СИСТЕМА ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ ОГРАНИЧИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
SWITCH SYSTEM WITH INTERNAL VOLTAGE LIMITER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в основном относится к системе выключателя, а более конкретно, но не исключительно, к системе выключателя с внутренним ограничителем напряжения, таким как варистор, ограничитель перенапряжения или металлооксидный варистор (МОВ), присоединенный через переключающие контакты для контроля перенапряжения и вторичной ионизации или повторного пробоя.
Уровень техники
Выключатели обычно предусмотрены на подстанциях и используются для выборочного размыкания и замыкания электрических соединений. Типичные высоковольтные выключатели с заземленным корпусом содержат полюсные сборки, которые содержат первый и второй электрические проводники в соответствующих изоляционных втулках. Как известно в этой области техники, линии электропередачи соединены с первым и вторым электрическими проводниками, при этом выключатель выборочно размыкает или замыкает электрическое соединение между ними. Электрические прерыватели, которые являются частью выключателя, используются для прерывания электрического тока путем разнесения двух проводников на расстояние, достаточное для предотвращения дугообразования между этими проводниками. По мере того, как электрический контакт прерывателя перемещается из замкнутого положения в разомкнутое, может возникнуть перенапряжение, что вызывает дугообразование и преждевременный износ поверхностей электрических контактов. Выключение питания электрического реактора – это сложная рабочая функция выключения для каждого высоковольтного выключателя. Электрические реакторы используются для компенсации и переключаются практически ежедневно. Выключение питания электрического реактора может вызвать перенапряжение и повторный пробой и, таким образом, термическую/диэлектрическую поломку прерывателя. Повторный пробой потенциально может быть критическим для прерывателя, если ток начинает протекать повторно. Некоторые существующие системы обладают различными недостатками относительно определенных применений. Соответственно, существует потребность в дополнительном вкладе в эту область технологии.
Раскрытие сущности изобретения
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается уникальная система выключателя с внутренней защитой от перенапряжения. Другие варианты осуществления изобретения включают аппараты, системы, устройства, аппаратное обеспечение, способы и комбинации для системы выключателя с электрическим прерывателем, имеющим ограничитель напряжения, такой как варистор, ограничитель перенапряжения или металлооксидный варистор (МОВ), для защиты от перенапряжения. Другие варианты осуществления изобретения, формы, особенности, аспекты, эффекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из приведенного в настоящем документе описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1A и 1B показаны виды в перспективе систем выключателей в соответствии с иллюстративными примерами вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 – схематичный вид в разрезе части электрического прерывателя для системы выключателя, показанной на фиг. 1;
на фиг. 3 – схематичный вид в разрезе одного варианта выполнения электрического прерывателя с ограничителем напряжения, электрически связанным с двумя подвижными контактами для системы выключателя, показанной на фиг. 1;
на фиг. 4 – схематичный вид в разрезе другого варианта выполнения электрического прерывателя с несколькими ограничителями напряжения, электрически связанными с несколькими парами подвижных контактов для системы выключателя, показанной на фиг. 1; и
на фиг. 5 – участок электрического прерывателя с резистором с замыкающим контактом и обходным выключателем для системы выключателя.
Осуществление изобретения
Для лучшего пояснения принципов настоящего изобретения далее приведены варианты осуществления, показанные на чертежах и описанные для специалистов. Будет понятно, тем не менее, что тем самым не подразумевается ограничений объема настоящего изобретения. Подразумевается, что любые изменения и дополнительные модификации описанных вариантов осуществления изобретения и любые другие применения принципов настоящего изобретения, описанных в настоящем документе, обычно очевидны специалистам в области, к которой относится настоящее изобретение.
На фиг. 1A и 1B показаны примеры систем выключателей с тремя полюсами выключателей, смонтированными на общей раме и смонтированными по отдельности соответственно. Согласно настоящему изобретению подразумеваются и другие типы выключателей. Система 10 выключателя, содержащая систему 11 прерывателя, предназначена для обеспечения выборочного протекания через нее электрического тока в первой конфигурации и предотвращения протекания электрического тока во второй конфигурации. Таким образом, участок электрической системы, такой как компонент высоковольтной электропроводки на электростанции или тому подобном, может быть изолирован от источника электропитания, чтобы можно было безопасно выполнять на нем процедуры технического обслуживания. Электрические прерыватели 11 функционируют путем перемещения участка электрического проводника, чтобы входной участок проводника был отделен от выходного участка проводника зазором или промежутком, который представляет собой достаточное расстояние для предотвращения возникновения электрической дуги от входного участка до выходного участка.
