ИЗОЛЯЦИЯ КОММУТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА ТИПА ВАКУУМНОГО КАРТРИДЖА ПОСРЕДСТВОМ ФОРМОВАНИЯ ЗАЛИВКОЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к переключателям и коммутационным устройствам, в частности к вакуумным картриджам, в частности работающим при высоком и среднем напряжении. Изобретение относится к изоляции такого оборудования посредством нанесения покрытия из подходящего материала.

Изобретение относится к изоляции коммутационного устройства посредством инжектирования эластомера для осуществления формования заливкой коммутационного устройства. Для исключения разрушений в его корпусе или возможных инфильтраций эластомера в камеру коммутационного устройства, области соединений корпуса защищены механическими упрочняющими элементами, которые также являются диэлектрическими дефлекторами.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Вакуумный картридж образован дугогасительной камерой, в которой превалирует низкое давление, и в которой расположена пара контактов, имеющих возможность принимать замкнутое положение, позволяющее току протекать, и разомкнутое положение, в котором два контакта разделены так, чтобы прерывать протекание тока. Обычно один контакт является неподвижным, прочно прикрепленным к основной пластине корпуса, а другой контакт является подвижным с окружающим его сильфоном и позволяет механически изолировать внутреннюю часть камеры.

Корпус камеры вакуумного картриджа содержит изолирующий кожух, иногда также называемый картриджем или баллоном, выполненный из керамики или стекла, которая образует, по существу, трубчатую первую центральную часть. Трубка на своих концах герметизирована крышками, обычно выполненными из металла, называемыми также чашами или колпачками, к которым присоединены контакты.

Вакуумные картриджи требуют диэлектрической окружающей среды для противодействия разрядам, когда они отключаются при размыкании контактов. Свободное пространство вокруг картриджа может быть достаточным.

Однако, в частности, когда рабочее напряжение высокое, одним из вариантов является размещение картриджа в герметично закрытом корпусе, содержащем диэлектрическую текучую среду, вакуум или элегаз SF₆. Такие решения приводят к существенному объему, занимаемому картриджем, который становится громоздким для реализации.

По причинам компактности, стоимости и надежности, были разработаны твердые изоляторы для нанесения покрытия на вакуумные картриджи, в частности посредством формования заливкой с помощью эпоксидной смолы, как, например, представлено в документе EP 0866481. Этот тип формования заливкой, однако, не является оптимальным, несмотря на пластичный или эластичный слой, который может быть введен между покрытием и картриджем, из-за различных коэффициентов теплового расширения керамического цилиндра, металлических чашек и эпоксидного покрытия, что может вызывать образование трещин или даже разрушение изолятора.

Ряд термоотверждаемых эластомеров в действительности объединяют в себе хорошую диэлектрическую прочность с подходящими механическими свойствами. Использование их в качестве покрытия вакуумного картриджа, однако, было ограничено из-за условий их формования. Формование заливкой таким материалом, выполненное под большим давлением, может приводить к разрушению покрываемых элементов, в частности хрупких элементов, таких как вакуумные переключатели или плавкие предохранители, которые содержат сварные швы. Например, прямое формование заливкой вакуумного картриджа с помощью эластомера типа EPDM или силиконового типа, деформирует или разрушает некоторые составные части вакуумного картриджа. Как описано в документе US 5864942, поэтому термоотверждаемый эластомер используется только для устройства, имеющего вакуумную камеру, образованную рядом компонентов, в качестве дополнения к первому покрытию, с жестким защитным слоем, осажденным вокруг картриджа до формования заливкой.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является уменьшение недостатков изоляций существующих коммутационных устройств в управляемой среде и реализация возможности использования эластомеров непосредственно на многокомпонентных герметичных корпусах.

В частности, согласно одному аспекту, изобретение относится к способу изолирования коммутационного устройства, имеющего камеру, которая изолируется в смысле того, что касается обмена текучими средами, и, которая ограничивается корпусом, содержащим несколько компонентов, то есть прочно герметизированным корпусом, имеющим хрупкие области, и, в частности, содержащим керамические и металлические части, соединенные пайкой, в частности на кромке стенки крышки, содержащей основную пластину, продолжающуюся металлической боковой стенкой, присоединенной по периферии к боковой стенке керамической части. Изоляция достигается посредством этапа формования заливкой, включающего в себя закачивание эластомера под большим давлением, который затем вулканизируется. Перед размещением коммутационного устройства в инжекционной пресс-форме, устройство собирается с защитными накрывающими пластинами, которые накрывают хрупкие области. В частности, для устройства вакуумного картриджа такого типа, в котором трубчатая центральная часть закрывается проводящими крышками, накрывающие пластины устанавливаются на крышках и проходят над соединительной областью между изолятором и проводником. Форма покрывающих пластин дополнительно оптимизируется для того, чтобы они действовали как механические упрочняющие элементы.

