Вакуумная дугогасительная камера

012475 Предлагаемое изобретение относится к электроаппаратостроению, в частности к силовому коммутационному оборудованию, и предназначено для использования в конструкциях вакуумных коммутационных аппаратов, а более точно, к конструкции вакуумной дугогасительной камеры. Известна вакуумная дугогасительная камера, содержащая контактную систему, керамический изоляционный корпус и сваренные с последним диффузионной сваркой металлические манжеты [авт.св. СССР 1783589, МПК 4 Н 01 Н 33/66, 1992]. Недостатком данной дугогасительной камеры является то, что контактные поверхности контактной системы не обеспечивают их полного прилегания во время коммутации, которое позволило бы получить оптимальное значение переходного сопротивления и, таким образом, уменьшить энергию образующейся при коммутации контактов плазмы. Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является вакуумная дугогасительная камера, содержащая керамический изоляционный корпус, в полости которого установлена контактная система с подвижным и неподвижным контактами, охваченная защитным металлическим экраном, а также сильфон, предназначенный для осуществления перемещения подвижного контакта относительно неподвижного контакта контактной системы [M.R.Reece, The Vacuum Switch and Its Application to Power Switching, J.IEEE, 1959, p.257]. В описанном устройстве использованы контакты, изготовленные из тугоплавкого материала, а защитный металлический экран электрически соединен с неподвижным контактом. Описанная вакуумная дугогасительная камера имеет недостаточный ресурс, поскольку в момент коммутации контактов возникает плазма с температурой 1500-3000 С. Поскольку плазма электропроводна, она вместе с цилиндрическим металлическим экраном, подключенным к неподвижному контакту,замыкает на время горения плазмы электрическую цепь между подвижным и неподвижным контактами,что увеличивает время существования плазмы. Продолжительное горение плазмы приводит к выгоранию(эрозии) отдельных участков и экрана и рабочих контактов со стороны рабочих поверхностей, образованию в них каверн и, как следствие, к уменьшению ресурса камеры. В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания такой вакуумной дугогасительной камеры, которая имела бы повышенный ресурс. Поставленная задача решается в предлагаемом изобретении путем создания условий для уменьшения интенсивности и времени горения плазмы в моменты коммутации контактов за счет поддержания требуемого уровня пропитки легкоплавкого металла в зоне коммутации контактов и уменьшения вероятности возникновения электрического контакта цилиндрического металлического экрана с контактами контактной системы. Предлагаемая, как и известная, вакуумная дугогасительная камера содержит керамический изоляционный корпус, в полости которого установлена контактная система с подвижным и неподвижным контактами, охваченная защитным металлическим экраном, а также сильфон, предназначенный для осуществления перемещения подвижного контакта относительно неподвижного с возможностью замыкания рабочих поверхностей контактов по одной плоскости, а защитный металлический экран согласно изобретению жестко прикреплен к керамическому изоляционному корпусу и электрически изолирован от контактов контактной системы, по меньшей мере один контакт содержит композиционный жидкометаллический участок, выполненный в виде пористого композиционного каркаса из ткани организованной структуры, изготовленной из тугоплавкой проволоки, каркас пропитан легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия и одна торцевая поверхность каркаса является частью рабочей поверхности контакта. Особенностью предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры является и то, что контакт контактной системы, содержащий композиционный жидкометаллический участок, имеет форму цилиндра, а указанный участок закреплен во внешнем монолитном металлическом кольце и соосно с ним. Особенностью предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры является и то, что контакт контактной системы, содержащий композиционный жидкометаллический участок, имеет форму прямого цилиндра, в котором выполнены три отверстия, в которых установлены три одинаковых цилиндрических каркаса, каждый из которых пропитан легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия, а вертикальные оси указанных отверстий образуют правильную треугольную призму, ось которой совпадает с осью контакта. Особенностью предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры является также то, что контакт контактной системы, содержащий композиционный жидкометаллический участок, имеет форму цилиндра, в котором указанный участок закреплен в монолитном металлическом стакане и соосно с ним, а между торцом пористого композиционного каркаса и дном металлического стакана имеется подпитывающая емкость, заполненная легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия. При этом контакты контактной системы установлены с возможностью их сопряжения при замыкании свободными плоскими торцевыми поверхностями. Особенностью предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры является и то, что второй контакт контактной системы изготовлен монолитным из псевдосплава на основе вольфрама и меди. При этом каждый контакт контактной системы имеет форму прямого цилиндра. Особенностью предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры является и то, что второй контакт-1 012475 контактной системы выполнен в виде монолитного диска из псевдосплава на основе вольфрама и меди. Новый технический