В одном варианте, как показано, система 10 выключателя может представлять собой трехфазную систему выключателя. Система 10 выключателя в трехфазной форме может содержать трехполюсные сборки 12, 14 и 16 соответственно. В других вариантах система 10 выключателя может содержать другое число полюсов. В некоторых вариантах полюсными сборками может управлять одна приводная система, а в других вариантах полюсными сборками могут управлять отдельные приводные системы. Каждая полюсная сборка 12, 14 и 16 может содержать первый ввод 18 и второй ввод 20. Каждый из первого и второго вводов 18, 20 может содержать изолирующие втулки 22 и 24, расположенные с внешней стороны вокруг проводников (не показаны). Линии электропередачи (не показаны) присоединены к первому и второму вводам 18, 20, при этом выключатель выборочно размыкает или замыкает электрическое соединение между ними. Первый и второй вводы 18, 20 электрически соединены посредством электрической цепи в первой компоновке, когда прерыватель 11 системы 10 выключателя замкнут, и электрически изолированы во второй компоновке, когда прерыватель 11 системы 10 выключателя разомкнут. Прерыватель 11 системы 10 выключателя для каждой полюсной сборки выборочно размыкает или замыкает электрическое соединение между первым и вторым вводами 18, 20 посредством приводной системы 14 известным специалистам в этой области способом.
6
2
2
На фиг. 2 представлен пример внутренней части высоковольтной полюсной сборки в системе 10 выключателя с показанным упрощенно электрическим прерывателем 11. Корпус 30 имеет внутреннее пространство 32, которое изолировано от внешнего окружающего пространства 34. В одном варианте корпус 30 образует заземленный бак (например, электрически изолированный или с нулевым потенциалом), в то время как в других вариантах корпус может образовывать бак под напряжением (например, электрически проводящий или с ненулевым потенциалом). Внутреннее пространство 32 может содержать диэлектрическую среду. Диэлектрическая среда может включать газы или жидкости, например, но не ограничиваясь ими, такие как SF (гексафторид серы), сухой окружающий воздух, сухой N (азот), CO (диоксид углерода), масло или тому подобное. В альтернативном варианте во внутреннем пространстве 32 может быть использован вакуумный прерыватель, окруженный диэлектрическими материалами, если это необходимо. Корпус 30 может содержать одно или более уплотнений 31 между некоторыми компонентами, выступающими из внутренней части корпуса 30 наружу, чтобы изолировать внутреннее пространство 32 от внешнего окружающего пространства 34.
Часть примера полюсной сборки 12 включает в себя первый ввод 18, электрически соединенный с первым элементом 42, который может представлять собой неподвижный контакт, закрепленный внутри полюсной сборки 12. Второй ввод 20 электрически соединен со вторым элементом 40, который может быть подвижным контактом, заключенным внутри полюсной сборки 12 таким образом, чтобы внутри нее обеспечивалось его перемещение. Таким образом, в первом положении подвижный контактный элемент 40 может быть расположен так, чтобы электрическое соединение между первым вводом 18 и вторым вводом 20 было разорвано. Во втором положении подвижный контактный элемент 40 может быть приведен в контакт с неподвижным контактным элементом 42 для электрического соединения первого ввода 18 и второго ввода 20. Как указано выше, внутреннее пространство 32 полюсной сборки 12 герметизировано и в основном предназначено для минимизации дугообразования между неподвижным контактным элементом 42 и подвижным контактным элементом 40, когда они находятся в разомкнутом положении. Подвижный контактный элемент 40 в основном может перемещаться в противоположных направлениях, обозначенных двойной стрелкой 44. Хотя на схематичной иллюстрации показано горизонтальное перемещение, следует понимать, что могут быть использованы другие ориентации и варианты движения, такие как выключатель с поворотным контактом или тому подобное. Кроме того, в других вариантах второй электрический контактный элемент 42 может быть подвижным, дополнительно или вместо подвижного первого электрического контактного элемента 40.
