ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к высоковольтным вакуумным выключателям с пружинным приводом, предназначенным для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах работы в комплектных распределительных устройствах (КРУ) и в камерах сборных одностороннего обслуживания (КСО), а также при замене коммутационных аппаратов в указанных устройствах.
Важными условиями эксплуатации высоковольтных вакуумных выключателей (далее - выключатели), являются достаточно высокие требования к приводным устройствам, которые должны развивать достаточно большие величины усилий и одновременное их быстродействие для замыкания и размыкания контактов в вакуумных дугогасительных камерах. Как правило, собственное время включения выключателя должно составлять не более 0,07 с, а выключения - не более 0,045 с при величинах усилий - до 9,0 кН. При этом приводное устройство должно обеспечивать механический ресурс, составляющий не менее 50000 циклов включения-выключения выключателя в течение 25 лет эксплуатации. Указанные условия эксплуатации выключателей предъявляют повышенные требования к их надежности и безопасности, которые должны учитываться при их проектировании и изготовлении. Надежность выключателей в значительной степени зависит от конструктивного исполнения приводного устройства, которое должно обеспечивать стабильное многократное включение и отключение контактов в вакуумных дугогасительных камерах и удержание их в этих положениях при заданных величинах усилий. Безопасность выключателей зависит, прежде всего, от наличия и конструктивного исполнения механизмов блокирования выключателя, предотвращающих возникновение нештатных ситуаций при эксплуатации.
Известен високовольтный вакуумный выключатель VD4 производства компании ABB (см. Вакуумный выключатель VD4. Проспект: ООО "ABB", Предприятие EJF. Чешская Республика, г.Брно, 2002. - 16 с.), содержащий корпус, закрепленные на корпусе три полюса с вакуумными дугогасительными камерами, внутри каждой из которых расположены неподвижный и подвижный контакты, последний из которых соединен с тяговым изолятором, оборудованным пружинами поджатия. Внутри корпуса смонтированы пружинный привод аккумуляторного типа, кинематически соединенный с тяговыми изоляторами посредством приводного вала, и связанные с упомянутым приводом блок управления и элементы сигнализации о состоянии выключателя. Пружинный привод выполнен с возможностью включения и выключения выключателя в автоматическом и ручном режимах и состоит из пружинного механизма, механизма взвода пружины, передаточного механизма, коммутационного механизма, промежуточного механизма, фиксирующего механизма и стопорного механизма. Пружинный механизм состоит из барабана и расположенной внутри него спиральной пружины, закрепленных на приводном валу. Приводной вал закреплен в подшипниках скольжения, смонтированных в боковых стенках корпуса. Механизм взвода пружины состоит из электродвигателя и храпового механизма. Передаточный механизм выполнен с возможностью соединения пружинного механизма с тяговыми изоляторами. Коммутационный механизм выполнен с возможностью включения и выключения выключателя. Промежуточный механизм выполнен с возможностью взаимодействия коммутационного механизма со стопорным механизмом и для сигнализации о состояниях выключателя. Фиксирующий механизм выполнен с возможностью взаимодействия между промежуточным механизмом стопорным механизмом. Стопорный механизм выполнен с возможностью фиксирования положения приводного вала при включенном и выключенном состояниях выключателя. Блок управления содержит блок-контакты цепей электродвигателя взвода спиральной пружины и цепей состояния выключателя, электромагниты включения и выключения, дополнительный электромагнит отключения, расцепитель непрямого действия по току и расцепитель непрямого действия по напряжению. Элементы сигнализации расположены на съемной фасадной панели корпуса и включают указатели состояния выключателя и состояния пружинного привода, механический счетчик коммутационных циклов, кнопки включения и выключения выключателя. Выключатель содержит элементы механического блокирования, предназначенные для предотвращения включения выключателя в нештатных режимах его работы и для взаимосвязи с элементами блокирования выкатного элемента.
