ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД С ДВУМЯ УСТОЙЧИВЫМИ СОСТОЯНИЯМИ ДЛЯ СРЕДНЕВОЛЬТНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
ELECTROMAGNETIC DRIVE WITH TWO STEADY STATES FOR MEDIUM VOLTAGE AUTOMATIC SWITCH

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромагнитному приводу с двумя устойчивыми состояниями для средневольтного автоматического выключателя, содержащему по меньшей мере одну электрическую катушку для переключения ферромагнитного якоря между первым крайним положением и вторым крайним положением под действием электромагнитного поля, по меньшей мере один постоянный магнит для удержания якоря в одном из двух крайних положений, соответствующих разомкнутому или замкнутому положению механически соединенного автоматического электрического выключателя, причем якорь содержит верхний плунжер, опирающийся на ферромагнитный элемент электрической катушки для статического удержания якоря в первом крайнем положении, который соединен с плунжерной штангой, проходящей через ферромагнитный элемент катушки и через постоянный магнит для механического соединения привода с автоматическим выключателем.
Средневольтный автоматический выключатель, рассчитанный на диапазон от 1 до 72 кВ, может устанавливаться в металлическом корпусе выключателя при использовании внутри помещений либо может устанавливаться на подстанции при использовании вне помещений. В настоящее время, внутри помещений вместо воздушных автоматических выключателей используются вакуумные автоматические выключатели. Параметры средневольтных выключателей определяются международными стандартами. В особенности это относится к вакуумным автоматическим выключателям, рассчитанным на силу тока менее 300 ампер. Такие выключатели прерывают ток путем создания и гашения дуги в вакуумной камере. Обычно они используются для напряжений мощностью до 35000 В, что примерно соответствует диапазону средневольтных силовых систем. Вакуумные автоматические выключатели обычно имеют более длительный срок службы по сравнению с воздушными автоматическими выключателями.
6
Между тем, настоящее изобретение относится не только к вакуумным автоматическим выключателям, но также и к воздушным выключателям или современным элегазовым автоматическим выключателям SF6, в которых камера заполнена газом SF.
Уровень техники
Использование электромагнитных приводов с высокой плотностью силы для приведения в действие подвижных контактов с целью прерывания подачи электропитания в средневольтных цепях широко известно. Конструкция известных электромагнитных приводов предполагает использование неподвижного сердечника в центре устройства, а также двух подвижных плунжеров, один сверху, а другой снизу сердечника, соединенных между собой плунжерной штангой. Такое устройство должно создавать значительное статическое удерживающее усилие в сомкнутом положении для запирания отключающих и контактных пружин. Величина подобного статического удерживающего усилия является ключевым параметром при проектировании автоматических выключателей, а с точки зрения экономии пространства и снижения веса, в целом, желательно создавать такое усилие с помощью небольшого электромагнитного привода. В разомкнутом положении, для удержания автоматического выключателя в разомкнутом положении требуется меньшее статическое удерживающее усилие. Для перевода привода из замкнутого в разомкнутое положение необходимо подать электропитание на электрическую катушку привода.
В документе ЕР 0898780 В1 описан электромагнитный привод с ферромагнитным якорем, который линейно перемещается между двумя крайними положениями, механически соединяется с автоматическим выключателем, и на который, при его нахождении в крайних положениях, воздействуют магнитные силы. Якорь и корпус ферромагнитного шунта расположены последовательно в промежутке между первой и второй упорными поверхностями. Упорные поверхности являются полюсными поверхностями магнитных цепей, которые включают в себя, по меньшей мере, один постоянный магнит, создающий удерживающее усилие для якоря. Подобное известное устройство также предназначено для использования в вакуумных автоматических выключателях. В сомкнутом положении корпус ферромагнитного шунта разнесен от якоря. Поэтому шунт может перемещаться в направлении якоря, инициируя размыкание автоматического выключателя. Известное решение основано на конструкции, которая использует не весь потенциал статического удерживающего усилия, поскольку полезная площадь между подвижным якорем и неподвижным ярмом ограничена областью, находящейся внутри катушки. В результате этого привод становится почти в два раза больше, чем это необходимо.
