Механизм ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкциям приводов высоковольтных вакуумных выключателей с возможностью их ручного отключения.
Производители вакуумных выключателей стремятся в первую очередь к обеспечению надёжной фиксации вакуумных выключателей в положении «включено», при этом также необходимо обеспечить лёгкость их ручного отключения при такой необходимости, например, при потере оперативного питания или при возникновении аварийных ситуаций. Таким образом, одной из главных технических проблем производителей вакуумных выключателей является нахождение компромисса между двумя противоречивыми задачами – «надёжно удерживать» и «легко отключать».
Известны конструкции высоковольтных вакуумных выключателей, состоящих из включающего (выключающего) электромагнита, удерживающего устройства, механизма передачи усилия от электромагнита к вакуумным дугогасительным камерам и вала синхронизации, который, как правило, также выполняет функцию механизма ручного отключения.
Например, известна конструкция высоковольтного вакуумного выключателя, производства ООО «Астер Электро», описанная в руководстве по эксплуатации «Выключатели вакуумные высоковольтные серии ВВ/AST-10 с магнитной защёлкой ВВ/AST–10–12.5/ХХХ» (информация размещена на сайте ООО «Астер Электро»: https://docs.wixstatic.com/ugd/5630c0_86db9327dc10409d80d5a1b3d1c1801c.pdf), включающая:
- корпус;
- три корпуса полюса;
- три вакуумных дугогасительных камеры;
- три гибких электрических связи;
- три электроизоляционных тяги;
- три привода для перемещения подвижных контактов вакуумных камер, содержащие магнитопровод, якорь, статор, катушку, постоянные магниты и вставку для фиксации магнита;
- синхронизирующий вал, выполняющий функцию ручного отключения.
Недостатком известного технического решения является то, что в процессе его эксплуатации неизбежно происходит постепенное увеличение усилия удержания приводов на 15-20% из-за намагничивания деталей приводов при их длительном контакте с мощными постоянными магнитами, а также из-за притирки деталей (снижения шероховатости в магнитном зазоре), при этом общее усилие на валу синхронизации, необходимое для удержания всех трёх приводов высоковольтного вакуумного выключателя соответственно увеличивается пропорционально их количеству, то есть в три раза.
В известной конструкции ручное отключение приводов высоковольтного вакуумного выключателя производится путём воздействия на кнопку ручного отключения, далее усилие передаётся на вал синхронизации и приводы, при этом усилие воздействия на кнопку ручного отключения ограничено в соответствии с ГОСТ 12.2.007.3 (п.2.1.6.) и составляет не более 25 кгс.
Таким образом, в случае искусственного снижения усилия удержания приводов с целью обеспечения возможности ручного отключения высоковольтного вакуумного выключателя снижается его вибро- и сейсмостойкость, то есть в этом случае возможно его самопроизвольное отключение, а при сохранении усилия удержания увеличивается вероятность того, что ручное отключение станет для оператора физически невозможным, то есть снижается безопасность эксплуатации высоковольтного вакуумного выключателя.
Также, известно аналогичное техническое решение «Высоковольтный вакуумный выключатель» по патенту на полезную модель №6870 Республики Беларусь (МПК H01H 33/66, опубл. 30.12.2010), которое содержит следующую совокупность существенных признаков:
- корпус;
- три корпуса полюса;
- три вакуумных дугогасительных камеры;
- три гибких электрических связи;
- три электроизоляционных тяги;
- три привода для перемещения подвижных контактов вакуумных камер, содержащие магнитопровод, якорь, статор, катушку, постоянные магниты и вставку для фиксации магнита;
- синхронизирующий вал;
- механизм ручного отключения, выполненный в виде съёмной рукояти с возможностью фиксирования в корпусе выключателя посредством упора.
Основным недостатком известного технического решения является невозможность быстрого выполнения аварийного ручного отключения, так как для этого "необходимо вставить рукоять ручного отключения в специальное отверстие в фасадной крышке выключателя и зафиксировать на упоре внутри выключателя", после чего можно произвести выключение. Таким образом, использование съёмной рукояти ручного отключения может иметь катастрофические последствия в случае возникновения аварийной ситуации, когда счёт идёт на секунды.
Также известно техническое решение трёхфазного вакуумного выключателя по патенту на изобретение РФ №2684175 (МПК H01H 33/66, опубл. 04.04.2019), патентообладатель АО «Радио и Микроэлектроника», выбранное в качестве прототипа, которое содержит следующую совокупность существенных признаков:
- корпус;
- три корпуса полюса;
- три вакуумных дугогасительных камеры;
- три гибких электрических связи;
- три электроизоляционных тяги;
- три привода для перемещения подвижных контактов вакуумных камер, содержащие магнитопровод, якорь, статор, катушку, постоянные магниты и вставку для фиксации магнита;
- синхронизирующий вал;
- механизм ручного отключения трёхфазного вакуумного выключателя при отсутствии оперативного питания, выполненный в виде рычагов управления с возвратной пружиной, взаимодействующих своими соответствующими концами с соответствующими участками синхронизирующего вала, при этом трёхфазный вакуумный выключатель снабжён первым и вторым расцепителями магнитной цепи, выполненными в виде полуцилиндрического продольного стержня с продольным скосом, выполненным на одном из продольных рёбер полуцилиндрического продольного стержня, и установленный своей внешней продольной полуцилиндрической поверхностью в полуцилиндрические продольные пазы, выполненные симметрично на соответствующих участках нижней поверхности первого цилиндрического стакана, и прилегающие своей противоположной плоской поверхностью к соответствующим участкам внутренней верхней поверхности первого кольцеобразного выступа второго цилиндрического стакана и ручек расцепителей, жёстко закреплённых на одной из торцевых поверхностей полуцилиндрического продольного стержня.
