СИЛЬНОТОЧНЫЙ ЗАМЫКАТЕЛЬ МНОГОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ
REPEATABLE HIGH-CURRENT CONTACTOR

Изобретение относится к электротехнике, к разделу сильноточной коммутирующей аппаратуры многократного действия, работающей в цепях постоянного и переменного тока, и может быть использовано в системах питания электрофизических установок, например в установках термоядерного синтеза как в оперативных цепях, так и в цепях защитных переключений.
Характерным для этой области электрофизики является необходимость коммутирования электрических цепей мощных источников, питающих электрические обмотки различного функционального назначения, которые формируют сверхсильные электромагнитные поля.
В этой связи к коммутирующей аппаратуре в этих установках предъявляются особо жесткие требования к качеству таких параметров, как быстродействие, минимизация переходного сопротивления контактной группы, переключение больших мощностей, максимально возможные ресурс и надежность в работе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является максимальное удовлетворение вышеперечисленных требований к коммутирующему аппарату.
Известно устройство [1], содержащее внутренний и внешний коаксиальные неподвижные токоподводы, подвижный цилиндрический разрезной ламельный контакт, жестко соединенный с токоподводом, цилиндрическую разрезную ламельную цангу, изоляционный корпус, заполненный сжатым газом, катушку электродинамического привода. Объем, образованный цилиндрическим выступом цанги и уплотнением, соединен с атмосферой дросселем со сквозным отверстием. Внутренний объем замыкателя заполнен газом под давлением.
Данная конструкция не позволяет использовать замыкатель в цепях с постоянным протеканием тока по причине отсутствия принудительного охлаждения контактной системы. Это можно считать основным недостатком конструкции. К другим недостаткам можно отнести значительное переходное сопротивление контактной группы (замыкание осуществляется посредством цилиндрической разрезной ламельной цанги), а также значительный расход сжатого газа в замкнутом положении аппарата из-за применения дросселя со сквозным отверстием. Кроме того, конструкция контактной группы не исключает возможности заклинивания подвижного контакта.
Наиболее близким к заявленному по конструкции является сильноточный коммутирующий аппарат, содержащий внутренний и внешний коаксиальные неподвижные контактные электроды, дисковый подвижный контактный электрод с кольцеобразным контактом и катушку индуктора, размещенные в диэлектрическом корпусе, поверх которого над индуктором установлена крышка корпуса. Межкорпусное пространство разделено мембраной на две герметичные полости (над мембраной и под мембраной). Для напуска сжатого газа в эти полости в корпусе предусмотрены отверстия.
Конструкция данного аппарата представляется более надежной в сравнении с конструкцией предыдущего (аналога), и аппарат позволяет коммутировать импульсные токи большей величины (поверхности контактной пары выполнены коническими), но как и аналог, она не предполагает работу в цепях с постоянным протеканием больших токов, т.к. отсутствует принудительное охлаждение контактной группы. Кроме того, конструктивное исполнение неподвижных контактов вместе с токоподводами не предоставляет возможности их замены при выгорании.
Устранение перечисленных недостатков, а также ряд других конструктивных решений, предлагаемых авторами в конструкции замыкателя, в котором кольцеобразный контакт изготовлен из отдельных независимых ламелей и закреплен на опорном диске подвижного контактного электрода, между опорным диском и ламелями установлены упругие элементы, выполненные в виде тарельчатых пружин или резиновых колец, неподвижные контактные электроды выполнены съемными и снабжены каналами охлаждения, к контактным поверхностям подвижного и неподвижных контактных электродов прикреплены пластины, выполненные из материала с высокой электропроводностью (например, из серебра), крышка корпуса, установленная над катушкой индуктора, выполнена с внутренней полостью и соединена рядом отверстий, выполненных в корпусе индуктора с объемом над подвижным контактным электродом, при этом в неподвижном внутреннем контактном электроде выполнена полость, увеличивающая газовый объем полости под подвижным контактном электродом, а в корпусе индуктора, в его осевой части, установлен газовый клапан, позволяют применять данный замыкатель для коммутации электрических цепей источников питания при длительном протекании больших токов, обеспечивая при этом высокое быстродействие, низкое переходное сопротивление контактной группы, значительный ресурс и высокую надежность в работе, что является техническим результатом предлагаемого изобретения.
