ВАКУУМНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
HIGH-VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER

Изобретение принадлежит к электротехнике, в частности к вакуумным высоковольтным выключателям.
Известные вакуумные высоковольтные выключатели, приводы которых содержат электромагнит с двумя магнитными защелками - во включенном и в отключенном положениях (патент Украины №35012А и №72320, кл. Н01Н 33/66) [1]. Благодаря использованию магнитных защелок такие выключатели имеют простую конструкцию, высокую надежность и ресурс.
Недостаток таких выключателей заключается в том, что катушка отключения его электромагнита потребляет мощность более 4 кВт и поэтому не может питаться непосредственно от маломощных оперативных цепей питания существующих распределительных устройств, рассчитанных на номинальную мощность не более 0,33 кВт катушек отключения высоковольтных выключателей. В таких выключателях катушки отключения питаются непосредственно от предварительно заряженных конденсаторов, которые входят в состав выключателя. Для обеспечения отключения выключателя в эксплуатации необходимо все время поддерживать эти конденсаторы в заряженном состоянии. В случае продолжительного (более 10 часов) отсутствия напряжения питания этих конденсаторов может произойти их саморазряд, и выключатель не сможет отключиться. Для предупреждения саморазряда в таких случаях в эксплуатации используют разные технические устройства, которые подпитывают конденсатор от других источников энергии. Все это усложняет конструкцию выключателя и снижает его надежность.
По совокупности признаков прототипом к предложенному вакуумному высоковольтному выключателю может быть выключатель, описанный в патенте Украины №72320, кл. Н01Н 33/66, 2005, бюл. №2 [2], который содержит раму, на которой установлены полюса с вакуумными дугогасительными камерами (далее по тексту ВДК) и изоляционными тягами, соединенными через вал с электромагнитом с двумя магнитными защелками и катушками включения и отключения. Схема присоединения катушки отключения электромагнита аналога предполагает более надежное питание этой катушки одновременно по двум каналам: от предварительно заряженного конденсатора, а также от сети через гасящий резистор. Однако прототип также может потерять способность отключиться после продолжительного (более 10 часов) отсутствия напряжения питания конденсаторов. Кроме этого, для обеспечения питания мощной катушки отключения от сети через гасящий резистор нужна соответственно мощная сеть. Еще один недостаток прототипа заключается в том, что он содержит конденсатор большой емкости, как источник опасного напряжения, которое может сохраняться продолжительное время после его отсоединения от сети при техническом обслуживании выключателя.
В основу настоящего изобретения положена задача создания вакуумного высоковольтного выключателя, в котором конструкция электромагнита с двумя магнитными защелками привода выключателя позволяла бы снизить мощность потребления катушки отключения электромагнита до величины не более 0,33 кВт.
Поставленная задача достигается тем, что в вакуумном высоковольтном выключателе, содержащем раму, на которой установлены один или три полюса с вакуумными дугогасительными камерами и изоляционными тягами, соединенными через вал с электромагнитом, выполненным из шихтованного магнитопровода, катушек включения и отключения, якоря, постоянных магнитов и имеющим две магнитные защелки, предназначенные для удержания якоря в обоих его крайних положениях силой притяжения к магнитопроводу вследствие действия постоянных магнитов, причем одна магнитная защелка выполнена в виде двух симметричных магнитных цепей включения и предназначена для удержания якоря во включенном положении, а другая - в виде двух симметричных магнитных цепей отключения и предназначена для удержания якоря в отключенном положении электромагнита, согласно изобретению электромагнит имеет в каждой магнитной цепи отключения, кроме торцевого рабочего зазора, между торцом якоря и магнитопроводом дополнительный боковой рабочий зазор между боковой поверхностью якоря и магнитопроводом, причем во включенном положении электромагнита магнитная проводимость бокового рабочего зазора в несколько раз превышает магнитную проводимость указанного торцевого рабочего зазора, а вакуумный выключатель имеет пружину отключения, один конец которой шарнирно соединен с рамой, а другой - кинематически соединен с изоляционными тягами полюсов.
