КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
CONFIGURATION OF ELECTRIC CONTACTS FOR VACUUM CIRCUIT BREAKER

Область техники
Изобретение относится к конфигурации электрических контактов, предназначенных, в частности, для вакуумного выключателя, содержащего изолирующий элемент цилиндрической формы, внутри которого коаксиально расположена пара электрических контактов, концентрически окруженная изолирующим элементом, в котором части электрических контактов содержат средство пропускания номинального тока с минимальными потерями между соответствующими внутренними контактными элементами, когда выключатель находится в замкнутом состоянии, и соответствующие внешние контактные элементы, содержащие средство гашения дуги после начала процесса разъединения до тех пор, пока процесс разъединения не будет завершен. Кроме того, настоящее изобретение также относится к материалам для контактов и к процессу производства некоторых элементов, позволяющим обеспечить эксплуатационную надежность и экономичность изготовления.
Уровень техники
Вакуумные выключатели подобного типа, в частности, используются в средневольтных устройствах автоматической защиты, работающих в диапазоне от 1 до 72 кВ при больших токах. Такие выключатели тока используются в электрических сетях для прерывания токов короткого замыкания, а также нагрузочных токов при сложных импедансах нагрузки. Вакуумный выключатель прерывает ток путем создания и гашения дуги в замкнутом вакуумном контейнере. Современные вакуумные автоматические выключатели имеют больший ожидаемый срок службы, чем обычные воздушные автоматические выключатели. Как бы то ни было, настоящее изобретение применимо не только к вакуумным автоматическим выключателям, но также и к современным элегазовым выключателям, имеющим камеру, заполненную газообразным гексафторидом серы. Более того, выключение тока с использованием вакуумного средства является одной из технологий, используемых вплоть до высоких уровней напряжения. В современных вакуумных автоматических выключателях процесс прерывания существенно улучшен благодаря уменьшению расстояния перемещения контакта, уменьшению скорости перемещения контакта и малой массе движущихся частей электрического контакта. Эти части электрического контакта обычно включают в себя специальные конфигурации контактных элементов, являющиеся предметом настоящего изобретения.
В US 4847456 описан вакуумный выключатель, имеющий пару внутренних частей электрического контакта, выполненных в виде контактных элементов RMF-типа, создающих радиальное магнитное поле (Radial Magnetic Field), окруженных внешними элементами электрического контакта. Внешние элементы электрического контакта электрически соединены параллельно и расположены вблизи внутренних элементов электрического контакта. Один из внутренних элементов электрического контакта смонтирован таким образом, что он может перемещаться в осевом направлении, в то время как соответствующий внешний элемент электрического контакта установлен неподвижно. Оба внешних элемента электрического контакта соответствующих частей электрического контакта выполнены в виде контактных элементов AMF-типа, создающих аксиальное магнитное поле (Axial Magnetic Field). Во время процесса разъединения суживающаяся вращающаяся дуга зажигается между внутренними элементами электрического контакта и затем коммутирует с внутренних на внешние элементы электрического контакта. Это приводит к тому, что первоначально суживающаяся дуга между тем изменяется на диффузную, которая горит между электрическими контактными элементами AMF-типа до того момента, пока не погаснет. Такое решение позволяет обеспечить высокую скорость разъединения в камере вакуумного выключателя.
В WO 2006/002560 А1 описан вариант конфигурации электрического контакта и камера вакуумного выключателя упомянутого выше типа, который также позволяет обеспечить повышенную скорость разъединения. В частности, описана способность прерывания большого тока короткого замыкания при высоком напряжении горения дуги.
