КОРОТКОЗАМЫКАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
SHORT-CIRCUITING DEVICE, CONVERTER AND SHORT-CIRCUITING METHOD

Настоящее изобретение относится к  электрическому короткозамыкающему устройству с одним неподвижным и одним подвижным контактным элементом, причем контактные элементы в исходном положении находятся на расстоянии друг от друга, а в положении короткого замыкания электрически соединены друг с другом; с приводом для перевода подвижного контактного элемента из исходного положения в положение короткого замыкания и с пусковым устройством для приведения в действие привода.
Данное изобретение касается также преобразователя, в частности, многоуровневого преобразователя, который содержит по меньшей мере одно такое электрическое короткозамыкающее устройство.
Далее, данное изобретение касается соответствующего способа короткого замыкания контактных элементов.
В частности, при передаче постоянного тока высокого напряжения в рамках распределения и передачи энергии используются многоуровневые преобразователи, которые состоят из подключенных последовательно силовых модулей. Если один силовой модуль из-за неисправности выходит из строя, то он должен быть как можно быстрее шунтирован, так как в противном случае это может привести к отказу всей установки. Шунтирование силового модуля происходит с помощью короткозамыкающего устройства.
В уровне техники известны короткозамыкающие устройства. В документе DE 1 094 864 B описано короткозамыкающее устройство с несколькими расположенными симметрично или, соответственно, в форме звезды неподвижными контактными элементами и одним подвижным контактным элементом, соединенным с энергоаккумулятором для шунтирования вспышек дугового разряда в электрических установках среднего или высокого напряжения. Для приведения в действие короткозамыкающего устройства предусмотрен удар по стержню, который связан с якорем блокировочного электромагнита, причем этот якорь находится под воздействием оттягивающей пружины. Это короткозамыкающее устройство приводится в действие тогда, когда блокировочный электромагнит обесточивается.
Короткозамыкающее устройство с подобным пусковым устройством описано также в DE 10 2007 018 344 A1. Это пусковое устройство содержит постоянный магнит, магнитномягкое ярмо, которое соединено с этим постоянным магнитом, якорь, соединенный с находящимся в напряженном состоянии подвижным контактным пальцем, и электромагнитную катушку. За счет протекания тока по электромагнитной катушке происходит ослабление силы постоянного магнита, так что может произойти отрыв якоря от магнитномягкого ярма, соответственно, от постоянного магнита.
К таким пусковым устройствам предъявляется рациональное требование, чтобы они не были подвержены возможным воздействиям магнитных полей помех, в результате чего может произойти нежелательное срабатывание.
С учетом максимально быстрого шунтирования используются как правило короткозамыкающие устройства, приводимые в действие пиротехнически, как описано, например, в DE 10 2015 203 645 A1.
В случае короткозамыкающих устройств, приводимых в действие пиротехнически, из-за пиротехнического привода возникает требование, чтобы для их применения учитывались различные для каждого государства правила ввоза, законы о взрывчатых веществах и иные регламентирующие предписания.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить электрическое короткозамыкающее устройство, преобразователь и способ, которые обеспечивают максимально быстрое и безопасное короткое замыкание. В частности, в короткозамыкающем устройстве следует отказаться от пиротехнического привода, и  пусковое устройство короткозамыкающего устройства должно обходиться без постоянного магнита.
Решение этой задачи обеспечивается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению, предусмотрено электрическое короткозамыкающее устройство с одним неподвижным и одним подвижным контактными элементами, причем эти контактные элементы в исходном положении находятся на расстоянии друг от друга, а в положении короткого замыкания электрически соединены друг с другом; с приводом для перевода подвижного контактного элемента из исходного положения в положение короткого замыкания и с пусковым устройством для приведения в действие привода. Предусмотрено, что пусковое устройство для приведения в действие содержит исполнительный механизм с электроприводом.
