SU1621097A1 - Высоковольтный коммутационный аппарат и горюча газова смесь дл привода высоковольтного коммутационного аппарата - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике . Цель изобретени  - повышение быстродействи , величины коммутируемых токов и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы. За счет выполнени  подвижного контакта со сквозными прорез ми обеспечиваетс  создание параллельных дуг отключени , которые разделены потоками дугогасительного наполнител . Цилиндр привода выполнен двойным с полостью между стенками, разделенной на отдельные камеры, сообщающиес  с полостью цилиндра привода радиальными отверсти ми . Трубопровод дл  подачи горючей смеси пропущен через наружную стенку цилиндра привода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

сл

с

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано дл  коммутации сильноточных и высоковольтных электрический цепей, например, в импульсных энергосистемах термо дерных установок .

Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  и срока службы, а также повышение надежности и безопасности работы.

Нафиг.1 представлен коммутационный аппарат с замкнутыми контактами, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.2; на фиг.7 - коммутационный аппарат с разомкнутыми контактами, общий вид.

Коммутационный аппарат содержит ду- гогасительную камеру 1, камеру 2 сгорани , рабочий цилиндр 3, цилиндр 4 привода,

дифференциальный поршень 5, подвижный

6и неподвижный 7 контакты, токосъемные контактные элементы 8, размещенные в диэлектрическом фланце 9, трубопроводы 10 и 11 дл  подачи компонентов горючей газовой смеси. Прижим ламелей неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6 осуществл етс  при поступательном перемещении рабочего цилиндра 3 при повороте штурвала 12. К подвижному контакту 6 жестко прикреплен диэлектрический шток 13, имеющий канавку 14 дл  управл емых фиксаторов 15. Ламели неподвижного контакта

7расположены вокруг рабочего цилиндра 3 со стороны одного из его торцов, а со стороны другого торца установлена мала  головка дифференциального поршн  5. Полости камеры 2 сгорани  и цилиндра 4 привода разделены большой головкой поршн  5. Полости дугогасительной камеры 1 и рабочего цилиндра 3 заполнены жидким дугогаю VI

сительным наполнителем. Больша  головка дифференциального поршн  5 выполнена в виде двух дисков, один из которых (16) обращен к полости цилиндра 4 привода, а второй (17) - к полости камеры 2 сгорани . Первый диск 16 расположен с кольцевым зазором 18 относительно стенки цилиндра 4 привода, между боковыми поверхност ми второго диска 17 и цилиндра 4 привода установлено уплотнение 19, между дисками 16 и 17 имеетс  полость 20, соединенна  с полостью камеры 2 сгорани  аксиальными каналами 21, выполненными во втором диске 17, и с полостью цилиндра привода 4 с помощью зазора 18 и радиальных каналов 22, при этом в радиальных каналах 22 установлены клапаны 23 напуска газовой смеси. Бокова  стенка цилиндра 4 привода выполнена двойной: между наружной 24 и внутренней 25 стенками имеетс  полость, разделенна  по длине цилиндра 4 привода непроницаемыми перегородками 26 на отдельные камеры 27,28 и 29, соединенные с внутренней поверхностью цилиндра 4 привода с помощью соответствующих каждой камере 27, 28 и 29 групп отверстий 30 во внутренней стенке 25 цилиндра привода 4. Рассто ние Si между ос ми первого и последнего отверстий 30 в группах отверстий каждой камеры 27,28, кроме последней 29, счита  от камеры 2 сгорани , меньше разности толщины па уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверсти  30 (Si 02 - d). В последней камере 29 рассто ние Sn между ос ми первого и последнего отверстий 30 больше толщины Н большой головки дифференциального поршн  5 (Sn H). Трубопроводы 10 и 11 дл  подачи компонентов газовой смеси расположены в наружной стенке 24 цилиндра 4 привода. По торцам цилиндра 4 привода расположены фланцы 31 и 32. Дл  заполнени  внутренней полости коммутационного аппарата электропрочной жидкостью служит клапан 33, а дл  стравливани  избыточного давлени  в дугогасительной камере 1 - клапан 34, в камере 2 сгорани  имеетс  клапан 35. Дуго- гасительна  камера 1 установлена на диэлектрическом основании 36, на котором также укреплен диэлектрический фланец 37. Внутри диэлектрического основани  36 проход т герметичные токовводы 28, соединенные с неподвижным контактом 7 и коаксиальными кабел ми 39. На наружной поверхности подвижного контакта 6 выполнены пазы 40 (см. фиг.6), которые расположены напротив зазоров 41 между ламел ми неподвижного контакта 7 и промежутков между токосъемными контактами 8. Со стороны торца, обращенною к ламел м неподвижного контакта 7, пазы 40 переход т в сквозные прорези 42, длина LI которых не меньше суммы длин и соответственно перекрыти  подвижного и неподвижного

