Быстродействующее коммутационное устройство
QUICK-ACTING SWITCHING DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к области силовой электроники, в частности к автоматическим коммутационным устройствам цепей среднего и высокого напряжений, выполненных на базе вакуумной камеры.
Исходя из известного уровня техники, использование вакуумных камер в различных коммутационных устройствах является наиболее распространенным и нашло широкое применение в электротехнике. Известны коммутационные устройства на базе вакуумной камеры, таких ведущих мировых производителей, как: АББ Технолоджи, Митсубиши Электрик Корп, Сименс и другие.
В основу конструкции подобного рода изделий положен принцип размещения, замыкаемых контактов в вакуумной камере, при этом, один из двух контактов выполнен, подвижным и приводится в действие от внешнего привода для замыкания цепи. Так как скорость срабатывания вакуумной камеры при замыкании контактов является оптимальной по времени, то это дает возможность получить высокие коммутационные характеристики.
Из уровня техники известны, различные варианты реализации приводов подвижных контактов, одни из которых базируются на действии электромагнитов, другие - действуют под давлением газов от срабатывания пиротехнических устройств, либо под давлением пара, при испарении жидкости.
Основными недостатками подобного рода устройств, являются не возможность повторного использования, без замены элементов привода, в частности пиротехнических зарядов, а также в случае с электромагнитными приводами, сниженные коммутационные характеристики по отношению к устройствам с пиротехническим приводом, необходимость обеспечения электропитания после срабатывания и относительно высокое потребление электроэнергии, при этом, электромагнитные приводы, в основном, применяются в переключателях, работающих как на замыкание, так и на размыкание контактов, в связи с этим имеют усложненную конструкцию.
Как пример устройства с электромагнитным приводом, из патента RU 2562133 C2 от 10.09.2015, МПК Н01Н 33/66, патентообладатель - АББ Технолоджи АГ, известен автоматическое коммутационное устройство, которое содержит, чашеобразный корпус из изоляционного материала, в котором размещена вакуумная камера, приводимая в действие движущимся штоком. Чашеобразный корпус, разделен на верхнюю часть, в которой размещена вакуумная камера, и нижнюю часть, в которой размещен магнитный привод. Приводная тяга вакуумной камеры расположена соосно с якорем магнитного привода, который содержит электрическую катушку, предназначенную для перемещения электромагнитного якоря, который состоит из верхнего и нижнего плунжеров, соединенных осевым штоком.
Указанный электромагнитный привод обеспечивает бистабильную коммутацию, при которой перевод контактов в замкнутое/разомкнутое положение, осуществляется посредством магнитного поля электрической катушки.
К недостаткам описанного в патенте технического решения, можно отнести, относительно, большое потребления энергии при переходе подвижной части из одного устойчивого положения в другое, а также относительную сложность конструкции, что может повлиять на увеличение времени коммутации.
В соответствии с функциональным назначением, схожими с заявляемым техническим решение, являются следующие устройства.
Из патента на изобретение US 8164868 (В2) от 24.04.2012, МПК Н02Н 9/00 патентообладателем которого является Сименс АГ, известно коммутационное устройство, включающее пиротехнико-механическое устройство, которое состоит из корпуса, с помещенным внутрь пиротехническим зарядом, приводимым в действие от разряда электрического тока, так же подвижного штока, перемещаемого посредством, указанного пиротехнического заряда. В различных вариантах исполнения привода, коммутация осуществляется, как непосредственно, при взаимодействии подвижного штока с неподвижным контактом, так и посредством промежуточного звена, с подпружиненным подвижным контактом.
К недостаткам указанного технического решения, можно отнести, отсутствие вакуумной камеры, как результат, необходимо выдерживать значительное расстояние между контактными поверхностями, вследствие чего, увеличиваются габариты устройства, и снижается скорость коммутации. Также, использование детонирующих устройств, делает невозможным многоразовое использование устройства без замены элементов привода, и может повлиять на безопасность эксплуатации оборудования.
Из международной заявки на изобретение WO 2009092621 (А1) 30.07.2009, МПК Н02Н 39/00, Н01Н 33/66, известно коммутационное устройство, включающее, заключенные в единый корпус, вакуумную камеру с парой соосных контактов, связанных с токоведущими элементами, при этом один из указанных контактов выполнен подвижным и связанным, посредством подвижного штока, с элементами привода. Указанный привод выполнен в виде пиротехнического устройства приводимого в действие от электрического тока, и обеспечивает перемещение подвижного контакта в замкнутое положение, под воздействием давления газов от срабатывания пиротехнического устройства.
К недостаткам, указанного технического решения можно отнести выполнение привода в виде пиротехнического устройства, что исключает его многоразовое использование, без замены элементов привода. Также применение детонирующих веществ может повлиять на безопасность эксплуатации оборудования.
Указанное в заявке WO 2009092621 (А1) 30.07.2009 техническое решение принимаем за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлено, заявляемое техническое решение является создание быстродействующего коммутационного устройства упрощенной конструкции, с увеличенной скоростью коммутации и уменьшенным потреблением электроэнергии, а также с возможностью многоразового использования без замены элементов привода, и функционирования при отсутствии питания после срабатывания.
