ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ
ELECTRICAL ISOLATOR

Предпосылки создания изобретения
Это изобретение относится к электрическому разъединителю и соответствующему электрическому выключателю.
Характеристика предшествующего уровня техники
Ссылка в этом описании на любую известную публикацию (или информацию, полученную из нее) или любой другой материал, который известен, не является и не должна считаться подтверждением или признанием или какой-либо формой предположения того, что известная публикация (или информация, полученная из нее) или известный материал образует часть обычных знаний общего характера в области деятельности, к которой относится это описание.
6
6
2
6
Известно применение газообразного гексафторида серы (SF) (элегаза) в электротехнической промышленности в качестве газообразного диэлектрического вещества для высоковольтных размыкающих выключателей, распределительных устройств и другого электрического оборудования. Однако выключателям с элегазовой изоляцией больше не отдается предпочтение ввиду парникового эффекта SF (примерно в 23900 раз большего, чем у CO). Кроме того, выключатели, содержащие газообразный SF, требуют герметизации, а такие герметичные выключатели обычно влекут за собой повышенные затраты на техническое обслуживание, чтобы гарантировать надлежащую работу выключателя на протяжении всего срока его службы. Дополнительным вопросом, подлежащим обсуждению, является недавнее введение требований отчетности, связанных с такими выключателями и предписывающих ежегодную проверку распределительного устройства, чтобы определить любую утечку, о которой тогда следует сообщить. Эта отчетность накладывает важную обязанность на операторов любого такого распределительного устройства.
Вообще говоря, существуют два типа электрических выключателей, используемых при среднем напряжении. Первый тип - это короткозамыкатели-прерыватели нагрузки. Типичным приложением этих выключателей являются размыкатели нагрузки воздушных линий электропередачи и автоматические выключатели нагрузки в блоке кольцевой магистрали (БКМ). Второй тип - это короткозамыкатели-прерыватели отказов. Типичным приложением этих выключателей являются автоматические выключатели блока кольцевой магистрали (БКМ), например, распределительное устройство для внутренней установки, выполненное в металлическом кожухе, или аналогичное устройство.
6
Электрический разъединяющий выключатель обычно содержит три основных компонента, а именно, прерыватель, разъединитель и механизм для приведения в действие прерывателя и разъединителя. Прерыватель одного типа, широко применяемый в большой номенклатуре электрических выключателей и не содержащий SF, представляет собой вакуумный прерыватель. Конструкция таких прерывателей хорошо известна в данной области техники; однако они непригодны для применения в качестве разъединителя из-за очень высокой напряженности внутреннего электрического поля, которое существует между разомкнутыми контактами, и того факта, что в результате формы внутреннего электрического поля наивысшее электростатическое напряжение возникает на проводящей поверхности контакта. Небольшие неровности и дефекты поверхности, обуславливаемые работой прерывателя, будут создавать так называемые «концентраторы напряжений», которые приведут к снижению разъединяющей способности вакуумного прерывателя, как правило, проявляющиеся в возникновении перекрытия дугой при более низком напряжении, чем расчетное.
Проблемой, связанной с такими вакуумными прерывателями, также являются неустойчивые разрушающие разряды (НРР). Обычно это явление НРР отчасти обуславливается примесями в материале контактов вакуумного выключателя. См. “Peculiarities of non-sustained disruptive discharges at interruption of cable/line charging current” A. M. Chaly, L.V. Denisov, V.N. Poluyanov, I.N. Poluyanova, Tavrida Electric, 22, Vakulenchuka Str., Sevastopol, 99053 Ukraine («Особенности неустойчивых разрушающих разрядов во время прерывания зарядного тока кабеля/линии», А.М. Чалый, Л.В. Денисов, В.Н. Полуянов, И.Н. Полуянова, «Таврида Электрик», ул. Вакуленчука, 22, Севастополь, 99053, Украина). По этим причинам обычно требуется применять разъединитель, включаемый последовательно с вакуумным прерывателем для обеспечения безопасного средства разъединения.
От некоторых электрических выключателей требуется создавать короткое замыкание на линии, а затем прерывать ток короткого замыкания, тогда как от других выключателей требуется лишь прерывать токи в нагрузках. Эта коммутация токов короткого замыкания или это прерывание токов в нагрузках может осуществляться любым подходящим прерывателем, таким, как вакуумный прерыватель, твердотельный электронный прерыватель или прерыватель с воздушным дутьем. Могут оказаться подходящими и другие технологии. Однако всем этим известным прерывателям нужен дополнительный разъединитель, выполненный с возможностью надежно выдерживать максимальные напряжения, которые, вероятно, будут наблюдаться во время эксплуатации, чтобы обеспечить безопасное разъединение.
Существует ряд известных документов, связанных с разъединителями различных типов. Например, в патенте США № 4484044 говорится о выключателе нагрузки, который включает в себя вакуумный выключатель, последовательно соединенный с воздушным разъединяющим выключателем. Вакуумный выключатель содержит неподвижный электрод, подвижный электрод, прикрепленный к одному концу аксиально-подвижного управляющего стержня, и фиксирующую пружину, которая прикладывает к управляющему стержню силу упругости, склонную разделять электроды. Воздушный прерыватель содержит охватываемый контакт конической формы и противоположный охватывающий контакт, форма которого позволяет вставлять в него охватываемый контакт. Охватываемый контакт имеет участок основания относительно большого диаметра, прикрепленный к другому концу управляющего стержня и образующий ступеньку с управляющим стержнем. Охватывающий контакт имеет подпружиненные блокирующие выступы для введения в зацепление с возможностью освобождения со ступенькой охватываемого контакта, а также упор для приложения к управляющему стержню силы, достаточной для замыкания электродов вакуумного выключателя, когда охватываемый контакт введен в соприкосновение с упором после введения в зацепления с охватывающим контактом. Подпружинивание блокирующих выступов охватывающего контакта, форму охватываемого контакта и жесткость пружины, присущую фиксирующей пружине, выбирают так, чтобы сила, действующая на управляющий стержень во время зацепления охватываемого и охватывающего контактов, оказывалась недостаточной для замыкания электродов вакуумного выключателя, а сила на управляющем стержне во время расцепления этих контактов, действовала, полностью разделяя электроды вакуумного выключателя перед освобождением охватываемого контакта.