В предпочтительном варианте осуществления поверхности корпуса коммутационного устройства, которые будут находиться в контакте с закачиваемым эластомером, то есть защитные накрывающие пластины и/или большая часть центральной трубки, подготавливаются, например, с помощью улучшающего сцепление вещества-агента, для усиления адгезии эластомера. Эластомер может быть, в частности, эластомером типа EPDM или силиконом, и способ предпочтительно продолжается этапом покраски или этапом формования заливкой эластомера, заряженного проводящими частицами для электростатического экранирования коммутационного устройства.

Согласно другому аспекту, изобретение относится к коммутационному устройству, изготовленному с помощью указанного выше способа. В целом, коммутационное устройство согласно изобретению, которое предпочтительно является осесимметричным, содержит плотно герметизированную камеру, проходящую вдоль оси. Камера ограничивается корпусом, который содержит изолирующую трубчатую часть, предпочтительно выполненную из керамики, которая открыта на своих концах, и которая работает в соединении с преимущественно металлическими моноблочными проводящими крышками, закрывающими трубчатую часть. В частности, защита между различными компонентами корпуса определяет соединительную область, которая преимущественно представляет собой пайку между толщиной трубчатой части и толщиной стенки крышек, которые, имея форму цилиндров, закрываются торцевой пластиной на одном из их концов.

Герметичная камера содержит два контакта, которые являются подвижными относительно друг друга вдоль своей оси. Предпочтительно один из двух контактов является неподвижным, а другой подвижным, причем каждый из них присоединен к одной из двух крышек. В предпочтительном варианте осуществления в камере превалирует низкое давление, и коммутационное устройство является вакуумным картриджем.

Коммутационное устройство согласно изобретению дополнительно содержит две накрывающие пластины, которые накрывают каждую из крышек и защищают их соединительную область с трубчатой частью. В частности, накрывающие пластины выполнены в форме чаш с донной стенкой, по существу, перпендикулярной оси коммутационного устройства, и периферической стенкой, проходящей вдоль этой оси на достаточное расстояние, чтобы накрывать боковую стенку крышки и также концевую часть изолирующей трубки. Толщина крышки определяется той ролью, которую она выполняет в качестве элемента механического упрочнения, с исключением хрупких точек типа прямоугольной кромки. Для предотвращения создания разности потенциалов между обеими, предусмотрено средство, например, прямой контакт. Проводящий разделитель может отделять днище накрывающей пластины от днища крышки в продольном направлении для облегчения соединения средства сборки коммутационного устройства.

Накрывающие пластины являются достаточно жесткими для того, чтобы действовать в качестве элементов механического упрочнения, и они преимущественно сконструированы для действия в качестве диэлектрических дефлекторов, в частности, они не имеют прямоугольных кромок на их внешней поверхности, и они могут иметь утолщения на уровне точек соединения между изолятором и проводником. Более предпочтительно, если между изолирующей трубчатой частью и накрывающей пластиной в чистом пространстве располагается уплотнение для защиты соединительной области между крышкой и трубчатой частью. Уплотнение может быть выполнено из эластомера и преимущественно установлено в подходящую канавку накрывающей пластины. Таким образом, в дополнение к механической защите от более высокого внешнего давления, пайка защищена от инфильтрации текучей среды.

Коммутационное устройство согласно изобретению содержит эластомерную оболочку вокруг корпуса камеры, предпочтительно выполненную из мономера этилена-пропилена-диена, и защитные накрывающие пластины, с которыми оно находится в прямом контакте. Граница соединения «склеивается», то есть можно сказать, плотно герметизируется, и не имеет пустого пространства. Эластомер преимущественно покрыт проводящим электростатическим экранирующим слоем, например, таким же заряженным эластомером. Этот эластомер может быть использован для соединительного уплотнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой вакуумный картридж согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;

фиг.2 показывает механическую защиту до формования с заливкой согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Вакуумный картридж 1 согласно изобретению (фиг.1) сконструирован для использования в переключателе для выполнения отключения электрической цепи. Картридж 1 согласно изобретению предпочтительно выполнен с возможностью работы при высоком и среднем напряжении, то есть между 1 кВ и 75 кВ или 52 кВ, хотя возможно использование при низком напряжении. Картридж 1 содержит герметичную камеру или оболочку 2, в которой предпочтительно преобладает управляемое низкое давление воздуха или другой диэлектрической среды, то есть вакуум. Камера 2 определяется продольным корпусом, проходящим вдоль оси АА, который преимущественно осесимметричен (симметричен при вращении) по причинам изготовления и сборки.

