Высоковольтный ввод герметичного газонаполненного распределительного устройства
HIGH-VOLTAGE BUSHING OF SEALED GAS-FILLED SWITCHGEAR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высоковольтному оборудованию, в частности к высоковольтным герметичным газонаполненным устройствам и применяется для токопроводящего перехода от высоковольтной воздушной линии к токоведущей системе герметичного газонаполненного устройства и от токоведущей системы герметичного газонаполненного устройства к высоковольтной воздушной линии.
Известен подвижный переключающий блок высоковольтного коммутационного аппарата в металлической оболочке (патент US4016382, дата публикации 05.04.1977, МПК Н02В 3/00, Н02В 13/035), включающий в себя горизонтально расположенный корпус коммутационного аппарата с выступающими вбок изогнутыми частями, высоковольтные вводы, которые установлены на эти изогнутые части с возможностью поворота посредством герметичного поворотного механизма в транспортное положение, создающее меньший поперечный профиль. Высоковольтный ввод выполнен в виде полого изолятора и связанного с ним фланцевым соединением корпуса дугообразной формы. Поворотный механизм состоит из двух кольцевых дисков, опирающихся друг на друга, при этом один диск жестко соединен с корпусом коммутационного аппарата через патрубок. Другой кольцевой диск верхней частью закреплен к нижней части корпуса дугообразной формы. Внутри опорного изолятора соосно с ним установлен электрический проводник, который одним концом прикреплен к контактной площадке, при этом другой конец проводника удерживается в верхней части дугообразного корпуса во фланцевом соединении при помощи изолирующего диска и центруется им. Из места крепления изолирующего диска во фланцевом соединении электрический проводник переходит в дугообразный проводящий контактный элемент, расположенный в дугообразном корпусе и доходящий до точки поворота, где на его конце располагается контактный элемент в виде шара, который вместе с розеточным контактом образует контактное соединение известной конструкции. От розеточного контакта отходит изогнутый проводящий контактный элемент, переходящий в токопроводящий элемент, который соединяется с токоведущим элементом в корпусе коммутационного аппарата.
Недостатком такой конструкции является наличие твердой опорной изоляции в виде изолирующего диска внутри фланцевого соединения, что увеличивает общую массу оборудования и снижает надежность изоляции, так как в твердом диэлектрике могут возникать частичные разряды, которые в конечном итоге могут привести к разрушению диэлектрика, а расположение контактного соединения в месте стыковки фланцев создает дополнительное увеличение напряженности электрического поля, которое может привести к пробою диэлектрической среды. Кроме того, большое количество составных проводящих элементов сложной формы увеличивают трудоемкость изготовления и затрудняют процесс сборки всего изделия, а также создают вероятность увеличения электрического сопротивления всего проводящего контура за счет большого количества контактных переходов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является высоковольтный ввод, описанный в патенте DE10032656 В4, патентообладатель Siemens AG (номер заявки DE10032656, дата публикации 17.01.2002 г.), который выполняет функции токопроводящего перехода от высоковольтной воздушной линии к токоведущей системе газонаполненного устройства и от токоведущей системы газонаполненного устройства к высоковольтной воздушной линии, при этом наклон ввода обеспечивает требуемое минимальное изоляционное расстояние между наружными проводниками (фазами) с высоким напряжением. Высоковольтный ввод герметичной высоковольтной системы с газовой изоляцией включает полый изолятор с крышкой на верхнем конце для размещения высоковольтного соединения, дугообразный корпус в виде изогнутой трубы, закрепленный в нижней части изолятора и снабженный на другом конце нижним фланцем для крепления к корпусу газонаполненной системы, причем угол наклона изолятора относительно плоскости нижнего фланца корпуса меньше 90 градусов. В изоляторе соосно ему расположен электрический проводник, конец которого выступает в дугообразный корпус и связан с контактным узлом, снабженным твердой изолирующей опорой, закрепленной на внутренней стенке дугообразного корпуса. Контактный узел содержит три контактных элемента, первый из которых установлен в дугообразном корпусе по оси электрического проводника, при этом конец электрического проводника установлен в первый контактный элемент. Второй контактный элемент выполнен в форме усеченного цилиндра, опирается на изолирующую опору, расположенную в дугообразном корпусе, и установлен по оси, перпендикулярной плоскости нижнего фланца и проходящей через его центр, при этом секущая плоскость цилиндра образует торцевую поверхность, расположенную перпендикулярно продольной оси электрического проводника и связанную с первым контактным элементом. Третий контактный элемент цилиндрической формы также установлен по оси, перпендикулярной плоскости нижнего фланца, одним концом связан со вторым контактным элементом, другой его конец выступает из корпуса за плоскость нижнего фланца и служит для соединения с токоведущей системой коммутационного аппарата.
