ЭЛЕМЕНТ СВЯЗИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ВАКУУМНОГО РТУТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
ELEMENT OF COMMUNICATION FOR ELECTRICAL SWITCHING UNIT, IN PARTICULAR FOR A VACUUM MERCURY SWITCH

Изобретение касается элемента связи для электрического коммутационного аппарата, в частности для вакуумного ртутного выключателя.
Коммутационные аппараты используются в низковольтном диапазоне, в диапазоне средних напряжений и в высоковольтном диапазоне для размыкания и замыкания электрических рабочих контактов. Обычно при этом применяются вакуумные ртутные выключатели, у которых электрические рабочие контакты находятся в вакууме, благодаря чему обеспечивается высокая прочность на пробой. Желательно, чтобы коммутационные аппараты были сконструированы простыми и компактными. Однако достижению этой цели противостоит сложная кинематика движений рабочих контактов в этих электрических коммутационных аппаратах.
Из уровня техники известны различные варианты того, как могут приводиться в действие рабочие контакты в электрических коммутационных установках и, в частности, в вакуумных ртутных выключателях. Например, в EP 2312606 B1 описано использование магнитного привода в том же корпусе, что и вакуумная трубка. В старых системах (например, система VM1 фирмы ABB) часто имелась рычажная передача между приводом и вакуумным ртутным выключателем, тогда как новые разработки, как например, CN 201788887 U или CN 202159623 U предлагают прямой привод, т.е. непосредственное и тем самым компактное соединение между приводным элементом и вакуумным ртутным выключателем.
Подобная конструкция используется в так называемых «устройствах повторного включения» (recloser), где вакуумный ртутный выключатель тоже приводится в действие посредством прямого привода от магнитного привода (см., например, EP 0580285 A2 или также CN 2350863 Y).
И наконец, в DE 10238950 B4 описано устройство, в котором вакуумный ртутный выключатель и привод совмещены так, что последний помещен не в зоне вакуума коммутационной трубки. Далее, там описывается, что на приводе поддерживается электрический потенциал среднего напряжения, благодаря чему можно отказаться от электрической изоляции между приводом и коммутационной трубкой.
Задачей изобретения является создание элемента связи для электрического коммутационного аппарата, с помощью которого вращательное движение привода коммутационного аппарата может быть просто и гибко преобразовано в линейное движение рабочих контактов.
Эта задача решается посредством элемента связи с признаками, приведенными в независимом пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации данного изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах, последующем описании и на чертежах.
Предлагаемый изобретением элемент связи предназначен для электрического коммутационного аппарата, под которым согласно одному предпочтительному варианту подразумевается вакуумный ртутный выключатель. Тем не менее, этот элемент связи может применяться также и в других коммутационных аппаратах в низковольтном диапазоне, в диапазоне средних напряжений и в высоковольтном диапазоне. Элемент связи содержит первый рабочий контакт для размыкания и замыкания электрического контактирования со вторым рабочим контактом.
В предлагаемом изобретением элементе связи предусмотрен вытянутый каркас катушки с двумя противоположными в продольном направлении его продольной оси концами, причем на одном конце расположен первый рабочий контакт. Далее, этот элемент связи содержит вращающееся тело, через которое проходит каркас катушки и которое предназначено для соединения с приводом, чтобы с помощью привода выполнять вращательное движение. Это вращающееся тело имеет две стороны, одна из которых обращена к одному концу каркаса катушки, а другая обращена к другому концу каркаса катушки. Вращающееся тело установлено на каркасе катушки с возможностью вращения, а каркас катушки направляется линейно, так что он не вращается вокруг своей продольной оси, однако, может перемещаться в своем продольном направлении относительно вращающегося тела.