Таким образом, в предлагаемом изобретением электрическом короткозамыкающем устройстве предусмотрено, что исполнительный механизм пускового устройства имеет электропривод. Это означает, что для создания механического движения исполнительного механизма применяется электрический привод. Такой исполнительный механизм имеет очень короткое время срабатывания. Поскольку в пусковом блоке не используют никаких постоянных магнитов, то такое короткозамыкающее устройство не подвержено воздействию полей магнитного возмущения, вследствие чего обеспечивается безопасное приведение в действие. С помощью предлагаемого изобретением электрического короткозамыкающего устройства продолжительность замкнутого состояния t может достигать значения t <2 мсек.
Сконструированное таким образом электрическое короткозамыкающее устройство пригодно, в частности, для применения в электрических установках среднего и высокого напряжения, например, в преобразователе.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения данного изобретения предусмотрено, что исполнительный механизм содержит неподвижный статор и линейно подвижный вдоль оси движения ротор, причем статор содержит первую катушку, а ротор для взаимодействия с первой катушкой содержит вторую катушку, причем статор и ротор расположены вдоль оси движения, обе катушки ориентированы параллельно друг другу, и обе катушки по меньшей мере в отношении их взаимодействия являются катушками с воздушным сердечником, активно снабжаемыми током. Для того, чтобы электрическое короткозамыкающее устройство имело короткую продолжительность замкнутого состояния, предпочтительно также, если пусковое устройство является особенно быстродействующим. Для этого особенно хорошо подходит описанный исполнительный механизм. Обе катушки снабжаются током таким образом, что они взаимно отталкиваются. Снабжение током создает в катушках соответствующее магнитное поле. Производимая за счет взаимодействия между магнитным полем одной катушки и током в другой катушке сила Лоренца приводит к тому, что катушки отталкиваются друг от друга. Поскольку речь идет о катушках с воздушными сердечниками, то они не имеют магнитномягкого сердечника, и по сравнению с катушками с магнитномягким сердечником обладают относительно небольшой индуктивностью. Сила такого исполнительного механизма действует также, если ток в катушке лишь медленно изменяется и, таким образом, в течение всего времени, когда  катушки снабжаются током. Вследствие отказа от магнитномягкого материала индуктивность исполнительного механизма падает, в результате чего увеличение тока в исполнительном механизме может происходить быстрее. Быстрое увеличение тока ведет к быстрому увеличению силы. Таким образом, такой исполнительный механизм особенно хорошо подходит для того, чтобы обеспечить быстрое приведение в действие короткозамыкающего устройства.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения пусковое устройство содержит блокирующий механизм привода, причем привод может приводиться в действие путем освобождения блокирующего механизма с помощью исполнительного механизма с электроприводом. Применение такого рода пускового устройства обеспечивает особенно быстрый перевод подвижного контактного элемента.
Предпочтительно исполнительный механизм содержит нажимной шток для освобождения блокирующего механизма. Таким образом, нажимной шток при срабатывании освобождает блокирующий механизм (защелкивание/блокировка). При этом нажимной шток переносит силу исполнительного механизма и освобождает блокирующий механизм короткозамыкающего устройства. Предпочтительно нажимной шток направляется в своем движении, так что происходит контролируемое движение нажимного штока. Блокирующий механизм предпочтительно имеет стопорную защелку. Эта стопорная защелка является собственно блокирующим элементом блокирующего механизма. Особенно предпочтительно, если указанный нажимной шток при этом воздействует непосредственно на стопорную защелку блокирующего механизма.
Для предоставления энергии, которая необходима приводу для того, чтобы переводить подвижный контактный элемент из исходного положения в положение короткого замыкания, предусмотрен энергоаккумулятор.
В принципе для этого можно рассматривать любой вид энергоаккумуляторов, как например, химический или электрический энергоаккумулятор.
В частности, предусмотрено, что указанный привод для своего энергопитания содержит механический энергоаккумулятор. Механический энергоаккумулятор, например, пружинная система с по меньшей мере одной пружиной, в частности, тарельчатой пружиной, обладает тем преимуществом, что не используют никаких пиротехнических субстанций, благодаря чему упрощается допуск к эксплуатации, и повышается безопасность. Далее, механические энергоаккумуляторы долговечны и прочны. В противоположность пиротехническим средствам они могут относительно просто снова заряжаться энергией и тем самым повторно использоваться.
