Механизм ручного отключения приводов высоковольтного вакуумного выключателя
MECHANISM FOR MANUAL DISCONNECTION OF DRIVES OF HIGH-VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям высоковольтных вакуумных выключателей с возможностью их ручного отключения.
Известны конструкции высоковольтных вакуумных выключателей, состоящих из трех полюсов, трех пофазных электромагнитных приводов с магнитной защелкой, кинематически связанных с подвижными контактами дугогасительных камер и корпуса, внутри которого горизонтально размещен вал синхронизации.
Например, известна конструкция трехфазного высоковольтного вакуумного выключателя по патенту CN103050320, МПК Н01Н 33/66, Н01Н 33/664, Н01Н 33/666, опубл. 17.04.2017, содержащего корпус, три полюса с вакуумными дугогасительными камерами, внутри которых находятся подвижный и неподвижный контакты, соединенные посредством электроизоляционной тяги с электромагнитным приводом. При этом, каждый электромагнитный привод выполнен цилиндрической формы и содержит подвижную и неподвижную части и катушку, а неподвижная часть магнитопровода содержит верхнюю и нижнюю крышки дискообразной формы с центральными проходными отверстиями и кольцеобразными фланцами вокруг них. Постоянный магнит расположен между вышеупомянутыми крышками и выполнен кольцеобразной формы, подвижная часть магнитопровода выполнена в виде якоря цилиндрической формы. При этом, электромагнитные приводы соединены между собой синхронизирующим валом, с помощью которого синхронизируется движение подвижных деталей приводов.
Механизм ручного отключения известного высоковольтного вакуумного выключателя состоит из кнопки, соединенной посредством тяг и рычагов с синхронизирующим валом, осуществляющим функцию ручного отключения. Во включенном состоянии высоковольтного вакуумного выключателя приводы находятся в удерживающем состоянии за счет остаточной намагниченности магнитопроводов, а в случае необходимости ручного отключения усилие воздействия от кнопки ручного отключения передается на синхронизирующий вал, в результате чего производится принудительное расцепление магнитопроводов.
Недостатком известной конструкции является то, что суммарное усилие воздействия не может превышать 25 кгс в соответствии с ГОСТ 12.2.007.3 для обеспечения возможности их ручного отключения через кнопку аварийного отключения. Это ограничение не позволяет применять приводы с высокой степенью удержания. Кроме того, конструкция привода требует периодического подмагничивания, поэтому при потере оперативного питания приводы, искусственно ограниченные в части усилия удержания начинают терять удерживающее усилие и в случае возникновения вибрационных или ударных нагрузок возможно самопроизвольное отключение выключателя.
Также известен высоковольтный вакуумный выключатель, конструкция которого описана в патенте RU2249874, МПК Н01Н 33/666, опубл. 20.12.2004, содержащий основание, вакуумные камеры с контактами, пофазные приводы с магнитными системами, образующими магнитные защелки, содержащие статор, якорь и обмотку, общий синхронизирующий вал и блокировочный вал, одновременно выполняющий функцию ручного отключения, при этом, блокировочный вал оснащен кулачком механического размыкания и блокирования привода в отключенном положении, выполненным в виде плоской пластины и расположен перпендикулярно центральному приводу.
Таким образом, при ручном отключении усилие от кнопки ручного отключения передается непосредственно на плоский кулачок механического размыкания, который равномерно распределяет это усилие через вал синхронизации на все три привода выключателя одновременно и в равной доле. Технический результат в соответствии с описанием изобретения состоит в том, что усилие внешнего воздействия от кнопки ручного отключения величиной не более 25 кгс равномерно прикладывается ко всем трем приводам и составляет не более 8.33 кгс на каждый привод, с учетом соотношения плеч рычагов в данной конструкции дающих увеличение усилия от 4 до 5 раз, максимальное усилие удержания привода ограничено величиной 35-40 кгс.
