КОНТАКТНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ
CONTACT UNIT FOR VACUUM INTERRUPTER

1. Область изобретения
Настоящее изобретение относится к вакуумному прерывателю и, более конкретно, к контактному узлу для вакуумного прерывателя, имеющего превосходную механическую выносливость к механическому воздействию контактов согласно переключению контактов.
2. Описание уровня техники
Вакуумный прерыватель представляет собой переключающий контакт и дугогасительный блок, используемый в качестве центрального компонента устройства электропитания, такого как вакуумный выключатель, вакуумный переключатель, вакуумный контактор и т.п. для того, чтобы прерывать ток электрической нагрузки и выброс тока в системе электропитания.
Среди такого применения устройств вакуумного прерывателя вакуумный выключатель служит для защиты электрической нагрузки при управлении передачей энергии и системе энергопитания, и так как вакуумный выключатель имеет много преимуществ, как, например, он имеет большую разрывную мощность (напряжение/ток) и высокую техническую надежность и стабильность и может быть установлен в маленьком пространстве, вакуумный выключатель широко применяется в средах напряжения от среднего напряжения до высокого напряжения. К тому же разрывная мощность вакуумного выключателя увеличивается прямо пропорционально увеличению размера промышленных объектов.
Пример конфигурации вакуумного прерывателя в вакуумном выключателе будет описан со ссылкой на фиг.1 следующим образом.
Как показано на фиг.1, в общем, вакуумный прерыватель 10 содержит изолирующий контейнер 9, изготовленный из керамического материала, обладающего превосходными электроизоляционными свойствами и теплостойкостью и имеющего открытые верхний и нижний участки, неподвижный электрод 4, расположенный путем вставки в изотермическом контейнере 9 и имеющий один концевой участок, к которому присоединен неподвижный контакт 3 посредством, например сварки, и другой концевой участок, электрически соединенный с, например, источником электропитания, и подвижный электрод 1, расположенный путем вставки в изолирующем контейнере 9 и имеющий один концевой участок, к которому присоединен подвижный контакт 2 посредством, например, сварки, и другой концевой участок, электрически соединенный с, например, электрической нагрузкой. Ссылочная позиция 5 обозначает воздухонепроницаемый сильфон, изготовленный из металла и поддерживающий с возможностью перемещения подвижный электрод 1, и ссылочная позиция 6 обозначает ограждающую пластину, установленную на подвижном электроде 1 для ограждения и защиты воздухонепроницаемого сильфона 5 от дуги. Ссылочная позиция 7 обозначает первую уплотнительную манжету, приваренную к изолирующему контейнеру 9 так, чтобы быть неподвижно установленной, чтобы герметично закрывать зазор между нижним открытым участком и подвижным электродом 1. Ссылочная позиция 8 обозначает вторую уплотнительную манжету, приваренную к изолирующему контейнеру 9 так, чтобы быть неподвижно установленной, чтобы герметично закрывать зазор между верхним открытым участком и неподвижным электродом 4. Ссылочная позиция 10 обозначает центральную ограждающую пластину, установленную в центре изотермического контейнера 9 для того, чтобы защищать поверхность внутренней стенки изолирующего контейнера 9 от дуги.
Обычный вакуумный прерыватель 10, сконфигурированный, как описано выше, может быть соединен с приводом, включающим в себя источник возбуждения (не показан), как, например, пружина или двигатель и рычажный механизм 13. Подвижный электрод 1 может быть электрически соединен с линией (цепью) электропитания со стороны нагрузки через клемму 12, и неподвижный электрод 4 может быть электрически соединен с линией (цепью) электропитания со стороны источника электропитания через клемму 11.
На фиг.1 ссылочная позиция 14 обозначает внешний корпус вакуумного выключателя, а ссылочная позиция 15 обозначает колеса для перемещения вакуумного выключателя.
На фиг.1 когда подвижный электрод 1 поднимается согласно передаче возбуждающего усилия (или мощности) от рычажного механизма 13 привода, подвижный контакт 2, установленный на одном концевом участке подвижного электрода 1 приводят в контакт с неподвижным контактом 3, заставляя источник питания, электрически соединенный с подвижным электродом 1 через клемму 12 и нагрузку, электрически соединенную с неподвижным электродом 4 через клемму 11, чтобы соединяться в рабочее состояние, в котором цепь электропитания становится замкнутой цепью.
