка 7b, 8b является предпочтительно концентрической по отношению к продольной оси z. Выпускные отверстия 12a, 12b закрыты сеткой отверстий, имеющей множество отверстий 13.
В вариантах осуществления отверстия 13 сетки отверстий имеют поперечное сечение не более 50% от среднего поперечного сечения выпускного отверстия 12a; 12b (без сетки отверстий), в частности, первого выпускного отверстия 12a и/или второго выпускного отверстия 12b; и/или сетка отверстий имеет возможность замены на сетку отверстий, имеющую отверстия 13 различного диаметра.
Текучая среда или отработанный газ выходит из первого и/или второго промежуточного пространства 7, 8 через упомянутые выпускные отверстия 12a, 12b в первое и/или второе выпускное пространство 7', 8', соответственно. Преимущество, связанное с оснащением выпускных отверстий 12a, 12b такой сеткой 13 отверстий, состоит в том, что повышается турбулентность потока текучей среды или отработанного газа и тем самым увеличивается теплопередача к металлическим поверхностям разделительных стенок на пути прохождения текучей среды или отработанного газа. Кроме того, отработанные газы можно еще лучше наводить на направляющую стенку, или отклоняющую стенку или противоположную стенку 7b, 8b, такую как первая противоположная стенка 7b первого выпускного пространства 7' или вторая противоположная стенка 8b второго выпускного пространства 8', размещенного напротив выпускных отверстий 12a, 12b, соответственно.
В одном варианте осуществления первая сетка отверстий с первыми отверстиями 13 имеет возможность замены на вторую сетку отверстий, имеющую вторые отверстия 13 различного диаметра. Это является преимуществом для адаптации выключателя 1 к различным или изменяющимся условиям эксплуатации, например, к другой текучей среде, используемой в качестве диэлектрической изоляции и среды для гашения дуги.
2
2
2
В основных вариантах осуществления первый дугогасительный контакт 4a представляет собой гнездо дугогасительного контакта 4a, и второй дугогасительный контакт (4b) представляет собой штырь дугогасительного контакта (4b); и/или диэлектрическая изолирующая среда содержит: фторорганическое соединение, выбранное из группы, состоящей из фторэфира, фторамина, фторкетона, фторолефина и их смесей; причем фторорганическое соединение находится в смеси с фоновым газом, выбранным, в частности, из группы, состоящей из: CO, O, N.
В вариантах осуществления, которые являются независимыми от и применимыми к любым раскрытым устройствам, по меньшей мере одна секция направляющей стенки, расположенная на пути прохождения отработанного газа, снабжена выступами 18, 19, 20 (смотри, например, фиг.1 и 2), которые продолжаются поперек секции направляющей стенки вне или на пути прохождения и предназначены для охлаждения отработанного газа. В частности, выступы 18, 19 могут представлять собой макроскопические выступы 18, 19 и могут размещаться в двухмерном размещении или двухмерной матрице в секции направляющей стенки и могут образовывать двухмерное размещении завихрений в отработанном газе вдоль секции направляющей стенки на пути прохождения для повышения уровня конвективной теплопередачи от отработанного газа к секции направляющей стенки.
В вариантах осуществления выступы представляют собой отрицательные выступы 18, 19, 20, в частности, однородные выступы 18 или неоднородные выступы 19, или микроскопические выступы 20, которые продолжаются в секцию направляющей стенки пути прохождения; и/или выступы представляют собой положительные выступы 18, 19, 20, в частности, однородные выступы 18, или неоднородные выступы 19 или микроскопические выступы 20, продолжающиеся из секции направляющей стенки пути прохождения.
В вариантах осуществления противоположная стенка 7b, 8b, в частности, первая противоположная стенка 7b и/или вторая противоположная стенка 8b, имеет или имеют на своей поверхности однородные выступы 18, или неоднородные выступы 19 или повышенную шероховатость 20 поверхности, образующие микроскопические выступы 20, для увеличения теплопередачи от падающих струй отработанного газа 77, 88 к противоположной стенке 7b, 8b; и/или противоположная стенка 7b, 8b, в частности, первая противоположная стенка 7b и/или вторая противоположная стенка 8b изготовлена или изготовлены из металла или металлокерамических материалов.
