HIGH-VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Изобретение относится к высоковольтным вакуумным выключателям, предназначенным для коммутации электрических и радиотехнических цепей. Данный вакуумный выключатель может найти применение в мощной стационарной, передвижной и бортовой электро- и радиотехнической аппаратуре для подключения источников питания и нагрузок, переключения антенных цепей, отводов катушки высокочастотного контура, конденсаторов высоковольтных высокочастотных цепей в антенно-согласующих устройствах и т.д.
Известен вакуумный выключатель, содержащий расположенные в вакуумированной камере неподвижные контакты, укрепленные на вводах, и средний подвижный контакт, выполненный в виде L-образной контактной пластины, механически жестко связанной с помощью изолятора с якорем электромагнита [1].
Однако в этом устройстве L-образная контактная пластина не обеспечивает надежной работы при воздействии вибрационных и ударных нагрузок как при замкнутом, так и при разомкнутом положении контактов, если ускорение механических нагрузок направлено перпендикулярно продольной оси выключателя и плоскости контактирования.
Известна конструкция вакуумного выключателя, в которой электромагнитная система управления выполнена клапанного типа с двумя якорями и сердечником одного полюса, причем якоря, с закрепленными на них подвижными контактами, расположены с одинаковым рабочим промежутком относительно полюса сердечника по обе стороны от неподвижных контактов и выполнены в форме полукруглых пластин с радиусом, равным внешнему радиусу корпуса электромагнита, причем оси вращения якорей параллельны плоскостям контактирования [2].
Недостаток этого выключателя состоит в том, что из-за всего имеющегося отклонения плоскостей неподвижных контактов и подвижного контакта от общей прилегающей плоскости, а также отклонения от параллельности осей вращения якоря и плоскости контактирования в нем имеет место разность в величинах межконтактного зазора между каждой частью L-образной контактной пластины и соответствующими им неподвижными выводами-контактами. Это ведет к тому, что при подаче напряжения питания на обмотку электромагнита часть L-образной контактной пластины с меньшим зазором замыкается на соответствующий ей вывод-контакт, в то время как между второй частью L-образной контактной пластины и соответствующим ей выводом в ряде случаев остается некомпенсированный прогибом первой части L-образной контактной пластины зазор.
Следствием этого является нестабильное замыкание цепи между неподвижными выводами-контактами подвижной L-образной контактной пластиной при подаче напряжения питания на обмотку управления. Вероятность нестабильного замыкания цепи еще более увеличивается при повышенной температуре окружающей среды, когда мощность обмотки управления значительно снижается из-за увеличения ее сопротивления и она оказывается недостаточной для замыкания цепи обоими частями L-образной контактной пластины даже в тех образцах выключателей, которые при нормальной температуре окружающей среды имели стабильное замыкание цепи. В конечном итоге это ведет к снижению надежности работы и процента выхода годных выключателей.
Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция высоковольтного вакуумного выключателя, в которой подвижные L-образные контактные пластины выполнены связанными между собой плоской токопроводящей пластиной, имеющей в средней части прогиб колоколообразной, Ω-образной или полусинусоидальной формы [3]. Выполнение расположенных по обе стороны от неподвижных выводов-контактов, подвижных L-образных контактов связанными между собой токопроводящей пластиной позволяет снизить вероятность незамыкания цепи при подаче напряжения питания на обмотку управления, так как в этом случае при незамыкании частей L-образных контактных пластин, расположенных друг относительно друга по диагонали, замыкание цепи будет обеспечено через контактирующие части (по второй диагонали) и соединяющую их токопроводящую пластину.
Однако консольное закрепление подвижных упругих контактов через изоляторы на якорях электромагнита не позволяет повысить собственную частоту механического резонанса всей подвижной системы элементов выключателя (якорь - изолятор - L-образный контакт), особенно при разомкнутом положении подвижных контактов, когда нет опоры на неподвижные выводы-контакты. При разомкнутом положении контактов, из-за низкой собственной частоты механического резонанса, происходят пробои межконтактного зазора или даже самопроизвольные замыкания цепи контактов. При замкнутом положении контактов, из-за низкой собственной частоты механического резонанса, происходят самопроизвольные размыкания цепи контактов. В итоге это ведет к ненадежной работе выключателя при воздействии вибрационных и ударных механических нагрузок как при разомкнутых, так и при замкнутых контактах.
