ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОММУТАЦИОННЫЙ АППАРАТ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
ELECTRIC SWITCHING DEVICE WITH IMPROVED ARCING DEVICE

Настоящее изобретение относится к электрическому коммутационному аппарату согласно ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения. Электрический коммутационный аппарат универсального типа имеет по меньшей мере одну точку коммутации, которой соответствует по меньшей мере одно дугогасительное устройство, содержащее по меньшей мере один гасящий элемент и по меньшей мере один постоянный магнит, воздействующий на дугу, образующуюся в процессе коммутации. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, обеспечивает выдувание дуги в гасительный элемент. Электрический коммутационный аппарат представляет собой, в частности, переключающий контактор постоянного тока однонаправленного действия.
В точке коммутации переключающего контактора образование коммутационной дуги происходит в процессе коммутации, т.е. при размыкании контактов. При этом выделяется большое количество тепловой энергии, что может привести к повреждению коммутационного аппарата. В частности, присутствие и/или влияние коммутационной дуги может вызывать повреждение или разрушение коммутационного аппарата, особенно при коммутации больших токов.
Из уровня техники известно так называемое дугогасительное устройство, которое обеспечивает максимально быстрое гашение дуги. Как правило, для этой цели в непосредственной близости от точки коммутации размещают несколько гасящих элементов. Гасящие элементы обычно имеют тарельчатую форму и расположены на расстоянии друг от друга. Они обеспечивают деление и охлаждение коммутационной дуги с последующим ее гашением. Гасящие элементы могут быть выполнены в виде стальных или керамических пластин. Создаваемое соответствующее магнитное поле обеспечивает вытеснение (выдувание) коммутационной дуги в гасящие элементы. Как правило, для создания магнитного поля используют постоянный магнит. Кроме того, на структуру магнитного поля можно влиять посредством полюсных пластин.
Электрический коммутационный аппарат универсального типа известен, например, из описания к патенту Германии DE 1246851 В. Дугогасительное устройство рассматриваемого электрического коммутационного аппарата содержит большое количество деонизированных пластин, используемых в качестве гасящих пластин. Постоянный магнит обеспечивает выдувание коммутационной дуги в гасящие пластины.
Еще один электрический коммутационный аппарат универсального типа известен из описания к патенту Германии DE 102010031907 В9. Здесь также в качестве дугогасительного магнита использован постоянный магнит. В этом коммутационном аппарате гасящими элементами служат керамические гасящие пластины.
Коммутационные аппараты упомянутого выше типа используют, например, в гелиотехнологии в качестве контакторов постоянного тока. Требования, которым должны соответствовать коммутационные аппараты в этой области, становятся все более и более строгими. В то же самое время постоянно растет потребность в сокращении расходов. Эта потребность способствует использованию переключающих контакторов относительно малых размеров, коммутационная способность которых зачастую не отвечает растущим требованиям. В частности, коммутационная способность используемых переключающих контакторов не достаточна для отключения потенциально возникающих токов короткого замыкания. Это означает, что надежное гашение коммутационной дуги, образующейся в процессе коммутации, не может быть обеспечено.
Таким образом, задача настоящего изобретение состоит в создании электрического коммутационного аппарата универсального типа с усовершенствованным дугогасительным устройством.
Усовершенствование дугогасительного устройства, а следовательно, повышение коммутационной способности электрического коммутационного аппарата, должно быть максимально экономически эффективным и легкоосуществимым. В частности, изобретение должно быть применимым для контакторов постоянного тока относительно малых размеров, используемых в гелиотехнологии. Повышение коммутационной способности должно быть обеспечено без значительного увеличения размеров электрического коммутационного аппарата.
Решение поставленной задачи обеспечивается признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Согласно указанному пункту формулы, решение поставленной задачи для электрического коммутационного аппарата универсального типа будет обеспечено, если гасящий элемент будет образован по меньшей мере одним постоянным магнитом, расположенным и поляризованным таким образом, чтобы он обеспечивал возможность притягивания к себе дуги с последующим ее всасыванием указанными магнитом и гашением посредством него. Оказалось, что постоянный магнит может быть использован в качестве гасящего элемента вместо стальной гасящей пластины или керамической гасящей пластины, т.е. для охлаждения, а следовательно, для гашения коммутационной дуги. Преимущество решения по настоящему изобретению состоит в отсутствии необходимости выдувать коммутационную дугу в область гашения при помощи дополнительного внешнего поля выдувания. Вместо этого, возможность притягивания коммутационной дуги обеспечивается непосредственно самим гасящим элементом и/или гасящими элементами (областью гашения). Благодаря этому процесс гашения коммутационной дуги может быть особенно быстрым и надежным. Решение согласно изобретению может быть реализовано легко и эффективно. Кроме того, его преимущество заключается в том, что коммутационная способность существующих переключающих контакторов может быть значительно повышена с помощью обычных дугогасительных устройств, при том что внешние размеры остаются по существу постоянными. Кроме того, изобретение не исключает возможности использования в дополнение к постоянному магниту, конструктивно выполненному в виде гасящего элемента, обычного дугогасительного магнита, магнитное поле которого усиливает дугогасящий эффект и ориентировано соответствующим образом посредством полюсных пластин.
