СПОСОБ СБОРКИ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
INSTALLATION METHOD FOR VACUUM CIRCUIT BREAKERS

Изобретение относится к технологии изготовления высоковольтных вакуумных выключателей и переключателей, в частности к их сборке.
Предлагаемый способ может найти применение при изготовлении вакуумных выключателей, переключателей и реле в металлостеклянном и металлокерамическом исполнении, преимущественно с двумя разрывами, с упругим или жестким контактным мостиком, передача движения которому производится или от встроенной электромагнитной системы управления нейтрального или поляризованного типов, или с помощью мембраны (сильфона) от аналогичных электромагнитных систем управления, расположенных вне вакуумированной оболочки.
Известен способ сборки переключателей невакуумированного типа путем установки одна относительно другой контактных деталей, создания контактного нажатия и непосредственного его контроля при сборке с помощью граммометра [1]. Однако этот способ неприменим для сборки вакуумных выключателей и переключателей, так как у них высоковольтные контакты расположены внутри вакуумированной оболочки и после стыковки ее с электромагнитной системой управления доступа к ним для установления требуемого контактного нажатия нет.
Известен способ сборки вакуумных выключателей, описанный в [2], однако он не предусматривает обеспечения контроля при регулировке контактного нажатия непосредственно в процессе сборки. При этом из-за наличия допусков на детали и узлы процесс получения вакуумных выключателей с одинаковым или почти одинаковым контактным нажатием был неуправляемым, т.е. имелась вероятность получения выключателей как с малым, так и слишком большим контактным нажатием. Это вело к ненадежной работе таких вакуумных выключателей с замкнутыми контактами при воздействии вибрационных и ударных нагрузок.
При малой величине контактного нажатия размыкание высоковольтной цепи замкнутых контактов происходит вследствие того, что контактное нажатие оказывается недостаточным для компенсации сил воздействия механических нагрузок. При большой величине контактного нажатия, за счет излишнего прогиба контактной пластины или упругого элемента связи с подвижным контактом, возникает упругая сила реакции значительной величины, которая направлена на размыкание контактов. При совпадении силы реакции с направлением силы воздействия механических нагрузок их суммарная величина имеет значение, соизмеримое или превышающее силу тяги электромагнита или силу прижатия контактов от возвратной пружины. Это приводит к упругим колебаниям всей подвижной системы выключателя при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, следствием чего является размыкание высоковольтной цепи контактов.
Поэтому для обеспечения надежной работы вакуумных выключателей и вакуумных переключателей при замкнутом положении их контактов (обеспечиваемом электромагнитом, пружиной или постоянным магнитом) очень важно обеспечить при сборке установку оптимальной величины контактного нажатия в каждом конкретном образце.
Более совершенным техническим решением является способ сборки, предложенный в [3], который обеспечивает регулировку и контроль контактного нажатия непосредственно в процессе сборки вакуумных выключателей с упругим контактным мостиком. Согласно этому способу оболочка с высоковольтными выводами устанавливается на корпус электромагнита с обмоткой управления и якорем, связанным с контактным мостиком, затем подается напряжение питания на обмотку управления, с последующим контролем замыкания цепи контактов контактным мостиком. При этом измеряется величина напряжения отпускания якоря до и после установки оболочки с высоковольтными выводами, разность этих напряжений сравнивают с эталонным значением, по результату этого сравнения определяют отклонение натяга контактного мостика от оптимального значения и при наличии недопустимого отклонения производят дополнительную регулировку натяга мостика. Данный способ применим преимущественно при сборке вакуумных выключателей в металлостеклянном исполнении с упругим контактным мостиком, так как только в этом случае имеется возможность визуального контроля за моментом отпускания якоря электромагнита. Однако и в случае сборки вакуумных выключателей в металлостеклянном исполнении с двойным разрывом и упругим контактным мостиком, например при сборке вакуумного выключателя, описанного в [4] и других, этот способ не обеспечивает установление в процессе сборки одинакового контактного нажатия в каждом из контактных разрывов одного и того же выключателя по следующей причине. При сборке упомянутых выключателей разность между величинами напряжения отпускания якоря электромагнита до и после установки оболочки с высоковольтными выводами определяется суммой величин натяга контактного мостика в первом и во втором разрывах. Так как величина натяга контактного мостика конкретно в каждом разрыве в процессе сборки по этому способу не устанавливается и не контролируется, то величины контактного нажатия в каждом разрыве имеют вероятностный характер, т.е. они могут значительно отличаться друг от друга, хотя разность между величинами напряжения отпускания якоря до и после установки оболочки с высоковольтными выводами при этом соответствует оптимальной величине контактного нажатия. Это говорит о том, что у одного и того же выключателя в одном контактном разрыве будет иметь место контактное нажатие, значительно превышающее оптимальное значение, а в другом разрыве - значительно меньше его. В совокупности это ведет к ненадежной работе выключателей с замкнутыми контактами при воздействии механических нагрузок из-за размыкания цепи контактов, вследствие большой силы реакции контактного мостика на отрыв его в первом разрыве и недостаточного контактного нажатия для компенсации ускорения механических нагрузок во втором разрыве.