Недостатками известного выключателя являются:
- выполнение крепления приводного вала посредством подшипников скольжения, что снижает стабильность характеристик при передаче усилий от пружинного привода к тяговым изоляторам при включении и выключении выключателя и, соответственно, к снижению надежности выключателя в целом;
- выполнение выключателя только с элементами механического блокирования не исключает выход из строя электромагнитов включения и выключения в нештатных режимах его работы, что снижает безопасность выключателя.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого выключателя, в котором за счет иного конструктивного выполнения крепления приводного вала пружинного привода и введения элементов электрического блокирования, а также иной их взаимосвязи с элементами конструкции достигается повышение надежности в эксплуатации при одновременном повышении безопасности его работы.
Поставленная задача решается тем, что в высоковольтном вакуумном выключателе, содержащем корпус, закрепленные на корпусе полюсы с вакуумными дугогасительными камерами, внутри каждой из которых расположены неподвижный и подвижный контакты, последний из которых соединен с тяговым изолятором, оборудованным пружинами поджатия, смонтированные внутри корпуса пружинный привод, кинематически соединенный с тяговыми изоляторами посредством приводного вала, связанные с упомянутым приводом блок управления и элементы сигнализации состояния выключателя и связанные с упомянутым приводом и блоком управления элементы механического блокирования, выполненные с возможностью блокирования включения выключателя при одновременной подаче команды на его выключение, согласно полезной модели он содержит элементы электрического блокирования, выполненные с возможностью размыкания цепей включения выключателя при одновременном механическом блокировании его включения, а приводной вал пружинного привода закреплен в подшипниках качения, смонтированных внутри корпуса.
При этом пружинный привод состоит из пружинного механизма, механизма взвода пружины, передаточного механизма, коммутационного механизма, промежуточного механизма, фиксирующего механизма и стопорного механизма, пружинный механизм содержит закрепленные на приводном валу барабан и расположенную внутри него спиральную пружину, механизм взвода спиральной пружины содержит храповой механизм для ручного взвода, связанный со спиральной пружиной посредством цепной передачи, и электродвигатель для автоматического взвода, закрепленный на приводном валу и связанный со спиральной пружиной посредством упомянутых храпового механизма и цепной передачи, передаточный механизм выполнен с возможностью соединения пружинного механизма с тяговыми изоляторами, коммутационный механизм выполнен с возможностью включения и выключения выключателя в ручном режиме, промежуточный механизм выполнен с возможностью обеспечения взаимодействия коммутационного механизма со стопорным механизмом и сигнализации о состоянии выключателя, фиксирующий механизм выполнен с возможностью взаимодействия между промежуточным механизмом и стопорным механизмом, а стопорный механизм выполнен с возможностью фиксирования положения приводного вала при включенном и выключенном состояниях выключателя.
При этом блок управления выполнен с возможностью многократного включения и выключения выключателя и содержит блок-контакты цепей электродвигателя взвода пружины и состояния выключателя, электромагниты включения и выключения, дополнительный электромагнит отключения, микровыключатель, расцепители непрямого действия по току и по напряжению, при этом электромагниты включения и выключения выполнены линейного типа.
Для повышения безопасности эксплуатации элементы электрического блокирования выполнены в виде микровыключателя и реле.
Для обеспечения удобства эксплуатации элементы сигнализации выполнены с возможностью указания состояния выключателя и пружинного привода и указания количества произведенных коммутационных циклов включения.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет повысить надежность выключателя в эксплуатации при одновременном повышении безопасности его работы. За счет закрепления приводного вала в подшипниках качения исключается появление "задиров" в их соединении, характерных для подшипников скольжения в быстродействующих устройствах, что обеспечивает повышение стабильности силовых характеристик при передаче усилий от пружинного привода к тяговым изоляторам при включении и выключении выключателя и, соответственно, увеличение ресурса работы пружинного привода. Введение в конструкцию выключателя элементов электрического блокирования позволяет повысить безопасность выключателя, связанную с предотвращением возникновения нештатных ситуаций при эксплуатации, например, ситуаций, связанных с "человеческим фактором".
