ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИОННАЯ ПРОКЛАДКА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ТРУБКИ
DIELECTRIC INSULATING GASKET FOR VACUUM TUBE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электрического оборудования и электрических систем и, в частности, к выключателям и устройствам коммутации, использующим вакуумные трубки, работающие от среднего и высокого напряжения.
Частным вариантом применения изобретения является перенос электричества по воздушной линейной сети.
Уровень техники
В электрических системах и приборах для выключателей используют вакуумные трубки, которые должны выдерживать напряжения, в том числе диэлектрические напряжения между контактами, находящимися внутри трубки в вакууме, а также между наружными концами трубки, находящимися в окружающем воздухе. Чтобы обеспечить необходимую компактность, для гомогенизации диэлектрической стойкости между контактами под напряжением и наружными концами вакуумных выключателей требуется использовать изоляционные элементы, отличные от воздуха, даже снаружи вакуумных трубок.
В частности, речь идет о твердых или текучих диэлектрических изоляторах, таких как парниковый газ SF6. Действительно, изоляция вакуумных трубок в воздухе не позволяет получить удовлетворительные диэлектрические характеристики при небольших размерах.
Вместе с тем изоляция вакуумных трубок в диэлектрической газообразной среде, такой как SF6, является дорогостоящей. Действительно, необходимо использовать герметичную емкость, оборудованную вводами тока, и такие устройства являются очень вредными для окружающей среды, в частности, с точки зрения загрязнения, утилизации и парникового эффекта.
Системы твердой изоляции вакуумных трубок являются очень чувствительными к температуре и не позволяют производить демонтаж и разборку в конце срока службы после крепления и склеивания. Это имеет отрицательные последствия для окружающей среды.
Чтобы снизить это вредное влияние на окружающую среду, было предложено использовать смешанный изоляционный материал, сочетающий одновременно твердый изолятор и газообразный изолятор, такой как воздух под атмосферным давлением, или другие газы, такие как азот. В этом случае твердый изолятор занимает небольшой объем, так как его выполняют в виде прокладки, которая выполняет функцию герметизации по отношению к газу и диэлектрическую функцию. Однако в известных технических решениях такой тип изоляции не обеспечивает высоких диэлектрических характеристик для вакуумных трубок.
Показанная на фиг.1 вакуумная трубка 101 на двух концах своей наружной поверхности охвачена двумя прокладками 102А и 102В. Верхняя прокладка 102А установлена вблизи неподвижного контакта вакуумной трубки 101, тогда как нижняя прокладка 102В установлена вблизи подвижного контакта. Все устройство помещено в жесткий корпус 103 из изоляционного материала. Однако конструкция прокладок 102А и 102В выполнена таким образом, что на уровне их поверхностей 104, контактирующих с внутренней стенкой жесткого корпуса 103, остается воздух.
На фиг.2А в частичном разрезе показана деталь поверхности 104, показанной на фиг.1. Эта поверхность содержит несколько кромок 105 заостренного сечения, отделенных друг от друга промежуточным пространством 106.
На фиг.2В тоже в частичном разрезе показано это же место прокладки из предшествующего уровня техники. Эту прокладку вставляют в жесткий корпус 103, и ее кромки сплющиваются или, скорее, загибаются в одном направлении под давлением внутренней стенки корпуса 103, действующим на сторону каждой кромки 105. Следовательно, между каждой кромкой 105 вдоль линии В-В' остается воздух. Точно так же воздух может оставаться вдоль линии А-А' на другой поверхности. Этот воздух, имеющий низкую диэлектрическую прочность, существенно ограничивает диэлектрические характеристики системы. Дуга зажигания может легко перемещаться радиально внутри каждого промежуточного пространства 106, стремясь достичь самой слабой точки на окружности следующей кромки 105, и распространяться таким образом в следующем промежуточном пространстве 106. Диэлектрическая прочность устройства является функцией суммы самых слабых точек на каждой окружности прокладки 102. Кроме того, толщина изолятора в некоторых местах этой прокладки 102 является слишком незначительной, чтобы обеспечивать хорошие диэлектрические характеристики. Следует учесть, что форма прокладки 102 из предшествующего уровня техники не позволяет производить демонтаж и разборку в конце срока службы по причине невозвратного эффекта кромок 105.