Корпус камеры 2 содержит первую изолирующую центральную основную часть 4, преимущественно выполненную из керамики, хотя, как вариант, она может быть выполнена из стекла. Изолирующая часть 4 является трубчатой, предпочтительно цилиндрической при вращении, для оптимизации ее механической и диэлектрической прочности, а также для облегчения ее изготовления. В предпочтительном варианте осуществления каждый открытый конец трубки 4 ограничен ортогональной секцией ее стенки, образуя, таким образом, два совмещаемых кольца. Отверстия трубки 4 частично закрыты проводящими крышками 6₁, 6₂. В описываемом варианте воплощения объеме изобретения крышки 6, или колпачки, выполнены из металла, и каждая содержит, по существу, плоскую основную пластину, перпендикулярную оси АА, продолжающуюся на своей периферии ортогональной боковой стенкой 7 такой же формы, как и трубка 4 на своих концах. Боковые стенки 7₁, 7₂ являются более или менее длинными в зависимости от использования, но во всех случаях удлиняют торцевые пластины для оптимизации конструкции картриджа 1. Для оптимизации их механической прочности крышки 6 преимущественно выполнены в виде единой части, по существу, с постоянной толщиной между периферическими стенками 7 и основной пластиной.

Проводящие крышки 6 герметично прикреплены к изолирующей трубке 4 в соединительной области 8. Хотя могут быть использованы любые известные способы, согласно предпочтительному варианту осуществления соединительная область 8 ограничена линией, которая соответствует пайке периферической стенки 7 крышек 6 на изолирующей трубчатой стенке 4. Преимущественно, равномерная толщина трубки 4 (например, около 6 мм для картриджа 1 с внутренним диаметром 65 мм, работающим при 17,5 кВ) больше, чем толщина крышки 6 (например, от 1,5 мм до 2 мм), и два конца расположены кромка к кромке посредством вакуумной пайки крышки 6, выполненной, по существу, в центре стенки трубки 4.

Камера 2, ограничиваемая керамической трубкой 4 и крышками 6, содержит пару дугогасительных контактов 10₁, 10₂, которые являются подвижными относительно друг друга вдоль оси АА картриджа 1. Каждый контакт 10 содержит контактную площадку 12, выполненную из подходящего материала, такого как сплав медь-хром (CuCr), закрепленную на продольном медном электроде 14. Предпочтительно, как показано, первый контакт 10₁ является неподвижным, прочно прикрепленным к одной из концевых крышек 6₁, к которой для ее закрывания прикреплен электрод 14, например, посредством сварки или механической сборки. Второй контакт 10₂ установлен с возможностью осевого скольжения внутри картриджа 2 со своим электродом 14, имеющим возможность перемещения сквозь другую крышку 6₂. Для перемещения перемещающего контакта 10₂ и поддержания управляемой атмосферы, уплотнительный сильфон 16 устанавливается между подвижным электродом 14, к которому он может быть, например, приварен на одном конце, и соответствующей крышкой 6₂, изолируя, таким образом, отверстие крышки 6₂ камеры 2. Вокруг уплотнительного сильфона 16 на уровне его конца, присоединенного к электроду 14, может быть установлен диэлектрический экран 18 для защиты последнего от действий, вызываемых прерыванием тока.

Герметично закрытая камера 2 предпочтительно дополнительно содержит диэлектрический экран 20, расположенный на уровне контактной площадки 12, какой бы ни было ее расположение, чтобы защищать керамику 4 от любых действий, которые могут быть вызваны. Внутренний диэлектрический экран 20 преимущественно закреплен фиксированным образом к одной из крышек 6₁ для упрощения изготовления и сокращения числа паек на керамической трубке 4.

Картридж 1 согласно изобретению предпочтительно используется в ограниченном пространстве, которое, более того, может быть агрессивным. Для того чтобы коммутационное средство было не чувствительно к окружающей среде (загрязнения, пыль и другое) и для уменьшения размеров, используется твердая изоляция для концентрации диэлектрических напряжений внутри изолятора 22. Для изолятора может быть предусмотрен экран 24, чтобы ограничивать любое электрическое поле окружающего воздуха в изоляторе. Более того, картридж 1 согласно изобретению предпочтительно пригоден для условий хранения до -40°С и сконструирован для выдерживания большого диапазона температур при работе, в частности окружающую температуру от -25°С до +55°С, к которой следует добавить локальное повышение тепла в результате работы (около 45°). Температурный диапазон от -40°С до +100°С для вакуумного картриджа 1 предпочтительно распространяется на металлические элементы 6, 10, 16, 18, 20 камеры 2.

