ПОЛЮСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ НАКЛАДКОЙ
SWITCH POLE ELEMENT WITH HEAT TRANSFER PLATE

Область техники
Изобретение относится к полюсному элементу выключателя, содержащему изолирующий корпус для размещения в нем вставки вакуумного прерывателя, содержащей пару соответствующих электрических переключающих контактов, при этом неподвижный верхний электрический контакт соединен с верхним выводом, впрессованным в изолирующий корпус, а нижний электрический контакт, выполненный с возможностью перемещения, соединен с нижним электрическим выводом изолирующего корпуса через электрический проводник, управляемый примыкающим к нему толкателем.
Уровень техники
Полюсный элемент выключателя обычно встраивается в узлы выключателей, рассчитанных на работу от средних до высоких напряжений. В частности, выключатели для средних напряжений рассчитаны для работы при номинальном напряжении 1-72 кВ при больших токах. Эти специальные выключатели прерывают ток за счет создания и гашения дуги в вакуумной камере. Внутри вакуумной камеры размещена пара соответствующих электрических переключающих контактов. Современные вакуумные выключатели имеют больший ожидаемый ресурс, чем воздушные выключатели предыдущих поколений. Хотя вакуумные выключатели вытесняют воздушные выключатели, настоящее изобретение применимо не только для вакуумных выключателей, но и для воздушных выключателей или современных выключателей SF6, имеющих не вакуумную камеру, а камеру, заполненную газообразным гексафторидом серы. Для приведения в действие выключателя обычно применяется привод с большим усилием, который перемещает один из электрических контактов вставки вакуумного прерывателя для прекращения подачи электрической энергии. В связи с этим разработано механическое соединение между приводом и выполненным с возможностью осевого перемещения электрическим контактом внутри вакуумного выключателя.
В документе WO 2012/007172 А1 описан полюсный элемент выключателя, содержащий внешнюю изолирующую втулку, выполненную из твердого синтетического материала, служащую опорой и корпусом для вставки вакуумного прерывателя для электрического переключения цепи среднего напряжения, в котором на по меньшей мере поперечную зону вставки нанесен слой клеящего материала. Снабженная покрытием вставка выключателя встроена путем прессования в твердый синтетический материал, например эпоксидный, термопластический, или в материал из силиконовой резины. В результате образуется промежуточный слой, выполняющий механическую компенсирующую функцию и функцию крепления при встраивании вакуумного выключателя. Конкретный клеящий материал слоя в соответствии с данным решением может применяться для температур свыше 115°C и может выдерживать температуру -40°C. За счет омических потерь в полюсных элементах и за счет ограниченной теплопередачи от полюсного элемента в окружающую среду при эксплуатации температура обычно увеличивается. В зависимости от применяемого материала не должны превышаться определенные максимальные температуры, которые определены в соответствующих стандартах. Обычно одним из наиболее критичных участков полюсов переключателя является переход от неподвижных элементов - к подвижным.
Обычно используются два способа увеличения соответствующего номинального тока полюсного элемента без увеличения температуры. Во-первых, электрическое сопротивление электрических контактов внутри вставки вакуумного прерывателя может быть снижено за счет увеличения поперечного сечения электрических контактов, которые обычно выполняются из медного материала. Однако данное решение приводит к увеличению материалоемкости. Во-вторых, может быть улучшена теплопередача, поскольку обычно на полюсном элементе имеются зоны, в которых полностью используются допустимые температуры, и при этом имеются другие зоны, для которых еще имеется некоторый запас.
В документе DE 4142971 А1 описан полюсный элемент выключателя для среднего напряжения, содержащий изолирующий корпус с верхним электрическим выводом и нижним электрическим выводом для электрического соединения полюсного элемента с цепью среднего напряжения. Вставка вакуумного прерывателя встроена в изолирующий корпус, и ее неподвижный верхний электрический контакт электрически соединен с верхним электрическим выводом; а подвижный нижний электрический контакт электрически соединен с нижним электрическим выводом.
