RU2299490C2 - Arc-control vacuum chamber - Google Patents

Abstract

FIELD: high-voltage electrovacuum engineering; arc-control vacuum chambers, including direct-current ones, for various switches used in power engineering, industry, and transport.

SUBSTANCE: vacuum current switch incorporating proposed vacuum chamber with magnetic field that serves as OFF-operation factor applied to high-voltage gap formed by axisymmetrical electrodes disposed in insulating shell, at least one of electrodes being made movable due to connection to shell through bellows affording high-voltage circuit closing and opening during its reciprocation, has electrode system built of two basic parts: (a) contact part proper with electrodes held in one of two states (open or closed) and (b) permanently open electrode part (arc-control chamber) separated from contact members and made in the form of two electrodes (such as coaxial ones) installed so that as they move away from part (a), discharge current path increases and currents in adjacent electrodes flow in opposite directions, and direction of magnetic field set up due to them affords arc movement from part (a) to arc-control chamber. Such design of arc-control chamber provides for disconnecting currents ranging between 300 and 10 000 A at voltages up to 10 kV.

EFFECT: facilitated manufacture, reduced size and mass of chamber.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области высоковольтной электровакуумной техники, в частности к вакуумным дугогасительным камерам, в том числе камерам постоянного и переменного тока, применяемым в мощных пускорегулирующих устройствах в различных отраслях промышленности, на транспорте и может быть использовано в производстве этих устройств.The invention relates to the field of high-voltage electric vacuum equipment, in particular to vacuum interrupter chambers, including DC and AC chambers, used in powerful ballasts in various industries, in transport and can be used in the manufacture of these devices.

Известны вакуумные дугогасительные камеры (ВДК), содержащие высоковольтные электроды, по крайней мере, один из которых выполняется подвижным, стеклянную или керамическую оболочку с системой экранов ([1] M.R.Reece, The Vacuum Switch and Its Application to Power Switching, J.IEEE, 1959, p.257; [2] L.T. Falkingham, A Brief History Showing Trends in Vacuum Interrupters Technology. Proc. XVIIIth Intern. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, The Netherlands, 1998, Vol.1, pp.407-414, а также [3] Белкин Г.С., Бочков В.Д., Ротт А.Т., Вакуумная дугогасительная камера. Свидетельство на полезную модель №28283 (Заявка №2002101026), МПК 7 H01J 33/66 от 22.01.2002).Known vacuum interrupter chambers (VDK) containing high-voltage electrodes, at least one of which is movable, glass or ceramic shell with a system of screens ([1] MRReece, The Vacuum Switch and Its Application to Power Switching, J.IEEE, 1959, p.257; [2] LT Falkingham, A Brief History Showing Trends in Vacuum Interrupters Technology. Proc. XVIIIth Intern. Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven, The Netherlands, 1998, Vol.1, pp.407 -414, as well as [3] Belkin G.S., Bochkov V.D., Rott A.T., Vacuum interrupter, Utility Model Certificate No. 28283 (Application No. 2002101026), IPC 7 H01J 33/66 dated 22.01 .2002).

Особенностью известной конструкции является сочетание функции пропускания тока в замкнутом состоянии и гашения дугового разряда при размыкании электродов, выполняемой одним элементом, а именно зазором (с размером от 0 до максимума для данной конструкции) между плоскими контактными поверхностями электродов. Электроды обычно выполняются из композитного материала, содержащего материал препятствующий свариванию контактов, например хром, а также высокопроводящую медь с относительно низкой температурой плавления и испарения. Это позволяет иметь малые потери энергии в месте контакта в замкнутом состоянии, однако приводит к значительной эрозии электродов в дуговом разряде в момент размыкания и затруднению гашения дуги при максимальном разведении контактов. Известная конструкция используется для размыкания цепей переменного тока до 30-40 кА при напряжениях до 30-50 кВ, однако не позволяет размыкать постоянный ток, т.к. непременным условием размыкания является прохождение тока через ноль. Выключить постоянный ток можно в данной конструкции только при небольшом его значении и при значительном увеличении расстояний между электродами в разомкнутом состоянии, что существенно увеличивает габариты прибора, усложняет конструкцию сильфонной системы и механического привода, делает прибор нетехнологичным.A feature of the known design is the combination of the function of passing current in a closed state and extinguishing an arc discharge when the electrodes open, performed by one element, namely, the gap (with a size from 0 to the maximum for this design) between the flat contact surfaces of the electrodes. The electrodes are usually made of a composite material containing a material that prevents the welding of contacts, such as chromium, as well as highly conductive copper with a relatively low melting and evaporation temperature. This makes it possible to have small energy losses at the contact point in the closed state, however, it leads to significant erosion of the electrodes in the arc discharge at the moment of opening and making arc extinction difficult at maximum contact dilution. The known design is used to open AC circuits up to 30-40 kA at voltages up to 30-50 kV, however, it does not allow to open a direct current, because An indispensable condition for opening is the passage of current through zero. You can turn off direct current in this design only with a small value and with a significant increase in the distance between the electrodes in the open state, which significantly increases the dimensions of the device, complicates the design of the bellows system and mechanical drive, making the device non-technological.

