ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА С ДЕИОННОЙ РЕШЕТКОЙ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к дугогасительным камерам с деионной решеткой, применяемым, в частности, в низковольтных автоматических выключателях на большие номинальные токи до 6300А для гашения электрической дуги большой мощности, возникающей при коммутациях токов короткого замыкания.
Согласно стандарту [1] дугогасительная камера с деионной решеткой - это часть электрического аппарата, в которой существенным фактором при гашении дуги является разделение ее на ряд последовательно соединенных коротких дуг, горящих между металлическими пластинами, образующими решетку. Дугогасительные камеры являются устройствами управления электрической дугой, возникающей между контактами выключателя и представляющей собой физический процесс прохождения тока в среде ионизированных газов при термическом характере их ионизации. Изучению и созданию различных конструкций дугогасительных камер, начиная с их изобретения, посвящено множество теоретических [2-3] и практических работ [4]. Такие камеры должны обеспечивать по возможности малое время гашения и малую энергию, выделяемую дугой (во избежание значительного перегрева контактов и самой камеры), отсутствие опасных перенапряжений при гашении дуги, приемлемые размеры конструкции. Конструкции применяемых камер зависят от назначения и отличаются разными способами гашения, позволяющими удовлетворить указанные требования без существенного усложнения и увеличения их габаритов. В выключателях, специально рассчитанных для защиты цепи от коротких замыканий, все конструктивные решения подчиняются основному требованию - быстродействию. К недостаткам дугогасительных камер с деионной решеткой относятся оплавления и прогорания пластин при воздействии электрических дуг больших токов короткого замыкания. Во избежание этого явления стремятся получить такое дугогашение, при котором бы процесс деионизации столба электрической дуги протекал бы с большей скоростью, чем процесс ее ионизации. Добиваются такого дугогашения не только соответствующим выбором физического объема камеры, количества пластин, их расположением относительно друг друга и относительно контактной системы [4], но и применением в составе камер деталей из специальных газогенерирующих материалов, изменением формы камеры, формы пластин и соответствующего их пространственного расположения [5-9]. При сочетании перечисленных факторов электрическая дуга может быть погашена эффективно и кратковременно в выделенном объеме для деионной решетки с минимальным износом пластин решетки, контактов выключателя и обеспечением заданных параметров коммутации в части быстродействия, количества циклов коммутации, перенапряжения и пр. Заявляемая полезная модель с учетом указанных факторов предлагает один из вариантов конструкции дугогасительной камеры, характеризующийся отличительной комбинацией форм дугогасительных пластин и специальных деталей из газогенерирующих материалов.
Известны конкретные конструкции дугогасительных камер, в которых для усиления эффекта деионизации дуги применяются специальные детали из газогенерирующего материала. В источнике [5] использованы экранирующие пластины из газогенерирующего пластика, установленные вдоль боковых стенок камеры в зоне возникновения и растягивания дуги контактами выключателя. Разлагающийся под термическим воздействием дуги материал выделяет газ, который частично деионизирует дугу, создает повышенное давление, способствует более быстрому вхождению дуги в деионную решетку и продвижению ее к пламегасителю. Одновременно пластины выполняют роль защитных экранов для нижней части ферромагнитных пластин деионной решетки от оплавлений и прогораний под воздействием высокотемпературной плазмы дуги. Однако для таких деионных решеток свойственно замедленное перемещение коротких дуг между пластинами решетки из-за взаимного торможения электродинамическими силами от токов соседних дуг [3]. Известна также конструкция камеры, где газогенерирующим материалом обложены сами ферромагнитные пластины деионной решетки [6]. На рис. 1, 2 к патенту [6] показаны ферромагнитные пластины деионной решетки поз. 2, помещенные между пластинами поз. 1 из газогенерирующего материала. Недостаток