ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ
ELECTRIC DISCONNECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности, к коммутирующей аппаратуре, и может применяться в цепях постоянного тока, например, в системах электропитания различных электрофизических установок.
Уровень техники
В ряде случаев, в основной своей массе связанных с производственными или научно-исследовательскими целями, требуется коммутация электрических цепей, в которых протекают токи величиной в десятки тысяч ампер. В частности, это могут быть цепи питания электрических обмоток, формирующих сверхсильные магнитные поля.
Обращение с мощными источниками электроэнергии требует высокого быстродействия коммутирующей аппаратуры для минимизации энергии, выделяемой в электрической дуге, и для обеспечения возможности быстрого включения/выключения тока в электрической цепи. Кроме того, к такой коммутирующей аппаратуре предъявляются весьма серьезные требования к переходному сопротивлению контактной группы, надежности, возможности коммутации с перегрузкой по мощности и ресурсу работы.
Из авторского свидетельства SU 1559956 известен сильноточный коммутационный аппарат, обеспечивающий быстрое замыкание электрической цепи, содержащий два неподвижных контакта, подвижный мостиковый контакт и электромагнитный (индукционно-динамический) привод с якорем и катушкой, размещенные в изоляционном корпусе. Якорь привода, который опирается на крышку корпуса, выполнен в виде диска с цилиндрическим выступом со стороны катушки. Якорь по периметру герметично соединен с корпусом аппарата с помощью дополнительно введенной кольцевой мембраны, а корпус выполнен с двумя отверстиями для подачи сжатого газа, расположенными по разные стороны указанной мембраны, и с дроссельным отверстием, расположенным на крышке корпуса.
На якоре привода с другой стороны установлен указанный подвижный контакт, выполненный в виде кольца, а неподвижные контакты выполнены в виде коаксиальных колец, установленных соосно с указанным подвижным контактом. На неподвижных контактах коаксиально друг другу дополнительно установлены взаимодействующие с якорем контактные элементы. Контактная группа якоря выполнена в виде упругих ламелей, опирающихся на дополнительно введенные кольцевые демпферы.
Замыкание такого коммутационного аппарата производится под действием электродинамических сил и давления сжатого газа, а размыкание происходит после сброса давления из объема над мембраной. Как только давление в этом объеме станет меньше давления в объеме под мембраной, якорь привода с установленным на нем подвижным контактом поднимается, подвижный контакт отходит от неподвижных контактов и цепь размыкается. Приведение коммутационного аппарата в рабочее состояние производится вводом газа под рабочим давлением в объем над мембраной.
Недостатком раскрытой в SU 1559956 конструкции коммутационного аппарата является то, что она предназначена исключительно для замыкания электрической цепи и не позволяет быстро разъединять неподвижные контакты и создавать разрыв в электрической цепи. Тем не менее, быстрое размыкание контактов разъединителя в электрической цепи необходимо для выполнения как защитных, так и оперативных задач в электрофизических установках.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является снижение времени разъединения электрической цепи сильноточным коммутационным аппаратом.
Указанная задача решается с помощью разъединителя, имеющего два неподвижных контакта, разделенных изолятором, и подвижный контакт, выполненный с возможностью замыкания/размыкания неподвижных контактов. Подвижный контакт прикреплен с помощью мембраны к боковым стенкам, имеющим механическое соединение, по меньшей мере, с одним неподвижным контактом, причем подвижный контакт и мембрана разделяют объем между боковыми стенками разъединителя на нижний объем, в котором находятся неподвижные контакты, и верхний объем.
Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что он содержит электромагнитный клапан, установленный с возможностью быстрого выпускания газа из верхнего объема и включающий в себя корпус клапана, заслонку, выполненную с использованием немагнитного материала с высокой удельной электропроводностью, и катушку индуктора.
Элементы разъединителя преимущественно имеют осевую симметрию и расположены соосно. Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения элементы разъединителя выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов. Разъединитель может содержать глушитель, пропускающий газ из верхней камеры, установленный с целью уменьшения акустического удара, возникающего при вытекании газа.
В предпочтительном варианте выполнения клапан содержит перегородку, прилегающую к верхнему объему и имеющую одно или более отверстий, общая площадь которых не меньше площади выпускного отверстия клапана. Направление перемещения заслонки предпочтительно перпендикулярно плоскости, в которой находится мембрана. Поверх и/или снизу мембраны преимущественно размещены жесткие элементы, ограничивающие перемещение мембраны.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью электрической цепи, в состав которой входит разъединитель по любому из вышеописанных вариантов. В преимущественном варианте цепь содержит коммутатор, установленный последовательно высоковольтному разъединителю.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение времени разъединения коммутируемой цепи сильноточным коммутационным аппаратом и обеспечение высокой электрической прочности разомкнутого участка при малых массогабаритных характеристиках.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан электрический разъединитель в разрезе.
