 |
Конструкции масляных выключателей. 2 глава
|
|
|
|
Герметизация подвижного контакта ВДК осуществляется с помощью сильфона. Сильфоны почти всегда изготовляются из нержавеющей стали. Имеются две разновидности сильфонов. Одна выполняется с плавно закруглённым профилем на сгибах, получаемом либо раскатыванием на станке, либо формованием с помощью гидравлического пресса. Другая разновидность сильфонов выполняется с V-образным профилем сгибов; эти сильфоны выполняются из набора плоских шайб, свариваемых между собой попеременно то по внутреннему, то по наружному диаметру. Выбор того или иного типа сильно зависит от ряда причин, и отдать предпочтение какому-либо одному из них непросто. Но когда требуется сильфон большого диаметра с большим ходом, сварные сильфоны позволяют значительно сэкономить место.
1.3. ТОКОВЕДУЩИЕ И КОНТАКТНЫЕ СИСТЕМЫ
Особенностью работы токоведущей системы вакуумного выключателя является чрезвычайно низкая теплопередача через объём камеры к её стенкам – практически только в результате теплового излучения, поскольку передача теплоты конвекцией отсутствует. Поэтому теплоотвод за пределы камеры происходит в основном через токоведущие стрежни неподвижного и подвижного контактов. Это обстоятельство определяет необходимость увеличения площади поперечного сечения стержней по сравнению с требуемой для пропускания рабочего тока.
В вакуумных выключателях дуга горит в парах металла, вследствие чего на её характеристики значительно влияют свойства контактного материала. Тугоплавкие контактные материалы (типа вольфрама) обладают высокой дугостойкостью, однако имеют большой ток среза, вследствие чего возникают перенапряжения. Для уменьшения тока среза разработаны специальные композиции, не образующие твёрдых растворов с основными компонентами. Методы порошковой металлургии с использованием вакуумной технологии позволяют создать композиции с заранее заданными характеристиками. К материалу контактов вакуумных выключателей предъявляются следующие требования:
|
|
|
– температура кипения всех компонентов композиционного материала должна быть Ткип < 3500 К (для обеспечения высокой отключающей способности);
твёрдость по Бринеллю должна быть не менее 1000 МПа, и не должна образовываться микроострия (для обеспечения высокой электрической прочности межконтактного промежутка);
материал должен содержать определённое количество такого компонента с высокой электрической проводимостью, который не образует с другими компонентами растворов и химических соединений (для обеспечения низкого переходного сопротивления);
материал должен содержать хрупкие компоненты, снижающие прочность сварного соединения (для обеспечения высокой стойкости к свариванию);
материал (для обеспечения высокой эрозионной стойкости) должен состоять из компонентов, у которых коэффициенты аккумуляции теплоты ka = λ м см γ м, различаются не менее чем в два раза;
в контактный материал (для обеспечения низкого тока среза) должен входить компонент, не взаимодействующий с другими компонентами и имеющий низкое значение критерия срезающей способности Ткип ka.
Контакты ВДК большую часть времени находятся в замкнутом состоянии, и при этом их чистые и неокислённые поверхности весьма склонны к холодной сварке. Сварка может произойти и при искровом пробое в момент замыкания, когда контакты сближаются. Эта проблема решается путём добавки небольшого количества примесей в материал контакта. Для уменьшения тока среза следует ввести в материал контактов легколетучие добавки, не образующие твёрдых растворов с основными компонентами.
|
|
|
На рисунке 1.6 приведены зависимости тока среза от отключаемого тока для различных материалов. Анализ этих зависимостей показывает, что хороший эффект снижения тока среза даёт добавка сурьмы (в пределах 2 … 5%).
Средний ток среза (в амперах) для некоторых материалов, используемых в вакуумных аппаратах:
Вольфрам…………………...……9,9
Железо………..…………………..4,4
Медь...…………………...……….9,4
Медь-висмут……………………..3,8
Медь-сурьма……………………..6,2
Вольфрам-медь-сурьма……...….2,2
Вольфрам-медь…………………..5,0
Железо-медь-сурьма…………….1,3
Рис. 1.6
Наибольшее применение в качестве контактных материалов в ВДК нашли медно-висмутовые, медно-хромовые и медно-бериллиевые сплавы.