Предпочтительные варианты реализации изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В наиболее предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения дугогасительное устройство содержит гасительную камеру, имеющую выпускное отверстие, в области которого расположен по меньшей мере один постоянный магнит, используемый в качестве гасящего элемента. Газы и/или плазма, образующиеся при дуговом разряде, выводятся наружу через выпускное отверстие коммутационного аппарата. Этот вариант реализации изобретения способствует особенно надежному гашению дуги. Кроме того, постоянный магнит, используемый в качестве гасящего элемента, предпочтительно расположен снаружи гасительной камеры в области выпускного отверстия.
Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения в дополнение к постоянному магниту, служащему гасящим элементом, использованы гасящие элементы, выполненные в виде гасящих пластин или керамических гасящих элементов. Дополнительные гасящие элементы расположены внутри гасительной камеры между постоянным магнитом и точкой коммутации. Использование этого варианта реализации изобретения обеспечивает еще большее повышение надежности гашения дуги. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить срок службы постоянного магнита, используемого в качестве гасящего элемента.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, постоянный магнит по меньшей мере в той его части, которая подвержена воздействию дугового разряда, заключен в защитную гильзу, выполненную из керамики. Постоянный магнит предпочтительно заключен в защитную гильзу по всей своей длине. Этот вариант реализации изобретения обеспечивает почти полное сохранение эффекта гашения дуги с помощью постоянного магнита даже после многих циклов коммутации. Следовательно, значительно возрастает срок службы. В качестве керамического материала для защитной гильзы предпочтительно используют алюмосиликат магния или, что более предпочтительно, алюминат кальция. Кроме того, керамический материал предпочтительно армирован стекловолокном для увеличения прочности защитной гильзы и ее защиты от механических повреждений. Таким образом, наиболее предпочтительным является использование алюмината кальция, армированного стекловолокном, вместе с кремнийорганической смолой.
Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, дугогасительное устройство имеет по меньшей мере два постоянных магнита, каждый их которых служит гасящим элементом, а их расположение и поляризация обеспечивает притягивание к ним дуги. Еще более предпочтительным является использование в дугогасительном устройстве большого количества постоянных магнитов. Это способствует усилению эффекта дугогашения и повышению коммутационной способности. С этой целью все постоянные магниты, используемые в качестве гасящих элементов, поляризованы в одном и том же направлении. Все постоянные магниты предпочтительно заключены в керамическую защитную гильзу по меньшей мере в их части, подверженной воздействию дуги.
Постоянный(е) магнит(ы) предпочтительно обладают такой силой, что плотность воздействующего на дугу магнитного потока составляет по меньшей мере 20 миллитесла, предпочтительно по меньшей мере 25 миллитесла. При этом, всасывание дуги и ее гашение может быть обеспечено постоянным(и) магнитом(ами) без дополнительных воздействий.
Постоянные магниты предпочтительно расположены на расстоянии друг от друга, также как и обычные гасящие пластины или керамические гасящие элементы. Таким образом, можно достичь особенно быстрого и эффективного гашения дуги. Расстояние между постоянными магнитами предпочтительно превышает один миллиметр и предпочтительно составляет от 1 до 3 мм. Расположение постоянных магнитов на расстоянии друг от друга обеспечивает преимущество, которое заключется в том, что плазма, создаваемая коммутационной дугой, может быть выведена наружу через зазор между постоянными магнитами. Кроме того, постоянные магниты предпочтительно имеют удлиненную форму и размещены таким образом, что их магнитные оси по существу перпендикулярны предполагаемому продольному вытягиванию коммутационных дуг.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, постоянные магниты выполнены из магнитотвердого феррита. Магнитотвердый феррит - это керамический материал, за счет использования которого постоянные магниты, схожие с обычными гасящими элементами, выполненными из керамики, как нельзя лучше подходят для дугогашения. Кроме того, использование постоянных магнитов из магнитотвердого феррита обеспечивает эффективное охлаждение коммутационных дуг.
Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, постоянные магниты выполнены в виде стержневого магнита. Таким образом, с одной стороны достигается хороший дугогасительный эффект, а с другой, стержневые магниты являются стандартными элементами, получаемыми экономичным способом. Значительная эффективность гашения может быть достигнута при использовании постоянных магнитов, имеющих цилиндрическую конструкцию, то есть круглых магнитов. Оси постоянных магнитов, предпочтительно, лежат в общей плоскости, и, кроме того, предпочтительно параллельны друг другу.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, постоянные магниты установлены в электрическом коммутационном аппарате на общей опоре. Это позволяет значительно упростить процесс сборки. Кроме того, общая опора позволяет постоянно поддерживать оптимальное расстояние между отдельными постоянными магнитами. Опора, предпочтительно, может быть закреплена на коммутационном аппарате. За счет этого, процесс сборки становится еще более простым. Кроме того, преимущество заключается в том, что изобретение позволяет особенно легко модернизировать существующие электрические коммутационные аппараты, например контакторы постоянного тока. По этой причине, опора предпочтительно выполнена таким образом, что она может быть закреплена на корпусе или имеющихся узлах электрического коммутационного аппарата. Наиболее подходящими для монтажа являются, например, соединительные болты корпуса коммутационного устройства или аппарата, неизолированные или в цилиндрическом корпусе.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, дугогасительное устройство соответствует участкам гашения по меньшей мере двух расположенных рядом друг с другом полюсов коммутационного аппарата, при этом постоянный магнит или постоянные магниты дугогасительного устройства проходят по ширине, образованной точками коммутации, расположенными рядом друг с другом. Такая конструкция особенно подходит для применения, например, в биполярных контакторах постоянного тока. В контакторах такого типа две точки коммутации обычно расположены рядом друг с другом, так что и две коммутационные дуги также образуются рядом друг с другом. Такой вариант реализации является экономически эффективным и простым в изготовлении, поскольку в этом случае требуется только одно дугогасительное устройство для участков гашения двух и более расположенных рядом полюсов.
Размещение опоры постоянных магнитов по меньшей мере частично между рядом расположенными точками коммутации или полюсами, обеспечивает возможность создания особенно эффективного и малогабаритного устройства.
Кроме того, в настоящем изобретении предложено дугогасительное устройство электрического коммутационного аппарата. Дугогасительное устройство содержит по меньшей мере один гасящий элемент и по меньшей мере один постоянный магнит, воздействующий на дугу, образующуюся в процессе коммутации, при этом создаваемое постоянным магнитом магнитное поле обеспечивает выдувание дуги в гасящий элемент. Согласно изобретению гасящий элемент образован по меньшей мере одним постоянным магнитом, расположенным и поляризованным таким образом, что обеспечено притягивание дуги к постоянному магниту и, таким образом, ее всасывание постоянным магнитом и гашение посредством него.
Кроме того, в настоящем изобретении предложен способ повышения коммутационной способности электрического коммутационного аппарата, содержащего по меньшей мере одну точку коммутации, которой соответствует по меньшей мере одно дугогасительное устройство, имеющее множество гасящих пластин или керамических гасящих элементов для гашения дуги.
Согласно предлагаемому способу, в области выпускного отверстия гасительной камеры дугогасительного устройства электрического коммутационного аппарата устанавливают один или несколько постоянных магнитов, образующих гасящий элемент, располагают и поляризуют указанные магниты с обеспечением притягивания, всасывания и гашения дуги. Гасящие пластины или керамические гасящие элементы могут быть удалены или оставлены в аппарате для обеспечения дополнительной поддержки процесса гашения дуги.
Альтернативно, способ согласно изобретению включает в себя следующие шаги:
- удаление гасящих пластин или керамических гасящих элементов, и
- установку в электрический коммутационный аппарат, вместо гасящих пластин или керамических гасящих элементов, одного или нескольких постоянных магнитов, образующих, в свою очередь, гасящий элемент, расположение и поляризация которого/которых обеспечивают притягивание дуги постоянным магнитом и, таким образом, ее магнитное всасывание постоянным магнитом и гашение посредством него.
