КОЛОНКОВЫЙ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
COLUMN GAS-FILLED CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к элегазовым электрическим аппаратам высокого напряжения, работающим в условиях холодного климата.
Известен элегазовый колонковый выключатель (патент RU №2087976, класс H01H 33/53, публикация 20.08.2008 г.), содержащий дугогасительное устройство, размещенное внутри фарфорового изолятора, установленного на опорном полом изоляторе при помощи соединительной арматуры с ребрами на ее внешней поверхности. Внутренние полости опорного полого изолятора и фарфорового изолятора сообщаются между собой и заполнены элегазом. Для предотвращения снижения плотности элегаза вследствие его конденсации при низких температурах выключатель имеет электронагреватель, размещенный под нижним основанием опорного полого изолятора.
Выключатель работает следующим образом. При снижении температуры окружающего воздуха ниже температуры конденсации элегаза происходит осаждение последнего в виде жидкой фазы на внутренних поверхностях выключателя. Сжиженный элегаз стекает вниз на основание полого опорного изолятора. При снижении давления газообразного элегаза до заданного уровня, при котором работоспособность выключателя еще сохраняется, производится включение электронагревателя. Электронагреватель испаряет сжиженный элегаз, его пары поднимаются вверх, конденсируясь на внутренних поверхностях выключателя. Выделяющаяся при этом энергия конденсации поддерживает температуру внутренних поверхностей на таком уровне, при котором давление элегаза не снижается ниже допустимого предела. Сконденсировавшийся элегаз стекает обратно вниз на нижнее основание полого опорного изолятора и цикл повторяется.
Недостатком такого выключателя является необходимость заполнения его избыточным количеством элегаза, превышающим его количество, которое необходимо при работе выключателя в летний период. Избыток элегаза идет на его конденсацию и поддержание процесса теплопередачи при низких температурах. Избыток элегаза не только удорожает выключатель, в том числе за счет необходимости создания более прочных конструкций, работающих при более высоких давлениях, но и усложняет процесс контроля его утечек, из-за изменения плотности при конденсации.
Другим недостатком является наличие ребер на внешней поверхности соединительной арматуры, поскольку они увеличивают отдачу тепла от выключателя наружному воздуху. Это требует дополнительного увеличения мощности электронагревателя, приводит к увеличению количества стекающего по стенкам сжиженного элегаза и, следовательно, приводит к необходимости увеличения избыточного заполнения им выключателя. Наоборот, применение ребер на внутренних поверхностях выключателя смогло бы усилить процессы конвективной теплопередачи, в которой не используется конденсация газа, и в пределе позволило бы организовать теплообмен вообще без использования фазовых переходов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является колонковый газонаполненный выключатель (патент RU №2443036, класс H01H 33/53, опубликован 20.02.2012 г.), содержащий полый опорный изолятор, второй изолятор, дугогасительное устройство, размещенное внутри второго изолятора, привод, соединенный с дугогасительным устройством изоляционной тягой, проходящей внутри полого опорного изолятора, вытяжную трубу, находящуюся в этом же изоляторе, и электронагреватель - под его основанием, при этом второй изолятор закреплен на полом опорном изоляторе при помощи фланцев с расположенным между ними нижним токоподводом к дугогасительному устройству, другой токоподвод к дугогасительному устройству закреплен на верхнем фланце второго изолятора.
Внутренние полости обоих изоляторов сообщаются между собой. Для предотвращения недопустимого снижения плотности элегаза при низких температурах, выключатель имеет бачок-испаритель сжиженного элегаза, расположенный над электронагревателем в шкафу управления выключателем. Бачок-испаритель сообщается с полостью полого опорного изолятора при помощи вытяжной трубы. Кроме того, выключатель имеет бачок-конденсатор элегаза, расположенный на открытом воздухе, соединенный одной трубкой с нижней частью полого опорного изолятора, а другой - с указанным бачком-испарителем.
При снижении температуры окружающего воздуха ниже температуры конденсации газа на стенках выключателя осаждается сжиженный газ, который стекает вниз и вместе с газообразным элегазом поступает в бачок-конденсатор. Там происходит дополнительное сжижение элегаза, после чего жидкость поступает в бачок-испаритель, подогреваемый электронагревателем, откуда испаряется. Образовавшийся пар по вытяжной трубе поступает в верхнюю часть полого опорного изолятора и устремляется к его стенкам, поверхностям контактных систем, внутреннюю полость второго изолятора за счет сообщения ее с полостью первого изолятора, и другим внутренним поверхностям элементов выключателя. Газ конденсируется на них с такой интенсивностью, чтобы их температура стала одинаковой и соответствующей давлению газа в выключателе согласно кривой насыщения элегаза. Температура и давление элегаза в нем будет меняться в зависимости от температуры воздуха и скорости ветра. Однако в решении не описано, каким образом происходит сообщение внутренних полостей изоляторов выключателя.