контактов (фиг.6) и контактного промежутка (Li 1.2 + La). Токосъемные контактные элементы 8 расположены в отверсти х диэлектрического кольцеобразного фланца 9, выступы 43 которого вход т в пазы 40 по0 движного контакта 6. С помощью токовво- дов 44 токосьемные контактные элементы 8 соедин ютс  со стенкой дугогасительной камеры 1, котора  выполнена из металла. Дл  торможени  и возвращени  подвижно5 го контакта 6 в исходное положение служит пружина 45. В стенке камеры 2 сгорани  размещен искровой разр дник 46, необходимый дл  зажигани  газовой смеси.

В качестве горючей газовой смеси в ком0 мутационном аппарате использована смесь из пропана (СзНе) и кислорода (02) состава, вес.%: пропан 11,5 - 12; кислород - остальное . Состав смеси выбран из условий полного сгорани  пропана и взрывобезопасности.

5 Коммутационный аппарат работает следующим образом.

Сначала в камеру 29 подаетс  кислород по трубопроводу 10. Кислород через отверсти  30 во внутренней стенке 25 цилиндра 4

0 привода поступает во внутреннюю полость последнего, затем в кольцевой зазор 18, клапаны 23 напуска газовой смеси, полость 20, аксиальные каналы 21, полость камеры 2 сгорани . После прекращени  подачи кис5 лорода начинаетс  подача пропана по трубопроводу 11 в камеру 28, затем аналогично кислороду пропан поступает в полость камеры 2 сгорани . В сообщающихс  камерах 27, 28 и 29 полости 20, полости цилиндра 4

0 привода и камере 2 сгорани  происходит образование горючей газовой смеси. Така  последовательность заполнени  обеспечивает взрывобезопасность, поскольку в процессе заполнени  не возникают

5 взрывоопасные концентрации в смеси пропан - кислород (1:2 - 1:10). После заполнени  газовой смесью все магистрали перекрываютс  запорными вентил ми и газы из них стравливаютс .

0 В замкнутом положении контактов ток протекает по цепи: герметичный токоввод 38, ламель неподвижного контакта 7, подвижный контакт 6, токосъемный контактный элемент 8, токоввод 44. стенка

5 дугогасительной камеры 1 -и далее, например , по коаксиальным кабел м 39, симметрично расположенным по периметру в соответствии с количеством ламелей.

При подаче импульса напр жени  на искровой разр дник 46 происходит зажигание

горючей смеси в полости камеры 2 сгорани . Газова  смесь загораетс  также в аксиальных каналах 21 и в полости 20. Распространению горени  в полость цилиндра 4 привода и камеры 27, 28 и 29 преп тствуют уплотнени  18 и клапаны 23 напуска газовой смеси. Под действием давлени  продуктов горени  в камере сгорани  в каналах 21 и в полости 20 начинаетс  ускоренное (ускорение а) совместное движение дифференциального поршн  5. жидкого ду- гогасительного наполнител  в полости 47 рабочего цилиндра 3 и подвижного контакта 6. Через зазоры 41 (фиг.б) между ламел ми неподвижного контакта 7 и сквозными прорез ми 42, выполкекными в пазах 40 подвижного контакта 6, начинаетс  истечение затопленных струй жидкости в полость ду- гогасительной камеры 1. К моменту разрыва контактов подвижный контакт 6 набирает скорость vi.

