УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХПОЗИЦИОННЫМ РАЗЪЕДИНИТЕЛЕМ-ЗАЗЕМЛИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, к электрическим аппаратам высокого напряжения с газовой изоляцией, преимущественно к элементам конструкций высоковольтных коммутационных устройств, а именно к приводам, применяющимся для управления трехпозиционных разъединителей-заземлителей КРУЭ.
Такой привод обеспечивает выполнение разъединителем-заземлителем при помощи соответствующих контактов (подвижных и неподвижных) операций включения, отключения, заземления и разземления.
Известен такой трехпозиционный привод, имеющий одну рабочую пружину и выполняющий перечисленные операции (заявка Франции №2660109, класс H01H 9/26, опубл. 27.05.1991 г.). В нем основной вал привода, взаимодействующий с рабочим валом коммутационного аппарата, соединен с валом управления включения и отключения и валом, с помощью которого выполняется заземление и разземление. Все эти валы связаны между собой рычагами и пространственно разнесены, что приводит к увеличению габаритов привода, использованию большого числа комплектующих деталей и, соответственно, делает его менее надежным.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для управления трехпозиционным разъединителем-заземлителем (Патент RU №2210128 С1, класс H01H 33/42, публикация 10.08.2003 г.), представляющее собой привод, содержащий основной и два дополнительных вала, устройство частично свободного хода между основным и первым дополнительным валом, причем основной вал соединен с трехпозиционной контактной системой разъединителя-заземлителя, а также пружину.
Привод содержит устройство блокировки и разблокировки основного вала, представляющее собой ряд защелок.
Дополнительные валы расположены соосно один в другом. Все валы связаны между собой рычагами и пружиной.
Данное устройство предназначено для работы в качестве выключателя нагрузки и одновременно заземлителя отходящей линии в КРУ среднего напряжения.
Устройство производит быстрое включение и отключение одной пары контактов, быстрое включение другой пары контактов, а затем их медленное отключение. Быстрое включение и отключение первой пары контактов происходит за счет перехода пружины через мертвую точку после того, как будет выбран свободный ход в устройстве частично свободного хода между основным и первым дополнительным валом и сброшена одна из защелок. Быстрое включение другой пары контактов производится путем сброса защелки с предварительно взведенной пружины. Для срабатывания разных пар контактов в такой системе необходимо прилагать усилия к разным дополнительным валам.
Недостатком устройства управления является отсутствие средств демпфирования скорости контактов в конце операции с быстрым движением, что вызывает большие динамические нагрузки в контактной системе, передаточном механизме и приводе аппарата и снижает надежность его работы. Другим недостатком является необходимость прикладывать усилия управления к разным валам, что в случае необходимости дистанционного управления с помощью электродвигательных движителей приводит к необходимости применять два двигателя либо использовать специальные механические системы переключения, что удорожает аппарат.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы трехпозиционного разъединителя-заземлителя КРУЭ и уменьшение его стоимости.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для управления трехпозиционным разъединителем-заземлителем, представляющим собой привод, содержащий основной и два дополнительных вала, устройство частично свободного хода между основным и первым дополнительным валом, причем основной вал привода соединен с трехпозиционной контактной системой разъединителя-заземлителя, а также пружину, новым является то, что в него введены устройства частично свободного хода между дополнительными валами и между основным и вторым дополнительным валами, при этом основной вал привода расположен внутри первого дополнительного вала, а второй дополнительный вал соединен с движителем, так же введено устройство блокировки и разблокировки первого дополнительного вала, на нем же расположен рычаг, свободный конец которого скреплен с концом пружины, а другой конец пружины закреплен на неподвижной оси.
Основной вал привода состоит из двух полувалов, соединенных между собой с помощью фрикционной муфты.
Устройство частично свободного хода между основным и вторым дополнительным валами содержит демпфер, закрепленный на втором дополнительном валу.
Привод содержит демпфер, расположенный на неподвижном основании, имеющий возможность взаимодействия с основным валом привода.
Устройства частично свободного хода представляют собой кулачковые муфты.
