RU2249273C2

RU2249273C2 - High- and medium-voltage switch of high dielectric strength incorporating arc-control chamber

Info

Publication number: RU2249273C2
Application number: RU99102972/09A
Authority: RU
Inventors: Жан МЭНЕ (FR); Жан МЭНЕ; Раймон ПЛЮВО (FR); Раймон ПЛЮВО
Original assignee: АЛЬСТОМ Т э Д СА
Priority date: 1998-02-11
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2005-03-27
Also published as: CA2260327A1; ID22191A; FR2774805A1; BR9900568A; FR2774805B1; EP0936646A1

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed switch has movable contact, fixed contact, and arc-control chamber with external electrode and central electrode. External electrode is electrically connected to fixed contact. Chamber accommodates coil connected in series with external electrode and supplied with electric-arc discharge current to build up magnetic field and to move electric-arc discharge relative to motionless insulating gas. Central electrode is electrically connected to movable contact and passes through external electrode for shifting electric-arc discharge set up between these two electrodes. Electric field built up between these two electrodes is homogeneous to a great extent.

EFFECT: enhanced dielectric strength of switch; reduced probability of repeated initiation of electric-arc discharge.

7 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к высоковольтному выключателю или выключателю для средних напряжений, в которых электрический дуговой разряд, возникающий при разрыве контактов выключателя, смещается под действием магнитного поля внутри гасительной камеры, заполненной газом-диэлектриком, и который содержит внешний цилиндрический электрод и центральный электрод, большая часть которого расположена вдоль оси внешнего электрода.The present invention relates to a medium voltage circuit breaker or circuit breaker in which an electric arc discharge arising from a break of a circuit breaker contacts is displaced by a magnetic field inside a quenching chamber filled with dielectric gas, and which comprises an external cylindrical electrode and a central electrode, most which is located along the axis of the outer electrode.

Подобная конструкция выключателя известна и описана в европейском патенте ЕР 0058007, опубликованном 4 июня 1986. В этом документе указано, что подвижной контакт одновременно играет роль электрического контакта и центрального электрода. При размыкании контактов выключателя электрический дуговой разряд, первоначально формирующийся между подвижным электродом и фиксированным электродом, быстро устанавливается между подвижным контактом и крайним электродом и, таким образом, создается ток питания катушки, которая подключена последовательно с внешним электродом. Созданное этой катушкой магнитное поле воздействует на электрическую дугу, заставляя ее за счет действия электромагнитных сил перемещаться в неподвижном газе, причем эти силы действуют на молекулы газа-диэлектрика, которые под действием дуги оказываются ионизированными.A similar design of the circuit breaker is known and described in European patent EP 0058007, published June 4, 1986. This document indicates that the movable contact simultaneously plays the role of an electrical contact and a central electrode. When the contacts of the switch are opened, an electric arc discharge, initially formed between the movable electrode and the fixed electrode, is quickly installed between the movable contact and the end electrode and, thus, a supply current to the coil is created, which is connected in series with the external electrode. The magnetic field created by this coil acts on the electric arc, causing it to move in a stationary gas due to the action of electromagnetic forces, and these forces act on dielectric gas molecules, which become ionized under the action of the arc.

В конце цикла разрыва контактов подвижной контакт располагается приблизительно вдоль по оси первого электрода, причем его свободный конец размещен перед одной из поверхностей первого электрода.At the end of the contact rupture cycle, the movable contact is located approximately along the axis of the first electrode, with its free end placed in front of one of the surfaces of the first electrode.

Такое расположение подвижного контакта в конце цикла разрыва представляется неудовлетворительным с той точки зрения, что его свободный конец создает довольно значительный местный градиент электрического поля.This arrangement of the movable contact at the end of the rupture cycle seems unsatisfactory from the point of view that its free end creates a rather significant local gradient of the electric field.

Этот местный градиент может способствовать поддержанию дугового электрического разряда после того, как достигнуто нулевое значение электрического тока, который требовалось прервать. Это связано с тем, что снижается скорость деионизации газа-диэлектрика по сравнению со скоростью нарастания электрического напряжения в сети, к которой подключен выключатель. Кроме того, градиент может способствовать восстановлению дугового разряда уже по прошествии определенного времени после разрыва в сети.This local gradient can help maintain an electric arc discharge after reaching the zero current value that was required to be interrupted. This is due to the fact that the rate of deionization of the dielectric gas is reduced in comparison with the rate of increase of electric voltage in the network to which the switch is connected. In addition, the gradient can contribute to the restoration of the arc discharge after a certain time after a break in the network.

