ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ЦЕПИ
ELECTROMECHANICAL CIRCUIT BREAKER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электромеханическим прерывателям цепи, в частности, предназначенным для защиты установок постоянного тока, например тяговых электросетей, включая рельсовые транспортные средства.
Уровень техники
Тяговые цепи обычно имеют номинальное напряжение от 750 до 3000 В. Прерыватель цепи используется, например, для разрывания сильных токов в случае короткого замыкания в какой-либо части установки. Прерыватель, однако, может иметь и другие многочисленные применения в промышленности.
Известные электромеханические прерыватели цепи такого типа включают неподвижный контактный элемент, взаимодействующий с подвижным контактным элементом. При нормальных условиях работы эти элементы соединены, и ток в основной цепи проходит через указанные элементы. При разрывании тока подвижный контакт смещается посредством какого-либо электромеханического привода, увеличивая физическое расстояние между этими контактными элементами, в результате чего между двумя контактными элементами возникает электрическая дуга.
Для эффективного разрывания тока, электрическая дуга должна быть погашена. Это обычно достигается использованием дугогасительной камеры известного типа, в которую дуга направляется силой, обусловленной магнитным полем, создаваемым в основной цепи. Внутри этой дугогасительной камеры, дуга расщепляется на множество более мелких дуг, что в конечном итоге приводит к нарушению проводимости между разведенными контактными элементами.
Для достижения указанной цели прерыватели цепи этого типа обычно оснащаются так называемым дугогасящим устройством, которое может представлять собой электромагнитное устройство, в котором для перенаправления дуги в устройство гашения дуги, например дугогасительную камеру, используется электромагнитная сила.
Преимущество использования основного тока для создания магнитного поля состоит в том, что полярность поля меняется при изменении направления тока, а результирующая сила, воздействующая на дугу, всегда имеет одинаковый знак. Это означает, что ток через прерыватель цепи может быть разорван при любом его направлении (т.е., прерыватель цепи не чувствителен к полярности).
Электромагнитная сила, необходимая для смещения дуги в дугогасительную камеру в прерывателе цепи постоянного тока является, в основном, функцией величины тока. Поэтому возникает проблема, когда требуется разорвать ток очень небольшой величины. В этом случае, создаваемая сила будет недостаточна для смещения дуги в дугогасительную камеру.
Известное решение этой проблемы состоит в использовании постоянного магнита для создания магнитного поля, достаточного для смещения дуги при малых токах. Как правило, постоянный магнит располагается так, что создаваемое магнитное поле однородно и в целом перпендикулярно направлению тока, благодаря чему воздействующая на дугу результирующая сила направлена так, чтобы сместить дугу в дугогасительную камеру. Однако если ток меняет направление, воздействующая на дугу результирующая сила также изменит направление и сместит дугу в противоположном от дугогасительной камеры направлении. Поэтому прерыватель цепи этого типа является поляризационно-чувствительным.
Раскрытие изобретения
Одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции дугогасящего устройства для электромеханического прерывателя цепи, в котором устранены недостатки известных устройств. В частности, основной целью настоящего изобретения является создание прерывателя цепи, способного разрывать очень слабый ток, притом, что разрываемый ток может быть любого направления.
