PL226463B1

PL226463B1 - Vacuum chamber for the high voltage circuit-breaker

Info

Publication number: PL226463B1
Application number: PL412540A
Authority: PL
Inventors: Henryk Sibilski; Andrzej Dzierżyński; Sławomir Kozak; Krzysztof Krasuski; Przemysław Berowski; Artur Hejduk; Marek Augustyniak
Original assignee: Inst Elektrotechniki
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-07-31
Also published as: PL412540A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest komora próżniowa do wyłącznika wysokiego napięcia, przeznaczona do wyłączania prądu roboczego i zwarciowego.The subject of the invention is a vacuum chamber for a high-voltage circuit breaker, intended for breaking the operating and short-circuit current.

Znane komory próżniowe do wyłączników wysokiego napięcia posiadają zestyk, w skład którego wchodzi styk ruchomy i nieruchomy oraz osłona izolacyjna z pokrywami, połączonymi szczelnie z osłoną i stykami. Na szczelne połączenie styku ruchomego z pokrywą komory składa się także mieszek dylatacyjny, zapewniający swobodę ruchu styku ruchomego względem styku nieruchomego, przy zachowaniu szczelności komory próżniowej. Pomiędzy osłoną izolacyjną, a stykami znajduje się metalowy ekran zabezpieczający osłonę izolacyjną przed osadzaniem par metali powstających podczas wyłączania prądu. Pokrywy są szczelnie zamocowane do osłony izolacyjnej komory i do odprowadzeń styku ruchomego i nieruchomego.Known vacuum chambers for high-voltage circuit breakers have a contact, which includes a movable and stationary contact and an insulating casing with covers, tightly connected to the casing and contacts. The tight connection of the movable contact with the cover of the chamber also consists of an expansion bellows, which ensures the freedom of movement of the movable contact in relation to the fixed contact, while maintaining the tightness of the vacuum chamber. Between the insulating sheath and the contacts there is a metal screen that protects the insulating sheath against deposition of metal vapors generated during the switching off of the current. The covers are tightly attached to the insulating cover of the chamber and to the outlets of the moving and fixed contact.

W znanych komorach próżniowych styk nieruchomy mocowany jest w zasadzie sztywno do osłony izolacyjnej i do konstrukcji wyłącznika. Podczas wyłączania prądu, styk ruchomy odsuwa się od styku nieruchomego co powoduje najpierw powstanie łuku elektrycznego, wyłączenie prądu. Zamykanie jak i otwieranie styków, odbywa się ze znaczną prędkością często przekraczającą 1 m/s. Uderzenia towarzyszące zamykaniu styków powodują naprężenia mechaniczne przenoszące się na osłonę izolacyjną komory. Naprężenia te mogą doprowadzić do rozszczelnienia komory, a w konsekwencji do utraty własności wyłączania prądu.In known vacuum chambers, the stationary contact is substantially rigidly attached to the insulating shell and to the circuit breaker structure. When switching off the current, the movable contact moves away from the fixed contact, which first causes an electric arc, switching off the current. Closing and opening of the contacts takes place at high speeds, often exceeding 1 m / s. Shocks accompanying the closing of the contacts cause mechanical stresses transferred to the insulating cover of the chamber. These stresses can lead to leakage of the chamber and, consequently, loss of the switching-off properties.

Inną trudnością jest konieczność zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości izolacji komory w stanie otwartym wyłącznika. Dotyczy to, zwłaszcza komór próżniowych na wysokie napięcia znamionowe.Another difficulty is the necessity to ensure adequate strength of the chamber insulation in the open state of the circuit breaker. This applies, in particular, to vacuum chambers for high rated voltages.

W znanych komorach próżniowych, połączenia pomiędzy osłoną izolacyjną i pokrywami mają postać połączeń lutowanych z elementami metalizacji pokrywającej powierzchnie czołowe osłony izolacyjnej. Taka forma połączeń powoduje występowanie znacznych naprężeń elektrycznych w pobliżu ostrych krawędzi elementów przewodzących lutowia, co skutkuje zmniejszeniem wytrzymałości elektrycznej izolacji komory.In known vacuum chambers, the joints between the insulating shell and the covers are soldered joints with the metallization elements covering the faces of the insulating shell. This form of connections causes the occurrence of significant electrical stresses near the sharp edges of the solder conducting elements, which reduces the electrical strength of the chamber insulation.

