SU928442A2 - Центробежное коммутационное устройство - Google Patents

Description

Изобретение относится к сильноточ*ной коммутационной аппаратуре и может быть использовано для коммутации больших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей температуре (др 500“ 6ОО°С) и любом произвольно меняющемся положении в пространстве, а.также при отсутствии силы тяжести.

По основному авт. св. IP 864366 известно центробежное коммутационное устройство, содержащее цилиндрический трехфазный индуктор с пазами, скошенными по краям индуктора в одном направлении, по крайней мере, на два-три зубцовых делений, кольцевой канал, образованный между наружным и внутренним коаксиальными цилиндрами, причем наружный изоляционный цилиндр имеет внутренний выступ, кольцевые твердометаллические электроды, расположенные в канале, и жидкий металл, частично заполняющий канал. Устройство содержит также кольцевые и шихтованные магнитопроводы, кольцевые твердометаллические электроды, выполненные с цилиндрическими токоотводами и расположенные по торцам выступа наружного изоляционного цилиндра, имеющие диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного изоляционного цилиндра, по торцам твердометаллических кольцевых электродов в зазорах между их цилинд рическими отводами и трехфазным индуктбром расположены кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изоляционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра, а жидкий металл занимает 20 объем, равный суммарному объему одной боковой кольцевой полости и межэлектродного промежутка [ij .

Такое устройство является нормально замкнутым контактором, и разί мыкание электрической цепи в нем про·, исходит после включения трехфазного индуктора, создающего в узком кольцевом канале с жидким металлом вращающееся магнитное поле. Это поле приводит металл во вращение, и он удаляется из межэлектродного промежутка в боковые полости.

Недостаток устройства обусловлен тем, что с увеличением коммутируемого тока происходит увеличение толщины слоя жидкого металла в межэлектррдном промежутке, а с ростом напряжения отключаемой цепи приходится увеличивать длину межэлектродного промежутка. В итоге ухудшается быстродействие устройства, так как большой количество жидкого металла из межэлектродного промежутка может быть удалено за большое время. С уве- 20 личением коммутируемых тока и напряжения увеличивается время горения дуги.

Цель изобретения - повышение быстродействия центробежного коммутацион- 25 ного устройства.

Эта цель достигается тем, что в центробежном коммутационном устройстве внутренний выступ наружного изоляционного цилиндра выполнен с наруж- зо ным кольцевым пазом, в котором расположена многовитковая катушечная обмотка, под внутренним изоляционным цилиндром размещен кольцевой шихтованный магнитопровод с радиальными _3J прорезями, который охвачен изнутри электропроводной кольцевой шиной V-образного сечения, причем наружные аксиальные поверхности бортиков профиля шины сообщаются с кольцевым ка- ₄₀ налом посредством кольцевых щелей, которые образованы у торцов внутреннего изоляционного цилиндра.

На фиг. 1 изображено центробежное коммутационное устройство (ЦПУ); на _<5 фиг. 2-5 - устройство в различных стадиях процесса коммутации; на фиг. 6 - эпюры индукций магнитных полей в кольцевом зазоре.

Устройство состоит из цилиндрического трехфазного индуктора в виде шихтованного статора 1, в пазах которого, скошенных по краям в одном направлении на 2-3 зубцовых деления, уложена трехфазная обмотка 2, наружного изоляционного (керамического) ⁵⁵ цилиндра 3 с прямоугольным выступом ' в середине, коаксиального наружному внутреннему изоляционному цилиндру 4.

Между цилиндрами образован кольцевой канал, в котором находятся два кольцевых твердометаллических электрода 5 с коаксиально расположенными 5 ‘цилиндрическими токоотводами. Электроды размещены по торцам внутреннего выступа наружного цилиндра и имеют диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного цилиндра 3. К 10 электродам 5 примыкают два кольцевых изолятора 6, имеющих цилиндрические основания. По торцам кольцевых электродов в зазоре между токоотводами и индуктором расположены 15 два кольцевых шихтованных магнитопровода 7. Под внутренним изоляционным цилиндром 4 размещен кольцевой шихтованный магнитопровод 8 с радиальными прорезями. Магнитопровод 8 охвачен изнутри на меньшем радиусе кольцевой медной шиной 9 V-образного сечения. В наружном изоляционном цилиндре 3 имеется наружный кольцевой паз, в котором размещена многовитковая катушечная обйотка 10. Жидкий металл 1 занимает объем, равный сумме объемов боковой кольцевой полости между цилиндром 3 и магнитопроводом 7 и межэлектродного промежутка, при этом объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изоляционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра. Между торцами внутреннего изоляционного цилиндра 4 и торцами дисковых изоляторов 6 расположены кольцевые щели так, что наружные аксиальные поверхности бортиков профиля шины 9 сообщаются с кольцевыми каналами устройства.

