ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
VACUUM SWITCH

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям вакуумных автоматических выключателей.
Известно изобретение «Вакуумный выключатель модульный серии «TEL», защищенный патентом РФ №2020631 (заявка №503479/07 с приоритетом от 02.04.1992 г.), МПК Н01Н 33/66, опубл. 30.09.1994 г.
В материалах к патенту описана конструкция вакуумного выключателя модульного типа с электромагнитным приводом. Выключатель модульного типа содержит вакуумные камеры, отключающие пружины и пружины поджатия, вал, блок-контакты, причем каждая вакуумная камера снабжена отдельным приводом с обмоткой и магнитной защелкой, который расположен соосно с вакуумной камерой, все приводы соединены общим валом с закрепленным на нем указателем положения и постоянным магнитом, вблизи которого расположены магнитоуправляемые блок-контакты.
Описанный аппарат является быстродействующим защитным выключателем, хотя в нем отсутствует механизм свободного расцепления. Быстродействие достигается за счет интенсивного подавления включающего тока в обмотках привода, которое завершается через 15 мс после размыкания блок-контактов. Мощность, потребляемая приводом, в 6-10 раз меньше, чем у аппаратов аналогичного класса. Отсутствие нагруженных узлов трения обеспечивает выключателю высокий ресурс по износу деталей привода. Такой выключатель используется в установках с частыми коммутациями, например в дуговых сталеплавильных печах.
Недостатком данной конструкции является ненадежная фиксация выключателя при замкнутых контактах вакуумной камеры.
Известно также и наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является изобретение «Вакуумный выключатель», защищенный патентом РФ №2249874 (заявка 2003108296/09 с приоритетом от 26.03.2003 г.), МПК Н01Н 33/66, опубл. 10.04.2005 г. (прототип).
Указанный вакуумный выключатель состоит из фазных модулей, установленных на металлическом основании, внутри которого расположены приводы с магнитными системами, образующими магнитные защелки, состоящие из статора, якоря и катушки, а также пружина отключения, синхронизирующий и блокировочный валы, блок контактов. На конце блокировочного вала расположен кулачок для механического размыкания и блокирования привода в отключенном положении. Применение блокировочного вала позволяет при работе выключателя осуществлять блокировку без механических нагрузок на синхронизирующий вал.
Фазные модули состоят из опорных изоляторов с расположенными внутри вакуумными камерами, залитыми в силиконовую резину, контактными терминалами, пружиной поджатия и тяговыми изоляторами. Магнитная система приводов, состоящая из двух чашеобразных деталей из магнитотвердого материала с расположенной внутри катушкой (одна чашка-якорь прикреплена к основанию выключателя, а другая - статор - к тяговому изолятору), позволяет реализовать простой и надежный привод с магнитной защелкой.
В зазоре между терминалом подвижного контакта и втулкой подвижного контакта с возможностью перекатывания между их поверхностями установлены упругие проводящие спирали. Спиральные токопроводящие элементы, перекатывающиеся при работе выключателя между подвижной поверхностью втулки и неподвижной поверхностью терминала, создают постоянный многоточечный контакт и являются подвижным токосъемом выключателя. Выключатель снабжен генератором ручного отключения, представляющим собой замкнутую магнитную систему, включающую постоянный магнит и катушку, электрически соединенную с катушками приводов выключателя. Кнопка ручного отключения жестко соединена с якорем магнитной системы указанного генератора. Кроме того, выключатель снабжен выносным индикатором, который связан с механизмом синхронизирующего вала выключателя посредством гибкой связи.
Одним из недостатков прототипа так же, как и аналога, является ненадежная фиксация выключателя при замкнутых контактах вакуумной камеры. При подаче импульса тока на катушки приводов в каждом из них происходит замыкание статора и якоря, которое сопровождается сжатием пружин отключения и поджатия, при этом контакты вакуумных камер замыкаются. Когда катушки приводов обесточиваются, якорь сохраняет свое положение относительно статора за счет сил магнитного притяжения, обусловленных наличием остаточного магнитного потока. Возврат якоря в исходное состояние, при котором контакты вакуумных камер размыкаются, происходит под действием отключающей пружины после подачи в катушку привода обратного тока для размагничивания статора и якоря. Однако применение магнитной защелки не может обеспечить надежной фиксации включенного состояния выключателя, так как при воздействии внешних факторов, например вибрации, температуры и радиации, остаточный магнитный поток стали уменьшается, что может привести к самопроизвольному размыканию контактов. Кроме того, в связи с тем, что для отключения магнитной защелки возникает необходимость размагничивания статора и якоря обратным током катушки, то для изготовления статора и якоря нельзя использовать материал с большой коэрцитивной силой, например редкоземельные магниты.