В WO 03/030188 А1 раскрывается другой электромагнитный привод, в частности предназначенный для больших вакуумных автоматических выключателей. Для приведения в действие электромагнитного привода или для перевода подключенного автоматического выключателя из разомкнутого в сомкнутое положение необходимы две электрические катушки. Первый магнитный поток создается якорем и ярмом за счет того, что якорь удерживается в одном из крайних положений, а электрическая катушка создает второй магнитный поток, который приводит в действие якорь. Постоянный магнит находится между ярмом и неподвижным магнитным возвратным элементом таким образом, что магнитный поток проходит через магнитный возвратный элемент. Кроме этого, якорь, расположенный снаружи ярма, закрывает переднюю поверхность ярма, упомянутая поверхность проходит перпендикулярно направлению перемещения якоря. Поскольку постоянный магнит используется для удержания магнитного якоря в одном из двух крайних положений, то ни механическая защелка, ни источник постоянного тока не требуются.
В известном решении якорь также используется для создания статического удерживающего усилия в обоих крайних положениях. Это подразумевает наличие второй линии магнитной индукции, идущей от магнита к якорю, которая действует лишь в крайнем разомкнутом положении. Подобная вторая линия магнитной индукции также приводит к увеличению размеров и веса электромагнитного привода. Также это требует наличия замкнутого пространства вокруг обоих якорей. Корпус ферромагнитного шунта образует две упорные поверхности, которые должны выполнять электромагнитные функции. Это дополнительно увеличивает размеры и вес привода. Известное решение предусматривает во время размыкания перемещение корпуса ферромагнитного шунта назад, к нижней упорной поверхности. Подобное перемещение требует затрат дополнительной энергии, которой недостаточно для операции размыкания, являющейся наиболее критичной операцией при включении автоматического выключателя после короткого замыкания.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электромагнитный привод с двумя устойчивыми состояниями для средневольтного автоматического выключателя, который имеет небольшие размеры и который позволяет осуществлять операцию размыкания с небольшими энергозатратами.
Раскрытие изобретения
Изобретением предлагается электромагнитный привод с двумя устойчивыми состояниями для средневольтного автоматического выключателя, содержащий по меньшей мере одну электрическую катушку для переключения ферромагнитного якоря между первым крайним положением и вторым крайним положением под действием электромагнитного поля, по меньшей мере один постоянный магнит для удержания якоря в одном из двух крайних положений, соответствующих разомкнутому или замкнутому положению электрической коммутации механически соединенного с ним электрического автоматического выключателя, причем якорь содержит верхний плунжер, опирающийся на ферромагнитный элемент одной катушки, для статического удержания якоря в первом крайнем положении, который соединен с плунжерным штоком, проходящим через ферромагнитный элемент катушки, а также через постоянный магнит для механического соединения привода с автоматическим выключателем, причем якорь также содержит нижний плунжер, который разъемно прикреплен на противоположной стороне плунжерного штока, с осевым зазором от сердечника, и может перемещаться относительно сердечника для перемещения якоря во второе крайнее положение при уменьшении магнитного потока, проходящего через верхний плунжер.
Изобретение основано на том, что часть магнитного потока, по меньшей мере, от одного постоянного магнита будет уходить на нижний плунжер. Усилия, создаваемого остальным магнитным потоком, при переходе от сердечника к верхнему плунжеру, будет недостаточно для запирания привода и противодействия размыканию механизма автоматического выключателя, создаваемому расположенными в нем одной или несколькими контактными пружинами или несколькими отключающими пружинами. Силы упругости таких пружин достаточно для перевода автоматического выключателя и привода в разомкнутое положение.
По сравнению с предшествующим уровнем техники в настоящем изобретении рассматривается способ перевода привода из замкнутого положения в разомкнутое положение без запитывания катушки привода. Следовательно, для достижения такой же производительности требуется совершенно иная конструкция привода, с меньшим количеством материала, более легкая и меньшего размера. Может использоваться весь потенциал статического удерживающего усилия, поскольку полезной площадью между подвижным плунжером и неподвижным сердечником является как площадь внутри электрической катушки, так и площадь двух полюсов снаружи электрической катушки. Для создания статического удерживающего усилия в замкнутом и разомкнутом положениях используются специально предназначенные плунжеры. Поскольку плунжеры расположены лишь сверху или снизу сердечника, такой принцип позволяет создать очень компактную конструкцию. Замкнутое пространство вокруг всех деталей устройства с точки зрения магнитной защиты не требуется. Для защиты магнитного воздушного зазора от попадания посторонних частиц может использоваться обычная пластиковая крышка. Во время размыкания нижний плунжер свободно скользит по плунжерному штоку, потерь мощности при перемещении нижнего плунжера в системе не происходит и все усилия могут использоваться для размыкания автоматического выключателя. При нормальном замыкании электромагнитного привода нижний плунжер перемещается от постоянного магнита, а именно назад в положение, которое является нормальным для замкнутого автоматического выключателя.