Наличие трех устройств частично свободного хода меду основным и двумя дополнительными валами, наличие пружины, своими концами закрепленной в неподвижной оси привода и на рычаге первого дополнительного вала, и устройства блокировки и разблокировки первого дополнительного вала позволяет привести подвижный контакт в контактной системе трехпозиционного разъединителя-заземлителя (далее разъединитель-заземлитель) в ускоренное движение на начальном этапе размыкания.
Это повышает скорость восстановления электрической прочности между контактами разъединителя и одновременно обеспечивает возможность замедления движения для обеспечения безударной остановки подвижного контакта в среднем отключенном положении разъединителя-заземлителя. Быстрое движение подвижного контакта в начале отключения позволяет предотвратить повторные пробои разъединителя при его отключении, перекрытие изоляции КРУЭ и подводимых электрических цепей высокого напряжения, высокочастотные наводки и пробой изоляции вторичных цепей аппарата, что означает повышение надежности работы КРУЭ. Безударная остановка движущегося контакта при быстром движении повышает механическую надежность работы аппарата.
Применение фрикционной муфты и демпферов также позволяет снизить более высокую скорость разведения подвижного контакта разъединителя-заземлителя при достижении им среднего отключенного положения до приемлемой величины и тем самым повысить надежность работы аппарата с повышенным классом напряжения.
Соединение с движителем только одного второго дополнительного вала ведет к уменьшению количества электродвигателей в трехпозиционном разъединителе-заземлителе с дистанционным управлением и тем самым понижает его стоимость.
На фиг.1 представлена кинематическая схема привода трехпозиционного разъединителя-заземлителя КРУЭ.
На фиг.2 - показана циклограмма работы привода для разъединителя-заземлителя КРУЭ.
На фиг.3 - представлен пример кинематической схемы привода с фрикционной муфтой.
На фиг.4 - представлен пример кинематической схемы привода с демпфером, расположенным в устройстве частично свободного хода между основным и вторым дополнительным валами.
На фиг.5 - представлен пример кинематической схемы привода с демпфером, расположенным на неподвижном основании.
Устройство для управления трехпозиционным разъединителем-заземлителем (фиг.1) представляет собой привод 1, обеспечивающий его основные коммутационные операции: включение, отключение, заземление и разземление главной цепи. Привод содержит основной вал 2 и два дополнительных вала 3 и 4. Основной вал привода соосно расположен внутри первого дополнительного вала 3. Второй дополнительный вал 4 расположен соосно с основным валом 2 и является его продолжением с одной стороны, а с другой стороны он одновременно является выходным валом движителя 5.
Между основным и первым дополнительным валами расположено первое устройство частично свободного хода 6, например, кулачковая муфта, состоящее из кулачка 6а, закрепленного на основном валу 2, и кулачка 6б, закрепленного на первом дополнительном валу 3.
Основной вал привода соединен с трехпозиционной контактной системой 7 разъединителя-заземлителя посредством вала 8 и соединительной муфты 9.
Второе устройство частично свободного хода 10 размещено между первым 3 и вторым 4 дополнительными валами и представляет собой, например, кулачковую муфту, содержащую кулачок 10а, расположенный на первом дополнительном валу, и кулачок 10б - на втором дополнительном валу.
Это устройство за счет кулачков 10а и 10б обеспечивает свободный поворот первого дополнительного вала 3 по отношению ко второму дополнительному валу 4 в пределах заданного угла. Движение на поворот может передаваться, например, от реверсивного электродвигателя или рукояти ручного управления (на фиг. не показано).
Третье устройство частично свободного хода 11 расположено между основным 2 и вторым дополнительным 4 валами привода. Оно представляет собой, также как и второе устройство частично свободного хода 10, кулачковую муфту, состоящую из двух кулачков 11а и 11б, расположенных на основном валу 2, и находящегося между ними третьего кулачка 11в - на втором дополнительном валу 4.
Устройство блокировки и разблокировки первого дополнительного вала состоит из трех элементов: защелки 12, подвижного сектора 12д и толкателя 12е.
Защелка 12, включает в себя два плеча - 12а и 12б, закрепленных на общей полуоси 12в. Полуось 12в расположена параллельно оси валов и может вращаться во втулке 12г, которая неподвижно закреплена в корпусе привода. Подвижный сектор 12д закреплен на первом дополнительном валу 3, а толкатель 12е - на втором дополнительном валу 4.