Для повышения отключающей способности применяются специальные конструктивные меры, обеспечивающие непрерывное перемещение дуги под действием магнитного поля, создаваемого отключаемым током (рис. 1.7). В ВДК на номинальное напряжение 10 кВ и номинальные токи до 31,5 кА применяются контакты с поперечным (по отношению к дуге) магнитным полем (рис. 1.7, а) с максимальной магнитной индукцией (1 … 1,5)·10 Тл. В результате быстрого перемещения дуги повышается эффективность дугогашения и ресурс контактов.
В ВДК на более высокие напряжения и токи отключения применяют контакты с продольным магнитным полем (рис. 1.7, б). Из рисунке 1.6 видно, что при продольном магнитном дутье отключаемые токи повышаются до 100 кА и более (кривая 1), в то время как при поперечном магнитном дутье отключаемые токи не превышают 50 кА (кривая 2). а) б) Рис. 1.7
Наиболее широкое распространение получили две разновидности контактов:
контактная система типа «спиральный лепесток», вынуждавшая сжатую дугу безостановочно вращаться по поверхности электродов,
контактная система чашеобразного типа, которая вообще препятствовала образованию сжатой локализованной дуги, остающейся благодаря этому на протяжении всего процесса дугогашения в диффузном состоянии.
Контакты типа «спиральный лепесток».
Принципиальное конструктивное решение контактов этого типа показано на рис. 1.7, а. Контакты имеют дисковую форму с малым конусом со стороны контактной поверхности либо с кольцевым выступом. Посредством этих выступов осуществляется соприкосновение контактов во включённом положении, и как раз через них и протекает ток нагрузки. Своими периферийными участками спиральные контакты даже в замкнутом состоянии не соприкасаются. Сквозными спиралеобразными прорезями эти периферийные участки разрезаны на несколько лепестков, соединённых с остальным контактом только в его центральной части. В каждой контактной паре направление спиралеобразных прорезей совпадает, как это видно из рис. 1.7, а.
|
|
|
Работа этих контактов происходит следующим образом: если отключаемый выключателем ток относительно невелик, так что образующаяся дуга может находиться в диффузном состоянии, то размыкание контактов ведёт к установлению обычного процесса отключения, связанного со стягиванием линий тока к одной или нескольким контактным площадкам, размыкающимся последними. Одновременно происходит формирование в промежутке между расходящимися контактами токопроводящих мостиков из расплавленного металла, сопровождающееся затем их разрывом и образованием там электрической дуги, наподобие того, как это имеет место и в обычных коммутирующих контактах. Возникшая между контактами дуга затем быстро трансформируется в диффузную дугу с несколькими одновременно функционирующими катодными пятнами, перемещающимися беспорядочно по поверхности контактов. Некоторые из этих пятен в процессе своего движения доходят до края контактной поверхности и, зайдя за него, гаснут, а другие, продолжающие ещё гореть, наоборот, расщепляются надвое, так что суммарное число эмитирующих пятен остаётся пропорциональным току, протекающему в данный момент через выключатель. Катодные пятна стремятся распространиться по поверхности катодного диска, занимая либо всю её, либо, по крайней мере, значительную её часть. Совсем по-другому протекает отключение при больших токах, когда дуга в вакууме существует уже в сжатом виде. После разрыва одного или нескольких мостиков из расплавленного металла в промежутке образуется одноканальная дуга в сжатом виде. Отдельные катодные пятна, отталкиваясь друг от друга, всё время покидают зону дуги, но выйдя за неё, немедленно гаснут, поскольку связанный с ними плазменный столб под действием магнитных сил притягивается назад, к центральному столбу дуги. Поскольку соприкосновение контактов во включённом положении происходит не в их геометрическом центре, а по кольцевому выступу, то после их размыкания и образования одноствольной дуги создаётся петлеобразный контур тока, в результате чего на неё будут действовать электродинамические силы, направленные радикально от оси контактов в сторону, под действием которых дуга будет стремиться выйти за контактный выступ, смещаясь к краю контактных дисков и выгибаясь наружу, точно так же, как она ведёт себя, когда доходит до периферийной зоны линейных контактов. Но в данном случае из-за наличия спиралеобразных прорезей в