Известны вакуумные выключатели ([4] Emtage P.R., Kimblin C.W., Gorman J.G. et al., // IEEE Trans. on Plasma Sci., 1980, vol.8, No.4, p.314-319.), в которых межэлектродный промежуток помещен в магнитное поле, создаваемое либо собственным током выключателя, либо независимой магнитной системой в виде соленоида, расположенного по оси камеры со стороны неподвижного контакта.Vacuum circuit breakers are known ([4] Emtage PR, Kimblin CW, Gorman JG et al., // IEEE Trans. On Plasma Sci., 1980, vol.8, No.4, p.314-319.), In which the interelectrode the gap is placed in a magnetic field created either by its own current switch, or by an independent magnetic system in the form of a solenoid located along the axis of the camera from the stationary contact.

Недостатками этих устройств, т.к. они принципиально мало отличаются от конструкции [1-3] и функции пропускания и гашения дугового разряда выполняются только зазором, являются относительно малые токи отключения при узком диапазоне выключаемых токов.The disadvantages of these devices, because they fundamentally differ little from the design [1-3] and the functions of transmission and suppression of the arc discharge are performed only by the gap, they are relatively small tripping currents with a narrow range of switched off currents.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является техническое решение ([5] Алферов Д.Ф., Гостиев В.Г., Иванов В.П., Ильин В.Н., Симонов А.С., Сидоров В.А., Яшнов Ю.М., Вакуумный выключатель тока, Патент РФ заявка №2000132969/09 (035034) от 28.12.2000.), где для обеспечения выключения постоянного тока разрядный промежуток помещен в поперечно-радиальное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, расположенными снаружи камеры по оси контактов.Closest to the proposed device is a technical solution ([5] Alferov D.F., Gostiev V.G., Ivanov V.P., Ilyin V.N., Simonov A.S., Sidorov V.A., Yashnov Yu .M., Vacuum current switch, RF Patent Application No.2000132969 / 09 (035034) dated 12/28/2000.), Where, in order to turn off the direct current, the discharge gap is placed in a transverse radial magnetic field created by permanent magnets located along the axis along the axis of the camera contacts.

Однако и такая конструкция эффективна (в силу тех же причин, что характерны для [1-4]) только при рабочих токах не выше 80-100 А и не позволяет решить проблему обеспечения выключения больших значений токов при напряжениях свыше 1 кВ.However, such a design is effective (for the same reasons that are characteristic of [1-4]) only at operating currents not higher than 80-100 A and does not solve the problem of ensuring that large currents are turned off at voltages above 1 kV.

Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в обеспечении выключения токов 300÷10000 А при значениях напряжений до 10 кВ, при достаточно низкой трудоемкости изготовления, малых габаритах и весе ВДК.The technical problem to which this invention is directed is to ensure that currents of 300 ÷ 10,000 A are turned off at voltages up to 10 kV, with a fairly low labor intensity of manufacture, small dimensions and weight of the airborne motor.