В известной конструкции для отключения высоковольтного вакуумного выключателя в режиме ручного отключения нажимают на рычаги управления, при этом осуществляется синхронный поворот стержней в продольных пазах и отрыв якоря (второго цилиндрического стакана) от магнитопровода (первого цилиндрического стакана). При повороте расцепители магнитных цепей работают как классические рычаги с той особенностью, что начальный отрыв якоря от вставки обеспечивается сначала ребром А, а после того как произошёл начальный отрыв якоря работа переходит с ребра А на ребро В. Таким образом, за счёт последовательного воздействия на якорь рычага с величиной плеча L1 и первой гранью А, имеющей малое плечо L2, а затем второй гранью, имеющей большое плечо, производится последовательный подъём якоря от вставки на нужную высоту, и при достижении необходимой величины магнитного зазора происходит разрыв магнитного поля и отключение привода.
Основным недостатком известного технического решения является то, что отключение привода производится путём отрыва якоря от магнитопровода в строго параллельной плоскости синхронным поворотом двух рычагов через преодоление максимально возможного в данной конструкции усилия удержания. При этом данная конструкция не позволяет значительно (в два и более раз) увеличить усилие удержания приводов выключателя, так как усилие, прикладываемое для ручного отключения, строго ограничено и нормируется по ГОСТ12.2.007.3.
Таким образом, известный механизм ручного отключения может быть реализован только в выключателях, рассчитанных на номинальный ток 630 – 1000А, так как для высоковольтных вакуумных выключателей, рассчитанных на большие токи, например, 1250А, 1600А и 2000А требуется увеличение массы приводов, более значительные усилия поджатия главных контактов и, соответственно, как минимум двукратное увеличение усилия удержания, что не позволит обеспечить надёжность отключения таких высоковольтных вакуумных выключателей в ручном режиме.
Общим недостатком известных технических решений является то, что во всех предлагаемых решениях отрыв якоря и отключение привода производится через преодоление максимального усилия удержания, что не позволяет существенно увеличить безопасность и повысить надёжность выполнения операции отключения в ручном режиме. Все известные конструкции имеют ограничение по применению, определяемое максимальным усилием удержания, которое они могут развивать, а также по величине усилия, прилагаемого к механизмам ручного отключения в соответствии с ГОСТ 12.2.007.3, которое гарантированно обеспечивает безопасность персонала и оборудования.
Также, на основе известных технических решений (путём простого масштабирования конструкции) невозможно создать унифицированный модельный ряд высоковольтных вакуумных выключателей, работающих в широком диапазоне номинальных токов от 630А до 2000А, так как при увеличении усилий удержания развиваемых приводом и увеличении массы якоря, магнитопровода, а также массы и размеров расцепителей и рычагов отключения более чем в 1,5 раза соответственно увеличится ход рычагов, которые неизбежно начнут задевать вал синхронизации, а также другие элементы конструкции, при этом увеличившаяся масса рычагов вызовет повышение инерционности всего механизма, а увеличение упругости возвратных пружин, возвращающих рычаги и расцепители в исходное состояние, приведёт к увеличению усилия, которое необходимо будет приложить к кнопке ручного отключения для поворота рычагов ручного отключения. Поэтому учитывая то, что величина усилия, которое может быть приложено к рычагу управления через кнопку отключения в соответствии с ГОСТ 12.2.007.3 составляет не более 25 кгс, то задача реализации более мощного привода при сохранении заданных габаритов и пропорций высоковольтного вакуумного выключателя становится практически невыполнимой.
Решаемой технической проблемой является то, что известные технические решения имеют конструктивные ограничения, которые не позволяют в широких пределах варьировать значения коэффициента удержания приводов высоковольтных вакуумных выключателей, рассчитанных на номинальные токи от 630А до 2000А.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение усилия, прилагаемого к рычагу управления и повышение надёжности механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя без внесения принципиальных изменений в существующие конструкции высоковольтных вакуумных выключателей, а также получение возможности создания в тех же габаритах более мощных приводов высоковольтных вакуумных выключателей, имеющих более высокий коэффициент удержания и усилия поджатия главных контактов, рассчитанные на более высокие токи.