В случае использования способа по [3] при сборке выключателей в металлокерамическом исполнении имеются трудности, вызванные отсутствием визуального контроля из-за непрозрачности керамики за моментом отпускания якоря электромагнита и за обеспечением равномерного зазора между высоковольтными контактами и контактным мостиком, после установки металлокерамической оболочки. Это не позволяет, как и в случае выключателя в металлостеклянном исполнении с двойным разрывом, обеспечить одинаковое контактное нажатие в каждом из разрывов контактов, что ведет к размыканию цепи контактов при воздействии механических нагрузок.
Кроме того, этот способ неприменим для сборки вакуумных выключателей и переключателей с электромагнитной системой управления поляризованного типа, в которых для удержания подвижного контакта в крайних положениях используются постоянные магниты. В этом случае контактное нажатие зависит только от энергии постоянного магнита, т.е. устанавливать требуемое контактное нажатие при сборке по разности напряжения отпускания якоря до и после установки оболочки с высоковольтными выводами не представляется возможным.
Ближайшим техническим решением является способ сборки вакуумных выключателей, предложенный в [5]. Согласно этому способу оболочку с высоковольтными выводами устанавливают на корпус электромагнита с обмоткой управления и якорем, связанным с контактным мостиком, подают напряжение питания на обмотку управления, производят контроль замыкания цепи контактов контактным мостиком, при отсутствии замыкания цепи контактов снимают оболочку и производят регулировку натяга контактного мостика до обеспечения замыкания цепи контактов. При этом непосредственно при сборке, после обеспечения замыкания цепи контактов, измеряют время дребезга контактов в момент замыкания их при подаче напряжения питания на обмотку управления, сравнивают полученное значение времени дребезга с эталонным значением, при наличии недопустимого отклонения производят регулировку контактного нажатия в каждом из разрывов контактов, для чего перемещают оболочку относительно корпуса электромагнита вокруг своей оси и в плоскости перемещения подвижного контакта и одновременно измеряют время дребезга контактов, причем оболочку перемещают до момента достижения времени дребезга, соответствующего эталонному значению. В результате обеспечиваются сборка вакуумных выключателей с одинаковым контактным нажатием в каждом из разрывов контактов и оптимальное его значение.