Подвижный сектор имеет выступ 12д1, который во время работы привода взаимодействует с защелкой 12, а толкатель 12е - с плечом 12б защелки.
На первом дополнительном валу 3 закреплен рычаг 13, к которому одним своим концом прикреплена пружина 14. Второй конец пружины закреплен на неподвижной по отношению к корпусу привода оси 15.
Трехпозиционная контактная система 7 разъединителя-заземлителя включает в себя два неподвижных контакта 16, 17 и двусторонний подвижный контакт 18, расположенный между ними. Неподвижный контакт 16 является контактом разъединителя и включен в главную цепь аппарата. Контакт 17 - контакт заземлителя и соединен с корпусом.
Подвижный контакт 18 приводится в движение с помощью зубчато-реечной передачи 19, закрепленной на нем и соединенной с основным валом 2 привода посредством вала 8 и соединительной муфты 9.
Работа устройства проиллюстрирована циклограммой на фиг.2. На ней изображены:
- первая колонка - положения контактов в разные моменты времени работы устройства;
- вторая колонка - положения кулачков 6а и 6б первого устройства частично свободного хода между основным 2 и первым дополнительным 3 валами совместно с положениями подпружиненного рычага 13 на первом дополнительном валу;
- третья колонка - положения кулачков 10а и 10б второго устройства частично свободного хода, расположенного между первым 3 и вторым 4 дополнительными валами;
- четвертая колонка - положения кулачков 11а, 11б, 11в третьего устройства частично свободного хода, расположенного между основным 2 и вторым дополнительным 4 валами;
- пятая колонка - положения элементов устройства блокировки и разблокировки первого дополнительного вала 3: сектора 12д, защелки 12 и толкателя 12е.
Ниже отражены положения элементов устройства при операциях отключения разъединителя, включения заземлителя, отключения заземлителя и опять включения разъединителя.
I - Разъединитель включен, заземлитель отключен;
II - Начало отключения разъединителя. Вращается только второй дополнительный вал, подвижный контакт еще неподвижен; заземлитель отключен;
III - Продолжение отключения разъединителя. Первый дополнительный вал приходит в движение, передавая крутящий момент основному валу, и происходит быстрое движение подвижного контакта; заземлитель и разъединитель - отключены;
IV - Включение заземлителя. Второй дополнительный вал, воздействуя на основной вал, производит его медленное вращение. Это медленное движение передается на подвижный контакт. Первый дополнительный вал при этом остается неподвижным, а разъединитель отключенным.
V - Отключение заземлителя. Второй дополнительный вал вращается в обратную сторону, при этом подвижный контакт подходит к среднему положению. Разъединитель и заземлитель - отключены.
VI - Включение разъединителя. Второй дополнительный вал вращает основной вал по часовой стрелке, медленно перемещая подвижный контакт на включение, при этом взводится пружина, а заземлитель отключен.
Первая строка циклограммы (I) отражает положение элементов при включенном разъединителе, когда контакты 16 и 18 замкнуты. В этом случае кулачок 6а прижат к кулачку 6б, и основной вал 2 находится в положении «включено». При этом кулачок 10б второго дополнительного вала 4 через посредство кулачка 10а перевел первый дополнительный вал 3 в такое положение, при котором рычаг 13 привел пружину 14 в сжатое состояние, а сектор 12д принял положение, при котором плечо 12а защелки 12 встало перед выступом 12д1 сектора. Второе плечо защелки 12б расположено перед толкателем 12е, но на некотором расстоянии от него. Кулачок 11в второго дополнительного вала 4 прижат к кулачку 11а основного вала 2, поскольку до этого он привел основной вал в положение «включено».
