ВАКУУМНЫЙ КОММУТАЦИОННЫЙ ПРИБОР
VACUUM SWITCHING UNIT

Изобретение относится к области высоковольтной коммутационной аппаратуры, а более конкретно к вакуумным управляемым разрядникам и вакуумным дугогасительным камерам (камерам) на номинальное напряжение более 35 кВ, например для камер на 60 кВ, используемым в выключателях на 110 кВ при последовательном соединении двух камер в каждом полюсе.
Известна выпускаемая промышленностью России камера типа КДВ-35. («Электротехника», №9, 2001 г., с.22.) [1]. Электрическая прочность внутренней изоляции этой камеры обеспечивается экранной системой из пяти экранов, из которых три изолированы, а два прифланцевых имеют электрическое соединение с дугогасительными электродами. Центральный из изолированных экранов, охватывающий электроды, и два других изолированных экрана закреплены на изоляционном керамическом корпусе и вместе с прифланцевыми экранами защищают изоляционный корпус от металлизации продуктами эрозии электродов, возникающей под действием вакуумной дуги при коммутации тока. Примененная экранная система обеспечивает требуемую стандартом электрическую прочность внутренней изоляции 95 кВ при испытании одноминутным напряжением промышленной частоты и 190 кВ при воздействии напряжением стандартного грозового импульса. Экраны обеспечивают сохранение электрической прочности на требуемом уровне, не ниже 80% от начального. Вместе с тем наблюдается тенденция снижения электрической прочности внутренней изоляции камер по мере выработки электрического ресурса. Природа этого явления, как показало обследование камер после выработки ресурса, состоит в недостаточной защите изоляционного корпуса от металлизации. В максимальной степени металлизация наблюдается на участках изоляционного корпуса, не прикрытых экранами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является камера с экранной системой из пяти экранов, из которых три изолированы, а два прифланцевых находятся под потенциалом электродов. Центральный изолированный экран, охватывающий дугогасительные электроды, выполнен в виде двух усеченных конусов, соединяющихся между собою торцами больших диаметров. Каждый из торцов меньшего диаметра центрального экрана охватывается другим изолированным экраном, имеющим также форму полого усеченного конуса. В свою очередь, каждый из торцов меньшего диаметра изолированных экранов охватывается прифланцевым экраном. Таким образом достигается более плотная защита изоляционного корпуса от металлизации. Геометрия экранов выбрана таким образом, чтобы напряжение равномерно распределялось по корпусу (Патент США №3792214, класс 200-144В, опубл. 12.02.1974 г.) [2].
Однако и эта экранная система содержит существенные недостатки, препятствующие ее использованию в камерах на повышенное напряжение. Основным недостатком является проникновение продуктов эрозии электродов через экранную систему, несмотря на взаимное перекрытие экранов, к изоляционному корпусу, и металлизация его по мере выработки электрического ресурса камеры. Проникновение продуктов эрозии за экраны к корпусу обусловлено недостаточным взаимным перекрытием экранов и прямолинейностью зазоров между ними. Вторым недостатком является чрезмерная концентрация электрического поля в месте соединения конических экранов с изоляционным корпусом по причине большой ширины кольцевых щелей между корпусом и указанными экранами из-за их конусности. Чрезмерная концентрация электрического поля в месте соединения конического экрана с изоляционным корпусом создает условия для инициации пробоя вдоль поверхности изоляционного корпуса, что препятствует достижению более высоких значений внутренней изоляции камеры.
Цель изобретения - увеличение электрической прочности внутренней изоляции камеры и сохранение ее до полной выработки электрического ресурса путем устранения сквозного пролета между смежными экранами продуктов эрозии электродов по направлению к поверхности изоляционного корпуса и направлении этих продуктов в основном на поверхности экранов, а также за счет уменьшения напряженности электрического поля в местах соединения экранов с изоляционным корпусом, оптимизацией ширины и глубины кольцевой щели между экраном и корпусом.
Указанная цель достигается тем, что в вакуумном коммутационном приборе, содержащем изоляционный корпус, дугогасительные электроды и экранную систему, по меньшей мере, из пяти экранов, часть из которых изолированы, а два прифланцевых находятся под потенциалом электродов, при этом центральный и изолированные экраны выполнены в виде тел вращения, и каждый из торцов экрана, меньшего диаметра, охвачен торцом большего диаметра смежного экрана. Новым является то, что центральный и изолированные экраны выполнены в виде тел вращения, образующие которых имеют ступенчатую форму, при этом кольцевые каналы между смежными экранами в зонах их взаимного перекрытия и кольцевые щели между корпусом и экранами должны удовлетворять условиям
L≥M
4≤P/S≤15,
где L - длина кольцевого канала;
М - ширина кольцевого канала;
Р - глубина кольцевой щели;
S - ширина щели на середине глубины щели.
