БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРИВОД

Быстродействующий привод относится к электротехнике, в частности может быть использован в быстродействующих вакуумных выключателях постоянного тока, синхронных выключателях, короткозамыкателях среднего класса напряжения (3÷35) кВ, и выключателей для сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания.
Известно изобретение по приводу вакуумного выключателя (авторское свидетельство SU 1396168 A1, МПК H01H 33/66, опубликовано 15.05.1988) [1], в котором для переключения вакуумной дуго гасительной камеры (ВДК) применяются импульсные электрические приводы: для включения - индукционно-динамического типа (ИДП), для отключения - две пары свободно установленных катушек с согласным и встречным соединением и образующих вместе с двумя дисками привод отключения смешанного типа - индукционно-динамического и электродинамического (ЭДП) типа. ВДК переключается приводами через приводной шток и изоляционную втулку, с которыми кинематически связаны: пара пружинно-рычажных фиксаторов отключенного положения привода и пара симметричных пружинно-рычажных упоров, фиксирующих привод и контакты ВДК во включенном положении. На катушках ЭДП установлен противовес.
Привод имеет существенные недостатки: при включении ИДП приходится помимо контакта ВДК перемещать все детали ЭДП и противовес; попарные пружинно-рычажные упоры не образуют устойчивую симметричную силовую плоскость; выполнение фиксаторов в виде рычагов с подпружиненными штоками увеличивает поперечные размеры привода, создает большие усилия трения в шарнирах и направляющих; общий недостаток ЭДП - подвижные катушки требуют гибких токоподводов. В целом, такой привод способен обеспечить ресурс не более нескольких сотен коммутаций.
Наиболее близким к предлагаемому решению является изобретение по приводу для коммутационных аппаратов высокого напряжения (авторское свидетельство SU 1277241 A1, МПК H01H 33/42, опубликовано 15.12.1986), [2],который содержит узел включения с индуктивной катушкой и диском, закрепленным на приводном штоке, проходящем сквозь направляющую, узел отключения с катушкой и внутренним конусом на якоре электромагнита, а узел фиксации привода во включенном положении образуют упоры, стянутые упругим элементом и опирающиеся на шарики, а также опорная поверхность на приводном штоке… На конце приводного штока закреплен наружный конус, взаимодействующий с упорами в конце включения для принудительной фиксации привода во включенном положении после отпирания кольцевой поверхности приводного штока на рабочие торцевые поверхности упоров.
Существенные недостатки привода: медленное отключение из-за медленнодействующего электромагнита отключения, сложная конструкция узла фиксации включенного положения привода, требующая индивидуальной подгонки, наличие внутреннего конуса на массивном якоре электромагнита для расфиксации привода, что увеличивает его габариты и время отключения и уменьшает надежность.
Технической задачей предлагаемого решения является создание устройства с высоким быстродействием при расфиксации привода, простым и надежным узлом фиксации привода во включенном положении
Технический результат, достигаемый в устройстве, заключается в получении высокого быстродействия отключении для защиты сверхпроводниковых ограничителей токов короткого замыкания.
Поставленная задача решается благодаря тому, что быстродействующий привод содержит узел включения с индуктивной катушкой и диском, установленным на приводном штоке, узел отключения с катушкой, узел фиксации привода во включенном положении. Узел отключения выполнен в виде отключающей индуктивной катушки с отключающим диском, установленным на отключающем штоке. Узел фиксации выполнен в виде вала с закрепленным на нем кулачком. Вал имеет в рабочей зоне первую поверхность, вторую поверхность, третью поверхность и опорную поверхность. Первая и вторая поверхности параллельны оси приводного штока, опорная поверхность перпендикулярна его оси и расположена между первой и второй поверхностями, а третья поверхность наклонена к оси приводного штока. Оси вала и приводного штока скрещиваются под прямым углом. Ход приводного штока больше диаметра вала, а минимальное расстояние между валом и третьей поверхностью меньше расстояния между диском и ограничителем во включенном положении быстродействующего привода, отключающего штока также. Приводной шток имеет в рабочей зоне и цилиндрическую поверхность вала, с возможностью фиксации на не опорной поверхности приводного штока во включенном положении быстродействующего привода. Опорная поверхность приводного штока перпендикулярна его оси и расположена между первой и второй плоскими поверхностями приводного штока, параллельными его оси. На первую плоскую поверхность приводного штока вал опирается во включенном положении быстродействующего привода.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведено устройство быстродействующего привода в отключенном положении;
на фиг. 2 показано устройство включенном положении;
на фиг. 3 показан узел фиксации быстродействующего привода в промежуточном положении;
на фиг. 4 дан разрез А-А на фиг. 3.
На фиг. 5 показан подробно узел Б на фиг. 2.
1
На фиг. 1 через α обозначен угол наклона третьей плоской поверхности приводного штока к его оси; через P обозначена сила, приложенная к изоляционной тяге и быстродействующему приводу в его отключенном положении и равная разности сил пружины отключения и усилия атмосферного давления на сильфон ВДК, через δ обозначен поперечный размер опорной поверхности приводного штока.