Celem rozwiązania, według wynalazku jest wyeliminowanie wymienionych powyżej niedogodności. W realizacji wynalazku chodzi o opracowanie konstrukcji komory próżniowej aby zapewnić jej odporność na powtarzające się uderzenia towarzyszące zamykaniu styków. Ponadto chodzi o zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości elektrycznej izolacji komory w stanie otwartym wyłącznika.The object of the solution according to the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages. In the implementation of the invention, it is about developing a vacuum chamber structure to ensure its resistance to repeated shocks accompanying the closing of the contacts. In addition, it is about ensuring the appropriate electrical strength of the chamber insulation in the open state of the circuit breaker.

Istotę wynalazku stanowi konstrukcja komory próżniowej do wyłącznika wysokiego napięcia. Komora ta jest zbudowana ze styku nieruchomego i ruchomego z mieszkiem, osłony izolacyjnej, ekranu do zabezpieczania osłony izolacyjnej przed parami metali wydzielanymi podczas procesów łączeniowych. Posiada ponadto metalowe pokrywy zamykające ją od strony styku ruchomego i od strony styku nieruchomego, połączone szczelnie z osłoną izolacyjną. Każda z zamykających pokryw ma część falistą oraz walcowy pierścień do sterowania pola elektrycznego. Pierścień ten przylega do osłony izolacyjnej od strony wewnętrznej, lub jest od niej odsunięty nie więcej niż o 5 mm. Wysokość walcowego pierścienia nie przekracza 1,5 wysokości części falistej pokrywy. Pokrywy są połączone próżnioszczelnie, jedna ze stykiem ruchomym, a druga ze stykiem nieruchomym. Połączenie styku ruchomego z pokrywą jest wykonane za pośrednictwem mieszka dylatacyjnego.The essence of the invention is the construction of a vacuum chamber for a high voltage circuit breaker. This chamber consists of a fixed and movable contact with the bellows, an insulating cover, a screen to protect the insulating cover against metal vapors emitted during the joining processes. It also has metal covers closing it from the side of the movable contact and from the side of the fixed contact, tightly connected with the insulating cover. Each of the closing covers has a corrugated portion and a cylindrical ring for controlling the electric field. This ring is adjacent to the insulating cover from the inside, or is spaced from it by no more than 5 mm. The height of the cylindrical ring does not exceed 1.5 times the height of the corrugated part of the cover. The covers are vacuum-tightly connected, one to the moving contact and the other to the fixed contact. The connection of the movable contact with the cover is made via an expansion bellow.

Falista część obu pokryw tworzy dodatkowy ekran do sterowania rozkładu pola elektrycznego w przestrzeni wewnątrz komory. Podobną rolę spełnia walcowy pierścień do sterowania pola elektrycznego, przylegający do wewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej, lub nieco od niej odsunięty.The corrugated portion of both covers forms an additional screen for controlling the distribution of the electric field in the space inside the chamber. A similar role is played by a cylindrical ring for controlling the electric field, adjacent to the inner surface of the insulating sheath or slightly offset from it.

Dzięki takiemu rozwiązaniu duże natężenia pola elektrycznego w sąsiedztwie ostrych krawędzi pokrywy i metalizacji osłony izolacyjnej są znacznie mniejsze na zewnątrz osłony izolacyjnej. Natomiast są większe na krawędziach walcowych pierścieni do sterowania pola elektrycznego, znajdujących się wewnątrz komory, w środowisku próżni. W związku z tym, że jednak wytrzymałość elektryczna próżni jest wielokrotnie wyższa niż wytrzymałość elektryczna powietrza otaczającego komorę, to nie ma to znaczenia dla elektrycznej wytrzymałości izolacji całej komory.Thanks to this solution, high electric field strengths in the vicinity of the sharp edges of the cover and the metallization of the insulating sheath are much smaller outside the insulating sheath. In contrast, they are larger at the edges of the cylindrical electric field control rings inside the chamber in a vacuum environment. However, since the electric strength of the vacuum is many times higher than the electric strength of the air surrounding the chamber, it has no significance for the electric strength of the insulation of the entire chamber.