Известный вариант конфигурации контакта для камеры вакуумного выключателя имеет пару внутренних элементов электрического контакта, выполненных в виде контактных элементов RMF-типа, и пару внешних элементов электрического контакта. Внешние элементы электрического контакта электрически соединены параллельно внутренним элементам электрического контакта и расположены вблизи внутренних контактных элементов. По меньшей мере, один из внутренних элементов электрического контакта смонтирован с возможностью перемещения в осевом направлении. Внешние элементы электрического контакта выполнены также в виде контактных элементов RMF-типа. Внутренние элементы электрического контакта имеют форму диска. Внутренние и внешние элементы электрического контакта выполнены и расположены таким образом, что дуга, зажигающаяся в процессе разъединения между внутренними элементами электрического контакта, может частично или полностью коммутировать и гореть между внешними элементами электрического контакта. Такая конфигурация контакта обладает низким сопротивлением и способна выдерживать большие токи.
Как уже отмечалось выше, дуга может коммутировать на внешние элементы электрического контакта. Количество дуг, одна или две, зависит от силы тока. После разъединения под нагрузкой первоначально замкнутых элементов электрического контакта сначала возникает сосредоточенная разъединительная дуга. По мере дальнейшего открытия элементов электрического контакта в случае их исполнения в виде контактных элементов RMF-типа формируется суженная дуга между частями контакта. По мере увеличения расстояния между контактами в ходе процесса разъединения происходит частичная коммутация или, при соответствующей физической конструкции, полная коммутация дуги. Если дуга, которая зажглась между внутренними частями контакта, полностью коммутирует на внешние элементы электрического контакта, то камера выключателя может выдерживать и выключать, по меньшей мере, такой же ток, как и камера выключателя только с одной парой контактных элементов RMF-типа.
Камера вакуумного выключателя, которая симметрично окружает внутренние части электрического контакта, имеет цилиндрическую форму. Одну часть электрического контакта монтируют с возможностью осевого перемещения, в то время как соответствующую ей часть электрического контакта монтируют неподвижно. Внешние элементы электрического контакта обеих частей электрического контакта выполнены со щелями, так что они могут формировать контактный элемент RMF-типа. Таким образом, если ток протекает через внешние элементы электрического контакта, то создается радиальное магнитное поле. Внутренние элементы электрического контакта обеих соответствующих друг другу частей электрического контакта выполнены также в виде контактных элементов RMF-типа и имеют щели того же назначения.
Такая специальная конструкция электрического контакта позволяет значительно повысить производительность труда. С другой стороны, необходимо, чтобы тепло, выделяющееся в фазе дуги, широко распределялось по поверхности контактных элементов, чтобы обеспечить возможность прерывания больших токов.
Цель настоящего изобретения - предложить вариант вакуумного выключателя для устройства автоматической защиты, оснащенного простой в изготовлении парой частей электрического контакта, обеспечивающей высокие коммутационные характеристики.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением каждый внутренний элемент электрического контакта выполняют в виде штыря или бочонка для пропускания номинального тока (рабочего тока) или контактного элемента TMF-типа (Transverse Magnetic Field) для создания главным образом поперечного магнитного поля, или контактного элемента AMF-типа (Axial Magnetic Field) для создания интенсивного аксиального магнитного поля, а каждый внешний элемент электрического контакта выполняют в виде контактного элемента AMF-типа (Axial Magnetic Field) для создания главным образом аксиального магнитного поля.
Особая комбинация этих элементов электрического контакта обеспечивает наименьшие потери нагрузочного тока, когда выключатель находится в замкнутом состоянии, ниже, чем в известных вакуумных выключателях AMF-типа, и высокую эффективность прерывания тока при размыкании выключателя в условиях токов короткого замыкания. Кроме того, предлагаемые в настоящем изобретении элементы электрического контакта относительно просты в изготовлении. Более того, особая комбинация элементов электрического контакта обеспечивает электрофизический эффект, заключающийся в том, что плотность плазмы в фазе горения дуги понижается за счет воздействия аксиального магнитного поля и расширения зоны горения дуги, так что тепло может широко распределяться по поверхностям контакта, снижая скорость эрозии контакта. Кроме того, особые элементы электрического контакта, предлагаемые в настоящем изобретении, обеспечивают физическую надежность и компактность, а также повышенный срок службы вакуумного выключателя.
