ВАКУУМНЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ДЛЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЧАШЕВИДНЫМИ ПМП-КОНТАКТАМИ
VACUUM CIRCUIT BREAKER FOR MEDIUM VOLTAGE CIRCUIT BREAKER WITH CUP-SHAPED PMP-CONTACTS

Область техники, к которой относится изобретение
Объектом настоящего изобретения является вакуумный прерыватель для выключателя среднего напряжения, содержащий вакуумную камеру, внутри которой соосно установлена пара электрических контактов, концентрично окруженных вакуумной камерой цилиндрической формы, причем электрические контакты являются контактами ПМП-типа, каждый из которых содержит чашевидный контактный элемент с прорезями, прикрепленный к дальнему концу контактного стержня и закрытый контактным кольцом, установленным на ободе чашевидного контактного элемента.
Вакуумные прерыватели обычно применяются в выключателях среднего напряжения для прерывания сильного тока при случайном возникновении в цепи тока короткого замыкания, а также для переключения тока нагрузки. При прерывании сильного тока возникает сжатая электрическая дуга в вакууме, в результате которой на контакты выделяется очень высокая тепловая энергия. Если это не предотвратить, энергия дуги создаст сильный местный перегрев контактов, что может привести к серьезной эрозии контактов и возникновению высокой плотности паров металла после перехода тока через нуль, что делает прерывание тока очень сложной или даже невозможной задачей.
Для достижения высоких характеристик прерывания тока необходимо контролировать тепло, выделяющееся в результате образования электрической дуги в вакууме путем распределения энергии по всей площади поверхности контактов. В настоящее время существуют два стандартных способа контроля вакуумной дуги посредством максимально возможного распределения теплового потока по поверхности контактов.
Как правило, контроль вакуумной дуги осуществляется путем создания либо поперечного магнитного поля (ПМП) с целью обеспечения вращательного перемещения сжатой дуги под действием сил Лоренца, либо аксиального магнитного поля (АМП) с целью ограничения положения заряженных частиц вокруг линий магнитной индукции и стабилизации дуги путем ее распространения по всей поверхности контакта при низкой плотности электрического тока.
Настоящее изобретение направлено на создание вакуумного прерывателя, содержащего чашевидные электрические контакты, выполненные в виде контактов ПМП-типа. Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано также для создания двойных ПМП-контактных систем с внешним чашевидным контактом.
Уровень техники
В документе WO 2006/002560 A1 раскрывается такая двойная ПМП-контактная система, содержащая пару соответствующих электрических контактов, расположенных соосно в вакуумной камере цилиндрической формы. Каждый электрический контакт состоит из внешнего элемента, электрически подсоединенного параллельно внутреннему элементу и смонтированного рядом с ним. Оба контактных элемента расположены соосно относительно друг друга. Наружный контактный элемент выполнен чашевидным для размещения в нем внутреннего контактного элемента, который, в целом, имеет форму диска, и в нем выполнены прорези спиральной формы. Благодаря специальной конструкции возникающий при размыкании дуговой разряд может полностью или частично перемещаться с пары внутренних контактных элементов на пару внешних контактных элементов.
В случае обычной чашевидной ПМП-контактной системы электрическая дуга будет образовываться между парой колец или парой контактов. В частности, во время сильноточной фазы образования дуги и при большой величине зазора основания сжатой электрической дуги привязаны к внешним кромкам контактных элементов. При таком варианте развития событий, при межконтактном зазоре определенной величины, в частности при зазоре более 8 мм, электрическая дуга переходит в режим дуговой струи. Данный режим дуговой струи наблюдается также при использовании других стандартных контактов спирального типа. Таким образом, чтобы избежать непосредственного взаимодействия между дугой и экраном, обычно увеличивают расстояние между контактами и экраном. В идеале, дуга должна вращаться и оставаться между кольцами чашеобразных контактных элементов, чтобы избежать ее возможного взаимодействия с экраном, а также для предотвращения диффузии расплавленного металла на боковые прорези чашевидного контакта.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в усовершенствовании геометрии чашевидных контактов для улучшения дугогашения в вакуумных прерывателях с чашевидными ПМП-контактами.
Согласно настоящему изобретению, каждый чашевидный контактный элемент выполнен с изгибом внутрь к контактному кольцу в вертикальном направлении, причем внешний диаметр нижней части чашевидного контактного элемента больше внешнего диаметра обода, что сделано с целью изменения направления действия сил Лоренца вовнутрь.