В предлагаемом изобретением каркасе катушки с одной или с обеих сторон вращающегося тела между вращающимся телом и каркасом катушки расположено по некоторому количеству гибких проволок (т.е. по меньшей мере одна проволока) и, в частности, множество проволок натянуто таким образом, что за счет противоположно направленных вращательных движений вращающегося тела вызывается наматывание этих одной или нескольких проволок на каркас катушки и разматывание с него, и благодаря этому каркас катушки движется в его продольном направлении относительно вращающегося тела для размыкания и замыкания для электрического контакта между первым рабочим контактом и вторым рабочим контактом.
Предлагаемый изобретением элемент связи простым и эффективным образом преобразует вызываемое посредством привода вращательное движение в размыкающие и замыкающие движения рабочих контактов. За счет соответствующего формообразования каркаса катушки, на который наматываются и с которого разматываются проволоки, кинематика движения первого рабочего контакта может гибко согласовываться с желаемыми характеристиками.
В одном предпочтительном варианте вращающееся тело представляет собой дискообразное тело, обе стороны которого имеют форму круга, причем каркас катушки предпочтительно проходит через середину дискообразного тела. Благодаря этому достигается компактная конструкция элемента связи. Дискообразное тело в одном варианте выполнения данного изобретения содержит отдельный диск, но при необходимости может содержать и несколько дисков, которые расположены в продольном направлении каркаса катушки рядом друг с другом, а при необходимости находятся на расстоянии друг от друга.
В другом, особенно предпочтительном варианте предлагаемого изобретением элемента связи с одной или с обеих сторон вращающегося тела каждая из указанных одной или нескольких проволок, расположенных на соответствующей стороне, одним концом прикреплена к вращающемуся телу, в частности, к краю вращающегося тела, а другим концом прикреплена к каркасу катушки, причем такое крепление на каркасе катушки предусмотрено предпочтительно на том конце каркаса катушки, к которому обращена соответствующая сторона вращающегося тела. Согласно этому варианту обеспечивается эффективное преобразование вращательного движения вращающегося тела в линейное движение каркаса катушки. Понятие «соответствующая сторона» здесь и в дальнейшем подразумевает только одну отдельную сторону, если упомянутое количество проволок предусмотрено лишь на одной стороне.
В еще одном варианте выполнения предлагаемого изобретением элемента связи с одной или с обеих сторон вращающегося тела указанные проволоки, которые расположены на соответствующей стороне, на виде сверху этой соответствующей стороны вращающегося тела позиционированы симметрично вокруг каркаса катушки. За счет этого обеспечивается равномерное преобразование вращательного движения в движение подъема. «Симметрично» означает, что угол между соседними проволоками на виде сверху соответствующей стороны имеет одинаковую величину.
В другом варианте выполнения с одной или с обеих сторон вращающегося тела указанные проволоки, расположенные на соответствующей стороне, включают в себя одну или несколько пар проволок, причем указанные проволоки каждой пары на виде сверху соответствующей стороны вращающегося тела смещены на 180° вокруг продольной оси каркаса катушки. За счет этого достигается простая конструкция элемента связи.
В еще одном, особенно предпочтительном варианте выполнения проволоки расположены на обеих сторонах вращающегося тела таким образом, что при вращательном движении вращающегося тела в одном направлении проволоки наматываются с одной стороны и разматываются с другой стороны, а при вращательном движении вращающегося тела в другом направлении эти проволоки разматываются с одной стороны и наматываются с другой стороны. Благодаря этому простым образом обеспечивается кинематика как для размыкания, так и для замыкания рабочих контактов.
Каркас катушки в зависимости от требований к элементу связи может быть выполнен различным образом. Как правило каркас катушки в поперечном сечении имеет форму круга. Каркас катушки может представлять собой, например, цилиндрический стержень с постоянным, имеющим форму круга поперечным сечением, благодаря чему обеспечивается постоянная скорость движения первого рабочего контакта. Тем не менее, диаметр кругового поперечного сечения не обязательно должен быть постоянным вдоль продольного направления каркаса катушки.
