Автоматический вакуумный выключатель

союз советских Социалистических РесптбликК Н 015 33 Комитет по аслам аобретений и открытий при Совете Министров СССРАвторыизобретения Иностранцы Бо Брайтхольц и фред Карлен(Швеция) Иностранная фирма ллменна Свенска Электриска Актиеболагеаявител ВТОМАТИЧЕСКИЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЪ мс ные новения дуги ми последние нного материиз материала ем паров,между вспомогательснабжены экранамиала,Катод может бытьс относительно высок зготовлен м давлени Известны автоматические вакуумные вы. ключатели, содержащие вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные конденсационные экраны и электроды - анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные при помощи сильфонов, причем один или оба электрода выполнены подвижными и связаны с приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги, Однако применение таких выключателей в цепях постоянного тока ограничено, так как при этом необходимы специальные устройства, усложняющие работу выключателя и установки в целом.В предлагаемом выключателе с целью повышения надежности работы и снижения износа контактных поверхностей электродов при воздействии на них электрической дуги катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает ее неконтактирующую поверхность, Кроме того, предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспечивает расположение экрана из электроизоляционного материала между анодом и катодом. В выключателе могут быть предусмотреныдополнительные электроды - катоды и аноды, образующие дополнительные разрывныепромежутки, последовательно соединенные сосновным промежутком.Анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены междусобой и с анодом зажигания через резисторы,а катод выполнен так, что он в процессе от 10 ключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.В случае выполнения дугогасительной кары цилиндрической формы вспомогательаноды расположены по спирали на цилиндри 15 ческой стенке камеры, а катод перемещаетсявдоль оси камеры.Резисторы могут быть расположены вне вакуумированной камеры.Вспомогательные аноды присоединены внут 20 ри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы,Для предотвращения возникными анода25 из изоляциоб 5 В выключателе может быть предусмотренанод возбуждения, который питается от отдельного источника.Экран представляет собой слой керамического материала, укрепленный на катоде.Экран может быть расположен ца некотором расстоянии от катода,Между анодом и катодом могут быть включены резисторы, расположенные преимущсственно вне вакуумированной камеры.На фиг. 1 показан предложенный выключатель с подвижными электродами; на фиг. 2то же, с подвижным анодом; на фиг. 3 и 4 -то же, с дополнительпымп разрывными промежутками; на фиг. 5 - то же, со,вспомогательными анодами; на фиг, 6 и 7 - то же, совспомогательными анодами, снабженнымиэкранами из изоляционного материала; нафиг. 8 - то же, с управляющим анодом; нафиг. 9 и 10 - варианты выполнения электродов - анода и катода и устройства для ихперемещения,Выключатель содержит вакуумнрова шуюкамеру 1, анод 2 и катод 3. Анод укреплен настержне 4, проходящем через отверстие 5 встенке камеры. Если стенки камеры изготовлены из электропроводного материала, то вкачестве втулки предусматривается диск 6 изизоляционного материала, изолирующий стержень и анод от камеры. К стержню и стенкамкамеры примыкает сильфон 7, что обеспечивает поддержание вакуума. Для предохранения сильфона и изолирующего диска от паров материала катода на стержне 4 укрепленэкран 8. Катод 3 выполнен из матсриала, имеющего соответствующее высокое давление паров. По неконтактирующей поверхности катодокружен экраном 9, например, из керамического, главным образом, изоляционного материала, так что остается свободной только еговерхняя поверхность, расположенная противанода, Катод укреплен на стержне 10, который, как и у анода, проходит через отверстие11 с втулкой 12 пз изоляционного материала.Сильфоц И герметизирует вакуумную камеру снаружи, Стержни 4 и 10 могут быть соединены между собой через активное сопротивление 14 и связаны с приводным устройством(на чертеже нс показано), осуществляющимих продольное перемещение по стрелкам 15 -17. Кроме того, предусмотрены автоматические выключатели 18 и 19.