Недостатком такой конструкции высоковольтного ввода является наличие твердой изолирующей опоры внутри дугообразного корпуса, что увеличивает его массу и снижает надежность изоляции, так как в твердом диэлектрике могут возникать частичные разряды, которые в конечном итоге могут привести к разрушению диэлектрика, а выполнение второго контактного элемента в форме усеченного цилиндра из-за наличия острой кромки, образованной цилиндрической боковой и усеченной торцевой поверхностями, создает дополнительное увеличение напряженности электрического поля, которое может привести к пробою диэлектрической среды. Выполнение дугообразного корпуса в виде изогнутой трубы создает дополнительную вероятность пробоя газообразного диэлектрика внутри корпуса в месте острой кромки контактного элемента, так как за счет изгиба корпуса уменьшается изоляционное расстояние.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является увеличение надежности высоковольтного ввода.
Технический результат заявленного изобретения предусматривает увеличение надежности высоковольтного ввода за счет изменения конструкции и формы элементов контактного узла, а также примыкающего к изолятору корпуса, что позволяет исключить применение твердой изоляции внутри корпуса.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в высоковольтном вводе герметичного газонаполненного распределительного устройства, включающем полый изолятор, выполненный с крышкой на верхнем конце для размещения контактной площадки, и соединенный с нижней частью изолятора корпус, снабженный нижним фланцем для крепления к герметичному газонаполненному распределительному устройству, при этом угол наклона изолятора относительно плоскости нижнего фланца меньше 90 градусов, внутри изолятора в его нижней части установлен экран и по всей длине соосно изолятору установлен электрический проводник, нижний конец которого выступает во внутренний объем корпуса и связан с установленным с ним по одной оси первым контактным элементом контактного узла, содержащего три контактных элемента, причем второй и третий контактные элементы установлены по оси, перпендикулярной плоскости нижнего фланца и проходящей через его центр, второй контактный элемент выполнен в виде усеченного тела, секущая плоскость которого образует торцевую поверхность, расположенную в корпусе перпендикулярно продольной оси электрического проводника и связанную с первым контактным элементом, согласно изобретению корпус выполнен сферической формы с переходом со стороны крепления изолятора в конусообразную форму, второй контактный элемент содержит удлиненную цилиндрическую часть, которая со стороны первого контактного элемента плавно переходит в шарообразную часть, ограниченную торцевой поверхностью, образованной усечением шарообразной части или шарообразной части и цилиндрической части, причем цилиндрическая часть расположена в корпусе и выступает за пределы нижнего фланца, второй контактный элемент выполнен со сквозной продольной полостью, в которой установлен соединительный элемент с выступающим из полости концевым участком, выполненным с возможностью жесткого соединения с токоведущей системой герметичного газонаполненного распределительного устройства, причем второй контактный элемент зафиксирован на соединительном элементе в требуемом положении, определяющем направление расположения ввода, при этом обращенные друг к другу сопрягаемые боковые поверхности второго контактного элемента и соединительного элемента выполнены с возможностью вращения второго контактного элемента относительно соединительного элемента в процессе сборки ввода до установки его в требуемое положение, третий контактный элемент выполнен с осевым отверстием, через которое проходит концевой участок соединительного элемента.
В частном случае боковая поверхность шарообразной части второго контактного элемента, образованная радиусом, лежащим в плоскости, расположенной параллельно плоскости нижнего фланца корпуса, выступает над соответствующей боковой поверхностью цилиндрической части этого контактного элемента.