В вариантах осуществления в случае шероховатости 20 поверхности, образующей микроскопические выступы 20, средняя шероховатость Ра секции направляющей стенки, содержащей микроскопические выступы 20, выбирается в диапазоне 30 мкм - 200 мкм, и более предпочтительно в диапазоне 50 мкм - 150 мкм и наиболее предпочтительно в диапазоне 70 мкм - 120 мкм; и/или ни один из выступов 18, 19 не сформирован в виде микроскопических выступов 20, но вместо этого они являются макроскопическими выступами 18, 19, и макроскопические выступы 18, 19 расположены достаточно далеко друг от друга для формирования взаимно невзаимодействующих завихрений в отработанном газе.
Еще одни варианты осуществления раскрыты со ссылкой на фиг.5, на которой в качестве примера показан вид в разрезе по меньшей мере одной внутренней резьбовой секции с 22, размещенной в выпускной трубе 6. Внутренние резьбовые элементы 22 являются предпочтительно отрицательными выступами 22, образованными в виде углублений во внутренней стенке 23 выпускной трубы 6. Внутренняя(ие) резьбовая(ые) секция(и) предназначена или предназначены для завихрения отработанного газа в пустотелой выпускной трубе 7'''. Выпускная труба 6 показана частично "прозрачным" способом для лучшей иллюстрации внутренней резьбы или завихрения 22. По меньшей мере часть внутренних резьбовых секций 22 можно соединить друг с другом и можно, таким образом, сформировать один или более каналов 22 в стенке выпускной трубы 6. Эту концепцию выпускной трубы 6 с выступами 22 внутренней резьбовой секции или непрерывными внутренними резьбовыми выступами 22 можно реализовать в любом другом устройстве, раскрытом в данном документе.
В дополнительных вариантах осуществления, которые имеют возможность реализации независимо от любого устройства, раскрытого в данном документе, по меньшей мере одно устройство 21 для отклонения расположено выше по потоку по меньшей мере одного промежуточного пространства 7, 8, и взаимодействует по меньшей мере с одним впускным отверстием 11a, 11b и предназначено для отклонения в радиальном направлении отработанного газа в промежуточное пространство 7, 8. В частности, по меньшей мере одно устройство 21 для отклонения может размещаться на стороне пустотелой выпускной трубы 7''', обращенной в сторону от дугогасительной области 6, и может взаимодействовать по меньшей мере с одним первым впускным отверстием 11a в пустотелой выпускной трубе 7''' и служит затем для отклонения в радиальном направлении отработанного газа в первое промежуточное пространство 7.
Настоящее изобретение увеличивает возможность охлаждения текучей среды или отработанного газа, присутствующего внутри переключающего устройства 1 высокого или среднего напряжения. С помощью мер, описанных выше, можно уменьшить максимальную температуру текучей среды и, таким образом, использовать альтернативные изолирующие и гасящие дугу текучие среды типов, описанных выше, то есть фторорганические соединения, как раскрыто в данном документе, со сниженным риском постоянного ухудшения характеристик текучей среды из-за слишком высоких температур. В частности, хотя фторорганические соединения, присутствующие в дугогасительном пространстве 6, будут разлагаться полностью в определенной степени, настоящее изобретение позволяет защитить фторорганические соединения, присутствующие вне дугогасительного пространства 6, в частности, в первом промежуточном пространстве 7, и/или втором промежуточном пространстве 8 и внешнем пространстве 9, от слишком высоких температур, вызванных отработанными газами и, таким образом, от разложения. Это позволяет уменьшить или минимизировать потери фторорганических соединений, которые возникают во время работы выключателя.
