Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_4552
.pdf
Завершено. Принято в декабре.
2,
1926.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования в области устройств защиты от электрической дуги для выключателей электрических
цепей или относящиеся к ним.
Мы, компания M[ETROPOLITAN-YICKIERS ELECTRICAL COMPANY LIMITED, расположенная по адресу: 4,
Central Buildings, City of Westminster, британская компания, являемся правопреемниками Джозефа С.
Слепиана, проживающего по адресу: 1227, Braddock Avenue, Swissvale, Pennsylvania. Я, гражданин
Соединенных Штатов Америки, настоящим заявляю, что характер данного изобретения и способ его
осуществления подробно описаны и установлены в следующем заявлении:
Данное изобретение относится к устройствам отключения для автоматических выключателей и подобных им
устройств, и имеет особое отношение к автоматическим выключателям переменного тока.
Целью изобретения является создание выключателя воздушных воздушных линий электропередачи
переменного тока, способного прерывать большие токи при высоких напряжениях без повторного
возникновения дуги и с минимальными помехами в линии электропередачи.
В масляных выключателях, которые до настоящего времени использовались почти исключительно для
отключения цепей высокой мощности, прерывание тока осуществляется путем отвода тока под масло, чтобы
предотвратить повторное зажигание дуги после того, как ток разряда в дуге пройдет через нулевое значение.
Масляные выключатели, которые до настоящего времени были единственным средством, пригодным для
прерывания цепей современных распределительных систем переменного тока, способных концентрировать
энергию порядка миллиона киловатт-ампер, обладают очень серьезными недостатками. Энергия сильного
короткого замыкания, высвобождающаяся под маслом при размыкании дугогасящих контактов выключателя,
приводит к разложению масла и образованию газов с взрывной силой. Чтобы выдерживать колоссальное
давление, создаваемое образующимися газами, масляные выключатели должны быть заключены в огромные
масляные резервуары массивной конструкции.
В результате описанных выше трудностей проектирование автоматических выключателей для энергетических
установок стало вызывать большее беспокойство, чем проектирование генерирующего оборудования,
подающего ток, и стоимость отключающего оборудования часто приближается к стоимости генерирующего
оборудования.
Еще одним существенным недостатком масляных выключателей является пожарная опасность и угроза
жизни, связанные с их эксплуатацией.
Газы, образующиеся в таких автоматических выключателях, формируют взрывоопасные смеси, и во многих
случаях резервуары высокого давления разрываются в результате взрывов, вызывая возгорания нефти и
создавая опасность для окружающего имущества и жизни персонала.
Согласно изобретению установлено, что дуга, возникающая при размыкании выключателя на воздухе,
полностью прерывается, а повторное зажигание дуги предотвращается даже в большей степени, чем в случае
масляных выключателей, путем введения в пространство между электродами дуги специальных
деионизирующих средств в виде проводящих пластин ядер, расположенных поперек дуги, которые быстро
снижают проводимость дугового пространства после того, как ток дуги проходит через ноль.
Предпочтительно, средства деионизации располагаются таким образом, чтобы они как можно меньше влияли
на работу дуги на протяжении всего её существования. Благодаря достаточному количеству таких
деионизирующих листов скорость, с которой пространство между электродами электродов теряет свои
проводящие свойства и становится изолятором, может быть полностью контролирована без использования
специальных сред для гашения дуги, таких как масло или подобные вещества.
Изобретение следует понимать как 80 258,284, ссылаясь на прилагаемый чертеж, на котором изображен
основной кронштейн 12 автоматического выключателя, несущий вал или шарнир 13, на котором вращательно
установлен автоматический выключатель, воплощающий изобретение. На фиг. 1 показан боковой вид 13, на
котором вращательно установлен автоматический выключатель, воплощающий изобретение. Основной
контактный рычаг 14 и выступающий вверх дугогасительный контактный рычаг 15 показаны на рисунке.
Секция 70; основной контактный рычаг удерживает главный контакт щетки 17, состоящей из ламинированной
меди 11-11, показанной на рис. 1, где изображены цепные пробивки, прижатые к главному контакту
выключателя; элементы 1, 2.
Рис. 3 представляет собой вид сверху камеры дугогасящего контакта 75 и рычага 15 дугогасящего магнита
автоматического выключателя, показанного на рис. 1; подвижный контактный башмак 19, зацепляющий
неподвижный дугогасящий контактный элемент 20 автоматического выключателя, показанного на рис. 1; рис.
4 представляет собой схему, иллюстрирующую соединения стационарного дугогасящего контактного
элемента автоматического выключателя, показанного на рис. 1; цепи. Стационарный дугообразующий
элемент (рис. 5 и 6) имеет небольшое наклонное движение, иллюстрирующее процесс деионизации.
Прижимается вниз, к дуговому зазору между двумя дугообразующими контактными площадками 19, с
помощью пружины 21.