На фиг. 3 схематично показан вид в разрезе варианта выполнения электрического прерывателя 11 с ограничителем напряжения, таким как металлооксидный варистор (МОВ) 46. Варистор представляет собой зависящий от напряжения нелинейный резистор, величина сопротивления которого меняется автоматически при изменении напряжения. МОВ является пассивным блоком, состоящим из металлооксидных резисторов, сформованных в силиконовом корпусе или полиэфирной изолирующей трубке, которая может быть использована для обеспечения защиты от перенапряжения в электрической сети. МОВ могут быть сформованы из инкапсулированной поликристаллической керамической основной части, содержащей оксиды металлов с электродами, расположенными на одном из концов, присоединенных к проводникам. Типичные металлооксидные материалы могут содержать оксид цинка и оксид висмута. Однако в настоящем документе подразумеваются другие конструкции и оксиды металлов, и следует понимать, что они охватываются объемом настоящего изобретения.
В компоновке, показанной на фиг. 3, МОВ 46 поглощает переходное напряжение или перенапряжение, которое возникает, когда контактные элементы 40, 42 отделяются друг от друга. Разделение возникает, когда контактные элементы 40, 42 перемещаются из замкнутого положения, как показано штриховой линией 40b, в разомкнутое положение, показанное на фиг. 2, когда контактный элемент 40 перемещается в направлении влево, обозначенном двойной стрелкой 44. В этом варианте ток высокого напряжения проходит через один из вводов 18 или 20 и направляется к другому вводу 18 или 20, когда контактные элементы 40 и 42 находятся в соединенном положении. Когда контактный элемент 40 перемещается в разомкнутое положение, переходное напряжение или перенапряжение может передаваться через один или оба из первого электрического соединения 48 и второго электрического соединения 50, которые соединены электрически с МОВ 46. В этом варианте МОВ 46 расположен параллельно первому и второму электрическим контактным элементам 40, 42. МОВ 46 предназначен для поглощения перенапряжения переходного процесса, чтобы предотвратить вредное возникновение дуги во время операции замыкания выключателя. Таким образом, можно повысить надежность и долговечность контактных элементов 40, 42.
На фиг. 4, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, в поперечном разрезе схематично показан корпус 30 с полюсной сборкой, имеющей несколько контактных областей 65, 67 прерывателя, образованных соответствующими парами контактных элементов и МОВ. Следует понимать, что хотя описаны две пары контактных элементов, согласно настоящему изобретению подразумеваются дополнительные пары контактных элементов. В этом примере варианта осуществления изобретения первый контактный элемент 40 может быть отделен (электрически изолирован) от управляющего стержня 60 на его первом конце 61 или в контакте (электрически соединен) с ним. Второй контактный элемент 42 может быть отделен (электрически изолирован) от управляющего стержня 60 на его втором конце 63 или в контакте (электрически соединен) с ним. Первый МОВ 46 может быть установлен и расположен параллельно в первой контактной области 65 посредством электрического соединения 48 и электрического соединения 50, которые соединяют МОВ 46 с контактным элементом 40 и управляющим стержнем 60. В некоторых вариантах в первой контактной области 65 параллельно МОВ 46 может быть присоединен конденсатор, такой как выравнивающий конденсатор 70.
Вторая контактная область 67 может быть расположена последовательно с первой контактной областью 65. Вторая контактная область 67 может содержать второй МОВ 74, который в некоторых вариантах может быть присоединен параллельно второму выравнивающему конденсатору 72, расположенному во второй контактной области 67. Второй МОВ 74 может быть присоединен к цепи аналогично первому МОВ 46. Электрическое соединение 76 может присоединять второй или противоположный конец 63 управляющего стержня 60 ко второму МОВ 74, а электрическое соединение 78 может присоединять второй МОВ 74 ко второму электрическому контактному элементу 42. В некоторых вариантах осуществления изобретения во второй контактной области 67 параллельно второму МОВ 74 может быть присоединен второй выравнивающий конденсатор 72. Выравнивающие конденсаторы 70, 72 выполнены с возможностью обеспечения равного потенциала между контактными элементами 40, 60 и 42, 60 первой и второй контактных областей 65, 67 соответственно. Две контактные области обычно соединены последовательно, как показано на фиг. 4, для достижения более высокого переходного восстанавливающегося напряжения и защиты от перенапряжения. Без выравнивающих конденсаторов 70, 72 перенапряжение не может быть распределено равномерно по контактным областям 65, 67, вызывая градиент напряжения на соответствующих контактах прерывателя, что может приводить к диэлектрическому пробою или эрозии контактной поверхности и тому подобному. Первый МОВ 46 и второй МОВ 74 поглощают переходное напряжение или перенапряжение, которое возникает, когда контактные элементы через первую и вторую контактные области 65, 67 перемещаются в разомкнутое положение и, таким образом, предотвращают возникновение нежелательной электрической дуги в первой и второй контактных областях 65, 67. Таким образом, можно минимизировать или полностью устранить проблемы преждевременного износа и эксплуатационной пригодности некоторых участков прерывателя 11.
