УКАЗАТЕЛЬ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ С САМОВОЗВРАТОМ
SELF-RESETTING SHORT CIRCUIT CURRENT INDICATOR

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам, обозначающим путь тока короткого замыкания на разветвленном присоединении сети с целью последующего выявления поврежденного участка.
Известен (1) указатель тока короткого замыкания, содержащий реле тока, состоящее из магнитопровода с полюсами и поворотного якоря, причем поворотный якорь размещен в герметизированной гидравлической камере, заполненной прозрачной жидкостью и мелкодисперсным порошком темного цвета, плотность которого больше, чем плотность жидкости. При избыточном токе якорь проворачивается, взбалтывает жидкость с порошком, образуя непрозрачную суспензию, что как раз и сигнализирует о том, что через проводник в месте установки указателя прошел ток короткого замыкания или произошел бросок тока, например, при плановых переключениях. Последующее осветление жидкости происходит в течение 2-4 ч, что в принципе представляет собой слишком малое время для обхода поврежденного участка сети и слишком большое время для возвращения указателя в исходное состояние.
Это является существенным недостатком, поскольку, например, при плановых переключениях и случившихся далее аварийных ситуациях, имеющих место в промежуток времени 2-4 ч после переключений, все указатели уже задействованы и будут ориентировать оперативный персонал по ложным направлениям.
Известен (2) также указатель тока короткого замыкания с самовозвратом, состоящий из реле тока, реле напряжения, индикаторного элемента, сборочного узла. В этом указателе нашли применение реле тока и реле напряжения безобмоточного типа, с общим для обоих реле магнитопроводом, при этом кинематика их взаимодействия между собой и индикаторным элементом достаточно сложная, а потому требуется большая точность при изготовлении отдельных деталей и большая точность при сборке всего указателя в целом. Сложность конструкции и требуемая точность к кинематике известного (2) указателя следует отнести к его недостаткам, однако именно этот указатель наиболее близок по технической сущности к заявляемому решению (прототип).
В предлагаемом изобретении решается задача создания конструкции указателя тока короткого замыкания с самовозратом на базе электромагнита переменного тока, обладающего оптимальным сближением тяговой и противодействующей характеристик, что существенно повысит функциональные возможности указателя при переходах от нормального режима к аварийному и наоборот, а также при полном обесточивании сети.
Решение поставленной задачи достигается тем, что существующий указатель тока короткого замыкания с самовозвратом, содержащий охватывающий шину магнитопровод с вертикальными полюсами, поворотный якорь с осью вращения, индикаторный элемент, сборочный узел, согласно данному изобретению претерпел существенные конструктивные изменения, заключающиеся в том, что якорь выполнен фасонным, состоящим из четырех секторов, каждый из которых предназначен для выполнения индивидуальной задачи, при этом три сектора расположены выше оси вращения якоря, а четвертый ниже этой оси, первый сектор, непосредственно примыкающий к оси вращения сверху и выбранный с шириной, равной сумме ширины полюсов и ширины междуполюсного расстояния, создает с полюсами основной рабочий зазор магнитной цепи указателя, второй сектор, являясь продолжением первого вверх, выбранный с шириной, меньшей ширины междуполюсного расстояния, и отогнутый в сторону полюсов таким образом, что после отгиба плоскости первого и второго секторов остаются между собой параллельными, создает своими кромками с кромками полюсов дополнительный рабочий зазор магнитной цепи указателя, третий сектор, являясь продолжением второго, отогнут в сторону от полюсов и своей массой выполняет роль противодействующей силы, четвертый сектор, непосредственно примыкающий к оси вращения снизу, являясь продолжением первого сектора вниз, выполняет роль упора, задающего угол поворота якоря, сборочный узел выполнен в виде вкладыша, который изготовлен из изоляционного немагнитного материала и размещен в полости магнитопровода, играя роль распорки между шиной и полюсами, кроме того, вкладыш со стороны якоря снабжен пазом, ширина и глубина которого выбраны из расчета свободного захода и выхода второго сектора якоря в полость магнитопровода при срабатывании и отпускании, роль индикаторного элемента, фиксирующего прохождение по шине избыточного тока, вызвавшего обесточивание сети, выполняет сам поворотный якорь, оставаясь после окончания аварийного события неопределенно долгое время в притянутом к полюсам положении.
Отличительным признаком предлагаемого указателя тока короткого замыкания с самовозвратом от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является значительное упрощение его конструкции и максимальное сближение тяговых и противодействующих характеристик магнитной цепи указателя.