электроды; Неподвижный элемент 20 соединен, фиг. 7 и S представляют собой виды, аналогичные гибкому
проводнику 22, с 85 - фиг. 5 и 6, иллюстрирующие ход деионизации, когда сетки размещены в другом
клеммном разъеме 25 катушки, являющейся электрической, пространство между электродами; электрически
соединен с металлической опорой. Фиг. 9 представляет собой кривую диаграмму, иллюстрирующую явления,
происходящие при взаимодействии с: - верхним главным контактным разъемом - размыканием
автоматического выключателя, включающего контактный элемент 1. Изобретение предусматривает
образование дуги; контактный башмак 19 электрически соединен (фиг. 10 — схематическое изображение
поворотного рычага 15, который в устройствах и цепях, содержащих поворотный механизм, соединен с
нижним главным выключателем в модифицированной форме); контактный элемент 2 через гибкий шунт 95
(фиг. 11 и 12 — горизонтальные сечения 27) рядом с шарниром 13.
Виды дугогасительных камер, воплощающих модификации изобретения; рычаги переключателя 14 и 15
приводятся в действие рычажным механизмом, включающим колокол, вертикальный кривошипный рычаг 28,
который поворачивается к раме переключателя 12 в точке 29. На фиг. 13-21 включительно показаны
поперечные сечения, иллюстрирующие дальнейшие модификации изобретения. Внутренний конец 100
вариантов изобретения; рычага с коромыслом поворачивается к двум звеньям 30 и 31, которые соединены по
линии XXII-XXII на рис. 21; рис. 22 представляет собой горизонтальный разрез, рис. 23 представляет собой
вертикальный разрез, соответственно. Рычаг переключателя 15 изображен аналогично рис. 21,
показывающему, что он все еще находится в открытом положении под действием пружины 32, что является
еще одной модификацией изобретения; а тяга 31, которая соединена с ним, расположена над линией на
линиях. На рис. 24 представлен горизонтальный разрез. XXIV--XXIV на рис. 23; центров тумблера, чтобы
зафиксировать вертикальный секционный переключатель на рис. 25 и 26 в замкнутом положении. Схема цепи,
аналогичная рис. 21, показывает другие модификации изобретения, согласно которым автоматический
выключатель срабатывает при перемещении внешнего конца рычага 28 вверх, — рис. 27 представляет собой
вертикальный разрез, показывающий разблокировку переключателя.
При размыкании выключателя подвижный дугогасительный башмак 19, имеющий дугообразную
горизонтальную форму, не разрывает контакт с неподвижным контактным элементом 20 до тех пор, пока
основные контактные элементы 1 и 2 не будут разъединены основной контактной щеткой 17. (Фиг. 28 и 29
представлены в качестве дальнейших модификаций изобретения; и фиг. 28 и 29 имеют вид дугогасительных
камер, содержащих модификации изобретения.)
На рисунке показан автоматический выключатель, включающий две пары вспомогательных контактных
элементов 33, 5, 5 и основных контактных элементов 1 и 2, установленных на изоляционных втулках 3 и 4,
которые обычно также предусмотрены для разгрузки основных контактных элементов друг от друга при
возникновении дугового разряда, возникающего при перемещении железной опорной рамы. 5. Контактный ток
от основных контактных элементов 1 и 2, представляющих собой клеммные стержни, к индуктивной
шунтирующей цепи, включающей элементы 6 и 7, простирающейся к задней стороне опорной рамы конечного
токоразрывного контакта 125, через перфорационные элементы 19 и 20 и катушку отключения в центрах
изоляционных втулок 24. Как показано на рис. 1, неподвижные вспомогательные контактные элементы 33 и 4
установлены совместно нижней изоляцией на раме 26, которая находится в электрической изоляторной
втулке 4 и изоляторе 11, ниже контакта с верхним основным контактом 130, показанным на рис. 2. Функция
катушки 24, вызывающей дуговой разряд, заключается в том, чтобы сместить дуговой поток в боковое
пространство, проходящее через сетчатые листы 51, в течение интервала времени, короткого 70 по
сравнению с половиной периода цепи переменного тока, к которой подключен выключатель, так что дуговой
поток проходит через сетчатые листы или между ними, когда ток впервые проходит через нулевое значение
75 после возникновения дуги.
Сетчатые листы 51 простираются по всей ширине дуговых камер, между изоляционными стенками 53, и 80
изолированы друг от друга изоляционными полосами 57 из слюды или другого термостойкого материала, как
показано на рис. 2, оставляя практически беспрепятственный воздушный поток между противоположными
электродными пластинами 85 в середине каждой камеры.
Перфорированные сетчатые листы 51 предпочтительно изготавливаются таким образом, чтобы обеспечить
непрерывную дугу между дугообразующими электродами и как можно меньше препятствовать возникновению
дуги 90. Однако, когда ток дуги проходит через нулевое значение в начале следующего чередования, сетки,
заполняющие пространство между дугогасительными электродами, оказывают огромное деионизирующее
воздействие, как описано ниже, быстро восстанавливая воздушное пространство в одной или нескольких
дугогасительных камерах до их первоначального изоляционного состояния и предотвращая повторное
зажигание дуги при повышении напряжения на клеммах, которое следует за гашением дуги в таких камерах.