6
Это типичная конструкция известного разъединителя, которая показана на фиг. 1 (фиг. 3 патента США № 4484044). Она состоит из подвижного контакта 12, неподвижного контакта 7 и изоляционного расстояния L. Разъединитель этого типа используется в электрических распределительных устройствах среднего напряжения, как с воздушным, так и с элегазовым наполнением. Разъединители с элегазовым наполнением существенно меньше, чем устройства с воздушной изоляцией, поскольку газообразный SF как диэлектрик имеет электрическую прочность в 2,5 раза больше, чем воздух, следовательно, размеры устройства с элегазовой изоляцией - по каждому линейному размеру - обычно составляют 40% размеров устройства с воздушной изоляцией, в результате чего устройство может занимать лишь 10-20% объема устройства с воздушной изоляцией. Однако у этих разъединителей есть недостаток, заключающийся в необходимости больших изоляционных расстояний в воздухе, как можно заметить из прилагаемых графиков электрического поля согласно фиг. 2. На фиг. 2 показан график электрического поля разъединителя согласно фиг. 1. Можно заметить, что для изоляционного расстояния L, составляющего 172 мм, оценочное максимальное электростатическое напряжение будет составлять 2800 вольт/мм. Таким образом, пробой в воздухе происходит при 3000 вольт/мм, и это означает, что 172 мм является минимальным промежутком, который можно обеспечить для этого устройства, чтобы оно функционировало как разъединитель.
Аналогично, патент США № 3598939 относится к разъединяющему выключателю, имеющему крупные металлические электроды, представляющие собой, по существу, гладкие поверхности, обращенные друг к другу, при этом, по меньшей мере, один из электродов выполнен с возможностью перемещения посредством движущейся каретки, к которой он прикреплен. Электроды в разомкнутом положении имеют относительно высокую стойкость или прочность изоляции применительно к скачку переключающего напряжения, импульсному напряжению, и характеризуются относительном малым пространством зазора. Движение каретки для создания контакта обоих электродов соответствует замкнутому положению выключателя, а движение каретки для прерывания контакта между электродами соответствует разомкнутому положению. В этом последнем положении, в зазоре между электродами получается, по существу, однородное электростатическое поле.
В патенте США № 3624322 описан разъединяющий выключатель, в котором применяются экранирующие, находящиеся под напряжением части электродов полусферического типа, которые установлены поверх пары наклонных разъединительных колонок. Колонки установлены на несущий каркас посредством подшипников ротора, которые, когда их вращают посредством подходящего механизма, заставляют верхушки колонок двигаться по круговой траектории. Применяются звенья, которые реагируют на вращение колонок в первом направлении для достижения электрического контакта ножа и губки переключающего устройства и на разведение ножа и губки в ответ на вращение колонок во втором направлении для прерывания контакта. В этом втором случае, гладкие поверхности применяемых электродов обращены друг к другу и обеспечивают разомкнутое состояние, которое приводит к созданию однородного электростатического поля между обращенными друг к другу поверхностями.
В патенте США № 3592984 описан разъединяющий выключатель, имеющий сферические, эллипсоидные, тороидные или сфероидные электроды и отводимый нож выключателя. Электроды в разведенном положении имеют относительно высокую стойкость к скачку переключающего напряжения, импульсному напряжению, и характеризуются относительном малым пространством зазора. Выдвижение отводимого ножа выключателя для создания контакта обоих электродов соответствует замкнутому положению выключателя, а отвод ножа выключателя в один из электродов соответствует разомкнутому положению. В этом последнем положении, между электродами получается открытый зазор, что приводит, по существу, к однородному электростатическому полю в зазоре. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что открытый зазор выключателя можно сделать существенно короче, чем расстояние от электродов до заземления, да еще и гарантировать, что любое перекрытие дугой будет происходить между электродами и заземлением, а не через открытый зазор выключателя.
В патенте США № 5237137 говорится, что в разъединяющем выключателе для бронированного комплектного высоковольтного распределительного устройства с элегазовой изоляцией под давлением имеется блок механического управления, содержащей поворотно-опираемое рычажное средство. Рычажное средство автоматически блокируется в нейтральном положении и фиксирует вспомогательный контактный штырь до тех пор, пока он не будет освобожден направляющей поверхностью, соединенной с основным контактным штырем. Торцевой контакт вспомогательного контактного штыря также подпружинен и следует за этим вспомогательным контактным штырем некоторое время после освобождения, сначала - поддерживая эквипотенциальное соединение.