Задачей настоящего изобретения является электромеханический прерыватель цепи, предназначенный для установления и разрывания тока в основной цепи и включающий неподвижный контактный элемент и подвижный контактный элемент, которые в первом положении соединены друг с другом для передачи тока в основной цепи, при этом подвижный контактный элемент приспособлен для смещения во второе положение, в котором он отделен от неподвижного контактного элемента так, что ток в основной цепи разрывается, а прерыватель цепи включает дугогасящее устройство, содержащее намагничивающую катушку, по которой проходит ток намагничивания для создания магнитного поля, позволяющего смещать дугу, создаваемую при разведении двух контактных элементов, в дугогасительное средство, и электродные средства, электрически соединенные с намагничивающей катушкой и приспособленные к взаимодействию с дугой так, что дуга создает упомянутый ток намагничивания в намагничивающей катушке, при этом магнитное поле для смещения дуги создается самой дугой, отличающийся тем, что дугогасящее устройство также включает магнитные средства для создания магнитного поля, направленного порадиально по отношению к дуге и генерирующего силу для смещения дуги так, чтобы вызвать контакт дуги с электродными средствами. Эти признаки позволяют создать прерыватель цепи, отличающийся четкой и надежной работой и высокой эффективностью даже и при разрывании малых токов. Кроме того, могут быть достигнуты компактность и надежность устройства, а также его низкая стоимость.
Благодаря тому, что дугогасящее устройство имеет намагничивающую катушку, магнитная цепь включает по крайней мере два наконечника, упомянутое магнитное поле для смещения дуги по крайней мере частично создается между этими двумя наконечниками.
Эти признаки обеспечивают создание магнитного поля, которое особенно хорошо приспособлено для смещения дуги в устройство гашения дуги, независимо от направления и силы тока этой дуги, благодаря чему обеспечиваются высокая эффективность разрывания тока и надежность.
Настоящее изобретение описывает электромеханический прерыватель цепи, выполненный с возможностью пропускания и разрыва тока в основной цепи и включающий дугогасящее устройство, снабженное дугогасительным средством, намагничивающей катушкой, выполненной с возможностью пропускания тока намагничивания и создания магнитного поля, и группой электродных средств, электрически связанной с намагничивающей катушкой, неподвижный контактный элемент и подвижный контактный элемент, связанные в первом положении друг с другом с возможностью пропускания тока в основной цепи, при этом подвижный контактный элемент выполнен с возможностью смещения во второе положение, удаленное от неподвижного контактного элемента, с разрывом тока в основной цепи и со смещением дуги, возникающей при удалении двух указанных контактных элементов, посредством магнитного поля в дугогасительное средство, а группа электродных средств выполнена с возможностью взаимодействия с дугой с созданием посредством дуги указанного тока намагничивания в намагничивающей катушке и магнитного поля, причем дугогасящее устройство включает группу магнитных средств, создающую магнитное поле, направленное радиально по отношению к дуге, и силу, смещающую дугу с вызовом ее взаимодействия с группой электродных средств.
В другом варианте изобретения группа электродных средств может включать первый и второй дугоотводы, установленные над неподвижным и подвижным контактными элементами и электрически соединенные с указанными неподвижным и подвижным контактными элементами.
Еще в одном варианте осуществления группа магнитных средств может включать по меньшей мере один постоянный магнит, расположенный за вторым дугоотводом, установленным поверх подвижного контактного элемента.
Кроме того, группа магнитных средств может включать второй постоянный магнит, расположенный за первым дугоотводом, установленным поверх неподвижного контактного элемента.
Дополнительно дугогасящее устройство может иметь магнитную цепь, включающую по меньшей мере два наконечника, создающих между ними по меньшей мере частично указанное магнитное поле.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения дугогасительное средство может представлять собой дугогасительную камеру, расположенную на дугогасящем устройстве.
Еще в одном варианте осуществления прерыватель может включать привод, выполненный с возможностью смещения подвижного контактного элемента для разрывания основного тока, и средство обнаружения заранее заданных состояний в основной цепи, вызывающих разрыв тока в основной цепи, взаимодействующее с указанным приводом.
Кроме того, прерыватель может включать стальные пластины, установленные на электродных средствах с возможностью уменьшения величины магнитного поля, создаваемого магнитными средствами вокруг электродных средств.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, задачи, применения и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из формулы и описания изобретения, приводимых ниже, со ссылками на образующие его часть приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет прерыватель цепи в соответствии с настоящим изобретением, включающий дугогасящее устройство и связанную с ним дугогасительную камеру.