В определенных условиях диэлектрическая прочность среды между подвижным контактом и внешним электродом может быть обеспечена только за счет повышения давления газа-диэлектрика, заполняющего гасительную камеру в процессе цикла отключения и в течение всего времени, пока электрическая цепь разорвана.Under certain conditions, the dielectric strength of the medium between the movable contact and the external electrode can be ensured only by increasing the pressure of the dielectric gas filling the quenching chamber during the shutdown cycle and for as long as the electric circuit is broken.

В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения диэлектрической прочности промежутка между электродами в гасительной камере выключателя.The basis of the present invention is the task of increasing the dielectric strength of the gap between the electrodes in the quenching chamber of the switch.

В основе изобретения лежит идея заставить подвижной контакт выполнять роль электрического контакта, а центральному электроду, конструктивно отличному от этого контакта, предназначена роль электрода отключения.The basis of the invention is the idea of making the movable contact act as an electrical contact, and the central electrode, which is structurally different from this contact, has the role of a trip electrode.

Высоковольтный выключатель или выключатель для средних напряжений, где электрический дуговой разряд, возникающий при срабатывании выключателя, смещается за счет действия магнитного поля, наводимого в гасительной камере, содержащей газ-диэлектрик, причем выключатель содержит внешний цилиндрический электрод и центральный электрод, расположенный соосно с внешним электродом, согласно изобретению, центральный электрод проходит через внешний электрод.A high voltage switch or switch for medium voltage, where the electric arc discharge that occurs when the switch trips is displaced due to the action of a magnetic field induced in the quenching chamber containing the dielectric gas, the switch containing an external cylindrical electrode and a central electrode located coaxially with the external electrode According to the invention, the central electrode passes through an external electrode.

Центральный электрод проходит через внешний электрод, чтобы создать между электродами однородное электрическое поле. Когда величина выключаемого тока достигает нуля, вероятность повторного возникновения дугового электрического разряда минимальна, что означает повышение диэлектрической прочности гасительной камеры выключателя.The central electrode passes through the external electrode to create a uniform electric field between the electrodes. When the value of the switched-off current reaches zero, the likelihood of a re-occurrence of an electric arc discharge is minimal, which means an increase in the dielectric strength of the circuit breaker.

Другие преимущества и характеристики изобретения поясняются описанием предпочтительных вариантов реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:Other advantages and characteristics of the invention are illustrated by the description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг.1 изображает выключатель, включающий гасительную камеру, где центральный электрод проходит через внешний электрод и остается фиксированным на соединительном устройстве за счет проводника, согласно изобретению;figure 1 depicts a switch comprising a quenching chamber, where the Central electrode passes through the external electrode and remains fixed on the connecting device due to the conductor, according to the invention;

фиг.2 - центральный электрод, изображенный на фиг.1 (частично покрыт изоляцией), согласно изобретению;figure 2 - the Central electrode depicted in figure 1 (partially coated with insulation), according to the invention;

фиг.3 - выключатель, включающий гасительную камеру, где центральный электрод проходит через внешний электрод и остается зафиксированным на соединительном устройстве за счет изогнутого проводника, согласно изобретению.figure 3 - switch, including a quenching chamber, where the central electrode passes through the external electrode and remains fixed on the connecting device due to the curved conductor, according to the invention.

На фиг.1 изображена гасительная камера выключателя, рассчитанного на высокое и среднее напряжение. В гасительной камере под давлением в несколько десятых-долей МПа содержится газ, обладающий повышенными диэлектрическими и термическими свойствами, например, гексафторид серы SF6.Figure 1 shows the damping chamber of the switch, designed for high and medium voltage. In a quenching chamber under a pressure of several tenths of a MPa, a gas is present that has enhanced dielectric and thermal properties, for example, sulfur hexafluoride SF6.