2
2
2
Указанные технические признаки предложенного вакуумного высоковольтного выключателя принадлежат к существенным потому, что их совокупность обеспечивает положительный технический результат, то есть они находятся в причинно-следственной связи с этим результатом. Так, наличие в магнитной цепи отключения электромагнита, кроме торцевого рабочего зазора, дополнительно бокового рабочего зазора (у аналога нет бокового рабочего зазора) приводит к увеличению суммарной магнитной проводимости этих рабочих зазоров, поскольку они образуют параллельно соединенные ветви в магнитной цепи отключения. Вследствие того, что во включенном положении электромагнита магнитная проводимость бокового рабочего зазора в n раз больше магнитной проводимости торцевого рабочего зазора, суммарная магнитная проводимость магнитной цепи отключения увеличилась приблизительно в n+1 раз в сравнении с аналогом, у которого нет боковых рабочих зазоров. А это, в свою очередь, позволяет уменьшить в n+1 раз магнитодвижущую силу (далее по тексту М.Д.С.) катушки отключения (в сравнении с аналогом) для обеспечения такого же, как у аналога ослабления магнитного потока и силы магнитной защелки, которая удерживает электромагнит и выключатель во включенном состоянии. Как известно, уменьшение М.Д.С. катушки в n+1 раз позволяет уменьшить в n+1 раз площадь сечения провода, которым намотана эта катушка, а значит увеличить в n+1 раз количество витков при сохранении площади сечения катушки. То есть активное сопротивление катушки отключения может быть увеличено в (n+1) раз. Так как катушки электромагнита с магнитными защелками рассчитаны только на постоянный ток, то в результате увеличения сопротивления катушки в (n+1) раз имеем уменьшение тока потребления и мощности катушки отключения также в (n+1) раз. Так в однополюсном выключателе при n=4 мощность катушки отключения была уменьшена в 25 раз и составляла 0,22 кВт.
Наличие пружины отключения, один конец которой шарнирно соединен с рамой, а другой - кинематически соединен с изоляционными тягами полюсов в сочетании с уменьшением мощности катушки отключения является также существенным признаком, потому что пружина отключения, как энергоноситель компенсирует уменьшение работы электромагнита при отключении выключателя вследствие уменьшения мощности катушки отключения. И так, исходя из энергетических потребностей для обеспечения отключения выключателя, использование пружины отключения является необходимым условием, которое позволяет уменьшить мощность катушки отключения. У аналога пружины отключения нет, в энергетическом отношении ее заменяет электромагнит с мощной катушкой отключения.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примеров его выполнения и чертежей, на которых:
На фиг.1 изображен вакуумный выключатель внешней установки в однополюсном исполнении;
на фиг.2 - вакуумный выключатель внешней установки в трехполюсном исполнении;
на фиг.3 - вакуумный выключатель внутренней установки в трехполюсном исполнении;
на фиг.4 - кинематическая связь электромагнита с полюсом однополюсного выключателя;
на фиг.5 - электромагнит во включенном положении;
на фиг.6 - схема циркуляции магнитных потоков при включении выключателя;
на фиг.7 - схема циркуляции магнитных потоков при отключении выключателя.
Кинематическая связь электромагнита с полюсами может быть произвольная. Ниже приведено описание кинематической связи электромагнита с полюсом однополюсного выключателя внешней установки.
Вакуумный выключатель состоит из рамы 1 (фиг.1-3), на которой размещены один или три полюса 2. В каждом полюсе размещена ВДК 3 (фиг.4), подвижный контакт которой через изоляционную тягу 4, ось 5, тягу 6, ось 7, рычаг 8 вала 9, пальцы 10, серьги 11 и ось 12 кинематически соединены с электромагнитом 13, неподвижно закрепленным в раме. Пружина отключения 14, которая работает на растяжение, одним концом шарнирно соединена с рамой, а другим - с рычагом 8 вала 9. На фиг.5 кинематическая связь электромагнита с полюсами показана во включенном положении выключателя.
Электромагнит состоит из: магнитопровода 15 (фиг.5), двух постоянных магнитов 16, якоря 17, направляющих 18 и 19, катушки отключения 20, катушки включения 21 и вставки 22. Якорь 17 имеет возможность двигаться в осевом направлении в направляющих 18 и 19 до упора в магнитопровод 15 правым торцом (как показано на фиг.5) или левым торцом. Конструкция электромагнита образует две симметричные магнитные цепи включения и две симметричные магнитные цепи отключения, контуры которых показаны на фиг.5 толстыми линиями. Контуры магнитных цепей включения пронизывают катушку включения, а контуры магнитных цепей отключения пронизывают катушку отключения. При обесточенных катушках включения и отключения в этих магнитных цепях источниками М.Д.С. есть только постоянные магниты.
