Модуль вакуумного контактора или выключателя

Модуль вакуумного контактора или выключателя.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к вакуумным выключателям и контакторам постоянного тока и переменного тока в пофазном исполнении с элекгромагнтным приводом.
Наиболее часто встречающиеся конструкции вакуумных выключателей имеют сложные системы с ломающимися рычагами с больщим количеством узлов трения (А.С. СССР №1552250, Н01ЮЗ/66, 1990). Приводной рычаг выполнен изоляционным, что не только увеличивает тяговое усилие привода и уменьщает износостойкость, но и увеличивает габариты.
В контакторе (патент РФ №2208870, Н01Н51/06, Н02Р6/00, 2003) нет ломающихся рычагов, но отключающий рычаг выполнен изоляционным; замыкание контактов происходит за счет сильфона без дополнительного поджатия, что не позволяет использовать конструкцию для больших токов в сотни ампер. Выполнение демпфирующего элемента упругим не препятствует отбросу подвижного контакта в сторону замыкания при отключении, что существенно ввиду малых рабочих перемещений при использовании вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Электромагнит и ВДК разделены изоляционным барьером в горизонтальном направлении, что увеличивает габариты. В целом, конструкция применима для небольших токов и напряжений.
Из-за высокой электрической прочности вакз умного промежутка габариты ВДК минимальны и необходимо решать вопросы усиления электрической прочности изоляционных корпусов камер, особенно в условиях повышенной запыленности и влажности.
В вакуумном вь1ключателе (патент РФ №32315, Н01НЗЗ/66, 2003) наружная поверхность корпуса ВДК залита кремнийорганическим эластичным изоляционным материалом - кремнийорганической резиной. Такое рещение является весьма трудоемким и не улучшает внутреннюю изоляцию опорного изолятора.
В вакуумном выключателе (свидетельство РФ №18862, НО 1НЗ 3/66,2001) между корпусом ВДК и несущим цилиндром помещен дополнительный концентричный цилиндр из стеклопластика и эти цилиндры соединены между собой изоляционной герметичной перемычкой со стороны верхнего токопроводящего фланца, а внешняя изоляция усилена ребрами из кремнийорганической резины. Конструкция усложнена дополнительной деталью и трудностями её крепления; увеличиваются поперечные размеры.
2003132983
s-..... „„„„. титж mat HIНО 1НЗ 3/66
29 8 3
Наиболее блюким по технической сущности к предлагаемому является вакуумный - выключатель модульный серии TEL (патент РФ №2020631, Н01ЮЗ/66,1994), в котором каждый полюс трехфазного выключателя имеет расположенные последовательно вдоль оси: ВДК, нижний токосъем на котором она закреплена со стороны подвижного контакта, тяговый изолятор с пружиной поджаи я внутри него, электромагнит с пружиной отключения внутри него, 6ojrr со шпилькой, входящей в прорезь вала, имеющего радиальный выступ с постоянным магнитом, воздействующим на геркон в отключенном положении выключателя; нижний токосъем закреплен на опорном изоляторе, опирающемся на магнитопровод, нижняя часть которого является направляющей и ограничителем движения якоря и закреплена на основании.
Преимущество такой конструкции перед первыми двумя, аналогами - в отсутствии преобразованр1я линейного перемещения якоря во вращательные движения передающих звеньев с излишним трением. Но эта задача решена не полностью - имеется вал привода блок-контактов и отключения полюса вручную со значительным усилием при наличии отказа в схеме управления, так как режим удержания во включенном состоянии осуществляется за счет постоянного магнига. Другой существенный недостаток крепление ВДК со стороны подвижного контакта. При этом сварные щвы ВДК подвергаются ударным нагрузкам, что существенно снижает их надежность, особенно для больщих токов короткого замыкания. Наличие больщого количества фланцев с креплением вдоль оси модуля увеличивает трудоемкость сборки и габариты модуля в поперечном направлении; для трехфазных аппаратов необходимо применять изоляционные барьеры между фазами; ухудщается идентичность изготовления модулей в серийном производстве из-за невозможности применения сборочных щаблонов. При отключении плоская поверхность якоря бьет по плоской же поверхности огранич1ггеля, из-за чего происходят обратные отбросы в сторону включения, что существенно при малых рабочих зазорах в контактах ВДК; из-за жестких ударов разбивается вся
конструкция. Поскольку постоянный магнит на радиальном выступе вала имеет поворотное движение и ход изоляционной тяги мал, надежность работы герконов уменьщается. Так же уменьшают их надежность и отмеченные выше удары. Существенным недостатком конструкции является невозможность фиксации от проворачивания подвижного контакта ВДК при подрегулировке его хода в собранном модуле, при этом может быть поврежден сильфон. При подрегулировке необходимо разбирать почти всю конструкцию. Пружины отключения и поджатия могут тереться об изоляционную тягу, что увеличивает силы трения, износ деталей и уменьшает
изоляционные свойства тяги при её увлажнении от конденсата атмосферного  воздуха. Защита ВДК изоляционным колпаком лишь уменьшает её загрязнение пылью, но не усиливает изоляцию корпуса ВДК.
