КАТУШКА АКСИАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ
COIL OF AXIAL MAGNETIC FIELD FOR VACUUM INTERRUPTER

[0001] Изобретение относится к высоковольтным электрическим выключателям типа высоковольтных автоматов, распределительных устройств и других узлов электрооборудования. Более конкретно изобретение касается электрического прерывателя, контакты которого помещены в изолирующий защитный кожух типа керамической колбы.
Краткое описание чертежей
[0002] Фиг. 1А и 1В представляют собой схематические виды в разрезе, иллюстрирующие блок вакуумного прерывателя соответственно в замкнутом и разомкнутом положениях в соответствии с описываемыми здесь вариантами выполнения.
[0003] Фиг. 2 представляет собой схематический вид сбоку подвижного проводящего узла блока вакуумного прерывателя по фиг. 1.
[0004] Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в аксонометрии подвижного проводящего узла по фиг. 2.
[0005] Фиг. 4 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе подвижного проводящего узла по фиг. 2.
[0006] Фиг. 5 представляет собой вид в увеличенном масштабе, иллюстрирующий часть конструкции, показанной на виде сбоку в разрезе по фиг. 4.
[0007] Фиг. 6А и 6В представляют собой вид сбоку в разрезе и вид сбоку в аксонометрии, иллюстрирующие исходную форму катушки аксиального магнитного поля (АМП).
[0008] Фиг. 7А представляет собой вид с переднего торца катушки АМП.
[0009] Фиг. 7В представляет собой вид сбоку катушки АМП по фиг. 7А.
[0010] Фиг. 7С представляет собой вид с заднего торца катушки АМП по фиг. 7А.
[0011] Фиг. 7D представляет собой вид сбоку в разрезе катушки АМП по фиг. 7В.
[0012] Фиг. 8А и 8В представляют собой схематические виды сбоку в аксонометрии катушки АМП по фиг. 7А.
Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления
[0013] Нижеследующее подробное описание приведено со ссылками на приложенные чертежи. Одинаковые или аналогичные компоненты, встречающиеся на разных чертежах, могут обозначаться одними и теми же цифровыми позициями.
[0014] Обеспечена контактная группа для применения в вакуумном прерывателе. В соответствии с одним из вариантов осуществления в вакуумной камере может быть предусмотрен комплект из двух контактных групп. Каждая контактная группа может обеспечивать генерирование аксиального магнитного поля для рассеяния дуги между контактными группами. Каждая контактная группа может включать в себя контактный диск из первого электропроводящего материала, катушку и контактодержатель. Катушка может быть выполнена из второго электропроводящего материала и состоять из множества спиральных секций, ориентированных в осевом направлении относительно общей центральной оси. Каждая из спиральных секций может иметь ближний конец и дальний конец, при этом каждая из спиральных секций будет соединена на ближнем конце с основанием, выполненным из второго электропроводящего материала, и соединена на дальнем конце с контактным диском. Контактодержатель может быть центрирован в осевом направлении внутри катушки и располагаться между основанием и контактным диском с сохранением при этом нужного зазора между спиральными секциями.
[0015] На фиг. 1А дается схематический вид в разрезе, иллюстрирующий блок 10 вакуумного прерывателя в замкнутом положении, а на фиг. 1В - схематический вид в разрезе, иллюстрирующий блок 10 вакуумного прерывателя в разомкнутом положении. На фиг. 1А и 1В видно, что блок 10 вакуумного прерывателя включает в себя изолированный корпус 20, неподвижный проводящий узел 30, подвижный проводящий узел 40 и дугогасительный экран 50.
[0016] В изолированном корпусе 20 выполняется, как правило, удлиненный канал, при этом неподвижный проводящий узел 30 и подвижный проводящий узел 40 проходят в осевом направлении по этому каналу корпуса 20. Изолированный корпус может, например, включать в себя керамическую трубку 22 (она может состоять из множества сегментов, которые состыкованы или спаяны друг с другом) с выполнением на каждом из концов этой керамической трубы 22 фланцев 24, 26. Фланцы 24, 26 могут быть пристыкованы/плотно присоединены к концу керамической трубы 22.
