ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
VACUUM CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкции вакуумных выключателей.
Известен вакуумный выключатель, содержащий, по меньшей мере, один дугогасительный модуль, установленный на опорном изоляторе. Дугогасительный модуль содержит вакуумную дугогасительную камеру, размещенную в изоляционном корпусе. Изоляционный корпус дугогасительного модуля и опорный изолятор выполнены в виде изоляционных цилиндров из стеклопластика, внешняя поверхность которых оребрена кремнийорганической резиной [Свидетельство РФ на полезную модель №44206, заявл. 02.09.04, МПК H01H 33/66]. Достоинством этого и подобных ему выключателей является применение сравнительно недорогих и технологичных изоляционных материалов - стеклопластика с кремнийорганическим оребрением. Недостатком является конструктивная сложность соединения дугогасительного модуля и опорного изолятора. Это соединение, как правило, фланцевое, содержит большое количество промежуточных элементов (фланцы на торцах изоляционных цилиндров, болты и пр.), что существенно усложняет конструкцию выключателя и увеличивает его массу. При этом наружный диаметр указанных фланцев превышает наружный диаметр изоляционных корпусов и опорных изоляторов. Междуфазное расстояние в таком выключателе определяется наружным диаметром фланцев и изоляционным расстоянием между ними в свету. В результате выключатель имеет достаточно большие габариты по ширине.
Уменьшение габаритов и упрощение конструкции в другом известном выключателе достигнуто путем размещения вакуумной дугогасительной камеры и токоведущих элементов (верхнего и нижнего токовыводов, гибких связей) в литом изоляционном корпусе из эпоксидного компаунда [Патент РФ №2275708, заявл. 15.11.04, МПК H01H 33/66]. Достоинство конструкции - в совмещении функций изоляционного корпуса дугогасительного модуля и опорного изолятора. Промежуточные металлические элементы здесь исключены, а изоляционное расстояние в свету определено расстоянием между токовыводами выключателя, габариты которых заведомо меньше диаметра изоляционного корпуса. Недостаток заключается в неудобстве монтажа вакуумной дугогасительной камеры и токоведущих элементов, что в ряде случаев может привести к неправильной сборке или нарушению регулировки и повлиять на надежность выключателя. Кроме того, условия работы выключателя на открытом воздухе, например исполнения УХЛ1, не позволяют использовать изоляционные корпусы из эпоксидного компаунда, а применение более гидроустойчивых и трекингостойких корпусов из циклоалифатических смол существенно увеличивает стоимость выключателя.
Таким образом, техническая проблема заключается в том, чтобы, с одной стороны, уменьшить массу и габаритные размеры выключателя, упростить его конструкцию и сборку, а с другой стороны, обеспечить высокие механические и изоляционные характеристики выключателя с применением сравнительно недорогих материалов.
Наиболее близким решением проблемы является конструкция изолятора для высоковольтного выключателя, содержащая относительно своей вертикальной оси две трубы: верхнюю и нижнюю, выполненные из композиционного материала, вокруг которых расположены ребра из кремнийорганического материала, причем верхняя труба имеет диаметр больший, чем нижняя труба, и одно металлическое кольцо, установленное между трубами и взаимно соединяющее их [Патент ЕР №0948000, заявл. 31.03.98, МПК H01B 17/32].
Преимущество решения состоит в том, что соединение труб выполнено посредством одного металлического кольца, что значительно упрощает сборку выключателя. Использование труб разного диаметра, с одной стороны, удешевляет производство за счет уменьшенного расхода кремнийорганического материала, а с другой стороны, существенно удорожает подготовку производства из-за потребности в разных типах дорогостоящей литьевой оснастки для кремнийорганических ребер каждой из труб. Металлическое кольцо одновременно является как соединительным, так и токоведущим элементом, поэтому должно быть выполнено из материала с высокой электропроводностью, например алюминиевого сплава. Этот сплав технологичен, относительно дешев, но имеет высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКР). В то же время композиционный материал, например стеклопластик, имеет значительно меньший ТКР. Соединение труб выполнено таким образом, что труба большего диаметра установлена на наружной поверхности металлического кольца, а труба меньшего диаметра установлена на внутренней поверхности металлического кольца. Установка трубы на внутренней поверхности металлического кольца менее надежна, чем установка на наружной поверхности металлического кольца. В силу того, что в выключателе при протекании номинального тока температура металлического кольца может достигать +120°C, и с учетом разницы в ТКР алюминия и композита происходит ослабление фиксации трубы на внутренней поверхности металлического кольца, следствием чего является недостаточная надежность такого соединения.