На фиг.1 когда подвижный электрод 1 опускается согласно передаче усилия возбуждения от привода, включающего в себя источник возбуждения (не показан), как, например, пружина или двигатель и рычажный механизм 13, подвижный контакт 2, установленный на одном концевом участке подвижного электрода 1, отделяется от неподвижного контакта 3, электрически рассоединяя электрическую нагрузку, электрически соединенную с подвижным электродом 1, и источник электропитания электрически соединен с неподвижным электродом в рабочее состояние, в котором упомянутая цепь разомкнута.
При выполнении замыкания цепи, как показано на фиг.2, ток I течет через подвижный электрод 1, подвижный контакт 2, неподвижный контакт 3 и неподвижный электрод 4. На фиг.2 ссылочные позиции 3а и 2а обозначают брызгозащитные ограждения для защиты заднего участка контактов от металлического пара дуги, создаваемой, когда контакты разомкнуты.
В случае, в котором подвижный контакт 2 и неподвижный контакт 3 имеет спиральную форму, дуга, созданная между подвижным контактом 2 и неподвижным контактом 3, когда подвижный контакт 2 и неподвижный контакт 3 разомкнуты, выталкивается наружу под действием результирующей силы (F) на фиг.2, которая называется силой Лоренца согласно правилу левой руки Флеминга, течения тока в вертикальном направлении и соответствующего горизонтального магнитного поля, поворачивается, рассеиваясь, и угасает.
При этом в случае вакуумного прерывателя известного уровня техники, описанного выше, и подвижный контакт 2 и неподвижный контакт 3 испытывают механическое напряжение во время операции размыкания и замыкания. В частности, в случае вакуумного прерывателя, применяющего конструкцию спирального контакта, как показано на фиг.3, горизонтальная площадь сечения участка SA контакта на неподвижном электроде 4 и подвижном электроде 1, поддерживающем нижний концевой участок контакта, предпочтительно требуется быть меньше площади контакта (т.е. площади контактного участка, на которым подвижный контакт или неподвижный контакт приводятся в контакт) на подвижном контакте 2 или неподвижном контакте 3 для того, чтобы получать большую силу (F) Лоренца для возбуждения дуги в горизонтальном направлении на начальной стадии отсечения (или прерывания) тока короткого замыкания, который далее более предпочтителен для отсечения (или прерывания) большого тока. Причина состоит в том, что когда разница между площадью контакта на подвижном контакте 2 или неподвижном контакте 3 и горизонтальная площадь сечения подвижного электрода 1 или неподвижного электрода 4 увеличивается, сила (F) Лоренца на начальной стадии размыкания контактов увеличивается.
Однако в случае площади контакта упомянутых контактов имеется ограничение в увеличении площади контакта для обеспечения безопасности изолирующего расстояния от внутреннего компонента, как, например, центральной ограждающей пластины 10 или тому подобного вакуумного прерывателя. К тому же увеличение площади сечения неподвижного электрода 4 и подвижного электрода 1, поддерживающего контактный нижний концевой участок, также обязательно огранивается.
По этим причинам, когда вакуумный прерыватель известного уровня техники выполняет операцию замыкания, механическое напряжение согласно контактному воздействию между указанными контактами прикладывается к перемещаемому контакту 2 и неподвижному контакту 3, заставляя контакты механически деформироваться.
Когда рабочая энергия увеличивается для того, чтобы прерывать большой ток, контактные участки значительно деформируются пропорционально увеличенной энергии замыкания, что приводит к возникновению возможности, при которой первоначальные функции (изоляция, гашение дуги и электрическое соединение) вакуумного прерывателя повреждаются.
Поэтому немедленно требуется усиление прочности контактных участков вакуумного прерывателя согласно увеличению емкости вакуумного выключателя.
Сущность изобретения
Аспект настоящего изобретения обеспечивает контактный узел вакуумного прерывателя, способный предотвращать контактный участок вакуумного прерывателя от ослабления или повреждения под значительной нагрузкой, приложенной к контактному участку за счет энергии замыкания, которая увеличивается согласно увеличению размера вакуумного выключателя.