[0017] Во фланце 24 может быть выполнено отверстие для прохода через него вала 32 неподвижного проводящего узла 30. Вал 32 может быть выполнен неподвижным относительно фланца 24, при этом граница раздела фланца 24 и вала 32 может быть усилена с помощью воздухонепроницаемого уплотнения. Во фланце 26 может быть выполнено отверстие для прохода через него проводящего вала 42 подвижного проводящего узла 40. Вал 42 может быть выполнен с возможностью осевого перемещения относительно фланца 26. Можно предусмотреть гофры 60 для обеспечения прохода вала 42 через отверстие во фланце 26 с сохранением воздухонепроницаемого уплотнения. Воздухонепроницаемые уплотнения на границах раздела между керамической трубой 22, фланцем 24, фланцем 26, валом 32 и/или валом 42 позволяют сформировать в изолированном корпусе 20 вакуумную камеру 28.
[0018] Как показано на фиг. 1А и 1В, каждый из проводящих узлов (их называют также «электродными узлами»), неподвижный 30 и подвижный 40, может включать в себя контактную группу 100 (например, контактную группу 100-1 и 100-2, которые мы называем ниже единым понятием «контактные группы 100» или обобщенно «контактная группа 100»). Подвижный проводящий узел 40 может перемещаться между замкнутым положением (фиг. 1А) и разомкнутым положением (фиг. 1В) с помощью гофров 60, что способствует сохранению герметичной вакуумной камеры в изолированном корпусе 20. Каждый их двух валов 32 и 42 может быть выполнен из электропроводящего материала типа меди, благодаря чему подаваемый извне ток может проходить через вал 32/42 в сторону к соответствующей контактной группе 100 или в сторону от нее.
[0019] В процессе работы, когда блок 10 вакуумного прерывателя находится в замкнутом положении (фиг. 1А), контактные группы 100-1 и 100-2 оказываются совместно в разреженной среде (например, в вакуумной камере 28), при этом ток, подаваемый по валу 32 и 42, начинает протекать через контактные группы 100-1 и 100-2 к другому валу 42 или 32. При переходе из замкнутого положения в разомкнутое (фиг. 1В) контактные группы 100-1 и 100-2 разделяются, при этом из испаряющегося материала этих контактных групп 100-1 и 100-2 может формироваться дуга в атмосфере паров металла, полученная из тока переключения.
[0020] Как правило, при приближении электрических токов к расчетным пределам дуга в парах металла может приводить к эрозии контактных групп 100-1 и 100-2. При работе с контактами традиционных типов при токах свыше 10 кА дуга в парах металла стремится к сужению, что может повлечь за собой локальное разрушение контакта с невозможностью гашения дуги в парах металла. Степень сужения дуги в парах металла может зависеть, среди прочего, от геометрии контактной группы. Так, например, при определенной геометрии могут генерироваться магнитные поля, влияющие на характеристики дуги в парах металла.
[0021] В соответствии с рассматриваемыми здесь вариантами осуществления с помощью контактных групп 100 может генерироваться аксиальное магнитное поле (АМП), поддерживающее дугу в парах металла в режиме неразрушающего рассеяния (например, обусловленном аксиальным магнитным полем). Как будет разъяснено далее по тексту, контактные группы 100 могут включать в себя спиральную катушку многозаходной конструкции для генерации аксиального магнитного поля между контактными группами в сильноточных системах. Вакуумный прерыватель 10 с контактными группами 100 способен демонстрировать хорошие эксплуатационные показатели в цепях с сильноточными короткими замыканиями (например, более 10 кА). Оборудование для работы в таких сильноточных режимах может включать в себя автоматический выключатель, заземляющее устройство, распределительное устройство и иную высоковольтную аппаратуру.
[0022] На фиг. 2 приведен схематический вид сбоку подвижного проводящего узла 40. На фиг. 3 приведен вид в аксонометрии с пространственным разделением деталей подвижного проводящего узла 40. На фиг. 4 приведен вид сбоку подвижного проводящего узла 40 в разрезе по линии Α-A на фиг. 2. На фиг. 5 приведен вид в увеличенном масштабе, иллюстрирующий часть В конструкции, показанной на виде сбоку в разрезе по фиг. 4. На фиг. 6А приведен вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий исходную форму 200 для катушки АМП 120. На фиг. 6В приведен вид в аксонометрии исходной формы 200. На фиг. 7А-8В приведены различные виды катушки АМП 120 после механической обработки. В частности, на фиг. 7А приведен вид с переднего торца катушки АМП 120. На фиг. 7В приведен вид сбоку катушки АМП 120. На фиг. 7С приведен вид с заднего торца катушки АМП 120. На фиг. 7D приведен вид в разрезе катушки АМП 120. На фиг. 8А и 8В приведены различные схематические виды сбоку в аксонометрии катушки АМП 120. Хотя на фиг. 2-8 В это не иллюстрируется, конфигурация неподвижного проводящего узла 30 может быть аналогичной конфигурации подвижного проводящего узла 40.
