КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
SWITCHING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к коммутационному устройству для отключения тока. В частности, оно относится к коммутационному устройству, включающему в себя неподвижный главный контакт и неподвижный дугогасительный контакт, расположенные параллельно.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Коммутационные устройства используются для прерывания тока или защиты электрической цепи в случае электрического отказа, например, из-за короткого замыкания. Коммутационное устройство может содержать контакты, включающие в себя неподвижный и подвижный контакты, которые во время нормальной работы соединены механически и электрически. При отделении контактов друг от друга, осуществляется операция отключения тока. В дополнение к разделению контактов, операция отключения или прерывания тока предусматривает гашение дуги между контактами и вызывает уменьшение тока до нуля.
Когда ток отключают без естественных переходов через ноль, необходимо вызвать снижение тока до нуля. Один распространенный подход заключается в создании напряжения в точке отключения, которое выше, чем напряжение сети, вызывая тем самым снижение тока до нуля. Чтобы достичь такого напряжения в точке отключения, желательно растянуть дугу на большое расстояние, поскольку длина дуги увеличивает напряжение дуги, а длинная дуга также легко охлаждается и разбивается на несколько более коротких дух, которые дополнительно увеличивают напряжение дуги.
Дугу можно продлить либо удаляя контакты с достижением желаемой длины, вследствие чего дуга растягивается, либо обеспечивая перемещение изначально короткой дуга по траектории, что приводит к растягиванию короткой дуги. Когда контакты оказываются отделенными друг от друга некоторым ограниченным расстоянием, дуга должна быстро покинуть точки контакта во избежание эрозии контактирующих материалов. Таким образом, обеспечивается дугогасительная камера или дугогасительный желоб, так что дуга перемещается с контактов в эту камеру, что дополнительно увеличивает напряжение дуги. Желательно, чтобы дуга перемещалась по желательной траектории в правильном направлении и с достаточной скоростью, вследствие чего напряжение дуги будет увеличиваться до значения, достаточно высокого, чтобы отключить ток.
В данной области техники также известно, что можно использовать так называемую параллельную систему переключающих контактов, причем эта система содержит узел главных контактов, включающий в себя подвижный главный контакт и неподвижный главный контакт, и узел дугогасительных контактов, включающий в себя подвижный дугогасительный контакт и неподвижный дугогасительный контакт и подключенный параллельно узлу главных контактов. Таким образом, достигается возможность оптимизации разных характеристик, которые требуются для разных режимов работы. В такой системе, главные контакты обычно лишь проводят ток и не участвуют в операциях коммутации, которые и приводят к созданию дуг. Материал в главном контакте оптимизирован для достижения надлежащей удельной электропроводности, тем самым снижая генерируемую мощность при протекании тока. С другой стороны, дугогасительные контакты выполнены с возможностью управления операциями коммутации, а не предназначены для непрерывного проведения тока.
В документе EP2037472A2 описана коммутационная система, включающая в себя главные контакты и дугогасительные контакты, при этом во время операции коммутации между главными контактами и дугогасительными контактами существует синхронизация так что коммутацией (размыканием или замыканием) управляют дугогасительные контакты, а главные контакты проводят электрический ток, когда цепь замкнута, и не повреждаются какими-либо операциями коммутации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать коммутационное устройство для отключения сильного тока с достаточной скоростью.
В соответствии с первым аспектом изобретения, предложено коммутационное устройство для отключения электрического тока, охарактеризованное в преамбуле п.1 формулы изобретения. Это коммутационное устройство также отличается тем, что предусмотрены первая зубчатая рейка и первое зубчатое колесо для приведения в действие держателя дугогасительного контакта, так что, когда происходит прерывание тока, разделительное расстояние между дугогасительными контактами больше, чем разделительное расстояние между главными контактами.
