СИЛОВОЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
CIRCUIT BREAKER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области генерации и передачи электрической энергии. Оно относится к силовому выключателю согласно родовому понятию независимого пункта формулы изобретения, который используется, в частности, на электростанциях, трансформаторных подстанциях и других устройствах электроснабжения для включения и отключения рабочих токов и сверхтоков, особенно в диапазоне среднего и высокого напряжения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подобный переключатель известен, например, из европейских патентных заявок ЕР 0696040 A1 и 0951039 A1, содержание и раскрытие которых полностью включено посредством ссылки в данную патентную заявку.
При переключении больших токов, которые, в частности, возникают в случае короткого замыкания, в таких переключателях в изолирующем газе в напорной камере и перепускном канале обычно возникают высокие давления в диапазоне от 10 до 100 бар и температуры выше 2300K. При очень высоких токах, в частности, в диапазоне выше 250kA, и/или в компактно сконструированных переключателях могут также возникать температуры до 3000K или выше. Это может привести к тому, что на выполненном как металлическое кольцо запорном элементе обратного клапана, который встроен во входное отверстие перепускного канала в объем для нагрева для изолирующего газа, возникают пластические деформации, которые приводят к тому, что обратный клапан не может удовлетворительно выполнять свою функцию.
Как показали испытания, такие пластические деформации хотя и могут за счет более массивного выполнения запорного элемента предотвращаться или по меньшей мере в значительной степени снижаться, однако это одновременно приводит к повышенной инерционности обратного клапана, так что он в необходимом случае запирает перепускной канал недостаточно быстро, из-за чего нежелательно много изолирующего газа может вытекать из объема для нагрева.
Из DE 29604500 U1 известен выключатель с дутьевым поршнем, в котором дутьевой поршень покрыт слоем термостойкого пластика, такого как PTFE или полиамид, чтобы служить в качестве электрического экранирования по отношению к контактному элементу или чтобы предотвращать образование оснований коммутационной дуги на дутьевом поршне.
Поэтому задачей изобретения является создание силового выключателя, посредством которого можно избежать описанных выше недостатков.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие задачи достигаются с помощью силового выключателя с признаками независимого пункта формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующий изобретению силовой выключатель, который может переключаться между положением включения и положением выключения, так что в положении выключения образуется раствор контактов, который включает в себя дуговое пространство; содержит объем для хранения гасящего газа, газообмене с дуговым пространством, причем объем для хранения содержит впуск для гасящего газа, причем на впуске, кроме того, предусмотрен клапан, который содержит запорный элемент, посредством которого впуск может запираться. Запорный элемент имеет теплоизоляционное покрытие. Теплоизоляционное покрытие служит для предотвращения пластических деформаций запорного элемента.
В альтернативном варианте осуществления соответствующего изобретению силового выключателя, который может переключаться между положением включения и положением выключения, содержащего первый силовой вывод и второй силовой вывод, причем в положении включения между первым силовым выводом и вторым силовым выводом образуется электропроводное соединение, в положении выключения между первым силовым выводом и вторым силовым выводом образуется раствор контактов, причем раствор контактов включает в себя дуговое пространство, которое образовано между первым контактным элементом, электропроводно соединенным с первым силовым выводом, и вторым контактным элементом, электропроводно соединенным с вторым силовым выводом, объем для хранения гасящего газа, состоящий в газообмене с дуговым пространством, причем объем для хранения содержит впуск для гасящего газа, и причем во впуске предусмотрен клапан, который содержит запорный элемент, посредством которого впуск может запираться, запорный элемент имеет теплоизоляционное покрытие. И в данном случае теплоизоляционное покрытие служит для предотвращения пластических деформаций запорного элемента.
В предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению силового выключателя в качестве теплоизоляционного покрытия используется пластик, предпочтительно полимер. Особенно предпочтительно при этом применяется термореактивная пластмасса, потому что она остается твердой до температуры разложения, и, таким образом, в частности, предотвращается каплеобразование. Такое каплеобразование происходит в некоторых случаях с эластомерными и, в частности, термопластичными пластиками и часто приводит при температуре в диапазоне или выше температуры разложения соответствующего пластика к образованию пламени, в частности, путем воспламенения образованных капель или капелек. Особенно предпочтительно в качестве пластика используется эпоксидная смола или система на основе эпоксидной смолы.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению силового выключателя, в качестве теплоизоляционного покрытия используется пластмасса, в частности, эпоксидная смола или система на основе эпоксидной смолы, которая снабжена одним или более наполнителей, которые, в частности, по меньшей мере, по существу, равномерно распределены в объеме пластмассы. В качестве наполнителя может, в частности, использоваться керамический порошок, такой как оксид алюминия; но также с сульфидом молибдена в порошкообразной форме в экспериментах были получены хорошие результаты. При этом наполнитель повышает, с одной стороны, устойчивость к обгоранию пластмассы, а с другой стороны, механическую прочность как теплоизоляционного покрытия, так и снабженного покрытием запорного элемента в целом.
В другом предпочтительном варианте соответствующего изобретению силового выключателя для теплоизоляционного покрытия выбран материал, в частности, пластик, как изложено выше, который имеет низкую теплопроводность λ при λ≤10 Вт/(мК), предпочтительно λ≤1,0 Вт/(мК) и особенно предпочтительно λ≤0,3 Вт/(мК). Это позволяет даже при относительно тонком покрытии с толщиной в диапазоне нескольких 10 мкм обеспечить достаточную теплоизоляцию.
2
2
2
В другом предпочтительном варианте соответствующего изобретению силового выключателя для теплоизоляционного покрытия выбран материал, в частности, пластик, как изложено выше, который имеет модуль упругости Е при Е ≥ 5 ГН/м, предпочтительно Е ≥ 10 ГН/м и особенно предпочтительно Е ≥ 20 ГН/м. В частности, в сочетании с запорным элементом из металла с относительно низким модулем упругости, такого как, в частности, алюминий, магний и т.д., это приводит в сочетании с твердым, необратимым соединением материалов, как оно образуется между запорным элементом и теплоизоляционным покрытием, к повышенной жесткости, в частности, при кольцевых запорных элементах и, тем самым, к снижению пластических деформаций запорного элемента в процессе отключения.
-6
-6
-6
В другом предпочтительном варианте соответствующего изобретению выключателя для теплоизоляционного покрытия выбран материал, в частности, пластик, как изложено выше, который имеет температурный коэффициент линейного расширения α при α≤20⋅10/Κ, предпочтительно α≤15⋅10/Κ и особенно предпочтительно α≤10⋅10/Κ. В частности, в сочетании с запорным элементом из металла с относительно высоким коэффициентом линейного расширения, такого как, в частности, алюминий, бериллий, магний и т.д., это приводит в сочетании с твердым, необратимым соединением материалов, как оно образуется между запорным элементом и теплоизоляционным покрытием, к снижению пластических деформаций запорного элемента в процессе отключения.
G
G
G
G
В другом предпочтительном варианте соответствующего изобретению силового выключателя для теплоизоляционного покрытия выбран пластик, который имеет температуру стеклования, T, при T≥293K, предпочтительно T≥323K и особенно предпочтительно T≥373K. При этом выбор пластика с высокой температурой стеклования обеспечивает особенно высокую прочность при высоких температурах и, следовательно, обеспечивает особенно эффективное снижение пластических деформаций силового выключателя в процессе выключения.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению силового выключателя для теплоизоляционного покрытия используются керамический материал или перфторуглероды, в частности, политетрафторэтилен (PTFE).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧРТЕЖЕЙ
На фигурах схематично показано:
Фиг.1 - частичное осевое продольное сечение соответствующего изобретению выключателя;
Фиг.2 - соответствующий области А на Фиг.1, увеличенный фрагмент соответствующего изобретению силового выключателя;
Фиг.3 - поперечное сечение первого запорного элемента для силового выключателя в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
В основном, одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые части.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
6
Фиг.1 показывает частичное осевое продольное сечение соответствующего изобретению силового выключателя, в частности, генераторного выключателя, который слева показан в положении включения, а справа - в положении выключения. Силовой выключатель имеет корпус 1, который выполнен по меньшей мере частично вращательно-симметричным относительно оси 2 переключения, проходящей в осевом направлении. Корпус 1 содержит верхнюю часть 3 корпуса и нижнюю часть 4 корпуса, обе из металла, которые соединены с помощью цилиндрической средней части 5 корпуса из изоляционного материала. Верхняя часть 3 корпуса соединена с первым силовым выводом, нижняя часть 4 корпуса соединена со вторым силовым выводом силового выключателя. Весь корпус 1 заполнен изолирующим газом, предпочтительно SF, который служит в качестве гасящего газа.