Для того, чтобы варьировать кинематику движения первого рабочего контакта, каркас катушки в другом варианте выполнения данного изобретения с одной или с обеих сторон вращающегося тела имеет такую форму, что его толщина и, в частности, диаметр его кругового поперечного сечения (если оно круговое) варьируется вдоль его продольного направления (по меньшей мере на отдельных участках) и, в частности, постоянно увеличивается или уменьшается.
В одном варианте только что описанного примера осуществления толщина каркаса катушки со стороны вращающегося тела, обращенной к концу каркаса катушки с расположенным на нем первым рабочим контактом, увеличивается в продольном направлении каркаса катушки к этому концу. За счет этого обеспечивается прогрессивное передаточное отношение, при котором первый рабочий контакт при незначительном расстоянии от второго рабочего контакта движется быстрее, так что электрический контакт быстрее размыкается и размыкается. Этот вариант позволяет предотвратить возникновение электрических пробоев между первым и вторым рабочим контактом. Предпочтительно в этом варианте толщина каркаса катушки с другой стороны вращающегося тела в продольном направлении каркаса катушки уменьшается к другому концу каркаса катушки. В частности, форма каркаса катушки с одной стороны соответствует форме каркаса катушки с другой стороны. Благодаря этому обеспечивается равномерное наматывание и разматывание проволок на обеих сторонах вращающегося тела, и тем самым предотвращается ослабление этих проволок.
В другом варианте толщина каркаса катушки с той стороны вращающегося тела, которая обращена к концу каркаса катушки с расположенным первым рабочим контактом, уменьшается в продольном направлении каркаса катушки к этому концу. За счет этого обеспечивается дегрессивное передаточное отношение, при котором при меньшем расстоянии между первым рабочим контактом и вторым рабочим контактом движение первого рабочего контакта замедляется. В этом варианте выполнения предпочтительно толщина каркаса катушки с другой стороны вращающегося тела в продольном направлении каркаса катушки возрастает к другому концу каркаса катушки. В частности, форма каркаса катушки с одной стороны соответствует форме каркаса катушки с другой стороны. Благодаря этому тоже обеспечивается равномерное наматывание и разматывание проволок с обеих сторон, и тем самым предотвращается ослабление проволок.
В одном варианте выполнения предлагаемого изобретением элемента связи первый рабочий контакт на одном конце каркаса катушки непосредственно соединен с этим каркасом катушки. Тем не менее, это соединение может быть и опосредованным через лежащий между ними пружинный элемент, благодаря чему кинетическая энергия накапливается при замыкании контакта.
В другом варианте выполнения предлагаемого изобретением элемента связи по меньшей мере часть проволок с одной стороны или с обеих сторон вращающегося тела содержат пружинные элементы. Точно так же соответствующие проволоки могут быть при необходимости выполнены упругими. При этом варианте обеспечивается предварительное натяжение проволок, а тем самым и противодействие возникновению различий в скоростях намотки на противоположных сторонах каркаса катушки.
Помимо предлагаемого изобретением элемента связи данное изобретение касается коммутационного аппарата, в частности вакуумного ртутного выключателя, в котором может размыкаться и замыкаться электрический контакт между первым рабочим контактом и вторым рабочим контактом, причем коммутационный аппарат содержит предлагаемый изобретением элемент связи или, соответственно, один или несколько предпочтительных вариантов предлагаемого изобретением элемента связи для размыкания и замыкания электрического контакта.
Примеры выполнения данного изобретения ниже детально описаны с привлечением прилагаемых чертежей.
На них показано следующее.
Фиг. 1 - Фиг. 3 схематичные представления одного варианта выполнения предлагаемого изобретением элемента связи в различные моменты времени его движения; и
Фиг. 4 - Фиг. 7 различные варианты предлагаемого изобретением элемента связи.
Ниже данное изобретение поясняется на примере элемента связи, предназначенного для того, чтобы размыкать и замыкать рабочие контакты в вакуумном ртутном выключателе. Тем не менее, предлагаемый изобретением элемент связи может использоваться также и в других коммутационных аппаратах для размыкания и замыкания электрического контакта.