В частном случае корпус снабжен верхним фланцем, при этом на изоляторе выполнен ответный фланец.
В частном случае корпус снабжен по крайней одним ребром жесткости.
В частном случае сквозная продольная полость второго контактного элемента выполнена с участками разного диаметра, при этом соединительный элемент выполнен в виде направляющего болта с цилиндрической гладкой боковой поверхностью, шестигранной головкой и концевым участком с резьбовой поверхностью.
В частном случае первый контактный элемент выполнен в виде розеточного контакта, электрический проводник выполнен в виде трубчатого элемента, причем в шарообразной части второго контактного элемента перпендикулярно его торцевой поверхности выполнено крепежное отверстие, в которое установлен направляющий болт, связывающий первый и второй контактные элементы, при этом конец электрического проводника установлен концентрично между направляющим болтом и первым контактным элементом. Крепежное отверстие в шарообразной части второго контактного элемента выполнено сквозным.
Сущность изобретения поясняется следующим образом.
Выполнение корпуса сферической формы с переходом со стороны крепления изолятора в конусообразную форму, а второго контактного элемента, связанного с первым контактным элементом, в виде усеченного тела, содержащего удлиненную цилиндрическую часть, которая со стороны первого контактного элемента плавно переходит в шарообразную часть, ограниченную торцевой поверхностью, образованной усечением шарообразной части или шарообразной части и цилиндрической части, позволило сохранить необходимые изоляционные расстояния от контактных элементов до внутренней стенки корпуса и уменьшить электрическую напряженность поля в месте соединения контактных элементов с электрическим проводником, тем самым значительно снизить вероятность пробоя газовой изоляции и повысить надежность конструкции высоковольтного ввода. Переход сферической части корпуса в конусообразную часть обеспечивает небольшие габариты корпуса.
Образование торцевой поверхности второго контактного элемента усечением шарообразной части или шарообразной части и цилиндрической части может быть выполнено под разным углом, который зависит от угла наклона изолятора относительно плоскости нижнего фланца корпуса. При увеличении этого угла торцевая поверхность второго контактного элемента может быть образована только усечением шарообразной части, а при уменьшении угла - усечением шарообразной части и цилиндрической части, но так как в любом случае со стороны первого контактного элемента, связанного с электрическим проводником, второй контактный элемент будет выполнен шарообразной формы, что исключает образование острой кромки, то электрическое поле будет относительно равномерным, а напряженность электрического поля будет относительно невысокая при одних и тех же изоляционных расстояниях.
Установка удлиненной цилиндрической части второго контактного элемента внутри корпуса с выступанием за пределы нижнего фланца и выполнение второго контактного элемента со сквозной продольной полостью, в которой установлен соединительный элемент с выступающим из полости концевым участком, выполненным с возможностью обеспечения жесткого соединения с токоведущей системой герметичного газонаполненного распределительного устройства, позволяет обеспечить механическую жесткость конструкции всей внутренней токоведущей системы ввода и тем самым исключить необходимость применения фиксирующей изоляционной опоры для контактных элементов в корпусе.
Выполнение обращенных друг к другу сопрягаемых боковых поверхностей второго контактного элемента и соединительного элемента с возможностью вращения второго контактного элемента относительно соединительного элемента позволяет в процессе сборки ввода и/или регулировки установить его в требуемое положение, определяющее направление расположения ввода. Фиксация второго контактного элемента на соединительном элементе в требуемом положении позволяет закрепить второй контактный элемент с расположением усеченной торцевой поверхности в том направлении, в котором будет расположен ввод на корпусе герметичного газонаполненного распределительного устройства.
Выполнение третьего контактного элемента с осевым отверстием, через которое проходит концевой участок соединительного элемента, выполненный с возможностью установки в токоведущую систему герметичного газонаполненного распределительного устройства, позволяет обеспечить контактное соединение высоковольтного ввода с токоведущей системой.