На высоте средней части 5 корпуса снаружи образован путь номинального тока, который включает в себя примыкающие, соответственно, к верхней части 3 корпуса и нижней части 4 корпуса, расположенные на расстоянии друг от друга в осевом направлении по периметру стационарные контакты номинального тока, верхний стационарный контакт 6 номинального тока и нижний стационарный контакт 7 номинального тока, а также подвижный контакт 8 номинального тока с контактными пальцами, следующими в окружном направлении друг за другом, перекрывающими, соответственно, расстояние между стационарными контактами 6, 7 номинального тока. Подвижный контакт 8 номинального тока соединен с не показанным приводом переключения, посредством которого он может смещаться в осевом направлении между положением включения силового выключателя, в котором он перекрывает расстояние между верхним стационарным контактом 6 номинального тока и нижним стационарным контактом 7 номинального тока, и положением выключения силового выключателя, в котором он находится на расстоянии от верхнего стационарного контакта 6 номинального тока.
Верхняя часть 3 корпуса закрыта снизу горизонтальной первой перегородкой 9. На нее опирается стационарная часть переключающего устройства 10 защиты от обгорания. В центральном отверстии первой перегородки 9 размещен в качестве первого контактного элемента тюльпановидный контакт 11 с несколькими следующими друг за другом в окружном направлении, ориентированными наклонно вниз и относительно оси 2 переключения, разделенными прорезями упругими контактными пальцами. Напротив тюльпановидного контакта 11 размещено окружающее ось 2 переключения сопло 12 из электрически изолирующего материала, которое имеет форму сужающейся вверх воронки. В расположенной в нижней части 4 корпуса направляющей 13 скольжения, которая также устанавливает электропроводное соединение, размещен в качестве второго контактного элемента контактный штифт 14, перемещаемый в осевом направлении с помощью привода переключения, который в положении включения силового выключателя входит в тюльпановидный контакт 11 и контактирует с внешней стороны с его контактными пальцами. При этом последние упруго деформируются, так что они оказывают сравнительно высокое контактное давление на контактный штифт 14. Направляющая 13 скольжения закреплена на второй перегородке 15, которая закрывает нижнюю часть 4 корпуса сверху. В центральном отверстии второй перегородки 15 закреплено сопло 12.
В положении выключения силового выключателя контактный штифт 14 выведен вниз, так что его конец находится ниже сопла 12. Между тюльпановидным контактом 11 и контактным штифтом 14 находится тогда дуговое пространство 16. Если в начале процесса переключения, в котором силовой выключатель переводится из положения включения в положение выключения, достаточно большой ток протекает между первым и вторым силовым выводом, то в конце процесса переключения между упомянутыми контактными элементами в дуговом пространстве 16 образуется электрическая дуга 17. Дуговое пространство 16 окружено связанным кольцеобразным объемом для хранения, который служит в качестве объема 18 для нагрева. Объем 18 для нагрева связан с дуговым пространством 16 через зазор, отделяющий тюльпановидный контакт 11 от сопла 12, образующий окружную дутьевую щель 19, соответственно. Тем самым дутьевая щель 19 образует выпуск и служит в качестве дутьевого отверстия, ориентированного напротив дугового пространства 16. С внешней стороны объем 18 для нагрева закрыт окружной третьей перегородкой 20 из теплоизоляционного материала, который служит в качестве изолятора камеры нагрева.