2
На фиг. 2 через P обозначено суммарное усилие, приложенное к изоляционной тяге и быстродействующему приводу со стороны пружин отключения и поджатия контактов ВДК, через b обозначен зазор между диском 3 и ограничителем 9.
На фиг. 3 через a обозначен зазор между валом и третьей плоской поверхностью приводного штока перед концом включения, когда опорная поверхность приводного штока выходит на верхний конец плоской поверхности вала, который с этого момента может начать поворот по часовой стрелке под действием пружины вала.
Фиг. 3 соответствует также моменту удара отключающего штока по кулачку и выхода цилиндрической поверхности вала из подопорной поверхности приводного штока - начало движения на отключение;
Устройство содержит:
1 - нижняя плита;
2 - индуктивная катушка;
3 - диск;
4 - приводной шток;
5 - первая поверхность;
6 - вторая поверхность
7 - опорная поверхность;
8 - третья плоская поверхность;
9 - ограничитель;
10 - средняя плита;
11 - первая стойка;
12 - вторая стойка;
13 - верхняя плита
14 - скоба;
15 - шарикоподшипник;
16 - шарикоподшипник;
17 - вал;
18 - плоская поверхность вала;
19 - цилиндрическая поверхность;
20 - кулачок;
21 - пружина вала;
22 - первая пластина;
23 - вторая пластина;
24 - уголок;
25 - отключающая индуктивная катушка;
26 - отключающий диск;
27 - отключающий шток;
28 - возвратная пружина;
29 - направляющий фланец;
30 - изоляционная тяга.
В устройстве быстродействующего привода (фиг. 1) на нижней опорной плите 1, закреплена индуктивная катушка 2, на которую опирается диск 3, из меди, установленный на приводном штоке 4. Детали 2 и 3 представляют собой индукционно-динамический привод (ИДП), а вместе с деталью 4 образуют узел включения быстродействующего привода. На приводном штоке 4 в рабочей зоне имеются четыре плоские поверхности: первая поверхность 5 и вторая поверхность приводного штока 6 параллельны оси приводного штока, опорная поверхность 7 перпендикулярна его оси, третья поверхность 8 выполнена под углом к его оси. Приводной шток 4 может перемещаться в отверстии ограничителя 9, закрепленного на средней плите 10, опирающейся с помощью осимметрично расположенных стоек 11 на нижнюю плиту. На осимметрично расположенных стойках 12 установлена верхняя плита 13, на которой в скобе 14 на шарикоподшипниках 15 и 16 (фиг. 4) установлен вал 17. В рабочей зоне вал имеет плоскую поверхность вала 18 и цилиндрическую поверхность вала 19, параллельные его оси. Рабочая зона - зона взаимодействия поверхностей вала и приводного штока. На валу закреплен кулачок 20. На валу и скобе установлена пружина вала 21. Деталь 77 с элементами 18, 19 и деталь 4 с опорной поверхностью 7 образуют узел фиксации быстродействующего привода во включенном положении. Приводной шток 4 установлен со скольжением в первой и второй пластинах 22 и 23, закрепленных на скобе 14. На верхней плите 13 с помощью уголка 24 установлен узел отключения быстродействующего привода, состоящий из отключающей индуктивной катушки 25, отключающего диска 26, отключающего штока 27, возвратной пружины 28, кулачка 20. Отключающий шток 27 имеет возможность скользить в направляющем фланце 29. Быстродействующий привод переключает контакты ВДК с помощью изоляционной тяги 30. Отключающий диск 26 выполнен из меди.
2
1
К изоляционной тяге 30 приложена суммарная сила P (фиг. 2) пружин отключения и поджатая во включенном положении быстродействующего привода. Сила P (фиг. 1) соответствует разности сил пружины отключения и атмосферного давления на сильфон ВДК в отключенном положении привода.
2
Устройство работает следующим образом. При подаче питания на индуктивную катушку 2 (фиг. 1) в диске 3 наводятся вихревые токи и он отталкивается от катушки, перемещая только в осевом направлении - без поворота - приводной шток 4 в ограничителе 9 и в первой и второй пластинах 22 и 23 вверх на включение быстродействующего привода, преодолевая действие сил от пружин отключения и поджатая контактов ВДК. В конечной стадии включения опорная поверхность приводного штока 7 сравнивается с верхней частью вала 17 на его поверхности 18 и под действием пружины вала 21 (фиг. 4) вал начинает поворачиваться по часовой стрелке под опорную поверхность 7. Благодаря накопленной кинетической энергии подвижных масс и остаточной силы индукционно-динамического отталкивания диска 3 приводной шток 4 быстро выбирает зазор a (фиг. 3) и третьей поверхностью 5 подбивает вал 17 по часовой стрелке, обеспечивая быструю и надежную фиксацию быстродействующего привода и контактов ВДК во включенном положении. При движении вверх приводной шток 4 останавливается после упирания диска 3 в ограничитель 9. При этом опорная поверхность 7 приподнимается над цилиндрической поверхностью 19. Процесс включения по времени может занимать менее 3 миллисекунд. Под действием силы P (фиг. 2) выбирание зазора b при отскоке вниз происходит за время (1÷1,5) мс. За это время должен произойти поворот вала 17 до упора его плоской поверхности 18 в первую поверхность 5. Надежная фиксация быстродействующего привода во включенном положении осуществляется, главным образом, за счет подбивания вала 17 плоской поверхностью приводного штока 8, а не усилием поворотной пружины 21, не превышающем (10÷15) H, что облегчает и ускоряет работу узла отключения. Для быстродействующих коммутационных аппаратов с ВДК при усилии пружин поджатая, равном (1000÷1200) H, достаточно иметь следующие данные: диаметр приводного штока - (15÷18) мм, диаметр вала (12÷16) мм, a равно (0.2÷0.4) мм, зазор b равен (0.5÷0,7) мм, δ равно (1.8÷2.2) мм. Угол α наклона третьей поверхности 8 к его оси целесообразно брать в пределах от 30° до 45°. Меньшие значения угла приводят к уменьшению поперечных нагрузок на вал 17 и место контакта вала и третьей поверхности, но требуют большего выбега приводного штока, а, следовательно, и большего сжатия сильфона ВДК, что уменьшает срок его службы. При больших значениях угла α указанные эффекты носят обратный характер.