Выступание боковой поверхности шарообразной части второго контактного элемента, образованной радиусом, лежащим в плоскости, расположенной параллельно плоскости нижнего фланца корпуса, над соответствующей боковой поверхностью цилиндрической части, достигается выполнением шарообразной части радиусом большего размера, чем цилиндрическая часть, и позволяет без увеличения радиуса цилиндрической части контактного элемента увеличить площадь контактной поверхности в месте соединения первого и второго контактных элементов, тем самым уменьшить переходное сопротивление и, как следствие, снизить локальный перегрев при длительном протекании тока.
Снабжение в частном случае корпуса верхним фланцем и выполнение на изоляторе ответного фланца позволяет обеспечить удобную сборку и разборку этого фланцевого соединения, что, в свою очередь, позволяет соединить первый и второй контактные элементы без снятия корпуса и увеличивает ремонтопригодность всей конструкции за счет возможности проводить манипуляции на контактных элементах без полной разборки ввода.
Выполнение в частном случае корпуса по крайней мере с одним ребром жесткости позволяет увеличить механическую прочность конструкции, что имеет значение при воздействии на ввод сил тяжения проводов и ветровой нагрузки. При этом не требуется увеличивать толщину стенки корпуса, что приводит дополнительно к уменьшению массы корпуса и всего высоковольтного ввода.
Выполнение в частном случае сквозной продольной полости второго контактного элемента с участками разного диаметра и соединительного элемента в виде направляющего болта, содержащего цилиндрическую гладкую боковую поверхность, шестигранную головку, установленные в полости второго контактного элемента, и концевой участок с резьбовой поверхностью, позволяет упростить процесс сборки контактного узла, закрепить второй контактный элемент на направляющем болте при помощи винта, для чего не потребуется специальный инструмент, достаточно применение стандартного инструмента. Цилиндрическая гладкая поверхность направляющего болта, на которую установлен второй контактный элемент, во время сборки и/или регулировки позволяет свободно вращать второй контактный элемент, а резьбовая поверхность служит для соединения контактной части высоковольтного ввода с токоведущей системой герметичного газонаполненного распределительного устройства
Выполнение в частном случае первого контактного элемента в виде розеточного контакта, электрического проводника в виде трубчатого элемента и в шарообразной части второго контактного элемента крепежного отверстия, расположенного перпендикулярно торцевой поверхности второго контактного элемента, позволило закрепить первый и второй контактный элемент при помощи направляющего болта и установить конец электрического проводника концентрично между направляющим болтом и первым контактным элементом, тем самым обеспечить надежную токопроводящую связь этих элементов между собой. При этом крепежное отверстие в шарообразной части второго контактного элемента выполнено сквозным, что привело к увеличению прочности резьбового соединения болта со вторым контактным элементом.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в области высоковольтного оборудования с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого в качестве изобретения технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, что позволило сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности изобретения «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного выполнения высоковольтного ввода герметичного газонаполненного распределительного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид высоковольтного ввода герметичного газонаполненного распределительного устройства в разрезе;
- на фиг.2 изображена выноска А на фиг.1;
- на фиг.3 изображен высоковольтный ввод, установленный на корпусной элемент герметичного газонаполненного распределительного устройства.
Высоковольтный ввод герметичного газонаполненного распределительного устройства включает полый изолятор 1 с крышкой 2 на его верхнем конце, на которой размещена контактная площадка 3 для подключения проводника высоковольтной линии электропередач (на чертеже не показан), и соединенный с нижней частью изолятора 1 корпус 4. Корпус 4 выполнен сферической формы с переходом со стороны крепления изолятора 1 в конусообразную форму и снабжен нижним фланцем 5 (фиг.1). Корпус 4 снабжен верхним фланцем 6, при этом на ответной поверхности изолятора 1 выполнен фланец 7. Нижний фланец 5 предназначен для крепления к герметичному газонаполненному распределительному устройству, причем продольная ось изолятора 1 образует относительно плоскости В, в которой расположен нижний фланец 5, угол наклона α, который меньше 90 градусов. Корпус может быть снабжен по крайней мере одним ребром жесткости 8, наличие которого зависит от толщины стенки корпуса 4.