Согласно изобретению диэлектрическое изолирующее покрытие 22 вакуумного картриджа 1 выбрано из эластомеров, которые достаточно податливы, чтобы компенсировать различные расширения компонентов корпуса картриджа 1, к которому оно прочно прикреплено, например, с твердостью А по Шору от 40 до 80. Могут быть рассмотрены силиконы, в частности инжектируемые силиконы, резины или другие термоотверждаемые эластомеры. В предпочтительном варианте осуществления изобретения диэлектрическое покрытие выполнено из тройного сополимера этилена-пропилена-диена или из резины из мономера этилена-пропилена-диена, который достаточно податлив, но который имеет достаточную прочность для защиты картриджа 1, например твердость А по Шору 70. Преимущество этого материала, не говоря уже о его стоимости, состоит в его диэлектрических качествах, известных из других электрических применений.

Условно, для такого эластомера, как EPDM, который имеет свойства, пригодные для применения согласно изобретению, материал закачивается при температуре от 60°С до 80°С, то есть в вязком или даже жидком состоянии, в пресс-форму, нагретую до температуры от 140°С до 170°С под давлением от 100 бар до 150 бар. В частности, важно защитить область соединения между компонентами 4, 6 корпуса, чтобы, в частности, исключить любое разрушение пайки 8. Согласно изобретению на корпусе на уровне крышки 6 устанавливается пригодное средство с защитным усилительным элементом 26. Наличие такого дополнительного элемента, основное назначение которого является механическим, более того, может давать преимущество в уменьшении электрических полей, и механический усилительный элемент 26, используемый согласно изобретению, преимущественно имеет такую форму, чтобы действовать в качестве диэлектрического дефлектора.

Предпочтительный вариант осуществления упрочняющей накрывающей пластины 26 содержит торцевую пластину, продолжающуюся на ее периферии боковой стенкой, образующей выемку, в которую может быть вставлена крышка 6 картриджа 1. Боковая стенка проходит вдоль оси АА на достаточную длину, чтобы накрывать соединительную область 8. Для предотвращения воздействия напряженности поля на механически хрупкие области, хотя внутренняя выемка может содержать прямоугольные кромки, внешняя поверхность накрывающей пластины 26 является гладкой с закругленными тупыми кромками. Накрывающая пластина 26 преимущественно осесимметрична и ее внешняя форма определяется согласно механическим и электрическим напряжениям. В частности, концевая часть боковой стенки, которая установлена на уровне керамической стенки 4 и/или проводящей пайки 8, то есть в области, в которой напряженности поля самые высокие, содержит кольцевое утолщение 28. Например, при общей толщине около 4 мм или, по меньшей мере, достаточной для механических напряжений, которым она подвергается, диэлектрическая накрывающая пластина 26 может содержать утолщающую концевую часть 28 с толщиной 8 мм, с длиной около 16 мм по оси АА, расположенную, по существу, на каждой стороне пайки 8.

Накрывающая пластина 26 может быть выполнена из проводящего термопластичного или термоотверждаемого материала. Преимущественно, накрывающая пластина 26 выполнена в виде моноблочной детали из металла, которая имеет проверенную прочность, например, из стали. Ее общая форма преимущественно стандартизирована, размер цилиндрической части ее стенки выполнен с возможностью посадки крышки 6, как изображено на фиг.1. Более того, упрочняющая накрывающая пластина 26 содержит отверстие 30 для прохождения через него электрода 14, и средство 32, к которому присоединен контакт 10, и в более широком смысле, картридж 1.

В варианте осуществления, изображенном на фиг.2, разделитель 34 поглощает механические напряжения между крышкой 6 и днищем накрывающей пластины 26. Разделитель 34 может быть проводящим и может обеспечивать одинаковый потенциал между крышкой 6 и накрывающей пластиной 26. Он позволяет осуществить сборку с соединительным средством 32 картриджа 1. Другие геометрические возможности для накрывающей пластины 26 могут вытекать из ограничений, накладываемых специалистом в данной области техники. Каково бы ни было решение, обеспечивается контакт между токоведущими частями 6, 26 для предотвращения прохождения линий поля через остающееся пространство.