На фиг. 5, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, схематично показан участок электрического прерывателя 11 с несколькими контактными областями 65, 67, несколькими МОВ 46, 74 и несколькими выравнивающими конденсаторами 70, 72, соединенными последовательно с замыкающим резистором 80. Каждая из контактных областей 65, 67 может включать в себя электрический выключатель 60a и 60b соответственно. Электрические выключатели 60a и 60b показаны схематично и могут быть любого вида для обеспечения замкнутых и разомкнутых контактных областей 65, 67. В некоторых вариантах параллельно между концами замыкающего резистора 80 между первым вводом 18 и вторым вводом 20 может быть установлен обходной выключатель 82. Замыкающий резистор 80 предназначен для снижения изменений напряжения в переходном процессе, которые в основном возникают, когда контактные элементы перемещаются из разомкнутого положения в замкнутое положение. Например, изменение напряжения в переходном процессе может возникнуть, когда линия передачи низкого напряжения подключается к источнику питания или подключается повторно после повреждения на линии. Обходным выключателем 82 замыкающего резистора 80 может управлять то же устройство, которое управляет контактными выключателями 60a и 60b, при этом обходной выключатель может размыкаться или замыкаться в зависимости от действия прерывателя 11. Выравнивающие конденсаторы 70, 72 и МОВ 46, 74 функционируют в этой компоновке аналогично варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 4. Таким образом, переходные напряжения могут быть распределены равномерно и рассредоточены по нескольким контактным областям 65, 67 в прерывателе 11, чтобы не допустить большой градиент напряжения на участках системы.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к выключателю, содержащему корпус, образующий внутреннее пространство; первый ввод линии электропередачи, по меньшей мере частично расположенный во внутреннем пространстве; второй ввод линии электропередачи, по меньшей мере частично расположенный во внутреннем пространстве; первый электрический контактный элемент, электрически соединенный с первый вводом линии электропередачи; второй электрический контактный элемент, электрически соединенный со вторым вводом линии электропередачи; привод для перемещения по меньшей мере одного из первого и второго электрических контактных элементов между положением соединения и положением разъединения, причем положение соединения обеспечивает электрическое соединение первого и второго вводов линии электропередачи, а положение разъединения ограничивает электрическое соединение между первым и вторым вводами линии электропередачи; и ограничитель напряжения, расположенный в корпусе, причем ограничитель напряжения предназначен для электрического соединения с первым и вторым электрическими контактными элементами.
6
2
2
В улучшенных аспектах выключатель дополнительно содержит конденсатор, электрически соединенный с первым и вторым электрическими контактными элементами; при этом конденсатор и ограничитель напряжения соединены параллельно с первым и вторым электрическими контактными элементами; третий и четвертый контактные элементы, расположенные в корпусе последовательно с первым и вторым контактными элементами; причем второй ограничитель напряжения и второй конденсатор соединены параллельно с третьим и четвертым контактными элементами; замыкающий резистор, расположенный последовательно с первым и вторым электрическими контактными элементами; обходной выключатель, соединенный параллельно с замыкающим резистором; при этом корпус представляет собой заземленный бак, содержащий одно или более уплотнений для изоляции внутреннего пространства от потока текучей среды из внешнего окружающего пространства; диэлектрический материал, расположенный во внутреннем пространстве корпуса; причем диэлектрический материал включает в себя диоксид серы (SF), сухой воздух, сухой азот (N), диоксид углерода (CO), масло и/или вакуум.
Другой аспект настоящего изобретения относится к способу поглощения переходного перенапряжения в выключателе, включающему перемещение первой пары из первого и второго электрических контактных элементов из замкнутого положения в разомкнутое положение, причем замкнутое положение определяет электрическое соединение между первым и вторым вводами линии электропередачи, а разомкнутое положение обеспечивает электрическую изоляцию первого ввода линии электропередачи от второго ввода линии электропередачи; направление переходного напряжения, генерируемого во время размыкания электрических контактных элементов на первый ограничитель напряжения; причем первый ограничитель напряжения, а также первый и второй электрические контактные элементы расположены параллельно в корпусе, который содержит внутреннюю область, изолированную от окружающей внешней области.