На фиг. 2 показан укрупненный вид контактной группы разъединителя.
Осуществление изобретения
Осуществление настоящего изобретения иллюстрируется с помощью фиг. 1, на которой показан преимущественный вариант выполнения электрического разъединителя. В показанном преимущественном варианте выполнения элементы разъединителя имеют осевую симметрию и расположены соосно. Кроме того, элементы разъединителя предпочтительно выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов. Эти предпочтительные признаки направлены на обеспечение механической прочности, необходимой при обращении с сильными токами, высокими напряжениями и большими давлениями. При этом необходимо учитывать, что настоящее изобретение может быть реализовано и в других конфигурациях. В этой связи настоящее описание не является ограничивающим и дано лишь в целях пояснения изобретения. Объем испрашиваемой охраны определяется формулой изобретения.
На фиг. 1 показан пример электрического разъединителя в разрезе. Разъединитель имеет неподвижные контакты 3 и 4, разделенные нижним диэлектрическим элементом (изолятором) 1, верхний диэлектрический элемент 2 в виде боковой стенки с установленным в нем подвижным контактом, перегородку 20 и корпус клапана, переходящий в глушитель 24.
На неподвижных контактах 3 и 4 установлены съемные контактные элементы 5 и 6, соответственно. Подвижный контакт, крепящийся к верхнему диэлектрическому элементу 2 с помощью мембраны 16, выполнен в виде опорного диска 11 с установленной на его нижней поверхности обоймой 15 (показана на фиг. 2), содержащей контактный кольцеобразный элемент 13.
Соединение разъединителя с внешней электрической цепью осуществляется через неподвижные контакты 3 и 4.
Благодаря подобной конфигурации удается снизить размеры разъединителя при одновременном обеспечении большой площади контактных поверхностей, необходимых при протекании токов большой величины.
Контактный кольцеобразный элемент 13 в варианте, показанном на фиг. 1, изготовлен из отдельных независимых ламелей, установленных в обойме 15, закрепленной на опорном диске 11. На фиг. 2 показано, что внутри обоймы 15 на ламелях подвижного контактного элемента 13 установлены упругие элементы 14, а мембрана 16 закреплена между опорным диском 11 и обоймой 15 с одной стороны и между перегородкой 20 и диэлектрическим элементом 2 с другой стороны.
Неподвижные съемные контактные элементы 5 и 6 снабжены каналами охлаждения 10. С целью снижения контактного сопротивления к контактным поверхностям подвижного 13 и/или неподвижных 5,6 контактных элементов прикреплены пластины 19, выполненные из материала с высокой электропроводностью и низкой твердостью (на фиг. 2 показаны пластины 19, прикрепленные как к подвижному, так и к неподвижным контактным элементам).
Как показано на фиг. 1, опорный диск 11 и мембрана 16 подвижного контакта герметично разделяют внутреннюю полость аппарата на нижний 18 и верхний 17 объемы. Материал мембраны должен обеспечивать возможность перемещения подвижного контакта под воздействием разности давлений.
На фиг. 2 показано, что поверх и снизу мембраны (в некоторых вариантах может быть только поверх или только снизу) размещены жесткие элементы 21 и 22, ограничивающие перемещение мембраны. В преимущественном варианте выполнения это металлические кольца, которые могут быть, например, выполнены с разрезами. Они предназначены для ограничения перемещения мембраны и, тем самым, для защиты мембраны от разрыва, что позволяет сделать мембрану с использованием эластичного материала (например, резины). Кроме того, эти металлические кольца предотвращают перемещение подвижного контакта в направлении, поперечном осевому, благодаря чему подвижный контакт имеет возможность перемещаться только вдоль оси (в данном случае, вверх-вниз), что позволяет отцентровать контактные элементы и добиться снижения сопротивления и увеличения ресурса аппарата.
В перегородке 20 выполнено, по крайней мере, одно отверстие, через которое газ, находящийся между перегородкой 20 и подвижным контактом, может выходить в атмосферу при открытии электродинамического клапана. Клапан обеспечивает герметизацию верхнего объема 17 в закрытом состоянии и быстрый выход газа при открытии. Клапан состоит из катушки индуктора 7, цилиндрической подвижной заслонки 8, которая скользит по направляющей в корпусе клапана, переходящего в глушитель 24, и кольцевой уплотняющей манжеты 23, предотвращающей утечку газа в атмосферу из верхнего объема 17 при опущенной заслонке 8.