Предлагаемый указатель представляет собой простейшее электромагнитное реле тока, которое приводится в действие с помощью электромагнита переменного тока.
Принцип действия предлагаемого указателя основан на том, что в электромагнитах переменного тока мгновенное значение силы тяги пульсируют с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения, изменяясь во времени от нуля до максимального значения, не меняя при этом знака. Изменяющаяся во времени сила тяги при взаимодействии с противодействующими силами обусловливает вибрацию якоря, что неблагоприятно сказывается на работе электромагнита, поскольку ухудшает магнитные свойства материала цепи за счет наклепа. В электромагнитах обычного исполнения вибрацию устраняют, применяя короткозамкнутые витки, а в предлагаемом указателе процесс попеременного отрыва и притяжения якоря используется как рабочий технологический цикл, обеспечивающий успешную работу указателя.
в
в
В данном случае электромагнит переменного тока, обладая определенными параметрами срабатывания и отпускания, квалифицируется как реле тока, но без контактов управления. Как известно (3, с. 337-351), реле тока характеризуется отношением величины тока отпускания к величине тока срабатывания. Это отношение, называемое коэффициентом возврата К, показывает степень сближения тяговой и противодействующей характеристик электромагнита. Надо особо подчеркнуть, что при любом значении коэффициента возврата К всегда должно выполняться условие, чтобы ток отпускания был больше диапазона номинальных токов.
в
Понятно, что для получения заданного значения коэффициента возврата К нелинейной тяговой характеристике электромагнита должна противостоять и нелинейная противодействующая характеристика, а это на текущий момент достигается ценой сложных конструктивных решений (3, с. 343-344), что влечет за собой резкое снижение надежности устройства. Экспериментальные попытки создания противодействующего момента якоря возвратной пружиной или массой противовеса приводили к увеличению тока и времени срабатывания, оставляя в то же время ток отпускания практически неизменным, при этом лежащим в области колебаний величин номинального тока.
При обесточивании сети, а следовательно, и электромагнита, в его магнитопроводе сохраняется остаточный магнитный поток (3, с. 210-211), обеспечивающий залипание якоря, что свидетельствует о прохождении тока короткого замыкания в точке установки указателя и воспринимается как информационное сообщение. Якорь остается в притянутом положении достаточно долгое время, что позволяет обнаружить факт аварийного события в любое подходящее время, определяемое оперативным персоналом.
При появлении напряжения в сети и последующего выхода сети на номинальный ток реакция предлагаемого указателя должна заключаться в возврате якоря в исходное положение. В предлагаемом указателе отрыв якоря от полюсов обеспечивается за счет магнитного потока рассеивания, создающего тяговое усилие, направленное встречно тяговому усилию, которое создает рабочий магнитный поток. При ослаблении электромагнитного воздействия на якорь на первый план выступает противодействующая сила, создаваемая массой самого якоря как противовеса, обеспечивающего самовозврат якоря в исходное положение, что и происходит на самом деле. В дальнейшем, при номинальном токе, магнитный поток в рабочем зазоре мал и не может создать тяговое усилие, способное притянуть якорь к полюсам. Картина меняется на противоположную лишь при появлении избыточных токов в аварийных ситуациях или при плановых переключениях, сопровождающихся бросками тока.
Работоспособность предлагаемого указателя, а по сути простейшего электромагнита переменного тока, состоящего из безобмоточного магнитопровода и якоря специальной конструкции, обеспечивается, как и всегда, выбором формы полюсов и якоря. Меняя размеры полюсов и якоря, можно добиться заданного баланса между тяговым и противодействующим моментами, определяющими в конечном итоге параметры срабатывания и отпускания указателя.
Ниже дан пример выполнения данного изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 - общий вид указателя, вид спереди;
на фиг. 2 - то же, вид справа, разрез по А-А; якорь, изображенный сплошными линиями и в притянутом положении, информирует о происшедшем ранее аварийном событии; якорь, изображенный пунктирными линиями, информирует о режиме ожидания аварийного события;
на фиг. 3 - то же, вид сверху.