К дуговому пространству 16 сверху примыкает отделенная от него отверстием, образованным концами контактных пальцев тюльпановидного контакта 11, камера нагнетания 25, которая ограничена расширяющимся вверх тюльпановидным контактом 11 и примыкающей кольцеобразной крышкой 26 из электроизолирующего материала, а также колпаком 27 из стали, причем последний окружает крышку 26 на расстоянии и снаружи от нее упирается в первую перегородку 9. Крышка 26 и отстоящий от нее колпак 27 формируют между собой вращательно симметричный относительно оси 2 переключения перепускной канал 28, который в первой области ведет от камеры нагнетания 25 со всех сторон радиально наружу и затем во второй области отклоняется вниз и в осевом направлении направляется к объему 18 для нагрева. Эффективное поперечное сечение перепускного канала 28, таким образом, расширяется в первой области постоянно в направлении от оси переключении. Входное отверстие перепускного канала 28 в объем 18 для нагрева образует впуск для изолирующего газа. Во входном отверстии установлен первый обратный клапан, который имеет первый запорный элемент, который выполнен как окружное жесткое, предпочтительно выполненное из пружинной стали, первое металлическое кольцо 29. На обратной стороне первого металлического кольца 29, обращенной к перепускному каналу 28, предусмотрено теплоизоляционное покрытие 29а из эпоксидной смолы. В качестве выхлопного отверстия, которая соединяет камеру нагнетания 25 с внутренностью верхней части 3 корпуса, которая служит в качестве выхлопного объема 30, в колпаке 27 предусмотрено центральное выхлопное отверстие 31. Снизу к дуговому пространству 16 примыкает другой выхлопной объем 30’ в нижней части 4 корпуса.
На второй перегородке 15 размещено несколько, например, четыре распределенных по окружности дутьевого цилиндра 21 с приводимыми в действие приводом переключения дутьевыми поршнями 22, которые соединены, соответственно, с помощью дутьевых каналов 23 с объемом 18 для нагрева. Во входных отверстиях дутьевых каналов 23 в объем 18 для нагрева встроен второй обратный клапан, который имеет второй запорный элемент, который выполнен как окружное, жесткое, второе металлическое кольцо 24.
В деталях, процесс выключения выполняется следующим образом:
С помощью не показанного привода переключения, исходя из положения включения, показанного слева, подвижный контакт 8 номинального тока, контактный штифт 14 и дутьевой поршень 22 перемещаются вниз. Вскоре после начала этого движения, подвижный контакт 8 номинального тока отделяется от верхнего стационарного контакта 6 номинального тока, в результате чего путь номинального тока прерывается, и ток коммутируется на переключающее устройство 10 защиты от обгорания. Несколько позже контактный штифт 14 выводится из тюльпановидного контакта 11. Между этими контактными элементами образуется электрическая дуга 17, которая проходит в конце движения переключения через дуговое пространство 16, которое было разомкнуто при движении контактного штифта 14 через раствор контактов. При этом в объеме 18 для нагрева происходит нарастание давления из-за перемещения дутьевого поршня 22 , которое вызывает течение изолирующего газа из дутьевого поршня 21 по каналам 23 в объем 18 для нагрева. Если давление изолирующего газа, установившееся в объеме 18 для нагрева также из-за других воздействий, превышает некоторое дутьевое давление, то замыкается второй обратный клапан 24 и предотвращает утечку газа из объема 18 для нагрева в дутьевые каналы 23.
За счет тепла от электрической дуги 17, излучаемого через дутьевую щель 19 в объем 18 для нагрева, находящийся в нем изолирующий газ сильно нагревается, так что давление в объеме 18 для нагрева дополнительно значительно повышается.