Конструктивное исполнение полезной модели иллюстрируется на примере высоковольтного вакуумного выключателя серии ВБ4-П с пружинным приводом, разработанного Обществом с ограниченной ответственностью "АВМ АМПЕР", г.Кременчуг, Украина. Выключатели серии ВБ4-П предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах работы в сетях трехфазного переменного тока частоты 50/60 Гц с номинальным напряжением до 10 кВ в системах с изолированной нейтралью и могут устанавливаться на выкатных элементах в КРУ, в частности, серии ВМ-1, и в КСО.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа, где на фиг.1 - общий вид, вид сбоку; на фиг.2 - общий вид, вид спереди; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.2; на фиг.6 - вид Г на фиг.3; на фиг.7 - вид Д на фиг.5.
Высоковольтный вакуумный выключатель содержит (фиг.1, 2, 4, 5) корпус 1, на котором закреплены три полюса 2, выполненные с верхним 3 и нижним 4 контактами. Внутри каждого полюса 2 расположена вакуумная дугогасительная камера 5 с размещенными внутри нее неподвижным 6 и подвижным 7 контактами. Неподвижные контакты 6 соединены с верхними контактами 3 посредством жестких связей 8, а подвижные контакты 7 соединены с нижними контактами 4 посредством гибких связей 9. Подвижные контакты 7 соединены также с тяговыми изоляторами 10, оборудованными пружинами поджатия 11.
Внутри корпуса 1 (фиг.3-7) смонтированы пружинный привод аккумуляторного типа, кинематически соединенный с тяговыми изоляторами 10, связанные с пружинным приводом блок управления, элементы сигнализации о состоянии выключателя и элементы системы безопасности. Пружинный привод предназначен для автоматического включения и выключения выключателя в автоматическом и ручном режимах и состоит из пружинного механизма, механизма взвода пружины, передаточного механизма, коммутационного механизма, промежуточного механизма, фиксирующего механизма и стопорного механизма.
Пружинный механизм состоит (фиг.3, 6) из барабана 12, расположенной внутри него спиральной пружины (не показана), поводка 13 и звездочки 14, закрепленных на приводном валу 15 в нижней части корпуса 1. Спиральная пружина одним своим концом закреплена на приводном валу 15, а вторым - на барабане 12. Механизм взвода спиральной пружины предназначен для поддержания ее рабочего (взведенного) состояния и состоит из храпового механизма 16 для ручного взвода и электродвигателя 17 с редуктором для автоматического взвода. Храповой механизм 16 смонтирован на валу 18 и содержит храповое колесо (не обозначено), выполненное с гнездом (не обозначено) для взаимодействия со съемной рукояткой 19 ручного взвода, пружину 20 и звездочку 21, связанную посредством цепи 22 со звездочкой 14. При взводе спиральной пружины съемная рукоятка 19 перемещается на угол α относительно места ее крепления в гнезде на храповом колесе. Приводной вал 15 закреплен в подшипниках качения 23, смонтированных в вертикальных перегородках 24 корпуса 1.
Передаточный механизм (фиг.3-5) предназначен для соединения пружинного механизма с тяговыми изоляторами 10 и, соответственно, преобразования вращательного движения спиральной пружины и приводного вала 15 в возвратно-поступательное перемещение упомянутых тяговых изоляторов 10. Передаточный механизм состоит из трех кулачковых дисков 25, закрепленных на приводном валу 15, и трех двуплечих рычагов 26, закрепленных посредством валиков 27 на кронштейнах 28. Каждый из двуплечих рычагов 26 одним плечом шарнирно соединен с соответствующим тяговым изолятором 10, а их противоположные плечи выполнены с возможностью фрикционного взаимодействия с соответствующими кулачковыми дисками 25. На двуплечих рычагах 26 между валиками 27 и их шарнирным соединением с тяговыми изоляторами 10 смонтированы пружины возврата 29.