Другой аспект настоящего изобретения обеспечивает контактный узел вакуумного прерывателя, способный предотвращать деградацию выполнения прерывания тока короткого замыкания.
Согласно аспекту настоящего изобретения обеспечен контактный узел для вакуумного прерывателя, содержащий: неподвижный контакт; неподвижный электрод, соединенный с неподвижным контактом; подвижный контакт, перемещаемый в первое положение, в котором подвижный контакт приходит в контакт с неподвижным контактом, и второе положение, в котором подвижный контакт отделен от неподвижного контакта; и элемент поддержания контакта, установленный, чтобы контактировать с подвижным контактом на периферии подвижного электрода и увеличивать площадь контакта, обеспечивающую контактирование подвижного контакта вместе с подвижным электродом для того, чтобы уменьшать нагрузку, приложенную к подвижному контакту и подвижному электроду, когда подвижный контакт перемещается в первое положение.
Контактный узел может дополнительно включать в себя элемент поддержания контакта, установленный, чтобы контактировать с неподвижным контактом на периферии неподвижного электрода и увеличивать площадь контакта, обеспечивающую контактирование неподвижного контакта вместе с неподвижным электродом.
Элементы поддержания контакта могут быть изготовлены из материала, имеющего высокое электрическое сопротивление по сравнению с материалом подвижного электрода и неподвижного электрода.
Подвижный электрод и неподвижный электрод могут быть изготовлены из безкислородной меди, и элементы поддержания контакта могут быть изготовлены из нержавеющей стали.
Элементы поддержания контакта могут быть сконфигурированы в виде полых трубчатых элементов, позволяющих подвижному электроду или неподвижному электроду проходить через них.
Вышеуказанные и другие задачи, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более ясны из следующего далее подробного описания настоящего изобретения в сочетании с сопровождающими чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в вертикальном сечении вакуумного выключателя, схематически показывающий конфигурацию вакуумного выключателя, включающего в себя вакуумный прерыватель согласно известному уровню техники.
Фиг.2 представляет собой вид, показывающий главную часть контактного узла вакуумного прерывателя, показывающий направление тока и направление силы Лоренца согласно известному уровню техники.
Фиг.3 представляет собой вид, показывающий главную часть контактного узла вакуумного прерывателя, показывающий участок электрода, где создается напряжение, когда контакты приходят в контакт согласно известному уровню техники.
Фиг.4 представляет собой вид в вертикальном сечении, показывающий конфигурацию контактного узла вакуумного прерывателя согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет собой вид, показывающий главную часть и показывающий, что площадь участка, где напряжение создается, увеличивается в контактном узле вакуумного прерывателя по сравнению с известным уровнем техники согласно варианту осуществления настоящего изобретения, и
Фиг.6 представляет собой вид, показывающий сравнение величины токов, текущих через электрод и элемент поддержания контакта в контактном узле вакуумного прерывателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Вышеупомянутые и другие задачи, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более ясны из следующего далее подробного описания настоящего изобретения в сочетании с сопровождающими чертежами.
Как показано на фиг.4, контактный узел для вакуумного прерывателя согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения содержит неподвижный контакт 3, неподвижный электрод 4, подвижный контакт 2, подвижный электрод 1 и элементы RM1 и RM2 поддержания контакта. На фиг.4 ссылочные позиции 3а и 2а обозначают брызгозащитные ограждения 9 для защиты задней стороны контактов от металлического пара дуги, создаваемой, когда контакты разомкнуты.
Неподвижный контакт 3 может быть электрически соединен с источником электропитания или электрической нагрузкой электрической цепи через неподвижный электрод 4.
Неподвижный электрод 4 соединен с неподвижным контактом 3 посредством сваривания или тому подобного и может быть электрически соединен с источником электропитания или электрической нагрузкой электрической цепи через клеммы (11 и 12 на фиг.1) и кабель (не показан).
Подвижный контакт 2 может быть перемещаемым в первое положение, в котором подвижный контакт 2 приводят в контакт с неподвижным контактом 3, или во второе положение, в котором подвижный контакт 2 отделен от неподвижного контакта 3. Подвижный контакт 2 изготовлен из электропроводного материала.