Замыкатель разрабатывается в рамках международного проекта термоядерного реактора ИТЭР и предназначен для коммутации сверхсильных электрических цепей систем питания электрических обмоток токамака. Расчетные параметры замыкателя:
1. Номинальный ток - 60 кА
2. Номинальное напряжение - 10 кВ
3. Длительность протекания номинального тока - постоянно
4. Время срабатывания замыкателя - 2±0,5 мс.
На чертеже (фиг.1) показан предлагаемый замыкатель (сборка), а на чертеже (фиг.2) показана (укрупненно) основная часть замыкателя (зона контактной группы).
Замыкатель состоит из диэлектрических корпусов 1 и 2, двухтокопроводов верхнего 3 и нижнего 4 с установленными на них съемными коаксиальными неподвижными контактными электродами 5 и 6, индуктора 7, крышки 8 и дискового подвижного электрода 9.
Внешний коаксиальный неподвижный контактный электрод 5 закреплен на верхнем токопроводе 3, а внутренний коаксиальный неподвижный контактный электрод 6 закреплен на нижнем токопроводе 4. Неподвижные контактные электроды и токоподводы снабжены каналами охлаждения 10.
Дисковый подвижный контактный электрод состоит из опорного диска 11 с кольцевым зубом 12 в верхней его части, кольцеобразного контакта 16, состоящего из ряда независимых ламелей 13 с упругими элементами 14 в виде тарельчатых пружин, обоймы 15, кольцевой мембраны 17, разделяющей внутреннюю полость замыкателя на две части - верхнюю - высокого давления 18 и нижнюю - низкого давления 19.
На контактные поверхности неподвижных контактных электродов 5 и 6, а также на независимые ламели 13 прикреплены пластины из серебра 19.
Индуктор 7 состоит из корпуса 20, катушки индуктора 21, газового клапана 22. Клапан служит для отвода в атмосферу небольшого количества газа, попавшего через уплотнение, образованное кольцевым зубом 12, в полость между опорным диском 11 и корпусом индуктора 20, когда замыкатель разомкнут, и препятствует выходу большого объема газа из замыкателя после срабатывания.
В крышке 8, установленной над индуктором, образована дополнительная полость 23, соединенная рядом отверстий 24 с верхней полостью замыкателя 17. Это сделано для того, чтобы уменьшить спад давления газа в верхней полости замыкателя при движении мембраны вниз. Еще одна дополнительная полость 25 создана в нижней части замыкателя. Она уменьшает возрастание давления в нижней полости при движении подвижного контакта вниз.
Замыкатель работает следующим образом.
По команде на замыкание специальное электронное устройство (на схеме не показано) формирует в катушке индуктора 21 токовый импульс амплитудой порядка 20 кА и длительностью менее 5 мс. Под действием электродинамических сил опорный диск 11 отталкивается от индуктора 7 и в образовавшийся зазор проходит газ из полости высокого давления 17. Под действием разности давлений, действующих на дисковый подвижный контактный электрод 9 сверху и снизу, опорный диск перемещается вниз. Установленный на нем кольцеобразный контакт, состоящий из ряда независимых ламелей 13, входит в соприкосновение с коаксиальными неподвижными контактными электродами 5 и 6 и замыкает электрическую цепь.
Возврат замыкателя в исходное положение.
Для приведения замыкателя в исходное положение в нижнюю полость замыкателя 18 подается газ по давлением. Дисковый подвижный контактный электрод 9 перемещается вверх, и кольцевой зуб 12 опорного диска 11 упирается в нижнюю поверхность корпуса индуктора 20. В кольцевой полости, ограниченной зубом 12 опорного диска 11, устанавливается атмосферное давление, так как газ из нее выходит через газовый клапан 22. Затем газ подается в верхнюю полость 17 замыкателя. Давление газа над кольцевой мембраной 16 должно быть несколько атмосфер больше, чем давление под ней. Замыкатель готов к работе.
Литература
1. Доклад 2-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Ленинград, 1981 г., июнь 23÷25, том 3, стр.133.
2. Патент SU №1559956, кл. Н01Н 33/00. Опубликован 15.10.1994 г., БИ №19, с.195.