промежутке между контактами возникает радиальное магнитное поле, в результате чего на дугу, помимо центробежных, будут действовать тангенциальные усилия, стремящиеся переместить её по окружности в направлении изгиба спиральных прорезей. Эффективность вращения дуги по поверхности таких контактов зависит от кривизны спирали, причём чем больше кривизна спирали, тем выше эффективность работы таких контактов. Как и в других аппаратах, горящая на контактах вакуумной камеры сжатая дуга вызывает интенсивный локальный нагрев электродов в окрестности её опорных точек. Но теперь уже дуга не остаётся в неподвижном состоянии сколько- нибудь длительное время в каком-то одном месте, а непрерывно перемещается по поверхности контактов, и поэтому тепло от неё не успевает проникнуть достаточно глубоко в металл. Вследствие этого постоянная времени охлаждения зоны контакта, у которой сильно нагретым оказывается лишь её поверхностный слой, составляет обычно несколько сотен микросекунд. Таким образом, к моменту, когда ток дуги приближается к нулю, сжатая одноканальная дуга трансформируется в свою диффузную модификацию. Практически этот переход одной разновидности в другую совершается, когда мгновенное значение тока составляет несколько килоампер, что при отключении токов короткого замыкания происходит за 400 … 500 мкс до нуля тока в зависимости от параметров цепи коммутации и содержания апериодической составляющей. Это время оказывается достаточным для того, чтобы сильно нагретый дугой поверхностный слой контактов успел охладиться до температуры, при которой давление паров металла в дуговом промежутке достаточно мало, что приводит к формированию окончательной стадии отключения дуги в диффузном состоянии. За время, прошедшее с момента изобретения спиральных лепестковых контактов, было предложено множество их модификаций, отличающихся по конструктивному исполнению. В некоторых случаях соприкосновение контактов во включённом положении происходит в центре, а в других – по кольцевому выступу, диаметр которого выбирается равным примерно трети внешнего диаметра контакта, так что радиально направленные усилия от образующегося, благодаря выступам, контура тока появляются сразу же после размыкания контактов и возникновения между ними дуги. Вместе с тем пока что мало доказательств того, что подобного рода усовершенствования действительно оказывают существенное влияние на характер отключения дугогасительного устройства, что, по-видимому, объясняется в большинстве случаев наличием довольно сильных внешних магнитных полей, заметно искажающих магнитное поле в межконтактном промежутке и способствующих образованию радиальных усилий, стремящихся сместить дугу из центральной зоны контактирования в периферийную область спиралеобразных лепестков.
|
|
|
|
|
|
Чашеобразные контакты.
Это ещё одна разновидность контактных систем, применяющихся в вакуумных выключателях (рис. 1.7, б). Здесь контакты выполнены в виде чаши с толстыми стенками, прикреплённой своим донышком к контактодержателю. Во включённом положении контактирование происходит по открытым торцевым поверхностям чаши. В боковых стенках чаши предусмотрены наклонные прорези. В контактных элементах одной контактной пары прорези наклонены в противоположные стороны. При размыкании контактов между ними образуются мостики из расплавленного металла, причём число этих мостиков зависит от отключаемого тока. После разрыва мостиков на их месте возникает параллельные электрические дуги, горящие одновременно во многих местах по окружности контакта. Переход от многочисленных мостиков к столь же многочисленным дугам обусловлен хотя и небольшой, но вполне определённой индуктивностью отдельных пальцев контактной системы. Одновременно с дугами там появляются и радиальные магнитные поля, наводимые током, протекающим через наклонные пальцы контактов. Под действием этих полей плазменный столб дуги вынужден перемещаться по окружности в промежутке между торцами контактов в направлении, определяемом правилом левой руки, в то время как катодные пятна на поверхности контактов медленно двигаются в обратном направлении. В итоге в промежутке образуется как бы полая кольцеобразная дуга, находящаяся в диффузном состоянии, которая не в состоянии трансформироваться в свою разновидность в виде сжатой дуги
. 1.4. ОТКЛЮЧАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР
Отключение тока.