Задачей настоящего изобретения является повышение механической прочности и надежности соединений в вакуумном выключателе, уменьшение массогабаритных показателей за счет упрощения конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумном выключателе, содержащем, по крайней мере, одну вакуумную дугогасительную камеру, две изоляционные трубы из композиционного материала, на наружные поверхности которых нанесены ребра из кремнийорганического материала, и металлический фланец, соосно соединяющий указанные трубы, изоляционные трубы имеют равные наружные диаметры, металлический фланец по центру наружной цилиндрической поверхности снабжен кольцевым выступом, при этом изоляционные трубы установлены на наружной цилиндрической поверхности металлического фланца до упора в указанный кольцевой выступ.
В предложенной конструкции использование изоляционных труб, имеющих равные наружные диаметры, обеспечило значительное технологическое преимущество перед конструкцией прототипа с трубами различного диаметра. Известно, что для изготовления каждого типа и размера ребер из кремнийорганического материала требуется специальная технологическая литьевая оснастка, трудоемкая и дорогостоящая в изготовлении. Для оребрения наружных поверхностей изоляционных труб с одинаковыми наружными диаметрами использованы ребра одного типа и размера. Это позволило на этапе подготовки производства изготовить и в дальнейшем применить общую литьевую оснастку для однотипных ребер и тем самым обеспечить существенную экономическую выгоду особенно при производстве мелкосерийных партий выключателей.
Другим основным преимуществом изобретения является то, что металлический фланец снабжен по центру наружной цилиндрической поверхности кольцевым выступом. Наличие кольцевого выступа позволило, во-первых, обеспечить упор для установки изоляционных труб на металлический фланец и тем самым упростить сборку выключателя; во-вторых, закрыть торцевые поверхности изоляционных труб от контакта с окружающей атмосферой и, тем самым, предупредить впитывание влаги и ухудшение изоляционных свойств материала трубы - стеклопластика. В-третьих, кольцевой выступ разграничил наружную цилиндрическую поверхность металлического фланца таким образом, что изоляционные трубы установлены на равные по высоте участки этой поверхности. Это означает, что последовательно соединенные изоляционные трубы имеют одинаковые по высоте поверхности сопряжения с металлическим фланцем, что обеспечивает равнопрочность конструкции. Возникающее в процессе работы выключателя усилие воздействует на равнопрочные соединения фланца и изоляционных труб, при этом изоляционные трубы воспринимают одинаковую нагрузку.
Третьим основным преимуществом изобретения является то, что обе изоляционные трубы установлены на наружной цилиндрической поверхности металлического фланца. В предложенной конструкции изоляционные трубы, выполненные из стеклопластика, запрессованы на фланец, выполненный из алюминиевого сплава. Прессовая посадка обеспечивает надежную фиксацию труб на фланце. В рабочем режиме выключателя при протекании номинального тока металлический фланец может нагреваться в пределе до +120°C с учетом температуры окружающей среды. Более того, в кратковременном режиме при протекании токов короткого замыкания температура металлического фланца может существенно превысить +120°C. При этом с учетом разницы в ТКР алюминия и композита происходит усиление фиксации труб на наружной цилиндрической поверхности фланца, в результате чего существенно повышена механическая прочность этого соединения.
Дальнейшее повышение прочности конструкции достигнуто тем, что наружная цилиндрическая поверхность металлического фланца и сопряженные с ней внутренние поверхности изоляционных труб склеены при помощи клея, имеющего хорошую адгезию к алюминиевому сплаву и стеклопластику.
Повышение надежности соединений конструкции обеспечено тем, что металлический фланец содержит на наружной цилиндрической поверхности симметрично относительно кольцевого выступа два дополнительно введенных кольцевых бортика, зафиксированные в кольцевых проточках, выполненных на внутренних поверхностях изоляционных труб. Указанные бортики, во-первых, обеспечивают дополнительную фиксацию каждой из изоляционных труб от осевого смещения и, во-вторых, при установке труб на клей способствуют его сохранению от выдавливания.