Когда токовая цепь замкнута, анод и катодпримыкают друг к другу (см. фиг. 1). В начале процесса отключения катод перемещается вниз в направлении стрелки 15. Такимобразом анод и катод расходятся, н междуними возникает дуга, На катоде образуетсякатодное пятно, эмиттирующее проводящуюплазму, которая выше горизонтальной плоскости, проходящей через верхнюю поверхностькатода. Плазменная струя является наиболеесильной в направлении, перпендикулярномэтой плоскости, уменьшается к ее краям иравна нулю на плоскости, Следующий этап 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 процесса отключения состоит в том, что анод перемещается влево в направлении стрелки 16, благодаря чему он выводится из наиболее плотной части плазменной струи. В то же время расстояние между анодом и катодом возрастает. Эти факторы приводят к тому,что повышается напряжение дуги. При отклю чснии автоматический выключатель 19 размыкается, напряжение на промежутке анод - - катод возрастает, и зажигается дуга,В предлагаемом варианте исполнения выключателя катод 3 неподвижен, а анод 2 выполнен поворотным и не может перемещаться в вертикальном направлении. Анод укреплен ца одном конце стержня 20. На стержне имеется шпилька 21, входящая в установочный корпус 22, окружающий стержень, Установочный корпус укреплен посредством элемента 23 на стенке камеры. Другим своим концом стержень 20 укреплен посредством шарнирного соединения 24 на оперативной тяге 25, что дает, возможность стержню 20 с анодом 2 поворачиваться независимо от оперативной тяги, причем анод в вертикальном направлении следует за движением оперативной тяги в вертикальном направлении. Стержень 20 и тяга 25 соединены проводником 2 б, так как тяга служит в качестве токопроводящего элемента.В начале процесса отключения оперативная тяга 25 и стержень 20 отжимаются вверх. Шпилька 21 также передвигается вверх по левой вертикальной канавке 27. Достигнув наивысшего положения в вертикальной канавке, шпилька скользит по наклонному участку 28, обусловливая поворот стержня 20 таким образом, что анод отходит от катода, Когда шпилька достигает наивысшей точки 29 наклонного участка, перемещение вверх прекращается, и шпилька начинает двигаться вниз по участку 80. Когда анод достигает своего крайнего левого положения, катод начинает двигаться вверх в направлении стрелки 17, Таким образом, анод приходит в контакт с менее плотной плазмой, и напряжение зажигания увеличивается. Когда анод занимает положение ниже плоскости, проходящей через эмиттирующее плазму катодное пятно, то он располагается в зоне пространственного заряда, в которой дуга в основном поддерживается только электронами, поступающими из плазмы. Таким образом, напряжение зажигания очень быстро повышается до больших значенийвызывая соответствующее уменьшение тока в дуге до такой малой величины, что дуга гаснет, и токовая цепь обрывается, Это положение действительно для цепей, обладающих малой индуктивностью,Б случае длинной линии постоянного тока,имеющей относительно большую индуктивность отключение происходит не мгновенно, а настолько медленно, на сколько это требуется для рассеивания индуктивной энергии. Поэтому необходимо соединение анода и катода посредством внешнего сопротивления 14, ко5торое потребляет ток при гашеции дуги. Относительно небольшой оставшийся ток может быть отключен обычным автоматическим выключателем 18.При замкнутой цепи ток может и не протекать через анод и катод. Сопротивление 14 при этом закорачивается автоматическим выключателем 19. Затем анод н катод размыкаются, причем катод перемещается вниз, Ток протекает через два замкитых автоматических выключателя 18 и 19. В этом случае контактная поверхность анода находится ниже плоскости, проходящей через эмитирующее плазму катодное пятно, и большая часть дуги проходит в зоне, в основном свободной от плазмы, причем получается большое падение напряжения на дуге, и значительно снижается сила тока.В выключателе (см. фиг, 3) полная длина дуги разделена на пять участков, образованных двумя 11-образными соединительными элементами 31 и 32, укрепленными на стержне 20, каждый из которых имеет анод 33 и катод 34, и двумя подобными соединительными элементами 35 и 36, укрепленными при помощи изолирующих столбиков 37 - 39 и также имеющими анод 33 и катод 34. Между каждой парой взаимодействующих анодов и катодов размещен экран 40 из изоляционного материала.В начале процесса отключения оперативная тяга 25 перемещается вниз, и луги образуются между анодом 2 и верхним катодом 34, между тремя взаимодсйствуюшцми анодами 33 и составными катодами 34 и между катодом 3 и нижним анодом 33. Когда ц 1 пилька 21 выходит из левой вертикальцой канавки 27 и переходит на наклонный участок 28, стержень 20 начинает поворачиваться до тех пор, пока шпилька не выйдет ца нижнюю точку своего пути. Затем направление движения тяги 25 меняется на обратное, и стержень 20 подается вверх, посредством чего достигается такое положение, при котором аноды располагаются сзади плоскости, ограничивающей зону существования плазмы. Экраны 40 препятствуют тому, чтобы плазма, эмитируемая в этой точке разрыва, достигла электродов в соседней точке разрыва.