PL205412B1 - Komora gaszeniowa łącznika próżniowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest komora gaszeniowa łącznika próżniowego, mająca zastosowanie w łącznikach prądowych o natężeniu wyłączanego prądu zwarciowego powyżej 10 kA.

Duże wartości prądów przesyłowych i zwarciowych w sieciach elektroenergetycznych stawiają coraz większe wymagania aparaturze rozdzielczej, w tym w szczególności wyłącznikom. W ostatnich latach wyłączniki próżniowe cieszą się coraz większym zainteresowaniem użytkowników nie tylko z uwagi na wysoką zdolność łączeniową doskonał e wł a ś ciwoś ci izolacyjne przerwy mię dzy stykowej, dużą trwałość łączeniową i mechaniczną ale także ze względu na przyjazną dla środowiska (bezpieczną ekologicznie) konstrukcję.

Wyłączanie prądu łącznikami próżniowymi, dla prądu o wartościach do 10 kA nie stwarza obecnie żadnych trudności technicznych. Przy dostatecznie dużych wymiarach elektrod towarzyszący procesom łączeniowym łuk elektryczny posiada postać rozproszoną (jest to tzw. łuk dyfuzyjny), charakteryzującą się istnieniem katodowych źródeł plazmy i makrocząstek (w postaci plamek katodowych) oraz brakiem aktywności termicznej i emisyjnej anody. Takim warunkom pracy łącznika próżniowego odpowiada minimalne i równomierne nagrzewanie się elektrod w okresie łukowym, szybki zanik cząstek w objętości komory próżniowej przy przejściu prądu przez wartość zerową wysoka wytrzymałość połukowa przestrzeni między stykowej, oraz największa trwałość układu zestykowego, ograniczona wyłącznie erozyjnym działaniem plamek katodowych.

Pod wpływem oddziaływań elektrodynamicznych, dla prądu o wartościach większych od 10 kA (nawet dla dużych wymiarów elektrod) łuk w próżni ulega ściśnięciu tworząc formę skoncentrowaną (nazywaną także przewężoną). Łuk o takiej postaci, zwłaszcza, gdy długotrwale pozostaje w bezruchu, w wyniku miejscowego i głębokiego nadtapiania elektrod powoduje ich silną erozję. Ze względu na długi czas stygnięcia głębokie kratery wypełnione płynnym metalem elektrod oraz duże i gorące krople metalu wyrzucone w przestrzeń komory próżniowej przyczyniają się, poprzez emisję par, do obniżenia wytrzymałości napięciowej łącznika po przejściu półfali prądu przez wartość zerową co grozi ponownym zapłonem łuku.

Po zastygnięciu kraterów i nacieków metalu na elektrodach, nawet przy zastosowaniu dużych sił docisku styków nie można już uzyskać ich przylegania na dużej powierzchni. W warunkach pracy przepustowej łącznika powoduje to wzrost rezystancji zestykowej z lokalnymi obszarami zwiększonej gęstości prądu, a więc i nagrzewania.

Dla ograniczenia negatywnych skutków działania łuku w wyłącznikach próżniowych od wielu lat stosowane są albo metody elektrodynamicznego wymuszania ruchu łuku (np. poprzez zastosowanie zestyków generujących radialne pole magnetyczne) albo metody skierowane na podniesienie granicy wartości prądu, przy którym następuje koncentracja wyładowania. Drugi sposób uzyskuje się poprzez oddziaływanie na łuk elektryczny polem magnetycznym równoległym do kierunku przepływu plazmy (tzw. osiowym polem magnetycznym), wytwarzanym albo za pomocą odpowiednio ukształtowanego zestyku, albo z wykorzystaniem zewnętrznych cewek włączonych szeregowo w obwód przepływu prądu łuku. Należy dodać, że zastosowanie osiowego pola magnetycznego (niezależnie od sposobu jego wytwarzania) poza stabilizacją wyładowania obniża dodatkowo napięcie łuku, co przyczynia się do ograniczenia ilości wydzielanej w wyładowaniu energii. Dla zwiększania zdolności łączeniowej łącznika próżniowego przez wymuszanie ruchu łuku (m in. w celu zmniejszenia nadtopień nakładek stykowych i ograniczenia erozji elektrod) wykorzystuje się zestyki z elektrodami spiralnymi lub koronowymi pokazane na fig. 1 i fig. 2 (rysunki zaczerpnięte z opracowań literaturowych).

Rysunki pokazują zarówno konstrukcję, jak i ideę pracy zestyków. Są to w chwili obecnej praktycznie jedyne przemysłowo wytwarzane formy elektrod wytwarzających poprzeczne (radialne) pole Br magnetyczne, które oddziałując siłą E na kolumnę łukową zmusza łuk do przemieszczania się w otoczeniu brzegu elektrod.