У вакуумной дугогасительной камеры имеется два предела по отключающей способности. Первый из них характеризуется коммутационной способностью одного единственного последнего катодного пятна, возможностью его погасания в условиях, когда контакт относительно холодный. Эти условия зависят от теплофизических свойств материала катода. Высокой коммутационной способностью обладают контакты, катод которых изготовлен из материала, имеющего низкое давление паров металла и хорошую теплопроводность. Это означает, что контакты, обладающие высокой коммутационной способностью, могут отключать цепь, когда произведение – dl dt Ч du dt достаточно велико. Для многих металлов, оказавшихся в правой части графика, присущая им отключающая способность намного больше той, что требуется при обычных условиях коммутации. Другой предел по отключающей способности касается не скорости спадания тока и не скорости нарастания восстанавливающего напряжения, а самих токов короткого замыкания, которые приходится отключать выключателю. Этот придел по коммутационной способности зависит уже от конфигурации контактной системы (которая в этом случае должна быть такой, чтобы препятствовать образованию локализованной дуги, горящей неподвижно на одном и том же месте), размеров контактов и материала, из которого они изготавливаются. Так, например, даже если контакты имеют чашеобразную форму, вынуждающую дугу находиться в диффузном состоянии на протяжении всей полуволны тока, они должны быть достаточно большими и обладать такими теплофизическими свойствами, чтобы даже при равномерном поглощении ими энергии от дуги не происходило нагревание всей лицевой поверхности контактов до температуры, при которой давление паров металлов в момент перехода тока через нуль превосходит 0,13 Па (10–3 мм рт. ст.). Таким образом, будь то разрезной чашеобразный контакт или же контакт со спиралеобразными лепестками, для него будет существовать какой-то предел по отключаемому току короткого замыкания, находящийся в прямой зависимости от размеров контактов и теплофизических свойств примесных материалов. Простые торцевые контакты имеют верхний предел по отключающей способности в диапазоне токов отключения от 10 до 17 кА (амплитудное значение в зависимости от материала контактов и промышленной частоты в данной энергосистеме, причём характерно, что если диаметр таких контактов больше 3 см, то ток отключения практически уже не зависит от размеров контактов). При условии, что вакуумная дугогасительная камера коммутирует цепь в пределах своих возможностей по току отключения и возвращающемуся напряжению, можно ожидать, что она погасит дугу в первый же нуль тока, если, конечно, к этому времени контакты успеют разойтись на достаточно большое расстояние (скажем 3 … 4 мм для камер на 11 кВ и 5 … 6 мм при 15 кВ). Это свойство камеры сохраняется при коммутации в широком диапазоне токов отключения, начиная от доли нагрузочного тока и кончая полным током короткого замыкания. Повторные зажигания. Рассмотрим коммутацию цепи вакуумным выключателем, сопровождающуюся повторным пробоем камеры, вызванным слишком малым расстоянием между её расходящимися контактами, в силу чего она не выдерживает восстанавливающегося напряжения, нарастающего там в момент, когда ток в отключаемой цепи переходит через нуль. В отличие от переходных процессов, сопровождающих повторный пробой в электромагнитных выключателях, в вакуумных выключателях сильноточная дуга в момент пробоя межконтактного промежутка может сразу и не сформироваться. При этом в ближайшем к выключателю контуре коммутации, характеризуемом его локальными параметрами: индуктивностью L и ёмкостью С, – возникает высокочастотный колебательный процесс, из-за наложения которого результирующий ток в цепи в процесс своего нарастания многократно проходит через нуль. Чрезвычайно высокая отключающая способность вакуумного дугогасительного устройства с дугой, находящейся при небольших токах в диффузном состоянии, позволяет выключателю отключить этот высокочастотный ток, который протекает через него с момента возникновения повторного пробоя, причём отключение этого тока происходит в момент перехода его через нуль. Однако вследствие того, что данный переходный процесс совершается с большой частотой, время до ближайшего нуля будет исключительно малым и контакты за это время не успеют разойтись на сколько-нибудь большое расстояние. В результате спустя некоторое время после успешного отключения, как только восстанавливающееся