Устройство работает следующим образом.

Жидкий металл, частично заполняющий кольцевую полость ЦКУ и постоянно находящийся в ней при любом произвольном положении ЦКУ в пространстве, замыкает дисковыр электроды 5, и ток силовой цепи 7 проходит в основном по медной шине 9 (ток 7«) ^и частично по жидкому металлу Эм (фиг. 2). При включении трехфазной обмотки 2 индуктора в сеть жидкий металл приводится во вращение и под действием центробежных сил перемещается из межэлектродного промежутка в боковые кольцевые полости. Одновременно с трехфазной обмоткой включает5 928442 6 ся на постоянное.напряжение кольцевая обмотка 10, создающая в зазоре с жидким металлом под внутренним выступом наружного цилиндра 3 радиаль'ное магнитное поле. После удаления 5 части жидкого металла из межэлектродного промежутка исчезает электрический контакт с медной шиной 9, и весь ток проходит через постоянно уменьшающийся слой жидкого металла Ю (фйг. 3). Когда весь жидкий металл удаляется из межэлектродного промежутка, диэлектрический выступ цилиндра 3 обнажается, между жидкометаллическими кольцевыми электродами возни-15 кает электрическая дуга (фиг. 4).

На электрическую дугу действует вращающееся магнитное поле В*, и постоянное магнитное поле катушки 10, имеющее противоположное направление 20 по краям коммутирующего выступа (фиг. 5). В результате взаимодействия магнитных полей с горящей дугой происходит раскручивание дуги и растягивание ее в узкой кольцевой щели 25 по винтовой, линии. Положение дуги в щели зависит от соотношения полей ’ Βί и Вг . При В^’ = 0 (фиг. 6в), дуга перемещается за вращающимся магнитным полем, и скорость ее опреде- зо iляется лишь трением о среду и стенки. В идеальном случае (при отсутствии трения) дуга будет вращаться.; с синхронной скоростью. Если В^>В_ги)<)!то по краям щели шириной Вщ при ² = 35

В = (фиг. 6а,в) поле по координате

Уне будет знакопеременным, и дуга в области анодного и катодного пятен перемещается в противоположных ₄₀ направлениях. Сопротивление шнура ду ги увеличивается, и дуга быстро гаснет. После разрыва цепи кольцевая обмотка 10 должна быть отключена.

I Во избежание насыщения кольцевого ₄₅ ^: магнитопровода 8 магнитным полем коммутируемого тока после исчезновения тока в V-образной шине магнитопровод 8 должен иметь радиальные прорези, увеличивающие магнитное сопро- _5Q тивление в тангенциальном направлении. Так как обмотка 10 включается кратковременно (на десятые доли секунды) , то плотность тока в ней может быть существенной, и, несмотря * на малое поперечное сечение окна обмотки, индукция В_г, как показывают расчеты, оказывается одного порядка с В?. Для питания обмотки 10 может использоваться напряжение коммутируемой цепи. Обмотка 10 должна изготавливаться из тонкого медного провода диаметром 0,1-0,2 мм, так как в более толстом проводе наводятся существенные вихревые токи от вращающегося магнитного поля трехфазного индуктора и обмотка 10 экранирует кольцевую межэлектродную полость, что ухудшает быстродействие устройства. Электропитание к обмотке 10 подводится по проводникам, расположенные в щели одного из пазов индуктора (между пазовым клином и наружным изоляционным цилиндром). Обмотка 10 может иметь параллельные ветви.