Указанный технический результат достигается тем, что для отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя в ручном режиме воздействие на якорь осуществляется расцепителями поочерёдно: сначала первый расцепитель воздействует на одну сторону якоря, а после её отрыва второй расцепитель – на вторую сторону якоря, за счёт чего усилие, необходимое для воздействия на механизм отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя в целом снижается примерно в два раза по сравнению с синхронным приложением усилия отключения одновременно к обоим краям якоря.
Для достижения указанного технического результата предлагается механизм ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя, который содержит цилиндрический магнитопровод и установленный в него якорь, между которыми симметрично установлены расцепители, выполненные в виде полуцилиндрических стержней, установленных своими цилиндрическими поверхностями в пазы, выполненные симметрично на поверхности магнитопровода и прилегающие своими плоскими поверхностями к внутренней поверхности якоря, к концам расцепителей жёстко прикреплены ручки расцепителей, соединённые с рычагом управления, при этом одна ручка расцепителя соединена с рычагом управления посредством элемента крепления (например, заклёпкой, хакболтом и т.п.), установленного в круглом отверстии рычага управления, а вторая ручка расцепителя соединена с рычагом управления посредством элемента крепления, установленного в овальном отверстии, при этом рычаг управления жёстко соединён с кнопкой ручного отключения и оснащён возвратной пружиной, прикреплённой к корпусу выключателя. Таким образом, при поступательном движении усилие передаётся от кнопки ручного отключения через рычаг управления к ручкам расцепителей, которые осуществляют последовательный поворот расцепителей.
Заявляемое техническое решение поясняется изображениями:
на фиг. 1 показана конструкция механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя;
на фиг. 2 показана схема работы механизма ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя с последовательным отрывом якоря.
Механизм ручного отключения привода высоковольтного вакуумного выключателя (фиг. 1) содержит цилиндрический магнитопровод (1), установленный в него якорь (2), между которыми симметрично установлены расцепители (3) и (4), выполненные в виде полуцилиндрических стержней, установленных своей цилиндрической поверхностью в пазы, выполненные симметрично на поверхности магнитопровода (1) и прилегающие своей плоской поверхностью к внутренней поверхности якоря (2), при этом, к концам расцепителей (3) и (4) жёстко прикреплены ручки расцепителей (5) и (6), соединённые с рычагом управления (7), при этом одна ручка расцепителя (5) или (6) соединена с рычагом управления (7) посредством элемента крепления, установленного в овальном отверстии (8), а вторая ручка расцепителя (5) или (6) соединена с рычагом управления (7) посредством элемента крепления, установленного в круглом отверстии (9), при этом рычаг управления (7) жёстко соединён с кнопкой ручного отключения (10) и оснащён возвратной пружиной, прикреплённой к корпусу выключателя (на фиг. 1 не показаны).
Заявляемая конструкция работает следующим образом (фиг. 1 и 2): при нажатии на кнопку ручного отключения (10), усилие передаётся через рычаг управления (7) к первой ручке расцепителя (6), жёстко связанной с рычагом управления (7) посредством элемента крепления, установленного в круглое отверстие, в результате чего ручка расцепителя (6) совершает поступательное движение и поворачивается вокруг оси расцепителя (4), при этом поворачивая его, а расцепитель (4) своей гранью производит отрыв одной стороны якоря (2), при этом не оказывается воздействие на вторую ручку расцепителя (5), поскольку рычаг управления (7), имеющий овальное отверстие (6) в точке его соединения с ручкой расцепителя (5) не взаимодействует с элементом крепления ручки расцепителя (5). Далее, после завершения поворота расцепителя (4) и дальнейшего сдвига рычага управления (7) элемент крепления, закреплённый в ручке расцепителя (5) и установленный в овальном отверстии (6), перемещается в нем и вступает во взаимодействие с рычагом управления (7), при этом ручке расцепителя (5) передаётся усилие от рычага управления (7), и она поворачивает расцепитель (3), в результате чего происходит окончательный отрыв якоря (2) от магнитопровода (1) с обеих сторон.
Таким образом, за счёт того, что для отрыва только одной стороны якоря необходимо усилие, по величине в два раза меньшее по сравнению с усилием, необходимым для отрыва одновременно обеих сторон якоря, тем самым также обеспечивается снижение общего усилия отключения высоковольтного вакуумного выключателя в два раза.
Кроме того, появляется возможность применения в тех же габаритах известных конструкций высоковольтных вакуумных выключателей более мощных приводов, имеющих более высокий коэффициент удержания и усилия поджатия главных контактов, рассчитанных на более высокие токи. Например, для привода, описанного в прототипе (патент на изобретение РФ №2684175), имеющего усилие удержания контактов в вакуумной камере во включённом состоянии 299,8 кгс возможно увеличение усилия удержания минимум до 600 кгс при сохранении надёжности ручного отключения. Это позволяет в габаритах уже существующей конструкции создать модельный ряд выключателей, рассчитанных на более высокие усилия поджатия контактов вакуумных камер и более высокие коэффициенты удержания электромагнитных приводов.