Технический результат, достигнутый от реализации, заявляемого изобретения заключается в увеличении скорости коммутации, снижении потребления электроэнергии, а также в продлении срока эксплуатации элементов конструкции.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что привод, включает в себя удерживающий механизм с фиксирующим устройством, удерживающий механизм связан с подвижным штоком, фиксирующее устройство удерживающего механизма, включает, по меньшей мере, один индуктивный элемент с внешним магнитопроводом и рабочим телом, которое размещено внутри индуктивного элемента, а также амортизирующие элементы и фиксатор, заключенные в полимерный корпус, причем амортизирующие элементы и фиксатор расположены внутри рабочего тела, выполненного с возможностью перемещения фиксатора.
Во одном из возможных вариантов реализации, удерживающий механизм и фиксирующее устройство, сконфигурированы в корпусе с возможностью фиксации относительно друг друга, посредством упомянутого фиксатора.
Удерживающий механизм включает пружину и упор, выполненный с возможностью взаимодействия с фиксатором.
Быстродействующее коммутационное устройство, также, выполнено с возможностью многоразового использования без замены элементов привода.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:
фиг. 1 - быстродействующее коммутационное устройство в разрезе.
фиг. 2 - функциональная схема быстродействующего коммутационного устройства.
Заявляемое техническое решение предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством схем на чертежах и в описании изобретения. Описанное техническое решение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков раскрытых в формуле изобретения.
Быстродействующее коммутационное устройство, включает заключенные в единый корпус 1 (фиг. 1), вакуумную камеру 2, с парой соосных контактов 3; 4, связанных с токоведущими элементами 5; 6. Один из указанных контактов 4, выполнен подвижным и связанным, посредством штока 7 с элементами привода.
Привод включает в себя, связанный с подвижным штоком 7, удерживающий механизм, выполненный в виде пружины 8 и упора 9, связанных с упомянутым штоком 7, а также фиксирующее устройство удерживающего механизма.
Указанное фиксирующее устройство включает в себя, по меньшей мере, один индуктивный элемент 10, представленный в виде цилиндрической катушки индуктивности (соленоида), с внешним магнитопроводом 11. Во внутреннее пространство индуктивного элемента помещены, заключенные в полимерный корпус 12 амортизирующие элементы, в качестве которых использованы, стопорная пружина 13 и резиновый демпфер 14, а также фиксатор 15 в виде стержня. Упомянутая стопорная пружина и фиксатор, помещены внутрь рабочего тела 16, с отверстием в нижней части, под установку фиксатора, что обеспечивает возможность его перемещения при поступательном движении рабочего тела.
При этом удерживающий механизм и фиксирующее устройство сконфигурированы в корпусе быстродействующего коммутационного устройства с возможностью фиксации относительно друг друга, посредством упомянутого фиксатора.
Упомянутый привод, на схеме (фиг. 2), графически отображен как индуктивный элемент 10, функционально соединен с источником питания, в частности, блоком накопительных элементов 17.
Устройство с реализованным, заявляемым техническим решением, работает следующим образом.
При подаче напряжения от источника питания, на обмотку индуктивного элемента 10, возникает магнитное поле, замыкающееся через внешний магнитопровод 11 на рабочее тело 16, под воздействием магнитного поля, рабочее тело выполняет поступательное движение, перемещая при этом, фиксатор 15, который в нормальном состоянии находится в зацеплении с упором 9 удерживающего механизма, чем освобождает, указанный упор и связанный с ним подвижный шток 7 с пружиной 8. Шток 7, связанный с подвижным контактом 4 вакуумной камеры под воздействием, собственного усилия замыкания контактов вакуумной камеры, предусмотренного ее техническими характеристиками, выполняет поступательное движение, перемещаясь при этом, в замкнутое положение подвижного контакта 4. Источник питания может быть выполнен в виде блока 17 накопительных элементов. Такой вариант реализации позволит избежать зависимости от величины тока разряда, а значит, оптимизировать время срабатывания быстродействующего коммутационного устройства, обеспечивая, при этом, скорость коммутации в пределах 2 мс, посредством достаточно-необходимого значения электрического тока, подаваемого на обмотку индуктивного элемента 10, формируемого в блоке накопительных элементов.
Удерживающий механизм обеспечивает регламентированное усилие удержания вакуумной камеры в разомкнутом состоянии. Необходимое усилие удержания обеспечивается упругостью пружины 8 при перемещении и фиксации упора 9, посредством фиксирующего устройства.
Функционирование при отсутствии питания после срабатывания обеспечивается посредством, упомянутого удерживающего механизма.
Конструктивное исполнение и отсутствие разрушаемых элементов привода, обеспечивает возможность многоразового использования устройства, без замены элементов привода.
Реализация заявляемого изобретения, способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая экономию электроэнергии, а также скорость коммутации быстродействующего коммутационного устройства в пределах 2 мс, при этом известные коммутационные устройства с электромагнитным приводом обеспечивают скорость коммутации, в пределах 15-50 мс. Такой показатель быстродействия позволяет применять данное техническое решение в байпасной цепи, обеспечивая скорость срабатывания на уровне с пиротехническим коммутационным устройством либо тиристорным байпасом, себестоимость которого на порядок выше. Также заявляемое техническое решение позволяет увеличить срок эксплуатации элементов конструкции, обеспечивая возможность многоразового использования без замены элементов привода и функционирования при отсутствии питания после срабатывания.