7
8
В дополнительном аспекте изобретения (с использованием ссылочных позиций, которые являются только примерными) электрическое переключающее устройство 1, в частности, как обсуждалось выше, имеет продольную ось z, содержит дугогасительное пространство 6 и по меньшей мере узел дугогасительных контактов с первым дугогасительным контактом 4a и ответным вторым дугогасительным контактом 4b, и дополнительно содержит выпускную систему 7, 7', 7'', 7'''; 8, 8', 8'' по меньшей мере с одним выпускным пространством 7'; 8', причем для замыкания и размыкания электрического переключающего устройства 1 по меньшей мере один из дугогасительных контактов 4a, 4b имеет возможность перемещаться параллельно продольной оси z и взаимодействует с другим дугогасительным контактом 4b, 4a, при этом электрическое переключающее устройство 1 содержит диэлектрическую изолирующую среду, содержащую фторорганическое соединение, выбранное из группы, состоящей из фторнитрилов, в частности, перфторнитрилов и их смесей и/или продуктов разложения, причем внутри выпускного пространства 7'; 8' размещается по меньшей мере одно промежуточное пространство 7; 8, которое загорожено промежуточной стенкой 7a; 8a, содержит по меньшей мере одно впускное отверстие 11a; 11b для приема отработанного газа, поступающего из дугогасительной области 6, и содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие 12a; 12b, причем выпускное отверстие 12a; 12b обращено к противоположной стенке 7b, 8b, в частности, выпускного пространства 7'; 8', и предназначено для формирования по меньшей мере одной струи отработанного газа 77, 88 и для ее выпуска по направлению к и ее воздействия на противоположную стенку 7b, 8b, и причем промежуточное пространство 7; 8 выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа промежуточное давление p; p отработанного газа в промежуточном пространстве 7; 8 превышало давление отработанного газа в непосредственно следующим за ним выпускном пространстве 7'; 8' по меньшей мере при отношении K давлений большем, чем 1,1.
В вариантах осуществления фторнитрил находится в смеси с фторорганическим соединением, выбранным из группы, состоящей из: фторэфира, оксирана, фторамина, фторкетона, фторолефина и их смесей и/или продуктов разложения; в частности, фторнитрила, находящегося в смесях с фоновым газом и, более конкретно, в смеси с соединением фонового газа, выбранным из группы, состоящей из: воздуха, компонентов воздуха, азота, кислорода, углекислого газа и оксидов азота.
2
5
3
7
3
2
3
3
В вариантах осуществления фторнитрил представляет собой перфторнитрил, содержащий два атома углерода, три атома углерода или четыре атома углерода, в частности, представляет собой перфторалкилнитрил, в частности, перфторацетоннитрил, перфторпропинитрил (CFCN) и/или перфторбутиронитрил (CFCN), и, более конкретно, представляет собой перфторизобутирилнитрил согласно формуле (CF)CFCN и/или перфтор-2-метоксипропаннитрил согласно формуле CFCF (OCF) CN.
7
8
7
f
8
В вариантах осуществления электрического переключающего устройства и способа функционирования такого электрического переключающего устройства диэлектрическая изолирующая среда выбрана такой, и промежуточное пространство 7; 8 выполнено таким образом, чтобы по меньшей мере временно во время отвода отработанного газа промежуточное давление p; p отработанного газа в промежуточном пространстве 7; 8 превышало давление отработанного газа в непосредственно следующим за ним выпускном пространстве 7'; 8' отработанного газа по меньшей мере при отношении K давлений большем, чем 1,3, предпочтительно большем, е чем 1,4, более предпочтительно большем, чем 1,5, особенно предпочтительно большем, чем 1,6, и наиболее предпочтительно большем, чем 1,7. В частности, отношение K давлений выбирается из группы, состоящей из: первого отношения Kдавлений, первого дополнительного отношения K давлений, второго отношения Kдавлений и их комбинаций.
Преимущество выбора отношения K давлений больше, чем пороговое значение 1,1, или в некоторых случаях больше, чем 1,3, или 1,4, или 1,5, или 1,6 или 1,7, состоит в том, что при увеличении отношения K давлений улучшается формирование струи отработанного газа. Это приводит к увеличению массового расхода газа и, следовательно, к лучшей теплопередачи в выпускной системе 7, 7', 7'', 7'''; 8, 8', 8'' электрического переключающего устройства 1.