Z przeprowadzonych badań wynika, że przedstawione powyż ej układy zestykowe spełniają swoje zadania podczas wyłączania dużych prądów I pod warunkiem, że w chwili rozdzielania elektrod wartość chwilowa prądu łuku jest nie mniejsza niż 7-10 kA. W rzeczywistych warunkach pracy występują jednak często przypadki gdy styki łącznika rozdzielane są na początku półfali przepływu prądu, a prąd w czasie trwania łuku narasta do bardzo dużej wartości. W takich przypadkach łuk elektryczny na początku swego istnienia ma formę słabo skoncentrowaną (lub klasyczną dyfuzyjną) i początkowo rozprasza się w całej przestrzeni międzystykowej. Dalszy wzrost prądu powoduje elektrodynamiczne ściśnięcie się łuku (tzw. efekt pinchu) w części centralnej elektrod (w osi zestyku) gdzie radialne pole

PL 205 412 B1 magnetyczne praktycznie nie istnieje. Łuk zatem ulega „zakotwiczeniu” i zestyk nie spełnia swojego zadania. Dodatkowo, w przypadku zestyku z elektrodami koronowymi (posiadającymi od strony wyładowania otwarte wnęki, niezasłonięte przez pierścieniowe nakładki stykowe) łuk wnika do wnęk elektrod, w których wytapiany materiał konstrukcyjny styku wypełnia szczeliny (nacięcia) między segmentami elektrod powodując pogorszenie skuteczności generowania pola magnetycznego. Istnienie otwartej (od strony działania łuku elektrycznego) wnęki w elektrodach jest w ogólnym przypadku niekorzystne.

Możliwość występowania łuku elektrycznego w formie skoncentrowanej lub dyfuzyjnej w zależności od chwilowej (losowo występującej podczas procesów łączeniowych) wartości prądu sugeruje, że właściwym rozwiązaniem zestyku powinna być konstrukcja wykorzystująca oddziaływanie zarówno osiowego pola magnetycznego (gdy łuk jest dyfuzyjny) jak i radialnego (gdy w fazie rozdzielania elektrod łuk uległ skoncentrowaniu).

Chcąc zastosować osiowe pole magnetyczne wytworzone przez typowe elektrody (w których obwodowa składowa przepływu prądu generuje osiową składową pola magnetycznego w obszarze międzystykowym) należy liczyć się z faktem, że indukcja magnetyczna posiada wówczas maksimum w osi elektrod i maleje przy oddalaniu się w kierunku krawędzi styków. Z badań eksperymentalnych wynika, że próżniowy łuk wielkoprądowy mimo stabilizowania się pod działaniem osiowego pola magnetycznego wykazuje skłonność do koncentracji w obszarze maksymalnej wartości indukcji magnetycznej. Oznacza to, że rozkład pola z maksimum jego wartości w osi układu elektrodowego będzie powodował koncentrację łuku w tym właśnie obszarze, co w konsekwencji będzie przyczyną zwiększonego, lokalnego topienia się elektrod i spowoduje ograniczenie zdolności łączeniowej wyłącznika próżniowego.

W celu przeciwdziałania koncentrowaniu się łuku w środkowej części układu stykowego w wielu firmach opracowano specjalne konstrukcje elektrod wytwarzających wielobiegunowe (najczęściej 2 lub 4) rozkłady indukcji osiowego pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej. Konstrukcje te charakteryzują się znaczną złożonością a funkcjonalnie powodują rozdział łuku elektrycznego na równoległe wyładowania, których liczba odpowiada ilości par biegunów wytworzonego pola magnetycznego. Również w tych przypadkach obserwuje się wzrost koncentracji łuku w poszczególnych kolumnach łukowych w otoczeniu maksimum indukcji pola magnetycznego poszczególnych biegunów. Oznacza to, że obszary międzybiegunowe, a w konsekwencji powierzchnie elektrod nie są efektywnie wykorzystane.

Zwiększenie zdolności łączeniowej łącznika z osiowym polem magnetycznym jest możliwe także przez ukształtowanie pola magnetycznego w taki sposób, że jego rozkład radialny będzie osiowo symetryczny z minimum w osi elektrod i maksimum w otoczeniu ich krawędzi.

Należy podkreślić, że stosowane dotychczas w łącznikach próżniowych układy zestykowe z osiowym polem magnetycznym nie wytwarzają pola magnetycznego radialnego, które mogł oby, w wyniku oddziaływań elektrodynamicznych wymuszać ruch łuku.