Коммутационный механизм (фиг.7) предназначен для включения и отключения выключателя и состоит из вала 30 включения, вала 31 выключения и закрепленных на них кронштейнов 32 и 33, выполненных с возможностью передачи силового воздействия на упомянутые валы 30 и 31 со стороны планок включения 34 и выключения 35 соответственно.
Промежуточный механизм (фиг.3-5, 7) предназначен для обеспечения взаимодействия между коммутационным и стопорным механизмами и для сигнализации о состоянии выключателя. Промежуточный механизм состоит из кинематически связанных вала 36, двуплечих рычагов 37 и 38, упора 39, поводка 40 для блокирования коммутационного механизма, блокирующего рычага 41 для блокирования управления выключателем при невзведенной спиральной пружине и поводков 42. Вал 36 предназначен для передачи движения от передаточного механизма к упору 39 и поводкам 42. Рычаги 37 и 38 предназначены для передачи воздействия от коммутационного механизма к фиксирующему механизму.
Фиксирующий механизм (фиг.3-5) предназначен для обеспечения взаимодействия между промежуточным и стопорным механизмами и состоит из фиксирующего вала 43 и закрепленного на нем рычага 44, выполненного с возможностью взаимодействия с промежуточным механизмом. Посредством рычага 44 при вращении вала 43 выполняется блокирование и разблокирование стопорного механизма.
Стопорный механизм (фиг.3, 4) предназначен для фиксирования положения приводного вала 15 и состоит из поводков 45, закрепленных на валу 46, и ролика 47, закрепленного между упомянутыми поводками 45. Ролик 47 предназначен для стопорения демпферного барабана 48 при повороте приводного вала 15 на заданные углы при включении и выключении выключателя.
Блок управления (фиг.3) предназначен для многократного включения и выключения выключателя электрическим способом и содержит блок-контакты 49 цепей электродвигателя 17 взвода спиральной пружины, блок-контакты 50 состояния выключателя, электромагниты включения 51 и выключения 52 линейного типа, дополнительный электромагнит отключения 53 линейного типа, микровыключатель 54, расцепитель непрямого действия по току 55 и расцепитель непрямого действия по напряжению 56.
Элементы сигнализации (фиг.1, 2) расположены на съемной фасадной панели 57 корпуса 1 и включают: указатели состояния выключателя 58 и состояния пружинного привода 59, механический счетчик коммутационных циклов 60, кнопки включения 61 и выключения 62 выключателя. Фасадная панель 57 выполнена с вертикальной прорезью (не обозначена) для установки съемной рукоятки 19. Под указателем 58 и счетчиком 60 закреплены таблички с функциональными надписями (не обозначены), а на верхней части корпуса 1 расположен переходник для вывода вторичных цепей из выключателя (не показан).
Выключатель содержит элементы электрического и механического блокирования. Элементы электрического и механического блокирования предназначены для предотвращения включения выключателя и, соответственно, предотвращения выхода из строя электромагнитов включения 51 и выключения 52 в нештатных режимах работы выключателя и для взаимосвязи с элементами блокирования выкатного элемента в КРУ или КСО (не показаны).
Элементы электрического блокирования (фиг.5 и 7) выполнены в виде микропереключателя 63 и реле 64, связанных с электромагнитом включения 51. Микропереключатель 63 предназначен для размыкания цепей электромагнита включения 51 в промежуточном (между рабочим и контрольным) положении выкатного элемента в КРУ или КСО, при котором механически блокируются кнопка включения 61 и вал 30 включения коммутационного механизма. Реле 64 предназначено для блокирования включения электромагнита включения 51 при одновременной подаче команды на электромагнит выключения 52.
