Дугогасящий реактор и способ регулирования немагнитного зазора дугогасящего реактора
ARC-SUPPRESSION COIL AND METHOD OF CONTROL OF NONMAGNETIC GAP OF ARC-SUPPRESSION COIL

Предлагаемая группа изобретений относится к сфере электротехники, в частности, к конструкциям электрических аппаратов, предназначенных для компенсации емкостных токов в электрических цепях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю, а именно к дугогасящим реакторам с плавным регулированием величины индуктивности. Изобретение может найти применение в высоковольтных электрических цепях.
Уровень техники содержит сведения об аналогичных устройствах. В частности, известно техническое решение по патенту Российской Федерации на полезную модель № 176199 «Дугогасящий реактор» (ООО "ЭНСОНС", РФ, з. № 2017128408, 08.08.2017, публ. 12.01.2018, МПК H02H 9/00). Согласно описанию технического решения, дугогасящий реактор содержит активную часть, содержащую силовую обмотку и магнитопровод, имеющий подвижный сердечник и неподвижный сердечник. Подвижный сердечник и неподвижный сердечник установлены таким образом, что между ними имеется магнитный зазор. Магнитопровод имеет два верхних ярма, а неподвижный сердечник имеет два нижних ярма. Исполнительный механизм закреплен на двух верхних ярмах и содержит вертикальный вал, на конце которого выполнена резьба. На вертикальном валу посредством резьбы закреплена гайка, связанная с подвижным сердечником при помощи двух пластин, параллельных оси вертикального вала и установленных по разные стороны от оси вала. Пластины жестко связаны с гайкой и выступают за габарит подвижного сердечника в верхней части.
Недостатком указанного технического решения заключается в том, что в качестве исполнительного механизма для регулировки магнитного зазора используют передачу винт-гайка. Используемые в конструкциях дугогасящих реакторов исполнительные механизмы, в виде винта и гайки с трапецеидальной резьбой не обеспечивают должного уровня надёжности ввиду необходимости установки датчиков крайних положений для ограничения хода подвижного стержня дугогасящего реактора, а также вызывают ряд проблем связанных с эксплуатацией. Преобразование вращательного движения винта в поступательное движение гаек имеет ряд недостатков, в частности, повышенный износ механизма и склонность к заеданию, высокие требования к точности сборки, необходимость регулировки, необходимость принятия специальных мер по интенсификации теплоотвода.
Следует отметить, что дугогасящий реактор и все его элементы в процессе работы подвержены интенсивной вибрации ввиду возникновения сил магнитострикционного происхождения, а также воздействия сил магнитного притяжения. Особенно это относится к магнитным системам, имеющим немагнитные зазоры. Под воздействием интенсивных вибраций датчики крайних положений, требующие особую точность при установке, могут изменить свое положение, либо выйти из строя и как следствие не передать сигнал на остановку перемещения подвижного стержня дугогасящего реактора, что приведет к выходу из строя дугогасящего реактора с последующей необходимостью капитального ремонта. Кроме этого отключение электропривода происходит при помощи системы автоматического регулирования, которая, получая сигнал от датчиков о достижение крайнего положения, отключает питание электропривода, ввиду этого при неверной коммутации, либо неисправной системе автоматического регулирования сигнал о достижении крайнего положения подвижного стержня не приведет к отключению электропривода.
Известно техническое решение по патенту США на изобретение № 6188151 «Magnet assembly with reciprocating core member and associated method of operation» (Robotech Inc, США, з. № US7080798P, 08.01.1998, публ. 13.02.2001, МПК H01F7/1607). Согласно описанию технического решения, изобретение содержит корпус, соленоид, размещенный внутри корпуса, неподвижную и подвижную части магнитопровода. Неподвижная часть магнитопровода, по меньшей мере частично, расположена внутри соленоида и соединена, соответственно, с соленоидом и с корпусом. Подвижная часть магнитопровода размещена соосно с неподвижной с возможностью перемещения относительно вертикальной оси. Вращения маховика осуществляют за счет перемещения подвижной части магнитопровода, соединенного посредством кривошипов.