Задачей настоящего изобретения является получение высоких диэлектрических характеристик при небольших размерах вакуумных трубок путем усовершенствования их изоляции, в частности, препятствуя прохождению электрических разрядов или искр вдоль контактных поверхностей прокладки во время работы. Кроме того, преследуется цель соблюдения требований по защите окружающей среды. В связи с этим ставится цель обеспечения полной и легкой разборки системы изоляции в конце срока службы вакуумной трубки. Кроме того, задачей является уменьшение используемого твердого изоляционного материала. За счет этого предлагается снизить стоимость по сравнению с системой, использующей полностью твердую изоляцию.
С другой стороны, в европейской заявке ЕР 1017142 А1 описан выключатель-прерыватель, содержащий смешанную систему изоляции.
Раскрытие изобретения
В этой связи основным объектом настоящего изобретения является диэлектрическая изоляционная прокладка для вакуумной трубки, предназначенная для изоляции вакуумной трубки путем использования, по меньшей мере, одной прокладки, установленной вокруг вакуумной трубки внутри корпуса, при этом каждая прокладка содержит внутреннюю контактную поверхность и наружную контактную поверхность, при этом внутренняя и наружная контактные поверхности соединены двумя боковыми поверхностями.
Согласно изобретению, поскольку внутренняя контактная поверхность корпуса и наружная поверхность вакуумной трубки выполнены гладкими, то и внутренняя и наружная контактные поверхности прокладки являются гладкими, не содержат никакой полости и являются частью группы, образованной формами поверхности, содержащими выпуклые поверхности по отношению к продольной оси прокладки и поверхности, имеющие наклон, который не меняет направления по отношению к продольной оси прокладки. Таким образом, во время монтажа прокладки не остается газового кармана в пограничных зонах, с одной стороны, между внутренней контактной поверхностью корпуса и наружной контактной поверхностью прокладки и, с другой стороны, между наружной поверхностью вакуумной трубки и внутренней контактной поверхностью прокладки, благодаря чему устраняется любая возможность появления частичного электрического разряда, с одной стороны, между внутренней контактной поверхностью корпуса и наружной контактной поверхностью прокладки и, с другой стороны, между наружной поверхностью вакуумной трубки и внутренней контактной поверхностью прокладки.
Это устранение возможности прохождения разряда определяется способностью прокладки идеально прилегать к наружной поверхности вакуумной трубки или к внутренней поверхности кожуха, препятствуя образованию электрических искр, которые могут привести к обугливанию поверхности прокладки и/или наружной поверхности вакуумной трубки или внутренней стороны кожуха и к образованию, таким образом, пути для тока.
Основной вариант выполнения предусматривает, что эти внутренняя и наружная контактные поверхности прокладки выполнены цилиндрическими.
Согласно второму варианту выполнения эти внутренняя и наружная контактные поверхности прокладки выполнены конусными.
Согласно третьему варианту выполнения внутренней и наружной контактных поверхностей прокладки каждая из них выполнена из двух конусных частей, имеющих разную конусность и соединенных определенным радиусом сопряжения, образуя расширяющееся V.
В этих двух последних вариантах выполнения следует отметить, что по своему общему направлению эти внутренняя и наружная поверхности предпочтительно выполнены конусными и имеют противоположную конусность относительно друг друга.
Что касается общего выполнения прокладки, то ширина внутренней и наружной контактных поверхностей предпочтительно равна или превышает 5 мм, чтобы ограничить возможность появления и прохождения разряда на уровне этих пограничных зон.