Другим недостатком прототипа является большое время размыкания контактов при отключении выключателя, которое также является следствием применения магнитной защелки. В магнитной защелке якорь удерживается в подтянутом к статору состоянии и после отключения катушки за счет сил магнитного притяжения, создаваемых остаточным магнитным потоком. Для преодоления сил, созданных остаточным магнитным потоком, отключающая пружина должна быть достаточно жесткой, поэтому в прототипе требуется большее время для размыкания контактов при отключении выключателя.
Задачей изобретения является разработка конструкции вакуумного выключателя, обеспечивающего надежную фиксацию включенного состояния выключателя и меньшее время размыкания контактов его вакуумных камер.
Поставленная задача решается за счет того, что вакуумный выключатель содержит стальное основание с вертикальными ребрами и горизонтальными полками, на которые в верхней и средней части корпуса установлено не менее двух одинаковых фазных модулей, разделенных между собой вертикальными ребрами, а в нижней части корпуса расположены общие для всех модулей блокировочный и синхронизирующий валы и, по крайней мере, один поворотный электромагнит, причем блокировочный вал соединен с валом поворотного электромагнита и снабжен рычагом, к которому прикреплен один конец пружины, второй конец которой прикреплен к основанию.
При этом каждый из фазных модулей содержит расположенные в верхней части корпуса вакуумную камеру с контактами, токопроводы, опорные и тяговый изоляторы и расположенные в средней части корпуса пофазный привод с магнитной системой, состоящей из статора, якоря, обмотки и магнитопровода, а также расположенные вертикально вдоль центральной оси модуля отключающую и поджимающую пружины и шток, установленный с возможностью вертикального перемещения.
Во внутренней полости каждой вакуумной камеры размещены два контакта: верхний неподвижный контакт соединен с верхним неподвижным горизонтальным токопроводом, отделенным от верхней горизонтальной полки корпуса опорным изолятором, а нижний подвижный контакт соединен через гибкий токопровод с нижним неподвижным горизонтальным токопроводом, отделенным от горизонтальной полки корпуса, на которой установлен тяговый изолятор, соединенный с подвижным контактом вакуумной камеры.
Отключающая и поджимающая пружины, расположенные под каждой вакуумной камерой и установленные соосно со штоком, упираются верхней частью в горизонтальную полку, на которой расположен тяговый изолятор, и в нижнюю часть тягового изолятора соответственно, а нижней частью - в упорный диск, закрепленный на штоке, причем шток снабжен штифтом, установленным с возможностью перемещения в вертикальном пазу статора пофазного привода соответствующего фазного модуля.
Каждый пофазный привод расположен на горизонтальной полке корпуса, причем элементы его магнитной системы установлены на немагнитном диске, а якорь, расположенный во внутренней полости статора, закреплен на штоке соответствующего фазного модуля.
При этом каждый шток верхним концом связан с тяговым изолятором своего фазного модуля, а нижним концом, снабженным подшипником качения, опирается на эксцентрик, установленный на общем блокировочном валу.
Причем штоки всех фазных модулей снабжены линейными зубчатыми венцами, выполненными с возможностью их взаимодействия с шестернями, установленными на общем синхронизирующем валу.
В прототипе фиксация якоря привода в подтянутом к статору положении обеспечивается силами, создаваемыми остаточным магнитным потоком, который может уменьшиться из-за воздействия внешних факторов (вибрации, температуры и радиации), вследствие чего может произойти самопроизвольное размыкание контактов. В заявляемом техническом решении якорь привода закреплен на штоке и фиксация якоря со штоком обеспечивается за счет создания механического упора подшипника, закрепленного на конце штока, в эксцентрик, установленный на блокировочном валу. А так как механический упор не зависит от внешних факторов, то его применение в конструкции выключателя обеспечивает более надежную фиксацию контактов.
В прототипе жесткость отключающей пружины должна быть ограничена, чтобы сила отключающей пружины не превысила силу фиксации, создаваемую «магнитной защелкой», иначе произойдет размыкание контактов. В предлагаемом вакуумном выключателе жесткость отключающей пружины может быть намного увеличена по сравнению с прототипом, так как усилие отключающей пружины компенсируется механическим упором подшипника штока в эксцентрик, установленный на блокировочном валу. Следовательно, в заявляемом устройстве время размыкания контактов выключателя за счет увеличения жесткости отключающей пружины значительно уменьшено по сравнению с прототипом.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен вакуумный выключатель в трехфазном исполнении;
на фиг.2 приведен вид пружинного фиксатора в сечении А-А фиг.1;
на фиг.3 приведена кинематическая схема одного фазного модуля вакуумного выключателя (сечение Б-Б фиг.1) в состоянии «выключено» при разомкнутых контактах вакуумной камеры;
на фиг.4 приведена кинематическая схема одного фазного модуля вакуумного выключателя (сечение Б-Б фиг.1) в состоянии «включено» при замкнутых контактах вакуумной камеры;
на фиг.5 приведена схема поворотного магнита.