Благодаря наличию зубчатой рейки и зубчатых колес  достигаются большее разделительное расстояние и более высокая скорость разделения между дугогасительными контактами. Большее расстояние между дугогасительными контактами позволяет получить увеличенную длину дуги, что впоследствии позволяет создать напряжение дуги, более высокое, чем несущее напряжение, и таким образом - в конечном счете - вызывает уменьшение несущего тока до нуля, следствием чего является продление срока службы коммутационного устройства. Помимо этого, более высокая скорость разделения также позволят быстрее увеличивать напряжение дуги, а вследствие этого – вызывать снижение тока до нуля в пределах более короткого времени, чем при низкой скорости. Дополнительное преимущество изобретения заключается в том, что исполнительному блоку можно придать структуру, позволяющую действовать на коротком расстоянии, требуемом главными контактами, тогда как длинное расстояние, требуемое дугогасительными контактами, создается зубчатым колесом. Исполнительный блок для короткого расстояния создать проще, чем исполнительный блок для длинного расстояния.
В соответствии с одним вариантом осуществления, держатель дугогасительного контакта крепится либо к первому зубчатому колесу, либо к первой зубчатой рейке. Помимо этого, передаточное отношение для первого зубчатого колеса адаптировано так, что соотношение движений между подвижным дугогасительным контактом и подвижным главным контактом оказывается в диапазоне от 2:1 до 8:1.
Каждый из главных и дугогасительных контактов включает в себя контактный наконечник. Материал контактного наконечника и дугогасительного контакта предпочтительно тверже, чем материал контактного наконечника главного контакта, так что он может лучше выдерживать коммутацию.
В соответствии с другим вариантом осуществления, коммутационное устройство дополнительно включает в себя вторую зубчатую рейку и второе зубчатое колесо, причем первое и второе зубчатые колеса совместно установлены на валу, а радиус первого зубчатого колеса больше, чем радиус второго зубчатого колеса. Отношение радиуса первого зубчатого колеса и радиуса второго зубчатого колеса может находиться в диапазоне от 2:1 до 8:1.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления, вторая зубчатая рейка крепится к держателю главного контакта.
В предпочтительном варианте, коммутационное устройство может дополнительно включать в себя третью зубчатую рейку и третье зубчатое колесо. Первое, второе и третье зубчатые колеса совместно установлены на валу, причем первое зубчатое колесо расположено в промежутке между вторым и третьим зубчатыми колесами, при этом третье зубчатое колесо имеет такой же радиус зубчатого колеса, как второе зубчатое колесо. Как и вторая зубчатая рейка, третья зубчатая рейка крепится к держателю главного контакта. Эта структура вносит баланс в контактную систему и позволяет избежать трения и других обуславливающих асимметрию недостатков, подобных износу.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения, коммутационное устройство дополнительно содержит дугогасительную камеру, включающую в себя множество U-, Y- или V-образных дугогасительных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем конструкция и компоновка этих решеток таковы, что во время операции коммутации образуется проход, имеющий некоторую высоту, для дугогасительного контакта, а высота этого прохода адаптирована таким образом, что когда происходит отключение или прерывание тока, подвижный дугогасительный контакт перемещается в пределах этого прохода на протяжении большей части разделительного расстояния.
Помимо этого, проход, образованный дугогасительными решетками, имеет некоторую высоту, а эта высота прохода адаптирована так, что разделительное расстояние дугогасительных контактов, по меньшей мере, в два раза больше, чем разделительное расстояние главных контактов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено - в качестве примеров - описание конкретных вариантов осуществления идеи изобретения, при этом:
на фиг.1 показано схематическое сечение коммутационного устройства в соответствии с первым примером изобретения;
на фиг.2 показано схематическое сечение коммутационного устройства в соответствии со вторым примером изобретения;
на фиг.3a-3f показаны различные виды - включая изометрические, поперечные сечения и сверху - коммутационного устройства в соответствии с третьим примером изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь идея изобретения будет подробнее описана ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны иллюстративные варианты осуществления. Вместе с тем, изобретательский замысел можно воплотить во многих других формах, и его не следует считать ограниченным приводимыми здесь вариантами осуществления; эти варианты осуществления предложены скорее в качестве примеров, чтобы сделать описание подробнее и полнее, и они полностью доведут до сведения специалистов в данной области техники объем притязаний согласно изобретательскому замыслу.