На фиг.1 изображена предлагаемая камера, осевой разрез; на фиг.2 - зоны кольцевых каналов между смежными экранами и кольцевых щелей между экранами и корпусом. Камера содержит два вывода 1 и 2, на внутренних концах которых укреплены электроды 3 и 4. Вывод 1 жестко закреплен на фланце 5, вывод 2 вакуум-плотно соединен с фланцем 6 через сильфон 7. Изоляционный корпус 8 образован минимум двумя (левая половина фиг.1) или, например, четырьмя (правая половина) керамическими кольцами, спаянными герметично между собою. На этих кольцах жестко закреплены три изолированных экрана 9, 10, 11; два прифланцевых экрана 12 и 13 закреплены на фланцах 5 и 6 и соединены электрически с электродами 3 и 4. Каждый из торцов меньшего диаметра экранов 9-11 охватывается торцом большего диаметра смежного экрана. Участки взаимного перекрытия смежных экранов образуют кольцевые каналы, длина которых L не менее их ширины М (L≥М), фиг.2. Торцы экранов оканчиваются скруглениями. Между экранами 9-11 и стенками изоляционного корпуса 8 в местах крепления экранов к корпусу, а также между экранами 12, 13 и корпусом образуются узкие и глубокие кольцевые щели 14-21 (фиг.1) с отношением глубины Р к ширине S в пределах 4≤P/S≤15 (фиг.2). Поскольку ширина щели, как правило, изменяется с глубиной, то ее значение S определяется на середине глубины щели, как это показано на фиг.2.
Работа камеры происходит следующим образом. При отключении камерой тока электроды 3 и 4 размыкаются, между ними возникает электрическая дуга, в процессе горения которой образуются ионы и пары металлов. Давление паров между электродами при отключении тока в десятки килоампер может достигать многих сотен миллиметров ртутного столба (многих паскалей). Пар нагревается до тысяч градусов, поэтому происходит процесс энергичного его выхода из межэлектродного промежутка в объем камеры и его взаимодействия с экранной системой, фланцами и поверхностями других деталей. При взаимодействии потоков паров с окружающими поверхностями происходит их конденсация. После многократных столкновений с поверхностями, окружающими межэлектродный промежуток, несконденсировавшийся пар выходит за пределы экранов. Для исключения конденсации паров на корпусе в предлагаемой экранной системе служат кольцевые каналы, направляющие потоки пара на участки Q внешней поверхности изолированных экранов (на фиг.2 один из них отмечен пунктиром). На участках Q коэффициент конденсации близок к 100%, поскольку температура пара после 2-3 предварительных «контактов» с поверхностями других электродов снижается с тысяч в дуговом разряде до сотен градусов к моменту прохождения сквозь кольцевые каналы. Кроме того, участки Q не подвержены воздействию факторов дугового разряда. Таким образом, при условии попадания всего молекулярного потока, вытекающего из данного кольцевого канала на участок Q, можно ожидать практически полное исключение металлизации корпуса камеры. Эта возможность реализуется, если отношение L/M≥1. При этом траектории периферийных молекул потока не выходят за обозначенную штрих-пунктиром прямую Z, фиг.2. При L/M<1 прямая Z пройдет мимо экрана и окончится на корпусе, что будет свидетельствовать о металлизации корпуса, приводя к недопустимому уменьшению внутренней изоляции камеры.
Было показано («Электротехника», №03/01, с.10) [3], что при превышении в местах крепления экранов к изоляционному корпусу камеры, например, места 22-25, фиг.2, напряженности электрического поля сверх 2,7 кВ/мм, или напряженности поля на экранах в местах на выходе из кольцевых щелей, например, места 26, 27, более 9 кВ/мм, возникает существенная вероятность инициации перекрытия. Перекрытие наступает по внутренней поверхности изоляционного корпуса между смежными экранами. Это перекрытие может привести к пробою всей камеры. Оно также приводит к металлизации корпуса и необратимому снижению внутренней изоляции камеры. Разумеется, что исключить возможность перекрытия возможно лишь путем ограничения напряженности электрического поля указанными выше значениями. Моделированием камеры на 60 кВ установлено, что при равномерном делении напряжения между экранами и при относительной глубине щели, т.е. при отношении ее глубины Р к ширине S более 4 и менее 15, т.е. при условии 4≤P/S≤15 ограничения напряженностей указанными значениями выполняется. Напротив, при относительной глубине P/S меньше 4 происходит инициация пробоя из точек 22-25, фиг.2. При P/S>15 пробои инициируются из точек 26, 27.
Источники информации
1. Журнал «Электротехника», №9, стр.22, опубл. 2001 г.
2. Патент США №3792214, класс 200-144 В, опубл. 12.02.1974 г. (прототип).
3. Журнал «Электротехника», №3, стр.10, опубл. 2001 г.