Предлагаемая конструкция модуля позволяет устранить недостатки аналогов и прототипа: уменьшить габариты, упростить конструкцию и её сборку и наладку, повысить надежность и долговечность, усилить внутреннюю изоляцию.
Для этого в модуле вакуумного контактора или вьпслючателя все элементы, кроме блок-контактов, размешены внутри обшего изоляционного цилиндра, крепление к которому ограничите.дя, корпуса электромагнита и верхнего Токосъема осуществляется перпендикулярно оси, ВДК закреплена к верхнему токосъему со стороны неподвижного контакта, пружины отключения и поджатия размешены внутри электромагнита концентрично, ограничитель и якорь электромагнита имеют сопряженные конуса, на якоре закреплены симметрично в осевом направлении стойки с планкой, воздействуюшей на блок-контакты после включения, в изоляционном цилиндре имеется технологическое отверстие для удержания подвижного контакга ВДК от проворачивания при сборке и наладке, внутреннее пространство между изоляционным цилиндром и ВДК у верхнего токосъема заполнено кремнийорганической резиной.
Сущность предлагаемого решения позволяет получить следуюшие положительные результаты: все подвижные элементы модуля могут двигаться только поступательно с минимальным трением скольжения; размешение элементов модуля, кроме блокконтактов, внутри единого изоляционного цилиндра с закреплением к нему перпендикулярно оси всего трех деталей: верхнего токосъема, корпус электромагнита и ограничителя, уменьшает поперечные размеры, упрошает конструкцию, позволяет иметь при серийном производстве единый сборочный шаблон. Концентричное размещение пружин внутри электромагнита вдоль металлической части тяги не затрагивает изоляционные детали и уменьшает габариты модуля и силы трения; наличие конусов на якоре и ограничителе устраняет отскоки контакта ВДК при отключении и позволяет, с одной стороны выбирать зазор между контактами минимальным по условиям лишь коммутационной способности, с другой стороны, повышается механическая долговечность всего модуля, улучшается работа блок-контактов; наличие технологического отверстия в изоляционном цилиндре позво.пяет регулировать зазор в контактах ВДК в собранном модуле, что облегчается также установкой регулировочного элемента на конце тяги; закрепление ВДК к верхнему токосъему со стороны неподвижного контакта обеспечивает оптимальную работу ВДК и позволяет залить
эластичным кремнийорганическим компаундом часть внутренней поверхности изоляционного цилиндра и корпуса ВДК для усиления изоляции.
Принципиальная конструкция модуля поясняется чертежами: на фиг. 1 - продольный разрез, вариант закрепления на торце; на фиг. 2 - второй варианг закрепления модуля с помощью двух стоек и основания.
В изоляционном цилиндре 1 размещены последовательно вдоль оси: верхний дисковый токосъем 2, ВДК 3 с подвижным контактом 4 и нижним гибким токосъемом 5, тяга с изоляционной частью 6 и металлическим немагнитным щтоком 7, электромагнит с корпусом 8, якорем 9 и катушкой 10; внутри электромагнита вдоль штока размещены концентрично пружина поджатия 11 и пружина отключения 12; на якоре закреплен внешний конус 13, за которым размещен ограничительГ4 с внутренним конусом, сопряженным с конусом 13 в отключенном положении модуля. Верхний токосъем 2, корпус электромагнита 8 и ограничитель 14 закреплены на изоляционном цилиндре 1 с помощью винтов, соответственно, 15, 16и17в плоскости, перпендикулярной оси модуля. ВДК и неподвижный токоподвод 18 закреплены к верхнему токосъему 2 винтами 19. На конце штока 7 имеется гайка 20 для регулирования хода контакта ВДК и её отключения. На якоре симметрично закреплены стойки 21с планкой 22. Модуль крепится к основанию 23 за ограничитель 14. На основании закреплены блок-контакты в виде микропереключателей 24. Для регулирования хода якоря предусмотрены прокладки 25. Для контроля хода якоря в рабочем состоянии модуля в изо.шщионном ци.1шндре 1 имеется отверстие 26. Для возможности фиксации подвижного контакта ВДК от проворачивания и возможной поломки сильфона при сборке и наладке в изо.ляционном цилиндре 1 предусмотрено технологическое отверстие 27. Для усиления внутренней изоляции и защиты от вредного воздействия среды пространство между изо.11яционным цилиндром и корпусом ВДК залито кремнийорганическим компаундом 28. Детали 2 и 18 могут быть сделаны воедино, а для вывода токосъема в цилиндре делается прорезь.