Здесь будет описан ряд вариантов коммутационного устройства для отключения тока.
На фиг.1 схематически показана структура коммутационного устройства 1 для отключения электрического тока, которое содержит структуру узла главного контакта, структуру узла дугогасительных контактов и исполнительный блок 10.
Структура узла главного контакта реагирует на несущий или проводимый ток и включает в себя держатель 65 главного контакта, подвижный главный контакт 30 и неподвижный главный контакт 20. Подвижный главный контакт 30 крепится к держателю 65 главного контакта, а неподвижный главный контакт 20 выполнен возможностью контактного взаимодействия с подвижным главным контактом 30.
Структура узла дугогасительных контактов реагирует на воздействие дуг, возникающих во время операции коммутации, которая может быть либо операцией замыкания, либо операцией размыкания, и упомянутая структура включает в себя держатель 60 дугогасительного контакта, подвижный дугогасительный контакт 50 и неподвижный дугогасительный контакт 40. Подвижный дугогасительный контакт 50 крепится к держателю 60 дугогасительного контакта, а неподвижный дугогасительный контакт 40 выполнен с возможностью взаимодействия с подвижным дугогасительным контактом 50. Помимо этого, неподвижный дугогасительный контакт 40 расположен параллельно неподвижному главному контакту 20.
Исполнительный блок 10 выполнен с возможностью вертикального перемещения в корпусе коммутационного устройства 1 в двух противоположных направлениях, обозначенных стрелкой A, для приведения в действие держателей 65, 60 главного и дугогасительного контактов с переводом их из разомкнутого положения в замкнутое положение или наоборот, причем между неподвижными и подвижными контактами узлов главных и дугогасительных контактов существуют разделительные расстояния, когда происходит прерывание тока.
Коммутационное устройство дополнительно включает в себя первую зубчатую рейку 90 и первое зубчатое колесо 80, которые исполнительный блок может приводить в действие прямым или опосредованным путем. Передаточное отношение для первого зубчатого колеса 80 адаптировано так, что соотношение движений между подвижными дугогасительными контактами 50, 150 и подвижными главными контактами 30, 130 находится в диапазоне от 2:1 до 8:1. Это означает, что контактные наконечники 52, 152 подвижных дугогасительных контактов 50, 150 и контактные наконечники 32, 132 подвижных главных контактов 30, 130 имеют соотношение движений в диапазоне от 2:1 до 8:1.
В этом примере, первая зубчатая рейка 90 предусмотрена на держателе 65 главного контакта. Держатель 60 дугогасительного контакта крепится к первому зубчатому колесу 80. Зубчатая часть первого зубчатого колеса 80 введена в зацепление с зубчатой частью первой зубчатой рейки 90, так что линейное воздействие преобразуется во вращательное движение подвижного дугогасительного контакта, что во время операции отключения позволяет подвижному дугогасительному контакту совершать более протяженное движение, чем подвижному главному контакту, тем самым создавая больший зазор между дугогасительными контактами, чем зазор между главными контактами, растягивает дугу и увеличивает напряжение дуги.
На фиг.2 схематически показано коммутационное устройство 100, соответствующее второму примеру изобретения. Коммутационное устройство 100 включает в себя первую зубчатую рейку 190 и первое зубчатое колесо 180, выполненное с возможностью взаимодействия с первой зубчатой рейкой. В этом примере, коммутационное устройство дополнительно включает в себя вторую зубчатую рейку 195 и второе зубчатое колесо 185, выполненное с возможностью взаимодействия со второй зубчатой рейкой. Держатель 160 дугогасительного контакта крепится к первой зубчатой рейке 190. Вторая зубчатая рейка 195 крепится к держателю 165 главного контакта, который, в свою очередь, соединен с исполнительным блоком 110. Первое и второе зубчатые колеса 180, 185 совместно установлены на валу 187.