Однако и этот способ [5], наряду с ранее известными [1-3], имеет существенные недостатки. Они вызваны тем, что "оптимальное" контактное нажатие по этим способам устанавливается в статическом режиме и при нормальной температуре окружающей среды (25±10°С). Вакуумные же выключатели эксплуатируются в условиях воздействия ускорений вибрационных и ударных нагрузок при повышенной температуре окружающей среды. Вследствие наличия допусков на изготовление деталей и узлов при многократной коммутации, т.е. в динамическом режиме работы вакуумных выключателей, у них имеет место увеличение длины межконтактного зазора из-за смещения на величину люфтов взаимодействующих при коммутации элементов, а следовательно, уменьшение величины установленного при сборке "оптимального" контактного нажатия. В результате это ведет к нестабильному замыканию цепи контактов при многократной коммутации и к размыканию цепи контактов при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. Особенно интенсивно это проявляется в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок при критических рабочих положениях вакуумных выключателей в пространстве, которые определяются конструктивным исполнением конкретных их типов. Кроме того, установленное при нормальной температуре "оптимальное" контактное нажатие уже не будет таковым при повышенных рабочих температурах окружающей среды рабочего диапазона температур (100°С и выше), при которых эксплуатируются вакуумные выключатели. В первую очередь это связано с уменьшением мощности электромагнита при повышении температуры из-за увеличения сопротивления обмотки, что, естественно, ведет к существенному уменьшению тягового усилия электромагнита и, в результате, к снижению установленного при нормальной температуре "оптимального" контактного нажатия. Во-вторых, из-за температурного коэффициента линейного расширения при повышении температуры изменяются зазоры во взаимодействующих при коммутации подвижных сочленениях, что в итоге вызывает дополнительное увеличение межконтактного зазора и, как следствие, дальнейшее снижение установленного при сборке "оптимального" контактного нажатия. В совокупности отмеченное выше ведет к снижению надежности работы вакуумных выключателей (переключателей) при эксплуатации в условиях воздействия повышенных температур окружающей среды и ускорений вибрационных и ударных нагрузок.
Таким образом, в рассмотренных выше способах сборки вакуумных выключателей (переключателей) проблема обеспечения стабильности замыкания и размыкания электрической цепи контактов при коммутации, снижения вероятности размыкания цепи контактов и повышения надежности пропускания тока высокой частоты при эксплуатации в условиях воздействия ускорения механических нагрузок и повышенных температур окружающей среды требует изыскания более эффективного решения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от известных способов сборки, включающих операции установки оболочки с высоковольтными выводами на корпус электромагнита с обмоткой управления и якорем, связанным с контактным мостиком, подачи напряжения питания на обмотку управления с последующим контролем замыкания цепи контактов контактным мостиком, при отсутствии замыкания цепи контактов дальнейшей регулировки натяга контактного мостика до момента обеспечения замыкания цепи контактов, последующей установки оптимального контактного нажатия по времени дребезга контактов, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности замыкания и (или) размыкания электрической цепи контактов при коммутации и снижения вероятности размыкания цепи контактов при воздействии ускорения механических нагрузок, после установки "оптимального" контактного нажатия проверяют стабильность замыкания и (или) размыкания цепи контактов контактным мостиком путем подачи на обмотку управления импульсов напряжения длительностью, в 2,5…3 раза большей времени срабатывания вакуумного выключателя, общее количество которых составляет от одного до 10% от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации, при этом через интервал времени, в 1,5…2 раза больший времени срабатывания выключателя, фиксируют количество коммутаций, при которых не произошли замыкания и (или) размыкания цепи контактов, а при их наличии производят дополнительную регулировку натяга контактного мостика и повторный контроль стабильности замыкания и (или) размыкания цепи контактов.
Другое отличие состоит в том, что проверку стабильности замыкания и размыкания цепи контактов ведут в наиболее критических положениях выключателя (переключателя) при эксплуатации в пространстве подачей на обмотку управления импульсов напряжения величиной на 15-25% менее номинального напряжения питания.
Кроме того, проверку ведут при повышенной температуре окружающей среды, величину которой устанавливают равной максимальной температуре окружающей среды при эксплуатации вакуумных выключателей (переключателей).
Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ сборки вакуумных выключателей (переключателей) отличается тем, что по предлагаемому способу непосредственно при сборке, после обеспечения замыкания цепи контактов и обеспечения оптимального контактного нажатия по времени дребезга контактов при их замыкании, проверяют стабильность замыкания и (или) размыкания цепи контактов контактным мостиком путем подачи на обмотку управления импульсов напряжения длительностью, в 2,5…3 раза большей времени срабатывания вакуумного выключателя, общее количество которых составляет от одного до 10% от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации, при этом через интервал времени, в 1,5…2 раза больший времени срабатывания выключателя, фиксируют количество коммутаций, при которых не произошли замыкания и (или) размыкания цепи контактов, а при их наличии, производят дополнительную регулировку натяга контактного мостика и повторный контроль стабильности замыкания и (или) размыкания цепи контактов. Другое отличие состоит в том, что проверку стабильности замыкания и размыкания цепи контактов ведут подачей на обмотку управления импульсов напряжения величиной на 15-25% менее номинального напряжения питания в наиболее критических для эксплуатации положениях выключателя (переключателя) в пространстве. Кроме того, проверку ведут при повышенной температуре окружающей среды, величину которой устанавливают равной максимальной температуре окружающей среды при эксплуатации вакуумных выключателей (переключателей).
Таким образом, заявляемый способ сборки вакуумных выключателей соответствует критерию изобретения «новизна». Анализ известных технических решений [1-3, 5] позволяет сделать вывод об отсутствии у них существенных признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого способа сборки вакуумных выключателей, и признать предлагаемое решение соответствующим изобретательскому уровню.
Проведение проверки стабильности замыкания и размыкания цепи контактов при количестве коммутаций от одного до 10% от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации, путем многократной подачи на обмотку управления импульсов напряжения и учета количества коммутаций, при которых не произошли замыкания и (или) размыкания цепи контактов выключателей, позволяет непосредственно при сборке выявить и последующей дополнительной регулировкой устранить вероятность появления незамыканий или неразмыканий цепи контактов из-за наличия допусков на изготовление деталей и узлов, а также из-за скрытых дефектов, связанных с обработкой деталей, сборкой узлов и изделий. Для повышения достоверности обнаружения потенциально ненадежных по стабильности замыкания и (или) размыкания цепи контактов вакуумных выключателей количество поданных импульсов напряжения на обмотку управления при проверке составляет от одного до десяти процентов от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации, поскольку выявить упомянутые выше скрытые дефекты при однократном замыкании контактов не представляется возможным.
Подача на обмотку управления импульсов напряжения длительностью, в 2,5…3 раза большей времени срабатывания вакуумного выключателя, обеспечивает проверку замыкания и (или) размыкания цепи контактов при сформировавшемся стабильном (надежном) контакте между подвижным контактным мостиком и неподвижными выводами-контактами. В результате исключается ошибка учета (фиксации) ложных незамыканий и (или) неразмыканий цепи контактов, обусловленных дребезгом контактов при замыкании и (или) размыкании цепи контактов, т.е. до сформирования стабильного (надежного) контакта. Этому способствует и проведение фиксации (контроля) количества несостоявшихся замыканий и (или) размыканий цепи контактов через интервал времени, в 1,5…2 раза больший времени срабатывания вакуумного выключателя. Кроме того, при импульсной подаче напряжения на обмотку управления электромагнита замыкание или размыкание цепи контактов при наличии дефектов во взаимодействующих при коммутации элементов не происходит, в то время как при длительной (непрерывной) подаче напряжения питания срабатывание (замыкание и размыкание) цепи контактов может происходить.
Проверка подачей на обмотку управления импульсов напряжения величиной на 15-25% менее номинального напряжения питания при эксплуатации позволяет выявить и при последующей регулировке устранить нестабильность срабатывания, связанную с повышенной силой трения между соприкасающимися поверхностями взаимодействующих при коммутации элементов из-за недостаточной чистоты их обработки и неточности их взаимного расположения. В результате повышается достоверность выявления потенциально ненадежных по стабильности срабатывания вакуумных выключателей, поскольку проверка ведется при пониженной мощности электромагнита.
Проведение проверки в наиболее критических положениях выключателя при эксплуатации позволяет выявить и при последующей регулировке устранить нестабильность замыкания или неразмыкания цепи контактов, связанную с наличием люфтов в подвижных сочленениях из-за допусков на изготовление элементов и неточности их взаиморасположения в пространстве относительно друг друга при сборке (непараллельность оси вращения якоря электромагнита и плоскости контактирования и другие скрытые дефекты).