Подвижный электрод 1 соединен с подвижным контактом 2 посредством сваривания или тому подобного и сообщает подвижному контакту перемещение в первое или второе положение. Усилие (или мощность) возбуждения подвижного электрода 1 обеспечена источником возбуждения (не показан), как, например, возвратной пружиной или двигателем и механизмом передачи энергии (не показан), как, например, рычагами для передачи усилия возбуждения от источника возбуждения подвижному электроду 1.
Среди элементов RM1 и RM2 поддержания контакта первый элемент RM1 поддержания контакта установлен на периферии подвижного электрода 1 для увеличения площади контакта, обеспечивающей контактирование подвижного контакта 2 вместе с подвижным электродом 1 так, что напряжение, прикладываемое к подвижному контакту 2 и подвижному электроду 1, может быть уменьшено, когда подвижный контакт 2 перемещен в первое положение. Причина установки первого элемента RM1 поддержания контакта по периферии подвижного электрода 1 для увеличения площади контакта, обеспечивающей контактирование подвижного контакта 2, заключается в том, что напряжение пропорционально прикладываемой нагрузке (давлению) и обратно пропорционально площади контакта. А именно, когда площадь контакта является большой, нагрузка (давление) распределяется соответственно, тем самым, уменьшая созданное напряжение на участке, который принимает нагрузку (давление).
Это может быть выражено Уравнением (1), показанным ниже:
(1)
В Уравнении (1) σ - напряжение, F - нагрузка (давление) и А - площадь контакта.
Как показано на фиг.5, в известном уровне техники площадь контакта между подвижным электродом 1 и подвижным контактом 2 настолько мала, насколько мала первая площадь Ф1 контакта, тогда как в контактном узле вакуумного прерывателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения, так как первый элемент RM1 поддержания контакта, установленный по периферии подвижного электрода 1, контактирует с нижней поверхностью подвижного контакта 2 вместе с подвижным электродом 1, площадь контакта увеличивается до Ф2. А именно, согласно настоящему изобретению, когда подвижный контакт 2 перемещается в первое положение, напряжение, созданное в подвижном электроде 1 и подвижном контакте 2, уменьшается обратно пропорционально увеличению площади контакта контактного участка SA, что может быть отнесено к Уравнению 1.
В контактном узле вакуумного прерывателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения, как проиллюстрировано на фиг.4, среди элементов RM1 и RM2 поддержания контакта второй элемент RM2 поддержания контакта установлен по периферии неподвижного электрода 4, увеличивая площадь контакта, обеспечивающую контактирование неподвижного контакта 3 вместе с неподвижным электродом 4. Таким образом, согласно настоящему изобретению, когда подвижный контакт 2 перемещается в первое положение, напряжение, созданное в неподвижном электроде 4 и неподвижном контакте 3, уменьшается обратно пропорционально увеличению площади контакта, как может быть подтверждено Уравнением 1.
Элементы RM1 и RM2 поддержания контакта могут быть сконфигурированы в виде коротких полых трубчатых элементов, чтобы позволять подвижному электроду 1 или неподвижному электроду 4 проходить через них. Так как элементы RM1 и RM2 поддержания контакта сконфигурированы в виде полых трубчатых элементов, они могут быть легко установлены по периферии подвижного электрода 1 или неподвижного электрода 4.
При этом контактный узел вакуумного прерывателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет следующие характеристики конфигурации для того, чтобы предотвращать деградацию выполнения прерывания тока короткого замыкания. А именно, элементы RM1 и RM2 поддержания контакта выполнены из материала, имеющего высокое электрическое сопротивление по сравнению с материалом подвижного электрода 1 и неподвижного электрода 4. Таким образом, так как электрическое сопротивление материала элементов RM1 и RM2 поддержания контакта значительно больше электрического сопротивления подвижного электрода 1 и неподвижного электрода 4, как показано на фиг.6, величина тока i2, текущего через первый элемент RM1 поддержания контакта, может быть незначительной по сравнению с величиной тока i1, текущего через подвижный контакт 2 и подвижный электрод 1, и поэтому достаточное пропорциональное магнитное поле и сила Лоренца созданы вследствие достаточной величины тока i1 между контактами. Соответственно, при выполнении операции прерывания (другими словами операции размыкания и отделения контактов) в отношении тока короткого замыкания дуга, созданная между контактами, может выталкиваться наружу из контактов и поворачиваться так, чтобы быстро угасать благодаря достаточной силе Лоренца. В связи с этим контактный узел для вакуумного прерывателя согласно настоящему изобретению также может предотвращать деградацию выполнения прерывания тока короткого замыкания.