Приведенное техническое решение разработано для решения обратной задачи, т.е. преобразование возвратно-поступательного движения подвижной части магнитопровода во вращательное движение кривошипа. К недостаткам системы также можно отнести отсутствие направляющих, обеспечивающих точное позиционирование подвижной части магнитопровода в процессе функционирования системы.
Наиболее близким аналогом является техническое решение, известное из патента Российской Федерации на полезную модель № 136653 «Дугогасящий реактор» (ООО "Завод "ЭнергоРеактор", РФ, з. № 2013136423, 01.08.2013, публ. 10.01.2014, МПК H02H 9/06). Согласно описанию технического решения, дугогасящий реактор содержит активную часть, которая может быть размещена как в баке с трансформатором, так и защитном кожухе (сухое исполнение). Активная часть содержит силовую обмотку магнитопровод с подвижным сердечником и неподвижным сердечником, образующими магнитный зазор и исполнительный механизм. Исполнительный механизм установлен на каркасе, который опирается на активную часть. В каркас вмонтирован корпус с прорезью. В корпусе размещен вертикальный вал с резьбой, на который подается вращательное движение, например, от электропривода. На вертикальном вале размещен элемент в виде каретки, который вместе с вертикальным валом образует шарико-винтовую передачу. Каретка жестко связана с пластиной, установленной снаружи корпуса посредством соединительного звена, который перемещается вдоль прорези.
Используемый в конструкции аналога исполнительный механизм, в виде шарико-винтовой передачи, так же, как и исполнительный механизм винт-гайка не обеспечивает должного уровня надёжности ввиду необходимости установки датчиков крайних положений для ограничения хода подвижного стержня дугогасящего реактора, а также вызывают ряд проблем связанных с эксплуатацией. При работе такого реактора возникают биения внутри гайки вследствие воздействия вибраций, происходящих при работе дугогасящего реактора с последующим выходом из строя, а также предъявляются высокие требования к защите передачи от попадания пыли, влаги и механических частиц, в особенности при использовании шарико-винтовой передачи в дугогасящем реакторе без трансформаторного масла.
Таким образом, имеющийся уровень техники не содержит сведений о технических решениях, решающих ряд технических проблем. Так, технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является создание дугогасящего реактора, снабженного механизмом регулировки немагнитного зазора, обладающим повышенной надежностью, выраженной, в частности, в увеличении ресурса исполнительной части реактора в сравнении с приведенными в настоящем описании аналогами, и при этом, отличающийся высокой технологичностью конструкции исполнительного механизма.
Техническая проблема решается следующим образом. Согласно изобретению, устройство содержит исполнительный механизм и активную часть состоящую, по существу, из обмотки и магнитопровода с подвижным стержнем, выполненного с возможностью образования немагнитного зазора переменной величины. Исполнительный механизм, по существу, включает шатун, шарнирно соединенный с кривошипом и подвижным стержнем, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью сообщения цикличного возвратно-поступательного движения подвижному стержню при однонаправленном вращении кривошипа.
Общими с аналогом признаками являются наличие исполнительного механизма и активной части, которая состоит из обмотки и магнитопровода, причем магнитопровод имеет подвижный стержень, выполненный с возможностью образования немагнитного зазора переменной величины.
В общем случае техническое решение отличается от аналога тем, что исполнительный механизм, по существу, включает шатун, шарнирно соединенный с кривошипом, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью сообщения цикличного возвратно-поступательного движения подвижному стержню при однонаправленном вращении кривошипа.
В первом частном случае дугогасящий реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну направляющую, соединенную с шатуном, вдоль которой при вращении кривошипа движется шатун.
В первом уточнении указанного частного случая, шатун исполнительного механизма дугогасящего реактора шарнирно связан с направляющими и подвижным стержнем.
Во втором уточнении указанного частного случая, устройство отличается тем, что направляющие установлены параллельно оси, вдоль которой, по существу, движется подвижный стержень.