Физической основой, обеспечивающей возможность данного решения, служит учет взаимодействия магнитных полей в электродной системе с магнитным полем дугового разряда, когда появляющаяся сила Лоренца, воздействует на канал дугового разряда таким образом, что, разрядный канал, возникая в момент размыкания в контактной части электродной системы и ускоряясь, выбрасывается со скоростью до 100 км/с в конец коаксиальной части, где увеличено расстояние между электродами. Все это, а также выполнение концевой части электродной системы из тугоплавких материалов способствует резкому снижению эрозии электродов и быстрому прерыванию тока.The physical basis for the possibility of this solution is to take into account the interaction of magnetic fields in the electrode system with the magnetic field of the arc discharge, when the emerging Lorentz force acts on the channel of the arc discharge in such a way that a discharge channel arising at the moment of opening in the contact part of the electrode system and accelerating, it is thrown at a speed of up to 100 km / s to the end of the coaxial part, where the distance between the electrodes is increased. All this, as well as the implementation of the end part of the electrode system from refractory materials, contributes to a sharp reduction in erosion of the electrodes and rapid interruption of current.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в вакуумном выключателе тока, содержащем дугогасительную камеру, с магнитным полем, являющимся выключающим фактором, прикладываемым к высоковольтному промежутку, образованному аксиально-симметричными электродами, размещенными в диэлектрической оболочке, по крайней мере один из которых выполнен подвижным за счет соединения с оболочкой посредством сильфона, обеспечивая при возвратно-поступательном перемещении возможность замыкания и размыкания высоковольтной цепи, электродная система выполнена из 2-х основных частей:The stated technical problem is solved due to the fact that in a vacuum current switch containing an arcing chamber, with a magnetic field being a switching factor applied to the high-voltage gap formed by axially symmetric electrodes placed in a dielectric sheath, at least one of which is made movable due to the connection with the shell by means of a bellows, providing for the reciprocating movement of the possibility of closing and opening the high-voltage circuit, the electrode Single system is made of two main parts:

А) собственно контактной части - электродов, находящихся в 2-х состояниях - замкнутом или разомкнутом, иA) the actual contact part - the electrodes in 2 states - closed or open, and

Б) удаленной от контактных элементов постоянно разомкнутой электродной части - камере гашения дуги, выполненной в виде 2-х электродов (например, коаксиальных), установленных таким образом, что по мере удаления от контактной части А путь разрядного тока увеличивается, а токи в смежных электродах текут в противоположных направлениях, причем их магнитное поле направлено таким образом, что обеспечивает перемещение дуги из части А в камеру гашения дуги.B) remote from the contact elements of the constantly open electrode part — arc extinction chamber made in the form of 2 electrodes (for example, coaxial) installed in such a way that as the distance from contact part A increases, the discharge current path increases, and the currents in adjacent electrodes flow in opposite directions, and their magnetic field is directed in such a way that ensures the movement of the arc from part A to the arc extinction chamber.

При этом коаксиальные электроды могут быть выполнены в виде чашек, одна из которых входит в другую, причем в конце коаксиальной электродной части Б - камере гашения дуги, удаленной от контактной части А, расстояние между донышками электродов увеличено по сравнению с расстоянием между разомкнутыми контактами части А.In this case, the coaxial electrodes can be made in the form of cups, one of which enters the other, and at the end of the coaxial electrode part B, the arc quenching chamber, remote from the contact part A, the distance between the bottoms of the electrodes is increased compared to the distance between the open contacts of part A .

Другим отличием является то, что в качестве материала коаксиальной части Б электродной системы, по крайней мере, в камере гашения, использован тугоплавкий материал, например вольфрам, карбид вольфрама, карбид кремния или графит, а сама камера гашения, по крайней мере, в момент выключения тока помещена в магнитное поле.Another difference is that as a material of the coaxial part B of the electrode system, at least in the quenching chamber, a refractory material is used, for example, tungsten, tungsten carbide, silicon carbide or graphite, and the quenching chamber itself, at least at the time of shutdown current is placed in a magnetic field.