Контакты могут быть установлены таким образом, что первоначальная фаза горения дуги и последующая фаза горения дуги оказываются развязанными. Здесь в замкнутом состоянии только внутренние контакты соприкасаются друг с другом, и первоначальная дуга зажигается сначала между исходно замкнутыми частями внутренних контактов и затем коммутирует на внешние части контактов в процессе разъединения, пока дуга не погаснет. Благодаря более низкому напряжению, необходимому для поддержания дуги на контактном элементе AMF-типа, дуга будет всегда хотя бы частично коммутировать.
Контакты могут быть расположены иным образом, так что дуга зажигается между внешними контактами сразу после разделения контактов и развивается в диффузном режиме, как это имеет место у контактов AMF-типа. В данном случае все внутренние и внешние части контактов соприкасаются друг с другом в замкнутом состоянии, но нагрузочный ток течет преимущественно через внутренний контакт благодаря высокой проводимости материала внутреннего контакта и низкому сопротивлению контакта. При таком расположении контактное сопротивление внутренних контактов в замкнутом состоянии ниже, чем контактное сопротивление внешних контактов, ввиду того что осевое механическое усилие замыкания воздействует главным образом на внутреннюю часть из-за эластичности катушек внешних контактов, которые слегка изогнуты наружу. При размыкании благодаря тому же эффекту эластичности высокоскоростные силы размыкания разъединяют сначала внутренние части контактов, скорее, чем внешние части контактов, которые некоторое время изогнуты внутрь.
Внутренний элемент контакта каждой части электрического контакта предпочтительно имеет форму плоскости, штыря или бочонка для пропускания, по меньшей мере, нагрузочного тока или спиралевидную или звездообразную форму для осуществления той же функции и для поддержания поперечного магнитного поля. Внутренний контактный элемент предпочтительно выполняют из материала, обладающего высокой электропроводностью, например из Cu,  CuCr или других подходящих сплавов на основе меди.
В противоположность этому, внешний контактный элемент AMF-типа каждой части электрического контакта предпочтительно должен содержать электрическую катушку для создания сильного аксиального магнитного поля для того, чтобы достичь существенного электрофизического эффекта, описанного выше. Внешний контактный элемент состоит из двух различных частей. Первая часть выполнена в виде тонкой чашки с прорезями таким образом, чтобы создавать аксиальное магнитное поле путем изменения направления щелей на нормально замкнутом контакте. Данную деталь предпочтительно изготавливают из сорта нержавеющей стали или иного электропроводящего твердого материала, удовлетворяющего критериям надежности и экономичности. Толщина этой части должна быть небольшой, чтобы обеспечивать, с одной стороны, широкую зону создания аксиального магнитного поля между электродами и, следовательно, большую площадь электрода для диффузной дуги и небольшую массу контакта (небольшой вес), с другой стороны. Вторую часть внешнего контактного элемента предпочтительно изготавливают из того же материала с высокой электропроводимостью или аналогичного электропроводящего сплава, имеющего высокую стойкость к эрозии, что и внутреннюю часть. Данную часть выполняют в виде шайбы большой площади, и она представляет собой поверхность внешнего контакта, которая контактирует с плазмой дуги.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения внутренний элемент электрического контакта каждой части электрического контакта смонтирован коаксиально внутри соответствующего внешнего контактного элемента, имеющего геометрическую форму горшка или трубы. Естественно, возможны также промежуточные формы для данного конкретного коаксиального расположения. Горшкообразную форму внешнего элемента электрического контакта предпочтительно получают путем прессования металлического листа стали, имеющей толщину в пределах от 3 до 9 мм, предпочтительно от 4 до 6 мм. Данный особый способ изготовления дает существенные преимущества в технологии изготовления, в частности, во времени.