Якорь предпочтительно содержит ферромагнитное ярмо, расположенное вокруг электрической катушки и постоянного магнита, для формирования магнитной цепи, а также верхний плунжер и нижний плунжер.
Предпочтительно, операция размыкания может инициироваться при помощи небольшой пружины или за счет силы тяжести (если привод установлен внутри автоматического выключателя в перевернутом положении), после ее предварительного расцепления от плунжерного штока.
По предпочтительному варианту осуществления изобретения используется стопорный элемент, который крепится к плунжерному штоку рядом с нижним плунжером для определения второго крайнего положения электромагнитного привода.
По другому предпочтительному варианту осуществления изобретения между нижним плунжером и сердечником устанавливается промежуточная пластина из немагнитного материала для регулирования магнитного зазора между двумя частями якоря. Она может использоваться для регулирования статического усилия привода в разомкнутом положении в зависимости от области применения. При этом параметр толщины промежуточной пластины может использоваться для регулирования силы тока в электрической катушке, необходимой для инициирования операции замыкания, и, следовательно, величины энергии, необходимой для операции замыкания.
По другому предпочтительному варианту осуществления изобретения зацепление или расцепление нижнего плунжера с плунжерным штоком может осуществляться при помощи крепежных средств, установленных на нижнем плунжере. Предпочтительно упомянутые крепежные средства содержат два захватных элемента, установленных с возможностью поворота на нижней поверхности нижнего плунжера и выровненных с канавкой плунжерного штока для крепления в ней нижнего плунжера. Захватные элементы могут быть изготовлены из листового металла и крепиться снизу нижнего плунжера винтами. Кроме этого, могут использоваться крепежные средства, содержащие пружинный элемент, прижимающий захватные элементы к канавке плунжерного штока. Пружинный элемент предназначен для создания соответствующего по форме механического соединения.
Для свободного расцепления узла рычага крепежных средств предпочтительно может использоваться боуденовский трос, приводимый в действие маломощным электромагнитным приводом после получения соответствующего электрического управляющего сигнала. Поскольку нижний плунжер больше не заблокирован на плунжерном штоке, он может перемещаться в направлении сердечника, как это было рассмотрено выше, инициируя операцию размыкания.
Рассмотренные выше, а также другие аспекты изобретения станут более понятны из последующего подробного описания изобретения совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически показан средневольтный автоматический выключатель, приводимый в действие электромагнитным приводом.
На фиг.2 показан детализированный схематический вид электромагнитного привода в замкнутом положении.
На фиг.2b показан детализированный схематический вид электромагнитного привода в промежуточном положении.
На фиг.2с показан детализированный схематический вид электромагнитного привода в разомкнутом положении.
На фиг.3 показан схематический вид в перспективе крепежных средств электромагнитного привода, установленных на нижнем плунжере.
Осуществление изобретения
Средневольтный автоматический выключатель по фиг.1 в целом состоит из вакуумного размыкателя 1 с внутренним неподвижным электрическим контактом 2 и соответствующим подвижным электрическим контактом 3. Оба электрических контакта 2 и 3 образуют выключатель для размыкания цепи электропитания. Подвижный электрический контакт 3 может перемещаться между замкнутым и разомкнутым положениями при помощи промежуточного вала 4. Промежуточный вал 4 передает механическое усилие от бистабильного электромагнитного привода 5 на подвижный электрический контакт 3 вакуумного размыкателя 1. Электромагнитный привод 5 состоит из бистабильной магнитной системы, в которой переключение якоря 6 в соответствующее положение осуществляется под действием магнитного поля, создаваемого узлом из электромагнита и постоянного магнита.
Электромагнитный привод 5 по фиг.2 содержит электрическую катушку 7, перемещающую ферромагнитный якорь 6 под действием электромагнитного поля между двумя крайними положениями. В замкнутом положении (как это показано) электромагнитный привод удерживает подключенный вакуумный размыкатель замкнутым. Кроме этого, статическое удерживающее усилие электромагнитного привода 5, создаваемое магнитным потоком от постоянного магнита 8, расположенного рядом с электрической катушкой, поджимает отдельные размыкающие пружины. Для поддержания показанного замкнутого положения никакой дополнительной энергии или тока в электрической катушке 7 не требуется.