Предпочтительно также, чтобы минимальная толщина прокладки вдоль ее продольной оси была, по меньшей мере, равна 4 мм. Эти два размера позволяют значительно повысить диэлектрическую прочность прокладки.
В различных предусмотренных вариантах выполнения прокладка содержит выемку в поперечном сечении для ограничения усилий внутри прокладки.
Что касается боковых поверхностей, то для контроля тепловых расширений эти боковые поверхности могут быть выполнены из двух частей с разными наклонами.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна из указанных боковых поверхностей была закругленной, а другая - прямой.
Предпочтительно также выполнение этих боковых поверхностей частично закругленными, при этом одна часть выполнена вогнутой, а другая - выпуклой.
Прокладка может иметь трапециевидное сечение, то есть обе контактные поверхности, внутренняя и наружная, являются параллельными оси вращения прокладки, а боковые поверхности имеют наклон противоположного направления.
Поперечное сечение прокладки может иметь Н-образную форму.
Поперечное сечение прокладки может иметь N-образную форму.
Поперечное сечение прокладки может иметь М-образную форму.
Оно может также иметь квадратную или прямоугольную форму.
В случае, когда поперечное сечение прокладки содержит выемку, оно может иметь W-образную или U-образную форму.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение и его различные технические отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - вид, иллюстрирующий использование двух прокладок, согласно предшествующему уровню техники;
фиг.2А и 2В - частичный разрез активной части прокладки согласно уровню техники;
фиг.3А - продольный разрез прокладки согласно настоящему изобретению;
фиг.3В - продольный разрез двух прокладок согласно настоящему изобретению;
фиг.4A-4D - детальный вид четырех вариантов выполнения прокладок в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5А-5М - вид сечений различных прокладок в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.3А и 3В, вакуумная трубка 1 установлена в корпусе 10, образующем полюс электрического прибора среднего или высокого напряжения. В этом примере корпус 10 образует жесткий полюс используемого прибора, такого как прерыватель. Когда этот прерыватель находится в разомкнутом положении, подвижный контакт 5А вакуумной трубки 1 и неподвижный контакт 5В, каждый из которых выполнен на конце вакуумной трубки 1, имеют разные электрические потенциалы. Поэтому необходимо обеспечить диэлектрическую изоляцию вакуумной трубки 1, установив между этими двумя подвижным 5А и неподвижным 5В контактами, образующими два электрода с разными потенциалами, прокладку 20, являющуюся диэлектрической изоляционной прокладкой. После установки прокладка 20 препятствует прохождению искр или разрядов вдоль пунктирных линий А-А' и В-В'. В этой связи следует напомнить, что диэлектрическая прочность вакуума внутри вакуумной трубки 1 намного выше диэлектрической прочности воздуха снаружи вакуумной трубки 1.
Как показано на фиг.3В, в случае использования двух прокладок они изолируют кольцевое пространство 24, ограниченное боковой поверхностью каждой из прокладок 20, наружной поверхностью 6 вакуумной трубки 1 и внутренней поверхностью 16 корпуса 10. Изолированное таким образом пространство 24 содержит газообразную текучую среду, такую как воздух или другую текучую среду такого же типа. Таким образом, две прокладки 20 и ограничиваемое ими пространство 24 образуют диэлектрический барьер между двумя подвижным 5А и неподвижным 5В контактами с разными потенциалами. Эта конфигурация позволяет избежать любого диэлектрического зажигания или обхода одного из газообразных элементов, ограниченного прокладками 20, либо за счет прохождения, либо за счет пробоя. В частности, диэлектрическая непроницаемость или диэлектрическая прочность обеспечивается, кроме всего прочего, следующими тремя аспектами:
- тесный контакт между прокладками 20 и вакуумной трубкой 1, в частности по ее наружной поверхности 6 вдоль линии А-А', и контакт между прокладками 20 и корпусом 10, в частности по его внутренней поверхности 16 вдоль линии В-В';
- радиальное сжатие прокладок 20, которые выполнены из эластомерного материала, и
- толщина изоляционного эластомерного материала каждой прокладки 20 с правильно определенными размерами.