Внутри вставки вакуумного прерывателя встроена кольцевая накладка, окружающая зону обоих электрических контактов прерывателя. Эта накладка может состоять из металлического или керамического материала. Накладка применяется исключительно в качестве теплозащитного экрана для предотвращения возникновения критических температур в зоне электрических контактов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка средств теплопередачи внутри полюсного элемента выключателя для передачи тепла от относительно горячей зоны полюсного элемента к одной или нескольким зонам, способным выдерживать дополнительное повышение температуры.
В соответствии с изобретением нижний электрический вывод полюсного элемента соединен с кольцевой теплопередающей накладкой, расположенной вдоль внутренней стенки или по меньшей мере частично внутри стенки изолирующего корпуса, окружающего толкатель и/или периферический край, выполненного с возможностью перемещения нижнего электрического контакта.
За счет определенной компоновки теплопередающей накладки в зоне нижнего электрического вывода обеспечивается существенный охлаждающий эффект, что позволяет увеличить номинальный ток полюсного элемента. Если теплопередающая накладка формуется внутри изолирующего корпуса, она может частично или полностью окружаться изолирующим материалом. Формование теплопередающей накладки внутри изолирующего корпуса обеспечивает оптимальную теплопередачу от теплопередающей накладки к изолирующему корпусу. Для упрощения процесса изготовления полюсного элемента возможно формирование теплопередающей накладки из теплопроводного полимерного материала внутри стенки изолирующего корпуса при помощи двухэтапного литья под давлением.
При установке теплопередающей накладки на поверхность внутренней стенки изолирующего корпуса она может крепиться к изолирующему корпусу и/или нижнему электрическому выводу при помощи по меньшей мере одного винта или заклепки. Для получения относительно более хорошего теплового контакта с изолирующим корпусом теплопередающая накладка крепится к его внутренней стенке и/или нижнему выводу путем прижатия к внутренней стенке изолирующего корпуса. Усилие прижатия теплопередающей накладки предпочтительно обеспечивается формой самой теплопередающей накладки, которая создает усилие прижима, или отдельным пружинным элементом. Механическое напряжение в теплопередающей накладке удерживает ее в прижатом состоянии на месте установки в процессе всего срока эксплуатации полюсного элемента.
Дополнительно теплопередающая накладка может прижиматься к внутренней стенке изолирующего корпуса при отверждении клея. Требуемое давление может быть создано при помощи оправки или клина, или воздушной подушки, которая надувается для создания давления, или за счет кольца из резины, которое повторяет форму теплопередающей накладки и может механически сжиматься в осевом направлении таким образом, что резина расширяется в радиальном направлении и прижимает теплопередающую накладку к изолирующему корпусу во время отверждения клея.
Предпочтительно теплопередающая накладка согласно изобретению состоит из медного или алюминиевого материала. Для получения хорошей теплопроводности теплопередающая накладка должна устанавливаться с плотным контактом как с нижним электрическим выводом, так и с изолирующим корпусом.
Для дополнительного увеличения теплопроводности рекомендуется установка теплопроводной накладки внутри изолирующего корпуса таким образом, чтобы она проходила в осевом направлении между нижним электрическим выводом и нижней стороной вставки вакуумного прерывателя. Если теплопередающая накладка является настолько большой, что она соприкасается со вставкой вакуумного прерывателя, то могут быть реализованы два следующих преимущества. Во-первых, поверхность теплопередающей накладки является относительно большой, что вызывает повышенную теплопередачу к изолирующему корпусу. Во-вторых, поскольку корпус вставки вакуумного прерывателя обычно выполняется из керамических материалов, вставка вакуумного прерывателя обладает более высокой теплопроводностью, чем изолирующий корпус, который обычно выполняется из полимерных материалов. В зоне вставки вакуумного прерывателя температура является относительно низкой. Таким образом, дополнительно поддерживается теплопередача от теплопередающей накладки к изолирующему корпусу. При использовании относительно большой теплопередающей накладки ее механические свойства могут использоваться для увеличения общей механической устойчивости полюсного элемента, например для увеличения способности полюсного элемента выдерживать усилия пиковых токов в условиях короткого замыкания. Это особенно ценно в случае наличия хорошего механического соединения теплопередающей накладки с изолирующим корпусом за счет соединения, например, склеиванием или сжатием.