Когда поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршн  5, обращенна  к полости камеры 2 сгорани , займет положение в плоскости оси первого отверсти  в группе отверстий 30 камеры 23, полости камеры 2 сгорани  и камеры 27 станов тс  сообщающимс . Происходит зажигание горючей газовой смеси в полости камеры 27. Горение не распростран етс  в полость цилиндра 4 привода перед первым диском 16 и в камеры 28 и 29, поскольку перед моментом, когда камера 27 и камера 2 сгорани  станов тс  сообщающимис , сообщение камеры 27 и цилиндра 4 привода прекращаетс , так как рассто ние Si (фиг,1) между ос ми первого и последнего отверстий 30 в группе отверстий камеры 27 меньше разности толщины ha уплотненной части второго диска 17 и диаметра d отверсти  30 (Si h2 - d). При горении смеси в камере 27 давление на поверхность второго диска 17 большой головки дифференциального поршн  5 начинает увеличиватьс . Кроме того, при движении поршн  5 увеличиваетс  давление и на поверхность первого диска 16, обращенную к полости цилиндра 4 привода, но давление в цилиндре 4 привода возрастает пропорционально уменьшению объема газа (в 1,5 - 2 раза), а давление в камере 2 сгорани , в камере 27 увеличиваетс  почти в 100 раз при сгорании газовой смеси. Возрастание давлени  в камере 2 сгорани  и камере 27 приводит к увеличению силы, разгон ющей поршень 5, поэтому он движетс  уже с ускорением 32 ai. Аналогичным образом происходит загорание газовой смеси в камере 2, после чего поршень 5 движетс  с ускорением

аз 32 ai. Количество камер, подобных 27 и 28. служащих дл  дополнительного разгона поршн , выбираетс  в зависимости от параметров коммутационного аппарата. Ес- 5 ли увеличиваютс  значени  коммутируемого тока, увеличиваетс , соответственно, и врем  коммутации, Поэтому число дополнительных камер выбираетс  из услови  поддержани  ускоренного потока дугогас щей

0 жидкости в течение всего времени коммутации .

В момент, когда поверхность второго диска 7 большой головки дифференциального поршн  5 займет положение в плоско5 сти оси первого отверсти  в группе отверстий 30 камеры 29, происходит зажигание газовой смеси в полости камеры 29, а затем горение распростран етс  в полость цилиндра 4 привода, перед первым диском

0 16. Зажигание газовой смеси в указанный момент в полости цилиндра привода 4 осуществл етс  стру ми воспламененной газовой смеси, истекающими из последней камеры 29 через отверсти  во внутренней

5 стенке 25 цилиндра 4 привода, которые остаютс  не перекрытыми уплотненной поверхностью второго диска 17 большой головки поршн  5, так как в последней камере 29 рассто ние Sn между ос ми первого и

0 последнего отверстий 30 больше толщины Н большой головки дифференциального поршн  5 (Sn Н). Давление на поверхность диска 16, обращенную к полости цилиндра 4 привода, начинает резко нарастать, что

5 приводит к торможению и остановке поршн  5.

При разрыве цепи подвижный контакт б - ламели неподвижного контакта 7 между кромками контактов загораютс  электриче0 ские дуги отключени , на которые воздействует поток электропрочной жидкости, истекающий из полости 47 рабочего цилиндра 3 через открывающийс  кольцеобразный канал, образованный контактами б и 7,

5 в дугогасительную камеру 1. После того, как полностью открываетс  кольцеобразный зазор между контактами 6 и 7, подвижный контакт б тормозитс  с помощью пружины 45 и удерживаетс  в конечном положении

0 управл емыми фиксаторами 15. Количество параллельных электрических дуг отключени  соответствует числу ламелей неподвижного контакта 7, разделенных зазорами 41, и такому же числу участков подвижного кон5 такта б, разделенных радиальными каналами 42. Смещению и перекосу подвижного контакта 6 относительно ламелей неподвижного контакта 7 преп тствуют выступы 43 диэлектрического кольцеобразного фланца 9, вход щие в пазы 40 подвижного

контакта 6 (см. фиг.2 и 6). Под действием потока электропрочной жидкости происходит перемещение дуг по каналу, образованному кольцеобразными диэлектрическими фланцами 9 и 37. Объединению отдельных дуг в один или несколько мощных разр дов преп тствуют сформированные до раскрыти  контактов потоки электропрочной жидкости , истекающие через зазоры 41 между ламел ми неподвижного контакта 7 и радиальные каналы 42, выполненные в пазах 40 подвижного контакта 6. Така  геометри  потока дугогас щей жидкости способствует также интенсивному охлаждению дуг. На большей части контактной поверхности дуг отключени  и невозмущенной электропрочной жидкости в дугогасительной камере 1 имеютс  услови  дл  развити  неустойчивости Рэле -Тейлора. т.е. градиент плотности сред и ускоренное движение в его направлении . Инкремент нарастани  неустойчивости у с учетом того, что/Эж PR, имеет вид

у vk -a

где РЖ плотность электропрочной жидкости;

/Од - плотность плазмы дуги;

а - ускорение контактной поверхности, направленное от дуги к невозмущенной электропрочной жидкости;

к - волновой вектор k -т- ,

где Я - длина волны.

