ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
ELECTROMAGNETIC DRIVE FOR VACUUM CIRCUIT BREAKER

Изобретение принадлежит к электротехнике, в данном случае к электромагнитным приводам вакуумных высоковольтных выключателей.
Известные электромагнитные приводы состоят из электромагнита (соленоида) и механического удерживающего устройства. [1].
Недостатком таких приводов является их большая масса и многозвенная система кинематического соединения от штока якоря электромагнитного привода до тяг механизмов поджатия вакуумных дугогасительных камер.
Новое поколение вакуумных выключателей имеет приводную часть с электромагнитными приводами и удерживающими устройствами на постоянных магнитах.
По наибольшему количеству существенных признаков подобных к ряду важных признаков предложенного изобретения за прототип принят электромагнитный привод вакуумного выключателя серии ВР1 предприятия ВАТ "РЗВА" г.Ровно (Патент Украины №35013А; 15.03.2001. Бюл. №2, 2001).
Прототип, как и изобретение, состоит из катушек управления (включения и отключения), якоря, направляющих и постоянных магнитов, в котором с помощью катушек включения и отключения якорь привода перемещается с одного крайнего положения в противоположное, при этом постоянные магниты двухпозиционного электромагнитного привода образуют две магнитные цепи, так называемые "магнитные защелки", в которых надежно фиксируется якорь. При этом якорь электромагнитного привода в двух крайних положениях ("включено" и "отключено") удерживается магнитным полем двух постоянных магнитов. Операции "включения" или "отключения" происходят только тогда, когда силы удержания постоянных магнитов будут аннулированы возбуждением одной из катушек электромагнитного привода. При этом постоянные магниты установлены с ориентацией одноименных полюсов в сторону якоря, который размещен между этими постоянными магнитами, соосно с катушками включения и отключения, а также с торцевым зазором относительно магнитопровода в одной из катушек в зависимости от положения якоря. Прототип при минимальных массо-габаритных параметрах имеет относительно небольшой ток включения, высокий ресурс и надежность. Недостаток прототипа состоит в том, что его электромагнит содержит одну катушку отключения, причем эта катушка потребляет относительно большую мощность - более 4 кВт, в то время как существующие выключатели имеют один или больше электромагнитов отключения, катушки которых имеют номинальную мощность не более 0,33 кВт. Для адаптации прототипа в современных выключателях питание мощной катушки отключения его электромагнита осуществляется от предварительно заряженных конденсаторов. Для обеспечения отключения выключателя в эксплуатации необходимо все время поддерживать эти конденсаторы в заряженном состоянии. В случае длительного (более 10 часов) отсутствия напряжения питания этих конденсаторов может произойти их саморазряд и выключатель не сможет отключиться. Для предотвращения саморазряда в таких случаях в эксплуатации используют разные технические устройства, которые подпитывают конденсатор от других источников энергии. Все это усложняет конструкцию выключателя и снижает его надежность. Кроме того, наличие у аналога лишь одной катушки отключения усложняет схему выключателя, который имеет несколько гальванически разделенных цепей отключения, в том числе цепей токовой защиты, которые питаются от трансформаторов тока по схеме с дешунтированием. В связи с этим усложняется тестирование исправности вторичных цепей выключателя средствами автоматического контроля. Еще один недостаток прототипа заключается в том, что выключатель, в котором он встроен, содержит конденсатор большой емкости, как источник опасного напряжения, сохраняющегося длительное время после его отсоединения от сети при техническом обслуживании выключателя.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания электромагнитного привода вакуумного выключателя, в котором его конструкция позволяла бы использовать несколько гальванически не связанных между собой катушек отключения, а также снизить мощность потребления каждой катушки отключения до величины не более 0,33 кВт.
Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном приводе вакуумного выключателя, выполненном из шихтованного магнипровода и содержащем якорь, установленный с возможностью перемещения из одного крайнего положения в противоположное, два постоянных магнита, установленных на средней части магнитопровода симметрично, по обеим сторонам от якоря и ориентированных одноименными полюсами в сторону якоря, катушки включения и отключения, установленные соосно с якорем, и две магнитные защелки, выполненные с возможностью удержания якоря в обоих его крайних положениях силой притяжения к магнитопроводу в результате действия постоянных магнитов, причем одна магнитная защелка выполнена в виде двух симметричных магнитных цепей включения и удерживает якорь во включенном положении, а другая - в виде двух симметричных магнитных цепей отключения и удерживает якорь в отключенном положении, согласно изобретению, он имеет одну или больше гальванически не связанных между собой катушки отключения, а также в каждой магнитной цепи отключения, кроме торцевого рабочего зазора, между торцом якоря и магнитопроводом имеется дополнительный боковой рабочий зазор между боковой поверхностью якоря и магнитопроводом, причем во включенном положении электромагнитного привода магнитная проводимость бокового рабочего зазора в несколько раз превышает магнитную проводимость указанного торцевого рабочего зазора.
2
2
2
Указанные технические признаки предложенного электромагнитного привода вакуумного выключателя принадлежат к существенным потому, что их совокупность обеспечивает положительный технический результат, то есть они находятся в причинно-следственной связи с этим результатом. Так, наличие в магнитной цепи отключения электромагнитного привода, кроме торцевого рабочего зазора, дополнительно бокового рабочего зазора (у аналога нет бокового рабочего зазора) приводит к увеличению суммарной магнитной проводимости этих рабочих зазоров, поскольку они образуют параллельно соединенные ветви в магнитной цепи отключения. В силу того, что во включенном положении электромагнитного привода магнитная проводимость бокового рабочего зазора в n раз больше магнитной проводимости торцевого рабочего зазора, суммарная магнитная проводимость магнитной цепи отключения увеличилась приблизительно в n+1 раз по сравнению с аналогом, у которого нет боковых рабочих зазоров. А это в свою очередь позволяет уменьшить в n+1 раз магнитодвижущую силу (далее по тексту М.Д.С.) катушки отключения (в сравнении с аналогом) для обеспечения такого же, как у аналога, ослабления магнитного потока и силы магнитной защелки, которая удерживает электромагнитный привод во включенном состоянии. Как известно, уменьшение М.Д.С. катушки в n+1 раз позволяет уменьшить в n+1 раз площадь сечения провода, которым намотана эта катушка, а следовательно, увеличить в n+1 раз количество витков при сохранении площади сечения катушки. То есть активное сопротивление катушки отключения может быть увеличено в (n+1) раз. Так как катушки электромагнита с магнитными защелками рассчитаны только на постоянный ток, то в результате увеличения сопротивления катушки в (n+1) раз имеем уменьшение тока потребления и мощности катушки отключения также в (n+1) раз. Так в электромагнитном приводе, встроенном в однополюсный выключатель, при n=4 мощность катушки отключения была уменьшена в 25 раз сравнительно с аналогом и составляла 0,22 кВт.
Другой существенный технический признак заключается в том, что предложенный электромагнитный привод вакуумного выключателя может содержать несколько гальванически не связанных между собой катушек отключения. Это дает возможность осуществить отключение электромагнитного привода независимо какой-либо из этих катушек. Гальваническая развязка этих катушек позволяет использовать разные источники питания этих катушек, в том числе и трансформаторы тока. Небольшая мощность (меньше 0,33 кВт) потребления катушек отключения позволяет осуществлять их питание непосредственно (без конденсатора) от маломощных оперативных цепей питания существующих распределительных устройств.
Все это существенно повышает надежность электромагнитного привода вакуумного выключателя, упрощает его электросхему, повышает безопасность обслуживания (не используются конденсаторы большой емкости как источник опасного напряжения).
Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примеров его выполнения и чертежей, на которых:
на фиг.1 изображен электромагнитный привод во включенном положении;
на фиг.2 - схема циркуляции магнитных потоков при включении электромагнитного привода;
на фиг.3 - схема циркуляции магнитных потоков при отключении электромагнитного привода.
Электромагнитный привод (фиг.1) состоит из магнитопровода 1, двух постоянных магнитов 2, якоря 3, направляющих 4 и 5, катушек отключения 6, катушки включения 7 и вставки 8. Якорь 3 имеет возможность двигаться в осевом направлении в направляющих 4 и 5 до упора в магнитопровод 1 правым торцом (как показано на фиг.1), или левым торцом. Конструкция электромагнитного привода образует две симметричные магнитные цепи включения и две симметричные магнитные цепи отключения, контуры которых показаны на фиг.1 жирными линиями. Контуры магнитных цепей включения пронизывают катушку включения, а контуры магнитных цепей отключения пронизывают все катушки отключения. При обесточенных катушках включения и отключения в этих магнитных цепях источниками М.Д.С являются только постоянные магниты.