Вакуумный выключатель (Фиг.1) содержит корпус со стальным основанием 1, вертикальными ребрами 2 и горизонтальными полками 3, на которые в верхней и средней частях корпуса установлены разделенные между собой вертикальными ребрами 2 фазные модули 4, число которых соответствует числу электрических линий, коммутируемых выключателем.
Устройство фазных модулей 4 вакуумного выключателя одинаково. Каждый из фазных модулей 4 (Фиг.3, 4) содержит расположенную в верхней части корпуса вакуумную камеру 5 с контактами 6,7, токопроводы 8, 9, 10, опорные 11, 12 и тяговый 13 изоляторы; расположенные в средней части корпуса пофазный привод 14 с элементами магнитной системы 15-18, а также расположенные вертикально вдоль центральной оси модуля отключающую пружину 19, поджимающую пружину 20 и шток 21, причем шток установлен с возможностью вертикального перемещения.
В нижней части корпуса (Фиг.1, 2) расположены общие для всех фазных модулей 4 блокировочный вал 22, синхронизирующий вал 23 и, по крайней мере, один поворотный электромагнит 24.
Во внутренней полости (Фиг.3, 4) каждой вакуумной камеры 5 находятся два контакта: верхний неподвижный 6 и нижний подвижный контакт 7. Верхний неподвижный контакт 6 вакуумной камеры 5 соединен с верхним неподвижным горизонтальным токопроводом 8, отделенным от верхней горизонтальной полки 3 опорным изолятором 11, а нижний подвижный контакт 7 вакуумной камеры 5 соединен через гибкий токопровод 9 с нижним неподвижным горизонтальным токопроводом 10, отделенным опорным изолятором 12 от горизонтальной полки 3, на которой установлен тяговый изолятор 13, соединенный с подвижным контактом 7 вакуумной камеры 5.
Под каждой вакуумной камерой 5 (Фиг.3, 4) установлены на штоке 21, соосно с ним, две пружины - отключающая 19 и поджимающая 20, которые упираются своей верхней частью в горизонтальную полку 3, на которой расположен тяговый изолятор 13, и в нижнюю часть тягового изолятора 13 соответственно, а нижней частью - в упорный диск 25, закрепленный на штоке 21.
Каждый пофазный привод 14 фазных модулей 4 (Фиг.3, 4) расположен на горизонтальной полке 3 и содержит статор 15, якорь 16, обмотку 17 и магнитопровод 18, которые установлены на немагнитном диске 26. Якорь 16, выполненный из магнитной стали, размещен во внутренней полости статора 15, также выполненного из магнитной стали, закреплен на штоке 21. Статор 15 выполнен с осевым вертикальным пазом, в котором размещен с возможностью перемещения в этом пазу закрепленный на штоке 21 фиксирующий штифт 27.
При этом каждый шток 21 фазного модуля 4 (Фиг.3, 4) верхним своим концом связан с тяговым изолятором 13, в полости которого расположена головка 28 штока 21, а нижним концом, снабженным подшипником качения 29, опирается на эксцентрик 30, установленный на общем блокировочном валу 22.
Общий блокировочный вал 22, соединенный посредством муфт с валом поворотного электромагнита 24, снабжен рычагом 31, к которому прикреплен один конец пружины 32, второй конец которой прикреплен к основанию 1 (Фиг.1, 2).
Штоки 21 всех фазных модулей 2 (Фиг.1, 3, 4) снабжены линейными зубчатыми венцами 33, выполненными с возможностью их взаимодействия, т.е. с образованием зацепления, с шестернями 34, установленными на общем синхронизирующем валу 23.
На Фиг.5 показано осевое сечение поворотного электромагнита 24.
В корпусе 35 поворотного электромагнита 24 закреплен магнитопровод статора 36 с обмоткой 37, размещенной на двух зубцах магнитопровода статора 36. Ротор 38 - пассивный, выполнен также с двумя зубцами и установлен на валу 39.
Вакуумный выключатель работает следующим образом.
Как было указано выше, число одинаковых фазных модулей 4 вакуумного выключателя (Фиг.1) соответствует числу электрических линий, которые коммутирует выключатель. Фазные модули 4 вакуумного выключателя устроены и работают одинаково, в связи с чем ниже при описании работы всех фазных модулей выключателя описывается работа одного фазного модуля 4.