Фиг.2 представляет другой вид устройства дугогасящего устройства согласно Фиг.1.
Фиг.3 и 4 представляют электрическую дугу в прерывателе цепи и дугогасящем устройстве согласно Фиг.1 и 2, в первой фазе, при этом ток дуги протекает в одном направлении на Фиг.3, и в другом направлении на Фиг.4.
Фиг.5 представляет электрическую дугу в прерывателе цепи и дугогасящем устройстве согласно Фиг.1 и 2, во второй фазе, где ток дуги протекает в том же направлении, что и на Фиг.4.
Фиг.6, 7 и 8 схематически иллюстрируют смещение дуги в дугогасящее устройство согласно изобретению, в зависимости от направления тока и ориентации постоянных магнитов.
Фиг.9, 10 схематически иллюстрируют смещение дуги в дугогасящее устройство согласно изобретению, соответственно, в обычном случае и в предельном случае.
Фиг.11 схематически иллюстрирует смещение дуги в дугогасящее устройство в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 схематически и обобщенно показан предложенный в изобретении прерыватель цепи с дугогасящим устройством 2 и соответствующей дугогасительной камерой 1. Дугогасительная камера 1 имеет обычную конструкцию, и ее описание здесь приводиться не будет.
Основной ток проходит через первую контактную шину 3 к неподвижному механическому контактному элементу 5, через связанный с ним подвижный механический контактный элемент 6 и вторую контактную шину 4. При нормальных условиях указанные контактные элементы 5, 6 находятся в электрическом контакте друг с другом, пропуская основной ток. Ток через контактные элементы 5, 6 может протекать в любом направлении к моменту срабатывания прерывателя цепи.
Движением механического контактного элемента 6 управляет привод 7, создающий необходимое физическое перемещение для размыкания электрического контакта 6, например разведением в стороны контактных элементов 5, 6 и увеличением расстояния между элементами 5, 6. Этот привод 7 имеет обычную конструкцию, и далее здесь описываться не будет.
Обычной ситуацией для срабатывания прерывателя цепи является возникновение короткого замыкания где-либо в основной цепи, в которую включен прерыватель цепи.
Такое короткое замыкание может существенно увеличить ток по сравнению с номинальными значениями, что, безусловно, может привести к повреждению компонентов и оборудования в этой основной цепи.
С тем, чтобы свести к минимуму воздействие такого короткого замыкания, было бы желательно разорвать ток как можно быстрее, что и выполняется посредством прерывателя цепи.
Прерыватель цепи должен также иметь возможность разрывать и меньшие токи, что создает, однако, большие технические проблемы.
Специалистам хорошо знакомы средства обнаружения (не показаны), которые устанавливаются в основной цепи и предназначены для обнаружения состояний, при которых основная цепь должна быть разорвана. Таким состоянием может быть увеличение тока, которое может быть результатом короткого замыкания. Известные специалистам взаимодействующие средства управления (не показаны) направляют сигнал в привод 7 прерывателя цепи, который смещает подвижный контактный элемент 6 для размыкания цепи. Прерыватель цепи также может быть приведен в действие вручную или с использованием обычного сигнала управления, направленного в привод 7, без обнаружения ненормальных состояний.
На Фиг.2 приведен другой вид осуществления дугогасящего устройства, показанного на Фиг.1. На этой фигуре дугогасительная камера 1 не показана, но показана верхняя в целом плоская поверхность 8, являющаяся крепежной поверхностью для соответствующей дугогасительной камеры.
Дугогасящее устройство 2 включает первый дугоотвод 9, установленный над неподвижным контактным элементом 5 и электрически с ним связанный, и второй дугоотвод 10, установленный сверху подвижного контактного элемента 6 и электрически с ним связанный. Между подвижным контактным элементом 6 и вторым дугоотводом 10 дуги имеется зазор 19.