Указанная пружинная система предварительно натягивается блокирующим механизмом. Для приведения в действие может быть, например, предусмотрено, что уже относительно небольшое давление на блокирующий элемент блокирующего механизма, например, на уже упомянутую стопорную защелку ведет к тому, что указанный блокирующий механизм освобождается, и пружинная система отпускается. Таким образом обеспечивается быстрое и безопасное замыкание короткозамыкающего устройства.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, указанное короткозамыкающее устройство содержит электроизолирующую оболочку, которая окружает неподвижный и подвижный контактные элементы. В случае короткого замыкания или возникающей между контактными элементами электрической дуги за счет изолирующего корпуса может быть сильно повышена безопасность. Так, за счет изолирующего корпуса может предотвращаться, например, распространение электрической дуги.
Предпочтительно подвижный контактный элемент конусообразно сужается в направлении неподвижного контактного элемента и при достижении положения короткого замыкания входит в комплементарный по форме участок неподвижного контактного элемента. Благодаря этому имеет место надежное электрическое короткое замыкание.
С учетом повторного применения после произведенного короткого замыкания короткозамыкающее устройство предпочтительно содержит возвратный стержень (Rückzugstab – оттяжной стержень), чтобы переводить подвижный контактный элемент из положения короткого замыкания в исходное положение и (снова) снабжать энергией энергоаккумулятор. Путем вытягивания возвратного стержня подвижный контактный элемент может быть переведен в его исходное положение. Одновременно энергоаккумулятор снова заряжается энергией. В случае применения пружинной системы в качестве поставщика энергии указанная по меньшей мере одна пружина путем вытягивания возвратного стержня выводится из ее положения покоя и приводится, например, в ее предварительно натянутое положение.
В предлагаемом изобретением преобразователе  предусмотрено, что преобразователь имеет по меньшей мере одно вышеназванное короткозамыкающее устройство. В частности, в случае преобразователя речь идет о многоуровневом преобразователе. В отношении преимуществ такого преобразователя следует сослаться на описанное выше короткозамыкающее устройство.
В предлагаемом изобретением способе короткого замыкания неподвижного контактного элемента с подвижным контактным элементом, в котором приводимый в действие с помощью пускового устройства привод переводит подвижный контактный элемент из исходного положения, в котором контактные элементы находятся на расстоянии друг от друга, в положение короткого замыкания, при котором эти контактные элементы электрически соединены друг с другом, предусмотрено, что приведение в действие короткозамыкающего устройства осуществляется с помощью исполнительного механизма с электроприводом пускового устройства.
Указанный способ как правило предусматривает прохождение тока в исполнительном механизме с электроприводом, чтобы запустить короткозамыкающее устройство. Такое прохождение тока по исполнительному механизму ведет к тому, что подвижная часть исполнительного механизма совершает движение, которое приводит в действие привод. Благодаря этому подвижный контактный элемент переводится из исходного положения в положение короткого замыкания. Указанный исполнительный механизм с электроприводом является особенно быстродействующим и мало подвержен магнитным полям помех. Короткозамыкающее устройство этим способом может особенно быстро и надежно запущено.
Все описанные в связи с короткозамыкающим устройством варианты выполнения соответственно должны пониматься и в связи со способом короткого замыкания контактных элементов.
В дальнейшем примеры осуществления данного изобретения схематично показаны на чертежах и описываются ниже более подробно. При этом на чертежах показано следующее.
Фиг. 1 - схематичное изображение электрического короткозамыкающего устройства согласно одному предпочтительному варианту выполнения данного изобретения,
Фиг. 2 - вид в разрезе электрического короткозамыкающего устройства согласно одному конкретному предпочтительному варианту выполнения, и
Фиг. 3 - вид в разрезе исполнительного механизма электрического короткозамыкающего устройства согласно конкретному предпочтительному варианту выполнения изобретения.