В улучшенных аспектах способ дополнительно включает перемещение второй пары из третьего и четвертого контактных элементов из замкнутого положения в разомкнутое положение, причем замкнутое положение определяет электрическое соединение между первым и вторым вводами линии электропередачи, а разомкнутое положение определяет электрическую изоляцию первого ввода линии электропередачи от второго ввода линии электропередачи;
6
2
2
направление переходного напряжения, генерируемого во время размыкания третьего и четвертого электрических контактных элементов, на второй ограничитель напряжения; причем второй ограничитель напряжения, а также третий и четвертый электрические контактные элементы расположены параллельно в корпусе между первым и вторым вводами линии электропередачи; рассеивание переходного напряжения первым и вторым ограничителями напряжения, когда первая и вторая пары электрических контактов перемещаются из замкнутого положения в разомкнутое; распределение относительно равного напряжения между первой и второй парами контактных элементов во время процедуры размыкания с помощью первого и второго выравнивающих конденсаторов, расположенных параллельно первому и второму ограничителям напряжения соответственно, между первым и вторым вводами линии электропередачи; поглощение переходного напряжения замыкающим резистором, расположенным последовательно с первым и вторым контактными элементами во время процедуры замыкания; выборочный обход замыкающего резистора с помощью обходного выключателя, расположенного параллельно замыкающему резистору; снижение нежелательного дугообразования в корпусе с диэлектрическим материалом, расположенным в корпусе, причем диэлектрический материал включает в себя по меньшей мере одно из гексафторида серы (SF), сухого воздуха, сухого азота (N), диоксида углерода (CO), масла или вакуума.
Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству, содержащему выключатель, имеющий корпус с внутренней областью, отделенной от внешней области, окружающей корпус; электрический прерыватель с первой парой из первого и второго электрических контактов, которые могут перемещаться между первым положением и вторым положением, причем первое положение определяет положение соединения, которое обеспечивает электрическое соединение между первой парой контактов, а второе положение определяет положение разъединения, которое предотвращает электрическое соединение между первой парой электрических контактов; варистор, присоединенный к первой паре электрических контактов для приема и рассеивания переходного напряжения, когда первая пара электрических контактов перемещается из первого положения во второе положение; при этом внутренняя область корпуса предназначена для вмещения первой пары электрических контактов, варистора и диэлектрического материала.
В улучшенных аспектах ограничитель напряжения представляет собой металлооксидный варистор (МОВ); при этом варистор и первая пара электрических контактов соединены параллельно между первым и вторым вводами; причем варистор предназначен для рассеивания переходного перенапряжения, когда первая пара электрических контактов перемещается из первого положения во второе положение; конденсатор, присоединенный параллельно варистору через первую пару электрических контактов; вторую пару из третьего и четвертого электрических контактных элементов, расположенных последовательно с первой парой контактных элементов; второй варистор, присоединенный параллельно через вторую пару электрических контактов; второй конденсатор, присоединенный параллельно второму варистору через вторую пару электрических контактов; замыкающий резистор, соединенный последовательно с варистором и первой парой электрических контактов; обходной выключатель, присоединенный параллельно замыкающему резистору.
Хотя настоящее изобретение показано на чертежах и описано подробно в предшествующем описании, их следует рассматривать, как иллюстративные и не подразумевающие ограничения, при этом будет понятно, что показаны и описаны только предпочтительные варианты осуществления изобретения и что предпочтительно защищаются все изменения и модификации, которые попадают в рамки сущности настоящего изобретения. Следует понимать, что хотя использование таких слов, как «предпочтительный», «предпочтительно» или «более предпочтительный», используемых в предшествующем описании, указывает, что описанная таким образом особенность может быть более желательна, она, тем не менее, может быть необязательной, и подразумевается, что варианты осуществления без нее охватываются объемом настоящего изобретения, причем объем настоящего изобретения определяется следующей формулой изобретения. При прочтении формулы изобретения подразумевается, что такие слова, как неопределенные артикли «a», «an», «по меньшей мере один» или «по меньшей мере один участок» используются без намерения ограничить формулу изобретения только одной позицией, если в пункте формулы специально не указано иного. Когда используется выражение «по меньшей мере один участок» и/или «участок», в этом случае может включаться участок и/или весь элемент, если специально не указано иного.
Если не указано иного или ограничено иным образом, термины «смонтированный», «присоединенный», «поддерживаемый» и «соединенный», а также их варианты используются в широком смысле и охватывают как прямой, так и опосредованный монтаж, соединение, опоры и сопряжения. Кроме того, «присоединенный» и «соединенный» не ограничиваются физическими или механическими соединениями или сопряжениями.