Кроме того, этот вакуумный выключатель, как и ранее рассмотренные, не обеспечивает существенного повышения пропускаемого тока высокой частоты, поскольку тонкий подвижный контакт имеет значительную длину. Поэтому он имеет большое сопротивление току на высокой частоте при его малом сечении для отвода тепла на высоковольтные выводы-контакты.
Таким образом, в рассмотренных выше конструкциях высоковольтных вакуумных выключателей проблема существенного повышения устойчивости к воздействию механических нагрузок при одновременном повышении пропускаемого тока высокой частоты без увеличения массы и габаритов не нашла эффективного решения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от известных в предлагаемом высоковольтном вакуумном выключателе закрепленные через изолятор на якорях электромагнита подвижные контакты выполнены жесткими, а контакты, укрепленные на высоковольтных выводах, выполнены упругими в виде тонких пластин. Причем параллельно упругим контактам в виде тонких пластин на высоковольтных выводах установлены жесткие пластины со стороны относительно подвижных жестких контактов. Кроме того, подвижные жесткие контакты выполнены составными, а именно контактирующая поверхность (первая часть) у них выполнена из немагнитного материала с малой склонностью к диффузионному свариванию в высоком вакууме, например из молибдена или вольфрама, а вторая часть у них выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди, и установлена вовнутрь тела первой части подвижных контактов более чем половины его толщины.
Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о том, что заявляемый вакуумный выключатель отличается от известных тем, что у него закрепленные через изолятор на якорях электромагнита подвижные контакты выполнены жесткими, а контакты, укрепленные на высоковольтных выводах, выполнены упругими из тонких пластин. Причем параллельно упругим контактам в виде тонких пласти на высоковольтных выводах установлены жесткие пластины со стороны относительно подвижных жестких контактов. Кроме того, подвижные жесткие контакты выполнены составными, а именно контактирующая поверхность (первая часть) у них изготовлена из немагнитного материала с малой склонностью к диффузионному свариванию в высоком вакууме, например из молибдена или вольфрама, а вторая часть у них выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди, и установлена вовнутрь тела первой части подвижных контактов более чем половины их толщины.
Реализация в предлагаемом высоковольтном вакуумном выключателе указанных выше технических решений устраняет существенные недостатки, присущие известным конструкциям вакуумных выключателей [1-3], без увеличения при этом его массы и габаритов.
Выполнение закрепленных на изоляторах подвижных контактов жесткими, а неподвижных контактов упругими, за счет исключения консольного закрепления на якорях электромагнита упругих контактных пластин, повышает собственную частоту механического резонанса вакуумного выключателя и тем самым повышает надежность его работы при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. Установление параллельно упругим пластинам на неподвижных контактах (выводах) жестких пластин со стороны подвижных контактов исключает самопроизвольное замыкание или замыкание цепи контактов выключателя в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок. Кроме того, наличие жестких пластин на неподвижных контактах одновременно исключает уменьшение зазора между жесткими подвижными контактами и упругими неподвижными контактами, так как наличие жестких пластин предотвращает изгиб упругих контактов под воздействием электростатических сил при работе вакуумного выключателя с разомкнутыми контактами под высоким напряжением. В результате уменьшается вероятность возникновения пробоев между контактами при работе вакуумного выключателя под высоким напряжением в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок.
Выполнение жестких подвижных контактов составными обеспечивает следующие преимущества. Во-первых, выполнение контактирующей части у жестких подвижных контактов из немагнитного материала с малой склонностью к диффузионному свариванию в высоком вакууме, например из молибдена или вольфрама, снижает вероятность появления сваривания подвижных и неподвижных контактов при работе вакуумного выключателя с замкнутыми контактами в условиях воздействия внешних механических нагрузок, т.е. когда имеется вероятность увеличения сопротивления замкнутых контактов и повышения из-за этого нагрева контактирующей точки контактов. Во-вторых, расположение второй части жестких подвижных контактов в глубине толщины первой части более чем половины ее толщины, выполнение второй части жестких подвижных контактов из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди, и установление вовнутрь тела первой части подвижных контактов обеспечивает эффективный отвод тепла от наиболее нагретой контактирующей поверхности первой части жесткого подвижного контакта, что позволяет увеличить пропускаемый ток высокой частоты через вакуумный выключатель без его массы и габаритов.