Элементы механического блокирования включения выключателя (фиг.3, 5) выполнены в виде поводка 40 для блокирования коммутационного механизма и блокирующего рычага 41 для блокирования управления выключателем при невзведенной спиральной пружине, расположенные в промежуточном механизме, а также в виде тяги 65, верхняя часть которой кинематически связана с промежуточным механизмом, а нижняя часть выполнена с возможностью соединения с треком выкатного элемента в КРУ или КСО и блокирования кнопки включения 61 при промежуточном положении выкатного элемента, а также блокирования перемещения выкатного элемента из рабочего в контрольное положение при включенном состоянии выключателя.
Работа заявляемого высоковольтного вакуумного выключателя осуществляется следующим образом.
В выключенном состоянии выключателя неподвижные 6 и подвижные 7 контакты в вакуумных дугогасительных камерах 5 разомкнуты, плечи двуплечих рычагов 26, соединенные с тяговыми изоляторами 10, находятся в крайнем нижнем положении, планка включения 34 не заблокирована, указатель 59 состояния пружинного привода показывает, что пружина не взведена, а указатель 58 состояния выключателя показывает, что он находится, например, в выключенном состоянии.
Накопление энергии для работы привода выключателя обеспечивается пружинным механизмом, взвод которого может осуществляться вручную съемной рукояткой 19 или посредством электродвигателя 17. Ручной взвод пружинного механизма выполняют посредством храпового механизма 16, который приводят в действие качательными движениями съемной рукоятки 19, предварительно вставленной в гнездо на храповом колесе, закрепленном на валу 18. Вращательное движение вала 18 посредством звездочки 21 и цепи 22 передается на звездочку 14, закрепленную на приводном валу 15, и далее на конец спиральной пружины, закрепленный в барабане 12. При этом неподвижное положение приводного вала 15 обеспечивает стопорный механизм. Автоматический взвод спиральной пружины осуществляет электродвигатель 17 с редуктором, который посредством поводка 13, вращает храповой механизм 16 и через него - спиральную пружину. После взвода спиральной пружины указатель 59 ее состояния показывает, что пружина взведена.
Включение выключателя может осуществляться автоматически электрическим способом, а также в ручном режиме посредством коммутационного механизма. В первом случае по соответствующей команде из внешней схемы электрический сигнал поступает на электромагнит включения 51, после чего посредством коммутационного, передаточного и пружинного механизмов приводной вал 15 с закрепленными на нем кулачковыми дисками 25 поворачивается на 270°. Одновременно кулачковые диски 25 поворачивают двуплечие рычаги 26 вокруг валиков 27, перемещая посредством тяговых изоляторов 10 подвижные контакты 7 в верхнее положение. Включение выключателя происходит после замыкания подвижных контактов 7 с неподвижными контактами 6 в вакуумных дугогасительных камерах 5, которые соединены с выводами 4 и 3 полюсов 2 в силовой цепи. При этом пружины возврата 29 и пружины поджатия 11 сжимаются. При включении выключателя и соответствующем положении приводного вала 15 поводок 13 воздействует на блок-контакты 49, которые автоматически включают электродвигатель 17 для повторного взвода спиральной пружины. Стопорный механизм фиксирует положение приводного вала 15 в этом состоянии выключателя. Указатель 58 показывает, что выключатель включен, а механический счетчик коммутационных циклов 60 увеличивает показания на единицу. Продолжительность действия пружинного привода при включении выключателя составляет не более 0,07 с при величине усилия - до 9,0 кН. В связи с этим закрепление приводного вала 15 в подшипниках качения 23 позволяет повысить стабильность силовых характеристик пружинного привода и ресурс его работы в процессе эксплуатации выключателя.
Ручное включение выключателя выполняется посредством коммутационного механизма нажатием на кнопку включения 61, расположенную на фасадной панели 57. При этом планка включения 34, связанная с упомянутой кнопкой 61, посредством кронштейна 32 проворачивает вал 30, который через промежуточный механизм выполняет включение выключателя аналогично рассмотренному режиму его включения электрическим способом.
