ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначена для совершенствования коммутационных аппаратов постоянного и переменного тока.
Известно использование вакуумных выключателей, содержащих вакуумную дугогасительную камеру (ВДК), для коммутации переменного тока. Типичная ВДК содержит два контакта, один из которых подвижный, размещенных в отпаянном изоляционном корпусе.
Одним из известных способов отключения постоянного тока является формирование в межконтактном промежутке ВДК поперечного относительно направления тока магнитного поля. Создание магнитного поля приводит к нарушению устойчивости дуги, увеличению напряжения на ВДК до напряжения источника питания и быстрому погасанию дуги.
Известен вакуумный выключатель, содержащий шунтированную резистором ВДК и магнитную систему в виде пары соосных импульсных электромагнитных катушек, размещенных по бокам корпуса камеры напротив межконтактного промежутка (патент США №4021628, класс НОШ 33/66, опубл. 3.05.1977) [1]. Катушки создают в промежутке практически однородное магнитное поле в момент максимального разведения контактов ВДК.
Недостатками такого устройства являются ограниченная способность выдерживать восстанавливающееся напряжение, конструктивная сложность выключателя и наличие дополнительного источника питания катушек.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее две последовательно соединенные ВДК, по крайней одна из которых имеет магнитную систему их двух соосных электромагнитных катушек для генерации поперечного магнитного поля (патент США №4319296, класс Н02Н 3/00, опубл. 9.03.1982) [2]. Параллельно последовательно соединенным ВДК подсоединены резистор и резонансная цепь, которая инициирует колебания тока в ВДК при нарушении устойчивости дуги. Колебания тока ускоряют процесс погасания дуги и повышают надежность отключения тока. Использование последовательно соединенных ВДК повышает электрическую прочность выключателя.
Недостатками этого устройства являются конструктивная сложность выключателя, и наличие дополнительного источника питания катушек, что уменьшает надежность, усложняет управление и ухудшает массогабаритные и стоимостные показатели.
Целью предложенного решения является повышение надежности устройства, снижение его массогабаритных показателей и соответственно стоимости устройства.
Указанная цель достигается тем, что вакуумный выключатель содержит последовательно соединенные ВДК, как минимум одна из которых имеет магнитную систему, и параллельно подсоединенные к ВДК конденсатор и резистор. Новым является то, что магнитная система выполнена из постоянных магнитов и магнитопровода с преимущественно вогнутым наконечником, охватывающим корпус ВДК, при этом размер магнитопровода в плоскости, параллельной поверхности контактов, превышает внешний диаметр контактов ВДК, а в плоскости, перпендикулярной поверхности контактов, не превышает максимальное расстояние между контактами.
Полезная модель иллюстрируется на фиг.1, где показана принципиальная схема вакуумного выключателя. На фиг.2 показано поперечное сечение одной ВДК с магнитной системой и распределение силовых линий магнитного поля. На фиг.3 показано поперечное сечение двух ВДК с магнитной системой. На фиг.4 показана характерная осциллограмма напряжения и тока, которая иллюстрирует работу выключателя.
Выключатель содержит последовательно соединенные ВДК 1 с магнитной системой 2 или без магнитной системы 2 и ВДК 3 с магнитной системой 2, содержащей постоянные магниты 4 и магнитопровод 5, и подсоединенные параллельно ВДК 3 конденсатор 6 и резистор 7. Параллельно последовательно соединенным ВДК 1 и ВДК 3 подсоединен нелинейный резистор 8.
Выключатель работает следующим образом.
Включение выключателя осуществляется путем замыкания контактов ВДК 1 и ВДК 3. При замкнутых контактах в камерах 1 и 3 через выключатель протекает ток. Магнитная система 2, выполненная из двух установленных по бокам корпуса камеры постоянных магнитов 4 с магнитопроводом 5, формирует в области контактов поперечное магнитное поле. Использование вогнутого магнитопровода 5, охватывающего внешнюю поверхность корпуса камеры (фиг.2), обеспечивает формирование практически однородного магнитного поля в плоскости параллельной торцевой поверхности контактов ВДК 3 при условии, что размер магнитопровода в этой плоскости превышает внешний диаметр контактов.
Отключение выключателя осуществляется путем разведения контактов в ВДК 1 и ВДК 3. При разведении контактов между ними загорается электрическая дуга в парах материала катода. Магнитное поле в ВДК 3 эффективно тормозит поток катодной плазмы и смещает дугу, возникающую при размыкании контактов, на периферию контактной поверхности. В результате в прианодной области возникает недостаток ионов, что
приводит к образованию анодного слоя с отрицательным объемным зарядом. Этот процесс сопровождается быстрым ростом напряжения и возбуждением высокочастотных осцилляции напряжения и тока в цепочке последовательно соединенных ВДК. Наличие конденсатора 6, шунтирующего ВДК 3, приводит увеличению амплитуды осциллирующего тока, ускорению спада тока до нуля и погасанию дуги. Шунтирующий ВДК 3 резистор 7 повышает отключающую способность этой камеры и ограничивает ток в ВДК 1 после отключения тока в ВДК 3. Нелинейный резистор 8 служит для ограничения уровня восстанавливающегося на выключателе напряжения и поглощения наколенной в индуктивности внешней цепи энергии.
Для предотвращения запыления внутренней поверхности изоляционного корпуса камеры металлом, эродированным с поверхности контактов при горении дуги, типичные ВДК содержат изолированную экранную систему. При перемещении дуги на периферию контактной поверхности с увеличением отключаемого тока возникает вероятность образования каскадного дугового канала катод - экран - анод вдоль силовых линий магнитного поля. Это обстоятельство может ограничить отключающую способность выключателя. Ограничение поперечного размера наконечника магнитопровода в плоскости, перпендикулярной плоскости контактов, до максимального размера межконтактного промежутка обеспечит неоднородность магнитного поля вблизи боковых поверхностей контактов. Такое поле затруднит каскадное горение дуги, и тем самым повысит отключающую способность выключателя.
Последовательное соединение ВДК 1 и 3 уменьшает уровень восстанавливающего напряжения после нуля тока на каждой ВДК, и тем самым увеличивает отключающую способность выключателя при высоких напряжениях сети.
Установка магнитной системы 2 на двух ВДК 1 и ВДК 3 повышает способность ВДК 1 отключать ток, ограниченный резистором 7 после отключения тока в ВДК 3.
Процесс отключения тока иллюстрируется осциллограммами напряжения (верхний луч) и тока (нижний луч) в выключателе (фиг.4), полученными при напряжении источника 4 кВ.
Использование магнитной системы на основе постоянных магнитов не требует дополнительного источника питания для генерации импульсного магнитного поля, что позволяет сделать выключатель более компактным по сравнению с прототипом.
Таким образом, полезная модель уменьшает массогабаритные характеристики и стоимость выключателя и повышает надежность его работы.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент США №4021628, класс Н01Н 33/66, опубл. 3.05.1977.
2. Патент США №4319296, класс Н02Н 3/00, опубл. 9.03.1982. (прототип)