Способ согласно изобретению обеспечивает возможность упрощенной модернизации существующих электрических коммутационных аппаратов, в частности контакторов постоянного тока, для повышения их коммутационной способности и, в частности, способности отключать короткие замыкания. Постоянные магниты предпочтительно расположены непосредственно перед отверстиями гасительных камер, из которых удалены обычные гасящие пластины или керамические гасящие элементы.
Для более полного понимания сущности настоящего изобретения ниже приведено подробное описание со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает вид под углом биполярного контактора постоянного тока;
фиг. 2 показывает контактор постоянного тока, изображенный на фиг. 1, конструкция которого в соответствие с настоящим изобретение содержит постоянные магниты;
фиг. 3 показывает вид спереди переключающего контактора, изображенного на фиг. 2, согласно изобретению;
фиг. 4 показывает детальное изображение постоянного магнита с соответствующей опорой, размещенного на переключающем контакторе, показанном на фиг. 1-3;
фиг. 5 показывает схематическое изображение точки коммутации переключающего контактора согласно изобретению (фиг. 1-3) с постоянным магнитом, расположенным согласно изобретению, и
фиг. 6 показывает контактор, изображенный на фиг. 2, с керамическими защитными гильзами постоянных магнитов.
В приведенном ниже описании, одинаковым элементам присвоены одинаковые номера позиций. Если в чертеже указан номер позиции, не включенной в подробное описание чертежей, то ссылка на него дана при описании предшествующего или последующего чертежа.
На фиг. 1 показан обычный переключающий биполярный контактор постоянного тока 1 однонаправленного действия, подготовленный к вводу в эксплуатацию согласно изобретению. Контактор имеет корпус 15, в котором заключены механизм переключения и подвижные контакты. Под приводным механизмом переключения 15 расположен электромагнитный привод 16 контактора. На узкой передней стороне корпуса выполнены два соединительных контакта 11 и 12. Поскольку контактор представляет собой биполярный переключающий контактор, то общее количество соединительных контактов равно четырем. Таким образом, каждый из двух соединительных контактов 11 и 12, выполненных на узкой передней стороне корпуса, может быть, с помощью переключающего контактора, соединен с соответствующим соединительным контактом на противоположной узкой стороне корпуса. Каждый из четырех соединительных контактов подведен к неподвижному контакту внутри корпуса. Кроме того, внутри корпуса расположены два переключающих мостика, приводимых в действие электромагнитным приводом 16 и обеспечивающих соответственно соединение и/или разъединение двух неподвижных контактов между собой. Таким образом, в совокупности образуется четыре точки коммутации, т.е. между одним неподвижным контактом и соединенной с ним соответствующей контактной перемычкой. Каждой точке коммутации соответствует дугогасительная камера. Две из четырех гасительных камер показаны на узкой передней стороне корпуса, т.е. левая гасительная камера 13 и правая гасительная камера 14. Обе показанные гасительные камеры 13 и 14 имеют выходящее наружу отверстие, через которое плазма, образованная коммутационной дугой, выходит из корпуса наружу. На фиг. 1 показаны узкие щелевые отверстия для прохода обычных гасящих пластин, которые были удалены из изображенного переключающего контактора. Кроме того, показаны пластины 6 полюса дугогасительных магнитов, которые расположены внутри корпуса и через которые обеспечивается выдувание коммутационной дуги в гасящие пластины в обычном варианте реализации переключающего контактора.
В показанном переключающем контакторе вместо обычных гасящих пластин использовано дугогасительное устройство согласно изобретению, установленное на корпусе 15 переключающего контактора. На фиг. 2 показан переключающий контактор, изображенный на фиг. 1, с дугогасительным устройством согласно изобретению. Он состоит по существу из четырех цилиндрических постоянных магнитов 3, расположенных прямо перед отверстиями двух гасительных камер 13 и 14. Как показано в частности на фиг. 4, четыре постоянных магнита 3 опираются на общую опору 7, которая может быть установлена на корпусе 15 переключающего контактора 1. Наличие опоры обеспечивает, во-первых, параллельное расположение четырех удлиненных цилиндрических постоянных магнитов, и, во-вторых, их расположение на небольшом расстоянии друг от друга. Оси четырех постоянных магнитов лежат в плоскости, которая параллельна узкой стороне корпуса, расположенной непосредственно рядом. Это параллельное расположение лучше всего иллюстрирует фиг. 3. Кроме того, на фиг. 3 показано, что две точки контакта, расположенные на противоположной узкой стороне корпуса, также оснащены дугогасительным устройством согласно изобретению. Расстояние между внешними поверхностями двух соседних постоянных магнитов составляет примерно 2 мм. Постоянные магниты 3 могут быть, например, приклеены или привинчены к опоре 7.