Направляющей для якоря являются каркас катущки и/или шток 7. В последнем случае скольжение происходит по меньшему диаметру, что уменьшает продольные габариты модуля и повьщ1ает надежность.
При замене микропереключателей 24 на герконы на концах планки 22 закрепляются постоянные магниты.
В случае необходимости наружная изоляция может быть усилена ребрами из кремнийорганики,.так же, как в третьем аналоге.
При работе аппарата в запыленном и влажном помещении для усиления внутренней
изоляции отверстия в изоляционном цилиндре могут бьпъ закрьпы эластичной изоляционной пленкой. Наличие же отверстий улучшает условия охлаждения главной токоведущей цепи и катушки электромагнита.
Крепление модуля по фиг. 1 больше всего подходит для трехфазных вакуумных выключателей и контакторов на напряжение 10 кВ и выше в стационарных установках.
Для подвижных установок со значительньпуи инерционными нагрузками и напряжением менее 10 кВ, в частности для электрифицированного транспорта, больше подходит крепление модуля по фиг. 2. Здесь вместо основания 23 имеется металлическая пластина 29, закрепленная на ограничителе 14, и дополнительная изоляционная пластина 30, закрепленная на токоподводе 2. К этим пластинам крепится основание 31, на котором модуль устанавливается в питающем шкафу транспортного средства. На основании 31 удобно устанавливать блок схемы управления 32 модулем ( на фиг. 1 он не показан; блок может устанавливаться на изоляционном цилиндре 1 ниже электромагнита или на основании 23). Такое закрепление занимает больше поперечного пространства, но конструкция обладает большей жесткоетью.
Модуль работает следующим образом. При подаче команды на включение - подаче напряжения на катушку 10, якорь начинает двигаться вверх, сжимая пружину отключения 12. Под действием атмосферного давления на сильфон и предварительно сжатой пружины 11 тяга 6 с подвижным контактом 4 ВДК двигаются также вверх до замыкания контактов. После замыкания контактов тяга останавливается, а продолжающий двигаться вверх якорь сжимает уже обе пружины, обеспечивая пружиной поджатия 11 дополнительное контактное нажатие для противодействия перегреву в длительном режиме при номинальном токе и электродинамическому отбросу от токов короткого замыкания. После замыкания контактов между конусом 13 и гайкой 20 возникает и увеличивается зазор до момента упирания якоря в корпус 8 элеетромагнита. Перед этим переключаются блокконтакты микропереключателей 24. По их сигналу и/или по временной уставке электромагнит переходит в режим удержания (например, по патенту РФ №2195732, H01F7/18, Н01Н47/32, 2002).
Отключается модуль после снятия напряжения с катушки. Якорь разгоняется под действием обеих пружин и бьет по гайке 20, размыкая частями 6 и 7 тяги контакты ВДК, даже при возможном их приваривании. После размыкания контактов якорь движется за
;- .  .
счет инерции и от пружины 12. В конце хода конус 13 якоря бьет в кону ограничителя 14 без обратного отскока за счет клинового эффекта, предотвращая обратное движение подвижного контакта на замыкание. Уменьшение )ла конуса ограничено увеличением влияния возможных поперечных смещений деталей при наладке и последующем изменении хода якоря при приработке; нужна будет и дополнительная сила тяги якоря из-за сил трения между конусами. Поэтому угол конуса целесообразно брать от 75° до 120°.
Следует отметить, что идентичность изготовления модулей и существенное упрощение их сборки при серийном производстве легко обеспечивается за счет применения единого щаблона в виде охватывающего цилиндра с координированными отверстиями под крепеж и для технологических отверстий.
Модуль прощел весь комплекс испытаний в контакторах постоянного и переменного тока и в выключателях постоянного тока для подвижного состава железнодорожного транспорта.