В патенте США № 4591680 предложен разъединяющий выключатель, подходящий для электрического разъединения и соединения компонентов герметизированных подстанций с элегазовой изоляцией, в большинстве случаев - в условиях низких нагрузок, причем неподвижный контактный элемент снабжен центральным последовательно включенным контактом, который оканчивается в контактном элементе. Он коаксиально окружен кольцом выводов, рассчитанных на номинальный ток, и неподвижным экранирующим контакт электродом. Центральный контактный стержень подвижного контактного элемента коаксиально окружен на некотором расстоянии экранирующим электродом, который также является подвижным. Чтобы предотвратить нежелательные перекрытия дугой, в частности, перекрытия у герметизации, выводы, рассчитанные на номинальный ток, находятся в контакте с контактным стержнем в зоне, окруженной экранирующим электродом, который также является подвижным. Они установлены с возможностью вращения, и к ним приложены силы, которые отжимают их концевые элементы радиально внутрь. Контактный элемент выполнен как щитовидная пластина, имеющая переднюю поверхность, которая выступает куполом вперед к подвижному контактному средству. Когда последовательно включенный контакт выталкивается назад, выводы, рассчитанные на номинальный ток, которые находятся позади передней поверхности, когда последовательно включенный контакт проталкивается вперед, выступают сквозь отверстия в контактном элементе. Контактный стержень и экранирующий электрод, который движется вместе с ним, снабжены круговыми канавками.
6
В вышеупомянутых известных выключателях внимание обычно уделяется выпуклым формам электродов управления электрическим полем. В настоящее время существует потребность в компактном и дешевом негерметизированном электрическом разъединителе с воздушной изоляцией, который надлежит использовать либо автономно, либо в совокупности с прерывателем, для создания электрического разъединяющего выключателя, не содержащего SF.
Краткое изложение существа изобретения
В первой широко интерпретируемой форме данного изобретения предпринята попытка разработать электрический разъединитель, который включает в себя:
a) тело, ограничивающее проем, проделанный сквозь него;
b) первый электрический контакт, расположенный у первого конца проема;
c) второй электрический контакт, расположенный с возможностью перемещения у второго конца проема, причем конфигурация упомянутого второго контакта обеспечивает оперативное перемещение через проем для электрического соединения с первым контактом или отсоединения от него; и
d) по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана, прикрепленных к телу у соответствующих концов проема и вокруг него так, что экраны пролегают поперек проема, а открытые концы каждого экрана направлены друг к другу.
В типичном случае, тело изготовлено из твердого диэлектрического изоляционного материала.
В типичном случае, проем является трубчатым.
В типичном случае, электрический разъединитель включает в себя скользящий контакт для соединения первого контакта со вторым контактом в проеме.
В типичном случае, электрический разъединитель включает в себя механизм, конфигурация которого обеспечивает введение второго контакта через проем в контакт с первым контактом или выведение из контакта с ним.
В типичном случае, тело включает в себя внешний проводящий экран.
В типичном случае, внешний проводящий экран включает в себя проводящую краску или покрытие, нанесенное путем металлизации напылением.
В типичном случае, внешний проводящий экран заземлен при эксплуатации.
В типичном случае, упомянутые экраны имеют конфигурацию, обеспечивающую изменение электрического поля в проеме, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения между контактами.
Во второй широко интерпретируемой форме данного изобретения, предпринята попытка разработать электрический разъединитель, который включает в себя:
a) тело, ограничивающее проем, проделанный сквозь него;
b) первый электрический контакт, расположенный у первого конца проема;
c) второй электрический контакт, расположенный с возможностью перемещения у второго конца проема, причем конфигурация упомянутого второго контакта обеспечивает оперативное перемещение через проем для электрического соединения с первым контактом или отсоединения от него; и
d) по меньшей мере, два управляющих электрическим полем экрана, выступающих наружу из соответствующих концов проема, причем экраны изменяют электрическое поле в проеме, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения между контактами.
В типичном случае, тело изготовлено из твердого диэлектрического изоляционного материала.
В типичном случае, проем является трубчатым.
В типичном случае, электрический разъединитель включает в себя скользящий контакт для соединения первого контакта со вторым контактом в проеме.
В типичном случае, электрический разъединитель включает в себя механизм, конфигурация которого обеспечивает введение второго контакта через проем в контакт с первым контактом или выведение из контакта с ним.
В типичном случае, тело включает в себя внешний проводящий экран.
В типичном случае, внешний проводящий экран включает в себя проводящую краску или покрытие, нанесенное путем металлизации напылением.
В типичном случае, внешний проводящий экран заземлен при эксплуатации.
В типичном случае, упомянутые экраны имеют конфигурацию, обеспечивающую изменение электрического поля в проеме, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения между контактами.
В третьей широко интерпретируемой форме данного изобретения, предпринята попытка разработать электрический выключатель, который включает в себя:
a) корпус;
b) прерыватель внутри корпуса для прерывания электрического тока;
c) разъединитель внутри корпуса, выполненный в электрической связи с прерывателем, причем разъединитель имеет:
d) тело, ограничивающее проем, проделанный сквозь него;
e) первый электрический контакт, расположенный у первого конца проема;
f) второй электрический контакт, расположенный с возможностью перемещения у второго конца проема, причем конфигурация упомянутого второго контакта обеспечивает оперативное перемещение через проем для электрического соединения с первым контактом или отсоединения от него; и
g) по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана, прикрепленных к телу у соответствующих концов проема и вокруг него так, что экраны пролегают поперек проема, а открытые концы каждого экрана направлены друг к другу; и
h) механизм, конфигурация которого обеспечивает приведение в действие прерывателя и разъединителя.
В типичном случае, прерыватель включает в себя вакуумный прерыватель.