Электрический контактор 1 соединен с первым электровводом с помощью элементов 1А или 1В. Подвижной контакт 2 способен вращаться вокруг оси А по отношению к контактору 1. Этот подвижной контакт 2 может представлять собой пластину или несколько пластин, расположенных параллельно и совместно вращающихся вокруг той же оси А, причем число пластин выбирается в зависимости от интенсивности отключаемого тока.The electrical contactor 1 is connected to the first electric input using elements 1A or 1B. The movable contact 2 is able to rotate around axis A with respect to the contactor 1. This movable contact 2 can be a plate or several plates arranged in parallel and jointly rotating around the same axis A, the number of plates being selected depending on the intensity of the current being switched off.

Неподвижный контакт 3 электрически соединен со вторым электрическим вводом с помощью элемента 3А. Когда выключатель замкнут, подвижной контакт 2 с силой воздействует на неподвижный контакт 3. Для срабатывания выключателя механический привод (не показан) через изолирующую штангу 5, связанную с держателем контакта 15, заставляет вращаться подвижный контакт 2.The fixed contact 3 is electrically connected to the second electrical input via element 3A. When the switch is closed, the movable contact 2 forces the stationary contact 3. For the circuit breaker to operate, a mechanical drive (not shown) through an insulating rod 5 connected to the contact holder 15 makes the movable contact 2 rotate.

В процессе размыкания поворотом подвижного контакта 2 по отношению к контакту 3 осуществляют зажигание дугового электрического разряда, который быстро устанавливается между подвижным электродом 2 и внешним цилиндрическим электродом 6, находящимся в гасительной камере. Внешний электрод 6 электрически соединен с неподвижным контактом 3 через катушку 1, включенную последовательно с этим электродом. В описываемом примере внешний электрод 6 имеет трубчатую форму, где внешняя боковая стенка используется в качестве каркаса для ленточного проводника, образующего катушку 7.In the process of opening by turning the movable contact 2 with respect to contact 3, an arc electric discharge is ignited, which is quickly installed between the movable electrode 2 and the outer cylindrical electrode 6 located in the quenching chamber. The external electrode 6 is electrically connected to the fixed contact 3 through a coil 1 connected in series with this electrode. In the described example, the outer electrode 6 has a tubular shape, where the outer side wall is used as the frame for the tape conductor forming the coil 7.

Электрический дуговой разряд, образующийся между подвижным контактом 2 и внешним электродом 6, запитывает катушку 7, и таким образом формируется магнитное поле. Следует отметить, что ток, текущий через катушку 7, определяется переходным током, источником которого является электрический дуговой разряд, образующийся между внешним электродом 6 и электродом поджига 3В, связанным с неподвижным контактом 3. Электрод поджига 3В изготавливается из тугоплавкого материала, например из сплава вольфрама. Заостренная форма, направленная к внешнему электроду 6, способствует быстрому формированию электрического дугового разряда между подвижным контактом 2 и внешним электродом 6. Изолирующая пластина 14 толщиной в несколько миллиметров разделяет поджигающий электрод 3В и внешний электрод 6. Эта пластина 14 изготавливается из изолирующего термостойкого материала, такого, как огнеупорная керамика или фторированная пластмасса типа политетрафторэтилена.An electric arc discharge formed between the movable contact 2 and the external electrode 6 energizes the coil 7, and thus a magnetic field is formed. It should be noted that the current flowing through the coil 7 is determined by the transient current, the source of which is an electric arc discharge generated between the external electrode 6 and the ignition electrode 3B connected to the fixed contact 3. The ignition electrode 3B is made of refractory material, for example, tungsten alloy . The pointed shape directed towards the outer electrode 6 facilitates the rapid formation of an electric arc discharge between the movable contact 2 and the outer electrode 6. An insulating plate 14 several millimeters thick separates the ignition electrode 3B and the outer electrode 6. This plate 14 is made of an insulating heat-resistant material, such like refractory ceramics or fluorinated plastic such as polytetrafluoroethylene.

Созданное с помощью катушки 7 магнитное поле приводит электрический дуговой разряд в движение по отношению к неподвижному газу-диэлектрику, заполняющему гасительную камеру.The magnetic field created by the coil 7 drives the electric arc discharge with respect to the stationary dielectric gas filling the quenching chamber.

Гасительная камера содержит центральный электрод 9, расположенный вдоль оси L внешнего электрода 6.The quenching chamber contains a central electrode 9 located along the axis L of the outer electrode 6.