Недостатком решения является необходимость заполнения выключателя избыточным количеством газа (о причинах этого говорилось выше), что удорожает конструкцию выключателя. Вторым недостатком является то, что конденсационный способ передачи тепла не обеспечивает поддержания требуемой коммутационной способности выключателя. Это связано с тем, что при конденсационном нагреве аппарата элегаз в нем становится насыщенным паром. Но при отключении тока, давление в дугогасительном устройстве кратковременно повышается. В результате чего часть пара конденсируется на его стенках. Это приводит к снижению роста давления в нем и отключающей способности (В.Г. Егоров, С.А. Родина, К.И. Серяков, Modelling of SF6 puffer interrupters, CIGRE 1994 session, rep.13-105, Paris, 1994).
В-третьих, конденсация элегаза усложняет контроль герметичности выключателя и снижает надежность этого контроля, поскольку в условиях частичной конденсации газа практически невозможно вычленить, какой вклад в снижение плотности внесли утечки газа, и какой - его конденсация. В-четвертых, введение в конструкцию выключателя бачка-конденсатора только усложняет его конструкцию и ухудшает работу, поскольку увеличиваются поверхности, с которых происходит теплоотдача от выключателя. Это должно быть скомпенсировано увеличением мощности нагрева, то есть увеличением затрат на обслуживание выключателя. К конденсату, присутствующему в бачке-испарителе, добавляется конденсат, который накапливается в бачке-конденсаторе. Поэтому из-за введения бачка-конденсатора увеличивается количество сконденсированного элегаза и для предотвращения недопустимого снижения его давления выключатель придется заполнять еще большим количеством элегаза, чтобы компенсировать то его количество, которое при низких температурах превращается в жидкость. Пятым недостатком является излишнее усложнение конструкции введением в нее вытяжной трубы, т.к. использование таких труб целесообразно при конвективной теплопередаче газа. Здесь же используется конденсационная теплопередача.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции выключателя, повышение коммутационной способности и надежности в работе, снижение его стоимости.
Этот технический результат достигается за счет того, что в колонковом газонаполненном выключателе, содержащем полый опорный изолятор, второй изолятор, дугогасительное устройство, размещенное внутри второго изолятора, привод, соединенный с дугогасительным устройством изоляционной тягой, проходящей внутри полого опорного изолятора, вытяжную трубу, находящуюся в этом же изоляторе, и электронагреватель - под его основанием, при этом второй изолятор закреплен на полом опорном изоляторе при помощи фланцев с расположенным между ними нижним токоподводом к дугогасительному устройству, а другой токоподвод к дугогасительному устройству закреплен на верхнем фланце второго изолятора, новым является то, что внутри второго изолятора дополнительно размещена вторая вытяжная труба, расположенная между токоподводами вокруг дугогасительного устройства, причем части токоподводов, находящиеся внутри изоляторов, выполнены с прорезями и/или каналами.
Использование электронагревателя, первой вытяжной трубы, проходящей через полый опорный изолятор, второй вытяжной трубы, размещенной внутри второго изолятора, расположенной между токоподводами и охватывающей дугогасительное устройство, а также токоподводов, выполненных с прорезями и/или каналами в той их части, которая находится внутри изоляторов, позволяет нагревать все внутренние поверхности выключателя в обоих изоляторах потоком нагретого газа до температур, снижающих или исключающих возможность образования конденсата, в том числе в дугогасительном устройстве в процессе отключения тока. Это позволяет уменьшить давление заполнения выключателя элегазом, снизить его материалоемкость и стоимость, повысить отключающую способность, увеличить надежность контроля герметичности.
Предлагаемая конструкция упрощается за счет исключения из нее таких элементов как бачок-испаритель и бачок-конденсатор с наружным трубопроводом, что увеличивает надежность работы выключателя, ведет к снижению массо-габаритных показателей и его стоимости. Кроме того уменьшаются поверхности, с которых происходит теплоотдача, а это снижает необходимую мощность нагрева и стоимость обслуживания выключателя.
На фиг.1 показан разрез одного полюса заявляемого колонкового газонаполненного выключателя с одним дугогасительным устройством и электронагревателем.
На фиг.2 показан разрез по А-А токоподвода, расположенного на верхнем фланце второго изолятора полюса колонкового газонаполненного выключателя.
На фиг.3 показан разрез по Б-Б нижнего токоподвода.
Полюс колонкового газонаполненного выключателя (фиг.1) содержит полый опорный изолятор 1, второй изолятор 2, дугогасительное устройство 3. Дугогасительное устройство размещено внутри второго изолятора. Привод 4 соединен с дугогасительным устройством изоляционной тягой 5, которая проходит внутри полого опорного изолятора. В этом же изоляторе находится вытяжная труба 6, а под его основанием 7 расположен электронагреватель 8. Проход изоляционной тяги сквозь основание герметизировано скользящим уплотнением (на фиг. не показано). Второй изолятор закреплен на полом опорном изоляторе при помощи фланцев 9, между которыми закреплен нижний токоподвод 10 к дугогасительному устройству. Второй токоподвод 11 к дугогасительному устройству, являющийся одновременно крышкой полюса, закреплен на верхнем фланце 12 второго изолятора.