2
2
Отключение устройства происходит следующим образом. При подаче питания на отключающую индуктивную катушку 25 (фиг. 2) в диске отключающего штока 26 наводятся вихревые токи, и он отталкивается от указанной катушки, толкая отключающий шток 27. Скользя по направляющему фланцу 29 за время (0.7÷0.9) мс этот шток ударяет по кулачку 20 и дает импульс на поворот вала 17 против часовой стрелки, преодолевая силу трения на опорной поверхности 7 от силы P. После выхода цилиндрической поверхности вала 19 из под опорной поверхности 7 (фиг. 3) на подвижные массы диска 3, приводного штока 4, изоляционной тяги 30 и подвижных контактов ВДК действуют силы пружин P до момента размыкания контактов ВДК. В этот момент скорость подвижных масс достигает нескольких метров в секунду.
1
1
После размыкания контактов ВДК на подвижные массы действует сила P. Но за счет набранной скорости подвижных масс полное время отключения быстродействующего привода не превышает двух миллисекунд для коммутационных аппаратов с указанными выше параметрами. После отключения быстродействующего привода отключающий шток 27 под действием возвратной пружины 28 возвращается назад и прижимает диск 26 к отключающей индуктивной катушке 25, подготавливая быстродействующий привод к следующему отключению. В отключенном положении диск 3 прижат к индуктивной катушке 2 силой P, а вал 17 под действием пружины вала 21 опирается на вторую поверхность приводного штока 6.
Применение индукционно-динамического узла отключения вместо традиционно применяемых в выключателях с ВДК, в частности, в прототипе, электромагнитных приводов для сбивания защелок на порядок уменьшает время отключения привода. При сбивании защелок максимальное усилие требуется в начальный момент из-за того, что трение покоя существенно выше трения движения. Этому требованию как раз и отвечают индукционно-динамические приводы.
Принудительное подбивание вала 17 третьей плоской поверхностью приводного штока 8 повышает надежность узла фиксации при включении быстродействующего привода.
Предлагаемое устройство имеет универсальный характер. При замене индуктивной катушки 2 на форсированный электромагнит время включения увеличится на (6÷7) милли секунд, но при этом существенно уменьшится объем энергоносителей, например, конденсаторов.
Технический результат предлагаемого устройства в эксплуатации определяется возможностью получения очень быстрых процессов коммутации как при отдельном включении для короткозамыкателей, отдельном отключении - для выключателей постоянного тока или синхронных выключателей с ВДК, - так и при выполнении быстрого отключения, что позволяет уменьшить количество ленты сверхпроводника и защитить ее от перегрева для сверхпроводниковых ограничителей тока короткого замыкания.
Для выключателей на среднее напряжение и токи отключения до 20 кА цикл B-Опо собственным временам может занять всего (4÷5) мс. После отдельного включения обеспечивается быстрая и надежная фиксация устройства.
Применение предложенного устройства в выключателях постоянного тока, синхронных выключателях, короткозамыкателях, в выключателях для сверхпроводящих ограничителей тока короткого замыкания позволяет использовать облегченное относительно токовых нагрузок оборудование у электро потребителей на напряжение до 110 кВ и защищать его от токов короткого замыкания, управлять процессами в электросетях.
Устройство рассчитано на большую электрическую - в десятки циклов отключения токов короткого замыкания и механическую - в тысячи циклов B-O-износостойкость. Устройство по предлагаемому решению успешно испытано на выключателе постоянного тока на напряжение 3 кВ и ток короткого замыкания до 20 кА и на короткозамыкателе на напряжение 10 кВ и ток короткого замыкания до 20 кА.
Используемые источники информации при составлении заявки
[1]. Авторское свидетельство SU 1396168 A1, МПК H01H 33/66, опубликовано 15.05.1988.
[2]. Авторское свидетельство SU 1277241 A1, МПК H01H 33/42, опубликовано 15.12.1986.