Решетчатая камера или дугогасительный желоб 40 имеет достаточные размеры по сравнению со скоростью
движения дуги внутри нее, чтобы 105 обеспечить окончательное прерывание дуги внутри желоба. Скорость
движения дуги внутри желоба достаточно высока, чтобы предотвратить расплавление решеток или
разрушение изоляции 110 вблизи дуги при обычных условиях разряда.
Для того чтобы противостоять деионизирующему действию решеток, используемых в дуговых или
деионизационных камерах усовершенствованного автоматического выключателя 115, будет полезно кратко
обсудить явления, происходящие при дуговом разряде переменного тока.
В обычных условиях воздух и 120 других газов являются отличными изоляторами.
Однако, когда к двум электродам, расположенным на расстоянии воздушного зазора, прикладывается
достаточно высокий потенциал, воздух внезапно переходит из своего обычно изолирующего состояния в
проводящее. Это изменение, известное как искровой разряд, объясняется следующим образом:
В норме воздух обладает незначительной степенью ионизации из-за излучения радиоактивных элементов в
земной коре. Под элементом 130, а также подвижным вспомогательным контактным элементом 34,
установленным на верхней части основной контактной щетки 17, который находится в электрическом контакте
с нижним основным контактным элементом 2 через рычаг переключателя 14. Подвижный вспомогательный
контактный элемент 34 шарнирно закреплен в точке 35 и прижимается к неподвижному контактному элементу
с помощью пружины 36, чтобы обеспечить вращательное и скользящее движение при зацеплении или
разъединении неподвижного вспомогательного контактного элемента 33.
Главная особенность изобретения заключается в предоставлении новых и усовершенствованных средств для
гашения дуги, возникающей между дугогасящими контактными элементами 19 и 20. С этой целью над
дугогасящими контактными элементами 19 и 20 предусмотрен дугогасительный канал 40. Нижняя часть
дугогасительной трубки заканчивается двумя рогообразными дугогасящими пластинами 41 и 42, причем
пластина 41 находится в электрическом контакте с неподвижным дугогасящим контактным элементом 20, а
пластина 42 снабжена упругими пальцами 43, которые входят в зацепление с подвижным дугогасящим
контактным элементом 19, когда последний находится в своем окончательном открытом положении, так что
дуга передается от дугогасящих контактных элементов 19 и 20 к рогообразным пластинам 41 и 42, ведущим к
дугогасительной трубке 40.
Дугогасительная труба 40 состоит из четырех расположенных на расстоянии друг от друга вертикальных
проводящих пластин 44, 45, 46 и 47, разделяющих пространство между верхними концами рупорообразных
дугогасительных пластин 41 и 42 на три отдельные последовательно соединенные дугогасительные камеры
48, 49 и 50, причем две концевые пластины 44 и 47 находятся в электрическом контакте с дугогасительными
пластинами 41 и 42 соответственно. Каждая дугогасительная камера разделена на большое количество
небольших пространств с помощью проводящих листов или решеток 51, расположенных параллельно
клеммным пластинам дугогасителя 44–47 включительно. Проводящие листы 51 предпочтительно имеют
сетчатую структуру, как будет объяснено позже. В варианте исполнения, показанном на рис. 1, это
проволочные сетки из латуни.
Пространство между дугообразными пластинами 41 и 42 может быть ограничено с боков большими
изолирующими стенками или экранами 52, прилегающими к краям пластин. Аналогичным образом,
дугогасительный желоб 40 может быть заключен в изоляционные пластины 53, соединяющие края пластин 44
с пластиной 47.
Дуга подается в дугогасительные камеры 48, 49 и 50 желоба с помощью вышеупомянутых катушек 24,
предназначенных для выдувания дуги, которые, как показано, снабжены подковообразным ламинированным
железным сердечником 54, заканчивающимся полюсными пластинами 55 и 56, причем пластина 56 является
большей и расположена в зацеплении с изоляционными стенками 52 и 53, как показано на рисунках 258 и 234.
Под воздействием малых градиентов электрического потенциала эта ионизация обеспечивает слабую
проводимость, которая обнаруживается только самыми чувствительными приборами. Под воздействием
больших градиентов электрического потенциала эти немногочисленные ионы движутся очень быстро, и их
столкновения с нейтральными молекулами могут быть настолько энергичными, что они могут фактически
разрушить некоторые из них, разделив на положительно и отрицательно заряженные части.
Таким образом, образуются новые ионы и электроны.
Например, предположим, что между двумя электродами находится d одиночных свободных электронов, к
которым приложено напряжение, превышающее напряжение пробоя. Этот электрон быстро движется к аноду,
и из большого числа столкновений с нейтральными молекулами предположим, что 1000 из них достаточно
энергичны, чтобы вызвать нарушение. Таким образом, мы получаем 1000 новых положительных и 1000 новых
отрицательных ионов. Положительные ионы с зарядом -1000 начинают двигаться в направлении катода.