Следовательно, вакуумный картридж 1 защищен на своих концах посредством установки накрывающих пластин 26 на его концевых крышках 6 перед выполнением формования заливкой, и имеет проходящее через него соединительное средство 32. Диэлектрическая накрывающая пластина 26 накрывает соединительные области 8 и часть керамической трубки 4 посредством периферической стенки на уровне утолщения 28. Преимущественно, внутреннее устройство стенки накрывающей пластины 26 позволяет осуществлять подходящее расположение на уровне соединительной пайки 8 с достаточным пространством, чтобы не подвергать напряжению эту слабую точку, когда устанавливается накрывающая пластина 26.

Принимая во внимание давление инжекции, предпочтительно располагать уплотнительное средство между накрывающей пластиной 26 и керамической трубкой 4, чтобы устранить проникновение эластомера, которое подвергает напряжению пайку 8 и, тем самым, предотвращать деформацию коммутационного устройства 1. Может быть рассмотрено любое средство, например, на внутренней поверхности периферической стенки накрывающей пластины 26 предусмотрена кольцевая канавка 36, в которую устанавливается уплотнение 38. Уплотнение 38 выполнено из изолирующего или проводящего материала. Оно может быть любой формы, например тороидальной, но его геометрия является преимущественно комплиментарной геометрии канавки 36 дефлектора 26 для того, чтобы распределять напряжения на керамику 4, когда инжектируется изолирующий материал. Уплотнение 38 может также обеспечить центрирование механической накрывающей пластины 26 на коммутационном устройстве 1.

Уплотнение 38 выполнено из эластомера, имеющего хорошую совместимость с изолятором 22 формования с заливкой, преимущественного такой же природы, что и изолирующее покрытие 22 (здесь мономер этилена-пропилена-диена), чтобы сохранять одинаковые механические свойства, и его твердость совместима с размерными допусками керамики 4. В зависимости от относительных форм канавки 36 и уплотнения 38, последнее может быть вставлено или выполнено для приклеивания к периферической стенке утолщения 28.

После того, как картридж 1 был собран с накрывающей пластиной 26 и уплотнением 38, он помещается в пресс-форму подходящего размера и формы, предпочтительно с центрирующим средством. Мономер этилена-пропилена-диена инжектируется в оставшееся пространство, толщина формования которого определяется разрядным перенапряжением, и вулканизируется. Затем картридж 1 вынимается из пресс-формы.

Предпочтительно, внешняя поверхность, образующая границу соединения между корпусом камеры 2 и оболочкой 22, в частности границу соединения (интерфейс) между керамической трубкой 4 и диэлектрической накрывающей пластиной 26, подготавливается так, чтобы оптимизировать связывание эластомера 22 и обеспечивать прочное герметичное прямое сцепление без остаточного пространства, в котором может содержаться воздух. В частности, связывающее вещество-агент может быть использовано для оптимизации границы соединения и противодействия частичному разряду.

Предпочтительно, диэлектрическая формовка 22, выполненная вокруг коммутационного устройства, сама покрыта проводящим или полупроводящим слоем 24, называемым экранирующим слоем, в частности формовка мономера этилена-пропилена-диена, заряжена, чтобы быть проводящей, и может быть заземлена. Силовые линии, таким образом, остаются внутри оболочки 22, позволяя размещать другое электрическое оборудование около картриджа 1 согласно изобретению, и обеспечивая то, что последний будет нечувствителен к окружающей среде.

Следует отметить, что механическая защитная роль накрывающей пластины 26 существенна при большой разнице давления между давлением при инжектировании эластомера 22 и давлением во внутренней части камеры 2. Однако даже когда разница уменьшается или даже исчезает, диэлектрическое действие накрывающей пластины 26 сохраняется, и она может быть рекомендована для сохранения накрывающей пластины 26 для формования заливкой при давлении окружающей среды, например с помощью эпоксидной смолы. В последнем случае для уменьшения проблем дифференциального теплового расширения, диэлектрическая накрывающая пластина 26 преимущественно сохраняет свою механическую роль, будучи выполненной из податливого материала, например из заряженного мономера этилена-пропилена-диена, чтобы абсорбировать различные деформации между покрытием 22, крышкой 6 (и керамикой 4). Если требуется, в нем могут быть выполнены отверстия или зазоры для действия в качестве компрессионных пространств.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на вакуумный картридж, этим оно не ограничивается. Другие элементы могут относиться к изобретению. В частности, формование заливкой, выполненное согласно изобретению, также может быть выполнено на любом устройстве, имеющем корпус, находящийся в управляемой атмосфере, который является хрупким соединением между двумя материалами. В частности, изобретение находит применение для коммутационных устройств типа плавкового предохранителя с герметичным корпусом.