Согласно изобретению, центральный электрод 9 проходит через внешний электрод 6 с тем, чтобы между ними создавалось однородное электрическое поле. Когда величина отключаемого тока достигает нулевого значения, как это уже было показано, вероятность возникновения электрического дугового разряда становится минимальной, и отсюда следует эффект повышения диэлектрической прочности гасительной камеры выключателя.According to the invention, the central electrode 9 passes through the external electrode 6 so that a uniform electric field is created between them. When the value of the disconnected current reaches zero, as has already been shown, the likelihood of an electric arc discharge becomes minimal, and the effect of increasing the dielectric strength of the circuit breaker chamber follows.

В примере, изображенном на фиг.1, два электрода 6 и 9 в выключателе укреплены на держателе из изолирующего материала 10, и такая конструкция обеспечивает точную регулировку их относительного положения, что гарантирует механическую и диэлектрическую прочность гасительной камеры. Проводник 8 удерживает центральный электрод 9 и за счет электрического соединения 1 обеспечивает электрический контакт между этим центральным электродом и подвижным контактом 2. Центральный электрод 9 имеет цилиндрическую форму, а его концы 9А и 9В заметно выступают за пределы поверхностей внешнего электрода 6.In the example shown in figure 1, two electrodes 6 and 9 in the switch are mounted on a holder of insulating material 10, and this design provides precise adjustment of their relative position, which guarantees mechanical and dielectric strength of the quenching chamber. The conductor 8 holds the central electrode 9 and, due to the electrical connection 1, provides electrical contact between this central electrode and the movable contact 2. The central electrode 9 has a cylindrical shape, and its ends 9A and 9B significantly extend beyond the surfaces of the outer electrode 6.

Согласно преимущественному варианту реализации изобретения два выступающих края 9А и 9В центрального электрода 9 имеют закругленную форму в виде полусфер или, что еще лучше, в виде полуэллипсоидов, что снижает величину локальных градиентов электрического поля и увеличивает диэлектрическую прочность гасительной камеры выключателя.According to an advantageous embodiment of the invention, the two protruding edges 9A and 9B of the central electrode 9 have a rounded shape in the form of hemispheres or, even better, in the form of semi-ellipsoids, which reduces the magnitude of the local electric field gradients and increases the dielectric strength of the circuit breaker.

На фиг.2 показан выключатель той же конструкции, что и на фиг.1, но в нем край 9А центрального электрода 9, расположенный с другой стороны по отношению к проводнику 8, покрыт слоем изоляционного материала 11, чтобы локализовать электрический дуговой разряд между электродами 6 и 9 и препятствовать значительному смещению разряда под действием электромагнитных сил.Fig. 2 shows a circuit breaker of the same construction as in Fig. 1, but in it the edge 9A of the central electrode 9, located on the other hand with respect to the conductor 8, is covered with a layer of insulating material 11 in order to localize the electric arc discharge between the electrodes 6 and 9 and prevent a significant displacement of the discharge under the influence of electromagnetic forces.

Кроме того, в конструкции предусмотрено частичное покрытие внешнего электрода 6 слоем изолирующего материала 12, расположенного напротив слоя покрытия 11 центрального электрода 9, что усиливает локализацию электрического дугового разряда между электродами 6 и 9.In addition, the design provides for a partial coating of the outer electrode 6 with a layer of insulating material 12 located opposite the coating layer 11 of the central electrode 9, which enhances the localization of the electric arc discharge between the electrodes 6 and 9.

Как правило, изолирующее покрытие 11 и 12 изготавливается путем напыления огнеупорной керамики, или используется колпачок из фторированной пластмассы типа политетрафторэтилена.Typically, the insulating coating 11 and 12 is made by spraying refractory ceramics, or a cap of fluorinated plastic such as polytetrafluoroethylene is used.

На фиг.3 показан еще один вариант реализации настоящего изобретения. Изогнутый по отношению к оси L проводник 8’ удерживает центральный электрод 9, что позволяет подвижному контакту 2 смещаться по углу вокруг оси вращения А, начиная от первой позиции, когда имеется электрическое соединение с неподвижным контактом 3, ко второй позиции контакта с этим изогнутым проводником 8’ и, затем, до третьей позиции контакта с зажимом заземления 13. Три положения подвижного контакта 2, т.е. замыкания, размыкания и заземления, дают возможность использовать выключатель такой конструкции на понижающих электроподстанциях.Figure 3 shows another embodiment of the present invention. A conductor 8 ', bent with respect to the axis L, holds the central electrode 9, which allows the movable contact 2 to move in an angle around the axis of rotation A, starting from the first position, when there is an electrical connection with the fixed contact 3, to the second contact position with this curved conductor 8 'and then to the third position of the contact with the ground terminal 13. Three positions of the movable contact 2, i.e. shorting, opening and grounding, make it possible to use a circuit breaker of this design in step-down electrical substations.