Также возможна ситуация, в которой проходящая в осевом направлении теплопередающая накладка полностью окружает нижний край вставки вакуумного прерывателя для оптимизации теплопередачи. Это требует изменения конструкции теплопередающей накладки по отношению к текущей конструкции полюсного элемента. Возможные изменения в конструкции заключаются в том, что участки теплопередающей накладки сгибаются во время или после ее установки в полюсный элемент, или в том, что теплопередающая накладка состоит более чем из одной детали.
Изобретение не ограничивается полюсными элементами, в которых применяется один или несколько гибких электрических проводников для электрического соединения между нижним электрическим выводом и выполненным с возможностью перемещения нижним электрическим контактом. Также возможно применение скользящих контактов между обоими электрическими элементами для установления электрического соединения.
В этом случае теплопередающая накладка может устанавливаться между скользящим контактным узлом и нижней стороной вставки вакуумного прерывателя. Скользящий контактный узел может содержать спиральные контакты или множество контактных элементов, которые удерживаются с усилием между неподвижным и подвижным электрическими элементами.
В зависимости от выбора варианта компоновки теплопередающая накладка согласно изобретению может иметь, по существу, форму замкнутого или разомкнутого кольца. Толщина теплопередающего экрана должна выбираться в соответствии с наибольшей величиной передаваемого тепла. Для повышения теплопередачи поверхность теплопередающей накладки может быть увеличена путем добавления ребер, изогнутой или выступающей структуры поверхности, или подобной структуры. В частности, на внутренней и/или на внешней поверхности кольцевой теплопередающей накладки могут располагаться ребра. Если ребра или другая структура расположены на внешней поверхности кольцевой теплопередающей накладки, то они будут входить внутрь материала изолирующего корпуса.
В конкретных полюсных элементах отдельные вставки применяются для увеличения длины пути тока утечки от нижнего электрического вывода к заземленному основанию, на котором установлен полюсный элемент. Для уменьшения числа отдельных деталей, подвергаемых сборке, вставка может быть объединена с теплопередающей накладкой в единую деталь, предпочтительно путем литья под давлением. Если теплопередающая накладка состоит из полимерного материала, она может изготавливаться литьем под давлением в два этапа, в частности литьем под давлением в два этапа совместно со вставкой. Ели теплопередающая накладка состоит из металлического материала, она может представлять собой деталь, которая вставляется в форму перед формованием вставки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан полюсный элемент выключателя для среднего напряжения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 2а-2d - кольцевая теплопередающая накладка в соответствии с несколькими вариантами осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 3a, 3b - полюсный элемент по второму и третьему вариантам осуществления изобретения, виды сбоку;
на фиг. 4 - то же, четвертый вариант осуществления изобретения;
на фиг. 5 - то же, пятый вариант осуществления изобретения;
на фиг. 6 - то же, шестой вариант осуществления изобретения;
на фиг. 7 - то же, седьмой вариант осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Выключатель для средних напряжений, показанный на фиг. 1, в основном состоит из изолирующего корпуса 1 со встроенным верхним электрическим выводом 2 и нижним электрическим выводом 3, образующими электрический выключатель для цепей среднего напряжения.
Верхний электрический вывод 2 соединен с соответствующим неподвижным электрическим контактом 4, который неподвижно закреплен на вставке 5 вакуумного прерывателя. Соответствующий нижний электрический контакт 6 установлен с возможностью перемещения относительно вставки 5.
Нижний электрический вывод 3 соединен с соответствующим нижним электрическим контактом 6 через электрический проводник 7. Подвижный нижний электрический контакт 6 выполнен с возможностью перемещения между замкнутым и разомкнутым положениями под действием толкателя 8. Электрический проводник 7 выполнен из гибкого медного волокнистого материала.
Нижний электрический вывод 3 соединен с кольцевой теплопередающей накладкой 9, которая расположена вдоль внутренней стенки изолирующего корпуса 1, окружающего толкатель 8. Кольцевая теплопередающая накладка выполнена из медного материала и передает высокую температуру от зоны нижнего электрического вывода 3 материалу изолирующего корпуса 1 с целью охлаждения.
Теплопередающая накладка 9 прикреплена к изолирующему корпусу 1 при помощи клеевого соединения, а к нижнему электрическому выводу 3 - при помощи по меньшей мере одного винта 10.