Дугогасящее устройство 2 также включает намагничивающую катушку 11, электрически включенную между подвижным контактным элементом 6 и вторым дугоотводом 10 и создающую магнитное поле В в магнитной цепи 12, включающей магнитопровод 13 и два наконечника 14. Магнитопровод 13 и наконечники 14 магнитной цепи 12 выполнены, соответственно, из железа. Описание данной магнитной цепи 12 приведено здесь в качестве примера и, очевидно, в дугогасящем устройстве 2, согласно настоящему изобретению могут быть использованы и другие подходящие конструкции, хорошо известные специалистам в данной области техники.
При прохождении тока намагничивающая катушка 11 создает магнитное поле В посредством наконечников 14 магнитной цепи 12, как это показано на Фиг.5.
Ток срабатывания для намагничивающей катушки 11, как было показано выше, вырабатывается автоматически во время процесса прерывания, без введения в прерыватель цепи энергии извне.
Дугогасящее устройство 2 согласно изобретению также включает по крайней мере два постоянных магнита 15, 16, установленных, соответственно, за первым и вторым дугоотводами 9, 10. В предпочтительном варианте, магниты 15, 16 не связаны с соответствующими им дугоотводами 9, 10, а помещаются на каких-либо подходящих опорах, например, сделанных из пластика, для защиты этих магнитов 15, 16 в случае перегрева дугоотводов 9, 10 во время короткого замыкания.
15
16
Каждый из постоянных магнитов 15, 16 создает магнитное поле B, B, соответственно, в пространстве между контактными элементами 5, 6, как это показано на Фиг.3 и 4.
В нормальных условиях, неподвижный и подвижный контактные элементы 5, 6 электрически связаны, пропуская полный основной ток (иллюстрация этого случая не приводится).
Если теперь в основной цепи обнаружены некоторые заранее заданные условия, при которых, согласно установленному порядку, должно быть проведено отключение основного тока, привод 7, например, электромагнитного типа, то воздействующий на подвижный контактный элемент 6 получает сигнал управления. В результате подвижный контактный элемент 6 отодвигается от неподвижного контактного элемента 5.
Основной ток, однако, не падает сразу же до нуля из-за того, что между неподвижным и подвижным контактными элементами 5, 6 возникает электрическая дуга 17, как это показано на Фиг.3 и 4. Направление дуги 17 зависит от направления основного тока: Фиг.3 и 4 показывают дугу 17, протекающую между контактными элементами 5, 6 в первом направлении и в противоположном направлении, соответственно. Задачей прерывателя цепи является прервать эту электрическую дугу 17 как можно быстрее для уменьшения возможных повреждений в основной цепи.
Как было показано выше, в прерывателе цепи этого типа используется дугогасительная камера 1, в которую выдавливается электрическая дуга 17 для ее раздробления и окончательного гашения. На чертежах дугогасительная камера физически расположена в верхней части чертежей.
Воздействующая сила F, которая отводит дугу в дугогасительную камеру, создана взаимодействием между дугой 17 и магнитным полем В, образуемым намагничивающей катушкой 11 и магнитной цепью 12 в пространстве вокруг контактных элементов 5, 6. Эта воздействующая сила F должна быть направлена вверх на Фиг.3, 4 и 5. Величина этой воздействующей силы F должна быть достаточна для того, чтобы дуга 17 прошла зазор 19 между подвижным контактом 6 и вторым дугоотводом 10. Однако, поскольку сила F зависит от интенсивности тока в момент разрывания, в случае малого тока эта сила может оказаться слишком слабой, чтобы сместить дугу 17 через зазор 19 и далее в дугогасительную камеру 1. Как будет показано ниже, дугогасящее устройство 2 согласно изобретению устраняет этот недостаток и обеспечивает полное и надежное разрывание тока даже и в случае малого тока.