напряжение нарастает до уровня, превышающего изоляционную прочность малого ещё промежутка между расходящимися контактами, неизбежен вторичный пробой этого промежутка, вновь сопровождающийся образованием в LC-контуре высокочастотных колебаний. Процесс этот может повторяться до тех пор, пока ток промышленной частоты, протекающий в коммутируемой цепи, не нарастёт в процессе своего изменения до уровня, превышающего амплитуду высокочастотной составляющей переходного тока близлежащего к выключателю контура коммутации. Начиная с этого момента, несмотря на наличие в цепи колебательного процесса, суммарный ток уже не будет больше достигать нулевого значения и в выключателе возникнет и сформируется на протяжении следующей полуволны тока промышленной частоты сильноточная дуга, горящая там до последующего перехода тока в нуль. Потеря материала с поверхности разрывных контактов происходит, главным образом, по следующим трём причинам: 1. Из-за образования и последующего разрыва жидких контактных мостиков, в результате чего уносятся с поверхности контактов крохотные капли расплавленного металла. 2. Из-за эмиссии паров металла из горячих катодных пятен с последующей конденсацией этих паров на противоположном контакте и защитных экранах. 3. Из-за плёнок расплавленного металла, которые могут образовываться под действием сильного дугового разряда на поверхности катодов и привести к формированию отдельных капелек, срыв которых с поверхности контактов совершается обычно магнитогидродинамическими силами, возникающими в результате взаимодействия тока дуги с её собственным магнитным полем. Допустимый предел эрозии разрывных контактов устанавливается либо из соображений сохранения заданной конфигурации контактной системы, интенсивное оплавление и выгорание которой может привести к исчезновению эффекта воздействия на дугу магнитного поля контактов, либо по количеству выгоревшего до материала контактных наконечников. В последнем случае превышение предела эрозии контактов может привести к весьма печальным последствиям, ибо в отличии от контактных наконечников токоведущие стержни контактов обычно выполняются из материала, не способного противостоять образованию прочных сварных соединений, и дальнейшая эксплуатация вакуумных выключателей с полностью выгоревшими контактными наконечниками может привести к аварии аппарата. Другим ограничивающим фактором износа контактов является возрастающий из-за износа ход подвижной контактной системы, приводящий к механической перегрузке сильфона при включении и во включённом положении. Установление допустимого износа контактов по тем или иным соображениям, не зависимо от причин его порождающих, является обязательным. Обычно практически это осуществляется регистрацией хода подвижных контактов с фиксацией добавочного перемещения, необходимого для доведения выгоревших контактов до включённого положения. В вакуумной дугогасительной камере теплопередача от аксиальной токоведущей системе к окружающей её изоляционной обечайке затруднена из-за наличия там концентрического вакуумного промежутка, обладающего, как известно, исключительно высокими теплоизолирующими свойствами. Поэтому вся теплота, выделяемая в контактах и в токоведущих стержнях, должна отводиться в аксиальном направлении практически лишь посредством теплопроводности и уже от стержней передаваться металлическим фланцам камеры или рассеиваться в окружающее пространство. Для этого чтобы обеспечить требуемый режим охлаждения, при котором температура контактов внутри камеры не превышает предельно допустимой, необходимо создать систему достаточно эффективного теплоотвода, в результате которого выделяемая в камере теплота отводилась бы примерно поровну в сторону подвижного и неподвижного контактов, при этом температура выводных зажимов камеры не должна превышать определённый уровень. Коммутация ёмкостных токов. Благодаря быстрому нарастанию электрической прочности, вакуумные выключатели обладают неплохими характеристиками в режиме отключения ёмкостных токов. Однако для успешной коммутации в этих условиях необходимо, чтобы скорости разведения контактов при отключении были достаточно большими, ибо при повторном пробое небольшого контактного промежутка в камере вполне вероятно, что в цепи образуется классический переходный процесс многократного умножения напряжения. Отключение индуктивных токов. Вакуумные камеры, как и все другие отключающие устройства, обрывают протекающий через них ток незадолго до его естественного