результат, полученный в результате осуществления предлагаемого изобретения, состоит в создании условий для уменьшения интенсивности и времени горения плазмы в моменты коммутации контактов за счет поддержания уровня пропитки легкоплавкого металла в зоне коммутации контактов и уменьшения вероятности электрического контакта цилиндрического металлического экрана с контактами контактной системы. Исследование соответствия предлагаемого технического решения критерию "новизна" В известных технических решениях не обнаружены вакуумные дугогасительные камеры с указанной выше совокупностью существенных признаков, что доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "новизна". Исследование соответствия предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень": Известен способ изготовления жидкометаллического композиционного контакта [заявкаPCT/UA2005/000013 от 30.03.2005, номер международной публикации WO 2006/101464 А 1 от 28.09.2006]. Задача, которую решает названное изобретение - это увеличение пропитываемости пористого каркаса из тугоплавкого металла легкоплавким металлом за счет повышения адгезионной прочности на границе легкоплавкий металл - тугоплавкий металл, из которого изготовлен каркас. Задача, которую решает предлагаемое изобретение, - это создание условий для уменьшения интенсивности и времени горения плазмы в моменты коммутации контактов за счет поддержания требуемого уровня пропитки легкоплавкого металла в зоне коммутации контактов и уменьшения вероятности возникновения электрического контакта цилиндрического металлического экрана с контактами контактной системы. Кроме того, известен жидкометаллический контакт, который содержит пористый каркас из тугоплавкого материала, частично пропитанный легкоплавким металлом или сплавом [авт.св. СРСР 1644240, МПК 5 Н 01 Н 29/00, опубл. 23.04.1991. Бюл.15]. Такой жидкометаллический контакт может быть использован в контактной системе вакуумной дугогасительной камеры. Как правило, в качестве тугоплавкого материала в жидкометаллических контактах используют вольфрам и сплавы на его основе. Однако в моменты коммутации контактов в разреженной воздушной среде возникает поток плазмы, температура которой доходит до +3000 С. При такой температуре в монолитном вольфрамовом корпусе контакта возникают локальные термические напряжения высоких значений, которые приводят к образованию в нем трещин и впоследствии к его разрушению, поэтому ресурс такой контактной системы и вакуумной дугогасительной камеры, в которой его используют, оказывается недостаточным. Из-за названных проблем такие контакты практически не используют в электрических коммутационных аппаратах, предназначенных для коммутации токов более 300 А. Задача, которую решает выявленное изобретение, - уменьшение переходного сопротивления контактов контактной системы в условиях, когда процесс коммутации не сопровождается интенсивным образованием потока плазмы. Таким образом, задачи, решаемые предлагаемым и известным решениями, разные. В исследуемых технических решениях, которые вошли в уровень техники, автором не выявлено влияние предписываемых предлагаемому изобретению преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата. Это доказывает соответствие предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры критерию изобретения "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов. На фиг. 1 схематически показана конструкция вакуумной дугогасительной камеры. На фиг. 2 и 3 схематически показаны конструкции контакта контактной системы, содержащего участок, выполненный в виде пористого композиционного каркаса из ткани организованной структуры, пропитанного легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия. Предлагаемая вакуумная дугогасительная камера содержит керамический изоляционный корпус 1. В полости корпуса 1 установлена контактная система с подвижным 2 и неподвижным 3 контактами. Контактная система охвачена защитным металлическим экраном 4. Предлагаемая вакуумная дугогасительная камера содержит также сильфон 5, предназначенный для осуществления перемещения подвижного контакта 2 относительно неподвижного 3 с возможностью замыкания рабочих поверхностей контактов 2 и 3 по одной плоскости. Защитный металлический экран 4 одним отбортованным торцом жестко прикреплен к выступу на керамическом изоляционном корпусе 1 и электрически изолирован от контактов 2 и 3 контактной системы. Для такого крепления защитного металлического экрана 4 на выступ в полости корпуса 1 напыляют металл, а отбортованный торец экрана 4 жестко прикрепляют к выступу пайкой. При этом между защитным металлическим экраном 4 и внутренней поверхностью корпуса 1 имеется зазор. Контакт 3 содержит композиционный жидкометаллический участок, выполненный в виде пористого композиционного каркаса 6 из ткани организованной структуры, изготовленной из тугоплавкой проволоки. Каркас 6 пропитан легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия, а одна торцевая поверхность каркаса 6 является частью рабочей поверхности контакта 3.