Данная конструкция обладает недостатком, заключающимся в том, что искусственное ограничение усилия удержания также приводит к невозможности использования высоковольтного вакуумного выключателя в зонах повышенной сейсмичности и вибрации (на строительных объектах, в метро и т.д.), так как в этом случае возможно его самопроизвольное отключение.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция по патенту BY6870, МПК Н01Н 33/66, опубл. 30.12.2010, которая содержит вспомогательный вал и механизм ручного отключения, реализованный в виде специальной съемной рукоятки. Выключение выключателя в ручном режиме осуществляется путем внешнего силового воздействия съемной рукоятки через отверстие в корпусе на вспомогательный вал, в результате чего через систему рычагов воздействие передается на синхронизирующий вал, производящий переход приводов из устойчивого состояния «включено» в устойчивое состояние «выключено» и размыкание верхних и нижних контактов высоковольтного вакуумного выключателя (главных цепей).
В известной конструкции имеется возможность применения больших усилий удержания приводов во включенном состоянии, но для преодоления этих усилий в случае необходимости ручного отключения необходимо применение внешнего рычага, так как (в соответствии с описанием патента) для выполнения ручного отключения необходимо «вставить рукоять ручного отключения в специальное отверстие в фасадной крышке выключателя и зафиксировать на упоре внутри выключателя», и только затем произвести выключение, при этом величина приложенного усилия, определяется длиной рукоятки отключения и соотношением плеч рычага.
Таким образом, основным недостатком известной конструкции является то, что использование съемной рукояти ручного отключения приводит к увеличению времени реагирования на аварийную ситуацию, что может иметь катастрофические последствия в случае ее возникновения.
Общим недостатком всех известных конструкций является то, что, вал синхронизации выполняет одновременно две функции, осуществляет синхронизацию операций включения-отключения и осуществляет функцию ручного отключения. Для совмещения этих операций приходится жертвовать возможностью увеличения усилий удержания приводов ради возможности надежного отключения. Потенциал выключателей при этом не используется в полной мере, так как снижаются показатели вибро- и сейсмоусточивости, возникает вероятность дребезга контактов, способствующего возникновению дуги и как следствие снижение ресурса выключателя и снижение безопасности проведения операций отключения. Производителям известных выключателей приходится выбирать: надежно удерживать привод во включенном состоянии или надежно отключать в ручном режиме, обеспечивая требования безопасности. Во всех вышеперечисленных конструкциях отрыв якоря и отключение высоковольтного вакуумного выключателя в ручном режиме производится через преодоление максимального усилия удержания, с одновременным отрывом всех трех приводов, при этом, в случаях, когда сумма удерживающих усилий приводов окажется равной или превысит усилие, оказываемое на кнопку аварийного отключения, отключение становится невозможным, то есть снижается безопасность эксплуатации высоковольтного вакуумного выключателя, либо требуется применение внешнего рычага, что приводит к увеличению времени реагирования на аварийную ситуацию, а в случае искусственного ограничения усилия удержания приводов с целью обеспечения гарантированной возможности ручного отключения высоковольтного вакуумного выключателя, снижается его вибро- и сейсмостойкость.
Другим общим недостатком известных технических решений является то, что без существенной переделки конструкции и увеличения габаритов высоковольтного вакуумного выключателя, невозможно значительно (в два и более раз) увеличить усилие удержания приводов высоковольтного вакуумного выключателя в положении «включено», что является необходимым условием для создания выключателей, рассчитанных на большие токи, например, 1250А или 1600А, так как для преодоления увеличенного усилия удержания, которое в них используется (1500-2000Н и более), необходимо многократное увеличение отключающего воздействия, которое в кинематических схемах известных конструкций может достигаться только за счет увеличения рычага и становится трудно реализуемым при увеличении длины рычага отключения в 1,5-2 раза, так как внутренняя компоновка высоковольтных вакуумных выключателей не позволяет это сделать при сохранении их прежних габаритов.
