PL205413B1 - 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 10kA 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). Ponieważ dla łączników wysokonapięciowych obowiązuje tu zasada, że pole magnetyczne powinno zanikać współbieżnie ze zmniejszaniem się prądu łuku do zera, dlatego wytwarza się je 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 graniczenia ilości wydzielanej w wyładowaniu energii.

Przy zastosowaniu zewnętrznych cewek lub typowych elektrod typu „zwojowego” lub „koronowego”, w których obwodowa składowa przepływu prądu generuje osiowe pole magnetyczne w obszarze między stykowym, rozkład radialny indukcji pola magnetycznego charakteryzuje się istnieniem maksimum w osi elektrod i jej spadkiem w kierunku krawędzi styków. Stromość tego spadku zależy od wymiarów zewnętrznych cewek lub konstrukcji układu zestykowego.

Z badań eksperymentalnych wynika, ż e próż niowy ł uk wielkoprą dowy mimo stabilizowania si ę 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.

PL 205 413 B1

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 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 ł ukowych 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. Taki rozkład pola można uzyskać w układzie, który współpracuje z elektrodami o prostej konstrukcji, ale wymaga zastosowania czterech cewek (po dwie po przeciwnej stronie każdego styku), umieszczonych w pobliżu elektrod. W każdej parze cewek, przynależnej do danego styku, płynie prąd o przeciwnym kierunku, wskutek czego cewki duże generują osiowe pole magnetyczne o kierunku przeciwnym niż pole wytwarzane przez cewki małe. W zastosowaniu do wyłączników próżniowych jest to rozwiązanie trudne do wykonania z uwagi na konieczność montażu, przynajmniej jednej z par cewek we wnętrzu komory próżniowej, ponieważ ich oddalenie od powierzchni elektrod, np. przez umieszczenie poza komorą niweluje pożądane oddziaływanie składowych generowanego pola magnetycznego. Wmontowanie cewek do komory wymaga zastosowania przepustów prądowych do ich zasilania. Całość układu gaszeniowego wprowadza wzrost niejednorodności rozkładu pola elektrycznego w obszarze izolacyjnym komory próżniowej oraz utrudnia wykonanie elementów izolacyjnych komory.

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 obwodowe nacięcia, które połączone są z nacięciami o osi leżącej w tworzących walca styku i z kolejnymi obwodowymi nacięciami w strefie styku z nakładką stykową zaś każdy ze styków w strefie nakładki stykowej ma gniazdo o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień ferromagnetyczny z materiał u magnetycznie mi ę kkiego.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:

- zwię kszenie zdolnoś ci łączeniowej wyłącznika w stosunku do konwencjonalnych elektrod z osiowym polem magnetycznym o takich samych wymiarach geometrycznych,

- zmniejszenie erozji elektrod w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych,

- możliwość zastosowania w układach ze stykami samoczynnie generującymi pole magnetyczne,

- zwię kszenie indukcji pola magnetycznego w przestrzeni mię dzy stykowej w porównaniu z układami bez pierś cieni ferromagnetycznych,

- możliwość optymalizowania rozkładu indukcji pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej łącznika próżniowego poprzez dobór wymiarów geometrycznych i odległości pierścieni ferromagnetycznych, a także poprzez dobór kształtu przekroju rdzeni i cech magnetycznych materiału,

- uproszczenie konstrukcji zestyku w ukł adach z zewnę trznymi cewkami do wytwarzania pola magnetycznego,

- uproszczenie konstrukcji cewek (w ukł adach z zewnę trznymi cewkami) - na podstawie obliczeń i przeprowadzonych badań stwierdzono, że w układach praktycznych do wytworzenia pola o wymaganej indukcji magnetycznej wystarcza zastosowanie pojedynczego zwoju, włączonego szeregowo w tor przepływu wyłączanego prądu.

Przedmiot wynalazku, w przykładowym wykonaniu uwidoczniono w schemacie na rysunku, gdzie na fig. 1 przedstawiono komorę w przekroju, w płaszczyźnie przechodzącej przez jej oś wzdłużną zaś na fig. 2 przedstawiono elektrody w przekroju w płaszczyźnie przechodzącej przez ich oś wzdłużną.