.Введение кольцевой обмотки, кольцевого шихтованного магнитопровода и V-образной шины повышает эффективность устройства. Наличие магнитопровода и шины обеспечивает поперечную (радиальную)компоненту, поля коль-ϊ цевой обмотки 10 в межэлектродной полости, что заставляет электрическую дугу растягиваться в·поперечном Mai нитном поле. Использование медной кольцевой шины позволяет снизить толщину слоя жидкого металла, а следовательно, высоту межэлектродного кольцевого промежутка, что, в свою очегредь, увеличивает радиальное поле и эффективность кольцевой.обмотки. Трехфазный индуктор должен включать- ся таким образом,чтобы магнитное поле вращалось в сторону, противоположную направлению скоса пазов.

Возможно принципиально обесп'ечить работу устройства в циклическом режиме. Для этого индуктор включают таким образом, чтобы поле вращалось в сторону, скоса пазов. Кольцевая обмотка должна периодически включаться на переменное напряжение, например, повышенной частоты до 200400 Гц. В этом случае во вращающемся кольцевом слое жидкого металла в межэлектродном промежутке наводятся замкнутые вихревые токи от пульсирующего потока кольцевой обмотки. Взаимодействие этих токов с радиальным пульсирующим потоком приводит к появлению осевых электромагнитных сил в жидком металле, направленных в противоположные стороны к боковым кольцевым полостям. Под действием этих сил металл удаляется из кольцевой полости, а электрическая цепь размыкается.

V-образная медная шина, охватывающая· кольцевой магнитопровод, выполняет одновременно еще одну функцию. Она пропускает через себя боль-, шую часть коммутируемого тока и тем самым предотвращает возникновение пинч-эффекта,приводящего'к выплескиванию жидкого проводника из межэлектродного промежутка и неуправляемому размыканию силовой цепи. Осо-ю бенно заметно пинч-эффект может проявиться для жидких металлов невысокой плотности (Na) при горизонтальном положении продольной оси коммутационного устройства. 15

Claims (1)