На Фиг. 1 - Фиг. 3 показан первый вариант выполнения предлагаемого изобретением элемента 10 связи. С помощью этого элемента связи приводится в действие контактная система, состоящая из дискообразных рабочих контактов 1 и 2, причем для этого рабочий контакт 1 приводится в движение относительно рабочего контакта 2. При контактировании обоих рабочих контактов 1 и 2 замыкается контур тока и обеспечивается прохождение тока через рассматриваемый ниже электропроводящий каркас 3 катушки и контактную систему рабочих контактов 1 и 2. Это прохождение тока может быть снова прервано путем размыкания контактной системы посредством движения друг от друга обоих рабочих контактов 1 и 2.
Рабочий контакт 1 закреплен на нижнем конце 301 каркаса 3 катушки, который в дальнейшем называется также стержнем намотки. Каркас 3 катушки установлен с возможностью линейного перемещения вдоль своей продольной оси и не может вращаться. На каркасе катушки вращающееся тело 4 установлено с возможностью вращения, т.е. это вращающееся тело может вращаться на каркасе катушки. Вращающееся тело содержит два расположенных на расстоянии друг от друга диска 401 и 402, между которыми находится кольцевой подшипник 403, посредством которого осуществляется опирание вращающегося тела 4 на стержень 3 намотки. Каркас 3 катушки через соответствующие отверстия в центре дисков 401 и 402 проходит сквозь подшипник 403.
Элемент связи по Фиг. 1 характеризуется тем, что вращательное движение вращающегося тела 4, создаваемое с помощью не показанного привода (например, пружины или внешнего двигателя), преобразуется в линейное движение рабочего контакта 1 с использованием гибких проволок 6 и 6'. При этом на верхней стороне 405 диска 402 предусмотрены две противоположные гибкие проволоки 6, которые смещены относительно друг друга на 180° и на одном конце соединены с краем диска 402, а на другом конце соединены с верхним концом 302 стержня 3 намотки. Аналогично этому на нижней стороне 404 диска 401 предусмотрены две гибкие проволоки 6', которые в свою очередь смещены относительно друг друга на 180°, и при этом один конец закреплен на краю диска 401, а другой конец закреплен на нижнем конце 301 стержня 3 намотки.
Посредством вызываемого приводом вращательного движения вращающегося тела 4 обеспечивается наматывание проволок 6 и 6' на стержень 3 намотки или, соответственно, их разматывание с него, что вследствие линейного направления стержня намотки ведет к его движению в продольном направлении и тем самым к размыканию или, соответственно, замыканию рабочих контактов 1 и 2. На Фиг. 1 показано состояние, в котором оба рабочих контакта 1 и 2 находятся в разъединенном положении. В этом состоянии обе проволоки 6' намотаны на нижнюю часть каркаса 3 катушки, так что свободные длины этих проволок укорочены, и рабочий контакт 1 расположен в верхнем положении на максимальном расстоянии от рабочего контакта 2. Одновременно гибкие проволоки 6 на верхней стороне 405 вращающегося тела 4 находятся в размотанном состоянии.
Если теперь осуществляется переход из разъединенного положения в положение контакта обоих рабочих контактов 1 и 2, то с помощью привода обеспечивается вращательное движение вращающегося тела в показанном стрелкой R направлении (см. Фиг. 2). Вследствие этого проволоки 6' разматываются, тогда как проволоки 6 наматываются. Это создает силу, действующую на стержень 3 намотки вниз, так что контакт 1 приближается к контакту 2, как это видно на Фиг. 2. На изображении на Фиг. 3 вращение вращающегося тела теперь продолжилось настолько, что достигнуто положение контакта, в котором создается замыкание контакта между обоими рабочими контактами 1 и 2.
