ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
VACUUM CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вакуумным выключателям и их приводам.
Из уровня техники известен электромагнитный привод вакуумного выключателя, содержащий магнитопровод, круглый якорь, постоянные магниты, установленные одноименными полюсами в сторону рабочего зазора в статоре, а также механизм ручного отключения с магнитными пластинами, которыми шунтируют основной магнитный поток и обеспечивают ослабление удержания магнитной защелки (RU 2310941, 20.11.2007).
Известен также электромагнитный привод вакуумного выключателя, содержащий магнитотвердое наружное кольцо с одним неперемагничиваемым участком из постоянного магнита (RU 82929, 10.05.2009).
Недостатками вышеуказанных аналогов являются противодействие постоянных магнитов при изменении на противоположное поля электромагнита для отключения, а также недостаточная надежность и необходимость дополнительного пространства для устойчивой работы вала отключения первого при шунтировании поля удерживающих магнитов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вакуумный выключатель модульный серии «TEL», где каждый модуль выключателя снабжен собственным электромагнитным приводом, содержащим магнитную защелку и единую катушку на включение и отключение, причем защелка формируется в удерживающем пояске в виде кольцевой замковой зоны. Внешнее кольцо электромагнита выполнено из магнитотвердого материала, а якорь и остальные детали привода - магнитомягкие. Выключатель также имеет вакуумную камеру с одним подвижным контактом и тяговым изолятором. Все модули синхронизируются единым валом, постоянные магниты которого управляют герконовыми блок-контактами (RU 2020631, 30.09.1994).
Недостатками вышеуказанной конструкции являются нестабильность сохранения намагниченности кольца, а также формирование, при частых коммутациях, эрозии на поверхности удерживающего пояска якоря вследствие воздействия блуждающих токов и накопление продуктов сгорания в рабочей замковой зоне, что приводит к самоотвалу защелки. Также недостатком является применение герконов в качестве блок-контактов, поскольку они очень чувствительны к любым магнитным полям, в частности к мощному полю от электромагнитного привода в момент включения выключателя, что часто приводит к ложному срабатыванию последних. Важным недостатком прототипа является ручное аварийное отключение, выполняемое поворотом синхронизирующего вала, что затруднено при больших значениях силы удержания магнитной защелки и усложняет эксплуатацию выключателя. Также недостатком рассматриваемого выключателя является отсутствие счетчика отключений.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании вакуумного выключателя, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении надежности и улучшении эксплуатационных свойств выключателя.
Указанный технический результат в вакуумном выключателе, содержащем по меньшей мере один модуль с электромагнитным приводом с магнитной защелкой в замковой зоне, имеющим якорь, вакуумную камеру, тяговый изолятор, синхронизирующий вал, блок-контакты, ручное аварийное отключение и счетчик отключений, достигается тем, что якорь снабжен постоянными магнитами, ориентированными одноименно к замковой зоне с зазором с переменной величиной для регулирования притяжения, причем постоянные магниты расположены симметрично внутрь от замковой зоны и формируют магнитную ловушку.
Вакуумная камера содержит подвижный и неподвижный контакты.
Между подвижным контактом и тяговым изолятором встроен шарнир.
Блок-контакты выполнены путевыми микровыключателями.
Синхронизирующий вал через проушины передает движение компенсационно-демпферному механизму, выполненному с возможностью воздействия на микровыключатели.
Ручное аварийное отключение выполнено рычажно-воздействующим механизмом на якорь с блокировкой от случайных включений, а якорь выполнен с возможностью наклона и ослабления магнитосцепления замковой зоны.
Рычажно-воздействующий механизм содержит вал, концы которого снабжены взаимно перпендикулярными выступами, один из которых выполнен с возможностью отключения, а другой - блокировки от случайного включения.
Счетчик отключений снабжен рычагом с магнитом и демпфером.
На синхронизирующем вале расположен кулачок, выполненный с возможностью обкатывания магнита счетчика отключений по дуге.