Формирование струи отработанного газа будет оставаться звуковым до тех пор, пока выпускное отверстие 12a; 12b для формирования струи будет представлять собой отверстие 12a; но может становиться сверхзвуковым, если выпускное отверстие для формирования струи имеет по меньшей мере частично форму сопла 12a, 12b; 12b, и идеально имеет форму сопла Лаваля 12a; 12b. За счет более высокой(их) скорости(ей) струи(й) отработанного газа можно дополнительно увеличить массовый расход газа и, следовательно, теплопередачу.
Хотя в данном документе показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует отчетливо понимать, что изобретение не ограничивается ими, но в иных случаях может быть воплощено и осуществлено на практике различным образом в пределах объема нижеследующей формулы изобретения. Поэтому термины типа "предпочтительный", или "в частности", или "конкретно" или "преимущественно" и т.д. означают только дополнительные и примерные варианты осуществления.
Перечень ссылочных позиций
1 - основной выключатель
2 - путь текучей среды
3 - электрическая дуга
3a - контактный палец первого номинального контакта
3b - второй номинальный контакт
4a - первый дугогасительный контакт
4b - второй дугогасительный контакт
5 - оболочка, корпус, кожух
5a - экран
6 - дугогасительное пространство
7 - первое промежуточное пространство (для создания газовых струй)
7' - первое выпускное пространство
7'' - первая стенка выпускного канала
7''' - выпускная труба
7a - стенка первого промежуточного пространства
7b - стенка первого выпускного пространства, первая противоположная стенка
77 - первая(ые) газовая(ые) струя(и)
8 - второе промежуточное пространство (для создания газовых струй)
8' - второе выпускное пространство
8'' - вторая стенка выпускного канала
8a - стенка второго промежуточного пространства
8b - стенка второго выпускного пространства, вторая противоположная стенка
80 - внутреннее пространство, окружающее и/или расположенное рядом со вторым дугогасительным контактом (разъемом)
88 - вторая(ые) газовая(ые) струя(и)
9 - внешнее пространство, закрытое пространство
11a - первое(ые) впускное(ые) отверстие(я) в первом промежуточном пространстве, выпускное отверстие выпускной трубы
11b - второе(ые) впускное(ые) отверстие(я) во втором промежуточном пространстве
12a - первое выпускное отверстие (например, в первом выпускном пространстве) первого промежуточного пространства
12b - второе выпускное отверстие (например, во втором выпускном пространстве) второго промежуточного пространства
13 - отверстие сетки
14a - первая подвижная стенка первого промежуточного пространства
14b - вторая подвижная стенка второго промежуточного пространства
15 - исполнительный механизм, исполнительное устройство (для подвижной стенки)
16 - средство для выравнивания давлений, упругое средство, пружина
17 - привод дугогасительных контактов и подвижная стенка
18 - однородные выступы
19 - неоднородные выступы
20 - шероховатость поверхности
21 - устройство для отклонения в радиальном направлении
22 - внутренние резьбовые элементы (в выпускной трубе)
23 - внутренняя стенка выпускной трубы
7
p - первое промежуточное давление отработанного газа в первом промежуточном пространстве
7'
p - первое давление отработанного газа ниже по потоку первого промежуточного пространства, первое давление в первом выпускном пространстве
7f
p - первое дополнительное промежуточное давление отработанного газа в первом дополнительном промежуточном пространстве
8
p - второе промежуточное давление отработанного газа во втором промежуточном пространстве
8'
p - второе давление отработанного газа ниже по потоку второго промежуточного пространства, второе давление во втором выпускном пространстве
K - (критическое) отношение давлений
7
7
7
K - первое (критическое) отношение p/pдавлений
7f
7
7f
K - первое (критическое) отношение p/p давлений
8
8
8'
K - второе (критическое) отношение p/pдавлений,
z - продольная ось.