Положительные ионы, обладающие гораздо большей массой, гораздо менее эффективны, чем электроны, в
процессе ионизации-столкновения. Предположим также, что эти положительные ионы, двигаясь к катоду,
производят только два новых электрона вблизи катода. Эти два электрона, движущиеся к аноду, произведут
2000 новых пар ионов. 2000 положительных ионов, движущихся к катоду, произведут четыре новых электрона;
эти четыре электрона произведут 4000 положительных ионов, и так далее, пока не будет достигнута высокая
проводимость.
— Число пар положительных и отрицательных ионов, образующихся при столкновении с электроном, на
сантиметр продвижения в направлении электрического поля, и соответствующее количество для
положительного иона являются быстро возрастающими функциями электрического градиента.
Как только в результате процесса ионизации-биоолиза, описанного выше, инициируется разряд,
электрическое поле в зазоре искажается. В тонком слое, известном как катодное темное пространство,
прилегающем к катоду, возникает резкий градиент напряжения. Падение напряжения в этом тонком слое, или
катодное падение напряжения, составляет порядка 300 вольт для обычных электродных материалов на
воздухе.
Если электроды холодные при разрыве зазора, плотность тока составляет -55, что не слишком высоко.
Проводимость через зазор принимает форму тлеющего разряда, в котором положительные ионы, а в
меньшей степени электроны и отрицательные ионы, движущиеся через поле с высоким градиентом катодного
разряда к катоду и аноду соответственно, продолжают производить новые электроны и ионы путем
столкновения с молекулами воздуха в тонких слоях, где происходит катодный разряд, тем самым обеспечивая
достаточное количество электронов и ионов для создания высокопроводящего состояния или низкого
градиента напряжения в оставшейся части зазора.
Если в какой-либо точке рядом с катодом подводимая энергия достаточна для повышения его температуры до
такой степени, что он начнет термоэлектронно испускать электроны, или для нагрева слоя газа,
расположенного очень близко к этой точке, до такой температуры, что он будет термически ионизирован, то
ток будет концентрироваться в этой точке. Это называется дуговым разрядом. В этом случае падение
напряжения на катоде становится значительно меньше, чем в тлеющем разряде, поскольку необходимая
проводимость обеспечивается термоэлектронной эмиссией или термической ионизацией газа в
непосредственной близости от катода, а не ионизацией при столкновении. Однако необходимо, чтобы
падение напряжения в тонком катодном слое было достаточно большим, чтобы доступная энергия могла
поддерживать температуру катода или прилегающего газа на уровне, обеспечивающем требуемую
термоионную эмиссию или термическую ионизацию. В общем случае также необходимо, чтобы падение
напряжения t0 в тонком катодном слое было достаточно высоким для образования в нем электронов путем
ионизации, нейтрализующей пространственный заряд электронов.
Для обычных электродных материалов двадцати вольт достаточно для вышеупомянутых целей.
Помимо падения напряжения на катоде, вблизи анода наблюдается падение напряжения около десяти вольт.
Положительные ионы образуются в поле последней упомянутой капли в результате столкновений быстро
движущихся электронов, идущих от катода. Высокая температура на аноде не является необходимой для
поддержания проводимости. 105 Градиент напряжения в основной части электрического потока, между
областями, непосредственно прилегающими к катоду и аноду, очень низок. Обычно недостаточно просто
произвести ионизацию материала путем столкновения. Положительные ионы, необходимые для
нейтрализации пространственного заряда электронов в основной части потока газа, вероятно, являются
результатом термической ионизации газа. 115 Таким образом, в дуговом разряде большая часть тока
переносится быстро движущимися электронами, которые перемещаются от катода к аноду. Пространство
между катодом и анодом заполнено 120 положительными ионами, нейтрализующими пространственный
заряд электронов и делающими их высокопроводящими.
Положительные ионы образуются в результате столкновений в пространствах вблизи катода и анода, а в
остальной части дугового потока — в результате термической ионизации.
В дуге переменного тока ток периодически проходит через ноль.
Электрод, который был катодом при относительно высокой подвижности электронов (1,3-4 258,2-34), будет
иметь гораздо меньший градиент в этой оболочке, чем на катоде, и поэтому он не будет рассматриваться
далее.
Таким образом, в результате действия электрического поля 70 образуются две области с различными
характеристиками. В области 82, прилегающей к анодам, электрический градиент очень низок, и потеря ионов
происходит главным образом за счет процесса рекомбинации, как было описано ранее. Область 81,
прилегающая к катоду, практически полностью деионизирована из-за отталкивания между катодом и
электронами. Граница между областью 81 и ионизированными дуговыми пространствами продолжает
смещаться наружу от катода по мере протекания деионизации.