Повышение надежности и улучшение эксплуатационных свойств выключателя достигается тем, что в якорь, встраивают постоянные магниты и ориентируют их одноименно к замковой зоне, при этом между рабочей поверхностью магнита и замковой площадкой устанавливают зазор, выполненный с возможностью регулирования и переменной/изменяемой величиной которого устанавливают необходимую силу притяжения якоря. Магниты располагают симметрично оси якоря и внутрь от замковой зоны. Таким расположением формируют магнитную ловушку для захвата продуктов сгорания из замковой зоны и осаждения в отведенную область, выполненную в форме цилиндрического занижения в тело от замковой зоны якоря. Таким образом, якорь образует замковую зону в области прилегания, при этом постоянные магниты якоря формируют магнитную ловушку.
Введение шарнира между подвижным контактом вакуумной камеры и тяговым изолятором позволяет дополнительно повысить эксплуатационные свойства выключателя. Шарнир компенсирует линейную и угловую несоосность, что важно при последовательно-осевом размещении элементов конструкции, и обеспечивает жесткую связь, которая необходима для стабильного поджатия контактов вакуумной камеры.
Выполнение блок-контактов микровыключателями позволяет дополнительно повысить надежность, поскольку микровыключатели устойчивы к электромагнитным полям. На блок-контакты воздействуют компенсационно-демпферным механизмом. Компенсационно-демпферный механизм обеспечивает преобразование вращательного движения синхронизирующего вала в нажим на блок-контакты, а пружинный компенсатор обеспечивает мягкое, с расчетным усилием, нажатие на микровыключатели и необходимый ход срабатывания.
Введение ручного аварийного отключения, выполненного рычажно-воздействующим механизмом на якорь, дополнительно повышает эксплуатационные свойства выключателя. Ось рычага имеет два взаимно перпендикулярных выступа, один из которых отключает, наклоняя якорь и ослабляя магнитосцепление замковой зоны, другой блокирует, запрещая перемещение другого якоря при случайном включении выключателя. Синхронизирующий вал при этом удерживает от включения все электромагниты.
Также дополнительно повышаются эксплуатационные свойства выключателя введением в конструкцию (механического) счетчика отключений выключателя, который снабжают рычагом с магнитом и демпфером. Причем магнит жестко закреплен на рычаге и постоянно притянут к кулачку синхронизирующего вала, который при повороте последнего обкатывает контур (дугообразного) кулачка. Демпфер гасит дребезг в момент срабатывания счетчика и обеспечивает правильность показаний.
Все выше перечисленное позволяет получить качественно новые режимы работы выключателя, что приводит к повышению надежности функционирования устройства в целом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез модуля одной из крайних фаз; на фиг.2 - поперечный разрез модуля одной из фаз; на фиг.3 - электромагнитный привод и условное распределение магнитного поля в момент подачи команды «Включение»; на фиг.4 - электромагнитный привод и условное распределение магнитного поля в момент подачи команды «Отключение»; на фиг.5 - разрез якоря с постоянными магнитами; на фиг.6 - выносной элемент А на фиг.5; на фиг.7 - вид якоря сверху; на фиг.8 - сечение шарнира; на фиг.9 - изометрия шарнира; на фиг.10 - компенсационно-демпферный механизм (положение при включении); на фиг.11 - сечение Б-Б по фиг.10; на фиг.12 - компенсационно-демпферный механизм (положение при отключении); на фиг.13 - ручное аварийное отключение до нажатия; на фиг.14 - сечение В-В по фиг.13; на фиг.15 - сечение Г-Г по фиг.14; на фиг.16 - сечение Д-Д по фиг.14; на фиг.17 - ручное аварийное отключение в нажатом положении; на фиг.18 - сечение Е-Е по фиг.17; на фиг.19 - сечение Ж-Ж по фиг.18; на фиг.20 - сечение И-И по фиг.18; на фиг.21 - принцип воздействия при ручном аварийном отключении; на фиг.22 - счетчик с рычажным механизмом в положении выключателя «включено»; на фиг.23 - вид К на фиг.22; на фиг.24 - счетчик отключения с рычажным механизмом в положении выключателя «отключено»; на фиг.25 - общий вид предлагаемой конструкции выключателя.