Предлагаемый указатель тока короткого замыкания с самовозвратом содержит магнитопровод 1 с полюсами 2 и якорь 3 с осью вращения 4, при этом якорь 3 состоит из сектора 5, создающего с полюсами 2 рабочий зазор и рабочий магнитный поток, сектора 6, создающего своими кромками 7 с кромками 8 полюсов 2 дополнительный рабочий зазор и магнитный поток рассеивания, сектора 9, выступающего своей массой в качестве противодействующей силы или противовеса. Вкладыш 10, выполняющий в полости магнитопровода 1 роль распорки между шиной 11 и полюсами 2, снабжен пазом 12, не препятствующим свободному заходу и выходу сектора 6 якоря 3 в полость магнитопровода 1 и пазами 13 для центровки указателя при его установке на шине 11. Якорь 3 включает в себя также сектор 14, расположенный ниже оси 4 и который, опираясь на переднюю стенку вкладыша 10, задает угол поворота якоря 3. Противоположная полюсам 2 задняя стенка магнитопровода 1 снабжена резьбовым соединением с болтом 15, посредством которого осуществляется сборка и установка указателя на шине 11.
Предлагаемый указатель тока короткого замыкания с самовозвратом работает следующим образом. В аварийной ситуации избыточный ток резко увеличивает магнитный поток в рабочем зазоре, растет тяговое усилие, начинается поворот якоря 3. Работа электромагнита затрачивается, в основном, на преодоление противодействующих моментов, создаваемых массой якоря 3, силой трения оси 4 в гнездах вращения и на увеличение кинетической энергии всего якоря 3 в целом. С момента трогания якоря 3 тяговые усилия, действующие по отдельности на сектор 5 и на сектор 6 якоря 3, совпадают по направлению, а после вхождения сектора 6 в полость магнитопровода 1 эти тяговые усилия направлены уже встречно. Это приводит к вибрации якоря 3, однако пульсация усилия, действующего на якорь 3, прекращается при отключении аварийного присоединения действием релейной защиты и выключателя. Шина 11 обесточивается, но переходной процесс в магнитной цепи электромагнита еще продолжается за счет остаточного магнитного потока, который приводит к залипанию якоря 3. Как показывает опыт, якорь 3 может оставаться в притянутом к полюсам состоянии неопределенно долгое время. Притянутый к полюсам 2 якорь 3 визуально информирует оперативный персонал о том, что по шине 11 прошел аварийный ток. Продвигаясь в направлении сработавших указателей, устанавливают поврежденный участок сети.
При подаче напряжения на шину с уже сработавшим указателем притянутый к полюсам 2 якорь 3 отпадает от полюсов 2, поскольку мгновенное значение тягового усилия, действующее на сектор 6 якоря 3, направлено встречно мгновенному значению тягового усилия, действующему на сектор 5 якоря 3. В этих условиях сразу же сказывается противодействующая сила, создаваемая массой сектора 9 якоря 3, которая и производит отрыв якоря 3 от полюсов 2. Якорь 3 начинает обратный ход, запасаясь при этом кинетической энергией. Ослабление результирующего тягового усилия, действующего на якорь 3, продолжается до тех пор, пока сектор 6 якоря 3 полностью не выйдет за пределы полости магнитопровода 1. С этого момента мгновенные тяговые усилия, действующие на сектор 5 и сектор 6 якоря 3, направлены согласно, однако после отрыва якоря 3 от полюсов 2 магнитный поток в воздушном зазоре сектора 5 якоря 3 и магнитный поток рассеивания в воздушном зазоре сектора 6 якоря 3 резко уменьшаются как за счет увеличения магнитного сопротивления воздушных зазоров, так и за счет выхода сети на номинальный ток после окончания переходного процесса, а потому создаваемые ими тяговые усилия не могут преодолеть противодействующее усилие сектора 9 якоря 3, тем более, что к моменту выхода сектора 6 якоря 3 из полости магнитопровода, якорь 3 уже достаточно запасся «отрицательной» кинетической энергией. Якорь 3 занимает положение, соответствующее режиму ожидания.
Конструкция предложенного указателя тока короткого замыкания с самовозвратом обеспечивает его высокие эксплуатационные показатели и надежность в работе.
Использованная литература
1. KROUS R., JACOBS J. Kurzschlubstromazeiger fur mittelspannungsnetze mit selbsttotiger Ruckstellung. Stand und Nemurbeweg, Enerd - 1984, А25, №10, р. 54-56. RU 2047868 С1, 10.11.1995. DE 3628400 А, 20.08.1987.
2. Мрыхин В.И., Сергеев Д.А. Указатель тока короткого замыкания. Патент №2212679 С2, 20.09.2003, Бюл. №26.
3. А.А. Чунихин. Электрические аппараты. Москва. Энергоатомиздат, 1988.