ЭЛЕГАЗОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
SF6 CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим аппаратам высокого напряжения, в частности к элегазовым выключателям.
Известен элегазовый выключатель /1/ (Патент US №2010032411, класс Н01Н 9/32. опубл. 11.02.2010 г.), содержащий дугогасительное устройство, состоящее из двух контактов, соосно расположенных по осевой линии, причем, по меньшей мере, один из них является подвижным, из электроизоляционного дугогасящего сопла, расположенного соосно вокруг контактов внутри трубчатого электроизоляционного элемента (далее - трубчатого элемента), закрепленного на одном из контактов.
При этом дугогасящее сопло (далее - сопло) закреплено на том же контакте что и трубчатый элемент.
Трубчатый элемент выполняет две функции. Во-первых, он изменяет электрическое поле между контактами, вследствие чего повышается восстанавливающаяся электрическая прочность межконтактного промежутка. Во-вторых, в выключателе с двумя подвижными контактами он выполняет функции тяги, передавая движение от первого подвижного контакта ко второму.
Недостатком такого выключателя является то, что трубчатый элемент не используется для изменения других характеристик дугогасительного устройства, таких, как коммутационная способность, коммутационный ресурс, повышение механической прочности сопла, а также в технологии создания сопел, состоящих из разнородных материалов.
Известно применение в элегазовых выключателях дугогасящих сопел, выполненных из электроизоляционных материалов, обладающих разнородными свойствами. В них участки, подвергающиеся наибольшему эрозионному воздействию со стороны электрической дуги, имеют наибольшую дугостойкость /2÷6/.
Недостатком таких решений является отсутствие отработанной технологии изготовления (сборки) таких сопел.
Наиболее близким к предлагаемому решению является элегазовый выключатель /7/ (патент США №4420662, публикация от 13.12.83 г., класс H01H 33/70) с дугогасительным устройством, состоящим из двух контактов, соосно расположенных по осевой линии, по меньшей мере, один из которых является подвижным, из электроизоляционного дугогасящего сопла, расположенного соосно вокруг контактов и состоящего из отдельных элементов, выполненных из разных материалов.
Одним из этих элементов является кольцевая вставка в сужающейся части сопла, выполненная из диэлектрического материала, способного изменять электрическое поле и, следовательно, восстанавливающуюся электрическую прочность межконтактного промежутка.
При использовании таких вставок из иных материалов, можно увеличивать эрозионную стойкость сопел и газовыделение из них, тем самым повышая коммутационный ресурс и отключающую способность выключателя.
Недостатком решения является отсутствие технологии изготовления сопла с указанной вставкой. В общем случае отсутствуют описания технологии изготовления дугогасящих сопел из материалов с разнородными свойствами, при которых не снижалась бы механическая прочность и надежность при работе изделия.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение коммутационного ресурса и коммутационной способности элегазового выключателя, повышение прочности и надежности в работе дугогасящих сопел, а также упрощение технологии их изготовления.
Указанный результат достигается тем, что в элегазовом выключателе, содержащем дугогасительное устройство, состоящем из двух контактов, соосно расположенных по осевой линии, по меньшей мере, один из которых является подвижным, из электроизоляционного дугогасящего сопла, расположенного соосно вокруг контактов и состоящего из отдельных элементов, выполненных из разных материалов, новым является то, что дугогасительное устройство выключателя дополнительно содержит опорный трубчатый элемент, закрепленный на одном из контактов, причем электроизоляционное дугогасящее сопло и опорный трубчатый элемент представляют собой одно устройство, выполненное из отдельных элементов дугогасящего сопла, закрепленных на внутренней поверхности опорного трубчатого элемента.
Опорный трубчатый элемент выполнен из электроизоляционного материала.
Использование отдельных элементов сопла, изготовленных из разных материалов с повышенной эрозионной стойкостью и/или с повышенной газогенерирующей способностью, позволяет по упрощенной технологии раздельно или одновременно повысить коммутационный ресурс выключателя и его коммутационную способность. Использование трубчатого элемента в качестве опорной конструкции для отдельных элементов сопла позволяет повысить прочность и надежность в работе получающегося объединенного сопла и упрощает технологию его изготовления.