такой конструкции замедление продвижения коротких дуг под действием электродинамических сил внутри камеры по уже отмеченным причинам [3] и из-за действия пластин 1, замедляющих продвижение опорных точек дуги вдоль ферромагнитных пластин 2. Такое замедление движения коротких дуг должно быть компенсировано интенсивным повышением давления в камере, которого необходимо достигать соответствующим подбором материалов с более интенсивной газогенерацией, например, абляционных материалов, применяемых в авиационном и ракетном двигателестроении, что экономически не всегда оправданно. Дугогасительная камера по патенту [7] (см. рис. 1 и 7 в описании [7]) сверху деионных пластин 3 частично закрыта защитным экраном 4, изготовленным из материала со свойствами выделения газов при воздействии на него высокой температуры электрической дуги, что создает дополнительное давление и приводит к более быстрому выходу продуктов горения электрической дуги. Камера по патенту [8] с монолитным литым корпусом также имеет детали из газогенерирующего материала. Полезная модель камеры [9] снабжена выполненной из газогенерирующего материала защитной шторкой 4, установленной с возможностью одновременного взаимодействия с верхней и задней поверхностями дугогасительной камеры. Применение защитной шторки 4 из фибры обусловлено тем, что горение дуги происходит при очень высокой температуре, под действием которой из фибры выделяется большое количество газов, способствующее ускорению затухания дуги. Камерам [7-9] присущи те же недостатки, что и камерам [5, 6].
Наиболее близким из представленных аналогов следует считать дугогасительную камеру по патенту [5]. Прототип состоит из корпуса в виде двух вертикальных стенок 22 с пазами 27, 33 (см. рис. 3 в описании к [5]), крышки 28 с пламегасительными элементами 29, 31, несколько ферромагнитных пластин 23, которые размещены своими боковыми торцами 26 в прямоугольных пазах 27 вертикальных стенок 22. Ферромагнитные пластины 23 имеют в нижней части V-образные вырезы (см. рис. 4, 5, на рисунках камера перевернута), расположенные симметрично над дугогасительными рогами 7, 12 (рис. 1) дугогасительных контактов выключателя. Для защиты от горения краев пластин, находящихся возле стенок 22, дугогасительная камера снабжена листовыми экранами 50 из пластмассы с повышенной газогенерирующей способностью. При горении дуги под термическим воздействием ствола дуги происходит интенсивное выделение газов из материала листовых экранов 50, давление газов повышается, и дуга интенсивней движется вверх, не оплавляя края дугогасительных ферромагнитных пластин, уменьшая электроизнос камеры. Недостатком прототипа является ограниченная возможность камеры в части работы с дугами короткого замыкания большой мощности при токах свыше 60-80 кА. Объясняется это выбором формы ферромагнитных пластин, при которой после деления ствола дуги на короткие дуги между пластинами, движение коротких дуг вверх затруднено. Особенностью движения дуги в такой дугогасительной решетке является неодинаковая скорость движения участков дуги в отдельных промежутках между пластинами. В одних промежутках дуга уходит вперед, в других отстает. Это происходит от неодинакового сопротивления движению дуги, вызываемого случайными причинами. Если в каком-нибудь промежутке дуга оказалась ниже, чем в соседних, то на нее действует электродинамическая сила от токов в соседних пластинах, направленная вниз, что еще больше тормозит движение дуги в этом промежутке [3]. Такое положение при больших токах короткого замыкания увеличивает оплавление ферромагнитных пластин, увеличивает электроизнос камеры, сокращает срок службы. Пламегасительная крышка 28 прототипа выполнена малогабаритной в виде тонкой пластины с двумя рядами 29 пазов, смещенных по вертикали, а поэтому имеет ограниченную способность поглощения тепловой энергии выходящих газов и увеличенную высоту зоны ионизации над дугогасительной камерой при коммутации мощных токов короткого замыкания.
Технической целью предлагаемой полезной модели, является:
- сокращение времени гашения электрической дуги большой мощности при заданных габаритах дугогасительной камеры;
- уменьшение электроизноса камеры, за счет уменьшения оплавление и исключения прогорания пластин.