В этой связи отмечается, что в варианте, описанном со ссылками на фиг.3В, каждая прокладка 20 имеет сечение, состоящее из двух конусных частей 20А и 20В противоположного наклона. Иначе говоря, сечение этой прокладки имеет приблизительно U-образную форму. Здесь представлен пример относительно простой формы прокладки, и далее будут описаны более сложные формы.
Очень важной технической особенностью прокладки в соответствии с настоящим изобретением является то, что периферическая наружная поверхность, а также периферическая внутренняя поверхность каждой прокладки 20 является гладкой. Действительно, используют корпус 10, внутренняя поверхность 16 которого выполнена гладкой, и точно так же вакуумная трубка 1 имеет гладкую наружную поверхность 6. Таким образом, избегают наличия остаточного воздуха между этими поверхностями в момент монтажа. Общая форма прокладки оптимизирована, чтобы получить неоднородное, но достаточное контактное давление в пограничной зоне прокладки/корпус и прокладка/ вакуумная трубка. Напряжения прижатия прокладки вокруг вакуумной трубки 1 превышают напряжения на уровне прижатия прокладки к корпусу 10. Это позволяет прокладке оставаться на месте на вакуумной трубке 1 во время монтажа, демонтажа и разборки.
Как видно из этой фиг.3В, положение прокладок 20 на вакуумной трубке 1 оптимизировано и они позиционированы на вакуумной трубке в зонах, где диэлектрические поля способствуют повышению диэлектрической прочности. В частности, эти прокладки 20 не находятся в контакте с электродами, образованными подвижным 5А и неподвижным 5В контактами. В противном случае возникает опасность пробоя прокладок при появлении очень сильного локального электрического поля. Действительно, наличие выступа на одном из этих электродов может привести к концентрации электрического поля. В случае, если диэлектрическая уплотнительная прокладка оказывается в контакте с одним из этих электродов, на последний действует слишком сильное электрическое поле, и он может повредиться в результате пробоя.
На фиг.4А детально показан первый вариант выполнения прокладки.
Наружная контактная поверхность, которая выполнена гладкой, по сути дела состоит из двух поверхностей 31А и 31В, причем обе являются конусными относительно оси 30 прокладки и имеют разный наклон, образуя U-образную форму, сильно открытую наружу. Их сопряжение образовано наружным радиусом RE сопряжения. Аналогично, внутренняя контактная поверхность состоит из двух частей 32А и 32В с разным наклоном относительно оси 30, при этом одна из них, в данном случае поверхность 32А, может быть цилиндрической. Эти две внутренние контактные поверхности тоже соединены внутренним радиусом RI сопряжения. Эти радиусы RE и RI сопряжения позволяют избежать наличия остаточного воздуха во время монтажа прокладки. Прокладки 20 показаны установленными вокруг вакуумной трубки 1 и внутри корпуса 10 с гладкими контактными поверхностями, однако необходимо подчеркнуть, что эти наружные и внутренние контактные поверхности являются гладкими, пока прокладки не установлены.
В этом варианте выполнения обе боковые поверхности тоже состоят из нескольких частей. Одна из них содержит выемку 35, образованную двумя усеченными конусными поверхностями 35А, соединенными радиальной поверхностью 35В. Эта выемка позволяет ограничить усилия внутри прокладки, когда она подвергается сжатию во время фазы установки вакуумной трубки в корпус.
Точно так же другая боковая поверхность состоит из двух поверхностей 33А и 33В, которые выполнены в виде усеченного конуса и имеют разный наклон, образуя открытую U-образную форму. Остальная часть боковых поверхностей образована радиальными частями 34С, с одной стороны, и 34А и 34В, соединяющими выемку 35 с внутренней контактной поверхностью, с другой стороны.
