PL B1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA, POZNAŃ, PL BUP 13/07 JERZY JANISZEWSKI, POZNAŃ, PL WUP 04/10

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H01H 33/664 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Komora gaszeniowa łącznika próżniowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/07 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/10 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA POZNAŃSKA, POZNAŃ, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JERZY JANISZEWSKI, POZNAŃ, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Urbańska-Łuczak Barbara PL B1

2 2 PL B1 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 doskonałe właściwości izolacyjne przerwy między 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 10 ka 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 międzystykowej, 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, że próżniowy łuk wielkoprądowy mimo stabilizowania się 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.

3 PL B1 3 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 łukowych 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, 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 polega na tym, że każdy ze styków w strefie nakładki stykowej ma gniazdo o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień z magnesu trwałego, przy czym magnesy w obydwu stykach zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe: - zwiększenie zdolności łączeniowej wyłącznika w stosunku do elektrod ze stykami o zarysie walca, które nie wytwarzają osiowego pola magnetycznego oraz w stosunku do konwencjonalnych z osiowym polem magnetycznym o takich samych wymiarach geometrycznych, - zmniejszenie erozji elektrod w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych, - zwiększenie indukcji osiowego pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej dla małych prądów zwarciowych w porównaniu z układami elektrod generujących pole magnetyczne jako efekt obwodowego przepływu prądu w bryle styków, - możliwość optymalizowania rozkładu indukcji pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej łącznika próżniowego poprzez dobór wymiarów geometrycznych i odległości między pierścieniowymi magnesami trwałymi, a także poprzez dobór kształtu przekroju magnesów i cech magnetycznych ich materiału, - możliwość uproszczenia konstrukcji bryły styków tworzących zestyk próżniowej komory gaszeniowej, - możliwość zwiększenia czynnego przekroju brył elektrod dla przepływu prądu i odprowadzenia ciepła z roboczej powierzchni styków. 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 ze styków 5 w strefie nakładki stykowej 6 ma gniazdo 7 o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień 8 z magnesu trwałego, przy czym pierścienie magnesowe 8 w obydwu stykach 5 zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.

4 4 PL B1 Uproszczony sposób wytwarzania osiowego pola magnetycznego i kształtowania jego rozkładu w przestrzeni międzystykowej łączników próżniowych uzyskuje się przez zastosowanie pierścieniowych magnesów trwałych o osiach skierowanych zgodnie z kierunkiem wymaganego osiowego pola magnetycznego oddziałującego na wyładowanie łukowe. W przedstawionym rozwiązaniu osiowe pole magnetyczne jest wytwarzane przez pierścieniowe magnesy 8 umieszczone w bryłach styków 5. W tym układzie pole magnetyczne ma rozkład osiowo symetryczny. Zastosowanie magnesów pierścieniowych 8 powoduje ukształtowanie promieniowego rozkładu pola magnetycznego w taki sposób, że jego symetria osiowa zostaje zachowana, jednak maksimum indukcji magnetycznej występuje między leżącymi naprzeciw siebie powierzchniami pierścieni 8 i maleje zarówno w kierunku osi styków 5 jak i dla odległości większych od promienia zewnętrznego pierścienia 8. Na umiejscowienie maksimum i proporcję między maksymalną i minimalną wartością indukcji osiowego pola magnetycznego w obszarze międzystykowym można wpływać poprzez zmianę średnic pierścieni ferromagnetycznych 8, zmianę proporcji między średnicą pierścieni 8 a ich wysokością oraz przez zmianę odległości między pierścieniami 8. Oznacza to, że w przypadku rdzeni zespolonych z bryłą styku 5, dla danych wymiarów geometrycznych, pole między stykami 5 będzie się zmieniało w trakcie rozdzielania się elektrod 4. Podczas wyłączania prądu (gaszenia łuku) sytuacja ta ma miejsce również w konwencjonalnych rozwiązaniach elektrod z osiowym polem magnetycznym (zarówno bezrdzeniowych jak i z rdzeniami ferromagnetycznymi). Przekrój pierścienia magnesu trwałego 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 pierścieniach magnesów powinny być one wykonane z materiału o możliwie dużej rezystywności. W komorach próżniowych wygrzewanych w procesie produkcyjnym magnesowanie rdzeni należy przeprowadzić po ostatecznym zamknięciu komory próżniowej. Właściwości magnetyczne materiału magnesów trwałych determinują również dopuszczalną temperaturę pracy układu zestykowego. 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) w strefie nakładki stykowej (6) ma gniazdo (7) o zarysie walca, w którym usytuowany jest pierścień (8) z magnesu trwałego, przy czym pierścienie magnesowe (8) w obydwu stykach (5) zwrócone są do siebie przeciwnymi biegunami.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.