Во время операции прерывания или отключения, исполнительный блок 110 приводит в действие держатель 165 главного контакта, который, в свою очередь, приводит в действие подвижный главный контакт 130 и вторую зубчатую рейку 195. В некоторый момент времени произойдет разделение главных контактов 130 и 120. Вторая зубчатая рейка 195 и второе зубчатое колесо 185 преобразуют линейное движение воздействия во вращательное движение зубчатого колеса 185. Поскольку первое зубчатое колесо 180 и второе зубчатое колесо 185 установлены на одном и том же валу, вращение второго зубчатого колеса 185 переносится на вращение первого зубчатого колеса 180. Поскольку первое зубчатое колесо 180 введено в зацепление с первой зубчатой рейкой 190, вращение первого зубчатого колеса 180 преобразуется в линейное движение первой зубчатой рейки 190 и таким образом приводит в действие держатель 160 дугогасительного контакта. Дугогасительные контакты 140, 150 будут разделены позже, чем главные контакты 120, 130. Из-за того, что радиус первого зубчатого колеса 180 больше, чем радиус второго зубчатого колеса 185, держатель 160 дугогасительного контакта совершает более протяженное движение и с более высокой скоростью разделения, чем держатель 165 главного контакта, что приводит к большему зазору между дугогасительными контактами 140, 150, чем между главными контактами 120, 130. Пропорция радиусов первого зубчатого колеса и второго зубчатого колеса находится в диапазоне от 2:1 до 8:1, что представляет собой передаточное отношение в связи с расстоянием приведения в действие. Таким образом, при передаточном отношении для подвижного дугогасительного контакта в связи с исполнительным блоком, составляющем 4:1, если в течение, по меньшей мере, части движения исполнительного блока, этот исполнительный блок 10, 110 и подвижные главные контакты 30, 130 проходят 10 мм, подвижные дугогасительные контакты 50, 150 могут пройти 40 мм, тем самым обеспечивая большее растяжение дуги. Передаточное отношение также повлияет на усилия, а конкретное усилие в дугогасительном контакте отразится на исполнительное устройство с амплитудой, кратной передаточному отношению, т.е., составляющее 10 Н усилие в контакте даст 40 Н на исполнительном устройстве.
На фиг.1 и 2 можно заметить, что исполнительный блок 10, 110 в любом случае воздействует непосредственно на держатель главного контакта, так что движение подвижных главных контактов 30, 130 оказывается следствием движения исполнительного блока 10, 110. Главные контакты 20, 30; 120, 130 нуждаются в большом усилии в контактах, чтобы сделать контактное сопротивление низким, а это достигается путем непосредственного воздействия. Тот же самый исполнительный блок 10, 110 может воздействовать на дугогасительные контакты 40, 50; 140, 150 непосредственно или косвенно, но имеет в связи с этим некоторое передаточное отношение.
На обеих фиг.1 и 2 показаны параллельные сдвоенные размыкающие и замыкающие структуры, причем два неподвижных дугогасительных контакта 40, 40'; 140, 140' расположены параллельно двум неподвижным главным контактам 20, 20'; 120, 120'. Каждый из неподвижных дугогасительных и главных контактов 40, 40'; 140, 140'; 20, 20'; 120, 120' выровнен с соответствующим из подвижных дугогасительных и главных контактов 50, 30; 150, 130. Каждый из подвижных главных и дугогасительных контактов 50, 30; 150, 130 включает в себя две шинки, причем контактный наконечник 52, 52'; 32, 32'; 152, 152', 132, 132' находится на каждом конце шинок, обращенном к контактным наконечникам 42, 42'; 22, 22'; 142, 142'; 122, 122' соответствующих неподвижных главных и дугогасительных контактов 40, 20, 140, 120, тем самым обеспечивая сдвоенные контактирующие точки, соединенные последовательно, для каждого из дугогасительных и главных контактов, когда контакт замыкается. Контактный наконечник также можно назвать контактной площадкой или поверхностью контакта, на которой замыкается контакт. Сдвоенную размыкающую и замыкающую структуру выгодно использовать потому, что эта структура позволяет сократить длину разделительного расстояния для контактов до половины длины одиночной структуры замыкания-размыкания, обеспечивающей и отключение, и коммутацию, при генерировании достаточного напряжения дуги. Таким образом, эта структура обеспечивает более компактное коммутационное устройство.