Поставленная цель достигается тем, что в дугогасительной камере с деионной решеткой, содержащей электроизоляционный корпус из двух вертикальных стенок с прямоугольными пазами и крышки с пламегасительными элементами, несколько коротких прямоугольных ферромагнитных пластин, несколько удлиненных ферромагниных пластин, которые размещены своими боковыми торцами в прямоугольных пазах корпуса, и имеющей в нижних частях удлиненных пластин открытые V-образные вырезы, охватывающие контакты выключателя, а также защитные экраны из газогенерирующего материала, ее удлиненные ферромагнитные пластины снабжены вставками из листового газогенерирующего материала заданной толщины и выполнены в виде изогнутых пополам на 180 градусов стальных листов с внутренним радиусом гибки не менее половины заданной толщины листового газогенерирующего материала. При этом вставки внизу имеют форму, совпадающую с контуром V-образного выреза, и защемлены между согнутыми частями ферромагнитных пластин таким образом, что верхние концы вставок выступают над пластинами на высоту, равную расстоянию между верхними концами пластин и нижней поверхностью пламегасительных элементов. Кроме этого, защитные экраны ферромагнитных пластин выполнены из дугостойкого материала в виде фигурных утолщенных накладок параллелепипедной формы с радиусными закруглениями со стороны контактов выключателя и треугольными козырьками со стороны V-образных вырезов, а пламегасительные элементы крышки представляют собой набор вертикальных синусоидообразных металлических планок, перемежающихся с вертикальными плоскими планками с электроизоляционного материала.
Снабжение ферромагнитных пластин деионной решетки вставками из листового газогенерирующего материала заданной толщины, выполнение самих пластин в виде изогнутых пополам на 180 градусов стальных листов с внутренним радиусом гибки не менее половины заданной толщины листового газогенерирующего материала, придание вставкам внизу формы, совпадающей с контуром V-образного выреза, и защемление вставок между согнутыми частями ферромагнитных пластин таким образом, что верхние концы вставок выступают над пластинами на высоту, равную расстоянию между верхними концами пластин и нижней поверхностью крышки с пламегасительными элементами позволили:
- создать в изогнутых пополам на 180 градусов стальных пластинах (с изолированными друг от друга половинами) такой контур для токов коротких дуг, при котором электродинамические силы, действующие на дуги, всегда направлены верх камеры (в отличие от случая применения традиционных плоских пластин в аналогах и прототипе, где возможны торможения от электродинамических сил токов соседних дуг [3]);
- обеспечить быстрое продвижение дуги по поверхности ферромагнитных пластин, так как опорные точки коротких дуг не задерживаются на одном месте, а значит, уменьшить оплавление пластин и исключить их прогорание;
- начать деионизацию коротких дуг уже в начале их движения вдоль V-образных вырезов за счет газогенерциии вставок, торцы которых совпадают с торцами V-образных вырезов (известно [3], что опорные точки дуг в решетке из стальных пластин движутся к оси пластин, т.е. при сходе дуги с дугогасительных контактов выключателя в деионную решетку короткие дуги будут иметь тенденцию движения к центру камеры вдоль V-образных вырезов);
- завершить интенсивную деионизацию продуктов горения дуг газами, выделяющимися под термическим воздействием из верхних концов газогенерирующих вставок, выступающих над ферромагнитными пластинами на высоту, равную расстоянию между верхними концами пластин и нижней поверхностью пламегасительных элементов.
Перечисленные преимущества камеры по сравнению с прототипом способствуют повышению быстродействия отключения токов короткого замыкания большой мощности за счет ускоренного продвижения электрической дуги и более быстрой ее деионизации.
Выполнение защитных экранов внизу ферромагнитных пластин из дугостойкого материала в виде фигурных утолщенных накладок параллелепипедной формы с радиусными закруглениями со стороны контактов выключателя и треугольными козырьками со стороны V-образных вырезов защищает от оплавления и горения наиболее уязвимые нижние участки пластин при воздействии высокотемпературной плазмы ствола дуги, перемещающейся с разомкнутых контактов выключателя в деионную решетку. При этом радиусные закругления накладок облегчают вхождение дуги в решетку, а треугольные козырьки способствуют привязке опорных точек дуги к пластинам на более высоких участках V-образных вырезов. Умеренная газогенерация дугостойкого материала, создавая давление, совместно с силами со стороны ферромагнитных пластин, ускоряет продвижение основного ствола дуги в деионную решетку.