Проблема, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в том, что в известных конструкциях невозможно увеличить усилие удержания приводов с целью улучшения характеристик выключателей и при этом обеспечить гарантированное отключение высоковольтного вакуумного выключателя в ручном режиме.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности механизма ручного отключения приводов высоковольтного вакуумного выключателя, без внесения принципиальных изменений в существующие конструкции высоковольтных вакуумных выключателей, а также обеспечение возможности создания в тех же габаритах высоковольтных вакуумных выключателей, имеющих более мощные приводы, с высокими усилиями удержания, рассчитанные на более высокие токи.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемой конструкции механизма ручного отключения высоковольтного вакуумного выключателя, произведено разделение функции синхронизации и функции ручного отключения за счет введения в конструкцию второго специального вала - вала ручного отключения, кроме классического вала синхронизации предлагаемая конструкция содержит вал ручного отключения, предназначенный для передачи и распределения между деталями механизма усилий, направленных на отключение высоковольтного вакуумного выключателя в ручном режиме, при этом кнопка ручного отключения соединена с валом ручного отключения посредством тяги кнопки ручного отключения, а между магнитопроводами и, установленными в них якорями, симметрично установлены расцепители, выполненные в виде рычагов с эксцентриками на концах, при этом эксцентрики в своем поперечном сечении выполнены в форме полуцилиндра и установлены своими цилиндрическими поверхностями в соответствующие пазы магнитопроводов, а плоскими поверхностями прилегают к нижней поверхности якорей, и, кроме того, к противоположным концам расцепителей посредством элементов крепления таких, как например, заклепок, хакболтов и т.п., прикреплены тяги, которые, в свою очередь, также при помощи элементов крепления присоединены к кронштейнам, закрепленным на валу ручного отключения.
Кроме того, для обеспечения поочередного отключения приводов, отверстия в тягах, служащие для их присоединения к кронштейнам выполнены различной формы, например, круглыми, продолговатыми или овальными (т.е. вытянутыми вдоль их продольной оси). При этом расцепители первого привода соединены с валом ручного отключения через соответствующие тяги и кронштейны, посредством элементов крепления, установленных в круглых отверстиях тяг, а расцепители второго и третьего приводов соединены с валом ручного отключения через соответствующие тяги и кронштейны, посредством элементов крепления, установленных в продолговатых или овальных отверстиях, причем имеющих разную длину.
Также, как вариант исполнения, соответствующие отверстия, выполненные в кронштейнах для их присоединения к тягам расцепителей разных приводов, могут быть выполнены различной формы (например, круглым, продолговатым или овальным) и разной длины.
За счет применения такой конструкции, при выполнении операции отключения в ручном режиме, вал ручного отключения перераспределяет приложенное усилие от кнопки ручного отключения ко всем приводам вакуумного выключателя поочередно: сначала первая группа расцепителей воздействует на один привод, а после его начального отрыва вторая группа расцепителей воздействует на второй привод, и, наконец, третья группа расцепителей воздействует на третий привод, за счет чего суммарное усилие, необходимое для воздействия на механизм отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя снижается примерно в три раза по сравнению с синхронным приложением усилия отключения одновременно ко всем трем приводам.
Таким образом, основным отличием заявляемого технического решения от известных конструкций является то, что в известных конструкциях механизм отключения привязан к валу синхронизации и усилие отключения, приложенное к различным механизмам в конечном итоге синхронно распределяется на три привода через вал синхронизации, то есть из-за наличия жесткой связи приводов выключателя между собой и с валом синхронизации, производится синхронный отрыв всех якорей приводов и других подвижных элементов привода через максимально возможное усилие, при этом в заявляемом техническом решении вал ручного отключения независим от вала синхронизации, он производит отключение приводов в любой заданной последовательности и может являться мультипликатором усилия, увеличивая степень воздействия и передачи усилия от кнопки ручного отключения к приводам, при этом степень свободы вала отключения позволяет ему поворачиваться независимо от вала синхронизации от 30 до 40 градусов.
Заявляемое техническое решение поясняется изображениями:
- на фиг. 1 показана конструкция механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя с валом ручного отключения;
- на фиг. 2 и 3 показан вид механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя с валом синхронизации и дополнительно установленным валом ручного отключения;
- на фиг. 4 показана конструкция привода высоковольтного вакуумного выключателя с установленными между магнитопроводом и якорем расцепителями с эксцентриками на концах;
- на фиг. 5 показаны два варианта исполнения механизма, обеспечивающего поочередное отключение приводов в режиме ручного отключения;
- на фиг. 6 показана схема работы механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя с поочередным отрывом якорей всех трех приводов;
На фиг. 1-4 изображены: цилиндрические магнитопроводы (1) и установленные в них якоря (2), между которыми симметрично установлены расцепители (3) и (4), выполненные в виде рычагов с эксцентриками на концах, установленных своей цилиндрической поверхностью в соответствующие пазы магнитопроводов (1), и прилегающих своей плоской поверхностью к нижней поверхности якорей (2), при этом, к противоположным концам расцепителей (3) и (4) прикреплены тяги (5) и (6), соединенные с валом ручного отключения (7) через кронштейны (8), а вал ручного отключения (7) соединен с кнопкой ручного отключения (9) посредством тяги кнопки ручного отключения (10), соединенной с кронштейном кнопки ручного отключения (11), а также, вал синхронизации (12) соединен с якорями (2) всех приводов с помощью тяг синхронизации (13) и кронштейнов синхронизации (14).