Нижний объем 18 заполнен сжатым газом при давлении порядка нескольких атмосфер, верхний объем 17 заполнен сжатым газом при давлении преимущественно в 1,5-2 раза превышающем давление в нижнем объеме 18. При наличии давления в обоих объемах, подвижный контакт за счет разности давлений приводится в нижнее положение и подвижный контактный элемент 13 соединяет между собой неподвижные контактные элементы 5 и 6.
Для того чтобы быстро разомкнуть контактную систему необходимо быстро удалить газ из верхнего объема 17, что достигается с помощью открытия электромагнитного (электродинамического) клапана, путем подачи импульсного тока (до десятков тысяч ампер) в катушку индуктора 7. Когда клапан открывается, газ из верхнего объема выходит наружу со скоростью звука и подвижный контакт поднимается в верхнее положение под действием давления в нижней камере 18.
Быстрое удаление газа из верхнего объема 17 требует достаточно большого проходного сечения отверстия электромагнитного клапана, и сопоставимой с ним суммарной площади отверстий в перегородке 20, то есть суммарная площадь отверстий в перегородке должна превышать эффективную площадь пропускного отверстия, образующегося при открытии клапана. Площадь пропускного отверстия клапана преимущественно составляет не менее 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или 50% от площади перегородки над верхним объемом в зависимости от требуемого времени вытекания газа. На время вытекания газа влияют величина верхнего объема, рабочее давление и эффективные площади отверстий в клапане и перегородке.
Основные преимущества настоящего изобретения обеспечиваются небольшим объемом верхней камеры и применением клапана с электромагнитным приводом, поскольку именно такой привод позволяет быстро открывать отверстия большого сечения.
Электромагнитный привод в предпочтительном варианте осуществления выполняется в виде катушки индуктора 7, которая при протекании по ней импульсного электрического тока наводит в метаемом элементе (расширенной части 9 заслонки 8) вихревые электрические токи, в результате чего заслонка отталкивается от индуктора. Направление перемещения заслонки может лежать в плоскости крышки, быть перпендикулярным ей или расположенным под любым другим углом. В последнем варианте, как показано на фиг. 1, где заслонка 8 может перемещаться в вертикальном направлении, катушка индуктора 7 располагается в горизонтальной плоскости в верхней части перегородки 20, преимущественно под расширенной частью 9 заслонки 8. Благодаря такому расположению повышается протяженность зоны взаимодействия катушки индуктора 7 и заслонки 8 клапана.
Чтобы сила воздействия магнитного поля катушки индуктора 7 на заслонку 8 была максимальной, катушка индуктора установлена максимально близко к метаемому объекту, размещена преимущественно в верхней части перегородки 20 и расположена под нижним краем вышеупомянутой заслонки.
Приведение разъединителя в состояние готовности к срабатыванию в показанном на фиг. 1 варианте осуществляется одновременной подачей газа в нижнюю и верхнюю камеру. Газ, подающийся через отверстие 12 в крышке, заставляет заслонку 8 опуститься вниз и образовать уплотненное соединение с перегородкой 20. Далее газ, протекая через зазор между заслонкой 8 и крышкой 24, заполняет верхний объем 17. В процессе заполнения аппарата газом подвижный контакт, под действием разности давлений, переводится в нижнее положение и перемыкает неподвижные контактные элементы, при этом обеспечивается достаточное контактное давление.
Для ослабления акустического удара от вытекающего со звуковой скоростью сжатого газа, возникающего после срабатывания электромагнитного клапана, в преимущественном варианте разъединитель содержит глушитель 24. Глушитель может иметь различные конструкции, известные из уровня техники. В одном из вариантов глушитель может представлять собой трубу с несколькими кольцеобразными внутренними ребрами 25 и содержать крышку 26 с множеством пропускных отверстий небольшого диаметра.
Электрический разъединитель согласно настоящему изобретению дает возможность размыкать электрические цепи в отсутствии тока, протекающего через аппарат. В преимущественном варианте выполнения цепь, содержащая электрический разъединитель по настоящему изобретению, может содержать коммутатор, например, низковольтный, который устанавливается последовательно разъединителю. Применение такой конфигурации обеспечивает отсутствие тока в разъединителе в момент его размыкания благодаря предварительному срабатыванию коммутатора.