Проведение проверки при повышенной температуре окружающей среды позволяет выявить и путем последующей дополнительной регулировки устранить незамыкание или неразмыкание цепи контактов выключателя, связанных с уменьшением мощности электромагнита из-за температурного коэффициента сопротивления провода обмотки, увеличением радиальных и продольных люфтов в подвижных сочленениях и изменением межэлектродных зазоров из-за различных коэффициентов линейного термического расширения материалов взаимодействующих при коммутации элементов.
В совокупности отмеченное ведет к повышению стабильности замыкания и размыкания электрической цепи контактов при коммутации, к снижению вероятности размыкания цепи замкнутых контактов при воздействии ускорения механических нагрузок, повышению надежности пропускания тока высокой частоты через замкнутые контакты, что позволяет в итоге повысить надежность работы вакуумных выключателей (переключателей) при эксплуатации.
По предлагаемому способу, применительно к вакуумному выключателю с двойным разрывом, например по [3], сборку ведут в следующей последовательности.
В корпус электромагнита, собранный с якорем и подвижным контактом, устанавливают катушку электромагнита. После этого измеряют напряжение срабатывания и отпускания якоря электромагнита до установки оболочки, а в случае необходимости принимают меры по обеспечению заданных значений напряжения срабатывания и напряжения отпускания путем изменения жесткости пружины или устранением зазора между соприкасающимися поверхностями якоря, сердечника и корпуса (кольца) электромагнита в прижатом положении якоря. Затем на корпус электромагнита устанавливают оболочку с высоковольтными выводами, подают напряжение питания до момента срабатывания якоря электромагнита и контролируют по подключенному к высоковольтным выводам прибору (омметр, осциллограф и т.п.) замыкание цепи контактов.
В случае, если замыкание цепи контактов между высоковольтными выводами при этом не произойдет, оболочку снимают и производят регулировку натяга контактного мостика в сторону замыкания цепи контактов, например, его подгибкой или элементами регулировки хода якоря и межконтактного зазора до того момента, когда при поданном на обмотку управления напряжении питания контактный мостик замкнет цепь между высоковольтными выводами-контактами оболочки.
По достижении замыкания цепи контактов напряжение питания с обмотки управления снимают и отключают прибор контроля цепи контактов. Затем высоковольтные выводы и выводы обмотки управления соединяют со схемой измерения времени дребезга контактов, подают напряжение питания на обмотку управления и измеряют время дребезга контактов в момент замыкания их цепи контактов. При наличии отклонения измеренной величины дребезга от эталонного значения, предварительно установленного экспериментальным путем для каждого конкретного типа выключателей, в сторону увеличения производят регулировку контактного нажатия в каждом из разрывов. Для этого оболочку сначала поворачивают вокруг своей оси в любую сторону и измеряют время дребезга контактов при новом положении оболочки. Если при этом отмечается увеличение времени дребезга контактов, то оболочку возвращают в исходное положение, а затем поворачивают ее вокруг оси в противоположном направлении и снова измеряют время дребезга контактов в момент замыкания их цепи контактов. Оболочку при одновременном измерении времени дребезга контактов поворачивают в направлении, при котором происходит уменьшение времени дребезга контактов до того момента, когда будет получено минимальное значение времени дребезга. Критерием достижения минимального значения времени дребезга контактов за счет поворота оболочки (или корпуса электромагнита) вокруг оси является увеличение его величины при дальнейшем повороте оболочки вокруг своей оси в том же направлении. Дальнейшую регулировку контактного нажатия в каждом из разрывов контактов производят перемещением оболочки относительно корпуса электромагнита в плоскости (в направлении) перемещения контактного мостика (подвижного контакта) в направлении замыкания или размыкания его с неподвижными контактами. Для этого оболочку сначала перемещают в каком-то одном направлении и измеряют время дребезга контактов в момент замыкания цепи контактов при подаче напряжения питания на обмотку управления. Если при перемещении оболочки в одном из этих направлений абсолютное значение разности между эталонным и измеренным временем дребезга будет уменьшаться, то оболочку продолжают перемещать в этом же направлении до момента получения абсолютного значения разности, близкой к нулю, т.е. до момента получения времени дребезга, соответствующего эталонному значению (с учетом допуска на него). Если же при перемещении оболочки в этом направлении абсолютное значение разности времени дребезга будет увеличиваться, то оболочку возвращают в исходное положение, а затем перемещают ее в противоположном направлении, при одновременном измерении времени дребезга контактов. Перемещение оболочки (или корпуса электромагнита) в направлении, при котором отмечается уменьшение времени дребезга, производят до момента, когда абсолютное значение их разности будет близким к нулю, т.е. до получения времени дребезга, соответствующего эталонному значению. Полученное вышеупомянутыми операциями значение времени дребезга, соответствующее эталонному значению, определяет момент, когда непосредственно при сборке будет установлено оптимальное контактное нажатие контактного мостика в каждом из разрывов контактов выключателя.