Якорь 5 дополнительно содержит верхний плунжер 9, опирающийся на ферромагнитный сердечник 10 одной электрической катушки 7, для статического удержания якоря 5 в первом крайнем положении, т.е. в замкнутом положении. Верхний плунжер 9 соединен с плунжерным штоком 12. Плунжерный шток 12 проходит через ферромагнитный сердечник 10 с возможностью перемещения, механически соединяя привод 5 с автоматическим выключателем, как это было рассмотрено выше.
Поскольку верхний плунжер 9 опирается на сердечник 10, магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 8, проходит вверх через сердечник 10, к верхнему плунжеру 9. Здесь, в месте перехода от сердечника 10 к верхнему плунжеру 9 создается примерно половина общего статического удерживающего усилия. Магнитный поток разделяется в верхнем плунжере 9 и возвращается назад через магнитное ярмо 11, окружающее электрическую катушку 7 и постоянный магнит 8. При переходе от верхнего плунжера 9 к ярму 11 создается вторая половина статического удерживающего усилия.
Нижний плунжер 13 расположен на плунжерном штоке 12 на удалении от сердечника 10, так чтобы он не влиял на магнитный поток.
На фиг.2b показано, как начинается размыкание. Нижний плунжер 13 расцепляется от плунжерного штока 12 и перемещается к сердечнику 10 при помощи небольшой пружины (не показана). В результате этого часть магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 8, проходит на нижний плунжер 13. Усилия, создаваемого остальной частью магнитного потока при переходе от сердечника 10 к верхнему плунжеру 9, становится недостаточно для запирания привода и противодействия размыкающему усилию соединенного с ним автоматического выключателя.
В результате этого плунжерный шток 12 переводится в разомкнутое положение, как это показано на фиг.2с. Стопорный элемент 14, установленный на плунжерном штоке 12, предназначен для создания второго крайнего положения якоря 6. Промежуточная пластина 15, изготовленная из немагнитного материала, предназначена для регулирования магнитного зазора между нижним плунжером 13 и сердечником 10. Она может использоваться для регулирования статического усилия привода в разомкнутом положении в зависимости от области применения. После полного размыкания, как это показано на фиг.3, нижний плунжер 13 может быть сцеплен с плунжерным штоком 12.
Нижний плунжер 13 по фиг.3 содержит крепежные средства для его зацепления или расцепления с плунжерным штоком 12. Крепежные средства состоят из двух захватных элементов 16а, 16b, которые изготовлены из листового металла и с возможностью поворота установлены на нижней поверхности 17 нижнего плунжера 13. Оба захватных элемента 16а, 16b выровнены с канавкой 18 плунжерного штока 12 для крепления в ней нижнего плунжера 13. Когда привод не используется, пружинный элемент 19 подвижно прижимает захватные элементы 16а и 16b к канавке 18 плунжерного штока 12, так чтобы нижний плунжер 13 фиксировался и не мог перемещаться вдоль плунжерного штока 12.
Если привод необходимо разомкнуть, оба захватных элемента 16а, 16b отводятся в сторону от плунжерного штока 12 при помощи приводного узла 20 рычага. Расцепление узла 20 рычага осуществляется при помощи боуденовского троса, с использованием электромагнита (не показан) или аналогичного устройства. Поскольку нижний плунжер 13 больше не заблокирован на плунжерном штоке 12, он может перемещаться в направлении сердечника 10, как это было рассмотрено выше, инициируя операцию размыкания.
После завершения операции размыкания и прекращения натяжения боуденовского троса 21, захватные элементы 16а и 16b могут прижиматься к плунжерному штоку 12 пружинным элементом 19 для повторной фиксации нижнего плунжера 13. После этого, операция замыкания может быть осуществлена как обычно.
Изобретение не ограничено рассмотренным выше предпочтительным вариантом осуществления, который используется лишь в качестве примера и может быть видоизменен тем или иным образом, не выходя за объем защиты, определяемый в прилагаемой формуле изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 вакуумный размыкатель
2 электрический контакт (неподвижный)
3 электрический контакт (подвижный)
4 промежуточный вал
5 электромагнитный привод
6 якорь
7 электрическая катушка
8 постоянный магнит
9 верхний плунжер
10 сердечник
11 ярмо
12 плунжерный шток
13 нижний плунжер
14 стопор
15 промежуточная пластина
16 захватный элемент
17 нижняя поверхность
18 канавка
19 пружина
20 узел рычага
21 боуденовский трос