Оснащение пламегасительной крышки пламегасительными элементами в виде набора вертикальных синусоидообразных металлических планок, увеличивает поверхность контактирования с еще не полностью деионизированными и имеющими еще высокую температуру газами, выходящими из решетки. Вертикальным размером металлических планок и подбором параметров синусоиды (амплитуда, период) создается пламегаситель с требуемой теплоемкостью и динамическим сопротивлением истечению газов. Этим достигается уменьшение времени пламегашения при заданной минимальной высоте зоны ионизации над дугогастельной камерой.
Таким образом, отличительные признаки полезной модели обеспечивают достижение заявленных целей.
Предлагаемая полезная модель может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи, в качестве дугогасительного устройства при коммутации токов короткого замыкания большой мощности.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг. 1-9. На рисунке фиг. 1 изображена дугогасительная камера в положении при виде сбоку на автоматический выключатель, в котором она установлена. На фиг. 2 приведен вид А, а на фиг. 3 разрез Г-Г (см. на фиг. 2), раскрывающий внутреннее устройство деионной решетки с расположенными внизу дугогасительными контактами выключателя. Фиг. 4 дает представление о форме удлиненных ферромагнитных пластин деионной решетки в увеличенном масштабе. На фиг. 5 показана форма удлиненной ферромагнитной пластины со вставкой из листового газогенерирующего материала со стороны подвижных контактов, вид Д (см. на фиг. 3). Вертикальные стенки корпуса камеры, пламегасительная крышка с пламегасительными элементами и защитные экраны здесь условно не показаны. На фиг. 6 изображен вид Б (см. на фиг. 1) сверху на пламегасительную крышку, а на фиг. 7 показана форма пламегасительных планок, установленных в крышке. Рисунком фиг. 8 показан вид В (см. на фиг. 1) снизу на дугогаситетельную камеру. Фиг. 9 представляет собой аксонометрический вид снизу на деионную решетку камеры.
Дугогасительная камера с деионной решеткой, см. рисунки фиг. 1-3, состоит из электроизоляционного корпуса из двух вертикальных стенок 1, 2 с прямоугольными пазами 3, 4, 5 (см. фиг. 3) и крышки 6 с пламегасительными элементами 7, а также из нескольких коротких прямоугольных ферромагнитных пластин 8 и нескольких удлиненных ферромагниных пластин 9. Пластины 8, 9 размещены своими боковыми торцами в прямоугольных пазах 3-5 корпуса. В нижних частях 10-12 удлиненных пластин 9 выполнены открытые V-образные вырезы 13 (см. на фиг. 2), охватывающие контакты 14, 15 выключателя (см. фиг. 3-5, выключатель на рисунках не изображен; контакт 14 - неподвижный, контакт 15 - подвижный). Внизу удлиненных пластин 9 установлены защитные экраны 16, 17 из дугостойкого материала. Дугогасительную камеру отличает то, что ее удлиненные ферромагнитные пластины 9 снабжены вставками 18 из листового газогенерирующего материала заданной толщины t (см. фиг. 4) и выполнены в виде изогнутых пополам на 180 градусов стальных листов 19 с внутренним радиусом гибки r не менее половины заданной толщины t листового газогенерирующего материала. При этом вставки 18 внизу имеют форму, совпадающую с контуром V-образного выреза 13, и защемлены между согнутыми частями ферромагнитных пластин 9 таким образом, что верхние концы 20 вставок 18 выступают над пластинами на высоту h, не более расстояния L (см. фиг. 3) между верхними концами пластин 9 и нижней поверхностью пламегасительных элементов 7 крышки 6. Для исключения оплавления и горения нижних кромок ферромагнитных пластин 9 на нижних их частях 10-11 защитные экраны 16, 17 выполнены из дугостойкого газогенерирующего материала в виде фигурных утолщенных накладок параллелепипедной формы с радиусными закруглениями 21, 22 со стороны