[0023] Если рассматривать совместно все фиг. 2-5, то видно, что контактная группа 100 может быть установлена на одном из концов вала 42. В состав контактной группы 100 могут входить контактный диск 110, катушка АМП 120, контактодержатель 130 и опорный диск 140. Описываемый ниже контактный диск 110, катушка АМП 120, контактодержатель 130 и опорный диск 140 могут соединены друг с другом с формированием при этом контактной группы 100 посредством пайки с использованием множества припойных колец/дисков. Контактный диск 110, катушку АМП 120, контактодержатель 130 и опорный диск 140 обычно устанавливают соосно друг с другом и с валом 42 вдоль общей оси 44.
[0024] Контактный диск 110 может включать в себя проводящий диск, который соприкасается с другим контактом (например, в контактной группе 100-1), когда блок 10 вакуумного прерывателя находится в замкнутом положении. Этот контактный диск 110 может быть выполнен из электропроводящего материала, сводящего к минимуму испарение металла при дугообразовании, когда подвижный проводящий узел 40 перемещается из замкнутого положения в разомкнутое. В соответствии с одним из вариантов осуществления контактный диск 110 может быть выполнен из сплава медь(Cu)/хром(Cr).
[0025] Как показано на фиг. 2-5 и 7A-8D, катушка АМП 120 может включать в себя несколько (например, две или более) спиральных секций 111 из электропроводящего материала, например меди. В соответствии с одним из вариантов осуществления, как показано на приложенных чертежах (например, на фиг. 5), катушка АМП 120 может содержать три спиральные секции 122-1, 122-2 и 122-3 (ниже мы называем их единым понятием «спиральные секции 122» или обобщенно «спиральная секция 122»), которые соединены друг с другом на основании 124. Ближний конец каждой спиральной секции 122 может быть объединен с основанием 124, а дальний конец каждой спиральной секции 122 может быть выполнен сужающимся с формированием при этом контактной области 123 (фиг. 7А). Все спиральные секции 122 могут иметь общую ось 44 (например, могут быть ориентированы в осевом направлении относительно нее). Каждая контактная область 123 может находиться в одной плоскости с контактными областями каждой другой спиральной секции 122 и может быть при необходимости прикреплена (например, припаяна) к контактному диску 110. В соответствии с иллюстрируемой здесь конфигурацией три спиральных секции 122 смещены в радиальном направлении относительно друг друга на 120 градусов и переплетены друг с другом с формированием катушки. В соответствии с одним из вариантов осуществления каждая спиральная секция 122 (например, проходящая от ближнего конца у основания 124 до противоположного дальнего конца) соответствует примерно 0,7 оборота окружности всей катушки АМП 120. В результате этого катушка АМП 120 фактически имеет 2,1 полных оборота (0,7×3). Следует понимать, что при использовании других вариантов осуществления каждая спиральная секция может соответствовать какому-либо большему или меньшему числу оборотов и/или можно предусмотреть большее число спиральных секций 122.
[0026] Как показано на фиг. 2-5, основание 124 может быть присоединено (например, припаяно) к опорному диску 140 с использованием припойного диска 126. Опорный диск 140 может быть в общем изготовлен из прочного материала с большим удельным электрическим сопротивлением, например из нержавеющей стали, который не оказывает воздействия на аксиальное магнитное поле, создаваемое катушкой АМП 120. Припойный диск 126 может быть изготовлен из меди или другого материала, пригодного для пайки материалов катушки АМП 120 и опорного диска 140. Припойный диск 128 может быть использован для соединения дальних концов спиральных секций 122 (то есть концов, противоположных по отношению к основанию 124) с контактным диском 110. Припойный диск 128 может быть изготовлен из меди или иного материала, пригодного для пайки материалов катушки АМП 120 и контактного диска 110.