-2 012475 Контакт 3 может быть выполнен в виде цилиндрического внешнего монолитного металлического кольца 7, в котором и соосно с ним закреплен каркас 6. Кроме того, контакт 3 может быть выполнен в форме прямого цилиндра, в котором выполнены три отверстия. В каждом из указанных отверстий установлен цилиндрический каркас 6, пропитанный легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия,а вертикальные оси указанных отверстий образуют правильную треугольную призму, ось которой совпадает с осью контакта 3. Одним из вариантов выполнения контакта 3 является монолитный металлический стакан 8, в котором и соосно с ним закреплен каркас 6, а между торцом пористого композиционного каркаса 6 и дном металлического стакана 8 имеется подпитывающая емкость 9, заполненная легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия. Объем подпитывающей емкости 9 определяют экспериментально в зависимости от уровня коммутируемых токов и заданного количества циклов коммутации. Контакты 2 и 3 контактной системы установлены с возможностью их сопряжения при замыкании свободными плоскими торцевыми поверхностями. Подвижный контакт 2 контактной системы изготовлен монолитным из псевдосплава на основе вольфрама и меди. Подвижный контакт 2 может быть изготовлен в виде монолитного диска. Предлагаемая вакуумная дугогасительная камера, кроме того, содержит привод и средства для герметизации и откачивания воздуха из ее полости (не показано). Предварительно, до сборки вакуумной дугогасительной камеры, изготавливали композиционный жидкометаллический участок контакта 3, а именно: из вольфрамовой проволоки изготавливали ткань в виде полосы организованной структуры. Скручивали полосу в цилиндрическую заготовку, устанавливали ее в матрицу, прессовали упомянутую заготовку до получения каркаса 6 необходимых габаритов. Восстанавливали каркас 6 в среде гидридного водорода, получаемую в вакуумной печи. При этом материал каркаса 6 получал свойства повышенной адгезии к жидкому олову (Sn). Выполняли пропитку каркаса 6 из проволоки тугоплавкого металла последовательно тремя легкоплавкими металлами - оловом(Sn), индием (In) и галлием (Ga). Операцию проводили в среде гидридного водорода в три последовательные стадии продолжительностью 10-20 мин каждая, а именно: на первой стадии выполняли пропитку каркаса жидким оловом (Sn) при температуре 950 С, на второй - жидким индием (In) при температуре 900 С, на третьей - жидким галлием (Ga) при температуре 750-800 С, а количество жидких металлов олова (Sn), индия (In) и галлия (Ga) выбирали пропорциональным составу эвтектики и объему пор каркаса 6. Собранную контактную систему из котактов 2 и 3 размещали в защитном металлическом экране 4 в полости корпуса 1 вакуумной дугогасительной камеры. Корпус 1 герметизировали и откачивали до получения вакуума требуемой величины. В процессе работы вакуумной дугогасительной камеры коммутировали токи порядка 1500-3400 А. При этом, благодаря тому, что защитный металлический экран 4 изолирован от контактной системы, а также за счет стабилизации уровня пропитки легкоплавким металлом каркаса 6 в зоне коммутации контактов 2 и 3 были созданы условия для уменьшения интенсивности и времени горения плазмы - поток плазмы не распространялся на весь внутренний объем камеры, как в устройстве-прототипе. Проведены испытания предлагаемой вакуумной дугогасительной камеры, адаптированной в экспериментальные вакуумные дугогасительные камеры типа КДВ 17-37 Э, КДВ-17-ЗЗЭ (нового поколения), на испытательных базах МЭИ (г.Москва), УкрНИИВЭ (г.Донецк, Украина). Приводим некоторые результаты испытаний контактная система работает в вакууме при ускорениях до 10 g в интервале температур до 600 С; переходное сопротивление стремится к нулю; коммутационная способность в режиме АС-3-100 коммутаций переменного тока 3400 А; коммутационная способность в режиме АС-4-200 тыс. коммутаций переменного тока 1130 А при частоте 600 коммутаций в час; время горения дуги -10 мс. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Вакуумная дугогасительная камера, содержащая керамический изоляционный корпус, в полости которого установлена контактная система с подвижным и неподвижным контактами, охваченная защитным металлическим экраном, а также сильфон, предназначенный для осуществления перемещения подвижного контакта относительно неподвижного с возможностью замыкания рабочих поверхностей контактов по одной плоскости, отличающаяся тем, что защитный металлический экран жестко прикреплен к керамическому изоляционному корпусу и электрически изолирован от контактов контактной системы, а по меньшей мере один контакт содержит композиционный жидкометаллический участок, выполненный в виде пористого композиционного каркаса из ткани организованной структуры, изготовленной из тугоплавкой проволоки, каркас пропитан легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия, а одна торцевая поверхность каркаса является частью рабочей поверхности контакта. 2. Вакуумная дугогасительная камера по п.1, отличающаяся тем, что контакт, содержащий компо-3 012475 зиционный жидкометаллический участок, имеет форму цилиндра, а указанный участок закреплен во внешнем монолитном металлическом кольце и соосно с ним. 3. Вакуумная дугогасительная камера по п.1, отличающаяся тем, что контакт, содержащий композиционный жидкометаллический участок, имеет форму цилиндра, в торце которого со стороны рабочей поверхности выполнены три отверстия, в которых установлены три одинаковых цилиндрических каркаса, каждый из которых пропитан легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия, а вертикальные оси указанных отверстий образуют правильную треугольную призму, ось которой совпадает с осью контакта. 4. Вакуумная дугогасительная камера по п.1, отличающаяся тем, что контакт, содержащий композиционный жидкометаллический участок, имеет форму цилиндра, в котором указанный участок закреплен в монолитном металлическом стакане и соосно с ним, а между торцом пористого композиционного каркаса и дном металлического стакана имеется подпитывающая емкость, заполненная легкоплавким металлом на основе олова, индия и галлия.