Komora gaszeniowa łącznika próżniowego, stanowiąca 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 których jedna jest elektrodą stałą druga zaś ruchomą. Każdy

PL 205 413 B1 ze styków 5 na swej powierzchni obwodowej ma obwodowe nacięcia 7, które połączone są nacięciami 8 o osi leżącej w tworzących walca styku 5 i z kolejnymi, obwodowymi nacięciami 9 w strefie styku z nakładką stykową 6, zaś każdy ze styków 5 w strefie nakładki stykowej 6 ma gniazdo 10 o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień ferromagnetyczny 11 z materiału magnetycznie miękkiego.

Uproszczony sposób kształtowania rozkładu pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej łączników próżniowych uzyskuje się przez zastosowanie pierścieniowych rdzeni ferromagnetycznych o osiach skierowanych zgodnie z kierunkiem osiowego pola magnetycznego oddziałującego na wyładowanie łukowe.

W przedstawionym rozwiązaniu osiowe pole magnetyczne jest wytwarzane przez samą konstrukcję bryły styku 5. Pole to ma rozkład osiowo symetryczny. Zastosowanie rdzeni powoduje tylko zmianę promieniowego rozkładu pola w taki sposób, że jego symetria osiowa zostaje zachowana, jednak maksimum indukcji magnetycznej występuje między leżącymi naprzeciw siebie powierzchniami pierścieni ferromagnetycznych 11 i maleje zarówno w kierunku osi styków 5 jak i dla odległości większych od promienia zewnętrznego pierścienia 11. 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 układach stykowych z osiowym polem magnetycznym, pozbawionych rdzeni.

Przy dużych odległościach międzyelektrodowych, dla zachowania rozkładu pola magnetycznego z malejącą wartością indukcji magnetycznej w części centralnej styków, należy stosować możliwie duże wysokości pierścieni ferromagnetycznych, zwykle nie mniejsze niż ich wzajemna odległość.

Przekrój rdzenia (pierścienia) ferromagnetycznego 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 rdzeniach powinny być one wykonane z materiału o możliwie dużej rezystywności.

Do wytworzenia między elektrodami 4 pola magnetycznego, skierowanego wzdłuż 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 6, wykonanymi z materiału o zwiększonej odporności na działanie łuku elektrycznego) są wewnątrz wydrążone, a w ich cylindrycznych ściankach wykonuje się nacięcia 7. Prąd przepływający wzdłuż ścianki elektrody 4 od toru prądowego do nakładki stykowej 6 rozdziela się między segmenty bryły styku 5, a poszczególne strugi prądowe uzyskują składową przepływu w kierunku obwodowym.

Elektrody wytwarzają osiowe pole magnetyczne charakteryzujące się znaczną radialną niejednorodnością rozkładu, przy czym wartość maksymalna indukcji magnetycznej występuje w osi przestrzeni międzystykowej. Jest to sytuacja niekorzystna, jednak przez dodatkową modyfikację konstrukcji elektrod można zoptymalizować rozkład pola w przestrzeni międzystykowej. Proponowane rozwiązanie służy do zmodyfikowania cech pola magnetycznego w sposób przedstawiony w części opisującej „sposób kształtowania rozkładu osiowego pola magnetycznego w przerwie międzyelektrodowej łączników próżniowych”.

Ilość, głębokość i sposób wykonania nacięć (determinujące długość drogi obwodowego przepływu prądu w pojedynczym segmencie elektrody) wpływają na wartość indukcji generowanego pola magnetycznego. Oznacza to, że elektrody zwojowe charakteryzują się zwykle większym współczynnikiem efektywności generacji pola, wyrażonym stosunkiem wartości indukcji pola magnetycznego do przepływającego przez elektrody prądu (podawanym zwykle w [mT/kA]).

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 obwodowe nacięcia (7), które połączone są z nacięciami (8) o osi leżącej w tworzących walca styku (5) i z kolejnymi, obwodowymi nacięciami (9) w strefie styku z nakładką stykową (6), zaś każdy ze styków (5) w strefie nakładki stykowej (6) ma gniazdo (10) o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień ferromagnetyczny (11) z materiału magnetycznie miękkiego.