Вторая строка циклограммы (II) соответствует началу процесса отключения разъединителя, когда движитель 5 уже начал вращать второй дополнительный вал 4 (против часовой стрелки), но движение подвижного контакта 18 еще не началось. Здесь начал смещаться влево кулачок 10б, а кулачок 11в приблизился к кулачку 11б. Толкатель 12е приблизился к плечу 12б защелки 12, которая продолжает оставаться препятствием для поворота первого дополнительного вала под действием пружины 14. Поэтому основной 2 и первый дополнительный 3 валы вместе с закрепленными на них кулачками 6а, 6б, 11а, 11б, сектором 12д, и подвижным контактом 18 остаются еще неподвижными. Но привод подготовлен к тому, чтобы в следующие моменты времени толкатель 12е повернул плечо 12б защелки.
При дальнейшем повороте второго дополнительного вала 4 (строка - III) толкатель 12е упирается в плечо 12б защелки 12, проворачивает его во втулке 12г против часовой стрелки и поднимает вверх плечо 12а. В результате этого плечо 12а защелки выходит из зацепления с выступом 12д1 подвижного сектора 12д. Под действием разжимающейся пружины 14 рычаг 13 и первый дополнительный вал 3 приходят в быстрое движение, передавая крутящий момент через кулачки 6б и 6а основному валу 2 и подвижному контакту 18 через соединительную муфту 9, вал 8 и зубчато-реечную передачу 19.
Происходит ускоренное движение подвижного контакта, которое будет продолжаться до тех пор, пока пружина 14 полностью не распрямится или пока первый дополнительный вал не упрется в какое-либо специально сделанное препятствие. После этого быстрое движение подвижного контакта 18 продолжится по инерции, но будет замедляться за счет трения в контактах или в результате действия специальных фрикционных или тормозных устройств, и его движение закончится еще до подхода к среднему, отключенному положению разъединителя-заземлителя и до соударения кулачков 11а и 11в. Подвижный контакт 18 временно остановится, но на таком расстоянии от среднего положения, при котором не возможен пробой при восстанавливающемся напряжении. После остановки подвижного контакта между кулачком 11а основного вала 2 и кулачком 11в второго дополнительного вала 4 образуется зазор. Подвижный контакт будет оставаться неподвижным, до тех пор, пока при дальнейшем вращении второго дополнительного вала 4 (против часовой стрелки) этот зазор не будет выбран, после чего его движение возобновится, но уже с малой скоростью, которая обеспечит остановку подвижного контакта в среднем, отключенном положении. В отключенном положении разъединитель способен выдерживать предписанные ему перенапряжения.
На четвертой строке циклограммы (IV) показано положение элементов аппарата при медленном движении подвижного контакта 18 сначала до отключенного положения разъединителя-заземлителя, а затем при продолжении работы движителя 5 до включенного положения заземлителя (контактов 17 и 18). Здесь кулачок 11в второго дополнительного вала 4, воздействуя на кулачок 11б основного вала 2, производит медленное вращение основного вала 2 и, соответственно, медленное перемещение подвижного контакта 18. Первый дополнительный вал при этом остается неподвижным; неподвижны также его кулачки 6б и 10а, которые не взаимодействуют с соответствующими кулачками на других валах 2 и 4. Сектор 12д, пройдя до этого мимо сброшенной защелки 12, также стоит неподвижно. Толкатель 12е, сбросив защелку, продолжает свободно перемещаться вместе со вторым дополнительным валом 4.
На пятой строке (V) показана завершенная операция отключения заземлителя, в тот момент, когда контакт 18 находится в среднем положении между заземлителем и разъединителем. До этого момента второй дополнительный вал 4 вращался в обратную сторону, то есть по часовой стрелке. При этом вначале операции отключения заземлителя был пройден зазор между кулачками 11в и 11а, когда подвижный контакт 18 еще оставался в неподвижном положении. В дальнейшем подвижный контакт продолжает свое медленное движение в обратном направлении, когда второй дополнительный вал 4, воздействуя кулачком 11в на кулачок 11а, вращает первый дополнительный вал 3 против часовой стрелки.