Камера (см. чертеж) содержит электроды 1 и 5, по крайней мере один из которых выполнен подвижным за счет соединения с керамической оболочкой 14 через сильфон 15, выводы 12 и 16. Подвижный электрод 1 имеет плоскую контактирующую часть 3 и перпендикулярную ей цилиндрическую часть 6. Неподвижный электрод 5 состоит из контактирующей части 4 и чашеобразной части, состоящей из элементов 7, 8, 9, в которую коаксиально входит цилиндрическая часть 6 электрода 1. В первоначальном состоянии электроды 1 и 5 нормально замкнуты (такое положение на чертеже показано пунктиром) и через них протекает рабочий ток I_р. Для отключения нагрузки (при окончании работы, аварии, ремонте и пр.) электрод 1 по команде на привод выключателя перемещается таким образом, что контактные части 3 и 4 расходятся на определенное расстояние. В момент размыкания между контактами возникает дуговой разряд. В зависимости от величины тока может возникнуть одно или множество катодных пятен и соответственно 1 или более каналов разряда, распределенных по поверхности электродов. Ток разряда (путь тока показан пунктиром), проходя через фланец 12, промежуток между контактами 3 и 4, кондуктор 2, вывод 16, образует вблизи этого промежутка петлю с противоположным направлением течения в электродах 1 и 5. Магнитные поля электродов и канала дугового разряда в такой системе взаимодействуют таким образом, что возникающая сила Лоренца выталкивает разряд в направлении меньшей плотности магнитного поля, т.е. в коаксиальную часть электродной системы. Ускоряясь, дуга выбрасывается в камеру гашения 11, содержащую электроды 9 и 13 из тугоплавкого материала. Вблизи осевой линии прибора разряд прекращает горение, размыкая цепь тока. При относительно больших токах, обрыву дуги способствуют неустойчивости плазмы (например, пинчевание).The chamber (see drawing) contains electrodes 1 and 5, at least one of which is made movable by connecting with a ceramic shell 14 through a bellows 15, leads 12 and 16. The movable electrode 1 has a flat contacting part 3 and a cylindrical part 6 perpendicular to it The stationary electrode 5 consists of a contacting part 4 and a bowl-shaped part consisting of elements 7, 8, 9, into which the cylindrical part 6 of the electrode 1 coaxially enters. In the initial state, the electrodes 1 and 5 are normally closed (this position is shown in the drawing Editin) flows through them and the operating current I _p. To disconnect the load (at the end of work, accident, repair, etc.), the electrode 1, on command of the circuit breaker drive, is moved so that the contact parts 3 and 4 diverge at a certain distance. At the moment of opening between the contacts arcing occurs. Depending on the magnitude of the current, one or many cathode spots and, accordingly, 1 or more discharge channels distributed over the surface of the electrodes can occur. The discharge current (the current path is indicated by a dotted line), passing through the flange 12, the gap between contacts 3 and 4, the conductor 2, terminal 16, forms a loop near this gap with the opposite direction of flow in the electrodes 1 and 5. Magnetic fields of the electrodes and the arc discharge channel in such a system is interacted in such a way that the Lorentz force pushes the discharge towards a lower magnetic field density, i.e. into the coaxial part of the electrode system. When accelerating, the arc is thrown into the extinction chamber 11, containing electrodes 9 and 13 of refractory material. Near the center line of the device, the discharge stops burning, breaking the current circuit. At relatively high currents, arc instabilities contribute to plasma instabilities (for example, pinching).

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

В данной конструкции в отличие от известной, функцию обеспечения токопрохождения (мест локализации катодного падения дуги) в различные периоды работы, т.е. в замкнутом состоянии, в момент и после разрыва дугового разряда несут различные элементы электродной системы, что позволяет выбрать оптимальные материалы и вид устройства. Контакты 3 и 4 выполняются из композитного материала (например, медь-хром), содержащего высокопроводящую медь, и обеспечивают малые потери мощности в замкнутом состоянии. Гашение же дуги происходит между электродами 9 и 13, и этот процесс облегчается благодаря 2-м факторам - увеличенному расстоянию между ними и материалу этих электродов, имеющему высокую температуру плавления и испарения. Из подобного материала могут быть выполнены также и цилиндрические части 6, 7, 8 электродной системы Б. Обрыву тока способствует также магнитное поле, в которое помещена камера гашения. Магнитное поле препятствует контрагированию разряда (обеспечивает диффузное распределение разряда в объеме) и может создаваться либо постоянным магнитом 10, расположенным на камере гашения 11, либо за счет рабочего тока I_р, протекающего через соленоид, включенный в цепи ВДК между камерой гашения 11 и неподвижным электродом 5.In this design, unlike the known one, the function of ensuring current passage (places of localization of the cathodic arc drop) at different periods of operation, i.e. in the closed state, at the time and after the rupture of the arc discharge, various elements of the electrode system are carried, which allows you to choose the optimal materials and type of device. Contacts 3 and 4 are made of a composite material (for example, copper-chromium) containing highly conductive copper and provide low power losses in the closed state. The quenching of the arc occurs between the electrodes 9 and 13, and this process is facilitated by 2 factors - the increased distance between them and the material of these electrodes, which has a high melting and evaporation temperature. Cylindrical parts 6, 7, 8 of the electrode system B can also be made of similar material. The magnetic field in which the quenching chamber is also placed contributes to the current break. The magnetic field prevents discharge contraction (provides a diffuse distribution of the discharge in the volume) and can be generated either by a permanent magnet 10 located on the quenching chamber 11, or due to the working current I _p flowing through the solenoid connected in the VDK circuit between the quenching chamber 11 and the stationary electrode 5.