Внутри второго изолятора дополнительно размещена вторая вытяжная труба 13, расположенная между токоподводами 10, 11 вокруг дугогасительного устройства. Обе вытяжные трубы выполнены из электроизоляционного материала.
Части токоподводов, которые находятся внутри обоих изоляторов, выполнены с прорезями 14 и 15 (фиг.1, 2) и каналами 16 (фиг.1, 3).
В части нижнего токоподвода 10, которая находится внутри изоляторов 1 и 2 радиальные прорези 14 выполнены на обеих его сторонах. Каналы 16 выполнены между этими прорезями в виде двух кольцевых групп (фиг.3). Прорези 14 образуют ребра 17 (фиг.3), в которых также выполнены две кольцевые выточки 18 (с каждой стороны), идущие до каналов 16 и расположенные на том же диаметре, что и кольцевая перегородка между двумя кольцевыми группами каналов 16.
На токоподводе 11 радиальные прорези 15 (Фиг.2) выполнены на той его части, которая заходит внутрь второго изолятора. В образовавшихся радиальных ребрах 17а выполнена, но не на всю их высоту, кольцевая выточка 18а.
Вторая вытяжная труба своими концами вставлена в выточки 18 и 18а токоподводов. Первая вытяжная труба своим верхним концом вставлена в нижнюю выточку 18 в нижнем токоподводе 10 и закреплена в ней (устройство крепления не показано).
Внутренние полости обоих изоляторов имеют сообщение между собой за счет сквозных радиальных прорезей 14 и каналов 16 в нижнем токоподводе 10 и заполнены элегазом.
Система обогрева выключателя работает следующим образом. При снижении температуры воздуха и ее приближении к температуре, при которой возможна конденсация элегаза при нижней предельно допустимой его плотности включается электронагреватель 8. Нагретый элегаз сначала поступает в вытяжную трубу 6, затем через прорези 14 и каналы 16, выполненные в нижнем токоподводе 10 и расположенные внутри вытяжных труб 6 и 13, он поступает во вторую вытяжную трубу 13 и поднимается вверх. Пройдя через прорези 15 в токоподводе 11, элегаз опускается вниз между трубой 13 и внутренней поверхностью второго изолятора 2. Затем через прорези 14 и каналы 16 нижнего токоподвода 10, расположенными между изоляторами и вытяжными трубами, и далее по зазору между полым опорным изолятором 1 и первой вытяжной трубой 6 он вновь подходит к подогреваемому нижнему основанию выключателя 7. Проходя через прорези и каналы в металлических охлаждаемых снаружи токоподводах, вдоль стенок изоляторов элегаз охлаждается, его плотность снаружи вытяжных труб становится больше, чем внутри. Этим поддерживается непрерывная циркуляция элегаза в выключателе при включенном нагревателе. Остывая, он отдает свое тепло охлаждаемым снаружи элементам выключателя, предотвращая тем самым чрезмерное снижение их температуры и конденсацию газа на них.
При этом отпадает необходимость в заполнении выключателя избыточным количеством элегаза и дополнительном упрочнении его конструкции. Так как в таком аппарате изменение плотности заполняющего газа возможно только за счет его утечки, то контроль герметичности можно проводить наиболее простым и надежным способом - контролем плотности газа. Это повышает надежность работы выключателя, так как контроль утечек элегаза не прерывается за зимний период.
Выключатели с конденсационным теплообменом обладают тем достоинством, что все элементы аппарата нагреваются до одинаковой температуры. В результате теплоотдача в воздух и необходимая мощность нагрева становятся минимально возможными. В предлагаемом решении достигается практически тот же результат за счет регулирования размеров боковых поверхностей прорезей и каналов в токоподводах. При этом все охлаждаемые воздухом элементы выключателя изнутри подогреваются до одинаковой минимально допустимой температуры, и тем самым минимизируются потери тепла, мощность подогрева и затраты на его обслуживание.
Размещение дугогасительного устройства внутри второй вытяжной трубы обеспечивает его дополнительный нагрев за счет обдувания потоком самого нагретого элегаза. В результате оно имеет перегрев по отношению к токоподводам и изоляторам, что устраняет возможность или снижает интенсивность конденсации элегаза в дугогасительном устройстве в процессе повышения давления в нем при отключении тока. Этим устраняется отрицательное действие такой конденсации на отключающую способность выключателя и, значит, повышается надежность его работы в зимних условиях.
Учитывая то, что отключающая способность выключателя зависит от давления заполнения его элегазом, то это решение можно использовать в колонковых газонаполненных выключателях, предназначенных как для работы в условиях холодного климата, так и для умеренного климата, с током отключения 50 кА и выше или при напряжении на разрыв 220 кВ и выше.