Внутри изолятора 1 соосно с ним в нижней части установлен экран 9 и по всей длине изолятора 1 соосно ему установлен электрический проводник 10, один конец которого связан с крышкой 2 изолятора 1, при этом другой конец электрического проводника 10 выступает во внутренний объем корпуса 4 и связан с установленным с ним по одной оси первым контактным элементом 11 контактного узла. Контактный узел содержит три последовательно установленных и связанных между собой контактных элемента 11, 12, 13.
Второй контактный элемент 12 и связанный с ним третий контактный элемент 13 установлены по оси С, перпендикулярной плоскости В и проходящей через центр фланца 5. Второй контактный элемент 12 выполнен в виде усеченного тела, содержащего удлиненную цилиндрическую часть 14 (фиг.2), которая со стороны первого контактного элемента 11 плавно переходит в шарообразную часть 15, ограниченную торцевой поверхностью, образованной усечением шарообразной части 15 и цилиндрической части 14. Торцевая поверхность второго контактного элемента 12 расположена перпендикулярно продольной оси электрического проводника и связана с первым контактным элементом 11. Образование торцевой поверхности усечением только шарообразной части 15 возможно, если соблюдено условие, что образованная усечением торцевая поверхность перпендикулярна оси электрического проводника 10, установленного соосно изолятору 1, ось которого относительно плоскости В, в которой расположен нижний фланец 5, образует угол наклона меньше 90 градусов.
Удлиненная цилиндрическая часть 14 выступает за пределы нижнего фланца 5 корпуса 4. При этом второй контактный элемент 12 выполнен со сквозной продольной полостью, в которой установлен соединительный элемент 16, снабженный выступающим из полости концевым участком 17 для обеспечения жесткого соединения с токоведущей системой (на чертеже не показана) герметичного газонаполненного распределительного устройства.
Второй контактный элемент 12 зафиксирован в требуемом положении на соединительном элементе 16 при помощи фиксирующего элемента, например винта 18. Установка в требуемое положение второго контактного элемента 12 обеспечивается в процессе сборки и/или регулировки ввода вращением второго контактного элемента 12 относительно боковой поверхности соединительного элемента 16 за счет выполнения обращенных друг к другу сопрягаемых боковых поверхностей гладкими, при этом торцевая поверхность контактного элемента 12, образованная усечением шарообразной части 15 или шарообразной части 15 и цилиндрической части 14, устанавливается в направлении, которое соответствует направлению расположения ввода на корпусе герметичного газонаполненного распределительного устройства.
Продольная полость второго контактного элемента 12 выполнена с участками разного диаметра, при этом установленный в полости соединительный элемент 16 выполнен в виде направляющего болта (фиг.2), содержащего установленные в полости цилиндрическую часть с боковой гладкой поверхностью и шестигранную головку на верхнем конце, в которую установлен винт 18. Выступающий из полости концевой участок 17 направляющего болта выполнен меньшего диаметра, чем цилиндрическая часть болта, и снабжен резьбовой поверхностью.
Третий контактный элемент 13 выполнен с осевым отверстием, через который проходит концевой участок 17. Третий контактный элемент 13 выполнен в виде розеточного контакта, который установлен концентрично с концом цилиндрической части 14.
1
2
1
Шарообразная часть 15 выполнена радиусом R, большим, чем радиус R цилиндрической части 14, при этом боковая поверхность шарообразной части 15, образованная радиусом R, лежащим в плоскости, параллельной плоскости нижнего фланца 5 корпуса 4, выступает над соответствующей боковой поверхностью цилиндрической части 14. Шарообразная часть 15 может быть выполнена с радиусом, равным радиусу цилиндрической части 14.