Этот вариант выполнения имеет внешний вид U, одна из вертикальных частей которого слегка продолжена вниз. Другие возможные сечения прокладки будут указаны ниже.
Независимо от предусмотренной формы, толщина в направлении, параллельном направлению оси 30 прокладки, должна быть равной или превышать 4 (четыре) миллиметра. За счет этого, естественно, повышается механическая прочность, но при этом, прежде всего, повышается диэлектрическая прочность прокладки, что, в частности, существенно ограничивает возможность появления разряда в результате пробоя прокладки.
Точно так же, если внутренние и наружные контактные поверхности 32А и 32В имеют достаточно большую осевую высоту, образуя обширные, а не точечные опорные поверхности, они, прежде всего, способствуют повышению диэлектрической прочности прокладки. Осевая высота должна быть, таким образом, не менее 5 (пяти) миллиметров. Кроме того, следует отметить, что электрические поля на уровне границы раздела, образованной внутренними контактными поверхностями 32А и 32В и наружной поверхностью вакуумной трубки, больше полей на уровне границы раздела, образованной наружными контактными поверхностями 31А и 31В и внутренней поверхностью корпуса. Таким образом, ширина внутренних контактных поверхностей 32А и 32В больше ширины наружных контактных поверхностей 31А и 31В. При одинаковом значении давления прижатия это позволяет прокладке оставаться на месте на вакуумной трубке во время монтажа, демонтажа и разборки.
Прокладка выполнена из эластомерного материала. Во время установки ее деформация позволяет получить достаточное контактное давление на уровне ее внутренних контактных поверхностей 32А и 32В и на уровне ее наружных контактных поверхностей 31А и 31В. Система является мало чувствительной к температуре. Действительно, за счет формы своих боковых поверхностей прокладка может свободно расширяться во время повышений температуры и сжиматься во время понижений температуры.
Действительно, отношение находящихся под давлением поверхностей, то есть внутренних 32А и 32В и наружных 31А и 31В контактных поверхностей, к свободным поверхностям, то есть к боковым поверхностям 33А, 33В, 34А, 34В, 35А и 35В, является достаточно ограниченным, чтобы эластомерный материал прокладок мог свободно расширяться и сжиматься под действием температуры. Это позволяет значительно ограничить термомеханические напряжения внутри прокладки. В зависимости от соотношения нагруженных поверхностей и свободных поверхностей эти термомеханические напряжения могут привести к повреждению систем.
Такая прокладка качественно рассчитана на номинальное напряжение 38 кВ. Она может выдерживать напряжения стандартов CEI и ANSI: длительное напряжение с частотой 50 Гц/60 с/95кВ, ударное напряжение 200 кВ при частичных разрядах, меньших или равных 5 пКл. Она выдерживает температуры от -40°С до +115°С в непрерывном режиме.
Другие варианты выполнения детально показаны на фиг.4В, 4С и 4D.
На фиг.4В показан вариант выполнения прокладки, в основном имеющей форму, сходную с формой прокладки, показанной на фиг.4А, за исключением того, что наружная 41 и внутренняя 42 контактные поверхности являются цилиндрическими и параллельными оси 40 прокладки. Прокладка тоже содержит выемку 45, выходящую на боковую поверхность, дополненную двумя частями 44А и 44В боковой поверхности. Другая боковая поверхность содержит часть 44С, сопрягающуюся перпендикулярно с внутренней контактной поверхностью 42.
На фиг.4С показан вариант выполнения прокладки с конусными наружной 51 и внутренней 52 контактными поверхностями, имеющими наклон в противоположных направлениях. Остальная часть боковых поверхностей имеет вид, аналогичный предыдущему варианту, то есть содержит выемку 55, дополненную двумя боковыми частями 54А и 54В, при этом другая боковая поверхность дополнена боковой частью 54С.