По мере того, как толщина деионизированной области или оболочки 85 81 вблизи катода увеличивается,
приложенное напряжение также возрастает. Если скорость повышения напряжения настолько высока, что
создает в высокоомной оболочке градиент напряжения, достаточный для перемещения относительно
небольшого числа положительных ионов, оставшихся в этой оболочке, со скоростью, при которой они будут
вызывать термическую ионизацию или ионизацию путем столкновения, то эта область потеряет свое высокое
сопротивление.
Напряжение, которое в противном случае было бы поглощено катодной оболочкой, затем передается на все
еще сильно ионизированный, высокопроводящий газовый слой, запускается сильный ток силой 100 мкВ, и
дуга загорается снова.
Однако, если деионизация происходит настолько быстро, что толщина деионизированной катодной оболочки
увеличивается с такой скоростью, что градиент напряжения в этой области никогда не достигает значения,
при котором происходит ионизация путем столкновения, и подводимой энергии недостаточно для
возникновения термической ионизации, все пространство между электродами постепенно становится
изолирующим, и электроды не воспламеняются повторно. Таким образом, цепь прерывается. Таким образом,
если скорость повышения напряжения будет поддерживаться достаточно низкой по сравнению со скоростью
деионизации, градиент напряжения 115 в катодной оболочке будет слишком низким для ионизации; новые
ионы не будут генерироваться; будет происходить только деионизация; ионы будут вытесняться из дугового
пути по мере роста катодной оболочки 120; и дуга будет окончательно погашена.
Анализ явлений, происходящих при размыкании дуговых контактов автоматического выключателя
переменного тока, описанный выше, позволяет определить допустимую скорость повышения напряжения, при
которой повторное возникновение дуги между такими контактами, которые обычно используются, не
происходит. Установлено, что 130 предыдущее чередование становится анодом; анод предыдущего
чередования становится катодом для следующего чередования.
В тот самый момент, когда ток становится равным нулю, пространство между электродами все еще сильно
ионизировано. Градиент напряжения на плитке практически равен нулю по всей площади, поэтому ионизация
при столкновениях отсутствует. Электрод, который вот-вот станет катодом, находится при слишком низкой
температуре для термоэлектронной эмиссии электронов. Теплогенерация ионов в газе быстро снижается за
счет охлаждения газа. Вскоре после того, как ток становится равным нулю, образование новых ионов
практически прекращается.
Одновременно с этим пространство между электродами быстро деионизируется. Определенная доля
электронов приблизится к положительным ионам на достаточное расстояние, чтобы рекомбинировать с ними,
тем самым нейтрализуя их заряды. Скорость рекомбинации пропорциональна плотности положительных и
отрицательных ионов в пространстве. Если нет притока новых ионов, рекомбинация будет уменьшать
плотность ионизации обратно пропорционально времени. Таким образом, пространство теряет свою
проводимость, и если удастся предотвратить образование новых ионов, дуга не загорится повторно.
На рис. 5 знаки + и - обозначают ионы в дуговом разряде на воздухе между электродом 79, который вот-вот
станет катодом, и электродом 80, который вот-вот станет анодом, в момент, когда напряжение и ток равны
нулю. Происходит рекомбинация, поэтому на рис. 6, который отображает условия через короткое время,
плотность ионизации уменьшается.
В промежутке между условиями, показанными на рис. 5 и 6, напряжение возрастало, создавая градиент,
который отталкивает электроны от катода 79 и перемещает положительные ионы к катоду 79.
Таким образом, рядом с катодом образуется область 81, практически лишенная ионов, в которой находится
лишь небольшое количество медленно движущихся положительных ионов, направляющихся к катоду.
Пространство 81, прилегающее к катоду, имеет, таким образом, гораздо более высокое удельное
сопротивление, чем остальное пространство, и, следовательно, большая часть напряжения, приложенного к
электродам, будет распространяться через указанное пространство катода, создавая в нем электрическое
поле с высоким градиентом. Со временем электроны будут всё сильнее отталкиваться от катода.
и толщина области lii'h-resistanee увеличится.
Аналогичная деионизированная оболочка 82 также появится рядом с анодом (6t5). Ввиду особенностей
обычных автоматических выключателей, работающих в воздухе (258,284), допустимая скорость повышения
напряжения настолько низка, что производство коммерческих выключателей с большим током для
напряжений выше относительно низких значений нецелесообразно из-за физических ограничений,
накладываемых материалом контактов, возможным расстоянием между электродами и постоянными
параметрами размыкаемой цепи.
Таким образом, для пары медных электродов, расположенных на расстоянии одного дюйма друг от друга,
скорость деионизации такова, что скорость повышения напряжения должна быть ограничена значением
менее 1 х 10⁶ вольт в секунду, если необходимо предотвратить повторное зажигание.
Если переменный ток, который необходимо прервать, находится в фазе с напряжением, т.е.