На фиг.1 представлено дугогасительное устройство элегазового выключателя по предлагаемому решению.
Элегазовый выключатель содержит дугогасительное устройство (фиг.1), которое состоит из подвижного 1 и неподвижного 2 контактов. Из них 1а и 2а являются главными контактами, а 1б и 2б - дугогасящими. Главный неподвижный контакт 2а закреплен на цилиндрическом токопроводе 2в, который в свою очередь электрически и механически соединен с неподвижным дугогасящим контактом 2б перемычкой 2г. Аналогичное соединение подвижных главного и дугогасящего контактов на рисунке не показано. Контакты 1а, 1б, 2а и 2б расположены соосно по осевой линии 3. При этом подвижный дугогасящий контакт 1б является полым и представляет собой дополнительное сопло, по которому газ может вытекать из межконтактного пространства. Неподвижный дугогасящий контакт 2б является сплошным штыревым.
Основное дугогасящее сопло 4 расположено соосно вокруг дугогасящих контактов 1б и 2б внутри опорного трубчатого элемента 5, который выполнен из электроизоляционного материала и закреплен в главном подвижном контакте 1a (однако, возможно его закрепление на неподвижном контакте, и возможна конструкция с двумя подвижными контактами; также возможно выполнение опорного трубчатого элемента лишь частично из электроизоляционного материала, например, с армированными на его торцах металлическими вставками; эти варианты на фиг.1 не показаны).
Опорный трубчатый элемент и дугогасящее сопло представляют собой одно устройство, выполненное из отдельных элементов 4а÷4е сопла, собранных в набор и закрепленных на внутренней поверхности опорного трубчатого элемента. Отдельные элементы сопла выполнены, преимущественно, из электроизоляционного материала, а именно, из фторопласта с различными добавками-наполнителями.
Дугогасительное устройство содержит камеру генерации газа повышенного давления 6 (дальше - камера), где в процессе отключения аккумулируется газ, необходимый для гашения электрической дуги, и кольцевой канал 7, расположенный между дугогасящим контактом 1б и соплом 4. Газ из камеры 6 может вытекать через кольцевой канал 7 и затем через полый дугогасящий контакт 1б и горловину сопла 8.
Сборку сопла такого устройства производят следующим образом. Опорный трубчатый элемент 5 одним концом с наружной стороны при помощи резьбового соединения крепят в главном подвижном контакте 1а. На этом конце выполнен внутренний выступ, служащий упором для отдельных элементов сопла, которые в определенной последовательности закладывают внутрь трубчатого элемента. Сначала вставляют входную часть сопла 4а, выполненную из изоляционного не обязательно дугостойкого материала, т.к. она не подвергается излучению дуги. Затем - основную часть горловины сопла 4б, изготовленную из материала с повышенным газоотделением под действием излучения дуги и, следовательно, малой эрозионной стойкостью. Это может быть, например, фторопласт с добавкой порошкового сульфида молибдена. В нее вкладывают распорные элементы 4г и 4д для повышения прочности сопла. Эти элементы не подвергаются действию электрической дуги, поэтому их выполняют не из фторопласта, а, например, из гетинакса. Дальше на основную часть горловины сопла помещают его выхлопную часть 4в, сделанную из фторопласта с повышенной эрозионной стойкостью, что достигается за счет добавки в него порошкового нитрида бора. Все элементы в единое целое - сопло - стягивают резьбовым кольцом 4е, которое может быть выполнено из металла. Горловину сопла 8 образуют основная 4б и выхлопная 4в его части.
В предлагаемом решении изготовление сопла дугогасительного устройства элегазового выключателя обеспечивается простейшими технологическими операциями.
В прототипе отсутствует описание по изготовлению сопла. Хотя известно, что для изготовления таких сопел, его элементы необходимо закладывать в прессформу вместе с порошкообразным фторопластом для последующего совместного формования, а затем спекания. Все это требует разработки специальной технологии.