В контактном узле для вакуумного прерывателя согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения подвижный электрод 1 и неподвижный электрод 4 могут быть изготовлены из безкислородной меди, а элементы RM1 и RM2 поддержания контакта могут быть изготовлены из нержавеющей стали.
Далее будет описана операция замыкания и операция размыкания (операции размыкания и отделения контактов) в контактном узле вакуумного прерывателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
При операции замыкания усилие возбуждения от механизма передачи энергии (не показан), как, например, рычагов, который передает энергию от источника мощности возбуждения, как, например, возвратной пружины или двигателя, передается подвижному электроду 1, и подвижный электрод 1 поднимается. Далее, как показано на фиг.4, подвижный контакт 2, соединенный с верхним концевым участком подвижного электрода 1, приводится в контакт с неподвижным контактом 3, который размещен обращенным к подвижному контакту 2, образуя замкнутую цепь через подвижный электрод 1, подвижный контакт 2, неподвижный контакт 3 и неподвижный электрод 4, чтобы позволять току протекать по ней, таким образом завершая операцию замыкания. В этом случае в контактном узле для вакуумного прерывателя согласно настоящему изобретению, как показано на фиг.4, элементы RM1 и RM2 поддержания контакта установлены по периферии неподвижного электрода 4 и подвижного электрода 1 для увеличения площади контакта, обеспечивающей контактирование неподвижного контакта 3 вместе с неподвижным электродом 4 и увеличения площади контакта, обеспечивающей контактирование подвижного контакта 2 вместе с подвижным электродом 1. Таким образом, согласно настоящему варианту осуществления, когда подвижный контакт 2 перемещается в первое положение, напряжение, созданное в неподвижном электроде 4, неподвижном контакте 3, подвижном электроде 1 и подвижном контакте 2, может быть уменьшено обратно пропорционально, как указано в Уравнении 1, показанном выше. Соответственно, возможность, при которой неподвижный контакт 3 и подвижный контакт 2 деформируются и повреждаются, может быть уменьшена соответственно.
В операции размыкания усилие возбуждения от механизма передачи энергии, как, например, рычагов (не показаны), которые передают усилие возбуждения от источника мощности возбуждения, такого как возвратной пружины или двигателя, передается подвижному электроду 1, и подвижный электрод 1 опускается. Далее, как показано на фиг.4, подвижный контакт 2, соединенный с верхним концевым участком подвижного электрода 1, отделяется от неподвижного контакта 3, который размещен обращенным к подвижному контакту 2, рассоединяя замкнутую цепь подвижного электрода 1, подвижного контакта 2, неподвижного контакта 3 и неподвижного электрода 4 для предотвращения тока от протекания через нее, таким образом завершая операцию размыкания. В этом случае в контактном узле вакуумного прерывателя согласно настоящему изобретению, так как элементы RM1 и RM2 поддержания контакта изготовлены из материала, имеющего высокое электрическое сопротивление по сравнению с электрическое сопротивлением неподвижного электрода 4 или подвижного электрода 1, большая часть тока может течь по направлению к неподвижному контакту 3 и подвижному контакту 2 через неподвижный электрод 4 или подвижный электрод 1, а не элементы RM1 и RM2 поддержания контакта. Таким образом, вследствие достаточной величины тока между контактами создаются достаточное пропорциональное магнитное поле и сила Лоренца, и поэтому при выполнении операции размыкания (другими словами операции размыкания и отделения контактов) в отношении тока короткого замыкания дуга, созданная между контактами, может выталкиваться наружу из контактов и вращаться так, чтобы быстро угасать под действием достаточной силы Лоренца.
Настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах без отклонения от его характеристик, к тому же понятно, что вышеописанные варианты осуществления не ограничены какими-либо деталями вышеуказанного описания, помимо указанного иначе, а точнее, должно быть свободно выполнено в пределах объема, приведенного в приложенной формуле изобретения, и в связи с этим все изменения и преобразования, которые находятся в пределах и границах формулы изобретения или эквивалентов таких пределов и границ, таким образом предполагаются включенными приложенной формулой изобретения.