Дальнейшее упрощение конструкции достигнуто тем, что кольцевой выступ выполнен с радиальным токовыводом, длина которого превышает наружный диаметр ребер из кремнийорганического материала. Указанный токовывод составляет неотъемлемую часть кольцевого выступа, а его длина предусматривает подключение внешней токоподводящей шины непосредственно к металлическому фланцу, сократив при этом количество токовых переходов, снизив внутреннее электрическое сопротивление и уменьшив нагрев металлического фланца и других токоведущих элементов.
В другом варианте исполнения, например, в выключателе на большие номинальные токи, температура нагрева металлического фланца может достигнуть предельно допустимой величины. Для уменьшения температуры нагрева путем увеличения рассеивания тепла в окружающей атмосфере кольцевой выступ металлического фланца снабжен дополнительным радиальным выводом. За счет этого увеличена общая площадь поверхности металлического фланца для отведения тепла, при этом на радиальном выводе дополнительно могут быть установлены радиаторы.
В третьем варианте исполнения в кольцевом выступе металлического фланца выполнен сквозной радиальный паз, в котором установлена дополнительно введенная токоведущая пластина, выполненная из материала с высокой электропроводностью, например из меди. Указанная пластина заменяет собой радиальный токовывод и предусматривает подключение как внешней токоподводящей шины, так и токоведущих гибких связей изнутри выключателя. Наличие дополнительно введенной пластины позволило, во-первых, упростить конструкцию металлического фланца и, во-вторых, обеспечить контактное соединение токоведущей пластины с гибкими связями по типу «медь-медь», более надежному, чем «медь-алюминий».
Уменьшение габаритов выключателя обеспечено введением изоляционного кольца из кремнийорганического материала, нанесенного поверх кольцевого выступа металлического фланца и на равные по высоте участки наружной поверхности изоляционных труб. Поскольку кольцевой выступ металлического фланца полностью закрыт изоляционным кольцом, изоляционное расстояние в свету определено между соседними радиальными токовыводами, ширина которых заведомо меньше диаметра кольцевого выступа. Кроме того, указанное изоляционное кольцо, нанесенное на наружные поверхности изоляционных труб совместно с ребрами из кремнийорганического материала, позволило увеличить длину пути утечки по наружным поверхностям изоляционных труб и усилить продольную изоляцию выключателя.
Более подробно конструктивные особенности изобретения и варианты исполнения пояснены на следующих чертежах:
Фиг.1 - вид выключателя в продольном разрезе в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - вид металлического фланца для выключателя в соответствии с Фиг.1.
Фиг.3 - вид металлического фланца в исполнении с дополнительно введенным радиальным выводом.
Фиг.4 - вид металлического фланца в исполнении с дополнительно введенной токоведущей пластиной.
Вакуумный выключатель, изображенный на Фиг.1, содержит вакуумную дугогасительную камеру 1 с подвижным и неподвижным контактом, изоляционные трубы 2 и 3, металлический фланец 4, токосъемную колодку 5, гибкие связи 6 и изоляционную тягу 7, связанную с приводом выключателя (не показан). Изоляционные трубы 2 и 3 имеют равные наружные диаметры, так что на наружные цилиндрические поверхности указанных труб нанесены однотипные кремнийорганические ребра 8. Металлический фланец 4 по центру наружной цилиндрической поверхности снабжен кольцевым выступом 11. При этом изоляционные трубы 2 и 3 установлены на наружной цилиндрической поверхности металлического фланца 4 до упора в кольцевой выступ 11. С верхнего торца изоляционной трубы 2 зафиксирован верхний фланец 9. С нижнего торца изоляционной трубы 3 зафиксирован опорный фланец 10. Таким образом, все наружные поверхности изоляционных труб 2 и 3 закрыты от контакта с окружающей атмосферой.
Для равнопрочности соединений изоляционные трубы 2 и 3 имеют одинаковые по высоте Н поверхности сопряжения с металлическим фланцем 4, верхним фланцем 9 и опорным фланцем 10.
Для надежности соединений на наружной цилиндрической поверхности металлического фланца 4 симметрично кольцевому выступу 11 выполнены два кольцевых бортика 12 и 13, а на внутренних поверхностях и изоляционных труб 2 и 3 выполнены кольцевые проточки 14 и 15 (Фиг.1, вид В). При этом кольцевые бортики 12 и 13 зафиксированы в кольцевых проточках 14 и 15. Дополнительно наружная цилиндрическая поверхность металлического фланца 4 (на участке от кольцевого выступа 11 до кольцевых бортиков 12 и 13) склеена с внутренними поверхностями изоляционных труб 2 и 3.