Таким образом, совокупность отмеченных выше признаков позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении собственной резонансной частоты, снижении сваривания контактов при воздействии внешних вибрационных и ударных нагрузок, улучшении теплопередачи между жесткими подвижными контактами, упругими неподвижными контактами и высоковольтными выводами и снижении нагрева контактирующей поверхности контактов. В результате повышается стабильность характеристик выключателя при воздействии вибрационных и ударных нагрузок эксплуатации, а также повышаются ток высокой частоты при работе вакуумного выключателя с замкнутыми контактами и надежность его работы без увеличения его массы и габаритов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого высоковольтного вакуумного выключателя при разомкнутом положении контактов; а на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1. Возможность осуществления изобретения подтверждается представлением конструкции вакуумного выключателя во взаимосвязи входящих в него элементов. Вакуумный выключатель состоит из следующих узлов: вакуумплотной металлокерамической оболочки с упругими тонкими неподвижными контактами и параллельно расположенных с ними жестких пластин на высоковольтных выводах, узла электромагнитной системы управления с подвижными контактами и катушки электромагнита.
Металлокерамическая оболочка включает в себя вакуумплотный керамический корпус цилиндрической формы 1, в боковую поверхность которого диаметрально противоположно и на одном уровне вакуумплотно впаяны медные высоковольтные выводы 4 в виде цилиндрических стержней. Для исключения разрушения керамики в месте пайки, из-за разности коэффициентов термического линейного расширения керамики и меди, выводы 4 более чем наполовину выполнены полыми. Пайку выводов 4 к металлизированным поверхностям керамического корпуса 1 производят по боковым поверхностям с помощью твердого медно-серебряного припоя, поскольку конструкция охватывающих спаев обеспечивает получение надежных вакуум-плотных швов с высокой механической прочностью. Входящие внутрь металлокерамической оболочки концы выводов 4 с двух сторон имеют плоские поверхности, на которых электрически и механически прочно с помощью заклепок 5 закреплены упругие тонкие неподвижные контакты 6, например, из молибдена, и ограничительные жесткие пластины 7, служащие для предотвращения уменьшения зазора между жесткими подвижными контактами 15 и неподвижными упругими контактами 6 при вибрации в момент воздействия от механических нагрузок и от сил воздействия электростатических сил при приложении к разомкнутым контактам высокого напряжения. К верхнему торцу керамического корпуса 1 вакуумплотно с помощью твердого медно-серебряного припоя по торцу припаяно переходное кольцо 3 из меди или медно-никелевого сплава, которое сварено вакуумплотно с заглушкой 22 из меди или медно-никелевого сплава. По центру заглушки 22 вакуумплотно с помощью твердого медно-серебряного припоя припаяна трубка штенгеля 21 из меди. К нижнему торцу керамического корпуса 1 вакуумплотно с помощью твердого медно-серебряного припоя припаяно по торцу переходное кольцо 2 из меди или медно-никелевого сплава.