Наконец, на фиг.4D показан четвертый вариант выполнения, в котором наружная 61 и внутренняя 62 контактные поверхности выполнены изогнутыми с относительно большим радиусом кривизны. Следует отметить, что общее направление этих двух поверхностей слегка наклонено относительно оси 60 прокладки, то есть общее направление имеет вид усеченного конуса и является противоположным от одной поверхности к другой. Этот тип прокладки также содержит боковую выемку 65, дополненную двумя боковыми частями 64А и 64В, при этом другая боковая поверхность дополнена боковой частью 64С.
На фиг.5А-5М проиллюстрирована возможность выполнения прокладки с сечением, отличающимся от прокладки, показанной на фиг.4. Действительно, сечение, показанное на фиг.5А, является прямоугольником. Таким образом, боковые поверхности перпендикулярны к оси 50, тогда как внутренняя контактная поверхность и наружная контактная поверхность параллельны этой оси.
Аналогично, на фиг.5В показано сечение в виде квадрата.
Сечение, показанное на фиг.5С, является трапециевидным, при этом внутренняя контактная поверхность и наружная контактная поверхность остаются концентричными с осью 50, однако боковые поверхности соответственно имеют противоположный наклон.
Сечение, показанное на фиг.5D, содержит боковые поверхности, образованные двумя частями с противоположным наклоном относительно перпендикуляра к боковой оси 50, то есть образующими слегка выпуклые поверхности.
Сечение, показанное на фиг.5Е, содержит боковую поверхность, перпендикулярную к оси 50, и закругление выпуклой формы.
Сечение, показанное на фиг.5F, содержит две боковые поверхности из двух частей разного и противоположного наклона, образующих одну боковую поверхность, выпуклую в виде V, и другую боковую поверхность, вогнутую в виде V.
На фиг.5G показана прокладка, одна из боковых поверхностей которой образована двумя поверхностями противоположного наклона, образующими выпуклую боковую поверхность, а другая образована слегка закругленной поверхностью.
На фиг.5Н показана прокладка, каждая из боковых поверхностей которой состоит из двух частей и, в частности, содержит вогнутую часть и выпуклую часть, причем эти боковые поверхности имеют S-образную форму.
Сечение, показанное на фиг.5I, имеет сечение в виде Н, при этом в каждой боковой поверхности выполнена четырехсторонняя выемка.
На фиг.5J показано сечение U-образной формы.
На фиг.5К показано сечение прокладки W-образной формы.
На фиг.5L показано сечение М-образной формы.
Наконец, на фиг.5М показано сечение N-образной формы.
Диэлектрические характеристики прибора, оборудованного такими прокладками, являются относительно высокими при достаточно компактных габаритах прибора.
Диэлектрическая прочность является высокой на границах контакта между прокладкой и корпусом и между прокладкой и вакуумной трубкой.
Внутри прокладки диэлектрическая прочность тоже является высокой.
Возможность предупреждения прохождения разрядов определяется способностью прокладки идеально прилегать к наружной поверхности вакуумной трубки или к внутренней стороне кожуха, чтобы противостоять появлению электрических искр, которые могут обуглить поверхность прокладки и/или наружную поверхность вакуумной трубки между А и А', и/или внутреннюю сторону кожуха между В и В' (фиг.3А и 3В) и создать, таким образом, проход для тока либо между А и А', либо между В и В'.
Разборка прибора в конце срока службы является достаточно легкой, и снижено количество используемого изоляционного материала, что соответствует нормам защиты окружающей среды.
Это решение имеет относительно невысокую стоимость, может быть легко внедрено в промышленность, благодаря скоростной технологии формовки и сборки без использования клея.
Система мало чувствительна к температурным колебаниям, поскольку прокладки могут свободно расширяться или сжиматься.
Установка на место является легкой с учетом того, что прокладка легко деформируется.
Упомянутая система выполнена разборной.