1. Изобретение относитс  к сильноточной коммутационной аппаратуре и может быть использовано дл  коммутации бол ших токов в электросистеме, электрооборудование которой работает при высокой окружающей температуре (до 500600 с) и любом произвольно мен ющемс  положении в пространстве, а. также при отсутствии силы т жести. По основному авт. св. IP из вестно центробежное коммутационное устройство, содержащее цилиндрический трехфазный индуктор с пазами, скошенными по кра м индуктора в одном направлении, по крайней мере, на два-три зубцовых делений, кольцевой канал, образованный между наружным и внутренним коаксиальными цилиндрами , причем наружный изол ционный ци-, линдр имеет внутренний выступ, кольцевые твердометаллические электроды, расположенные в канале, ижидкий металл , частично заполн ющий канал. Устройство содержит также кольцевые и шихтованные магнитопроводы, кольцевые твердометаллические электроды, выполненные с цилиндрическими токоотводами и расположенные по торцам выступа наружного изол ционного цилиндра , имеющие диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного изол ционного цилиндра, по торцам твердометаллических кольцевых электродов в зазорах между их цилиндрическими отводами и трехфазным индуктбром расположены кольцевые шихтованные магнитопроводы, объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изол ционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектродного промежутка под выступом наружного цилиндра , а жидкий металл занимает объем, равный суммарному объему одной боковой кольцевой полости и межэлектродного промежутка lj . Такое устройство  вл етс  нормально замкнутым контактором, и размыкание электрической цепи в нем про исходит после включени  трехфазного индуктора, создающего в узком кольцевом канале с жидким металлом вращающеес  магнитное поле. Это поле приводит металл во вращение, и он удал етс  из межэлектродного промежутка в боковые полости. Недостаток устройства обусловлен тем, что с увеличением коммутируемого тока происходит увеличение толщины сло  жидкого металла в межэлектррдном промежутке, а с ростом напр жени  отключаемой цепи приходитс  увеличивать длину межэлектродного промежутка. В итоге ухудшаетс  быстродействие устройства, так как большое количество жидкого металла из межэлектродного промежутка может быть удалено за большое врем . С уве личением коммутируемых тока и напр жени  увеличиваетс  врем  горени  ду ги. Цель изобретени  - повышение быст родействи  центробежного коммутацион ного устройства. Эта цель достигаетс  тем, что в центробежном коммутационном устройст ве внутренний выступ наружного изол  ционного цилиндра выполнен с на(эужным кольцевым Назом, в котором распо ложена многовиткова  катушечна  обмотка , под внутренним изол ционным цилиндром размещен кольцевой шихтованный магнитопровод с радиальными прорез ми, который охвачен изнутри электропроводной кольцевой шиной V-образного сечени , примем наружные аксиальные поверхности бортиков профил  шины сообщаютс  с кольцевым каналом посредством кольцевых щелей, которые образованы у торцов внутреннего изол ционного цилиндра. На фиг. 1 изображено центробежное коммутационное устройство (ЦКУ); на фиг. 2-5 - устройство в различных стади х процесса коммутации; на фиг. 6 - эпюры индукций магнитных полей в кольцевом зазоре. Устройство состоит из цилиндричес кого трехфазного индуктора в виде шихтованного статора 1, в пазах которого , скошенных по кра м в одном направлении на 2-3 зубцовых делени  уложена трехфазна  обмотка 2, наружного изол ционного (керамического) цилиндра 3 с пр моугольным выступом в середине, коаксиального наружному внутреннему изол ционному цилиндру Между цилиндрами образован кольцевой канал, в котором наход тс  два кольцевых твердометаллических электрода 5 с коаксиально расположенными цилиндрическими токоотводами. Электроды размещены по торцам внутреннего выступа наружного цилиндра и имеют диаметр, больший внутреннего диаметра выступа наружного цилиндра 3. К электродам 5 примыкают два кольцевых изол тора 6, имеющих цилиндрические основани . По торцам кольцевых электродов в зазоре между токоотводами и индуктором расположены два кольцевых шихтованных магнитопровода 7. Под внутренним изол ционным цилиндром Ц размещен кольцевой шихтованный магнитопровод 8 с радиальными прорез ми. Магнитопровод 8 охвачен изнутри на меньшем радиусе кольцевой медной шиной 9 V-образного сечени . В наружном изол ционном цилиндре 3 имеетс  наружный кольцевой паз, в котором размещена многовиткова  катушечна  обйотка 10. Жидкий металл 1 занимает объем, равный сумме объемов боковой кольцевой полости между цилиндром 3 и магнитопроводом 7 и межэлектродного промежутка , при этом объем боковой кольцевой полости с любой стороны выступа наружного изол ционного цилиндра по крайней мере не меньше кольцевого объема межэлектроднрго промежутка под выступом наружного цилиндра. Между торцами внутреннего изол ционного цилиндра 4 и торцами дисковых изол торов 6 расположены кольцевые щели так, что наружные аксиальные поверхности бортиков профил  шины 9 сообщаютс  с кольцевыми каналами устройства . Устройство работает следующим образом . Жидкий металл, частично заполн ющий кольцевую полость ЦКУ и посто нно наход щийс  в ней при любом произвольном положении ЦКУ в пространстве , замыкает дисковыр электроды 5, и ток силовой цепи 7 проходит в основном по медной шине 9 (ток 7«) и частично по жидкому металлу м (фиг. 2). При включении трехфазной обмотки 2 индуктора в сеть жидкий металл приводитс  во вращение и под действием центробежных сил перемещаетс  из межэлектродного промежутка в боковые кольцевые полости. Одновременно с трехфазной обмоткой включаетс  на посто нное.