На Фиг.3 и 4 представлено состояние непосредственно после отведения подвижного контактного элемента 6 от неподвижного контактного элемента 5, когда между контактными элементами 5, 6 возникает электрическая дуга 17. На Фиг.3 ток дуги протекает в первом направлении, в то время как на Фиг.4 ток этой дуги 17 протекает в противоположном направлении.
15
16
Постоянные магниты 15, 16 дугогасящего устройства 2 установлены так, что их соответствующие магнитные поля В, B проходят радиально по отношению к дуге 17. На Фиг.3, 4, 6 и 7, постоянные магниты ориентированы таким образом, что их южные полюсы S направлены в пространство между контактными элементами 5, 6. Как будет показано ниже, эта ориентация произвольна: магниты должны быть направлены встречно для создания подходящего радиального магнитного поля, однако изобретение будет работать с тем же успехом с постоянными магнитами, ориентированными своими северными полюсами N в пространство между контактными элементами 5, 6.
15
16
15
16
Магнитные поля В, B, каждое, создает воздействующую на дугу 17 силу F, F, приспособленную для перемещения основания дуги 17, сначала соединенной с неподвижным и, соответственно, подвижным контактными элементами 5, 6, в соединение с первым и, соответственно, вторым дугоотводами 9, 10 на ранней стадии.
15
16
15
16
15
16
Эти силы F, F представляют собой силу Лапласа. Каждая из этих сил F, F перпендикулярна как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитных полей В, B, соответственно, и эти силы в конце концов выталкивают дугу 17 на круговое движение, направление которого определяется "правилом правой руки".
16
Сила F, создаваемая постоянным магнитом 16, помещенным за вторым дугоотводом 10 и действующая на основание дуги 17, контактирующее с подвижным контактным элементом 6, показана на Фиг.6 и 7. На Фиг.6, ток дуги 17 протекает перпендикулярно плоскости листа от читателя, в то время как на Фиг.7 ток дуги 17 протекает перпендикулярно плоскости листа в сторону читателя. Таким образом, на Фиг.6 дугу 17 сначала толкают вправо, затем вверх, в то время как на Фиг.7 дугу 17 сначала толкают влево, а затем вверх. На Фиг.8 показано, что ориентация полюсов постоянных магнитов (здесь постоянный магнит 16 помещен за вторым дугоотводом 10) не имеет значения. Показано, что северный полюс N постоянного магнита 16 ориентирован в направлении пространства между контактными элементами 5, 6.
16
Результирующая сила F, воздействующая на дугу 17, все еще направлена вверх и будет толкать дугу 17 вверх, в сторону дугогасительной камеры 1.
Как только дуга 17 входит в контакт с дугоотводами 9, 10, как это показано на Фиг.5, она сама запитывает намагничивающую катушку 11, создающую магнитное поле В через наконечники 14 магнитной цепи 12. Направление магнитного поля зависит от направления тока, и намагничивающая катушка 11, и магнитная цепь 12 согласованы так, что это магнитное поле В создает силу F, которая будет толкать дугу 17 в дугогасительную камеру 1. Эта сила F на чертеже на Фиг.5 должна быть направлена вверх.
Попав в дугогасительную камеру 1, дуга 17 рассыпается на множество более мелких дуг, что в конце концов приводит к окончательному нарушению проводимости между разделенными контактными элементами 5, 6.
Показанное расположение магнитов 15, 16, в соответствии с изобретением, эффективно при обоих направлениях основного тока в момент разрывания. Более того, постоянные магниты 15, 16 создают дополнительную силу, способствующую переходу дугой 17 зазора 19 между вторым дугоотводом 10 и движущимся контактным элементом 6 и запитке намагничивающей катушки 11 даже и в случае низкого тока. Благодаря этому, прерыватель цепи в соответствии с изобретением может эффективно разрывать даже и слабый ток.
15
16
Прерыватель цепи в соответствии с изобретением, будет разрывать очень низкий ток, пока сила этого тока достаточна для того, чтобы магнитное поле В, создаваемое намагничивающей катушкой 11 и пропорциональное этому току, будет больше магнитного поля В, B, создаваемого постоянными магнитами 15, 16.