Для усиления как междуфазной, так и продольной наружной изоляции выключателя поверх кольцевого выступа 11 металлического фланца 4 и на равные по высоте участки наружной поверхности изоляционных труб 2 и 3 нанесено изоляционное кольцо 16 из кремнийорганического материала. С этой же целью на торец верхнего фланца 9 и наружную поверхность изоляционной трубы 2 нанесена изоляционная колпачковая крышка 17 из кремнийорганического материала.
На Фиг.2 изображен металлический фланец 4 с кольцевым выступом 11 и кольцевыми бортиками 12 и 13, содержащий радиальный токовывод 18. На Фиг.1 показан этот же фланец, установленный в выключателе. Токовывод 18 служит токовыводом подвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры 1 и предназначен для подключения внешней токоподводящей шины. С этой целью он выполнен длиной, превышающей наружный диаметр кремнийорганических ребер 8, и снабжен отверстиями 19. Аналогичный ему радиальный токовывод 20 (Фиг.1), выполненный на верхнем фланце 9, служит токовыводом неподвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры 1.
На Фиг.3 изображен металлический фланец 4 с кольцевым выступом 11, содержащим дополнительный радиальный вывод 21. Радиальный вывод 21, выполненный симметрично радиальному токовыводу 18, служит для дополнительного отвода тепла, с этой целью на него могут устанавливаться радиаторы (не показаны).
На Фиг.4 изображен металлический фланец 4 с кольцевым выступом 11, в котором выполнен сквозной радиальный паз 22. В паз 22 установлена дополнительно введенная токоведущая пластина 23 (показана отдельно), которая служит токовыводом подвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры 1 и предназначена для подключения как внешней токоподводящей шины, так и гибких связей 6 изнутри выключателя.
Сборка выключателя выполняется следующим образом. Изоляционная труба 2 запрессовывается на верхний фланец 9 до упора в токовывод 19. На верхнем фланце 9 крепится вакуумная дугогасительная камера 1. Затем изоляционная труба 2 с установленной вакуумной камерой 1 запрессовывается на металлический фланец 4 до упора в кольцевой выступ 11. При этом кольцевой бортик 12 сохраняет от выдавливания материал, склеивающий внутреннюю поверхность трубы 2 и наружную поверхность фланца 4. Как только труба 2 упрется в выступ 11, кольцевой бортик 12 зафиксируется в кольцевой проточке 14. На этом этапе сборки обеспечивается свободный доступ к подвижному контакту вакуумной дугогасительной камеры 1, на котором устанавливается токосъемная колодка 5. К токосъемной колодке 5 и металлическому фланцу 4 подключаются гибкие связи 6. В исполнении металлического фланца с Фиг.4 в сквозной паз 23 кольцевого выступа 11 устанавливается токоведущая пластина 23, а гибкие связи 6 подключаются непосредственно к пластине 23. Далее на металлический фланец 4 запрессовывается изоляционная труба 3 до упора в кольцевой выступ 11. При этом кольцевой бортик 13 сохраняет от выдавливания материал, склеивающий внутреннюю поверхность трубы 3 и наружную поверхность фланца 4. Как только труба 3 упрется в выступ 11, кольцевой бортик 13 зафиксируется в кольцевой проточке 15. Затем с нижнего торца изоляционной трубы 3 запрессовывается опорный фланец 10. Далее на наружные поверхности изоляционных труб последовательно наносятся кремнийорганические ребра 8, затем изоляционное кольцо 16 и вновь кремнийорганические ребра 8. Торец верхнего фланца 9 закрывается изоляционной колпачковой крышкой 17. В конце сборки через изоляционную трубу 3 на подвижный контакт вакуумной камеры 1 устанавливается изоляционная тяга 7. Собранная конструкция крепится болтами к раме выключателя и подключается к приводу. На этом сборка выключателя завершена.
При включении выключателя движение от привода передается через изоляционную тягу 7 на подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры 1. Подвижный контакт замыкается с неподвижным контактом с усилием контактного нажатия в сотни килограммов. Это усилие воздействует через верхний фланец 9 на изоляционную трубу 2, затем через металлический фланец 4 на изоляционную трубу 3 и опорный фланец 10. При этом усилие, прилагаемое к равным по высоте сопрягаемым поверхностям изоляционных труб 2 и 3 и фланцев 4, 9 и 10, практически одинаково, что обеспечивает равную механическую прочность указанных соединений и надежность всей конструкции выключателя.