W innym przykładzie rozwiązania według wynalazku, również styk nieruchomy jest połączony z pokrywą za pośrednictwem mieszka dylatacyjnego. Zastosowanie mieszka do połączenia próżnioszczelnego pomiędzy stykiem nieruchomym, za pokrywą sprawia, że styk nieruchomy nie jest sztywno połączony z osłoną izolacyjną komory poprzez pokrywę. Dzięki takiemu rozwiązaniu drgania mechaniczne związane z uderzeniami styku ruchomego w styk nieruchomy podczas zamykania wyłącznikaIn another example of the solution according to the invention, also the fixed contact is connected to the cover via the expansion joint. The use of a bellows for a vacuum-tight connection between a fixed contact, behind the cover, means that the fixed contact is not rigidly connected with the chamber's insulating cover through the cover. Thanks to this solution, the mechanical vibrations related to the impact of the movable contact on the stationary contact during the closing of the circuit-breaker

PL 226 463 B1 przenoszą się bezpośrednio na osłonę izolacyjną, która jest połączona ze stykiem nieruchomym poprzez mieszek.These are transferred directly to the insulating jacket, which is connected to the fixed contact via a bellows.

Takie rozwiązanie zmniejsza narażanie mechaniczne połączeń elementów komory i powiększa wytrzymałość mechaniczną komory.This solution reduces the mechanical exposure of the connections of the chamber elements and increases the mechanical strength of the chamber.

Realizacja wynalazku przewiduje, że izolacyjna osłona może być jednoczęściowa lub wieloczęściowa, korzystnie trzyczęściowa, przy czym trzyczęściowa izolacyjna osłona składa się z trzech koncentrycznych części. Jest to część wewnętrzna, część środkowa, otaczająca część wewnętrzną i częściowo pokrywy oraz część zewnętrzna, wysunięta co najmniej o 5 mm poza obrys pokryw.An embodiment of the invention envisages that the insulating sheath may be one piece or multiple pieces, preferably three pieces, the three piece insulating sheath being composed of three concentric pieces. It is an inner part, a middle part surrounding the inner part and part of the cover and the outer part protruding at least 5 mm beyond the outline of the covers.

Środkowa część trzyczęściowej osłony izolacyjnej jest korzystnie wykonana z materiału o wysokiej wytrzymałości elektrycznej, większej niż wytrzymałość elektryczna powietrza. Część zewnętrzna trzyczęściowej osłony izolacyjnej zapewnia odpowiednią wytrzymałość mechaniczną całej komory.The central part of the three-part insulating shell is preferably made of a material with high electrical strength, greater than the electrical strength of the air. The outer part of the three-part insulation cover ensures adequate mechanical strength of the entire chamber.

Dzięki takiemu rozwiązaniu natężenie pola elektrycznego w pobliżu ostrych krawędzi metalizacji, pokrywającej pewne powierzchnie szkła lub ceramiki nie występuje w powietrzu, a w materiale o większej wytrzymałości elektrycznej.Thanks to this solution, the intensity of the electric field near the sharp edges of the metallization, covering certain surfaces of the glass or ceramics, is not present in the air, but in the material with higher electrical strength.

Istotnym elementem wynalazku jest, że część falista pokryw ma symetrię obrotową i co najmniej jedno wgłębienie.An essential element of the invention is that the corrugated portion of the covers has rotational symmetry and at least one recess.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 - pokazuje komorę według przykładu 1 w przekroju poprzecznym, natomiast fig. 2 - uwidacznia komorę według przykładu 2 w przekroju poprzecznym.The subject matter of the invention is explained in an embodiment in the attached drawing, in which fig. 1 - shows the chamber according to example 1 in cross-section, while fig. 2 - shows the chamber according to example 2 in cross-section.