Предлагаемое настоящим изобретением техническое решение предотвращает повреждение чашевидных контактных элементов и экрана. Это обеспечивает повышенную надежность и улучшенные характеристики прерывания тока в течение всего срока эксплуатации вакуумного прерывателя. Геометрия, предлагаемая настоящим изобретением, также может быть использована как для внешних контактных элементов двойной ПМП-контактной системы, так и для обычных одинарных чашевидных электрических контактов.
Согласно результатам научных экспериментов, изгибание сжатой дуги наружу и ее конечный переход в режим дуговой струи являются сначала результатом воздействия движущей силы в поперечном магнитном поле, а именно сил Лоренца. Профиль сил Лоренца, воздействующих на внешние чашевидные контакты, сначала в некоторой степени направлен наружу. Таким образом, электрическая дуга, вращающаяся под влиянием сил Лоренца, также выталкивается наружу под действием тех же самых сил Лоренца.
Для того чтобы помешать этому процессу, необходимо изменить геометрию контактов, чтобы изменить профиль сил Лоренца и направить его внутрь, или, по меньшей мере, в одном направлении с вектором скорости вращающейся дуги. Согласно настоящему изобретению, это можно осуществить путем изменения пути прохождения тока в контактах в вертикальном направлении, поскольку при этом направление магнитного поля меняется таким образом, что силы Лоренца становятся в большей степени направленными внутрь.
Для того чтобы получить ожидаемый эффект от изменения ориентации сил Лоренца, предлагается выполнять внешний чашевидный контакт с изгибом внутрь в вертикальном направлении, в сторону кольца контактной поверхности. Влияние такого изгиба проявляется в том, что вращающаяся дуга удерживается между внешними контактными кольцами и предотвращается взаимодействие дуги с защитным экраном, чем обеспечивается уменьшение диффузии расплавленного металла на прорези. Еще одним положительным моментом, получаемым в результате применения такой конструкции, является возможность уменьшения расстояния между экраном и контактами. Это дает возможность избежать чрезмерного увеличения габаритов и позволяет получить более компактную конструкцию, а также обеспечивает экономию материала.
В принципе, направление силы Лоренца сильно зависит от изгиба внешней чашки; ее изгиб внутрь обеспечивает значительное изменение вектора действия сил Лоренца в нужном направлении. С этой точки зрения, изгиб внутрь согласно настоящему изобретению обеспечивает лучшее техническое решение для получения нужной ориентации сил Лоренца с целью удержания вакуумной дуги между наружными кольцами и уменьшения вероятности ее взаимодействия с экраном.
Предлагается несколько специальных вариантов осуществления настоящего изобретения, которые обеспечивают направление действия сил Лоренца вовнутрь. Ниже приводится описание предпочтительных вариантов исполнения контактов, применимых в конструкции любых чашевидных электрических контактов.
Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения, загнутый внутрь плоский фланец чашевидного контактного элемента выполнен с изгибом внутрь в вертикальном направлении. Толщина стенки указанного плоского фланца является постоянной. Контактное кольцо расположено на ободе чашевидного контактного элемента, образованного дальним концом плоского фланца.
Во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения чашевидный контактный элемент снабжен вогнутой канавкой, расположенной на внутренней стенке фланца.
В третьем предпочтительном варианте осуществления изобретения чашевидный контактный элемент снабжен вогнутой канавкой, расположенной на внешней стенке рядом с ободом. В конструкции может быть предусмотрена дополнительная вогнутая канавка на внутренней стенке фланца, предпочтительно в нижней части чашевидного контактного элемента.
Несмотря на то что вышеуказанные предпочтительные варианты осуществления изобретения предназначены для одинарных чашевидных ПМП-контактов, они являются применимыми также и для двойных ПМП-контактных систем, состоящих, в принципе, из внутреннего дискового контактного элемента и внешнего чашевидного контактного элемента. В вышеуказанных контактных системах внешний чашевидный контактный элемент и внутренний контактный элемент выполнены, предпочтительно, со спиральными прорезями.