В ином частном случае выполнения устройство дополнительно характеризуется тем, что стержень состоит из подвижной и неподвижной частей.
В развитие указанного частного случая, устройство дополнительно характеризуется тем, что подвижная часть стержня размещена соосно с неподвижной с возможностью перемещения относительно вертикальной оси.
В следующем частном случае выполнения, дугогасящий реактор отличается тем, что кривошип выполнен в виде шестерни, закрепленной на валу с возможностью вращения.
Целесообразна реализация устройства таким образом, что исполнительный механизм состоит из, по меньшей мере, одной зубчатой шестерни, закрепленной на валу с возможностью вращения, взаимодействующей с двигателем, причем шестерня шарнирно связана с шатуном с возможностью сообщения последнему возвратно-поступательного движения.
В ином частном случае выполнения, устройство дополнительно характеризуется тем, что в крайних положениях хода подвижной части стержня установлены концевые выключатели.
Целесообразно снабжение дугогасящего реактора виброопорами.
Дугогасящий реактор в общем случае реализации содержит активную часть, состоящую из силовой обмотки и магнитопровода с подвижным стержнем, позволяющим регулировать немагнитный зазор устройства, что приводит к изменению индуктивного сопротивления. Для перемещения подвижного стержня используют исполнительный механизм, позволяющий плавно изменять немагнитный зазор и, как следствие, индуктивность силовой обмотки, включенной в электрическую цепь. Возможность регулировки достигается применением кривошипно-шатунного механизма с приводом от, например, электродвигателя. Механизм может быть снабжен средствами управления, задающими параметры перемещения стержня. Возможность осуществления цикличного возвратно-поступательного движения позволяет исполнительному механизму изменять, в конечном счете, величину немагнитного зазора, а именно, направление линейного перемещения стержня, не изменяя направление своего вращения. Такая реализация исполнительного механизма не требует наличия дополнительных устройств отключения, трансмиссий или необходимости изменения направления вращения приводного механизма для изменения немагнитного зазора. В дополнение, принцип работы кривошипного механизма позволяет снизить критическую роль датчиков крайних положений в системе, поскольку ход подвижного стержня является конструктивно определенной величиной. При достижении крайнего положения подвижного стрежня, при условии сохранении вращательного момента кривошипа, стержень начнет перемещение в обратном направлении. Принципиально исполнительный механизм состоит из кривошипа, выполненного с возможностью совершения вращательного движения, закрепленного, например, на валу, и шатуна, шарнирно с ним соединенного. Направление возвратно-поступательного движения задается направляющими, роль которых, в общем случае, выполняет активная часть реактора. Подвижный стержень, в свою очередь, также соединен с шатуном шарнирно. В качестве кривошипа, в соответствии с некоторыми частными случаями реализации технического решения, может быть выбрана зубчатая шестерня, кинематически связанная с приводом. Вместе с тем, вращательный момент может сообщаться кривошипу и иным образом. В частности, это может происходить через вал, на котором он закреплен.
Снабжение исполнительного механизма отдельно направляющей, как указано в первом частном случае реализации, позволяет увеличить надежность устройства и точность работы исполнительного механизма. Направляющие могут быть реализованы различным образом, однако с условием, что шатун будет связан с ними шарнирно. В предпочтительном варианте реализации, устройство может быть снабжено парой направляющих, расположенных, по существу, параллельно линии перемещения подвижного стержня.
Стержень также может быть выполнен подвижным частично. Стержнем, в общем случае, обозначается часть магнитопровода внутри обмотки. Стержень может быть составным, т.е. содержать неподвижную и подвижную части. Немагнитный зазор создается при размыкании частей стержня. Выбирая соотношение длин подвижной и неподвижной частей стержня, определяют место расположения немагнитного зазора, что также определяет характеристики устройства. Соосное размещение частей стержня целесообразно с точки зрения конструктивных особенностей выполнения реактора.