Узел электромагнитной системы управления включает диамагнитное основание 8, которое сварено вакуумплотно с переходным кольцом 2 металлокерамической оболочки. По центру основания 8 вакуум плотно с помощью твердого медно-серебряного припоя припаян сердечник 9 из магнитомягкого металла или сплава. Корпус электромагнита состоит из кольца 10 из магнитомягкого материала, которое по торцу припаяно механически прочно и концентрично на основании 11. Кольцо 10 является частью корпуса электромагнита, расположенной в вакуумной металлокерамической оболочке. Второй частью корпуса электромагнита, расположенной вне вакуумной металлокерамической оболочки, является корпус 11 из магнитомягкого материала, который механически прочно припаян к основанию 8 и соосно с кольцом 10. Основание 8 является разделителем сред вакуум-атмосфера, поскольку детали корпуса электромагнита кольцо 10 и корпус 11 из магнитомягкого материала проницаемы по водороду из атмосферы. В корпусе 10 закреплены оси 12, на которых вращаются два якоря 13 полукруглой формы из магнитомягкого материала. На якорях 13 механически прочно соединены изоляторы 14 из керамики, на верху которых механически прочно припаяны два жестких подвижных контакта 15 дисковой или другой формы, которые выполнены составными из двух частей: контактирующая часть 15а выполнена из немагнитного материала с малой склонностью к диффузионному свариванию в высоком вакууме, например из молибдена или вольфрама, а часть 15б выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди. Жесткие подвижные контакты 15 (15а, 15б) электрически соединены между собой токопроводящей пластиной 16, имеющей прогиб в средней части. Для обеспечения требуемого зазора между жесткими подвижными контактами 15 и неподвижными упругими контактами 6 на торце кольца 10 диаметрально противоположно выполнены уступы, на которые при разомкнутом положении контактов опираются якоря 13. Для опоры якорей 13 на уступы в кольце 10 под якоря 13 установлена пружина 17 из термостойкого упругого немагнитного металла.
В корпусе 11 размещена катушка управления электромагнита, включающая в себя каркас 18, на котором намотана обмотка управления 19, и изолирующий цилиндр 20. Катушка управления закрепляется на сердечнике 9 с помощью винта 27.
Откачка газов в процессе вакуумно-термической обработки из внутреннего объема вакуумного выключателя производится через штенгель 21. По завершении вакуумно-термической обработки трубка штенгеля 21 вакуумплотно пережимается с обеспечением при этом диффузионной сварки места пережима, а затем на штегель 21 для защиты от механических повреждений устанавливается на клею 25 колпачок 24. Крепление выключателя на рабочем месте в аппаратуре обеспечено с помощью фланца 23, жестко припаяно к основанию 8.
Принцип работы выключателя заключается в следующем. Контактная система выключателя состоит из двух неподвижных упругих тонких контактов и двух жестких подвижных контактов, размещенных с определенным зазором относительно друг друга в вакууме внутри вакуумированной металлокерамической оболочки. Замыкание и размыкание цепи между упругими неподвижными контактами 6 и жесткими подвижными контактами 15 обеспечивается благодаря применению в конструкции электромагнитной системы управления нейтрального типа. При отсутствии напряжения на обмотке управления 19 пружина 17 отжимает якоря 13 от сердечника 9, при этом подвижные жесткие контакты 15 размыкают цепь между неподвижными упругими контактами 6. При подаче напряжения на выводы 26 обмотки управления 19, под действием создаваемого ею магнитного потока, якоря 13 притягиваются к сердечнику 9 и кольцу 10 и сжимают пружину 17. При этом жесткие подвижные контакты 15, жестко связанные с якорями 13 через изоляторы 14, замыкают упругие неподвижные контакты 6 несколько раньше, чем якоря 13 притянутся к сердечнику 9 и кольцу 10, чем и обеспечивается необходимое контактное давление при полностью притянутых якорях 13. При подаче высоковольного напряжения на разомкнутые контакты вакуумного выключателя и (или) при воздействии вибрационных механических нагрузок дополнительные жесткие пластины 7, расположенные на выводах 4, препятствуют изгибу упругих неподвижных контактов 6 в направлении с жесткими подвижными контактами 15. При замкнутом положении контактов вакуумного выключателя ток высокой частоты проходит по пути: первый вывод 4 - упругие тонкие неподвижные контакты 6 и параллельно с ними дополнительные жесткие пластины 7, закрепленные на первом выводе 4, - жесткие неподвижные контакты 15 и параллельно через токопроводящую пластину 16 - и далее через упругие неподвижные контакты 6 и параллельно через дополнительные жесткие пластины 7, закрепленные на втором выводе 4, - и, наконец, через второй вывод 4.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №305517, кл. H01H 33/66, 1965.
2. Авторское свидетельство СССР №693453, кл. H01H 33/66, 1975.
3. Авторское свидетельство СССР №866601, кл. H01H 33/66, 1981.