Неустойчивыми  вл ютс  только гармоники , длина волн которых превышает некоторую критическую величину Ямин Эту величину и следует считать характерным рассто нием между фонтанчиками. Критическа  длина волны

Ямин 2 П

где а- коэффициент поверхностного нат жени ;

р плотность жидкости;

а - ускорение контактной поверхности.

При развитии неустойчивости Рэле - Тейлора дуга, принимающа  к этому моменту благодар  воздействию электропрочной дугогас щей жидкости форму пленочного разр да, пронизываетс  стру ми холодной дугогас щей жидкости. Происходит интенсивное перемешивание плазмы дуги с холодным газом, образовавшимс  при испарении дугогас щей жидкости, объемна  рекомбинаци , возникновение диффузного (темного) разр да на переднем фронте

потока между част ми дуги, параллельными потоку. На дуге нарастает напр жение, происходит коммутаци  тока в нагрузку. Применение в качестве дугогас щей среды

сжиженной шестифтористой серы, имеющей высокие электроотрицательные свойства , позвол ет избежать повторных пробоев и успешно завершить коммутацию При срабатывании коммутационного аппарата в полости дугогасительной камеры 1 образуетс  избыточное давление паров электропрочной жидкости, которое при достижении пре- дельной величины стравливаетс  в магистраль через клапан 34.

В исходное положение элементы коммутационного аппарата возвращаютс  следующим образом.

Сначала стравливаетс  через клапан 35 избыточное давление из камеры 2 сгорани .

Под действием избыточного давлени  в дугогасительной камере 1 дифференциальный поршень 5 перемещаетс  в начальное положение . Избыточное давление из полости цилиндра 4 привода стравливаетс  через

кольцевой зазор 18. клапаны 23 напуска газовой смеси, полость 20, аксиальные каналы 21 в полость камеры 2 сгорани . Снимаетс  усилие с ламелей неподвижного контакта 7. Дл  этого рабочий цилиндр 3 перемещаетс 

в обратном направлении с помощью штурвала 12, затем подаетс  команда на управл емые фиксаторы 15. Под действием пружины 45 подвижный контакт б возвращаетс  в исходное положение. С помощью

штурвала 12 рабочий цилиндр 3 перемещаетс  в начальное положение и прижимает ламели неподвижного контакта 7 к подвижному контакту 6.

Конструкци  большой головки дифференциального поршн  и цилиндра привода данного коммутационного аппарата позвол ют создать ускоренный поток электропрочной жидкости в дугогасительной камере, эффективно воздействующий на дугу отключени . За счет увеличени  скорости удлинени  дуг и развити  на контактной поверхности дуг и невозмущенной электропрочной жидкости неустойчивости Рэле -Тейлора врем  коммутации уменыиаетс  примерно в 1,5 раза по сравнению с известным устройством.

Торможение поршн  5 в данном аппарате осуществл етс  эффективнее, чем в известном устройстве.

Это св зано с тем, что в известном устройстве поршень тормозитс  в результате постепенного повышени  давлени  воздуха в цилиндре привода, а в данном коммутационном аппарате давление в цилиндре привода возрастает в необходимый момент при воспламенении горючей газовой смеси. В коммутационном аппарате заполнение горючей газовой смеси осуществл етс  через трубопроводы, расположенные в наружной стенке цилиндра привода. Это исключает случайный уход поршн  из начального положени  при подготовке к пуску, возможный в устройстве-прототипе, и повышает надежность коммутационного аппарата. В предлагаемом коммутационном аппарате параллельные дуги отключени , возникающие при разрыве контактов, надежно разделены потоками электропрочной жидкости, истекающими через зазоры между ламел - ми неподвижного контакта и радиальные каналы, выполненные в подвижном контакте . Поэтому в коммутационном аппарате величина коммутируемого тока может быть увеличена почти в 1,3 раза приуменьшении эрозии контактов по сравнению с известным устройством, так как в последнем че обеспечиваетс  параллельное дугогашение в течение всего времени коммутации. В коммутационном аппарате в процессе заполнени  горючей газовой смесью и во врем  работы аппарата не возникают взрывоопасные концентрации газовой смеси.