Модуль выключателя состоит из вакуумной (дугогасительной) камеры 1 с неподвижным контактом 2, верхним токосъемом 3, подвижным контактом 4, токосъемом 5 подвижного контакта 4, гибким токосъемом 6 и нижним токосъемом 7. Перечисленные узлы и детали установлены на опорном изоляторе 8, внутрь которого установлен шарнир 9,тяговый изолятор 10, проходящий через направляющую втулку 11. Электромагнитный привод состоит из верхнего магнитопровода 12, магнитопровода-направляющей 13, якоря 14 (цилиндрического магнитомягкого) с удерживающим пояском 15, областью осаждения 16, постоянными магнитами 17 и регулировочными втулками 18, магнитотвердого кольца 19, отключающей пружины 20, пружины поджатия 21, которые упираются во втулку 22 якоря 14 и закрепляются гайкой 23, а также обмотки электромагнита 24. В опорах 25 расположен общий вал 26, который через прорези вилок 27 воздействует на ось 28 кронштейна 29, закрепленного на якоре 14. Модули установлены на корпусе 30. Между модулями на валу 26 закреплены проушины 31, которые через ось 32 воздействуют на ось 33, законтренную гайками 34 и 35. На оси 33 размещены встречно пружины 36 и 37, между которыми через тарельчатые шайбы 38 и 39 зажимают уголок 40, вращающийся в опорах 41 на оси 42, воздействующий на путевые микровыключатели 43. Количество микропереключателей определяет ширину уголка и характеристику пружин. Пружины 36 и 37 регулируют гайками 44 и 45. Между другими двумя модулями к корпусу 30 прикреплена направляющая 46, в которой ходит ось 47, с выступающей стороны которой привинчена кнопка 48, а с другого конца ось 49, воздействующая на рычаг 50, подтянутый пружиной 51 и имеющий в составе вал 52, один конец которого имеет выступ 53, перпендикулярный выступу 54 с другого конца. Выступ 53 отключает через опору 55, а 54 - блокирует через опору 56 при случайном включении. Вал 52 закреплен в уголках 57 и 58. К вилкам 27 вала 26 напротив одного из полюсов прикреплен кулачок 59, а в корпус 30 вмонтирован счетчик отключений 60, на ось которого 61 установлен рычаг 62 с магнитом 63. Напротив магнита 63 к корпусу 30 прикреплен демпфер 64.
Компенсационно-демпферный механизм содержит синхронизирующий вал 26, расположенный в опорах 25, вилки 27 с прорезями, кронштейн 29 с осью 28, проушины 31 с осью 32, ось 33 с пружинами 36 и 37 и тарельчатыми шайбами 38 и 39, уголок 40 в опорах 41 на оси 42.
Выключатель работает следующим образом. При подаче тока включения на катушки электромагнитов 24, в магнитном контуре: верхний магнитопровод 12, магнитопровод-направляющая 13, якорь 14, магнитотвердое кольцо19, формируется поле, сила которого перемещает якорь 14 в направлении уменьшения зазора. Якорь 14 через втулку 22 сжимает пружину отключения 20 и одновременно, через пружину поджатия 21, воздействует на тяговый изолятор 10, который через шарнир 9 давит на подвижный контакт 4 вакуумной камеры 1. При ходе якоря 14 на величину межконтактного расстояния вакуумной камеры 1 подвижные контакты 4, токосъем 5, гибкий токосъем 6, шарнир 9, тяговый изолятор 10 и гайка 23 останавливаются и дальнейшее движение якоря 14 и втулки 22 осуществляет процесс поджатия контактов вакуумной камеры 1 сжатием пружины 21, при этом дожимается и пружина 20. При соприкосновении якоря 14 и верхнего магнитопровода 12 происходит постановка на магнитную защелку, которая формирует замковую зону в (кольцевом) удерживающем пояске 15. Удерживание якоря 14 происходит за счет насыщения магнитотвердого кольца 19. Сила удержания замковой зоны превышает суммарную силу пружин 20 и 21. Постоянные магниты 17 в якоре 14 добавляют силу удержания замковой зоны, причем между магнитами 17 и замковой зоной устанавливают зазор «X», которым посредством втулок 18 регулируют добавленную силу удержания. Вал 26, поворачиваясь, через проушины 31, ось 32, гайки 34,45, ось 33 воздействует на пружину 37, которая, сжимаясь, компенсирует разницу ходов и воздействует через тарельчатую шайбу 38 на уголок 40, нажимающий на микропереключатель 43. Так происходит гашение и демпфирование избыточной энергии от вала 26 на микропереключатели 43.