Дугогасительное устройство согласно изобретению закреплено на корпусе 15 переключающего контактора посредством зажимного соединения. Для этого, как показано на фиг. 4, на двух гибких концах опоры 7 постоянных магнитов 3 выполнены зажимы 9 и 10. Зажимы выполнены таким образом, что при установке опоры на корпус они фиксируются на двух цилиндрических элементах корпуса 8, изображенных на фиг. 1. Верхний конец с зажимом сначала подвешивают на верхний из двух цилиндрических элементов корпуса 8, а затем нижний конец с зажимом 10 прижимают к нижнему цилиндрическому элементу корпуса таким образом, что он немного пружинит назад, а затем фиксируется на этом нижнем цилиндрическом элементе корпуса. Двумя цилиндрическими элементами корпуса 8 служат распорные детали, которые расположены между двумя гасительными камерами 13 и 14, и содержат крепежные болты, используемые для обеспечения единства корпуса в области между двумя гасительными камерами. Установка опоры 7 постоянных магнитов 3 на две распорные детали 8, размещенные между гасительными камерами 13 и 14, обеспечивает возможность ее расположения между отверстиями двух гасительных камер. Постоянные магниты 3, в свою очередь, выступают по бокам из опоры, а следовательно, с одной стороны расположены по всей ширине отверстия левой гасительной камеры 13, а с другой стороны расположены по всей ширине отверстия правой гасительной камеры 14. Таким образом, согласно изобретению, наличие двух точек коммутации требует наличия только одного дугогасительного устройства.
Фиг. 5 схематически показывает функциональные возможности дугогасительного устройства согласно изобретению. На фигуре показаны точка коммутации, состоящая из одного неподвижного контакта 4, расположенного внутри корпуса, и конец контактной перемычки 5, соответствующий этому неподвижному контакту. Конец контактной перемычки служит подвижным противоконтактом, приводимым в действие приводом 16 переключающего контактора согласно изобретению. Чертеж иллюстрирует состояние вскоре после размыкания двух контактов 4 и 5. Магнитное поле дугогасительного магнита (не показан), а также магнитное поле постоянных магнитов 3 согласно изобретению обеспечивают возможность перемещения коммутационной дуги 2, образующейся между контактами в процессе их размыкания, вправо к постоянным магнитам 3. На фиг. 5 показано, что оси постоянных магнитов 3 по существу перпендикулярны предполагаемому продольному вытягиванию коммутационной дуги 2. Следовательно, магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 3, также перпендикулярно продольному вытягиванию коммутационной дуги. Магнитное поле обеспечивает возможность перемещения коммутационной дуги 2 вправо и, в конечном счете, ее соударение с постоянным магнитом 3. После этого происходит вытягивание и гашение дуги. Согласно изобретению постоянные магниты выполнены из магнитотвердого феррита. Магнитотвердый феррит - это керамический материал, за счет использования которого постоянные магниты 3, схожие с обычными гасящими элементами, выполненным из керамики, как нельзя лучше подходят для охлаждения и гашения дуги. Через узкие щелевые отверстия между постоянными магнитами 3, происходит выброс плазмы, образуемой коммутационной дугой 2.
На фиг. 6 показан наиболее предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения. Изображение эквивалентно изображению, показанному на фиг. 2, с той лишь разницей, что каждый постоянный магнит 3 заключен в защитную гильзу 17, выполненную из керамики. Защитные гильзы имеют полую цилиндрическую форму и плотно прилегают к внешней окружности соответствующего постоянного магнита. Они могут быть, например, приклеены к постоянному магниту.
Следует отметить тот факт, что изобретение предназначено не только для модернизации существующих переключающих контакторов, но и может быть, в частности, использовано во вновь разрабатываемых электрических коммутационных аппаратах. Преимущество изобретения состоит в повышении легко осуществимым способом коммутационной способности электрических коммутационных аппаратов, занимающих сравнительно небольшую площадь. Кроме того, возможно использование средств выдувания, имеющих стандартную конструкцию и обеспечивающих перемещение коммутационной дуги в устройство для гашения, однако они не являются необходимыми, поскольку в дугогасительном устройстве согласно изобретению коммутационная дуга может быть притянута самими постоянными магнитами дугогасительного устройства. Постоянные магниты одновременно являются дугогасительными магнитами и гасящими элементами.