Материал контактного наконечника дугогасительного контакта предпочтительно тверже, чем материал контактного наконечника главного контакта, так что сможет лучше выдерживать коммутацию. Материал для контактного наконечника дугогасительных контактов оптимизирован для коммутации с низкой эрозией и слабой тенденцией к привариванию или спеканию. Например, материал контактных наконечников главных контактов может иметь высокое содержание серебра - свыше 80 %, тогда как материал контактных наконечников дугогасительных контактов может иметь высокое содержание вольфрама - свыше 50 %.
На фиг.3a-3f показаны различные виды коммутационного устройства в соответствии с третьим примером изобретения. Например, на фиг.3a-3c представлены поперечные сечения, на фиг.3d и 3f представлены изометрические изображения, а на фиг.3e представлен вид сверху.
В этом примере, коммутационное устройство 200 представляет собой двухполюсный контактор постоянного тока, имеющий основание 201. Для каждого из полюсов предусмотрены подвижный дугогасительный контакт 250 и два неподвижных дугогасительных контакта 240, 240', а также подвижный главный контакт 230 и два неподвижных главных контакта 220, 220'. Помимо этого, каждый из неподвижных дугогасительных контактов 240, 240' крепится к соответствующему неподвижному главному контакту 220 и выполнен в виде U-образной шины. Подвижный дугогасительный контакт 250 выполнен в виде тонкой шины с двумя концами. На каждом из этих концов размещен контактный наконечник 252. Подвижный главный контакт 230 выполнен в виде более широкой шины также с двумя концами. На каждом из этих концов размещен контактный наконечник 232. Как изображено на фиг.3a-b, контактные наконечники 252, 242 дугогасительных контактов 250, 240 имеют гораздо меньшие диаметры и/или поверхности, чем контактные наконечники 232, 222 главных контактов 230, 220. Поверхность главного контакта может быть большей, чем у дугогасительного контакта. Таким образом, для каждого из полюсов имеется параллельная сдвоенная размыкающая и замыкающая структура.
В этом примере, коммутационное устройство 200 дополнительно содержит дугогасительную камеру 270, в которой заключены неподвижные дугогасительные контакты 240 и подвижные дугогасительные контакты 250 и которая включает в себя множество U-образных дугогасительных решеток 272, расположенных параллельно друг другу. Неподвижные дугогасительный контакты 240, 240' расположены неподвижно непосредственно под дугогасительными решетками, а подвижные дугогасительные контакты находятся над дугогасительными решетками, когда дугогасительные контакты окончательно разделены. Во время операции коммутации, U-образные решетки 272 образуют узкий проход для подвижного дугогасительного контакта 250, так что он движется по соседству или рядом с краями U-образных частей дугогасительных решеток 272. Каждая из U-образных решеток 272 продолжается двумя шинками 273, 273', которые дополнительно огораживают проход. Эта конструкция делает коммутационное устройство более компактным. Помимо этого, высота дугогасительной камеры 270 адаптирована так, что высота прохода позволяет подвижным дугогасительным контактам двигаться на протяжении большей части разделительного расстояния внутри прохода и, по меньшей мере, вдвое дальше, чем подвижными главные контакты, и это означает, что в положении размыкания расстояние h между дугогасительными контактами, по меньшей мере, вдвое больше, чем расстояние H главных контактов. Следовательно, дуга хорошо охлаждается в проходе дугогасительными решетками по мере того, как она растягивается, и проще разделить дугу на несколько малых дуг, чем вводить малые дуги между дугогасительными решетками для окончательного гашения. Помимо этого, проход, образованный дугогасительными решетками имеет размер, включающий в себя ширину, а ширина прохода вдвое меньше по сравнению с шириной подвижного дугогасительного контакта, так что подвижные дугогасительные контакты движутся рядом с краем U-образных решеток во время операции коммутации. Это обеспечивает четное влияние на размер дугогасительной камеры. Должно быть ясно, что дугогасительные решетки 272 могут иметь другие формы, подобные Y- или V-образным, и могут располагаться на некотором расстоянии параллельно друг другу. Например, они могут быть расположены в виде крыльчатки вентилятора.