перехода через нуль, что объясняется неустойчивостью горения дуги при малых токах. В вакуумных камерах уровень токов, при которых дуга неустойчива, называемый иначе уровнем токов среза, зависит от коммутационной способности примененных контактных материалов, по этой причине она не должна быть чрезмерно большой. Токи среза в вакуумном выключателе зависят, как и напряжение на дуге, от теплофизических свойств материала контактов. Среднее значение тока среза колеблется от 1 А и менее для контактов из металла наподобие висмута и до 15 и даже 30 А для медных и вольфрамовых контактов соответственно. Металлокерамические композиционные структуры могут иметь меньшие токи среза, чем любые однородные металлы. Определение токов среза производится обычно на основании статистических данных, имеющих примерно гауссово распределение, так что здесь можно достаточно чётко выявить как среднее значение тока среза, так и стандартное среднеквадратическое отклонение. Следует также иметь в виду, что неустойчивому состоянию дуги в значительной мере способствует наличие параллельной ёмкости. Коммутационные напряжения, возникающие в цепи при срезах отключаемого тока в вакуумных выключателях, зависят в свою очередь от токов среза, волнового сопротивления линии и различных демпфирующих факторов. Вместе с тем понятно, что эти перенапряжения не могут превысить продольную электрическую прочность выключателя. В этом отношении характеристики вакуумных выключателей варьируются в довольно широком диапазоне в зависимости от типа дугогасительной камеры, но при надлежащих контактных материалах явление среза тока не создаёт особых проблем. Это относится к вакуумным выключателям для распределительных устройств, промышленных энергетических установок, а также к вакуумным выключателям, используемым в качестве сетевых линейных выключателей. Высокий уровень токов среза, сопровождающийся опасными перенапряжениями, может иметь место для большинства типов вакуумных выключателей при коммутации ими цепей с очень большим волновым сопротивлением. Однако обычно эти цепи, способны служить источником высоких перенапряжений при отключении любых типов выключателей, вследствие чего там, по- видимому, во всех случаях необходимы соответствующие меры предосторожности.
1.5. ВИДЫ ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР
Активный объём вакуумной дугогасительной камеры, наиболее способствующий успешному отключению тока, это, во- первых, объём межконтактного промежутка, а во-вторых, – пространство, ограниченное с одной стороны этими контактами, а с другой – защитным экраном. Исключительно высокие диэлектрические свойства вакуума позволяют придать дугогасительной камере очень небольшие габариты. Однако необходимость в надлежащей изоляции камеры снаружи не позволяет сделать это. Иногда вакуумные камеры для повышения их внешней электрической прочности погружают в сосуд с изолирующей жидкостью, что позволяет намного сократить их габаритные размеры. В своё время было предложено множество различных конструкций камер, из которых наибольшее распространение получили три конструкции, показанные схематически на рис. 1.8. Из них наиболее распространена камера, изображённая на рис. 1.8, а. Здесь контакты окружены главным электростатическим экраном, который служит для охлаждения и конденсации на нём паров металла, образующихся в камере при коммутации выключателя. Помимо центрального экрана, на обоих фланцах предусмотрены концевые экраны, защищающие от попадания на поверхность изоляционной обечайки паров металла, доходящих в процессе коммутации до торцевых фланцев камеры и отражающихся от них назад. Изоляционная обечайка может выполняться практически из любого газонепроницаемого электроизоляционного материала неорганического происхождения. В середине, изнутри к ней, крепится главный экран. Герметизация подвижного контакта камеры выполняется с помощью сильфона, помещаемого также внутрь камеры, что предохраняет его от внешних повреждений. В зависимости от конструкции, в камере могут быть, а могут и не быть направляющие втулки, служащие для ориентации подвижного контакта. Длина камеры лишь ненамного больше её диаметра, и поэтому контакты такой камеры оказываются относительно короткими. Последний фактор немаловажен, так как упрощает обеспечение высокой механической прочности и надлежащего теплового режима контактной системы. Несколько иная конструкция дугогасительной камеры показана на рис. 1.8, б. Диаметр обечайки этой камеры меньше, чем