Стержень 10 с катодом 3 (см. фиг, 4) может быть длинен двумя изолирующими столбиками 41 и двумя сосдицительш,1 ми элементами 42 и 43, каждый из которых имеет анод 44 и катод 45. На стержне 4, поддерживающем анод 2, имеются два соединительных элемента 46 и 47, разделенных цзолирующим элементом 48, Межд стержцех 4 и соединительным элементом 47 также расположен изолирующий элемент 48,В начале процссся отк,лочсцця стержень 10 подастся вниз, то Вызь 1 вяст зажигание д 1 Г ца у 1 ясткях. Зятем стеркец 1 церемецается влево, и стержень 10 подается вверх, Применением магнитного поля можно получить еще большее напряжение зажигания, 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 бКроме основного анода 49 (зажигания) автоматический выключатель (см. фиг. 5) мол(ет иметь несколько вспомогательных анодов 50 - 55, которые укреплены на стенке камеры и изолированы олиц от другого. Лнод зажигания и вспомогательные аноды соединены олин с дрхтцм через активные сопротивления 56 - 61. Вспомогательць 1 е аноды окружены экранами 62 из изоляционного материала (см, фиг. б и 7), которые преггятствуют образованию дуги между ними, так как в процессе отключения они имеют различные потенциалы. В дяццом случае стенка камеры 1 выполнена цилиндрической формы, ц таким образом вспомогательные аноды находятся на одинаковом радиальном расстоянии от оси камеры, вдоль которой персмещасся катод в процессе отключения. Кроме того, вспомогательные аноды могут быть расположены на стенке камеры по спирали.Пропссс отключения начинается с того, что катод 3 опускается и межд анодом зажигания ц катодом образуется дхга, Затем анод зякцгяния перемещается влево, а катод вверх. Когда катод достаточно отойдет вверх тяк, что его верхняя поверхность, на которой находится катодное пятно, будет расположена выше свооодной поверхности анода зажигания, цапряжеццс дашти быстро возрастает, Прц этом вспомогательные аноды находятся в зоне плазмы, и падение напряжения между катодом и какдьм из вспомогательных анодов составляет порядка 20 - 30 в. Как только сопротивление дгги между анодом зажигания и катодом становится почти равным результ:1 рующсму сопротивлению дуги междх катодом и вспомогательным анодом 50 плюс сопротивление 56, ток начинает протекать по этому пути, и ток на первом часткс дуги снова уменьшается. Таким ооразом сопротивление 56 автоматически подключастся в цепь постоянного тока, чем достигается соответству 1 ощее уменьшение постоянного тока. Когда катод минует вспомогательный анод 50, падение напряжения ца дуге повышается, дуга переходит ца вспомогательный анод 51, и сопротивление 57 последовательно соединяется с сопротивлением 56, причем достигается дальнейшее уменьшение тока.Процесс отключения продолжается до тех пор, пока между катодом и вспомогательным анодом 55 не зажигается дуга, и таким образом все шесть сопротивлений оказываются включенными. Количество вспомогательных анодов и величина сопротивлений определяются напряжсцием и током сети, а также параметрами заданного процесса отключения. Сопротивлсния могут быть размещены вне камеры 1 (см. фцг, 6) а вспомогательные яцоль могут быть прцсоелццснц к проводнику 63, спирально расположенному внутри камеры Гсм. фиг. 7). Прп этом перед проводциком необходимо поместить защитный экран 64 для того, чтобы воспрепятствовать осаждению материала анода, испаряющегося из него, что5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 вызывает изменения в величине сопротивлений. В экране имеются отверстия для анодных держателей 65, причем эти отверстия прикрываются дополнительными экранами 66.Частичным назначением сопротивления 14 (см. фиг. 1) является то, что оно препятствует произвольному отключению цепи постоянного тока при возрастании напряжения дуги, когда катодное пятно становится неустойчивым и исчезает. Возможность предотвращения произвольного отключения может быть достигнута также путем установки между анодом 2 и катодом 3 управляющего анода 67 (см. фиг. 8), При этом цепь возбуждения дуги питается от источника тока 68 через регулируемое сопротивление 69. Вспомогательная дуга 70 поддерживает эмитирующее плазму катодное пятно даже в том случае, если падение напряжения в главной дуге возрастает до такого значения, при котором разрывается цепь тока.В автоматическом выключателе могут быть дополнительные устройства для создания магнитного поля, в основном перпендикулярного к дуге или участкам дуги. Так как в приведенных конструкциях выключателя дуги проходят,в горизонтальном направлении, то магнитное поле должно проходить в вертикальном направлении.В процессе испытаний обнаружено, что напряжение Ув дуги зависит от поперечного магнитного поля по формуле Ув=КВ, где К - коэффициент пропорциональности, В - индукция, В выключателе дуга в вакууме вначале зажигается при помощи разведения контактов, а затем происходит увеличение магнитного поля с соответствующей постоянной времени, причем Ув возрастает пропорционально В (направление магнитного поля показано стрелкой В). Другим преимуществом при наличии магнитного поля является увеличение времени существования катодного пятна при небольших токах. При этом возможность преждевременного прерывания тока значительно уменьшается, так как имеется еще одна возможность управления разрядом, и следовательно, временем выключения.