Komora próżniowa do wyłącznika wysokiego napięcia, według wynalazku przykład 1, jest wyposażona w styk nieruchomy 1 z mieszkiem dylatacyjnym 2 i w styk ruchomy 3 z mieszkiem dylatacyjnym 4. Ponadto w skład komory wchodzi izolacyjna osłona 5 wraz z umieszczonym wewnątrz niej ekranem 6 do zabezpieczania osłony izolacyjnej 5 przed osadzaniem par metali, które wydzielają się z materiału styków podczas palenia się łuku. Komora, według wynalazku posiada metalowe pokrywy 7 i 8 połączone szczelnie z osłoną izolacyjną 5. Pokrywa 7 jest połączona szczelnie ze stykiem nieruchomym 1 poprzez mieszek dylatacyjny 2, a pokrywa 8 jest połączona ze stykiem ruchomym 3 poprzez mieszek dylatacyjny 4.The vacuum chamber for the high-voltage circuit-breaker, example 1 according to the invention, is equipped with a fixed contact 1 with an expansion bellows 2 and a movable contact 3 with an expansion bellows 4. Moreover, the chamber includes an insulating casing 5 with a shield 6 placed inside it for securing the insulating casing. 5 against the deposition of metal vapors that are released from the contact material when the arc is ignited. The chamber, according to the invention, has metal covers 7 and 8 tightly connected to the insulating cover 5. The cover 7 is sealed to the fixed contact 1 through the expansion bellows 2, and the cover 8 is connected to the movable contact 3 through the expansion bellows 4.

Każda z pokryw 7 i 8 ma część falistą 9, połączoną metalicznie z wyprowadzeniem styku nieruchomego 1, względnie styku ruchomego 3 oraz walcowy pierścień 10 do sterowania pola elektrycznego, przylegającego do osłony izolacyjnej 5 od strony wewnętrznej lub odsunięty od osłony 5 nie więcej niż o 5 mm. Wysokość walcowego pierścienia 10 nie przekracza 1,5 wysokości części falistej 9 każdej z pokryw 7 i 8.Each of the covers 7 and 8 has a corrugated part 9, metallically connected to the lead-out of the fixed contact 1, or the moving contact 3, and a cylindrical ring 10 for controlling the electric field adjacent to the insulating cover 5 on the inside or spaced from the cover 5 by no more than 5 mm. The height of the cylindrical ring 10 does not exceed 1.5 times the height of the corrugated portion 9 of each of the covers 7 and 8.

Dzięki połączeniu styku nieruchomego 1 z pokrywą 7 poprzez mieszek dylatacyjny 2, drgania mechaniczne związane z uderzeniami styku ruchomego 3 w styk nieruchomy 1 podczas zamykania wyłącznika nie przenoszą się bezpośrednio na osłonę izolacyjną 5. Dodatkowo faliste części 9 obu pokryw 7 i 8 tworzą ekran do sterowania rozkładu pola elektrycznego w przestrzeni wewnątrz komory. Podobną rolę spełnia walcowy pierścień 10 w sterowaniu pola elektrycznego, przylegający do wewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej 5 lub nieco od niej odsunięty. Dzięki takiemu rozwiązaniu duże natężenia pola elektrycznego w sąsiedztwie ostrych krawędzi każdej z pokryw 7 i 8 oraz metalizacji 11 osłony izolacyjnej 5, są znacznie mniejsze na zewnątrz osłony izolacyjnej 5.Due to the connection of the fixed contact 1 with the cover 7 through the expansion bellows 2, the mechanical vibrations related to the impact of the movable contact 3 on the stationary contact 1 during the closing of the circuit-breaker do not transfer directly to the insulating cover 5. Additionally, the corrugated parts 9 of both covers 7 and 8 form a control screen. electric field distribution in the space inside the chamber. The cylindrical ring 10 plays a similar role in controlling the electric field, adjacent to the inner surface of the insulating shell 5 or slightly spaced from it. Thanks to this solution, the high electric field strengths in the vicinity of the sharp edges of each of the covers 7 and 8 and the metallization 11 of the insulating sheath 5 are much smaller outside of the insulating sheath 5.

Większe są natomiast na krawędziach walcowych pierścieni 10 do sterowania pola elektrycznego, znajdujących się wewnątrz komory, w środowisku próżni.Instead, they are larger at the edges of the electric field control cylindrical rings 10 inside the chamber in a vacuum environment.