Istota wynalazku, którym jest komora gaszeniowa łącznika próżniowego, którą stanowią zamknięte i uszczelnione w izolatorze ceramicznym, i osłonie kondensacyjnej, usytuowane na torach prądowych elektrody ze stykami o zarysie walca z nakładkami stykowymi, z których jedna jest elektrodą stałą druga zaś ruchomą polega na tym, że każdy ze styków na swej powierzchni obwodowej ma co najmniej trzy skośne nacięcia, pochylone względem powierzchni styku pod kątem α < 90°, korzystnie 30°, w przeciwnym kierunku, zaś każdy ze styków w strefie nakładki stykowej ma gniazdo o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień z magnesu trwałego, przy czym magnesy w obydwu stykach zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:

- wytworzenie w przestrzeni mię dzystykowej zarówno pola magnetycznego radialnego jak i osiowego,

- zapobieganie koncentrowaniu się łuku w części centralnej zestyku,

- zwię kszenie zdolnoś ci łączeniowej wyłącznika w stosunku do elektrod ze stykami o zarysie walca, które nie wytwarzają osiowego pola magnetycznego oraz w stosunku do konwencjonalnych elektrod z osiowym polem magnetycznym o takich samych wymiarach geometrycznych,

- uniezależ nienie skutecznoś ci dział ania zestyku od formy wył adowania ł ukowego.

- wymuszenie ruchu łuku wielkoprądowego podczas wyłączania prądu zwarciowego, gdy zestyk jest otwierany przy dużej wartości chwilowej prądu,

PL 205 412 B1

- wytworzenie wielkoprą dowego łuku dyfuzyjnego podczas wyłączania prądu zwarciowego, gdy zestyk jest otwierany przy małej wartości chwilowej prądu,

- wymuszenie ruchu łuku przy wyłączaniu prądów roboczych,

- ograniczenie erozji elektrod w stosunku do rozwią zań konwencjonalnych,

- moż liwość zastosowania w ukł adach gaszeniowych ze stykami samoczynnie generującymi radialne pole magnetyczne,

- moż liwość optymalizowania rozkł adu indukcji osiowego pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej łącznika próżniowego poprzez dobór wymiarów geometrycznych i odległości magnesów pierścieniowych, a także poprzez dobór kształtu przekroju rdzeni oraz cech magnetycznych ich materiału,

Przedmiot wynalazku, w przykładowym wykonaniu uwidoczniono w schemacie na rysunku, gdzie na fig. 3 przedstawiono komorę w przekroju, w płaszczyźnie przechodzącej przez jej oś wzdłużną zaś na fig. 4 przedstawiono elektrody w przekroju w płaszczyźnie przechodzącej przez ich oś wzdłużną.

Komora gaszeniowa łącznika próżniowego, stanowi zamknięte i uszczelnione w izolatorach ceramicznych 1 i osłonie kondensacyjnej 2, usytuowane na torach prądowych 3 elektrody 4 ze stykami 5 o zarysie walca z nakładkami stykowymi 6 z zagłębieniem 10, z których jedna jest elektrodą stałą druga zaś ruchomą Każdy ze styków 5 na swej powierzchni obwodowej ma co najmniej trzy skośne nacięcia 7, pochylone względem powierzchni styku 5 pod kątem α < 90°, korzystnie 30°, w przeciwnym kierunku, zaś każdy ze styków 5 w strefie nakładki stykowej 6 ma gniazdo 8 o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień 9 z magnesu trwałego, przy czym magnesy w obydwu stykach 5 zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.

Przedmiotem wynalazku jest sposób równoczesnego wytworzenia radialnego i osiowego pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej łączników próżniowych oraz sposób kształtowania wzajemnego rozkładu tych pól. Z punktu widzenia wytwarzania osiowego pola magnetycznego pożądany efekt uzyskuje się przez zastosowanie pierścieniowych magnesów trwałych o osiach skierowanych zgodnie z kierunkiem wymaganego osiowego pola magnetycznego oddziałującego na wyładowanie łukowe.

W przedstawionym rozwiązaniu osiowe pole magnetyczne jest wytwarzane przez pierścieniowe magnesy umieszczone w bryłach styków. W tym układzie pole magnetyczne ma rozkład osiowo symetryczny. Zastosowanie magnesów pierścieniowych powoduje ukształtowanie promieniowego rozkładu pola magnetycznego w taki sposób, że jego symetria osiowa zostaje zachowana, jednak maksimum indukcji magnetycznej występuje między leżącymi naprzeciw siebie powierzchniami pierścieni (magnesów) i maleje zarówno w kierunku osi styków jak i dla odległości większych od promienia zewnętrznego pierścienia. Na umiejscowienie maksimum i proporcję między maksymalną i minimalną wartością indukcji osiowego pola magnetycznego w obszarze międzystykowym można wpływać poprzez zmianę średnic pierścieni ferromagnetycznych, zmianę proporcji między średnicą pierścieni a ich wysokością oraz przez zmianę odległości między pierścieniami. Oznacza to, że w przypadku rdzeni zespolonych z bryłą styku, dla danych wymiarów geometrycznych, pole między stykami będzie się zmieniało w trakcie rozdzielania się elektrod. Podczas wyłączania prądu (gaszenia łuku) sytuacja ta ma miejsce również w konwencjonalnych rozwiązaniach elektrod z osiowym polem magnetycznym (zarówno bezrdzeniowych jak i z rdzeniami ferromagnetycznymi).