Оба отличающихся элемента электрического контакта могут крепиться различными способами к одному общему штоку контакта, играющему роль поддерживающего элемента.
В первом предпочтительном варианте осуществления предлагается одноконтактная система. В одной части электрического контакта внутренний элемент электрического контакта устанавливают неподвижно относительно внешнего элемента электрического контакта, а в другой части электрического контакта только внутренний элемент электрического контакта имеет возможность перемещения относительно внешнего элемента электрического контакта и относительно соответствующей части электрического контакта. Таким образом, оба соответствующих внешних контактных элемента AMF-типа предпочтительно крепят рядом друг с другом внутри изолирующего элемента, формируя постоянный промежуточный зазор. Внутренний элемент электрического контакта и внешний элемент электрического контакта крепят предпочтительно раздельно к дальнему концу общего штока контакта. Шток контакта крепится к корпусу вакуумного выключателя.
Во втором предпочтительном варианте осуществления реализована двухконтактная система, в которой в обеих соответствующих частях электрического контакта внутренний элемент электрического контакта неподвижен относительно внешнего элемента электрического контакта. По меньшей мере, одна из двух частей электрического контакта выполнена подвижной относительно окружающего его изолирующего элемента, чтобы формировать электрический выключатель, приводимый в действие вручную или с помощью средства автоматического выключения, такого как электромагнитный исполнительный механизм.
Во втором предпочтительном варианте осуществления части двойного контакта могут быть расположены двумя способами, в первом способе в замкнутом состоянии выключателя друг друга касаются только внутренние части контакта, а внешние части контакта разделены очень маленьким промежутком. При размыкании внутренние контакты являются последними контактирующими точками.
Во втором варианте расположения как внутренние части контакта, так и внешние части соприкасаются друг с другом, если выключатель находится во включенном состоянии. При размыкании внешние контакты остаются последней точкой касания благодаря их небольшой эластичной деформации.
Для того чтобы сформировать замкнутую вакуумную камеру для размещения пары частей электрического контакта, изолирующий элемент может иметь крышку на каждой торцевой стороне. Обе крышки служат также в качестве механической опоры для упомянутых выше штоков контакта.
Кроме того, между изолирующим элементом и находящейся внутри него парой частей электрического контакта может коаксиально устанавливаться металлический или керамический экран, имеющий форму бочки. Такой экран препятствует образованию металлизированного слоя на внутренней стенке изолирующего элемента в связи с функционированием деталей специального электрического контакта, предложенного в настоящем изобретении.
Вышеприведенные, а также другие аспекты настоящего изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания изобретения при его рассмотрении вместе с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - продольное сечение средневольтного устройства автоматической защиты, имеющего в своем составе вакуумный выключатель.
Фиг.2 - схематическое изображение продольного сечения первого варианта выполнения соответствующих частей электрического контакта.
Фиг.3 - схематическое изображение продольного сечения второго варианта выполнения соответствующих частей электрического контакта.
Фиг.4 - схематическое изображение фронтальной поверхности элемента электрического контакта.
Фиг.5 - схематическое изображение фронтальной поверхности другого варианта выполнения элемента электрического контакта.
Фиг.6 - продольное сечение двухконтактной системы вакуумного выключателя.
Фиг.7 - продольное сечение одноконтактной системы вакуумного прерывателя.
Фиг.8 - продольное сечение части электрического контакта одноконтактной системы с внутренним элементом электрического контакта TMF-типа в комбинации с внешним элементом электрического контакта AMF-типа.
Фиг.9 - фронтальный вид поверхности внешнего электрического контакта первого варианта выполнения.
Фиг.10 - фронтальный вид поверхности внешнего электрического контакта второго варианта выполнения.