Кинематическая связь привода и кривошипного механизма, в частном случае, реализована посредством зубчатой передачи. Такая конструкция позволяет уравновесить вращательные моменты сил, действующих на кривошипный механизм. Кривошипом, в данном случае является зубчатая шестерня, определенного радиуса, зависящего, в том числе, от передаточного отношения и от величины хода подвижного стержня, жестко закрепленная на валу с возможностью вращения. Следуя логике описания настоящего технического решения, конструкция кривошипа выходит за границы буквального толкования значения слова, а термин используется как указывающий на функцию элемента. Таким образом, ключевым моментом для кривошипа является способность преобразовывать свое вращательное движение в поступательное движение шатуна.
В настоящей группе изобретений заявлен также и способ регулирования немагнитного зазора дугогасящего реактора. В качестве аналога было выбрано техническое решение по упомянутому выше патенту США на изобретение №6188151 «Magnet assembly with reciprocating core member and associated method of operation». Вместе с тем, хотя конструктивно прослеживается связь между предлагаемым и известным решением, задачи, на решение которых они ориентированы, отличаются. Таким образом, указанное техническое решение выбрано для иллюстрации уровня техники.
Проблема, на решение которой направлен предлагаемый способ, заключается в создании способа регулирования немагнитного зазора, обеспечивающего повышенную надежность, в частности, увеличение ресурса исполнительной части реактора в сравнении с аналогами.
Решается задача следующим образом. Способ регулирования немагнитного зазора дугогасящего реактора, заключающийся в сообщении приводом вращательного момента кривошипному механизму, закрепленному на валу, передающегося впоследствии на шатун, одним концом шарнирно соединенным с кривошипом, а другим концом шарнирно соединенный с подвижной частью стержня, причем направление возвратно-поступательного движения подвижной части стержня задается, по меньшей мере, одной направляющей.
В частном случае реализации, крайние положения хода подвижной части магнитопровода фиксируют концевыми выключателями.
Передача возвратно-поступательного движения подвижному стержню реализована через использование кривошипно-шатунного механизма. Такой способ позволяет плавно регулировать величину немагнитного зазора дугогасящего реактора, причем осуществлять это без необходимости реверсирования направления вращения привода. Таким образом, повышается технологичность исполнительного механизма и, в целом, надежность работы устройства, так как даже при выходе из строя концевых датчиков подвижный стержень сохранит конструктивно заложенную величину хода.
Наличие концевых выключателей, тем не менее, является предпочтительным. Дополнительные средства контроля позволяют повысить надежность работы устройства, а также точность положения подвижного стержня.
Предлагаемая группа изобретений поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 - Дугогасящий реактор, вид спереди;
Фиг. 2 - Дугогасящий реактор, продольный разрез.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - дугогасящий реактор;
2 - ярмо;
3 - стержень (плунжер);
4 - немагнитный зазор;
5 - основная обмотка;
6 - привод;
7 - ведущее зубчатое колесо;
8 - кривошип;
9 - шатун;
10 - концевой датчик;
11 - направляющие
Для понимания принципов работы и особенностей различных реализаций изобретения, ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями узлов и компонентов. Изобретение может быть реализовано и иными способами. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.
Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.
Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «активная часть» означает основную часть устройства, в которой реализуется функция компенсации емкостного тока. Активная часть, в соответствии с настоящим изобретением, помимо указанных в общем случае реализации составных частей, может дополнительно содержать обмотку управления, сигнальную обмотку.
Кроме того, необходимо понимать, что устройство также должно содержать средства, обеспечивающие структурную связь его составных механизмов. Так, это может быть рама, к которой жестко или с возможностью перемещения закрепляются детали устройства. Также, устройство, при реализации в исполнении с масляной изоляцией, может дополнительно снабжаться баком с крышкой, внутрь которого заливают трансформаторное масло или иную соответствующую требованиям композицию.