контактов 14, 15 выключателя и треугольными козырьками 23.24 со стороны V-образных вырезов 13. Радиусные закругления 21, 22 облегчают затягивание плазмы растянутой контактами дуги в нижнюю часть деионной решетки, треугольные козырьки 23, 24 обеспечивают привязку опорных точек дуги на более высоких участках V-образных вырезов 13. Пламегасительные элементы 7 пламегасительной крышки 6 представляют собой набор вертикальных синусоидообразных металлических планок 25 (см. на фиг. 6, 7), перемежающихся с вертикальными плоскими планками 26 с электроизоляционного материала. Пакет пластин 25, 26 крепится в крышке 6 крепежными деталями 27, 28 и винтами 29. Для повышения способности к повышенному поглощению тепла вертикальный размер крышки 6 и вертикальный размер планок 25 может быть увеличен. Для регулирования динамического сопротивления истечению газов из деионной решетки могут быть применены металлические планки 25, отформованные в виде синусоид с различной амплитудой и различным периодом. Окончательная высота металлических планок, амплитуда и период их формовки определяется в ходе испытаний камер на предельную отключающую способность в составе выключателя по высоте требуемой зоны ионизации над камерой. Стенки 1, 2 камеры скрепляются между собой винтами 30 (фиг. 1), а крышка 6 и защитные экраны 16, 17 закрепляются на стенках комплектами крепежных изделий 31, 32 (см. на фиг. 3, 6, 8, 9).
Работает дугогасительная камера с деионной решеткой в автоматическом выключателе следующим образом. Электрическая дуга тока короткого замыкания большой мощности при автоматическом отключении выключателем возникает между размыкаемыми контактами 14, 15, растягивается контактами, сходит с дугогасительных рогов и втягивается электродинамическими силами в нижнюю часть ферромагнитной деионной решетки. Фазы возникновения и движения дуги аналогичны, изложенным в источнике [4, глава 4 стр. 13; глава 5 стр. 148]. Высокотемпературная плазма дуги, двигаясь вдоль защитных экранов 16, 17 из дугостойкого материала (например, из материалов на основе полиэфирных смол с наполнителем из стекловолокна; из стеклокомпаундов ВМС марки F4209; из технамидов марки А производства НПП «ПОЛИПЛАСТИК», и др.), частично испаряет материал, что способствует началу деионизации дуги, повышению давления и вхождению дуги в деионную решетку на участках V-образных вырезов 13 выше треугольных козырьков 23, 24. Опорные точки дуги привязываются к поверхности ферромагнитных пластин 9. Основной ствол дуги начинает делиться на короткие дуги между пластинами 9. Особенностью движения электрической дуги в деионной решетке из ферромагнитного материала является стремление дуги занять центральное положение ближе к оси симметрии пластин [3], в отличие от камер с медными пластинами, в которых дуга уходит на края пластин. Это означает, что короткие дуги будут перемещаться вверх к центру камеры вблизи внутренних кромок V-образных вырезов 13, которые оснащены высокоэффективным газогенерирующим материалом (хлорсодержащим или фторсодержащим, например, фторопластом Ф-4ИН ГОСТ 24222-80, [4] стр. 412). Плазма дуги, разогревая на торцах Тф (см. на фиг. 9) газогенерирующий материал, начнет деионизироваться во фторсодержащих парах уже в начале V-образных вырезов 13. Благодаря выполнению ферромагнитных пластин 9 в виде изогнутых пополам на 180 градусов стальных листов 19 и электрической изоляции половин пластин материалом вставок 18, короткие дуги параллельно и ускоренно (без тормозящего воздействия друг на друга [3]) перемещаются верх с минимальным оплавлением поверхностей пластин 9. При подходе коротких дуг (частично деионизированных и отдавших часть тепловой энергии пластинам 9) к коротким прямоугольным пластинам 8 произойдет еще дополнительное деление их на