На Фиг. 1 схематично представлено изображение электрического короткозамыкающего устройства 10 согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения. Короткозамыкающее устройство 10 представляет собой закорачивающий переключатель, имеющий один неподвижный контактный элемент 12 и один подвижный контактный элемент 14. В исходном положении (представленное слева положение I) оба контактных элемента 12, 14 находятся на расстоянии друг от друга. Далее, короткозамыкающее устройство 10 имеет привод 16 для перевода, точнее говоря, для перемещения подвижного контактного элемента 14 из его исходного положения в положение короткого замыкания (представленное справа положение II), в котором подвижный контактный элемент 14 электрически соединен с неподвижным контактным элементом 12. Для того, чтобы запустить привод 16, короткозамыкающее устройство 10 имеет электрически приводимое в действие пусковое устройство 18. Пусковое устройство 18 в свою очередь содержит блокирующий механизм 20 со стопорной защелкой 22 и исполнительный механизм 24 с электроприводом.
При замыкании электрического короткозамыкающего устройства 10 протекают следующие процессы: исполнительный механизм 24 с электроприводом приводит в действие стопорную защелку 22 блокирующего механизма 20, что приводит в действие привод 16. Привод 16 переводит подвижный контактный элемент 14 из его исходного положения (положение I) в положение короткого замыкания (положение II), в котором подвижный контактный элемент 14 электрически соединен с неподвижным контактным элементом 12.
На Фиг. 2 показан вид в разрезе электрического короткозамыкающего устройства 10 согласно одному конкретному варианту выполнения. При этом, в частности, можно видеть, что привод 16 для своего энергопитания имеет механический энергоаккумулятор 26, который в показанном примере выполнен как пружинная система 28, точнее говоря, как пакет тарельчатых пружин. Соответствующие тарельчатые пружины установлены друг над другом разнонаправленно. Образованный таким образом пакет можно назвать также последовательной схемой из тарельчатых пружин. Подвижный контактный элемент 14 находится в исходном положении (положение I на Фиг. 1), что означает, что тарельчатые пружины находятся в предварительно натянутом положении. Подвижный контактный элемент 14 соединен с возвратным стержнем 30. Возвратный стержень 30 проходит по центру через пружинную систему 28 и взаимодействует с блокирующим механизмом 20. Предварительное натяжение пружинной системы 28 через возвратный стержень 30 привязано к блокирующему механизму 20, который предварительное натяжение удерживает в исходном положении. Возвратный стержень 30 для этого соединен с промежуточным элементом 32, который опирается на одной стороне пружинной системы 28 и удерживает ее в предварительно натянутом положении, т.е. сжатой. После того, как короткозамыкающее устройство 10 запущено, подвижный контактный элемент 14 находится в положении короткого замыкания (которое соответствует положению II на Фиг. 1), а пружинная система 28 больше не находится в предварительно натянутом положении или в предварительно менее натянутом положении (не показано). Путем вытягивания возвратного стержня 30 можно снова перевести подвижный контактный элемент 14 из положения короткого замыкания в (показанное на Фиг. 2) исходное положение и привести пружинную систему 28 в предварительно натянутое положение.
Исполнительный механизм 24 с электроприводом имеет нажимной шток 34, который при приведении в действие короткозамыкающего устройства 10 действует на блокирующий механизм 20. Нажимной шток 34 действует при этом на стопорную защелку 22 блокирующего механизма 20. В предварительно натянутом положении пружинной системы 28 стопорная защелка 22 препятствует тому, что пружинная система 28 выйдет из своего предварительно натянутого положения. Только за счет давления нажимного штока 34 на стопорную защелку 22 блокирующий механизм 20 освобождается и ослабляет пружинную систему 28. Исполнительный механизм 24, блокирующий механизм 20, возвратный стержень 30, пружинная система 28, а также подвижный контактный элемент 14 и неподвижный контактный элемент 12 находятся все на одной оси, а именно на оси 36 движения нажимного штока 34 исполнительного механизма 24, которая впрочем совпадает с осью движения подвижного контактного элемента 14 и возвратного стержня 30.