На шестой строке (VI) представлен этап процесса включения разъединителя, в течение которого происходит сжатие пружины 14 и постановка первого дополнительного вала 3 на защелку. Этот этап начнется тогда, когда кулачок 10б второго дополнительного вала 4 подойдет к кулачку 10а первого дополнительного вала 3. При этом второй дополнительный вал продолжает вращать основной вал по часовой стрелке с помощью кулачков 11в и 11а, медленно перемещая подвижный контакт на включение. Когда кулачок 6а подойдет к кулачку 6б начнется вращение первого дополнительного вала 3 и произойдет сжатие пружины 14, а также - перемещение сектора 12д в обратном направлении по часовой стрелке. Но еще до того, как передний край сектора подойдет к защелке 12, толкатель 12е пройдет над ее опущенными плечами 12а и 12б. После этого выступающий край сектора 12д1 отклонит плечи защелки вверх, а затем, когда он пройдет под защелкой, ее плечи опустятся и одно из них - 12а заблокирует первый дополнительный вал 3 в таком положении, при котором пружина 14 сжата.
Применение устройства блокировки и разблокировки первого дополнительного вала 3 вместе с пружиной, а также устройств частично свободного хода между всеми тремя валами позволяет достигнуть повышенной скорости подвижного контакта на начальном этапе отключения разъединителя и в дальнейшем прекратить действие пружины, что ведет к снижению скорости подвижного контакта, до подхода к своему среднему, отключенному положению.
Повышенная скорость подвижного контакта на начальном этапе отключения позволяет исключить возникновение повторных пробоев при отключении емкостных токов и предотвратить возникновение опасных перенапряжений в главной и вторичной цепях аппарата. Помимо этого, быстрое разведение контактов сокращает длительность переключения токов сборных шин в КРУЭ с двойной системой сборных шин, что снижает обгар контактов.
Для усиления указанных преимуществ неподвижный контакт 16 разъединителя может быть снабжен контактной вставкой с пружиной (на фиг. не показан). И тогда при отключении разъединителя при выходе подвижного контакта 18 из неподвижного контакта 16 гальваническое размыкание происходит не внутри его полости, а при размыкании подвижного контакта с контактной подпружиненной вставкой. Другими словами, подвижный контакт проходит больший путь и набирает на нем более высокую скорость при той же воздействующей силе пружины 14 привода 1. Это позволяет увеличить крутизну роста восстанавливающейся электрической прочности межконтактного промежутка в зависимости от межконтактного расстояния.
А это значит, что для прохождения требуемого пути за полупериод тока требуется меньшая конечная скорость подвижного контакта и более слабая пружина, а, следовательно, электродвигатель меньшей мощности. При этом возникают более легкие условия последующего торможения контактов.
Выше было сказано, что до достижения положения «отключено» подвижный контакт необходимо затормозить. При малых скоростях это торможение может произойти вследствие трения подвижного контакта. Если же этого трения недостаточно, произойдет удар кулачка 11а по кулачку 11в. Это может привести к чрезмерным динамическим усилиям в приводе и контактной системе.
На фиг.3÷5 представлены варианты решений по уменьшению этих усилий.
На фиг.3 представлен привод, в котором основной вал разделен на два полувала 2а и 2б, соединенных друг с другом с помощью фрикционной муфты 20, состоящей из двух полумуфт: 20а, расположенной на полувалу 2а, и 20б - на полувалу 2б. Они прижаты друг к другу пружиной (на кинематической схеме фиг.3 пружина не показана).
При включении контактов момент сил, создаваемый движителем 5, передается к подвижному контакту 18 не только через второй дополнительный вал 4, кулачки 11а, 11б, 11в, основной вал 2, вал 8 и зубчато-реечную передачу 19, но также через муфту 20. Для этого максимальный момент сил трения между полумуфтами 20а и 20б должен превосходить момент сил, воздействующих на подвижный контакт 18 при этих операциях. При быстром движении подвижного контакта в момент отключения разъединителя, когда кулачок 11а ударит по кулачку 11в, полувал 2б вместе с полумуфтой 20б остановятся, а полумуфта 20а начнет проворачиваться относительно полумуфты 20б и между ними возникнет максимальный момент сил трения. Фрикционная муфта с одной стороны должна иметь такой момент сил трения, который обеспечивает остановку подвижного контакта еще до его подхода к отключенному положению, а с другой стороны он не должен превысить допустимые пределы по прочности аппарата.