Еще один очень существенный вклад в повышение давления в объеме 18 для нагрева обеспечивается давлением на основе пинч-эффекта в электрической дуге 17, которое генерируется быстрым самостягиванием ее в области оси 2 переключения и кратковременно вызывает сильный осевой поток из дугового пространства 16 в камеру нагнетания 25 и сильное увеличение давления в ней. Это давление частично отводится по перепускному каналу 28 в объем 18 для нагрева. При этом предпочтительно, что сопротивление потока в перепускном канале 28, благодаря расширению его поперечного сечения, его прямому направлению и выполнению без встроенных элементов является очень низким. Первый обратный клапан на входном отверстии перепускного канала 28 в объем 18 для нагрева, в свою очередь, предотвращает утечку газа из объема 18 для нагрева, когда давление там превышает давление в камеры нагнетания 25, которое обычно сравнительно быстро снижается.
При очень высоких токах генерируется настолько высокое давление на основе пинч-эффекта, что полный перепуск газа в объем для нагрева привел бы к механической и термической перегрузке переключающего устройства 10 защиты от обгорания. Поэтому избыточное давление через выхлопное отверстие 31 непосредственно выводится в выхлопной объем 30. Центральное расположение выхлопного отверстия 31 является предпочтительным, так как сверхвысокое давление на основе пинч-эффекта прежде всего генерирует скачок давления в осевом направлении, который может без вреда выводиться через выхлопное отверстие 31. Чтобы уменьшить токовую зависимость нарастания давления в камере нагнетания 25, предпочтительно можно установить предохранительный клапан в выхлопное отверстие. После создания высокого давления в объеме 18 для нагрева при следующем переходе через нуль электрическая дуга 17 гасится, при этом изолирующий газ из объема 18 для нагрева вытекает частично через дутьевую щель 19 и тюльпановидный контакт 11 в камеру нагнетания 25, в которой давление к этому моменту времени уже сильно снизилось, и далее течет через выхлопное отверстие 31 в выхлопной объем 30. Дутьевая щель 19 служит, таким образом, в качестве выпуска для изолирующего газа из объема 18 для нагрева в дуговое пространство 16. При истечении, газовый поток изолирующего газа принудительным образом пересекает разрядный промежуток и удаляет в области пересечения в значительной степени все ионизированные газы, так что после перехода через нуль дуга не может больше образовываться. Другая часть изолирующего газа течет параллельно дуговому промежутку 16 через сопло 12 в другой выхлопной объем 30’.
Фиг.2 показывает в схематичном представлении область А на Фиг.1 в увеличенном масштабе, в котором детально изображено теплоизоляционное покрытие 29а из эпоксидной смолы, предусмотренное на обратной стороне первого металлического кольца 29, обращенной к перепускному каналу 28.
При этом толщина теплоизоляционного покрытия 29а предпочтительно выбрана меньшей, чем поперечное сечение металлического кольца 29, которое определяется как квадратный корень площади поперечного сечения металлического кольца 29, предпочтительно меньше, чем минимальная протяженность в длину металлического кольца 29 в поперечном сечении.
При этом первое металлическое кольцо 29 удерживается в положении посредством выполненного по меньшей мере частично по окружности выступа 9а, который выполнен противоположно входному отверстию перепускного канала 28, ведущего в объем 18 для нагрева, на выпуклой части 9b, предусмотренной на первой перегородке 9. Предпочтительно, между первым металлическим кольцом 29 и выступом 9а могут быть предусмотрены одна или несколько не показанных на Фиг.2 пружин, в частности, спиральных или плоских пружин, чтобы первое металлическое кольцо 29 прижать к входному отверстию или обеспечить его предварительное напряжение.
max
max
2
2
Хотя температура разложения эпоксидной смолы, в зависимости от точного состава, находится в интервале 200-400°С, что значительно ниже максимальной температуры Т изолирующего газа в перепускном канале с Т≥2300K, в экспериментах неожиданным образом оказалось, что покрытие 29а может эффективным образом предотвратить деформации запорного элемента, наблюдаемые в известных силовых переключателях, или даже предотвратить их полностью, так что обратный поток изолирующего газа из объема 18 для нагрева в перепускной канал 28 эффективно предотвращается даже после множества процессов выключения. Это объясняется, с одной стороны, тем, что из-за низкой теплопроводности λ эпоксидной смолы в диапазоне 0,1≤λ⋅мК/Вт≤0,5, нагрев металлического кольца 29 предотвращается или по меньшей мере значительно снижается. С другой стороны, ввиду высокого модуля упругости E эпоксидной смолы в диапазоне 15 ГН/м≥Е≥20 ГН/м, достигается механическая стабилизация первого металлического кольца 29.