W związku z tym, że wytrzymałość elektryczna próżni jest wielokrotnie wyższa niż wytrzymałość elektryczna powietrza otaczającego komorę, to nie ma to znaczenia dla elektrycznej wytrzymałości izolacji całej komory. Wynalazek przewiduje zastosowanie komory próżniowej do wyłącznika wysokiego napięcia.Due to the fact that the electric strength of the vacuum is many times higher than the electric strength of the air surrounding the chamber, it does not matter for the electric strength of the insulation of the whole chamber. The invention envisages the use of a vacuum chamber for a high voltage circuit breaker.

Komora próżniowa do wyłącznika wysokiego napięcia, według wynalazku przykład 2, jest wyposażona w styk nieruchomy 1 z mieszkiem dylatacyjnym 2 i w styk ruchomy 3 z mieszkiem dylatacyjnym 4 oraz trzyczęściową izolacyjną osłonę 5, składająca się z trzech koncentrycznych części, wewnętrznej części 12, środkowej części 13 i zewnętrznej części 14. Wewnętrzna część 12 jest wykonana ze szkła lub z ceramiki, czyli materiałów, które zapewniają komorze szczelność próżniową. Środkowa część 13 otacza wewnętrzną część 12, a także częściowo pokrywy 7 i 8. Część zewnętrzna 14, wystająca co najmniej o mm poza obrys pokryw 7 i 8 komory otacza część środkową 13. Środkowa część 13 osłony izolacyjnej 5 jest wykonana z materiału o zwiększonej wytrzymałości elektrycznej, dzięki czemu natężenie pola elektrycznego w pobliżu ostrych krawędzi metalizacji 11, pokrywającejThe vacuum chamber for the high-voltage circuit-breaker, example 2 according to the invention, is equipped with a fixed contact 1 with an expansion bellows 2 and a movable contact 3 with an expansion bellows 4 and a three-part insulating cover 5, consisting of three concentric parts, an inner part 12, a middle part 13 and an outer portion 14. The inner portion 12 is made of glass or ceramics, which are materials that make the chamber vacuum-tight. The central part 13 surrounds the inner part 12 and also partially the covers 7 and 8. The outer part 14, projecting at least a mm beyond the outline of the covers 7 and 8 of the chamber, surrounds the middle part 13. The middle part 13 of the insulating shell 5 is made of a material of increased strength electric field, due to which the electric field strength near the sharp edges of the metallization 11, covering

PL 226 463 B1 pewne fragmenty powierzchni szkła lub ceramiki nie występuje w powietrzu, a w materiale o większej wytrzymałości elektrycznej.Some fragments of the glass or ceramic surface are not present in the air, but in the material with higher electrical strength.

W innym rozwiązaniu przekładowej komory próżniowej, według wynalazku część falista 9 każdej z pokryw 7, 8 ma symetrię obrotową i co najmniej jedno wgłębienie.In another embodiment of the gear vacuum chamber according to the invention, the corrugated portion 9 of each of the covers 7, 8 has rotational symmetry and at least one recess.

Claims

Patent claims

1.Vacuum chamber for high-voltage circuit breaker, with a contact consisting of a fixed contact and a movable contact with an expansion bellows, an insulating cover and a screen to protect the insulation cover against metal vapors emitted during connection processes and with metal covers closing the chamber from the movable contact side and on the side of the stationary contact, vacuum-tightly connected to the insulating sheath, characterized in that each of the covers (7) and (8) has a corrugated part (9) and a cylindrical ring (10) for controlling the electric field, adjacent to the insulating sheath (5) on the inside or at a distance from the insulating sheath (5) not more than 5 mm, with a height m exceeding 1.5 times the height of the corrugated part (9) of each cover (7) and (8).

2. The vacuum chamber according to claim 1 A device as claimed in claim 1, characterized in that the fixed contact (1) is provided with an expansion bellows (2) which is vacuum-tightly attached to the fixed contact (1) on one side and to the cover (7) on the other side.

3. The chamber according to claim 1 The insulating cover (5) as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the insulating shell (5) consists of three concentric parts, an inner part (12) for sealing the chamber, a central part (13) surrounding the inner part (12) and at least partially surrounding the cover (7) and (8) and an outer part (14) projecting at least 5 mm beyond the outline of the covers (7) and (8).

4. The vacuum chamber according to claim 1 The plate of claim 1 or 2, characterized in that the corrugated portion (9) of each of the covers (7) and (8) has rotational symmetry and at least one recess.

PL 226 463 B1