На фиг. 2 показан другой вариант выполнения теплопередающей накладки 9', имеющей форму зажима для прижатия этой накладки 9' к не показанной внутренней стенке изолирующего корпуса 1. Для создания прижимного усилия кольцевая теплопередающая накладка 9' имеет зажимной участок 11, создающий механическое напряжение.
В соответствии с другим вариантом, показанным на фиг. 2b, теплопередающая накладка 9ʺ имеет форму разомкнутого кольца. Прижимающее усилие обеспечивается обеими половинами накладки 9ʺ.
На фиг. 2c показан вариант выполнения теплопередающей накладки 9''' в форме замкнутого кольца. Поскольку замкнутое кольцо не может создать прижимающего усилия, теплопередающая накладка 9''' крепится к изолирующему корпусу 1 при помощи винтов, заклепок или при помощи клея или сварки. Кроме того, возможно формование теплопередающей накладки 9''' внутри стенки изолирующего корпуса 1.
На фиг. 2d показан другой вариант выполнения теплопередающей накладки 9'''' с ребрами 12, образованными на внутренней поверхности накладки 9'''' для увеличения ее поверхности с целью улучшения теплопередачи. Площадь поверхности может быть увеличена также за счет изогнутой или выступающей формы поверхности или за счет использования отдельных ребер, как показано на фиг. 2d.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 3a, теплопередающая накладка 9 расположена вдоль внутренней стенки изолирующего корпуса 1, окружающего толкатель 8. В отличие от этого варианта, на фиг. 3b показана кольцевая теплопередающая экран накладка 9, частично размещенная внутри стенки изолирующего корпуса 1 и также окружающая толкатель 8. Встраивание теплопередающей накладки 9 в стенку изолирующего корпуса 1 осуществляется в процессе формования.
Как показано на фиг. 4, теплопередающая накладка 9 проходит в осевом направлении в сторону открытого края изолирующего корпуса 1. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 5, теплопередающая накладка 9 проходит в осевом направлении от нижнего электрического вывода 3 в направлении вставки 5 вакуумного прерывателя. Теплопередающая накладка 9 также может быть выполнена из термопластического материала, предпочтительно из материала с относительно малым термическим сопротивлением.
Преимущество такого выполнения заключается в том, что указанная деталь может изготавливаться при сравнительно малых затратах, и она может даже создаваться совместно с изолирующим корпусом 1 при помощи двухэтапного литья под давлением, исключающего необходимость сборки отдельных деталей. Недостаток термопластических материалов, заключающийся в обычно более высоком термическом сопротивлении по сравнению с металлами, может быть компенсирован за счет увеличения поверхности теплопередающей накладки 8, как показано на следующих фигурах.
На фиг. 6 показан вариант выполнения полюсного элемента, согласно которому выполненный с возможностью перемещения электрический контакт 6 электрически соединен с нижним электрическим выводом 3 через скользящий контактный узел 13. Теплопередающая накладка 9 установлена в осевом направлении между скользящим контактным узлом 13 и нижней стороной вставки 5 вакуумного прерывателя.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, как показано на фиг. 7, теплопередающая накладка 9 образована на вставке 14, установленной с открытого нижнего торца изолирующего корпуса 1. Указанная вставка объединена с теплопроводящей накладкой 9, образуя единую деталь. Таким образом, вставка 14 для увеличения пути тока утечки от нижнего электрического вывода к заземленному основанию, а также прилегающая теплопередающая накладка 9 окружают толкатель 8 полюсного элемента.
Изобретение не ограничено описанными выше предпочтительными вариантами его осуществления, которые представлены лишь в качестве примеров, но также может подвергаться различным модификациям в рамках объема формулы изобретения.
Ссылочные позиции
1 изолирующий корпус
2 верхний электрический вывод
3 нижний электрический вывод
4 неподвижный электрический контакт
5 вставка вакуумного прерывателя
6 подвижный нижний электрический контакт
7 электрический проводник
8 толкатель
9 теплопередающая накладка
10 винт или заклепка
11 зажимной участок
12 ребристая структура
13 скользящий контактный узел
14 вставка