Отключение реализуется подачей в катушку 24 тока, противоположного включению. Индукция в магнитной системе привода уменьшается и магнитная защелка сбрасывается. Якорь 14 с магнитами 17 и втулкой 22 под действием пружин 20 и 21 ускоренно движется в исходное положение. Пройдя путь, равный ходу поджатия, вышеперечисленные детали наносят удар по гайке 23, через которую и токосъем 5, шарнир 9, тяговый изолятор 10 усилие жестко передается на подвижный контакт 4 вакуумной камеры 1 для срыва сварки, возникшей при замыкании контактов. Дальнейшее движение подвижных частей происходит под воздействием пружины отключения 20. Поворот вала 26 через проушины 31, ось 32, гайку 35, ось 33, гайку 44 и через пружину 36, тарельчатую шайбу 39 воздействует на уголок 40, который поворотом вокруг оси 42 отодвигается от рычага микропереключателя и организует зазор, обеспечивающий гарантированное несрабатывание при внешних механических воздействиях на выключатель. Отключение может производиться вручную нажатием кнопки 48, которая через ось 47, ось 49, рычаг 50 на вал 52 поворотом выступа 53 выбирает зазор «X1» и воздействует на упор 55, который через кронштейн 29, наклоняет якорь 14 в зазоре с направляющей 13 на угол «Y» и существенно ослабляет магнитосцепление замковой зоны. Усилие удержания магнитной защелки становится меньше силы пружин 20 и 21 и выключатель отключается. При этом выступ 54 зазором «X2» с упором 56 обеспечивает беспрепятственное перемещение кронштейна 29. Блокирование выключателя от случайного включения производят удержанием нажатой кнопки 48, при этом выступ 54 перекрывает упор 56 на величину «X3», что запрещает движение кронштейна 29 с якорем 14. Одновременно при отключении с валом 26 происходит поворот кулачка 59, который по дуге обкатывает магнит 63, а рычаг 62 поворачивает ось счетчика 61 на угол срабатывания последнего, при этом кулачок 59 упирает магнит 63 в демпфер 64. Причем форма дуги кулачка 59 выбрана такой, чтобы согласовать угол поворота вала 26 с углом гарантированного срабатывания счетчика отключений 60.
Перемагничивание в электромагнитах всегда сопровождается возникновением вихревых паразитных токов в стали, которые при больших скоростях замыкания-размыкания защелки образуют дугу в замковой зоне. Ток дуги создает эрозию поверхностей и образование продуктов сгорания металла, которые, в свою очередь, накапливаясь в кольцевой поверхности замковой зоны, могут привести к самоотвалу защелки. Для сбора продуктов сгорания в якоре из постоянных магнитов формируют магнитную ловушку, которая притягивает продукты сгорания, удаляя их из замковой зоны и примагничивая в область осаждения, выполненную в форме цилиндрического занижения в тело якоря, причем магниты располагают симметрично и внутрь от замковой зоны. Такое расположение обусловлено конструктивной целесообразностью и необходимой площадью поверхности замковой зоны, а также минимизацией противодействия магнитных полей постоянных магнитов полю отключения электромагнита и концентрации последнего в замковой зоне.