Указанные выше и другие аспекты настоящего изобретения станут более ясными после ознакомления с подробным описанием изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид в продольном разрезе выключателя среднего напряжения с вакуумным прерывателем;
на фиг. 2 - схематичное изображение (вид сбоку) части соответствующих электрических контактов с вакуумной электрической дугой между ними;
на фиг. 3 - перспективное изображение электрического контакта, показанного на фиг. 2;
на фиг. 4 - вид в разрезе чашевидного контактного элемента согласно первому варианту осуществления;
на фиг. 5 - вид в разрезе чашевидного контактного элемента согласно второму варианту осуществления;
на фиг. 6 - вид в разрезе чашевидного контактного элемента согласно третьему варианту осуществления;
на фиг. 7 - вид в разрезе чашевидного контактного элемента согласно четвертому варианту осуществления;
на фиг. 8 - вид в разрезе чашевидного контактного элемента согласно пятому варианту осуществления;
на фиг. 9 - перспективное изображение части электрического контакта, показанного на фиг. 8.
Осуществление изобретения
Изображенный на фиг. 1 выключатель среднего напряжения состоит, в принципе, из изолированного полюса вакуумного прерывателя, в котором соосно друг другу установлены два электрических контакта 2а, 2b. Контакт 2а является неподвижным, а контакт 2b является подвижным. Оба электрических контакта 2а и 2b имеют соответствующие внешние электрические разъемы 3а и 3b и совместно образуют электровыключатель для прерывания электропитания внутри вакуумной камеры 4 полюса 1. Перемещение подвижного электрического контакта 2b между замкнутым и разомкнутым положениями может осуществляться с помощью вала 5. Вал 5 служит для передачи механической энергии от электромагнитного привода 6 для перемещения электрического контакта 2b внутри изолированного полюса 1. Для обеспечения электрического соединения с подвижным электрическим контактом 2b, подвижно соединенным с электромагнитным приводом 6, служит гибкий проводник 7, соединяющий указанный подвижный электрический контакт 2b с внешним электрическим разъемом 3b.
Как показано на фиг. 2, оба электрических контакта 2а и 2b имеют чашевидную конструкцию с прорезями, которая образует контакт ПМП-типа. Каждый контактный элемент 9а и 9b прикреплен к дальнему концу контактного стержня 8а или 8b соответственно. При размыкании цепи между обоими чашевидными контактными элементами 9а и 9b электрических контактов 2а и 2b возникает зона дугообразования X.
Как показано на фиг. 3, чашевидный контактный элемент 9а, например, закрыт контактным кольцом 10, расположенным на ободе 11 чашевидного контактного элемента 9 с прорезями.
Как видно из фиг. 4, на которой представлен первый предпочтительный вариант исполнения чашевидного контактного элемента 9, контактное кольцо 10 закрывает вертикальный обратно-вогнутый плоский фланец 12. Внешний диаметр нижней части чашевидного контактного элемента 9 больше внешнего диаметра обода 11 данного элемента 9, что сделано с целью изменения силы Лоренца и направления ее вовнутрь.
Как показано на фиг. 5, где представлен второй возможный вариант исполнения чашевидного контактного элемента 9', обратный изгиб в вертикальном направлении снабжен вогнутой канавкой 13 на внутренней стенке фланца 12 чашевидного контактного элемента 9'.
В показанном на фиг. 6 третьем варианте исполнения чашевидного контактного элемента 9ʺ обратный изгиб в вертикальном направлении снабжен вогнутой канавкой 14, расположенной на внешней стенке фланца 12 рядом с ободом 11.
В конструкции, изображенной на фиг. 7, предусмотрена дополнительная вогнутая канавка 15, расположенная на внутренней стенке фланца 12 в нижней части чашевидного контактного элемента 9'ʺ. Еще одна вогнутая канавка 14 расположена на внешней стенке фланца 12, как и в предыдущем варианте исполнения.
На фиг. 8 показана двойная ПМП-контактная система, состоящая из дискового внутреннего контактного элемента 16, окруженного внешним чашевидным контактным элементом 9 с прорезями. Внешний диаметр контактного кольца 10 равен внешнему диаметру нижней части чашевидного контактного элемента 9, присутствующего и в других ранее описанных вариантах исполнения.
Как показано на фиг. 9, дисковый внутренний контактный элемент 16 также имеет прорези спиральной формы и вставлен в окружающий его чашевидный контактный элемент 9.