у предыдущей, но достигнуто это за счёт значительного увеличения её длины. Главный электростатический экран становится здесь как бы частью обечайки, а изоляция последней обеспечивается двумя изоляционными цилиндрами, по одному с каждой стороны экрана. Конструкция вакуумной камеры на рис. 1.8, в, хотя и предлагалась к внедрению, но по ряду причин так и не была применена на вакуумных выключателях. Обечайка на этой камере выполнена металлической, а изоляция её осуществляется посредством торцевых фланцев из электроизоляционного материала, на которых монтируются контакты камеры. Сильфон и внутренняя поверхность фланцев защищены системой электростатических экранов. Одним из достоинств этой конструкции является простота и дешевизна герметизации уплотнительного узла на стыке металлической обечайки и изоляционных фланцев, осуществляемой благодаря эластичным уплотнениям, работающим на сжатие. Основной недостаток такой камеры – сложность создания для неё изоляции, обладающей достаточно высокой электрической прочностью, ибо в данном случае изоляция работает в радиальном направлении, и потому проблема заключается в выдерживании не только надлежащих разрядных расстояний, но и соответствующих длин путей утечки. По этой причине подобные камеры находят применение лишь для вакуумных выключателей на напряжения не свыше 3 кВ. а) б) в) Рис. 1.8 Помимо здесь распространённых, предлагалось много других конструктивных решений камеры вакуумного выключателя, многие из них прошли экспериментальную проверку, однако в подавляющем большинстве случаев современные вакуумные дугогасительные камеры выпускаются в виде, показанном на рис. 1.8, а и б.
Конфигурация и размеры контактной системы дугогасительных устройств зависят как от требуемой пропускной способности по номинальному току, так и от токов короткого замыкания. Суммарная площадь поверхности контактных элементов, подверженная воздействию электрической дуги, должна быть достаточно большой, чтобы эти контакты были в состоянии поглотить выделяемую в процессе дугогашения энергию, не подвергаясь при этом чрезмерному перегреву. С другой стороны, во избежание недопустимого превышения температуры токоведущих деталей при длительном протекании нагрузочного тока контакты камеры во включённом положении должны образовывать достаточно много контактных площадок с большой суммарной площадью соприкосновения (последняя зависит от твёрдости материала контактов и сжимающего усилия), что необходимо для эффективного теплоотвода от этих площадок в подобном режиме. При конструировании вакуумных камер следует учитывать возможность некоторого размягчения металлических деталей в процессе их нагрева при изготовлении камеры, в частности для термообработки, дегазации и т.п. Конструкция дугогасительной камеры и технологический режим её сборки должны быть таковы, чтобы при её изготовлении исключалось попадание загрязнений внутрь камеры. Технические характеристики современных дугогасительных камер представлены в табл. 1.1.
1.6. КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ Дугогасительная камера может быть закреплена либо за конец токоведущего стержня её неподвижного контакта, либо посредством шпилек или иных крепёжных элементов на фланце подвижного контакта. Большинство камер разрешается монтировать в любом произвольно ориентированном положении. Если камера закреплена за конец стержня неподвижного контакта, то при включении ударные нагрузки через неподвижный контакт передаются непосредственно несущим опорным конструкциям аппарата. Механические нагрузки на изоляционную обечайку в этом случае будут относительно небольшими, и главным образом вибрационного характера, в виде упругих колебаний они распространяются от зафиксированного контактного стержня по сопряжённому с ним фланцу камеры и передаются от последнего на обечайку. Если же, наоборот, камера закреплена посредством монтажных элементов, связанных с фланцем подвижного контакта, то ударные воздействия при включении аппарата передаются его несущим опорным конструкциям через изоляционную обечайку, которая, равно как и места её спая с армирующими фланцами, должна быть теперь рассчитана на многократные подобные нагрузки. Из сказанного следует, что если принято решение о креплении дугогасительной камеры со стороны её подвижного контакта, то следует позаботиться о том, чтобы изоляционная обечайка была изготовлена из высокопрочного электроизоляционного материала, способного выносить повышенные механические нагрузки. Ни