При коэффициенте мощности, равном единице, скорость нарастания напряжения соответствует скорости
нарастания переменного напряжения. Однако обычные схемы и условия, в которых должны работать
практические автоматические выключатели, требуют размыкания токов с коэффициентом мощности,
значительно отличающимся от единицы. При такой простоте максимальная скорость повышения напряжения
на клеммах автоматических выключателей в основном зависит от постоянных параметров цепи. Таким
образом, в индуктивной цепи повышение напряжения на разомкнутых клеммах происходит практически
мгновенно.
Однако повышение напряжения в таких условиях может быть уменьшено до меньших значений путем
параллельного подключения соответствующего резистора к разомкнутым контактным клеммам. Для
ограничения скорости повышения напряжения до менее чем 1 x 10⁶ вольт в секунду в случае расстояния
между контактами в один дюйм, рассмотренного выше, и обычной силовой цепи 2200-вольтовой 60-вольтовой
линии, потребовались бы шунтирующие резисторы значительных размеров и стоимости, которые должны
были бы пропускать очень большую часть прерываемого тока. Подобные конструкции были бы невозможны
для автоматических выключателей, используемых в горнодобывающей промышленности.
Одной из главных особенностей изобретения является искусственное увеличение скорости деионизации
пространства, возникающей при размыкании автоматического выключателя, сразу после прохождения
дугового тока через ноль. С этой целью в пространство ARB может быть введено большое количество так
называемых «искусственных» катодов, что многократно усиливает деионизирующее действие основного
катода и сокращает время деионизации до доли от того, которое потребовалось бы в противном случае.
Шунтирующие резисторы, если они вообще используются, подбираются с учетом значительно увеличенной
допустимой скорости нарастания напряжения, чтобы избежать градиента напряжения, при котором
произойдет столкновение ионизации и пробоя.
В автоматическом выключателе, показанном на рисунках.
1 В пункте 4 искусственные катоды изготавливаются в виде проволочных сеток 51, расположенных поперек
дугового пути и собранных в единую структуру. Когда дугогасительный контактный рычаг 15 размыкается и
затягивает дугу, она поднимается вверх между сетками под действием поля магнитов, гасящих дугу.
Дуга разделена на три последовательных участка по 75 причинам, которые будут объяснены далее. В каждом
разделе область простирается между противоположными концевыми пластинами 44 и 47 соответственно,
свободно проходя через перфорации в сетке. 80 Вероятно, ионов, выбрасываемых на провода сетки, совсем
немного по сравнению с количеством ионов, составляющих дуговой поток. Однако в момент, когда сила тока
проходит через ноль, ионизация путем столкновений прекращается, и газ становится слишком холодным для
термической ионизации; происходит рекомбинация, уменьшающая плотность ионов; и в этот момент разряд
ионов в провода сетки резко снижает проводимость пространства вокруг сеток. Таким образом,
металлические части решеток в определенной степени действуют как электроды, образуя центры
дезактивации, как будет объяснено далее.
На рис. 7 показаны сетчатые провода 51, расположенные в пространстве между электродами 44 и 45 на рис.
1, в момент, когда первый становится катодом, а второй — анодом, как в случае рис. 6. Немного раньше, когда
ток проходил через нулевое значение, пространство вокруг сеток было сильно ионизировано (105%),
заполнено электронами и положительными ионами, как показано на рис. 5.
В момент времени, выбранный для рис. 7, силовые линии возрастающего электрического поля, входящие в
провода сетки с одной стороны 110 и выходящие с другой стороны, приводят к тому, что стороны проводов,
обращенные к катоду, действуют как аноды, а стороны, обращенные к аноду, — как катоды. На катодной
стороне 115 каждого провода сформирована оболочка 83, аналогичная оболочке 81 на рис. 6. Под
воздействием возрастающего напряжения оболочки 83 вокруг порога Wi;es разрастаются, принимая форму,
показанную на рис. 7, пока отдельные 120 оболочек не сольются в единую оболочку 84, покрывающую всю
поверхность сетки 51, как показано на рис. 8, аналогичную во всех отношениях оболочке 81 вблизи катода.
125 Описанным выше способом деионизация происходит быстро за счет большого количества оболочек или
деионизирующих ядер 84, действующих подобно множеству катодных оболочек.
Повышение напряжения не распределяется по всему диапазону 130 6.
258,234 258,234 большое количество областей с высоким сопротивлением и деионизацией, что позволяет
достаточно снизить градиент напряжения, чтобы предотвратить ионизацию в результате столкновений в
зазоре между электродами.
Скорость деионизации отверстий в сетках, благодаря которой вся сетка начинает действовать как единая
деионизирующая поверхность, подобная катоду, зависит от размера отверстий. Было установлено, что при
достаточно малых размерах отверстий в сетках скорость нарастания напряжения может достигать 10⁶ вольт в
секунду на одну сетку без опасности ионизации и повторного зажигания дуги.