[0027] Контактодержатель 130 может иметь цилиндрическую форму, чтобы обеспечивать осевую опору для катушки АМП 120. Этот контактодержатель 130 может быть установлен в середине катушки АМП 120, а его размеры могут быть выбраны такими, чтобы осевая длина контактодержателя 130 позволяла предотвратить сжатие катушки АМП 120. Конкретнее, контактодержатель 130 расположен между основанием 124 и контактным диском 110, чтобы поддерживать нужную конфигурацию (например, шаг/зазори) спиральных секций 122. В соответствии с одним из вариантов осуществления контактодержатель 130 выполнен с возможностью выдерживать сжимающие усилия до 200 фунтов (например, когда контактная группа 100-2 перемещается в замкнутое положение в блоке 10 вакуумного прерывателя). Контактодержатель 130 может в общем выполняться из твердого материала, не влияющего на аксиальное магнитное поле, генерируемое в катушке АМП 120. В соответствии с одним из вариантов осуществления контактодержатель 130 может быть изготовлен из материала с удельным электрическим удельным сопротивлением, превышающим 6Е-07 Ом⋅м, такого как некоторые сорта нержавеющей стали.
[0028] Один конец контактодержателя 130 может быть присоединен (например, припаян) к основанию 124 с помощью припойного диска 132. Этот припойный диск 132 может быть изготовлен из серебряного сплава или другого материала, пригодного для пайки материалов катушки АМП 120 и контактодержателя 130. Для присоединения противоположного конца контактодержателя 130 к контактному диску 110 можно использовать припойный диск 134. Этот припойный диск 134 может быть изготовлен из серебряного сплава или другого материала, пригодного для пайки материалов контактодержателя 130 и контактного диска 110. Как показано на фиг. 5, припойное кольцо 136 может быть помещено в месте стыка основания 124 с контактодержателем 130 и на центрирующем выступе 142 вала 42.
[0029] Перейдем к рассмотрению фиг. 6А и 6В. Изображенная здесь исходная форма 200 может включать в себя цилиндр 202 и выполненное за одно целое с ним основание 124. В соответствии с описываемыми здесь вариантами осуществления спиральные секции 122 могут быть получены путем станочной обработки стенки сплошного цилиндра 202 и основания 124 исходной формы 200. Для этой исходной формы 200 могут быть приняты конкретные нужные значения высоты (Н), толщины (Т) стенки, толщины (В) основания и длины окружности с целью получения в спиральных секциях 22 площади поверхности, необходимой для проведения электрического тока в направлениях к валу 42 и от него. В соответствии с одним из вариантов осуществления, максимальная толщина В основания в направлении общей оси 44 может быть меньше максимальной толщины Τ стенки (и соответствующей толщины каждой из спиральных секций 122) в направлении, ортогональном к общей центральной оси.
[0030] Как показано на фиг. 6А, в основании 124 могут быть выполнены центрирующее отверстие 204 и углубление 206. В центрирующее отверстие 204 может входить центрирующий выступ 142 после монтажа контактной группы 100 (в случае ее сборки) на валу 42. В углубление 206 может входить и центрироваться в нем контактодержатель 130 в случае, когда этот контактодержатель 130 собран в катушке АМП 120.
[0031] Как показано, например, на фиг. 7С, спиральные секции 122 могут быть симметрично распределены по окружности катушки АМП 120. Так, при работе с системой из трех спиральных секций, представленной на фиг. 7А-8В, исходные точки или прорези для каждой из спиральных секций 122 могут быть радиально смещены относительно друг друга на 120 градусов.
[0032] Длина каждой спиральной секции 122 (ее называют также «ветвью спирали») может частично определяться требованиями к таким взаимосвязанным геометрическим параметрам, как высота («Н» на фиг. 7В, то есть величина, равная высоте исходной формы 200), шаг («Р» на фиг. 7D) каждой прорези для спиральной секции 122, ширина («W» на фиг. 7D) каждой прорези и площадь 125 поперечного сечения каждой спиральной секции 122. На высоту Η могут накладываться ограничения по пространству в вакуумной камере 28. На шаг Ρ могут накладываться ограничения, связанные с требуемой площадью поперечного сечения и шириной W между смежными спиральными секциями 122. Ширина W каждой прорези должна быть достаточной для получения воздушного зазора, требуемого для изоляции от электрического тока через каждую спиральную секцию 122. В соответствии с описываемыми здесь вариантами осуществления ширина W может измеряться вдоль (или параллельно) общей оси 44. Площадь поперечного сечения спиральных секций 122 может определяться требованиями к току/напряжению и в зависимости от площади поперечного сечения вала 42.