В типичном случае, упомянутый механизм включает в себя изолирующий шток, входящий в корпус по каналу на участке корпуса, имеющем, по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана, прикрепленных к упомянутому участку у соответствующих концов канала и вокруг него так, что экраны пролегают поперек канала, а открытые концы каждого вогнутого экрана направлены друг к другу, причем конфигурация упомянутых экранов обеспечивает распределение электрического поля в канале, чтобы создать зону низкого электростатического напряжения.
В типичном случае, конфигурация упомянутых экранов обеспечивает изменение электрического поля в проеме, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения между контактами.
В четвертой широко интерпретируемой форме данного изобретения, предпринята попытка разработать электрическую разъединительную камеру для электрического разъединения первой и второй областей, включающую в себя:
a) канал, проходящий между первой и второй областями;
b) элемент, проходящий по каналу;
c) по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана, выполненных вокруг канала так, что экраны пролегают поперек камеры, а открытые концы каждого экрана направлены друг к другу, причем конфигурация упомянутых экранов обеспечивает распределение электрического поля в камере, чтобы создать третью область низкого электростатического напряжения, при этом упомянутый элемент проходит через третью область.
В типичном случае, по меньшей мере, одна из первой и второй областей предусмотрена внутри корпуса для электрического оборудования.
В типичном случае, конфигурация упомянутых экранов обеспечивает изменение электрического поля в камере, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения вдоль упомянутого элемента.
В типичном случае, упомянутый элемент включает в себя, по меньшей мере, одно из:
a) механического исполнительного механизма;
b) оптических волокон; и
c) трубок текучей среды.
Краткое описание чертежей
Теперь пример данного изобретения будет описан со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг. 1 показан известный разъединитель того типа, который описан в патенте США № 4484044;
на фиг. 2a и 2b показаны графики электрического поля в воздухе для известного разъединителя согласно фиг. 1;
на фиг. 3а показан пример разъединителя, имеющего два плоских параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экрана;
на фиг. 3b и 3c показаны обычные графики электрического поля в воздухе для двух плоских параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов;
на фиг. 4а показан пример электрического разъединителя в соответствии с предлагаемой компоновкой;
на фиг. 4b и 4c показаны типичные графики электрического поля для двух плоских параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов, частично внедренных в твердый диэлектрик, без внешнего проводящего экрана;
на фиг. 5a и 5b показаны дополнительные графики электрического поля разъединителя согласно фиг. 4, имеющего два плоских параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экрана, частично внедренных в твердый диэлектрик, без внешнего проводящего экрана;
на фиг. 6a и 6b показаны типичные графики электрического поля для двух плоских параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов, частично внедренных в твердый диэлектрик, с заземленным внешним проводящим экраном;
на фиг. 7 показан пример электрического разъединителя в соответствии с предлагаемой компоновкой без внешнего проводящего экрана;
на фиг. 8 показан пример электрического разъединителя в соответствии с предлагаемой компоновкой с внешним проводящим экраном;
на фиг. 9a и 9b показан график электрического поля электрического разъединителя согласно фиг. 7;
на фиг. 10a и 10b показан дополнительный график электрического поля электрического разъединителя согласно фиг. 7;
на фиг. 11a и 1lb показан график электрического поля электрического разъединителя согласно фиг. 8;
на фиг. 12a и 12b показан график электрического поля электрического разъединителя согласно фиг. 8, имеющего заземленный внешний экран;
на фиг. 13 показан пример выключателя-разъединителя в соответствии с предлагаемой компоновкой; и
на фиг. 14 показан дополнительный пример выключателя-разъединителя в соответствии с предлагаемой компоновкой.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Обращаясь теперь к прилагаемым чертежам, отметим в качестве предпосылки, что на фиг. 3а показан пример электрического разъединителя 9 c первым электрическим контактом 4 и вторым подвижным электрическим контакт 5, конфигурация которого обычно обеспечивает перемещение для электрического соединения с первым контактом 4 или отсоединения от него. Скользящий контакт 6 в типичном случае облегчает контакт между электрическими контактами 4 и 5. Разъединитель 9 также включает в себя два параллельных, управляющих электрическим полем экрана 31 и 32, каждый из которых расположен, как показано, вблизи соответствующих электрических контактов 4 и 5. Экраны 31 и 32 пролегают поперечно контактам 4 и 5, а конфигурация экранов 31 и 32 обеспечивает равномерное распределение электрического поля, чтобы снизить электростатическое напряжение между упомянутыми экранами 31 и 32, когда контакты 4 и 5 разъединены.
На фиг. 3b и 3c показан график электрического поля согласно еще одному примеру двух параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов 31, 32 в воздухе, отстоящих друг от друга на расстояние 68 мм. Как показано на графике согласно фиг. 3c, эта компоновка проводников приводит к оценочному максимальному электростатическому напряжению 2800 В/мм непосредственно перед электрическим соединением контактов 4 и 5 (посредством скользящего контакта 6) друг с другом.