Изолирующий держатель 10 служит для закрепления двух электродов выключателя и обеспечивает точную регулировку их относительного расположения. Проводник изогнутой формы 8’ связан с изолирующим держателем 10, и он расположен в плоскости, перпендикулярной оси вращения А, чтобы избежать подвижного контакта 2 при перемещении последнего. Свободный конец 2А подвижного контакта 2 имеет ширину D, превышающую расстояние между поджигающим электродом 3 и изогнутым проводником 8’, и это позволяет при перемещении подвижного контакта 2 центральному электроду 9 оставаться электрически замкнутым на этот подвижный контакт 2 все то время, пока этот электрод не окажется отключенным от неподвижного контакта 3.The insulating holder 10 serves to secure the two electrodes of the switch and provides precise adjustment of their relative location. A curved conductor 8 ’is connected to an insulating holder 10, and it is located in a plane perpendicular to the axis of rotation A to avoid movable contact 2 when moving the latter. The free end 2A of the movable contact 2 has a width D greater than the distance between the ignition electrode 3 and the curved conductor 8 ', and this allows the movable contact 2 of the central electrode 9 to remain electrically closed to this movable contact 2 all the time until this electrode is disconnected from the fixed contact 3.

В конструкции предусмотрена возможность выбора расстояния между изогнутым проводником 8’ и зажимом заземления 13, чтобы подвижной контакт 2 одновременно был бы электрически связанным и с заземлением, и с изогнутым проводником 8’, обеспечивая разряд центрального электрода 9.The design provides the possibility of choosing the distance between the curved conductor 8 ’and the ground terminal 13, so that the movable contact 2 would be electrically connected both to the ground and the curved conductor 8’, providing a discharge of the central electrode 9.

В приведенных двух вариантах реализации изобретения установление электрического дугового разряда между подвижным контактом 2 и центральным электродом 9 происходит очень быстро, что также позволяет уменьшить время горения электрической дуги и уменьшить износ электродов.In the above two embodiments of the invention, the establishment of an electric arc discharge between the movable contact 2 and the central electrode 9 is very fast, which also allows to reduce the burning time of the electric arc and to reduce electrode wear.

Claims

1. A high and medium voltage switch containing movable (2) and fixed (3) contacts and a quenching chamber filled with gas dielectric with an external cylindrical electrode (6) and a central electrode (9) located along the axis (L) of the external electrode (6 ), in the specified switch, the electric arc discharge that occurs when turned on is displaced in the quenching chamber under the action of a magnetic field generated by the coil (7) located on the external electrode of the quenching chamber, which is electrically connected through the coil (7) to the stationary contact (3), characterized in that the central electrode (9) of the quenching chamber is electrically connected to the movable contact (2) and passes through the outer electrode of the quenching chamber, and the ends of the central electrode of the quenching chamber protruding beyond its outer electrode have a rounded shape .

2. The switch according to claim 1, characterized in that the ends (9A, 9B) of the central electrode (9) of the quenching chamber are in the form of hemispheres.

3. The switch according to claim 1, characterized in that the rounded surfaces of the ends of the central electrode (9) of the quenching chamber are half an ellipsoid.

4. A switch according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the two electrodes (6, 9) of the quenching chamber are mounted using an insulating part (10).

5. A switch according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the external or central electrode or both electrodes of the quenching chamber are coated with insulation (11, 12) made of plastic or of refractory ceramic to prevent the movement of the electric arc discharge beyond the limits of the quenching chamber.

6. A switch according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the central electrode (9) of the quenching chamber is mounted on a curved conductor (8 ’) to move along the corner of the movable contact (2) to the ground terminal (13).

7. The switch according to claim 6, characterized in that the central electrode (9) of the quenching chamber is connected to the ground terminal (13) through a movable contact (2).