[0033] В качестве одного из примеров укажем, что при высоте H 0,6 дюйма, шаге Ρ 0,86 дюйма, ширине W 0,07 дюйма и площади поперечного сечения каждой спиральной секции 122, равной 0,0441 кв. дюйма, удается получить ветвь спирали 122 с числом оборотов окружности 0,7 для всей катушки АМП 120 от основания 124 катушки АМП 120 до дальнего конца каждой спиральной секции. В результате этого три спиральных секции 122 катушки АМП 120 фактически обеспечивают 2,1 полных оборота (т.е. 0,7×3). Совершенно очевидно, что при использовании других вариантов осуществления могут быть применены иные значения Η, Ρ и W.
[0034] В соответствии с другими вариантами осуществления можно использовать любую конфигурацию множества спиральных секций 122 для получения общего количества оборотов (или витков) больше двух. Так, например, можно использовать спиральные секции, по меньшей мере, с 1,0 оборота или четыре спиральных секции, по меньшей мере, с 0,5 оборота. Множество спиральных секций могут быть, в общем, симметрично распределены (например, с одинаковым радиальным смещением и шагом для всех спиральных секций) по окружности катушки АМП 120.
[0035] В соответствии с одним из описываемых здесь вариантов осуществления контактная группа, подлежащая использованию в вакуумном прерывателе, может включать в себя контактный диск из первого электропроводящего материала (то есть сплава Cu/Cr), катушку и контактодержатель. Катушка изготовлена из второго электропроводящего материала (т.е. Cu) и содержит множество спиральных секций с общей осью. Каждая из спиральных секций имеет ближний конец и дальний конец, при этом каждая из спиральных секций соединена на ближнем конце с основанием, выполненным из второго электропроводящего материала, и соединена на дальнем конце с контактным диском. Контактодержатель центрируется в осевом направлении в катушке и располагается между основанием и контактным диском.
[0036] В соответствии с другим вариантом осуществления можно установить одинаковые контактные группы (например, контактные группы 100-1 и 100-2) на неподвижном проводящем валу (например, на валу 32) и подвижном проводящем валу (например, на валу 42) в вакуумной камере (например, вакуумной камере 28).
[0037] Хотя выше были раскрыты и проиллюстрированы на чертежах некоторые типовые варианты осуществления, их не следует рассматривать как исчерпывающие или ограничивающие использование предложенных вариантов лишь конкретными раскрытыми здесь формами. Возможно внесение различных изменений и модификаций с учетом изложенных выше принципов или же на основе приобретенного практического опыта. Так, в частности, можно применить описанные выше варианты осуществления в сочетании с другими системами, такими как аппаратура на среднее напряжение или низковольтная аппаратура.
[0038] Хотя выше приведено подробное раскрытие изобретения, следует четко понимать, что специалистам в данной области должно быть очевидно, что возможно внесение в это изобретение изменений при сохранении сущности изобретения. Можно вносить в изобретение различные изменения, касающиеся формы, конструкции или компоновки, не выходя при этом за рамки объема и сущности изобретения. Таким образом, приведенное выше описание следует рассматривать не как ограничивающее, а как иллюстративное, при этом объемом изобретения будет считаться тот, который определен в нижеследующих пунктах формулы изобретения.
[0039] Ни один элемент, действие или указание, использованные при описании настоящей заявки, не могут быть истолкованы как имеющие решающее значение или существенно важные для изобретения, если только это не оговорено специально. Кроме того, артикль «а», присутствующий в оригинальном тексте заявки на английском языке, следует понимать в данном контексте как относящийся к одному или большему количеству объектов. Наконец, выражение «основанный на» должно пониматься, если иное не оговорено особо, как ««основанный, по меньшей мере частично, на».