В исходном положении выключатель находится в выключенном состоянии (Фиг.3). При этом обмотка 17 электромагнитного пофазного привода 14 и обмотка поворотного электромагнита 37 обесточены. Отключающая пружина 19, работающая на растяжение, верхней частью опирается в горизонтальную полку 3, на которой расположен тяговый изолятор 13, а нижней частью давит на упорный диск 25, закрепленный на штоке 21. Под действием пружины 19 упорный диск 25 вместе со штоком 21 и якорем 16 пофазного привода 14 находится в нижнем положении. При этом головка 28 штока 21 смещает тяговый изолятор 13 в нижнее положение, при котором контакты 6 и 7 вакуумной камеры 5 разомкнуты. Эксцентрик 30 с блокировочным валом 22 развернут так, что точка контакта между эксцентриком 30 и подшипником качения 29, закрепленным на конце штока 21, находится на минимальном расстоянии от центра блокировочного вала 22. Пружина 32 рычага 31 при показанном на фиг.3 положении блокировочного вала 22 растянута и стремится повернуть блокировочный вал 22 с эксцентриком 30 по часовой стрелке, но тогда пружина 32 при повороте эксцентрика 30 должна смещать шток 21 вверх и сжимать отключающую пружину 19. Усилие пружины 32 слишком мало по сравнению с усилием отключающей пружины 19, поэтому состояние выключателя, показанное на фиг.3, устойчиво.
При включении вакуумного выключателя (Фиг.4) на обмотку 17 электромагнитного пофазного привода 14 подают напряжение питания. Электромагниты пофазного привода 14 смещают якорь 16 со штоком 21 в верхнее положение, при этом зазор между якорем 16 и статором 15 уменьшается. Линейный зубчатый венец 33, выполненный на штоке 21 каждого фазного модуля 4 входит в зацепление с соответствующей шестерней 34, которая установлена на общем синхронизирующем валу 23. Благодаря механической связи каждого штока 21 фазного модуля 4 с общим синхронизирующим валом 23 все штоки 21 вакуумного выключателя перемещаются синхронно и фазные модули 4 вакуумного выключателя работают аналогично. При смещении в верхнее положение якоря 16 со штоком 21 и упорным диском 25 сжимается отключающая пружина 19. Головка 28 штока 21 при смещении вверх освобождает тяговый изолятор 13, который также смещается вверх под действием поджимающей пружины 20, которая создает усилие в направлении растяжения. Вместе с тяговым изолятором 13 смещается вверх подвижный контакт 7 вакуумной камеры 5, в результате чего ее контакты 6 и 7 замыкаются. Поскольку замыкание контактов 6 и 7 происходит под действием поджимающей пружины 20, исключается жесткий удар контактов 6 и 7 друг о друга, который мог бы привести к их повреждению. При движении штока 21 выступающий штифт 27, закрепленный на штоке 21, также перемещается в осевом вертикальном пазу статора 15 пофазного привода 14 и этот паз не позволяет штоку 21 поворачиваться вокруг своей оси. Как только шток 21 под действием электромагнитной силы линейного электромагнита пофазного привода 14 смещается вверх, общий блокировочный вал 12 и эксцентрик 30 под действием усилия пружины 32 рычага 31 поворачивается по часовой стрелке. Теперь точка контакта подшипника качения 29 и эксцентрика 30 находится на круговой его части, имеющей наибольший радиус. После отключения обмотки 17 линейного электромагнита пофазного привода 14 отключающая пружина 19 стремится сместить шток 21 вниз в исходное положение, при котором контакты 6 и 7 вакуумной камеры 5 разомкнуты, но подшипник 29, установленный на конце штока 21, опирается на круговую часть эксцентрика 30 и шток 21 не может сместиться вниз. Пружина 32 рычага 31 фиксирует положение блокировочного вала 22 и штока 21.
Для выключения вакуумного выключателя и размыкания контактов 6 и 7 вакуумной камеры 5 нужно подать питание на обмотку 37 поворотного электромагнита 24 (фиг.5). Ротор 38 с валом 39 поворотного электромагнита 24 под действием электромагнитного момента поворачиваются и поворачивают против часовой стрелки блокировочный вал 22 с эксцентриком 30. Точка контакта подшипника качения 29 и эксцентрика 30 смещается с круговой части эксцентрика на его часть с меньшим радиусом, в результате чего шток 21 под действием силы отключающей пружины 19 смещается вниз в исходное положение (фиг.3). Головка 28 штока 11 смещает вниз тяговый изолятор 13 с подвижным контактом 7 вакуумной камеры 5, в результате чего контакты 6 и 7 вакуумного выключателя размыкаются. Подшипник качения 29, закрепленный на штоке 21, снижает силы трения при повороте эксцентрика 30 и позволяет уменьшить вращающий момент поворотных электромагнитов 24.
Таким образом, предлагаемая конструкция вакуумного выключателя позволяет повысить надежность фиксации якоря во включенном состоянии выключателя и уменьшить время размыкания контактов выключателя.
Заявляемое устройство вакуумного выключателя может быть изготовлено из обычных для данного типа устройств материалов на стандартном оборудовании с применением инструмента, используемого для изготовления узлов и деталей промышленного оборудования.