Кроме того, для обеспечения поочередного отключения приводов тяги (5) и (6) в расцепите лях первого привода по варианту исполнения 1, изображенному на фиг. 5, выполнены круглые отверстия (15), служащие для их присоединения к соответствующим кронштейнам (8), а в тягах расцепителей второго и третьего приводов выполнены отверстия продолговатой или овальной формы (16) и (17), причем разной длины.
Также возможен вариант исполнения 2, изображенный на фиг. 5, в соответствии с которым, отверстия, выполненные в кронштейнах (8), и служащие для их присоединения к тягам расцепителей (5) и (6) для первого привода выполнены круглыми (18), а для второго и третьего приводов продолговатой или овальной формы (19) и (20), причем разной длины.
Заявляемая конструкция работает следующим образом (фиг. 6): при нажатии на кнопку ручного отключения (9), усилие передается через тягу кнопки ручного отключения (10) и кронштейн кнопки ручного отключения (11) на вал ручного отключения (7), при этом, вал поворачиваясь, передает движение через кронштейны (8) и тяги (5) и (6) к расцепителям (3) и (4) первого привода, затем, закрепленные на концах расцепителей, эксцентрики первого привода производят отрыв якоря (2) от магнитопровода (1), причем в процессе подъема якоря (2) постепенно изменяется коэффициент передачи усилия от кнопки ручного отключения (11) к первому отключаемому якорю (2), так как в начале движения расцепителей (3) и (4) плечо, которым эксцентрики воздействуют на якорь (2) является минимальным и, следовательно, соотношение плеч и усилие воздействия является максимальным, однако, по мере отрыва якоря (2) от магнитопровода (1) и и возникновения воздушного зазора удерживающее магнитное поле падает в геометрической прогрессии соответственно усилие, необходимое для дальнейшего отрыва якоря, также падает в геометрической прогрессии, отсоединяя якорь (2) от магнитопровода (1) первого привода, затем все усилие от кнопки ручного отключения (11) передается на расцепители (3) и (4) второго привода, которые производят отрыв якоря (2) от магнитопровода (1) второго привода, и, вслед за этим усилие от кнопки ручного отключения (11) передается на расцепители (3) и (4) третьего привода, производя отрыв якоря (2) от магнитопровода (1) третьего, последнего привода, и окончательное выключение всего высоковольтного вакуумного выключателя.
Таким образом, поворот вала ручного отключения последовательно приводит в действие расцепители всех трех приводов, поочередно перераспределяя приложенное к кнопке ручного отключения усилие, причем действуя единовременно только на один привод. Иными словами, усилие, приложенное к кнопке ручного отключения, передается в каждый момент времени в максимальном размере расцепителям только одного привода, чем обеспечивается снижение общего усилия, прилагаемого к механизму ручного отключения и повышение надежности его срабатывания.
Кроме того, проведенные эксперименты показали, что при применении последовательного отрыва, два любых привода, выведенные из состояния удержания и начавшие движение отключения самостоятельно производят отключение третьего привода, воздействуя на него через вал синхронизации (12), при этом уверенное отключение высоковольтного вакуумного выключателя происходит даже без участия элементов механизма ручного отключения. Этим обеспечивается еще большая надежность и безотказность при выполнении ручного отключения.
Таким образом, с помощью заявляемого технического решения повышается надежность механизма ручного отключения приводов высоковольтного вакуумного выключателя, при этом появляется возможность значительного увеличения усилия удержания приводов высоковольтного вакуумного выключателя, что позволяет создавать выключатели, рассчитанные на большие токи, не внося существенных изменений в известные конструкции, причем в прежних габаритах.
Предлагаемое техническое решение может быть применено и реализовано в большинстве существующих и выпускаемых моделей вакуумных выключателей с электромагнитным приводом на магнитной защелке.