От замкнутого положения по Фиг. 3 контакт за счет поворота вращающегося тела против показанного направления R может быть снова разомкнут, причем в этом случае проволоки 6' снова наматываются на каркас катушки, тогда как проволоки 6 разматываются с каркаса катушки, что обусловливает силу, направленную вверх. И наконец, снова достигается разъединенное положение по Фиг. 1. В одном предпочтительном варианте элемент связи с помощью подходящих запорных механизмов может быть (разъемно) зафиксирован как в положении контакта, так и в разъединенном положении.
Показанное в варианте выполнения по Фиг. 1 - Фиг. 3 расположение проволок может варьироваться в зависимости от требований. В частности, на каждой стороне вращающегося тела при необходимости могут быть предусмотрены также больше, чем две проволоки, если, например, передаваемое усилие превышает допустимую растягивающую нагрузку на всего две проволоки. Симметричное расположение проволок как над вращающимся телом, так и под ним, такое же, как и в варианте выполнения по Фиг. 1 - Фиг. 3, является целесообразным, так как благодаря этому могут подходящим образом передаваться силы как вверх, так и вниз.
Тем не менее, при необходимости проволоки могут быть предусмотрены также только на одной стороне вращающегося тела 4, чтобы обеспечить приложение силы только в одном направлении, например, поскольку для движения стержня намотки в другом направлении достаточно силы тяжести. Если исходить, например, из того, что вертикальное направление сверху вниз на Фиг. 1 - Фиг. 3 соответствует направлению силы тяжести, то при необходимости можно предусмотреть проволоки 6', которые, начиная от состояния по Фиг. 3, при вращении против направления R вызывают размыкание контакта, тогда как замыкание контакта, напротив, вызывается чисто действием силы тяжести.
На Фиг. 4 - Фиг. 7 показаны варианты предлагаемого изобретением элемента связи. Одинаковые или соответствующие друг другу конструктивные элементы обозначены теми же ссылочными позициями, что и в варианте выполнения по Фиг. 1 - Фиг. 3. По конструкции и принципу действия элементы связи по Фиг. 4 - Фиг. 7 в значительной мере соответствуют элементам связи по Фиг. 1 - Фиг. 3, так что элементы связи по Фиг. 4 - Фиг. 7 не будут ниже описываться детально, а будут разъяснены только отличия этих элементов связи от элемента связи по Фиг. 1 - Фиг. 3.
Элемент связи по Фиг. 4 по существу соответствует элементу связи по Фиг. 1 - Фиг. 3, причем в качестве каркаса 3 катушки применяется относительно тонкий стержень намотки, вследствие чего за оборот вращающегося тела 4 разматывается или, соответственно, наматывается меньше проволоки, и за счет этого вызывается более медленное движение каркаса катушки, а тем самым и более медленное размыкание или, соответственно, замыкание контактов 1 и 2.
В отличие от представленного на Фиг. 4 каркас катушки элемента связи по Фиг. 5 выполнен в виде цилиндрического стержня существенно большей толщины. Вследствие этого больше проволоки на виток наматывается или, соответственно, разматывается при вращении вращающегося тела 4, и за счет этого обеспечивается более быстрое относительное движение контактов 1 и 2, а тем самым и более быстрый процесс размыкания или, соответственно, замыкания.
На Фиг. 6 показана форма каркаса 3 катушки, при которой нижняя часть каркаса катушки со стороны 404 вращающегося тела 4 выполнена в форме бутылочного горлышка с диаметром, уменьшающимся к рабочему контакту 1. За счет этого обеспечивается дегрессивное передаточное отношение, т.е. чем дальше вниз продолжается линейное движение каркаса 3 катушки, тем медленнее становится это движение. Благодаря этому можно добиться мягкого касания рабочего контакта 1 с рабочим контактом 2.