В соответствии с примером предлагаемой компоновки, на фиг. 4a показан электрический разъединитель 9, имеющий тело 1, ограничивающее проем 2, проделанный сквозь него, как показано. Разъединитель 9 также включает в себя первый электрический контакт 4, расположенный у первого конца проема 2, и второй электрический контакт 5, расположенный с возможностью перемещения у второго конца проема 2. Второй контакт 5 обычно имеет конфигурацию, обеспечивающую оперативное перемещение через проем 2 для электрического соединения посредством скользящего контакта 6 с первым контактом 4 или отсоединения от него. Разъединитель 9 также включает в себя, по меньшей мере, два управляющих электрическим полем экрана 31 и 32, выступающих наружу из соответствующих концов проема 2, как показано. Эти два управляющих электрическим полем экрана 31 и 32 в типичном случае частично внедрены в твердый диэлектрик 33. Конфигурация экранов 31 и 32 обеспечивает изменение электрического поля в проеме 2, чтобы таким образом поддерживать желаемый профиль электростатического напряжения между контактами 4 и 5.
Проем или центральное отверстие 2, предпочтительно - круглый или круглое, обеспечивает полость для прохождения через нее второго или подвижного контакта 5. Подвижный контакт 5 имеет в типичном случае привод от подходящего механизма. Этот контакт можно приводить в действие вручную или посредством электричества любым из многих подходящих рабочих механизмов, с которыми знакомы специалисты в данной области техники. В одном примере, подвижный контакт 5, как правило, соединяется с первым или неподвижным контактом 4 с помощью скользящего контакта 6 таким образом, что электрическая цепь оказывается замкнутой. Скользящий контакт 6 может быть контактом, изготовленным по технологии “Multilam” (контактных пазогребневых пластин), или аналогичным контактом.
На фиг. 4b и 4c показан график электрического поля двух параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов 31, 32, параллельно внедренных в твердый диэлектрик 33. Как показано, прикладываемое напряжение 135 кВ создает оценочное максимальное электростатическое напряжение 2800 вольт/мм на поверхности A-A раздела «внутренний воздух - твердый диэлектрик». Отметим, что зона высокого напряжения, связанная с воздухом как диэлектриком между экранами 31 и 32 на фиг. 3c теперь заключена в твердом диэлектрике 33, а промежуток между экранами можно уменьшить до 47,5 мм от исходных 68 мм. Сравнение перевернутой формы электростатических напряжений согласно фиг. 3c и фиг. 4c показывает, что градиент электрического поля в компоновке согласно фиг. 4a в области контакта 4 (с соответствующим скользящим контактом 6) таков, что когда контакт 5 приближается к контакту 4, электростатическое напряжение будет сниженным по сравнению с компоновкой согласно фиг. 3b и 3c.
Электростатические напряжения на поверхностях раздела «воздух - диэлектрик» важны для прогнозирования надежности в течение всего срока службы изделия. На фиг. 5a и 5b показан дополнительный график электрического поля двух противоположных параллельных управляющих электрическим полем экранов 31 и 32, частично внедренных в твердый диэлектрик 33. Прикладываемое напряжение 135 кВ создает оценочное максимальное электростатическое напряжение 2525 вольт/мм на поверхности С-С раздела «внешний воздух - твердый диэлектрик 33», которое меньше, чем напряжение пробоя воздушного промежутка, составляющее 3000 вольт/мм.
На фиг. 6a и 6b показан дополнительный график электрического поля двух противоположных параллельных управляющих электрическим полем экранов 31 и 32, частично внедренных в твердый диэлектрик с заземленным внешним проводящим экраном 10, введенным около диэлектрика 33, как показано. Прикладываемое напряжение 135 кВ создает оценочное максимальное электростатическое напряжение 3000 вольт/мм на поверхности А-А раздела «внутренний воздух - твердый диэлектрик».
Как известно в области электротехники, наиболее равномерное распределение электрического поля достигается посредством двух параллельных пластин бесконечных размеров. На фиг. 3 показано, что приемлемое равномерное распределение электрического поля может быть достигнуто в действительности посредством малых параллельных управляющих экранов, разделенных надлежащим расстоянием и находящихся в воздухе. Кроме того, путем частичного внедрения таких экранов в сплошной диэлектрик, как показано на фиг. 4 и 5, можно уменьшить промежуток между контактами 4 и 5. Поскольку уменьшение размеров разъединителя в общем случае является желательным, этот аспект представляет собой важный признак предлагаемой компоновки.
При отсутствии каких-либо внешних воздействий на электрическое поле, это электрическое поле в диэлектрике 33, как правило, является однородным. Однако эта компоновка непригодна для воплощения конструкции электрического разъединителя на практике, поскольку однородное электрическое поле между параллельными управляющими электрическим полем экранами 31 и 32 подвержено возмущению соседними электрическими полями и заземленными конструкциями. Когда электрическое поле становится возмущенным, оно обычно становится неоднородным, и увеличивается максимальное электростатическое напряжение, которое может вызвать утрату диэлектрических параметров в значительной мере.
Применение заземленного внешнего проводящего экрана 10, показанного на фиг. 6, приводит к экранированию поля от внешних воздействий, однако оно имеет эффект, обуславливающий увеличение максимального внутреннего электростатического напряжения на линии A-A. Дальнейшее увеличение промежутка мало влияет на уменьшение максимального внутреннего электростатического напряжения, поскольку на него влияет главным образом местонахождение внешнего проводящего экрана 10. Поэтому видно, что хотя и можно достичь однородного электрического поля посредством параллельных пластинчатых управляющих электрическим полем экранов, в этом случае существуют несколько серьезных недостатков.
На фиг. 7 показан пример электрического разъединителя 9 в соответствии с предлагаемой компоновкой. Разъединитель 9 в типичном случае включает в себя тело 1, ограничивающее проделанный сквозь него проем или отверстие 2. Разъединитель 9 также включает в себя первый электрический контакт 4, расположенный у первого конца проема 2, а также второй электрический контакт 5, расположенный с возможностью перемещения у второго конца проема 2. Второй контакт 5 обычно имеет конфигурацию, обеспечивающую оперативное перемещение через проем 2 для электрического соединения посредством скользящего контакта 6 с первым контактом 4 или отсоединения от него.