в коем случае нельзя жёстко закреплять камеру с обоих концов, так как при этом из-за любой неточности монтажа либо вследствие изгиба опорной конструкции выключателя в обечайке могут возникать чрезмерно высокие напряжения, опасные для данного изоляционного материала. Если камера крепится за стержень неподвижного контакта и вместе с тем на ней предусмотрены монтажные шпильки или иные элементы у противоположного фланца, они могут быть использованы для установки боковых распорок, помогающих выдерживать резкие боковые нагрузки механического или электродинамического происхождения на неподвижный контакт. Для вакуумных выключателей сравнительно небольшого напряжения, на которых достаточно применить всего одну дугогасительную камеру на полюс, может быть предусмотрена самая простая связь приводного механизма с контактным устройством посредством изоляционной тяги, на конце которой монтируются специальные развязывающие устройства, обеспечивающие необходимый провал контактов и переход передвижной системы за мёртвую точку, о чём подробнее будет сказано несколько позже. В вакуумных выключателях с двумя разрывами на полюс камеры зачастую монтируют горизонтально, располагая симметрично по разные стороны центральной колонки с механизмом управления. Внешне полюс такого выключателя принимает Т-образную форму, причём камеры в этом случае устанавливаются подвижными контактами навстречу друг другу, а оперирование ими осуществляется посредством проходящей внутри колонки изоляционной тяги, сочленённой наверху с контактами промежуточной рычажной передачей. В тех случаях, когда необходимо иметь на выключателе три или ещё больше камер на полюс, их, как правило, располагают в ряд, одну за другой. Оперирование подвижными контактами здесь производится обычно с помощью пространственной изоляционной конструкции, напоминающей лестницу, проходящей вдоль всего дугогасительного устройства полюса и состоящей из двух продольных изолирующих стержней, связанных поперечными планками, посредством которых эта система сочленяется с подвижными контактами отдельных камер. При Т-образной компоновке здесь, как и раньше, камеры монтируются горизонтально, располагаясь симметрично по обе стороны центральной опорной колонки с установленным на ней механизмом управления. Однако теперь в каждом плече полюса помещается уже не одна, а целая группа из двух или более последовательно соединённых дугогасительных камер. Одновременное оперирование обеими группами камер осуществляется с помощью общей вертикальной тяги управления. Последняя выполняется из электроизоляционного материала и, пройдя внутри полой опорной колонки, соединяется с распределительным рычажным механизмом управления, связанным, в свою очередь, с подвижными контактами камер изоляционными деталями. В качестве варианта приводного механизма для вакуумного выключателя высокого напряжения зачастую рассматривается гидравлическая система управления, особая привлекательность которой заключается в малом ходе подвижных контактов в таком аппарате. В некоторых камерах токоведущий стержень подвижного контакта ориентирован в продольном направлении специальной направляющей, предусмотренной на фланце камеры в месте выхода стержня наружу. Для уменьшения трения скольжения и обеспечения оперирования во внутреннем канале направляющей желательно устанавливать гильзу из изоляционного материала, коэффициент трения которого при работе в паре с данным стержнем был бы относительно небольшим. В иных камерах встроенные направляющие для ориентирования подвижного контактного стержня вообще отсутствуют, и эта функция перекладывается на механизм управления выключателем. Конструкция камер и способ их подключения в цепь должны быть таковы, чтобы ни при сборке выключателя в заводских условиях, ни при монтаже либо замене отдельных камер в условиях эксплуатации подвижные контакты не оказались подверженными воздействию чрезмерных скручивающих или изгибающих усилий, которые в состоянии привести к повреждению сильфона. При монтаже дугогасительных камер с помощью монтажных шпилек, ввёрнутых во фланец подвижного контакта, необходимо предусмотреть меры, чтобы ток к подвижному контакту подводился только посредством его держателя и не мог протекать через монтажные шпильки фланца. Дело в том, что монтажные шпильки в этом случае оказываются электрически связанными с подвижным контактом, причём эта связь существует даже тогда, когда в камере предусмотрена изоляционная направляющая контактного стержн
|
|
|