В магнитных цепях включения электромагнит имеет торцевой рабочий зазор между торцом якоря (на фиг.5 правый торец якоря) и магнитопроводом.
В магнитных цепях отключения электромагнит имеет торцевой рабочий зазор между другим торцом якоря (на фиг.5 левый торец якоря) и магнитопроводом, а также дополнительно боковые рабочие зазоры между боковыми поверхностями якоря и магнитопроводом. Во включенном положении электромагнита, показанном на фиг.5, магнитная проводимость боковых рабочих зазоров в несколько раз больше магнитной проводимости торцевого рабочего зазора, что обеспечивается меньшей (в несколько раз) длиной бокового рабочего зазора от длины торцевого рабочего зазора при соответствующих площадях сечения этих зазоров.
При обесточенных катушках включения и отключения в магнитных цепях отключения циркулируют магнитные потоки Ф1 (фиг.5), а в магнитных цепях включения - магнитные потоки Ф2. Эти потоки являются результатом действия постоянных магнитов.
Включение выключателя происходит так. При подаче в катушку включения постоянного тока в направлении, показанном на фиг.6, в электромагните дополнительно возникают магнитные потоки Ф3 и Ф4, которые усиливают действие магнитного потока Ф2, что увеличивает силу тяги якоря вправо. Одновременно магнитный поток Ф3 ослабляет действие потока Ф1, что уменьшает силу магнитной защелки на левом торце якоря. В результате якорь 17 (фиг.5) перемещает в крайнее правое (включенное) положение до упора в магнитопровод 15. После этого катушка включения обесточивается, но якорь удерживается во включенном положении силой магнитной защелки, что действует на правый торец якоря. Одновременно поворачивается по часовой стрелке рычаг 8 (фиг.4) вала 9 и растягивает пружину отключения 14, а также через кинематические соединения замыкается контакт ВДК и осуществляется его поджатие пружинами, вмонтированными в изоляционную тягу 4. Выключатель включен и удерживается в этом положении силой магнитной защелки, которая действует на правый торец якоря.
Отключение выключателя происходит так. При подаче на катушку отключения постоянного тока в направлении, показанном на фиг.7, в электромагните дополнительно возникают магнитные потоки Ф5, Ф6 и Ф7. Магнитный поток Ф7 усиливает действие магнитного потока Ф1 и увеличивает силу тяги якоря влево. Одновременно магнитные потоки Ф5 и Ф6, циркулируя через магнитные цепи включения, ослабляют действие магнитного потока Ф2, что, уменьшает силу магнитной защелки на правом торце якоря. Величина магнитного потока Ф6, который проходит через боковой рабочий зазор, значительно больше величины магнитного потока Ф5, который проходит через левый торцевой рабочий зазор, вследствие разных величин магнитной проводимости этих рабочих зазоров. Поэтому действие магнитного потока Ф6 (а также наличие бокового рабочего зазора) в процессе отключения выключателя является доминирующим.
После уменьшения силы магнитной защелки якорь электромагнита 13 (фиг.4) под действием превосходящих сил пружины отключения 14, которая направлена влево, и пружин поджатия контактов ВДК, вмонтированных в изоляционную тягу 4, которая направлена вниз, перемещается в крайнее левое (отключенное) положение до упора в магнитопровод. После этого катушка отключения обесточивается, а якорь удерживается в отключенном положении силой магнитной защелки, которая действует на его левый торец. Одновременно поворачивается против часовой стрелки рычаг 8 вала 9 и уменьшается натяжение пружины отключения 14, а также через кинематические соединения разжимаются пружины поджатия, вмонтированные в изоляционную тягу 4, и размыкаются контакты ВДК 3. Выключатель отключен и удерживается в этом положении силой магнитной защелки, которая действует на левый торец якоря, а также силой начального натяжения пружины отключения 14.
Такой выключатель создан в ООО "Высоковольтный союз - Украина" и прошел испытание в НИЦ ВВА г.Москва. Выключатель не содержит конденсаторов, а катушка отключения электромагнита потребляет мощность около 0,22 кВт, что дает возможность осуществлять ее питание непосредственно от маломощных оперативных цепей распределительных устройств. Это существенно повысило надежность выключателя и безопасность его технического обслуживания.
Источники информации
1. А.С. UА №35012 А, кл. Н01Н 33/66, 15.03.2001. Бюл.№2.
2. А.С. UA №72320, кл. Н01Н 33/66, 15.02.2005. Бюл.№2.
3. ГОСТ 687-78 «Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В».