После временной остановки подвижного контакта 18 движитель 5 продолжит вращать второй дополнительный вал 4 и после того, как образовавшийся при быстром движении контакта 18 зазор между кулачками 11б и 11в будет выбран, подвижный контакт вновь начнет движение на отключение, но теперь уже с малой скоростью.
На фиг.4 изображен вариант привода, в котором для смягчения удара применен демпфер. Для этого устройство частично свободного хода между основным 2 и вторым дополнительным 4 валами выполнено в виде двух консолей 21 и 22, закрепленных на основном валу 2, и одной консоли 23 - на втором дополнительном валу 4. Консоль 23, расположена между консолями 21 и 22. На одной ее стороне, обращенной в сторону консоли 21, закреплен демпфер 24 со штоком 25, имеющим возможность взаимодействовать с консолью 21.
В этом варианте исполнения при быстром движении подвижного контакта 18 консоль 21 приближается к консоли 23. После прекращения действия пружины 14, когда нет необходимости в дальнейшем быстром нарастании восстанавливающейся электрической прочности между контактом разъединителя 16 и подвижным контактом 18, консоль 21 ударяется в шток 25 демпфера 24. Под действием силы со стороны демпфера основной вал 2 вместе с подвижным контактом останавливаются или, точнее, основной вал приобретает ту же скорость, что и второй дополнительный вал 4, а затем быстро теряет и эту скорость вследствие трения в подвижном контакте. При дальнейшем вращении второго дополнительного вала движителем 5 консоль 23 подходит к консоли 22 и, воздействуя на нее, начинает медленно вращать основной вал и двигать подвижный контакт до тех пор, пока не доведет его до среднего отключенного положения.
На фиг.5 изображен другой вариант применения демпфера в приводе. Для этого на корпусе привода закреплен демпфер 26 со штоком 27, а на основном валу 2 - подвижная ломающаяся консоль 28. Ломающаяся консоль 28 состоит из рычага 29 и ударника 30, которые соединены между собой шарниром 31. Рычаг 29 имеет упор (на фиг.5 не показан), который частично препятствует повороту ударника 30 по часовой стрелке. Имеется также пружина 32, воздействующая на ударник в направлении по часовой стрелке и прижимающая ударник 30 к упору на рычаге 29.
Сечение А-А (фиг.5) иллюстрирует работу привода для различных моментов времени. После быстрого прохождения подвижным контактом заданного расстояния при отключении разъединителя ударник 30 ломающейся консоли 28 ударяет по штоку 27 (вид «а») и подвижный контакт начинает тормозиться. Шток 27 при этом начинает входить в корпус демпфера. Ударник 30, а вместе с ним основной вал 2 и подвижный контакт 18 будут тормозиться до тех пор, пока конец ударника 30 не сойдет со штока 27. Подвижный контакт приобретет некоторую остаточную скорость, которую потом потеряет из-за его трения в подвижном контакте 18 (вид «б»). Затем, после смыкания кулачков 11в и 11б он снова начнет движение, но теперь уже медленное. При обратном движении на включение разъединителя ломающаяся консоль 28 после подхода к боковой поверхности штока 27, который к этому времени вновь выдвинется из корпуса демпфера, «сложится», то есть ударник 30 повернется в шарнире 31 и ломающаяся консоль 28 свободно пройдет мимо демпфера (вид «в»). После прохождения демпфера консоль 28 снова распрямляется под действием пружины 32, которая поворачивает ударник 30, доводя его до не показанного на фиг.5 упора.
Расчеты показали, что скорость подвижного контакта в первые 10 мс должна быть не ниже или порядка 1 м/с, чтобы предотвратить повторный пробой при отключении емкостного тока в КРУЭ 110 кВ. В этом случае не будут происходить повторные пробои и скачки напряжения в главной и вторичной цепях коммутационных аппаратов. Такое устройство для управления трехпозиционным разъединителем-заземлителем представлено на фиг.1.
При более высоких номинальных напряжениях и, соответственно, более высоких скоростях подвижного контакта могут быть применены описанные выше средства дополнительного торможения в виде фрикционных муфт и демпферов для обеспечения надежной коммутации емкостных токов без повторных пробоев (фиг.3÷5).