Кроме того, в этом примере для обоих полюсов предусмотрены один держатель 260 дугогасительного контакта и один держатель 265 главного контакта, несущие подвижные дугогасительные контакты 250, 250' и подвижные главные контакты 230, 230', соответственно. Держатель 265 главного контакта дополнительно соединен или скреплен с магнитом 210 (подробности которого не показаны), действующим как исполнительный блок.
Обращаясь к фиг.3e и 3f, отмечаем, что в этом примере предусмотрены два комплекта узлов реек и зубчатых колес.
В каждом из этих комплектов, на валу 287 предусмотрены второе и третье зубчатые колеса 285, 285' с меньшим радиусом, а между меньшими зубчатыми колесами 285, 285' на том же самом валу 287 установлено первое зубчатое колесо 280, радиус которого больше. На держателе 265 главного контакта расположены вторая и третья зубчатые рейки 295, 295', подлежащие введению в зацепление со вторым и третьим зубчатыми колесами 285, 285', соответственно, а на держателе 260 дугогасительного контакта предусмотрена зубчатая рейка 290, подлежащая введению в зацепление с зубчатым колесом 280. Эта компоновка вносит баланс в контактную систему и позволяет избежать трения и других обуславливающих асимметрию недостатков, например, механического износа, вызывающего неудовлетворительную точность положений контактных наконечников и/или не одновременное замыкание-размыкание сдвоенных размыкающих контактов, и т.д.
Для всех примеров, действия сдвоенных контактов происходят во время операции коммутации, т.е., либо операции замыкания, либо операции размыкания. Когда переключатель разделяют или размыкают, сначала размыкаются главные контакты, после чего происходит размыкание дугогасительных контактов. Когда переключатель замыкают, сначала замыкаются дугогасительные контакты, после чего происходит замыкание главных контактов. Это означает, что во время операции коммутации дугогасительные контакты подвергаются воздействию дуг или сталкиваются с ними, а главные контакты могут избежать дуг, обуславливаемых операцией коммутации.
Следует понять, что коммутационное устройство, основанное на данном изобретении, может быть использовано для прерывания либо постоянного тока, либо переменного тока, и может быть любым из контактора, рубильника или разъединителя.
Следует также понять, что изобретение повышает не только способность к отключению или прерыванию сильного тока, но и способность к отключению слабого тока. В случае сильноточного коммутационного устройства, оно обычно предназначено для отключения сильного тока. Вместе с тем, когда его используют для отключения слабого тока, это может привести к серьезным повреждениям устройства. Это происходит потому, что при слабом токе трудно переместить дугу слабого тока от контактного наконечника и растянуть ее саму из-за малой силы магнитного поля, так что дуга, вероятно, останется на контактных наконечниках и не попадет в дугогасительную камеру. Данное изобретение позволяет растянуть дугу на большое расстояние в пределах узкого прохода внутри дугогасительной камеры, так что даже когда подлежащий отключению ток является слабым, эту слаботочную дугу все же можно эффективно охлаждать пока напряжение дуги увеличивается с достаточной скоростью, а вследствие этого вынуждается снижение тока до нуля. Таким образом, изобретение подходит для отключения тока вплоть до 5000 A.