Таким образом, путем размещения девяти сеток указанного выше типа поперек дугового разряда в
пространстве между электродами, расположенными на расстоянии одного дюйма друг от друга, как в
рассмотренном ранее случае, допустимая скорость повышения напряжения увеличится с менее чем 1 x 10⁶ до
примерно 50 x 10⁶ вольт в секунду. В рассмотренной выше цепи с напряжением 29200 вольт и частотой 60 Гц
шунтирующие резисторы должны пропускать лишь немногим более 2% прерываемого тока, чтобы
предотвратить повторное возгорание. Путем правильного выбора количества деионизирующих решеток
можно очень точно контролировать скорость деионизации, и можно создавать практичные воздушные
выключатели, работающие в условиях, которые ранее считались полностью выходящими за пределы
возможного рабочего диапазона таких устройств.
Если автоматический выключатель работает в цепи без сопротивления, состоящей из источника переменного
тока и индуктивности, соединенных последовательно, и если цепь прерывается при нулевом значении тока, то
напряжение на отключающих клеммах мгновенно возрастает до пикового напряжения источника.
То есть скорость нарастания напряжения была бы бесконечной.
Однако в любой практической схеме из-за присущей ей емкости и тока утечки повышение напряжения
происходит не мгновенно, а обычно очень быстро.
При использовании усовершенствованного выключателя в любой практической цепи, по которой протекает
достаточно малый ток, скорость нарастания напряжения, ограниченная характеристиками цепи, будет
меньше, чем та, которая необходима для повторного зажигания дуги, деионизированной с помощью сетчатой
структуры, как описано выше. Однако, если токи очень велики, скорость повышения напряжения,
ограниченная характеристиками цепи, может быть выше той, которая необходима для предотвращения
повторного возникновения дуги, как объяснялось ранее.
Для обеспечения надежного размыкания цепи, независимо от величины размыкаемого тока и независимо от
постоянных параметров цепи, усовершенствованный автоматический выключатель, показанный на рис. 1 и 4,
сконструирован таким образом, чтобы сначала уменьшить размыкаемый ток до доли от его максимального
значения при коротком замыкании, прежде чем окончательно разомкнуть цепь. С этой целью дуга,
возникающая при замыкании контакта автоматического выключателя, разделяется на три участка, как описано
выше, причем каждая дуга возникает в отдельной камере; первая камера 48 75 зашунтирована резистором 85,
как показано на принципиальной схеме на рис. 4, вторая камера 49 зашунтирована гораздо большим
сопротивлением 86, а последняя камера 50 не имеет шунта 80.
В процессе работы, когда дугогасительный контактный рычаг 15 размыкается, дуга, возникающая между
контактными элементами 19, 20, направляется в три камеры дугогасительного канала 85 40 автоматического
выключателя, причем три дугогасительных канала соединены последовательно. Электрические условия в
цепи показаны на рис. 9, где синусоидальная кривая 87 представляет собой напряжение генератора 90 в
зависимости от времени, толстая пунктирная кривая 88 представляет собой линейный ток, тонкая пунктирная
кривая 89 представляет собой напряжение на клеммах первой дуговой камеры 48, а штрихпунктирная кривая
90 представляет собой напряжение на клеммах двух оставшихся дуговых камер 49 и 50, соединенных
последовательно.
Условия, показанные на рис. 9, где размыкание выключателя цепи обозначено цифрой 89а, соответствуют
условиям, существующим в индуктивной цепи, которая создает наибольшую нагрузку на отключающую
способность выключателя. На графике показано, что ток смещен на 105 градусов относительно волны
напряжения почти на 90 градусов. Когда ток проходит через нулевое значение в точке 91, напряжение на
клеммах автоматического выключателя почти мгновенно возрастает до 110, что почти равно полному
значению напряжения генератора, и вызвало бы повторное возгорание во всех трех секциях дугогасительной
камеры, если бы не тот факт, что повышение напряжения вызывает протекание тока через резистор 85 с
относительно низким сопротивлением (рис. 4), шунтирующий первую секцию 48 дугогасительной камеры.
Таким образом, скорость повышения напряжения на клеммах этого участка дуговой камеры снижается. 120,
как показано крутым участком 891 светло-пунктирной кривой 89.
При сильных токах скорость повышения напряжения в шунте с высоким сопротивлением 86 второй секции 49
дугогасительной камеры 40 и в шунтированной секции 50 дугогасительной камеры будет настолько высокой,
что дуга может повторно загореться в этих секциях в течение следующего полупериода, как показано на
последнем полупериоде 130 кривой тока 88 на рис. 9. Однако фаза тока относительно напряжения
значительно изменится из-за резистора 85, который теперь включен последовательно в цепь, так что ток,
который теперь образует дугу в двух дугогасительных камерах 49 и 50, будет почти в фазе с напряжением и
пройдет через ноль, когда напряжение будет равно нулю. Одновременно с этим резистор 85 уменьшит ток
через автоматический выключатель до доли от его первоначального значения. При следующем изменении
направления тока, когда ток пройдет через ноль, скорость повышения напряжения будет практически
соответствовать 60-герцовой волне и будет недостаточной для повторного возникновения дуги во второй и
третьей секциях дугогасительной камеры.
