SU546954A1 - Центробежное жидкометаллическое коммутационное устройство - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к области сильноточной коммутационной аппаратуры и может быть использовано дл  коммутации больших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей температуре (до 500°С) и при любом положении в пространстве, а также при отсутствии силы т жести. Преимущественна  область использовани  центробежного коммутационного устройства - коммутационна  аппаратура силовых электрических цепей мопшых энергоустановок .

Известно использование жидкого металла в качестве контактного материала в электроаппаратуре с целью увеличени  долговечности при коммутации сильных токов (ртутные выпр мители , ртутные выключатели) (1). Эти устройства могут работать только в стационарном положении в услови х действи  силы гравитации. Также известны жидкометаллические коммутационные устройства, в которых жидкий металл замыкает пли размыкает электроды за счет своего перемещени  под действием электромагнитных сил, в частности сил, возникающих в жидком металле под действием бегущего или вращающегос  магнитного нол  (2).

Устройство состоит из цилиндрического канала , образованного между двум  коаксиальными цилиндрическими изол ционными обо9

лочками, на кра х которых имеютс  два сильфона с жидким металлом,  вл ющиес  одновременно электродами коммутатора. С нарул ной стороны к каналу примыкают два цилиндрических индуктора с трехфазными обмотками , создающими при замыкании контактора встречно бегущие магнитные пол  и при размыкании контактора - магнитные пол , бегущие от центра канала к его кра м. Это устройство работает при любом положении в пространстве и обеспечивает размыкание цепи м еж ду ж ид ко металл и чес к и j i и э л ектр ода м и. Однако палнчне двух цилиндрических линейных индукторов, посто нно работающих в режиме короткого замыкани  в виду неподвижности металла в крайних положени х приводит к значительным потер м мощности на управление.

Известно центробел ное коммутационное устройство (ПКУ) (3), содержанхее индуктор с трехфазной распределеппой обмоткой, цилиндрическую изол ционную оболочку с двум  медными кольцевыми электродами на некотором рассто нии друг от друга в верхней части оболочки, помещенную в статор асинхронной машины. В вертикальном положении коммутатора , когда облштка статора обесточена, жидкий металл находитс  на дне оболочки, и электроды разомкнуты. При включении обмотки в сеть жидкий металл приводитс  во вращение под действием вращающегос  магнитиого пол , поднимаетс  по стенке оболочки , принима  форму параболоида, и замыкает электроды. Индуктор цептробежиого коммутатора работает в режиме, близком к холостому ходу, так как металл вращаетс  с большой скоростью, а трение имеет место только на внутренней поверхности цилиндрической оболочки. Это позвол ет упростить конструкцию устройства (2) и уменьшить потребл емую мощность управлени . Уменьшению мощности управлени  способствует также и тот факт, что в центробежном устройстве удержанию металла в фиксированном положении содействуют цептробежпые силы. Однако при коммутировании тока в таком коммутаторе процесс дугообразовани  имеет место между жидким и твердым электродом, что приводит к эрозии последнего. Кроме того , данный коммутатор может работать только в вертикальном положении в услови х действи  силы т жести. Дл  обеспечени  работоспособности предлагаемого устройства при любом положении в пространстве и невесомости при одновременном снижении мощности управлени  коммутационным устройством и коммутаций цепи между жидкими электродами цилиндрическа  изол ционна  оболочка имеет в середине по крайней мере один внутренний выступ с двум  электропроводными кольцами но бокам выступа , а электроды снабжены патрубками подвода жидкого металла и системой пневмокомпенсации объема жидкого металла. Дл  улучшени  гидродинамики при вращении электропроводной жидкости в канале торцовые электроды выполнены в виде кольцевых коллекторов с внутренней полостью, соединенной с патрубками подвода }кидкого металла. Кроме того, система иневмокомпенсации объема л идкого металла может быть выполнена в виде резервуара переменного объема, например сильфона, сообщающегос  с упом нутым кольцевым каналом при помощи осевого канала, выполненного в одном из электродов , и р да радиальных отверстий, выполненных в том же электроде и внутреннем изол ционном цилиндре. На чертеже изображено описываемое коммутационное устройство, состо щее из кольцевого шихтованного статора 1, в пазах которого уложена двухскоростна  трехфазна  обмотка 2, наружной керамической оболочки 3 с пр моугольным выступом в середине, двух торцовых кольцевых медных электродов 4 и 5, цилиндрического осевого токоотвода 6 с электроизол ционной втулкой 7. По торцам пр моугольного выступа керамической оболочки 3 расположены два медных кольца 8. Электроды 4 и 5 соединены с оболочкой 3 при помощи тонких медных стенок 9 и 10. Стенки 9 и 10 нрина ны к оболочке 3 и электродам 4 и 5. Между стеиками 9, 10, электродами и оболочкой 3 образуютс  полости - кольцевые коллекторы, через которые по трубам 11, 12 происходит подвод (отвод) жидкого металла во внутреннюю полость. Через трубку 13 и отверсти  в осевом токоотводе 6 и втулке 7 осуптествл етс пнезмокомпеисаци  внутреннего объема канала. Статор 1 запрессован в корпус 14, имеющий оребрение дл  улучшени  охлаждени . Детали 15, 16  вл ютс  клеммами . Работает устройство следующим образом. Жидкий металл, посто нно наход щийс  в кольцевой полости устройства, образованной втулкой 3 и электродами 4, 5, занимают различное положение в зависимости от скорости его вращени . Когда устройство находитс  в положении «замкнуто, жидкий металл вращаетс  с относительно небольшой скоростью, необходимой лишь дл  удержани  металла на оболочке 3 иод действием центробежных сил. Внутренний выступ втулки 3 погружен в жидкий металл, и электроды 4 и 5 замкнуты жидким металлом. Дл  размыкани  цепи необходимо увеличить скорость вращени  металла, ч го обеспечиваетс  соответствующим переключением обмотки статора на другую синхронную скорость вращени  пол  (изменением числа нар полюсов), либо путем увеличени  напр жени  питани  обмотки. Под действием возросшей центробежной силы металл будет вытеснен из кольцевой полости по трубам И, 12 в соответствующие емкости, например сильфоны , внутренний выступ втулки 3 оголитс , и произойдет разрыв электроцепи. Дл  ускорени  процесса коммутации кольцева  полость ЦКУ соединена через кольцевую щель во втулке 7, систему отверсти в токоотводе 6 и трубку 13 с системой пневмокомпенсации, котора  в простейшем случае может быть заменена сильфопом. Система пневмоколшенсацип ЦКУ может быть использована и дл  управлени  коммутатором, при неизменной синхронной скорости вращающегос  магнитного пол  положение свободной поверхности врапд ,,егос  металла может регулироватьс  давлением инертного газа, подаваемого по трубке 13 внутрь устройства. Большему давлению будет соответствовать разомкнутое положение коммутатора, меньшему давлению - замкнутое положение. Так как по осевому медному токоотводу 6 и жидкому металлу ток течет в противоположных направлени х, то тангенциальное магнитное поле в области за керамической втулкой 3 отсутствует, и магпитонровод статора 1 не насыо аетс , В области вращающегос  жидкого металла существует тангенциальное магнитное поле, которое создаетс  током, протекающим по токоотводу 6. Взаимодействие этого пол  с силовым током жидкого металла приводит к по влению радиальной электромагнитной силы, совпадаюпгей по направлению с центробел-сиой силой. Максимальной величины эта сила будет достигать в поверхностном слое металла, и следовательно, она будет способствовать стабилизации свободной поверхности металла.