Катод 3 может быть изготовлен в виде подвижного поршенька в изоляционном цилиндре (см. фиг, 9), Стержень 10 имеет отжимающую пружину 71, которая прижимает катод к гнезду 72 на верхнем крае изоляционного цилиндра. Катод присоединен к клемме 73 на стенке вакуумированной камеры посредством гибкого проводника 74. Анод 2 изготовлен в форме дуги и укреплен на поворотном валу 75, на котором также находится шестерня 76, входящая в зацепление с зубцами 77, находящимися на оперативной тяге 78. Тяга перемещается в горизонтальном направлении, и таким образом,вал с анодом приобрстает вращательное движение. Спиральная пружина 79 присоединяется к креплению 80 и валу 75, и таким образом пружина натягиваешься, когда тяга движется вправо, а анод перемещает 8ся по направлению к катоду. В замкнутом положении выключателя тяга 78 блокируется посредством блокирующего устройства (на чертеже не показан), которое освобождает тягу при действии выключателя, Таким образом, пружина 79 обусловливает быстрое движение анода от катода в такое положение, при котором анод не подвергается непосредственному действию струи плазмы, эмитируемой катодным пятном. Анод соединен посредством гибкого проводника 81 с клеммой 82, находящейся на вакуум ирова иной камере, Вход тяги 78 в стенку 1 камеры герметизирован посредством сильфона 7. Конструкция выключателя, показанная на фиг. 9, предназначена главным образом для выключения постоянного тока определенной полярности, однако ее действие возможно и при обратном направлении тока.Если неооходимо, чтобы конструкция вы. ключателя действовала совершенно незави. симо от полярности тока, то нужно несколько изменить подвижную часть (см. фиг, 10). В этом случае на валу 75 укреплены два одинаковых анода 2, выполненных в виде рычагов и расположенных диаметрально противоположно, причем каждый из них взаимодействует со своим катодом 3. Дуговые рычаги перемещаются в осевом направлении по валу 75 таким образом, чтобы их движению не препятствовал электрод, находящийся на другом конце оси. Предмет изобретения 1. Автоматический вакуумный выключатель, преимущественно для цепей постоянного тока, содержащий вакуумированную дугогасительную камеру, расположенные в ней защитные конденсационные экраны и электроды - анод и катод разрывного промежутка, укрепленные на стержнях, проходящих через отверстия в стенках камеры, герметизированные при помощи сильфонов, причем один или оба электрода выполнены подвижными и связаны с приводным устройством, например, при помощи оперативной тяги, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и снижения износа контактныхповерхностей электродов при воздействии на них электрической дуги, катод снабжен экраном из электроизоляционного материала, который окружает его неконтактирующую поверхность, и предусмотрено устройство, которое к концу процесса отключения и перемещения электродов обеспечивает расположение экрана из электроизоляционного материала между анодом и катодом.2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в пем предусмотрены дополнительные электроды - катоды и аноды, образуюгцие дополнительные разрывные промежутки, последовательно соединенные с основным про; межутком, 2990793. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что анод состоит из анода зажигания и вспомогательных анодов, которые соединены между собой и с анодом зажигания через резисторы, а катод выполнен так, что он в процессе отключения может передвигаться мимо вспомогательных анодов.4. Выключатель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что в случае выполнения дутогасительной камеры цилиндрической формы вспомогательные аноды расположены по спирали на цилиндрической стенке камеры, а катод перемещается вдоль оси камеры.5. Выключатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что резисторы расположены вне вакуумированной камеры.6, Выключатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что вспомогательные аноды присоединены внутри дугогасительной камеры спирально расположенным проводником, соединяющим резисторы. 107. Выключатель по пп. 4 - б, отличающийсятем, что, с целью предотвращения возникновения дуги между вспомогательными анодами, последние снабжены экранами из изоляционного материала,8. Выключатель по п. 1, отличающийся тем,что катод изготовлен из материала с относительно высоким давлением паров.9, Выключатель по п. 1, отличающийся тем,10 что в нем предусмотрен анод возбуждения,который питается от отдельного источника.10, Выключатель по и. 1, отличающийся тем,что экран представляет содой слой керамического материала, укрепленный на катоде.15 11. Выключатель по п. 1, отличающийся тем,что экран расположен на некотором расстоянии от катода.12. Выключатель по пи, 1 - 11, отличающийся тем, что между анодом и катодом включе 20 ны резисторы, расположенные преимущественно вне вакуумированной камеры.Фиг оФиг.9иг. 1 ОСоставитель Н. Карасеваактор А. Ю, Пейсоченко Техред Л. Л. Евдонов Корректор А. П. Васильев Заказ 852, 14 Изд.351 Тираж 473 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва, Ж, Раушская наб д, 415ипография, пр. Сапунова, 2