Выключение выключателя может осуществляться как электрическим способом, так и в ручном режиме посредством коммутационного механизма. При выключении электрическим способом по соответствующей команде из внешней схемы электрический сигнал поступает на электромагнит выключения 52, после чего посредством коммутационного, передаточного и пружинного механизмов, а также пружин возврата 29 приводной вал 15 с закрепленными на нем кулачковыми дисками 25 поворачивается на 90°. При этом плечи двуплечих рычагов 26, соединенные с тяговыми изоляторами 10, перемещаются в нижнее положение, а подвижные 7 и неподвижные 6 контакты в вакуумных дугогасительных камерах 5 расходятся, размыкая верхние 3 и нижние 4 контакты полюсов 2 в силовой цепи. При выключении выключателя и соответствующем положении приводного вала 15 поводок 13 воздействует на блок-контакты 49, которые автоматически включают электродвигатель 17 для повторного взвода спиральной пружины. Стопорный механизм фиксирует положение приводного вала 15 в этом состоянии выключателя. В выключенном состоянии выключателя указатель 58 показывает, что выключатель выключен, а механический счетчик коммутационных циклов 60 показывает последнее значение цикла включения. Продолжительность действия пружинного привода при выключении выключателя составляет не более 0,045 с при величине усилия - до 5,0 кН.
Ручное выключение выполняется нажатием на кнопку выключения 62, расположенную на фасадной панели 57 выключателя. При этом планка выключения 35, связанная с упомянутой кнопкой 62, посредством кронштейна 33 проворачивает вал 31, который через промежуточный механизм выполняет выключение выключателя аналогично рассмотренному режиму его выключения электрическим способом.
Элементы электрического и механического блокирования включения выключателя срабатывают в нештатных режимах его работы и при заданных положениях выкатного элемента в КРУ или КСО. Микропереключатель 63 срабатывает, размыкая цепь электромагнита включения 51 в промежуточном положении выкатного элемента в КРУ или КСО, при котором механически заблокированы кнопка включения 62 и вал 30 включения коммутационного механизма. Реле 64 срабатывает, размыкая цепь электромагнита включения 51, при одновременной подаче команды на электромагнит выключения 52. Эти блокирования предотвращают выход из строя электромагнита включения 51 при эксплуатации выключателя. Механическое блокирование включения выключателя при одновременной подаче команды на выключение выполняется посредством поводка 40, который при нажатии на кнопку выключения 62 перемещается в верхнее положение, блокируя вращение вала 30 включения коммутационного механизма и, соответственно, кнопку включения 61. При промежуточном положении выкатного элемента со смонтированным на нем выключателем при его эксплуатации в составе КРУ и КСО осуществляется посредством тяги 65, верхняя часть которой кинематически связана с коммутационным механизмом, а нижняя часть выполнена с возможностью соединения с треком выкатного элемента (не показаны) и блокирования кнопки включения 61. Введение элементов электрического и механического блокирования позволило снизить риски "человеческого фактора" и за счет этого повысить надежность работы и безопасность эксплуатации выключателя.
Заявляемое техническое решение испытано при эксплуатации КРУ серии ВМ-1, изготавливаемых ООО "АВМ "АМПЕР", г.Кременчуг, Украина. Проведенные испытания подтвердили работоспособность заявляемой конструкции выключателя и достижение поставленной задачи. Предлагаемое закрепления приводного вала позволило повысить стабильность силовых характеристик и ресурс работы пружинного привода в процессе эксплуатации выключателя, а введение в состав элементов электрического блокирования микровыключателя позволило снизить риски "человеческого фактора" и за счет этого повысить надежность его работы и безопасность эксплуатации. При этом упомянутое закрепление приводного вала позволяет одновременно эксплуатировать выключатели в течение всего срока их службы практически без технического обслуживания подшипников, что снижает эксплуатационные затраты.