При прерывании сильных токов, как в рассмотренном выше случае, первого участка 48 дугогасительной
камеры или деионизационной камеры 40 обычно достаточно, чтобы уменьшить прерываемый ток до доли от
его первоначального значения и улучшить коэффициент мощности, так что нешунтированного участка 50
автоматического выключателя достаточно для полного размыкания цепи. В таких случаях вторая секция
автоматического выключателя не выполняет никаких функций.
Однако, когда прерываемый ток невелик и имеет низкий коэффициент мощности, например, магнезиационный
ток трансформаторов, подключенных к линии, сопротивление 85, шунтирующее первую секцию 48
деионизационной камеры, обычно настолько мало по сравнению с реактивным сопротивлением цепи, что оно
практически не влияет на величину и коэффициент мощности линейного тока; однако в этом случае...
Вторая секция 49 деионизационной камеры открывается вместе с первой секцией 48 при первом нулевом
значении тока. Резистор 86 относительно большого номинала, шунтирующий вторую секцию автоматического
выключателя, достаточен для существенного уменьшения небольшого намагничивающего тока и улучшения
его коэффициента мощности, так что незашунтированная секция 50 автоматического выключателя способна
прерывать остаточный ток до следующего переключения.
Таким образом, в случае относительно больших токов с низким коэффициентом мощности первая секция
деионизирующей камеры открывается при первом нулевом значении тока, а вторая и третья секции
открываются одновременно при втором нулевом значении тока. С точки зрения простоты, относительно
небольшие.
Токи с низким коэффициентом мощности. Первая и вторая секции размыкаются при первом изменении тока, а
третья, незашунтированная, секция размыкается при втором изменении тока. Токи с высоким коэффициентом
мощности.
Как правило, при любой величине тока, все три секции размыкаются при первом нулевом значении тока.
В типичном автоматическом выключателе, рассчитанном на 8600 вольт, как показано на рис. 1, могут
использоваться три деионизирующих секции 48, 49 и 50, каждая секция имеет расстояние 4 дюйма между
дуговыми клеммами и 16 сеток на дюйм. 70 Сетки 51 могут быть изготовлены из латунной сетки с проволокой
толщиной 1/3 дюйма и перфорацией шириной 1/32 дюйма. Автоматический выключатель рассчитан на ток
размыкания порядка 20 000 ампер. Резистор 85, шунтирующий первую секцию деионизирующей структуры,
используемой в этом автоматическом выключателе, может иметь сопротивление 8 Ом, а резистор 86,
шунтирующий вторую секцию автоматического выключателя, может иметь сопротивление 160 Ом. Высота
дугового желоба может составлять 24 дюйма, а скорость движения дуги — приблизительно 100 футов.
в секунду.
На фиг. 10 показана модификация изобретения, в которой три дугогасительных участка автоматического
выключателя объединены в отдельные блоки 91, 92, 93, каждый из которых имеет собственные
дугогасительные клеммы 94, 95 и 96 и отдельные вспомогательные клеммы переключения 97, 98 и 99, с 90
отдельными катушками отключения 100, 101 и 102, соединенными последовательно с различными
дугогасительными блоками. Первый дугогасящий участок 91 зашунтирован импедансом в виде конденсатора
103, уменьшая дугогасящий ток 95 до доли его величины; второй участок 92 зашунтирован конденсатором
104, имеющим гораздо более высокое сопротивление, для дальнейшего уменьшения дугогасящего тока; и
последний участок 93 10Or не имеет шунта. Катушки продувки 102, взаимодействуя с отдельными
дугогасящими секциями, имеют постепенно увеличивающееся число витков для обеспечения необходимого
продувочного действия 105, несмотря на уменьшенные дугогасительные токи в секциях.
Механическое разъединение нескольких вспомогательных, или дугопередающих, контактов автоматического
выключателя на рис. 10 предпочтительно осуществляется таким образом, чтобы замыкания дугопередающих
контактов 97, 98 и 99, соответственно, происходили с интервалами в полцикла или более, так что дуга
сначала прерывается только в первом участке 91, уменьшая линейный ток через последовательное
сопротивление 103. Затем секция 92 размыкается, дополнительно уменьшая остаточный ток за счет
импеданса 104. Последний участок 120 93 наконец открывается, полностью прерывая цепь. Вместо
конденсаторных шунтов 103, 104, показанных на рис. 10, можно использовать резисторный шунт, как показано
на рис. 4, или более сложную шунтирующую сеть.
При проектировании ионизирующей структуры, используемой в усовершенствованном автоматическом
выключателе, необходимо учитывать ряд особенностей.
Прежде всего, считается желательным сделать сетки с достаточно большими промежутками, чтобы позволить
дуге проходить сквозь них, как если бы в пространстве между противоположными поверхностями электродов
дуги не было препятствий. Желательно, чтобы дуга свободно распространялась через отверстия сетки, не
распадаясь на множество мелких последовательно соединенных независимых дуг с многочисленными
Соседние файлы в папке патенты