Разъединитель 9 также включает в себя, по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана 31 и 32, прикрепленных к телу у соответствующих концов проема 2 и вокруг него таким образом, что эти экраны 31 и 32 пролегают поперек проема 2, а отрытый конец каждого вогнутого экрана 31 и 32 направлен к открытому концу другого экрана, как показано. Конфигурация экранов 31 и 32 обеспечивает равномерное распределение электрического поля в проеме 2, чтобы таким образом уменьшить электростатическое напряжение между упомянутыми экранами 31 и 32, когда контакты 4 и 5 разъединены. В типичном случае, экраны являются вогнутыми и могут предусматривать конфигурацию, подобную чашеобразной, или аналогичную конфигурацию.
Пример разъединителя 9 согласно фиг. 8 предусматривает наличие внешнего проводящего экрана 10, нанесенного там, где на фиг. 7 его нет. В некоторых обстоятельствах предпочтительно наносить внешний проводящий экран 10 путем нанесения проводящего покрытия на внешнюю поверхность тела 1, причем это нанесение является мерой управления электрическим полем. В некоторых обстоятельствах, может оказаться предпочтительным заземление этого проводящего экрана при эксплуатации. Внешний проводящий экран 10 предпочтительно представляет собой проводящую краску или покрытие, нанесенное путем металлизации напылением.
Тело 1 согласно предлагаемой компоновке предпочтительно - но не обязательно - является трубчатым или круглым, располагающимся вокруг осевой линии и выполненным из подходящего твердого электроизоляционного материала, такого, как полимер. Предпочтительным полимером является электротехническая эпоксидная смола, такая, как Huntsman CW2229. Если предусматривается применение на открытом воздухе, то предпочтительной является подходящая циклоалифатическая эпоксидная смола, такая, как Huntsman CY184 или CY5622. Электрическая прочность такого полимера как диэлектрика составляет приблизительно 20000 вольт/мм, тогда как электрическая прочность воздуха как диэлектрика составляет приблизительно 3000 вольт/мм. Предпочтительная диэлектрическая постоянная твердого диэлектрического изоляционного материала находится в диапазоне от 1 до 6.
Проем или центральное отверстие 2, предпочтительно - круглый или круглое, обеспечивает полость для прохождения через нее второго или подвижного контакта 5. Подвижный контакт 5 имеет в типичном случае привод от подходящего механизма. Этот контакт можно приводить в действие вручную или посредством электричества любым из многих подходящих рабочих механизмов, с которыми знакомы специалисты в данной области техники. В одном примере, подвижный контакт 5, как правило, соединяется с первым или неподвижным контактом 4 с помощью скользящего контакта 6 таким образом, что электрическая цепь оказывается замкнутой. Скользящий контакт 6 может быть контактом, изготовленным по технологии “Multilam”, или аналогичным контактом.
Как описано выше, вогнутые управляющие электрическим полем экраны 31 и 32 расположены друг против друга и в типичном случае внедрены в тело 1. Эти управляющие электрическим полем экраны 31 и 32 служат для придания электрическому полю такой формы, которая придаст оптимальную форму эквипотенциальным линиям и будет способствовать их равномерному распределению таким образом, что результирующее электростатическое напряжение окажется настолько равномерным, насколько это возможно.
Разъединители согласно фиг. 7 и 8 обычно предназначены для применения в системе, рассчитанной на 12 кВ, номинальный постоянный ток 630 A и выдерживаемое напряжение грозового импульса (ВНГИ) l0 кВ. Чтобы разработать надежный разъединитель и обеспечить приемлемый статистический разброс результатов испытаний в процессе изготовления, разъединитель 9 в типичном случае должен выдерживать ВНГИ 135000 вольт. Вместе с тем, следует осознать, что для любого номинального напряжения или тока можно применять другие примеры разъединителя 9.
На фиг. 9 показан прогноз электростатического напряжения разъединителя 9 согласно фиг. 7 без внешнего проводящего экрана в месте наивысшего электростатического напряжения 34 на поверхности А-А раздела «твердый диэлектрик - воздух» в центральном отверстии 2. Максимальное электростатическое напряжение посредине между управляющими электрическим полем экранами 31 и 32 составляет приблизительно 2800 вольт/мм. Это дает желаемый эффект обеспечения стабильных рабочих параметров разъединителя, когда приложено ВНГИ.
Кроме того, на фиг. 10 представлен прогноз электростатического напряжения разъединителя 9 без внешнего проводящего экрана 10 на поверхности С-С раздела «тело 1 - воздух». Отметим, что максимальное электростатическое напряжение составляет приблизительно 4800 вольт/мм. Это нежелательно, поскольку оно будет вызывать превращение воздуха в проводящую среду в момент приложения ВНГИ на поверхности разъединителя, что будет приводить к электрическому пробою извне, когда приложено ВНГИ. Диэлектрическое напряжение также будет присутствовать в месте, обозначенном позицией 15, во время нормальной работы при номинальном напряжении, и это может привести к преждевременному отказу тела 1 из твердого диэлектрика из-за частичных разрядов, создаваемых электростатическими напряжениями в присутствии загрязнения, такого, как пыль, паутина или другое инородное вещество.