Как было обнаружено неожиданным образом в экспериментах, покрытие 29а приводит правда к незначительному ухудшению свойства уплотнения первого обратного клапана, что, однако, не оказывает влияния на режим выключения силового выключателя в рамках обычных измерений и исследований.
Как было также обнаружено, можно обойтись без теплоизоляционного покрытия второго металлического кольца 24 на втором обратном клапане, так как в области второго обратного клапана возникают заметно меньшие давления и температуры в гасящем газе, чем в области первого обратного клапана. Как описано выше, посредством второго обратного клапана только холодный гасящий газ при относительно низком давлении, предпочтительно в пределах между 1 и 10 бар, с помощью дутьевого цилиндра 21 нагнетается по дутьевым каналам 23 в объем 18 для нагрева. Дальнейшее значительное повышение давления в гасящем газе, предпочтительно до значений между 10 и 100 бар, осуществляется только посредством прямого теплового эффекта дуги и дополнительного перепуска гасящего газа через перепускной канал 28 в объем 18 для нагрева.
min
Фиг.3 показывает схематичное представление поперечного сечения первого запорного элемента для силового выключателя в соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Теплоизоляционное покрытие 29а из эпоксидной смолы при этом наносится таким образом, что она окружает металлическое кольцо 29 со всех сторон. Это допускает, с одной стороны, более простое и экономичное изготовление, а с другой стороны, дополнительное снижение деформаций. При этом вновь толщина D теплоизоляционного покрытия 29а предпочтительно выбирается меньшей, чем поперечное сечение Q металлического кольца 29, которое определяется как квадратный корень из площади поперечного сечения А металлического кольца 29, т.е. Q=√A; предпочтительно меньше, чем минимальная продольная протяженность L металлического кольца 29 в поперечном сечении.
min
min
min
Как также неожиданно было установлено в экспериментах, для толщины D теплоизоляционного покрытия 29а с использованием эпоксидной смолы предпочтительно достаточны уже значения D<Q/2 и/или D<L/2, наиболее предпочтительно даже значения D<Q/10 и/или D<L/10. Толщина D теплоизоляционного покрытия 29а предпочтительно находится в диапазоне 0,01 мм ≤D≤ 1,0 мм, предпочтительно 0,05 мм ≤D≤ 0,5 мм, наиболее предпочтительно 0,08 мм ≤D≤ 0,2 мм. Минимальная протяженность по длине L и/или поперечное сечение Q предпочтительно находятся в диапазоне от 0,5 мм до 20,0 мм и наиболее предпочтительно в диапазоне от 1,0 мм до 5,0 мм.
Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления, оно не ограничивается этими вариантами осуществления. Скорее, различные модификации отдельных деталей могут выполняться в пределах объема защиты формулы изобретения и ее эквивалентов без отклонения от сущности изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 корпус
2 ось переключения
3 верхняя часть корпуса
4 нижняя часть корпуса
5 средняя часть корпуса
6 верхний стационарный контакт номинального тока
7 нижний стационарный контакт номинального тока
8 подвижный контакт номинального тока
9 первая перегородка
9а выступ
10 переключающее устройство защиты от обгорания
11 тюльпановидный контакт
12 сопло
13 направляющая скольжения
14 контактный штифт
15 вторая перегородка
16 дуговое пространство
17 электрическая дуга
18 объем для нагрева
19 дутьевая щель
20 третья перегородка
21 дутьевой цилиндр
22 дутьевой поршень
23 дутьевой канал
24 обратный клапан
25 камера нагнетания
26 крышка
27 колпак
28 перепускной канал
29 металлическое кольцо
29а теплоизоляционное покрытие
30 выхлопной объем
30’ дополнительный выхлопной объем
31 выхлопное отверстие
32 внешний объем дугогасительной камеры