Электрический проводник 10 выполнен в виде трубчатого элемента, при этом контактный элемент 11 выполнен в виде розеточного контакта с одним осевым отверстием. В шарообразной части 15 второго контактного элемента 12 перпендикулярно его торцевой поверхности выполнено сквозное крепежное отверстие, в которое установлен направляющий болт 19, проходящий через осевое отверстие розеточного контакта 11 и связывающий первый Ни второй 12 контактные элементы. При этом конец электрического проводника 10 установлен концентрично между направляющим болтом 19 и первым контактным элементом 11. Крепежное отверстие в шарообразной части 15 может быть выполнено глухим при увеличении диаметра отверстия для обеспечения достаточной прочности резьбового соединения. Возможно применение контактного элемента 11 в виде розеточного контакта с несколькими отверстиями при выполнении ответных отверстий для крепления на втором контактном элементе 12, а также применение контактных элементов известных специалистам в данной области, например в виде корпусной части с контактной пружиной.
Сборка и крепление высоковольтного ввода на корпусные элементы герметичного газонаполненного распределительного устройства осуществляется следующим образом.
Соединительный элемент 16 с концевым участком 17, выполненным с резьбовой поверхностью, на который надет третий контактный элемент 13 в виде розеточного контакта, устанавливают в токоведущую систему (на чертеже не показана) герметичного газонаполненного распределительного устройства, обеспечивая соединение третьего контактного элемента 13 с элементом токоведущей системы. Контактный элемент 12 устанавливают в контактный элемент 13, при этом цилиндрическая часть 14 контактного элемента 12 надевается на соединительный элемент 16, выполненный в виде направляющего болта, и садится на него. Для обеспечения требуемого положения высоковольтного ввода относительно корпуса газонаполненного распределительного устройства контактный элемент 12 вращают относительно боковой поверхности направляющего болта 16 до расположения торцевой поверхности контактного элемента 12 в том направлении, в котором должен быть расположен ввод на корпусе герметичного газонаполненного распределительного устройства.
После установки и требуемое положение контактный элемент 12 фиксируют относительно соединительного элемента 16 винтом 18, устанавливают корпус 4 и нижний фланец 5 закрепляют на горизонтально расположенном фланце корпусного элемента герметичного газонаполненного распределительного устройства. Через верхнее фланцевое отверстие 6 корпуса 4 устанавливают контактный элемент 11 на торцевую поверхность контактного элемента 12. Контактные элементы 11 и 12 соединяются между собой направляющим болтом 19 через отверстие, выполненное в торцевой поверхности контактного элемента 12. На корпус 4 устанавливают экран 9. Собранные между собой изолятор 1, крышка 2 с контактной площадкой 3 и электрический проводник 10 через фланцевое соединение 7, 6 закрепляют на корпусе 4, при этом электрический проводник 10 устанавливается в контактный элемент 11 и создается токопроводящее соединение от контактной площадки 3 до токоведущей системы герметичного газонаполненного распределительного устройства (фиг.3).
Высоковольтный ввод герметичного газонаполненного распределительного устройства работает следующим образом. При подключении проводника высоковольтной линии электропередач к контактной площадке 3 через образованный электрическим проводником 10, проходящим внутри изолятора, и контактными элементами 11, 12, 13 токопроводящий переход идет передача электрической энергии от высоковольтной линии до токоведущей системы герметичного газонаполненного распределительного устройства. Если герметичное газонаполненное распределительное устройство содержит хотя бы два таких ввода, через второй ввод осуществляется передача электрической энергии от токоведущей системы герметичного газонаполненного распределительного устройства к конечному потребителю электрической энергии или на другие объекты сети электроснабжения, например на силовой понижающий трансформатор напряжения или на высоковольтную линию.
Таким образом, благодаря выполнению корпуса сферической формы с переходом со стороны крепления изолятора в конусообразную форму, исключению острой кромки у второго контактного элемента за счет выполнения его в виде удлиненной цилиндрической части, плавно переходящей с одной стороны в шарообразную часть с усеченной поверхностью, выполнение второго контактного элемента с возможностью поворота и фиксации на установленном в его полости соединительном элементе позволило исключить опорную изоляцию и сохранить необходимые изоляционные расстояния от контактных элементов до внутренней стенки корпуса, что привело к уменьшению электрической напряженности поля в месте соединения контактных элементов с электрическим проводником, тем самым повысило надежность конструкции высоковольтного ввода герметичного газонаполненного распределительного устройства.