Подробное описание чертежей
Как показано на Фиг.1, средневольтный автомат защиты сети состоит главным образом из изолирующего элемента 1 вакуумного выключателя, внутри которого коаксиально установлена пара частей 2а, 2б электрического контакта. Неподвижная часть 2а электрического контакта соответствует подвижной части 2б электрического контакта. Обе части 2а и 2б электрического контакта имеют соответствующие внешние электрические клеммы 3а и 3б соответственно, и они формируют электрический выключатель для прерывания электрического тока внутри вакуумной камеры 4 изолирующего элемента 1.
Подвижный электрический контакт 2б выполнен с возможностью перемещения между замкнутым и разомкнутым состояниями посредством силового привода 5. Силовой привод 5 обеспечивает внутреннюю передачу механического усилия электромагнитного исполнительного механизма 6 подвижному электрическому контакту 2б, находящемуся внутри изолирующего элемента 1. Для обеспечения электрического соединения между подвижной частью 2б электрического контакта, которая прикреплена с возможностью перемещения к электромагнитному исполнительному механизму 6, упомянутая подвижная часть 2б электрического контакта соединена гибким проводником 7 с внешней клеммой 3б.
В соответствии с настоящим изобретением каждая часть 2а и 2б электрического контакта состоит из двух разных типов контактных элементов. Внутренний элемент 8а, 8б электрического контакта выполнен в виде контактного элемента TMF-типа, а каждый соответствующий внешний элемент 9а, 9б электрического контакта выполнен в виде контактного элемента AMF-типа.
На Фиг.2 показана двухконтактная система. В обеих соответствующих частях 2а и 2б электрического контакта внутренний элемент 8а и 8б электрического контакта соответственно закреплен неподвижно относительно внешнего элемента 9а и 9б электрического контакта соответственно. Каждый внутренний элемент 8а, 8б электрического контакта расположен коаксиально внутри соответствующего внешнего элемента 9а, 9б электрического контакта. Внешний элемент 9а и 9б электрического контакта имеет форму горшка, чтобы принимать соответствующий внутренний элемент 8а и 8б электрического контакта, обеспечивая изолирующий зазор между внутренними и внешними элементами 8а и 9а или 8б и 9б электрического контакта.
На Фиг.3 представлена одноконтактная система, в которой в одной части 2а' электрического контакта внутренний элемент 8а' электрического контакта установлен неподвижно по отношению к внешнему элементу 9а' электрического контакта. В противоположность этому в другой части 2б' электрического контакта только внутренний элемент 8б' электрического контакта установлен с возможностью перемещения относительно внешнего элемента 9б' электрического контакта и относительно соответствующей части 2б' электрического контакта. Оба соответствующих внешних контактных элемента 9а' и 9б' AMF-типа закреплены в непосредственной близости друг от друга внутри не показанного на чертеже изолирующего элемента, формируя промежуточный зазор 10, не зависящий от состояния переключения вакуумного выключателя.
Из схематического изображения части 2 электрического контакта на Фиг.4 видно, что внутренний элемент 8 электрического контакта имеет TMF-геометрию для создания поперечного магнитного поля. Соответствующий внешний элемент 9 электрического контакта имеет форму кольца для создания аксиального магнитного поля.
Альтернативно в соответствии с Фиг.5 часть 2' электрического контакта имеет внутренний элемент 8' электрического контакта TMF-типа плоской формы, соответствующей форме элемента 9 электрического контакта AMF-типа, аналогичного описанному в предыдущем варианте выполнения.
Как показано на Фиг.6, изолирующий элемент 1 вакуумного выключателя, имеющий цилиндрическую форму, имеет крышки 11а и 11б, устанавливаемые на обеих торцевых сторонах изолирующего элемента 1, чтобы сформировать замкнутую вакуумную камеру 4. Внутри вакуумной камеры 4 установлены части 2а и 2б электрического контакта. Первая часть 2а электрического контакта закреплена неподвижно относительно изолирующего элемента 1. Соответствующая ей часть 2б электрического контакта установлена с возможностью перемещения относительно изолирующего элемента 1, чтобы сформировать электрический выключатель. Для перемещения части 2б электрического контакта соответствующий шток 13 контакта приводится в действие не показанным на чертеже электромагнитным исполнительным механизмом. Дополнительно внутри вакуумной камеры 4 коаксиально установлен металлический экран 12, имеющий форму бочки.