На фиг. 11 представлен прогноз электростатического напряжения разъединителя 9 согласно фиг. 8 с внешним проводящим экраном 10, не заземленным (или находящимся под плавающим потенциалом) в месте наивысшего электростатического напряжения в центральном отверстии 2. Максимальное электростатическое напряжение посредине между управляющими электрическим полем экранами 31 и 32 составляет приблизительно 2800 вольт/мм. Это также создает желаемый эффект обеспечения рабочих параметров разъединителя.
На фиг. 12 представлен прогноз электростатического напряжения разъединителя 9 согласно фиг. 8 с внешним проводящим экраном 10, заземленным в месте наивысшего электростатического напряжения в центральном отверстии 2. Максимальное электростатическое напряжение посредине между управляющими электрическим полем экранами 31 и 32 составляет приблизительно 2800 вольт/мм.
Разъединитель 9 обычно управляет максимальным электростатическим напряжением в воздухе посредством двух действий, а именно, посредством установки управляющих электрическим полем экранов 31 и 32 друг против друга, а также благодаря частичной герметизации управляющих электрическим полем экранов 31 и 32 в твердом диэлектрическом изоляционном материале высокой электрической прочности в теле 1 таким образом, что гарантируется нахождение зон максимального электростатического напряжения в пределах изоляционного материала.
Если максимальное электростатическое напряжение возникает на поверхности 8 раздела «проводник - воздух», то любое несоответствие в форме либо шероховатости проводника, или несовершенствах либо неровностях поверхности, имеющихся на поверхности металлических электродов, будет вызывать снижение разъединительной способности. Такие неровности и несовершенства поверхности могут быть обусловлены износом разъединителя 9 в течение срока его службы.
Сравнивая фиг. 9, 10, 11 и 12, можно заметить, что наличие или отсутствие внешнего проводящего экрана 10 и тот факт, заземлен внешний проводящий экран 10 или нет, вносит в электростатическое напряжение, присутствующее в центральном отверстии 2, заполненном воздухом, различие, которым можно пренебречь.
Однако разъединитель 9 с заземленным внешним проводящим экраном 10 выгоден, поскольку на внутреннее поле не оказывают влияние внешние факторы, такие, как другие электрические поля или другие заземленные объекты; он исключает какое бы то ни было электростатическое напряжение на поверхности, которое может вызывать долгосрочное ухудшение качества поверхности из-за наличия частичных разрядов, которые могут увеличиваться в присутствии пыли и другого инородного материала; он придает электрическому полю такую форму, что максимальное электростатическое напряжение возникает в точке посредине между управляющими электрическим полем экранами, что имеет желательный эффект обеспечения стабильных рабочих параметров разъединителя; и он обеспечивает заземленную поверхность, касание которой является безопасным.
6
6
Можно заметить, что благодаря этим усовершенствованиям, разъединитель 9 в общем случае гораздо меньше - и поэтому дешевле в изготовлении, - чем известный разъединитель, показанный на фиг. 1 и 2. Считается выгодным, что разъединитель 9 имеет меньшие размеры, чем известные разъединители. Вообще говоря, разъединитель 9 имеет линейные размеры, составляющие приблизительно от 35% до 40%, или объемные размеры, состоящие от 10% до 25%, по сравнению с линейными и объемными размерами известных разъединителей, обладающих сравнимыми электрическими параметрами. Поэтому разъединитель 9 будет иметь размеры и стоимость, подходящие для того, чтобы заменить известные разъединители, в которых ранее использовался газообразный SF в качестве изолирующего вещества, но разъединитель 9 не будет приводить к тем последствиям для окружающей среды, к которым приводило оборудование, наполненное газообразным SF.
Известно, что воздух как диэлектрик имеет электрическую прочность приблизительно 3000 вольт/мм. Проектирование и испытание разъединителя 9, для которого упомянутый параметр предполагается составляющим 2800 вольт/мм, подтвердили, что это предложение можно воплотить как для положительной, так и для отрицательной полярности выдерживаемого напряжения грозового импульса. Чтобы опробовать конструкцию разъединителя, надо провести испытания конструкции для каждого типа (испытания типов) и опробовать ее разъединительную способность, требуется, чтобы испытания на выдерживаемое напряжение грозового импульса (ВНГИ) оказались удовлетворительными. Эти испытания оговорены в надлежащих международных стандартах, которые применяются в настоящее время.
На фиг. 13 показан пример дополнительной компоновки, в которой разъединитель 9 применяется для конкретной компоновки электрического выключателя. Электрический выключатель включает в себя изолированный корпус 21, прерыватель 13 внутри корпуса 21 для прерывания электрической цепи, и разъединитель 9, как описано выше. В общем случае, выключатель также включает в себя механизм 16, конфигурация которого обеспечивает приведение в действие прерывателя 13 и разъединителя 9.
Выключатель включает в себя изолированный корпус 21, а разъединитель 9 заформован в этот изолированный корпус, как показано. В этом воплощении, разъединитель 9 последовательно соединен с вакуумным прерывателем 13. Вакуумный прерыватель 13 имеет подвижный контакт 17 и неподвижный контакт 12. Разъединитель 9 имеет неподвижный контакт 4 и подвижный контакт 5. Подвижный контакт вакуумного прерывателя 17 электрически соединен с подвижным контактом 5 предлагаемой компоновки посредством гибкого проводника 14. Механический привод обоих подвижных контактов 5 и 17 осуществляет механизм 16. Этот механизм выполнен так, что обеспечивает привод и подвижного контакта 17 вакуумного прерывателя, и подвижного контакта 5 в предлагаемой компоновке, с требуемыми скоростями, в требуемые моменты времени и с требуемыми перемещениями, удовлетворяющими номинальным параметрам выключателя.