Элегазовый выключатель работает следующим образом. При отключении тока контакты 1 и 2 размыкаются. При этом последними разойдутся дугогасящие контакты 1б и 2б, между которыми образуется электрическая дуга. В процессе их разведения электрическая дуга удлиняется, и ее излучение поглощается внутренними стенками сопла 4 - сначала основным элементом 4б, а затем и выхлопным элементом 4в. Под действием этого излучения поверхностные слои этих элементов начинают разлагаться. Газообразные продукты разложения поступают в электрическую дугу и нагреваются в ней. Они расширяются и частично выбрасываются через полый дугогасящий контакт 1б наружу, а частично поступают в камеру 6 через кольцевой канал 7. Давление газа в камере 6 повышается. После того, как горловина сопла 8 сойдет со штыревого дугогасящего контакта 2б, возникает интенсивное течение газа из камеры 6 через кольцевой канал 7, обдувающее электрическую дугу, и вызывающее ее гашение в естественный ноль переменного тока. Более интенсивное разложение поверхностных слоев основного элемента 4б способствует более интенсивному росту давления в камере 6 и, следовательно, повышению отключающей способности. В то же время пониженное разложение выхлопного элемента 4в способствует повышению коммутационного ресурса.
Опорный трубчатый элемент, внутри которого собирают сопло, не подвергается воздействию электрической дуги, поэтому его изготавливают из высокопрочного изоляционного материала, например, из композита на основе нитей кевлара (арамида), пропитанных эпоксидной смолой. Он воспринимает все продольные и радиальные нагрузки на сопло. Вследствие этого сопло, заключенное внутри него выдерживает более высокое давление. Особенно это важно для отключения больших токов 50 кА и больше, для которых на входе в сопло требуются давления в несколько мегапаскалей.
Простота изготовления отдельных наборных элементов и их сборки в единое сопло обеспечивает высокую надежность работы дугогасящего устройства выключателя.
Помимо указанных выше, в ряде случаев, могут быть получены дополнительные преимущества. Вследствие высокой прочности материала опорного трубчатого элемента отдельные фторопластовые наборные элементы сопла можно изготавливать тонкостенными, поскольку они не несут основную нагрузку. В результате сопло может быть выполнено облегченным. Этому способствует также возможность создания в нем полостей по примеру, как это показано на фиг.1, где полости образованы наборными элементами 4б, 4в, 4г и 4д. Уменьшение массы подвижных частей выключателя позволяет использовать в нем менее мощный и более дешевый привод.
Отдельные наборные элементы сопла могут быть изготовлены из менее прочного, по сравнению с монолитным, пористого фторопласта. Тогда указанные выше полости могут быть заполнены жидким диэлектриком, который под действием капиллярных сил по порам будет поступать на внутреннюю поверхность сопла и смачивать ее. В этом случае газообразные продукты разложения будут выделяться не из конструкционного материала - фторопласта (политетрафторэтилена), а из пленки жидкого диэлектрика, что позволит дополнительно увеличить коммутационный ресурс выключателя, В качестве такого диэлектрика может быть использован карбогал - жидкий низкомолекулярный политетрафторэтилен.
Входную часть сопла 4а, которая частично экранирует дугогасящий контакт 1б, можно изготавливать из фторопласта с порошковым наполнителем с большим значением диэлектрической постоянной, например, из титаната бария, что позволит увеличить восстанавливающуюся электрическую прочность межконтактного промежутка.
И, наконец, повышенная механическая прочность опорного трубчатого элемента 5 позволяет закрепить на нем или на отдельном резьбовом кольце 4е тяги или иные подобные устройства, которые передают движение от подвижного контакта 1 к неподвижному контакту 2 (2а и/или 2б), в результате чего неподвижный контакт может стать подвижным. Все это ведет к увеличению номинального напряжения выключателя.
Источники информации
1. Патент US №2010032411, класс H01H 9/32, опубл. 11.02.2010.
2. Патент CN №2412286, класс H01H 33/22, опубл. 27.02.2000.
3. Патент DE №102006031217, класс H01H 33/70, опубл. 03.01.2008.
4. Патент JP №2003223836, класс H01H 33/915, опубл. 08.08.2003.
5. Патент JP №2007073384, класс H01H 33/70, опубл. 02.03.2007.
6. Патент JP №2010211966, класс H01H 33/70, опубл. 08.09.2010.
7. Патент США №4420662, класс H01H 33/24 опубл. 13.12.83 (прототип).