Предлагается двухконтактная система, которая состоит из внутренних элементов 8а и 8б электрического контакта соответственно, которые смонтированы неподвижно относительно соответствующих внешних элементов 9а и 9б электрического контакта. Внешние элементы 9а и 9б электрического контакта имеют форму горшка, чтобы изолированно принимать соответствующие внутренние элементы 8а и 8б электрического контакта.
На Фиг.7 показана одноконтактная система. Верхняя часть 2а' электрического контакта закреплена неподвижно относительно изолирующего элемента 1. В противоположность этому в другой части 2б' электрического контакта подвижным относительно соответствующего внешнего элемента 9б' электрического контакта является только внутренний элемент 8б'. Таким образом, для осуществления выключения аксиально перемещается только внутренний элемент 8б' электрического контакта. Между соответствующими внешними элементами 9а' и 9б' электрического контакта создан постоянный промежуточный зазор 10.
Когда элементы 8а', 8б' электрического контакта находятся в замкнутом состоянии, ток нагрузки проходит через них при низком сопротивлении контакта. Для прерывания тока между внутренними элементами 8а', 8б' электрического контакта TMF-типа генерируется первичная дуга и вскоре развивается в переходные режимы, как и в стандартных спиральных элементах контакта TMF-типа, в зависимости от силы тока. При малом токе с увеличением промежутка, а также с увеличением мгновенного значения тока колонна дуги расширяется в диффузном режиме. При большом токе генерируемое спиралями поперечное магнитное поле создает сжатую дугу, вращающуюся непосредственно между внутренними элементами 8а', 8б' электрического контакта. Через короткий промежуток времени длительностью несколько миллисекунд дуга достигает межэлектродного промежутка между внутренним и внешним контактами и затем предполагается, что она полностью коммутирует на внешние элементы 9а и 9б электрического контакта AMF-типа и остается в диффузном состоянии до ее гашения. Данный принцип подтверждается тем фактом, что падение напряжения на дуге между элементами 9а и 9б электрического контакта AMF-типа существенно меньше, чем на дуге между элементами 8а' и 8б' электрического контакта TMF-типа.
На Фиг.8 показано продольное сечение части электрического контакта одноконтактной системы с внутренним элементом 8" электрического контакта TMF-типа в комбинации с внешним элементом 9" электрического контакта AMF-типа на штоке 13 контакта.
На Фиг.9 и 10 показаны две различных поверхности внешних элементов 9" и 9'" электрического контакта соответственно. В соответствии с Фиг.9 вертикальные щели 14 проходят насквозь через листовой материал; на Фиг.10 показаны наклонные щели 15, расположенные по существу радиально по длине окружности. Целью создания внешних контактных элементов 9" и 9'" с тонким горшкообразным слоем и большой кольцевой пластиной является обеспечение покрытия генерируемым аксиальным магнитным полем большей площади электрода, чтобы обеспечить широкое распределение дуги. Проверка аксиального магнитного поля (AMF), создаваемого обоими вариантами выполнения внешнего контактного элемента, показала существенное преимущество второго варианта выполнения. Напряженность создаваемого им аксиального магнитного поля практически в два раза выше, чем в первом варианте выполнения.
Перечень ссылочных позиций
1 Изолирующий элемент
2 Часть электрического контакта
3 Внешняя клемма
4 Вакуумная камера
5 Подъемный вал
6 Электромагнитный привод
7 Гибкий соединительный проводник
8 Внутренний элемент контакта
9 Внешний элемент контакта
10 Промежуточный зазор
11 Крышка
12 Экран
13 Шток контакта
14 Вертикальная щель
15 Наклонная щель