две части и замедление движения. Дуги будут интенсивно отдавать свою тепловую энергию ферромагнитным пластинам 8, 9 и концам 20 вставок 18 выступающих на высоту h. Под термическим воздействием концы вставок интенсивно генерируют газ, в парах которого происходит завершающая стадия деионизации дуг. Повышенное давление этих газов способствует выходу продуктов горения из деионной решетки в пламегасительную крышку 6. Так предлагаемая дугогасительная камера благодаря отличительным особенностям производит ускоренное дугогашение с минимальным оплавлением пластин 9, 8 решетки, исключает прогорание пластин при гашении дуги короткого замыкания большой мощности. Исходящие из деонной решетки газы имеют еще повышенную температуру и могут содержать в своем составе часть ионизированного газа. Завершает процесс пламегаситель, который благодаря повышенной теплоемкости и подобранному с помощью синусоидообразных металлических планок 25 динамическому сопротивлению истечению газов, понижает температуру исходящих газов и обеспечивает заданную для выключателя высоту зоны ионизации над дугогасительной камерой.
Таким образом, отличительные признаки заявленной дугогасительной камеры с деионной решеткой, а именно:
- удлиненные ферромагнитные пластины 9, снабженные вставками 18 из листового газогенерирующего материала заданной толщины и выполненные в виде изогнутых пополам на 180 градусов стальных листов 19 с внутренним радиусом гибки r не менее половины заданной толщины t листового газогенерирующего материала;
- выполнение вставок 18, совпадающими по форме с контуром V-образного выреза, и защемление вставок 18 между согнутыми частями ферромагнитных пластин таким образом, что верхние концы 20 вставок 18 выступают над пластинами 8, 9 на высоту h, равную расстоянию L между верхними концами пластин 8, 9 и нижней поверхностью пламегасительных элементов 7;
- защитные экраны, выполненные из дугостойкого материала в виде фигурных утолщенных накладок 16, 17 параллелепипедной формы с радиусными закруглениями 21, 22 со стороны контактов 14, 15 выключателя и треугольными козырьками 23, 24 со стороны V-образных вырезов 13;
- выполнение пламегасительных элементов 7 пламегасительной крышки 6 в виде набора вертикальных синусоидообразных металлических планок 25,
позволили достичь в предлагаемой модели декларируемого технического результата в части сокращения времени гашения электрической дуги большой мощности при заданных габаритах дугогасительной камеры, т.е. повышения быстродействия отключения, а также в части уменьшения электроизноса камеры.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для использования в автоматических выключателях и относится к электротехнике, а именно к дугогасительным камерам с деионной решеткой;
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Изготавливаются опытные образцы заявляемой полезной модели для коммутационных испытаний в составе автоматических выключателей на токи до 6300А.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание:
1. ГОСТ 17703-72 Аппараты электрические коммутационные. Термины и определения.
2. Брон О.Б. Электрическая дуга в аппаратах управления. Москва, «Госэнергоиздат», 1954.
3. Залесский А.М. Основы теории электрических аппаратов. Учебное пособие для вузов. Москва, «Высшая школа», 1974.
4. Мещеряков В.П. Электрическая дуга большой мощности в выключателях. Часть 2. Ульяновск, 2008.
5. Описание к патенту CN 101416261 A, Н01Н 9/30, H01H 9/34, опубл. 22.04.2009.
6. Описание к патенту CN 104969320 A, Н01Н 9/30, опубл. 07.10.2015.
7. Описание к патенту на полезную модель RU 158688, Н01Н 73/18, опубл. 20.01.2016.
8. Описание к патенту US 5589672 A, Н01Н 9/36, опубл. 31.12.1996.
9. Описание к патенту на полезную модель RU 158211, H01H 9/30, опубл. 27.12.2015.