напр жение кольцева  обмотка 10, создающа  в зазоре с жидким металлом под внутренним выступом наружного цилиндра 3 радиальное магнитное поле. После удалени  части жидкого металла из межэлектродного промежутка исчезает электрический контакт с медной шиной 3, и весь ток проходит через посто нно уменьшающийс  слой жидкого металла (фиг. 3). Когда весь жидкий металл удал етс  из межэлектродного промежутка , диэлектрический выступ цилинд ра 3 обнажаетс , между «идкометаллическими кольцевыми электродами возни кает электрическа  дуга (фиг. k). На электрическую дугу действует вращающеес  магнитное поле BV и посто н ное магнитное поле В катушки 10, имеющее противоположное направление по кра м коммутирующего выступа (фиг. 5). В результате взаимодействи  магнитных полей с гор щей дугой происходит раскручивание дуги и раст гивание ее в узкой кольцевой щели по винтовой, линии. Положение дуги в за ви си т от ,,соот ношени   Вг . При О (фиг. 6в), дуга перемещаетс  за вращающимс  магнитным полем, и скорость ее опреде:л етс  лишь трением о среду и стенЛи . В идеальном случае (при отсутст . ВИИ трени } дуга будет вращатьс .х синхронной скоростью. Если по кра м щели шириной Вщ при Z tf ( фиг. 6а,в) поле по координат Т не будет знакопеременным, и дуга в области анодного и катодного п тен перемещаетс  в противоположных направлени х. Сопротивление шнура ду ги увеличиваетс , и дуга быстро гаснет . После разрыва цепи кольцева  обмотка 10 должна быть отключена. Во избежание насыщени  кольцевого магнитопровода 8 магнитным полем коммутируемого тока после исчезновени  тока в V-образной шине магнитопровод 8 должен иметь радиальные про рези, увеличивающие магнитное сопротивление в тангенциальном направлении . Так как обмотка 10 включаетс  кратковременно (на дес тые доли секунды ) , то плотность тока в ней может быть существенной, и, несмотр  на малое поперечное сечение окна обмотки , индукци  В, как показывают расчёты, оказываетс  одного пор дка с 87. Дл  питани  обмотки 10 может использоватьс  напр жение коммутируемой цепи. Обмотка 10 должна изготавливатьс  из тонкого медного провода диаметром 0,1-0,2 мм, так как в более толстом проводе навод тс  существенные вихревые токи от вращающегос  магнитного пол  трехфазного индуктора и обмотка 10 экранирует кольцевую межэпектродную полость, что ухудшает быстродействие устройства. Электропитание к обмотке 10 подводитс  по проводникам, расположенные в щели одного из пазов индуктора (между пазовым клином и наружным изол ционным цилиндром). Обмотка 10 может иметь параллельные ветви. .Введение кольцевой обмотки, кольцевого шихтованного магнитопровода и V-образной шины пoвышaёt эффективность устройства. Наличие магнитопровода и шины обеспечивает поперечную (радиальную)компоненту, пол  коль-i цевой обмотки 10 в межэлектродной полости, что заставл ет электрическую дугу раст гиватьс  впоперечном ма1- нитном поле. Использование медной кольцевой шины позвол ет снизить толщину сло  жидкого металла, а следовательно , высоту межэлектродного кольцевого промежутка, что, в свою очегредь , увеличивает радиальное поле и эффективность кольцевой.оЬмотки. Трехфазный индуктор должен включатьс  таким образом,чтобы магнитное поле вращалось а сторону, противоположную направлению скоса пазов. Возможно принципиально обеспечить работу устройства в циклическом режиме . Дл  этого индуктор включают .та- КИМ образом, чтобы поле вращалось в сторону, скоса пазов. Кольцева  обмотка должна периодически включатьс  на переменное напр жение, например , повышенной частоты до 200400 Гц. В этом случае во вращающемс  кольцевом слое жидкого металла в межэлектродном промежутке навод тс  замкнутые вихревые токи от пульсирующего потока кольцевой обмотки. Взаимодействие этих токов с радиальным пульсирующим потоком приводит к по влению осевых электромагнитных сил в жидком металле, направленных в противоположные стороны к боковым кольцевым полост м. Под действием этих сил металл удал етс  из кольцевой полости , а электрическа  цепь размыкаетс . V-образна  медна  и1ина, охватывающа -кольцевой магнитопровод, выполн ет одновременно еще одну функцию . Она пропускает через себ  боль шую часть коммутируемого тока и тем самым предотвращает возникновение пинч-эффекта,привод щего к выплескиванию жидкого проводника из межэлектродного промежутка и неуправл емому размыканию силовой цепи. Ос бенно заметно пинч-эффект может про  витьс  дл  жидких металлов невысокой плотности (Na) при горизонтальн положении продольной оси коммутацио ного устройства. Формула изобретени  Центробежное коммутационное устройство по авт. св. № , о т личающеес  тем, что, с целью повышени  быстродействи , внутренний выступ наружного изол ционного цилиндра .выполнен с наружным кольцевым пазом, в котором помещена многовитковал катушечна  обмотка, под внутренним изол ционным цилиндром размещен кольцевой шихтованный магнитопровод с радиальными прорез ми, который охвачен изнутри электропроводной кольцевой шиной V-образного профил , причем наружные аксиальные поверхности бортиков профил  шийы сообщаютс  с кольцевым каналом посредством кольцевых щелей, которые образованы у торцов внутреннего изол ционного цилиндра. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № , кл, Н 01 Н 29/26, 1979.