Термин «магнитопровод» включает совокупность элементов, предназначенных для прохождения магнитного потока, возбуждаемого электрическим током, протекающим в обмотках. Конкретная реализация магнитопровода может различаться. Основное условие, которому должна соответствовать конструкция магнитопровода - это наличие подвижного стержня, выполненного с возможностью образования немагнитного зазора. Стержень магнитопровода может называться подвижным, разрезанным или иным подобным образом. Вместе с тем, первостепенное значение имеет именно немагнитный зазор, образуемый вследствие перемещения стержня. Термин «стержень», является техническим, традиционно используемым в области электротехники для описания компонента магнитопровода. В контексте данного изобретения, геометрическая форма выполнения стержня не является принципиальной, необходимым условием является место расположения элемента. Наряду с термином «стрежень» может применяться термин «плунжер» или «сердечник». Стержень также может быть выполнен составным, содержать одну или несколько подвижных частей. Магнитопровод должен содержать также, по меньшей мере, одно ярмо.
Термин «кривошипно-шатунный механизм» характеризует принцип действия исполнительного органа, состав кривошипного механизма кратко приведен в формуле и описан в примерах выполнения. Как было отмечено выше, кривошипно-шатунный механизм содержит кривошип, в предпочтительном варианте реализации выполненный в виде зубчатой шестерни, закрепленной на валу с возможностью вращения, и с возможностью шарнирного закрепления на некотором расстоянии от центральной оси шатуна.
В описании термин «привод» используется в широком смысле. Передача вращательного момента от двигателя или иного устройства на кривошип может осуществляться различными способами. В общем случае, термин употреблен в своем функциональном значении, а именно в сообщении вращения кривошипу. Привод может быть соединен с валом, на котором установлен кривошип, реализован в виде ременной или зубчатой передачи, снабжен устройствами управления и трансмиссией.
Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в композиции, предмете или способе, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, шагов способа, даже если такой компонент, материал, часть, шаг способа выполняет ту же функцию, что и указанный.
Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящего изобретения, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.
Обратимся к прилагаемым фигурам. На Фиг. 1 - 3 изображен дугогасящий реактор в соответствии с одной из частных реализаций настоящего изобретения.
Заявленный дугогасящий реактор содержит активную часть и может быть размешен как в баке с трансформаторным маслом, так и в защитном кожухе («сухое исполнение»). Активная часть дугогасящего реактора (1) содержит магнитопровод с изменяемым немагнитным зазором (4), состоящий из ярма (2) и подвижного стержня (3), основную силовую обмотку (5). Исполнительный механизм состоит из привода (6), ведущего зубчатого колеса (7), кривошипа (8), шатуна (9) и направляющих (11). Устройство, в частном случае, содержит концевые датчики (10) и виброопоры (не показаны), на которых установлена активная часть.
При использовании реактора вывод главной обмотки (не показано) присоединяют к нейтрали, а вывод - к заземляющему контуру подстанции (не показано). Настройку дугогасящего реактора выполняют путем изменения немагнитного зазора (4) с помощью исполнительного механизма перемещения регулятора немагнитного зазора. Ведущее зубчатое колесо (7) под действием электропривода (6) приходит во вращение. Крутящий момент ведущего зубчатого колеса передается на кривошип (8) и приводит в движение шатун (9). При этом подвижный стержень (3), соединенный с шатуном (9) линейно перемещается вверх (вниз) вдоль направляющих (11), соответственно увеличивая или уменьшая немагнитный зазор (4). В крайнем верхнем или нижнем положении элемент подвижного стержня (3) упирается в соответствующий концевой датчик (10), который подает сигнал о достижении крайнего положения. В случае отсутствия сигнала о достижении крайнего положения подвижный стержень (3) самостоятельно изменяет направление линейного перемещения в противоположную сторону.
Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения. Конфигурация и взаимное расположение узлов и элементов устройства, если об этом прямо не сказано в описании также может варьироваться. Вместе с тем, некоторые конфигурации были раскрыты в настоящем описании.
Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью показать промышленную применимость устройства и дать общее впечатление о возможностях предложенного устройства. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием, и все изменения, совершенные с применением эквивалентных признаков, подпадают под правовую охрану настоящего изобретения.