15
16
15
16
15
16
15
16
15
16
На Фиг.11 представлен вариант осуществления изобретения. Если ток очень низок, то может оказаться, что дуга 17, отталкиваемая от контактных элементов 5, 6 к дугоотводам 9, 10 постоянными магнитами 15, 16, будет настолько низкой, что магнитное поле В, создаваемое намагничивающей катушкой 11 между наконечниками 14, будет ниже магнитных полей В, B, создаваемых постоянными магнитами 15, 16. Дуга 17 при этом будет продолжать двигаться по спирали вокруг оси магнитов 15, 16 и не будет выталкиваться в дугогасительную камеру 1. Этот крайний случай схематически иллюстрируется Фиг.10, в то время как обычная ситуация иллюстрируется Фиг.9. На обоих чертежах, ток перпендикулярен плоскости листа и направлен в сторону читателя. Для обеспечения выталкивания дуги 17 в дугогасительную камеру 1 даже и в этом крайнем случае, прерыватель цепи в соответствии с изобретением дополнительно включает стальные пластины 20, каждая из которых установлена за первым и вторым дугоотводами 9, 10. Эти стальные пластины 20 будут уменьшать напряженность верхней части магнитных полей В, В постоянных магнитов в пространстве между контактными элементами 5, 6 (это схематически изображено пунктирными линиями на Фиг.11). Вследствие этого, как показано на Фиг.11, даже в случае очень малого тока, дуга 17 будет выталкиваться вверх от контактных элементов 5, 6 к дугоотводам 9, 10, поскольку магнитные поля В, B не уменьшены перед этими контактными элементами 5, 6. Как только дуга 17 входит в контакт с дугоотводами 9, 10, она начинает запитывать намагничивающую катушку 11, создающую магнитное поле В между наконечниками 14. Это магнитное поле В будет ниже магнитных полей В, B, но благодаря наличию стальных пластин 20 магнитные поля В, B уменьшены перед дугоотводами и F, воздействующая на дугу 17 (направлена вверх на Фиг.11), будет толкать дугу 17 в дугогасительную камеру, где дуга будет погашена.
Описанные выше варианты осуществления изобретения ни в коей мере не ограничивают притязаний изобретения и могут быть требуемым образом изменены в пределах, не выходящих за рамки первоначально раскрытого в описании изобретения.
Прерыватель цепи может включать более одного подвижного и неподвижного контактных элементов.
16
16
Дугогасящее устройство может включать только один постоянный магнит 16, размещенный за вторым дугоотводом 10 сверху подвижного элемента 6. Магнитное поле B будет при этом создавать силу F, заставляющую основание дуги 17, находящееся в контакте с этим подвижным элементом 6, проходить зазор 19 и вступать в контакт со вторым дугоотводом 10. Как только основание вступает в контакт со вторым дугоотводом 10, происходит запитка намагничивающей катушки 11, создающей магнитное поле В через наконечники 14. Это магнитное поле В создает, в свою очередь, силу F, которая толкает дугу 17 в дугогасительную камеру 1, как это было описано выше.
Конструкция магнитной цепи 12, наконечников 14 и магнитопровода 13 может быть выбрана и отличной от представленной на фигурах.
Дугогасящее устройство 2 может иметь более одной катушки, причем другие катушки могут быть установлены с возможностью обеспечения параллельной связи с дугой или частью дуги.
Дугогасящее устройство 2 может иметь более одного постоянного магнита за каждым дугоотводом.
Описанный выше прерыватель цепи может обеспечивать точную и надежную работу и особенно хорошо может быть приспособлен для разрывания слабых токов. Постоянные магниты обеспечивают дополнительную силу, помогающую сдвинуть электрическую дугу, даже и более слабую, в дугогасительную камеру.