По достижении оптимального контактного нажатия, установленного по эталонному значению времени дребезга контактов, оболочку с помощью зажимов жестко скрепляют с корпусом электромагнита, после чего вакуумный выключатель устанавливают в устройство, предназначенное для проверки стабильности срабатывания (замыкания и (или) размыкания) цепи контактов вакуумного выключателя. Проверку стабильности замыкания и размыкания цепи контактов ведут путем многократной подачи на обмотку управления импульсов напряжения величиной на 15-25% менее номинального напряжения питания при эксплуатации длительностью, в 2,5-3 раза превышающей время срабатывания вакуумного выключателя, при этом через интервал времени, в 1,5…2 раза больший времени его срабатывания, фиксируют количество коммутаций, при которых не произошли замыкания и размыкания цепи контактов. Проверку ведут поочередно в трех наиболее критических для эксплуатации положениях вакуумных выключателей в пространстве при максимальной температуре окружающей среды при эксплуатации, при этом общее количество подаваемых на обмотку управления импульсов напряжения составляет от одного до 10% от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации, которое поровну разделяется между положениями выключателя при проверке. Незамыкание и неразмыкание цепи контактов учитывают с помощью регистрирующих устройств, например электронных или электромеханических счетчиков импульсов. Для обеспечения этого на разомкнутые контакты подают напряжение величиной порядка 20-30 В (или менее) постоянного или переменного 50 Гц тока, а в цепь последовательно с контактами включают нагрузочное сопротивление, обеспечивающее величину тока, необходимую для срабатывания счетчиков импульсов при замыкании цепи контактов. В случае замыкания цепи контактов через нагрузочное сопротивление идет ток, а в случае незымыкания цепи контактов - ток не идет, что и учитывает регистрирующее устройство. Другим регистрирующим устройством учитывают количество импульсов напряжения, поданных при проверке на обмотку управления электромагнита. При проверке в интервале от одного до 10% от гарантируемого количества коммутаций при эксплуатации фиксируют количество коммутаций, при которых не произошли замыкания или размыкания цепи контактов. При их обнаружении зажимы снимают, производят дополнительную регулировку натяга контактного мостика описанным выше способом и ведут повторный контроль стабильности замыкания и размыкания цепи контактов. Указанный цикл повторяют до тех пор, пока не будет обеспечена заданная стабильность срабатывания вакуумных выключателей. В сравнении с прототипом предлагаемый способ сборки вакуумных выключателей:
- повышает стабильность замыкания и размыкания цепи контактов при длительной коммутации в условиях эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды и воздействии ускорений механических нагрузок;
- снижает вероятность размыкания цепи контактов при воздействии ускорения механических нагрузок;
- стабилизирует контактное нажатие, т.е. стабилизирует сопротивление замкнутых контактов и нагрев выключателя пропускаемым через контакты током высокой частоты при эксплуатации.
Источники информации
1. Заявка ФРГ №251868, кл. 34В 27/18, 1967.
2. Отчет по теме «Контакт», 1970, ОР №1345281.
3. Авторское свидетельство СССР №544007, кл. Н01Н 33/66, 1977.
4. Авторское свидетельство СССР №305517, кл. Н01Н, 33/66, 1971.
5. Патент РФ №2297685, МПК Н01Н 11/00, Н01Н 33/66, 2007.