Изолирующий шток 18 проходит через второй узел 9 разъединителя. Назначение этого второго разъединителя 9 состоит в том, чтобы создать зону низкого электростатического напряжения, которая позволяет использовать изолирующий шток 18, более короткий, чем тот, который потребовался бы в противном случае. Привод этого изолирующего штока 18 осуществляет механизм 11. Механизм 11 можно приводить в действие вручную или посредством электричества любым из многих подходящих рабочих механизмов, с которыми знакомы специалисты в данной области техники. Для управления механизмом 11 вручную, дистанционно или автоматически любыми средствами, с которыми знакомы специалисты в данной области техники, можно применить контроллер (10).
В одном конкретном примере, второй разъединитель 9 включает в себя камеру 9.1, имеющую канал 9.2, проходящий между первой и второй областями. Этот канал может быть предусмотрен в диэлектрическом или аналогичном материале, как описано ранее, и в типичном случае имеет проходящий сквозь него шток или другой элемент. Вокруг канала, по меньшей мере, два вогнутых управляющих электрическим полем экрана 9.3, 9.4 предусмотрены таким образом, что эти экраны пролегают поперек камеры, а открытый конец каждого вогнутого экрана направлен к открытому концу другого экрана, причем конфигурация упомянутых экранов обеспечивает распределение электрического поля в камере для создания третьей области низкого электростатического напряжения внутри канала таким образом, что упомянутый элемент проходит через эту третью область.
Следует понять, что разъединитель такой формы можно использовать для электрического разъединения любых двух областей, а в частности - можно использовать для разъединения областей, одна из которых находится под значительно более высоким электрическим потенциалом, чем другая, например, внутри электрического распределительного устройства. Несмотря на это, разъединитель обеспечивает прохождение изолирующего элемента между областями, например, давая этому элементу возможность заходить в корпус распределительного устройства.
Это полезно, в частности, для обеспечения электрического разъединения первой и второй областей, например, внутри и снаружи высоковольтного распределительного устройства. В частности, это позволяет элементу проходить в область с высоким электрическим потенциалом, поддерживая при этом высокие уровни изоляции. Следовательно, разъединительная камера изменяет электрические поля таким образом, что ограничивается максимальное электростатическое напряжение по воздуху в камере (как описано ранее), что позволяет сделать любой разъединительный элемент, который должен входить в область высокого напряжения распределительного устройства, значительно короче, чем в случае, если бы электростатическое напряжение не управлялось разъединительной камерой, и это приводит к конструкции, более компактной, чем та, которая была бы возможной в противном случае. Примеры таких элементов могут включать в себя - но не в ограничительном смысле - механические рабочие валы, оптические волокна или трубки текучей среды, по которым циркулирует хладагент.
На фиг. 14 показан дополнительный пример, в котором разъединитель 9 используется как часть электрического выключателя. Узел выключателя заключен в изолированном корпусе 22, а разъединитель 9 заформован в этот изолированный корпус 22. В этом воплощении, разъединитель 9 последовательно соединен с вакуумным прерывателем 13. Вакуумный прерыватель 13 имеет подвижный контакт 17 и неподвижный контакт 12. Разъединитель 9 имеет неподвижный контакт 4 и подвижный контакт 5. Подвижный контакт вакуумного прерывателя 17 электрически соединен с выводом узла 19 выключателя посредством гибкого соединителя 23. Подвижный контакт 5 в предлагаемой компоновке электрически соединен с выводом узла 20 выключателя посредством гибкого проводника 24. Независимый механический привод подвижных контактов 5 и 17 осуществляют механизмы 25 и 26, соответственно. Эти механизмы выполнены так, что обеспечивают привод и подвижного контакта 17 вакуумного прерывателя, и подвижного контакта 5 в предлагаемой компоновке, с требуемыми скоростями, в требуемые моменты времени и с требуемыми перемещениями, удовлетворяющими номинальным параметрам выключателя.
Независимый механический привод этих изолирующих штоков 18 осуществляют механизмы 25 и 26. Эти механизмы можно приводить в действие вручную или посредством электричества любым из многих подходящих рабочих механизмов, с которыми знакомы специалисты в данной области техники. Для управления этими механизмами вручную, дистанционно или автоматически любыми средствами, с которыми знакомы специалисты в данной области техники, можно применить контроллер 10.
Специалистам в данной области техники будут очевидны многие модификации или изменения в рамках объема притязаний данного изобретения. Все такие изменения и модификации считаются находящимися в рамках существа и объема притязаний изобретения, широко проиллюстрированных и подробно описанных здесь.
Следует понять, что ссылка на «один пример» или «пример» изобретения делается не в исключительном смысле. Соответственно, один пример может демонстрировать определенные аспекты изобретения, а другие аспекты демонстрируются в другом примере. Эти примеры предназначены для того, чтобы помочь специалисту в осуществлении изобретения, и никоим образом не предназначены для ограничения общего объема притязаний изобретения, за исключением случаев, когда контекст недвусмысленно указывает иное.
Признаки, общие с известными техническими решениями, не поясняются сколько-нибудь подробно, потому что считаются совершенно ясными специалисту. Аналогично, по всему этому описанию термин «содержащий» и его грамматические эквиваленты следует считать имеющими инклюзивный смысл, за исключением случаев, когда контекст недвусмысленно указывает иное.