В противоположность представленному на Фиг. 6 нижняя часть каркаса 3 катушки по Фиг. 7 сформирована как бутылочное горлышко в обратном направлении, т.е. диаметр каркаса катушки увеличивается от стороны 404 вращающегося тела 4 к рабочему контакту 1. Этим вариантом обеспечивается прогрессивное передаточное отношение, при котором перед замыканием рабочих контактов 1 и 2 достигается явное ускорение движения рабочего контакта 1 вследствие более быстрого разматывания проволок 6'. Этот вариант выполнения применяется в том случае, если предпочтителен медленный запуск движения рабочего контакта 1 из разъединенного положения, но одновременно должна повышаться скорость замыкания при почти сомкнутых рабочих контактах, например, чтобы предотвратить возникновение электрических пробоев. Этот вариант данного изобретения очень подходит для применения для рабочих контактов в вакуумном ртутном выключателе.
В вариантах по Фиг. 6 и Фиг. 7 в верхних проволоках 6 размещены пружинные элементы 5. При необходимости эти пружинные элементы могут быть дополнительно предусмотрены и в проволоках 6'. С помощью этих пружинных элементов может точно регулироваться предварительное натяжение проволок. Возможные различия в скоростях намотки проволок 6 и 6' на противоположные стороны каркаса катушки могут восприниматься этими пружинными элементами и сводиться лишь к легкому изменению предварительного натяжения проволок. Далее, пружинные элементы могут быть рассчитаны так, что они обладают относительно большим прогибом пружинного элемента и за счет этого стабильно поддерживают предварительное натяжение даже в течение длительного времени эксплуатации. При необходимости можно также вместо использования пружинных элементов сами проволоки выполнять упругими.
В вариантах выполнения по Фиг. 6 и Фиг. 7, кроме того, верхняя часть каркаса катушки выполнена цилиндрической. В видоизмененных вариантах выполнения по Фиг. 6 и Фиг. 7 верхняя часть каркаса катушки выполняется точно такой же, как и нижняя часть. Другими словами, в варианте выполнения по Фиг. 6 и Фиг. 7 верхняя часть каркаса катушки (за исключением участка, который при замыкании контакта входит в подшипник 403) выполнена точно такой же, как и нижняя часть - в форме бутылочного горлышка, причем толщина этого бутылочного горлышка на Фиг. 6 увеличивается к верхнему концу 302 каркаса катушки, а на Фиг. 7 уменьшается к верхнему концу 302 каркаса катушки.
Благодаря этому предотвращается ослабление проволок при их наматывании или, соответственно, разматывании. За счет этого, например, в том случае, если медленнее наматывается проволока на верхней части каркаса катушки, то и соответствующая проволока на нижней части каркаса катушки тоже разматывается медленнее, и тем самым не провисает. И наоборот, при описанном выше варианте предотвращается возможность того, что проволока на верхней части каркаса катушки будет наматываться быстрее, чем будет разматываться соответствующая проволока на нижней части каркаса катушки, что в противном случае могло бы привести к блокировке кинематики.
В еще одном (не показанном) варианте осуществления данного изобретения возможны и более сложные формы каркаса катушки, чтобы обеспечить дальнейшее согласование динамики преобразования, например, для подгонки под совершенно определенные электрические рабочие контакты или, соответственно, под физику электрической дуги.
Описанные выше варианты выполнения данного изобретения обладают рядом преимуществ. Благодаря преобразованию вращательного движения в линейное движение путем наматывания или, соответственно, разматывания проволок на каркасе катушки может быть простым образом и без проблем установлено желаемое отношение плеч рычага, и за счет формы каркаса катушки на него можно влиять в широком диапазоне. В частности, могут использоваться прогрессивные и дегрессивные формы каркаса катушки для того, чтобы целенаправленно оказывать влияние на скорости в конечных положениях рабочих контактов. В предпочтительных вариантах используемые проволоки могут быть снабжены пружинными элементами или выполнены упругими, благодаря чему обеспечивается стабильное и длительное предварительное натяжение проволок, а также компенсируются возможные разности в скоростях между верхней частью и нижней частью каркаса катушки.