В магнитных цепях включения электромагнитный привод имеет торцевой рабочий зазор между торцом якоря (на фиг.1 правый торец якоря) и магнитопроводом.
В магнитных цепях отключения электромагнитный привод имеет торцевой рабочий зазор между другим торцом якоря (на фиг.1 левый торец якоря) и магнитопроводом, а также дополнительно боковые рабочие зазоры между боковыми поверхностями якоря и магнитопроводом. Во включенном положении электромагнитного привода, показанном на фиг.1, магнитная проводимость боковых рабочих зазоров в несколько раз больше магнитной проводимости торцевого рабочего зазора, что обеспечивается меньшей (в несколько раз) длиной бокового рабочего зазора от торцевого рабочего зазора при соответствующих площадях сечения этих зазоров.
При обесточенных катушках включения и отключения в магнитных цепях отключения циркулируют магнитные потоки Ф1 (фиг.1), а в магнитных цепях включения - магнитные потоки Ф2. Эти потоки являются результатом действия постоянных магнитов.
Включение электромагнитного привода происходит так. При подаче в катушку включения постоянного тока в направлении, показанном на фиг.2, в электромагните дополнительно возникают магнитные потоки Ф3 и Ф4, усиливающие действие магнитного потока Ф2, что увеличивает силу тяги якоря вправо. Одновременно магнитный поток Ф3 ослабляет действие магнитного потока Ф1, что уменьшает силу магнитной защелки на левом торце якоря. В результате якорь 3 (фиг.1) перемещается в крайнее правое (включенное) положение до упора в магнитопровод 1. После этого катушка включения обесточивается, но якорь удерживается во включенном положении силой магнитной защелки, действующей на правый торец якоря.
Отключение электромагнитного привода происходит так. При подаче в любую катушку отключения постоянного тока в направлении, показанном на фиг.3, в электромагните дополнительно возникают магнитные потоки Ф5, Ф6 и Ф7. Магнитный поток Ф7 усиливает действие магнитного потока Ф1 и увеличивает силу тяги якоря влево. Одновременно магнитные потоки Ф5 и Ф6, циркулируя через магнитные цепи включения, ослабляют действие магнитного потока Ф2, что уменьшает силу магнитной защелки на правом торце якоря. Величина магнитного потока Ф6, проходящего через боковой рабочий зазор, значительно больше от величины магнитного потока Ф5, проходящего через левый торцевой рабочий зазор, вследствие разных величин магнитной проводимости этих рабочих зазоров. Потому действие магнитного потока Ф6 (а следовательно, наличие бокового рабочего зазора) в процессе отключения выключателя является доминирующим.
После уменьшения силы магнитной защелки якорь электромагнитного привода под действием преобладающих сил пружины отключения выключателя и пружин поджатия вакуумных камер полюсов выключателя, направленных влево, перемещается в крайнее левое (отключенное) положение до упора в магнитопровод. После этого катушка отключения обесточивается, а якорь удерживается в отключенном положении силой магнитной защелки, действующей на его левый торец.
Такой электромагнитный привод разработан в ООО „Высоковольтный союз - Украина". Электромагнитный привод имеет две гальванически не связанных между собой катушки отключения, каждая из которых рассчитана на номинальную мощность 0,22 кВт, что дает возможность осуществлять отключение электромагнитного привода по двум независимым один от другого каналам небольшой мощности непосредственно от существующих распределительных устройств. В приводе не используются предварительно заряженные конденсаторы. Все это позволило повысить надежность и безопасность обслуживания привода, а также значительно упростить электрическую схему вторичных цепей выключателей, в которых используются такие привода.
Источник информации
1. Афанасьев В.В., Якунин Э.Н. «Приводы к выключателям и разъединителям высокого напряжения». Л.: "Энергоатомиздат". Ленинградское отделение. 1982 г.