TMF
В целом, характер изменения высокоамперной вакуумной дуги в вакуумном выключателе зависит от ряда различных факторов, в частности от движущих сил, перемещающих дугу. В случае (поперечного) магнитного поля основной движущей силой является вышеупомянутая сила Лоренца, возникающая в результате совместного воздействия "индуцированного магнитного поля" B и тока, проходящего по дуге. Если поле В является довольно однородным, действующая на дугу общая движущая сила определяется выражением
TMF
где l - величина зазора, а I - сила тока, протекающего по дуге. Значение B зависит от конкретных особенностей геометрии, таких как площадь контакта и величина зазора. Коэффициент пропорциональности K зависит от изменения плотности магнитного потока в зависимости от силы тока.
В случае магнитоускоренной дуги, при величине зазора более 5 мм возникает, в основном, одиночная столбовидная дуга, которая, разумеется, также может взаимодействовать с экраном.
В частности, при высокой силе тока, доминирующим типом дуги становится уже не столбовидная дуга, а "анодно-катодная вакуумная дуговая струя". Дуга этого типа имеет тенденцию перемещаться к краям контакта и образовывать две струи во внешней области.
Вопрос в том, как происходит данный переход дуги к краям контакта. В существующем уровне техники причиной возникновения двухструйного режима считалось наличие винтовой неустойчивости плазменного столба. Это один из видов неустойчивости, существующих в плазменном столбе.
Но винтовая неустойчивость возникает тогда, когда плазменный столб уже немного искривлен вбок. Вследствие того что характеристики плотности магнитного потока являются причиной винтовой неустойчивости в меньшей степени, изгибание плазменного столба приводит к увеличению магнитного поля на внутренней стороне изгиба. Это приводит к увеличению напряженности магнитного поля "с внутренней стороны изгиба" в направлении изгиба, усиливая уже существующий изгиб плазменного столба.
При возникновении столбовидной дуги между двумя ПМП-контактами ее движение определяется, главным образом, воздействием силы Лоренца (в поперечном магнитном поле). Таким образом, пока дуга находится между контактами можно ожидать ее вращательного движения. Это может привести сначала к небольшому изгибанию дуги, но нестабильность может достигать максимума только на кромке контактов, где дуга может выходить наружу.
Силы поперечного магнитного поля "выталкивают" вакуумную дугу к кромке и, в конечном итоге, вытесняют ее наружу. С другой стороны, исходя из этого можно сравнить относительную важность движущей силы, обусловленной поперечным магнитным полем, и силы, стимулирующей нестабильность дуги. Такую оценку можно использовать для получения радиуса кривизны R, которую должна иметь дуга, чтобы это приводило к возникновению силы, создающей винтовую неустойчивость дуги, которая больше силы поперечного магнитного поля.
kink
Силу винтовой неустойчивости F в упрощенном виде можно выразить следующим образом:
Сравнивая это выражение с силой, возникающей в результате воздействия постоянного магнитного поля (см. уравнение (1)), получаем критический радиус кривизны:
Данная кривизна не зависит от фактического тока короткого замыкания и зависит только от коэффициента пропорциональности K.
TMF
TMF
TMF
Для тока короткого замыкания I=50 кА и величины зазора l=10 мм выбираем величину плотности индуцированного магнитного поля B=l,5T и силу воздействия индуцированного магнитного поля F=750 H. Отсюда получаем величину коэффициента пропорциональности K: K=B/I=30mT/kA.
Для приведенных выше параметров:
Порядок этой величины соответствует величине зазора, и это означает, что если сила, изгибающая дугу наружу, не будет сравнима с движущей силой, сила, обусловливающая нестабильность, скорее всего, не будет оказывать определяющего влияния на поведение дуги. Однако как только дуга устанавливается на кромках контактов, кривизна дуги начинает оказывать более значительное влияние, и винтовая неустойчивость усиливает изгиб дуги, превращая ее, в конечном итоге, в дуговые струи.
TMF
Силы винтовой неустойчивости можно также относительно уменьшить путем увеличения величины коэффициента пропорциональности K=B/I, которая зависит от геометрии контактов.
Номера позиций
1 полюс
2 электрический контакт
3 электрический разъем
4 вакуумная камера
5 вал
6 электромагнитный привод
7 гибкий проводник
8 контактный стержень
9 чашевидный контактный элемент
10 контактное кольцо
11 обод
12 фланец
13 первая вогнутая канавка
14 вторая вогнутая канавка
15 третья вогнутая канавка
16 внутренний контактный элемент
X зона дугообразования