Пружинная система 28 окружена корпусом 38, в который интегрировано также пусковое устройство 18.
На верхнем конце корпуса 38 находится контактирующий элемент 40, который с помощью винтов 42 закреплен на корпусе 38. Этот контактирующий элемент 40 по центру имеет отверстие, в котором находится подвижный контактный элемент 14. В своем исходном положении подвижный контактный элемент 14 с геометрическим замыканием закрывается контактирующим элементом 40. Подвижный контактный элемент 14 конусообразно сужается в направлении неподвижного контактного элемента 12, так что он при достижении положения короткого замыкания может вдвигаться в комплементарный по форме участок неподвижного контактного элемента 12. Далее, подвижный контактный элемент 12 имеет продолжение 44 контактного элемента, которое проходит примерно вплоть до промежуточного элемента 32 возвратного стержня 30. В положении короткого замыкания это продолжение 44 контактного элемента электрически соединяет подвижный контактный элемент 14 с контактирующим элементом 40. Неподвижный контактный элемент 12 с помощью резьбового устройства 46 закреплен на замыкающей части 48. Эта замыкающая часть 48 образует верхний конец короткозамыкающего устройства 10. Посредством замыкающей части 48 неподвижный контактный элемент 12 соединен с электроизолирующей оболочкой 50. Оболочка 50 образует боковое завершение короткозамыкающего устройства 10. Неподвижный контактный элемент 12, подвижный контактный элемент 14, а также пусковое устройство 18 и привод 16 все заключены в электроизолирующую оболочку 50. Корпус 38 в области пускового устройства с геометрическим замыканием окружается оболочкой 50. На нижнем конце корпус 38 выступает за оболочку 50 и проходит радиально наружу. На этом удлинении корпуса 38 винтами 42 закреплен кольцевой элемент 52, который охватывает оболочку 50 снаружи. В нижнюю область корпуса 38 интегрировано дно 54 корпуса, на котором закреплен исполнительный механизм 24. Хотя отдельные конструктивные элементы исполнительного механизма 24 можно видеть уже на Фиг. 2, они будут обсуждены лишь при описании Фиг. 3.
На Фиг. 3 показан вид в разрезе исполнительного механизма 24, являющегося частью пускового устройства 18. Этот исполнительный механизм 24 имеет статор 56 и ротор 58. Ротор 58 соединен с нажимным штоком 34, который проходит через упорный элемент 60. Этот упорный элемент 60 посредством соединительных элементов 62 соединен со статором 56. Статор 56 состоит из основного тела 64 статора для размещения первой катушки 68. Ротор 58 тоже состоит из основного тела 70 ротора и второй катушки 72. Основное тело 70 ротора имеет две области 74, 76. Первая область 74 служит для размещения второй катушки 72, а вторая область 76 служит для усиления первой области 74. Катушки 68, 72 выполнены как плоские катушки, причем каждые два пакета катушек расположены друг над другом. На противолежащей нажимному штоку 34 стороне ротора 58 последний имеет продолжение 78 ротора, которым он входит в выемку статора 56. Посредством нажимного штока 34, а также посредством продолжения 78 ротора ротор 58 направляется в своем движении.
При срабатывании короткозамыкающего устройства 10 реализуется следующая функция.
Обе катушки 68, 72 по меньшей мере в плане их взаимодействия друг с другом можно рассматривать как катушки с воздушными сердечниками. Действие исполнительного механизма 24 поэтому базируется только на силе Лоренца, которая создается совместно за счет взаимодействия между магнитным полем одной катушки 68, 72 и током в другой катушке 68, 72 и наоборот.
Для перемещения нажимного штока 34 по катушкам 68, 72 одновременно активно протекает ток таким образом, что они взаимно отталкиваются. Поскольку статор 56 с первой катушкой 68 неподвижен относительно исполнительного механизма 24, то ротор 58 с второй катушкой 72 перемещается вдоль оси 36 движения в направлении упорного элемента 60 (на Фиг. 3 вверх). С ротором 58 в этом направлении перемещается также нажимной шток 34, служащий исполнительным элементом.