Claims (3)

1. Высоковольтный коммутационный аппарат, содержащий дугогасительную камеру , внутри которой вертикально установлены соосно расположенные полый нижний неподвижный контакт с ламел ми, установленный коаксиально на наружной боковой поверхности рабочего цилиндра, и верхний подвижный контакт с тсхосьемными контактными элементами, выполненный в виде стакана, стенки которого охватывают снаружи стенки неподвижного контакта, дифференциальный поршень, мала  головка которого установлена в указанном рабочем цилиндре, а больша  - в цилиндре привода, камеру сгорани , установленную на торце цилиндра привода с подпоршневой стороны большой головки дифференциального поршн , жидкий дугогас щий наполнитель, заполн ющий полость рабочего цилиндра, подвижного контакта и частично дугогасительную камеру, трубопроводы дл  подачи горючей газовой смеси, отличающийс  тем, что, с целью повышени  быстродействи  величины коммутируемых токов и срока службы , больша  головка дифференциального поршн  выполнена в виде двух аксиально расположенных дисков разного диаметра, прилегающих друг к другу по торцу, из которых первый диск меньшего диаметра расположен со стороны, обращенной к рабочему цилиндру, и образует с внутренней боковой поверхностью цилиндра привода кольцевой зазор, между боковыми поверхност ми ци- 5 линдра привода и второго диска большего диаметра установлены уплотнени , на прилегающих друг к другу торцах дисков выпол- нены противосто щие углублени , образующие совместно полость, соединен0 ную с камерой сгорани  посредством каналов , выполненных во втором диске, и с полостью цилиндра привода посредством указанного кольцевого зазора и радиальных каналов, выполненных в первом диске, при5 чем в радиальных каналах установлены дополнительно введенные клапаны дл  напуска горючей газовой смеси, цилиндр привода выполнен двойным с кольцевой полостью между коаксиэльно расположенны0 ми наружной и внутренней боковыми стенками, разделенной дополнительно введенными аксиально расположенными кольцевыми перегородками на отдельные камеры, кажда  из которых сообщаетс  с

5 внутренней полостью цилиндра привода посредством соответствующей этой камере группы радиальных отверстий, выполненных во внутренней стенке цилиндра привода , рассто ние между ос ми первого и

0 последнего радиальных отверстий каждой камеры, кроме последней, счита  в направлении от камеры сгорани , выбрано меньшим разности толщины уплотненной части второго диска и диаметра радиального от5 версти , в последней камере рассто ние между ос ми первого и последнего отверстий выбрано большим толщины большой головки дифференциального поршн , а трубопроводы дл  подачи компонентов газо0 вой смеси пропущены через наружную боковую стенку цилиндра привода.

2.Аппарат по п.1,отличающийс  тем, что на наружной поверхности подвижного контакта напротив зазоров между ла5 мел ми неподвижного контакта и промежутков между токосъемными контактами выполнены пазы, переход щие вблизи торцов контакта в сквозные прорези, длина которых не меньше суммы длин перекрыти 

0 подвижного и неподвижного контактов в замкнутом положении контактов и контактного промежутка в разомкнутом положении контактов, а токосъемные контактные элементы расположены в отверсти х дополни5 тельно введенного диэлектрического кольцеобразного фланца, выступы которого вход т в указанные пазы подвижного контакта .

3.Горюча  газова  смесь дл  привода высоковольтного коммутационного аппарата с подвижной контактной системой и с воздействием жидкого дугогас щего наполнител  на дугу отключени , состо ща  из пропана (СзНв) и кислорода (02). отличающа с  тем, что, с целью повышени  на-

30

J2

« #ЯЛ

Фиг.1

дежности и безопасности, она имеет следующий состав, мас.%:

Пропан11,5-12

КислородОстальное

19

iH

д Фиг. 2.

Фиг.З

Ј ii

-. 4s

a

NJ

о

CD -g

31 13

Фиг.&

/4 Я

13

47 3768 Фие.7