Применение такой конструкции дает возможность создания ВДК, обеспечивающей выключение постоянных токов до 10 кА и более, с относительно малыми габаритами и весом.The use of this design makes it possible to create a VDK that provides the shutdown of direct currents of up to 10 kA or more, with relatively small dimensions and weight.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для решения практических задач, касающихся управления (включения и отключения) цепей постоянного тока, в т.ч. электродвигателей постоянного тока железнодорожных локомотивов, троллейбусов и т.д.The proposed technical solution can be used to solve practical problems related to the control (on and off) of DC circuits, including DC motors of railway locomotives, trolleybuses, etc.

Claims (3)

1. Вакуумный выключатель тока, содержащий дугогасительную камеру с магнитным полем, являющимся выключающим фактором, прикладываемым к высоковольтному промежутку, образованному аксиально-симметричными электродами, размещенными в диэлектрической оболочке, по крайней мере, один из которых выполнен подвижным за счет соединения с оболочкой посредством сильфона, обеспечивая при возвратно-поступательном перемещении возможность замыкания и размыкания высоковольтной цепи, отличающийся тем, что электродная система выполнена из 2-х основных частей:1. A vacuum current switch containing an arcing chamber with a magnetic field, which is the switching factor applied to the high-voltage gap formed by axially symmetric electrodes placed in a dielectric sheath, at least one of which is made movable by connecting to the sheath by means of a bellows, providing during reciprocating movement the ability to close and open the high-voltage circuit, characterized in that the electrode system is made of 2 main hours astey: А) собственно контактной части - электродов, находящихся в 2-х состояниях - замкнутом или разомкнутом, иA) the actual contact part - the electrodes in 2 states - closed or open, and Б) удаленной от контактных элементов постоянно разомкнутой электродной части - камере гашения дуги, выполненной в виде 2-х электродов (например, коаксиальных), установленных таким образом, что по мере удаления от контактной части А путь разрядного тока увеличивается, а токи в смежных электродах текут в противоположных направлениях, причем их магнитное поле направлено таким образом, что обеспечивает перемещение дуги из части А в камеру гашения дуги.B) remote from the contact elements of the constantly open electrode part — arc extinction chamber made in the form of 2 electrodes (for example, coaxial) installed in such a way that as the distance from contact part A increases, the discharge current path increases, and the currents in adjacent electrodes flow in opposite directions, and their magnetic field is directed in such a way that ensures the movement of the arc from part A to the arc extinction chamber. 2. Вакуумный выключатель тока по п.1, отличающийся тем, что коаксиальные электроды выполнены в виде чашек, одна из которых входит в другую, причем в конце коаксиальной электродной части Б - камере гашения дуги, удаленной от контактной части А, расстояние между донышками электродов увеличено по сравнению с расстоянием между разомкнутыми контактами части А.2. The vacuum current switch according to claim 1, characterized in that the coaxial electrodes are made in the form of cups, one of which enters the other, and at the end of the coaxial electrode part B, the arc extinction chamber, remote from the contact part A, the distance between the bottoms of the electrodes increased compared to the distance between the open contacts of part A. 3. Вакуумный выключатель тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала коаксиальной части Б электродной системы, по крайней мере, в камере гашения, использован тугоплавкий материал, например, вольфрам, карбид вольфрама, карбид кремния или графит, а сама камера гашения, по крайней мере, в момент выключения тока помещена в магнитное поле.3. The vacuum current switch according to claim 1 or 2, characterized in that the material of the coaxial part B of the electrode system, at least in the quenching chamber, is a refractory material, for example, tungsten, tungsten carbide, silicon carbide or graphite, and the quenching chamber itself, at least at the moment the current is turned off, is placed in a magnetic field.