Przekrój pierścienia magnesu trwałego nie musi być prostokątny. Co więcej, przez modyfikację kształtu tego przekroju można wpływać zarówno na położenie maksimum i szerokość grzbietu w przebiegu rozkładu indukcji pola magnetycznego jak i na stromość spadku wartości indukcji magnetycznej w kierunku środka elektrod i w kierunku zbliżania się do krawędzi zestyku. Dla zmniejszenia strat energii w pierścieniach magnesów, powinny być one wykonane z materiału o możliwie dużej rezystywności. W komorach próżniowych wygrzewanych w procesie produkcyjnym magnesowanie rdzeni należy przeprowadzić po ostatecznym zamknięciu komory próżniowej. Właściwości magnetyczne materiału magnesów trwałych determinują również dopuszczalną temperaturę pracy układu zestykowego.

Do wytworzenia między elektrodami 4 pola magnetycznego, skierowanego radialnie w stosunku do osi plazmy wyładowania łukowego, konieczne jest uzyskanie obwodowego (azymutalnego) kierunku przepływu prądu w materiale elektrod 4. W tym celu bryły styków 5 (zamknięte od strony plazmy wyładowania nakładkami stykowymi, wykonanymi z materiału o zwiększonej odporności na działanie łuku elektrycznego) są wewnątrz wydrążone, a w ich cylindrycznych ściankach wykonuje się nacięcia 7 skierowane skośnie do powierzchni roboczej elektrod 4. Prąd przepływający wzdłuż ścianki elektrody 4

PL 205 412 B1 od toru prądowego 3 do nakładki stykowej 6 rozdziela się między segmenty bryły styku, a poszczególne strugi prądowe uzyskują składową przepływu w kierunku obwodowym. Pojedyncza elektroda 4 generuje zarówno osiową jak i radialną składową pola magnetycznego. Ponieważ zestyk tworzy para elektrod 4 o przeciwnych kierunkach nacięć (tzn. również o przeciwnych kierunkach składowej obwodowego przepływu prądu), osiowe pole magnetyczne (wytwarzane przez elektrody) w przestrzeni międzystykowej ulega skompensowaniu, natomiast składowa radialna zostaje wzmocniona. Jej skuteczne oddziaływanie dotyczy jednak tylko brzegowej części elektrod 4 tj. obszaru pomiędzy czołami gniazd 8 wydrążonych w elektrodach 4. Z tego powodu nakładki stykowe 6 mają na średnicy mniejszej od średnicy wewnętrznego gniazda 8 elektrod 4 zagłębienie 10, co w warunkach roboczych styków 5 powoduje ich przyleganie w okolicy brzegu. Dokładne miejsce przylegania nie jest krytyczne i zależy od stopnia zerodowania (zniszczenia) elektrod. Ważne jest jednak, że w chwili wyłączania prądu łuk inicjowany jest właśnie w części brzegowej styków 5. Jeżeli wyładowanie pozostanie skoncentrowane (duża wartość chwilowa prądu) to oddziałuje na nie radialne pole magnetyczne i łuk się przemieszcza. Jeżeli wyładowanie rozpada się do formy dyfuzyjnej (plamki katodowe rozprzestrzeniają się na całą powierzchnię katody) to łuk znajdzie się pod działaniem osiowego pola magnetycznego wytworzonego przez magnesy 9, co zapobiegać będzie formowaniu się łuku skoncentrowanego.

Zastosowanie magnesów pierścieniowych pozwala na wytworzenie osiowego pola magnetycznego o takim rozkładzie indukcji magnetycznej, że jej maksymalna wartość umiejscowiona jest między czołami pierścieni, a nie w środku styku, co wpływa na zwiększenie zdolności łączeniowej zestyku.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Komora gaszeniowa łącznika próżniowego, stanowiąca zamknięte i uszczelnione w izolatorze ceramicznym i osłonie kondensacyjnej, usytuowane na torach prądowych elektrody ze stykami o zarysie walca z nakładkami stykowymi, z których jedna jest elektrodą stałą druga zaś ruchomą, znamienna tym, że każdy ze styków (5) na swej powierzchni obwodowej ma co najmniej trzy skośne nacięcia (7), pochylone względem powierzchni styku (5) pod kątem α < 90°, korzystnie 30°, w przeciwnym kierunku, zaś każdy ze styków (5) w strefie nakładki stykowej (6), posiadającej na swej powierzchni zagłębienie (10), ma gniazdo (8) o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień (9) z magnesu trwałego, przy czym magnesy w obydwu stykach (5) zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.