ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к высоковольтным вакуумным выключателям, предназначенным для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах работы в комплектных распределительных устройствах и в камерах сборных одностороннего обслуживания, а также при замене коммутационных аппаратов в указанных устройствах.
Важными условиями эксплуатации высоковольтных вакуумных выключателей (далее - выключатели), которые должны учитываться при их проектировании и изготовлении, являются надежность и безопасность при одновременном снижении энергозатрат при эксплуатации. Надежность и безопасность в значительной степени зависит от конструктивного исполнения привода выключателя, его компоновки в корпусе и выполнения механизмов блокирования и защиты. Энергозатраты при эксплуатации выключателя непосредственно зависят от мощности электромагнитного привода, которая должна обеспечивать включение и отключение контактов в вакуумной дугогасительной камере и удержание контактов в этих положениях при заданных условиях работы выключателя. При этом режимы силового нагружения, создаваемого в вакуумной дугогасительной камере при эксплуатации выключателя, требуют разных величин усилий удержания - больших во включенном и меньших в отключенном положениях. На практике, как правило, применяют электромагнитные приводы с одинаковой величиной усилий удержания, что приводит к непроизводительным энергозатратам.
Известен выключатель (см. патент RU №2304819, Н01Н 33/666, дата публикации 20.08.2007 г.), содержащий корпус, закрепленные на корпусе три полюса с вакуумными дугогасительными камерами и расположенными внутри каждой из упомянутых камер неподвижным и подвижным контактами, последний из которых соединен с тяговым изолятором, оборудованным пружинами поджатия. Внутри корпуса смонтированы электромагнитный привод и связанные с ним приводной механизм, блок коммутации, блок управления, блок-контакты состояния выключателя, конденсатор и механизм ручного отключения со съемной рукояткой. Электромагнитный привод выполнен в виде неподвижного магнитопровода прямоугольной формы, подвижного штока, размещенного внутри магнитопровода вдоль его продольной оси, катушек включения и выключения и расположенных между ними двух постоянных магнитов. Длина подвижного штока меньше высоты магнитопровода на заданную величину хода штока. Перемещение подвижного штока внутри магнитопровода обеспечивается катушками включения и выключения, а фиксирование штока в крайних положениях при обесточенных катушках - постоянными магнитами. Подвижный шток своими торцевыми частями соединен с тягами включения и выключения. Электромагнитный привод закреплен в центральной части корпуса в вертикальном положении. Приводной механизм выполнен в виде вала с жестко закрепленными на нем боковыми одноплечими рычагами и центральным двуплечим рычагом, одно плечо которого шарнирно соединено со штоком электромагнитного привода, а второе плечо и боковые одноплечие рычаги шарнирно соединены с тяговыми изоляторами соответствующих подвижных контактов. На корпусе в его верхней части смонтированы опорные изоляторы для дополнительного крепления полюсов. Выключатель содержит дополнительную цепь питания конденсатора посредством токоограничивающего резистора, а конденсатор соединен с катушками включения и выключения электромагнитного привода через блок коммутации. Механизм ручного отключения расположен в верхней части корпуса и выполнен в виде горизонтального вала с кулачком, соединенного с тягой включения подвижного штока с возможностью его вертикального перемещения посредством упомянутого кулачка. Горизонтальный вал выполнен с возможностью взаимодействия со съемной рукояткой, оборудованной пружиной.
Недостатками известного выключателя являются:
- применение недостаточно эффективного электромагнитного привода, выполненного с одним рабочим зазором, что обуславливает необходимость увеличения его габаритных размеров и массы для обеспечения необходимой силы удержания подвижного штока при обесточенных катушках и, соответственно, приводит к непроизводительным энергозатратам;
- выполнение механизма ручного отключения в виде горизонтального вала с кулачком, что приводит к усложнению его конструкции;
- сравнительно большая масса выключателя, что удорожает стоимость его изготовления и снижает удобство обслуживания при эксплуатации.
Известен выключатель VM1 производства компании ABB (см. проспект "Вакуумный выключатель с магнитным приводом типа VM1. ABB Power Distribution. - 12 с., прилагается), содержащий корпус, закрепленные на корпусе три полюса с вакуумными дугогасительными камерами и расположенными внутри каждой из упомянутых камер неподвижным и подвижным контактами, последний из которых соединен с тяговым изолятором, оборудованным пружинами поджатия. Электромагнитный привод выполнен в виде неподвижного магнитопровода прямоугольной формы, подвижного штока, размещенного внутри магнитопровода вдоль его продольной оси, катушек включения и выключения и расположенных между ними двух постоянных магнитов. Длина подвижного штока меньше высоты магнитопровода на заданную величину хода штока. Перемещение подвижного штока внутри магнитопровода обеспечивается катушками включения и выключения, а фиксирование штока в крайних положениях при обесточенных катушках - постоянными магнитами. Подвижный шток своими торцевыми частями соединен с тягами включения и выключения. Электромагнитный привод закреплен в центральной части корпуса в вертикальном положении. Приводной механизм выполнен в виде вала с жестко закрепленными на нем боковыми одноплечими рычагами и центральным двуплечим рычагом, одно плечо которого шарнирно соединено со штоком электромагнитного привода, а второе плечо и боковые одноплечие рычаги шарнирно соединены с тяговыми изоляторами соответствующих подвижных контактов. Выключатель содержит дополнительную цепь питания конденсатора посредством токоограничивающего резистора, а конденсатор соединен с катушками включения и выключения электромагнитного привода через блок коммутации. Механизм ручного отключения расположен в верхней части корпуса и выполнен в виде горизонтального вала с кулачком, соединенного с тягой включения подвижного штока с возможностью его вертикального перемещения посредством упомянутого кулачка. Горизонтальный вал выполнен с возможностью взаимодействия со съемной рукояткой, оборудованной пружиной.
Недостатками известного технического решения являются:
применение недостаточно эффективного электромагнитного привода, выполненного с одним рабочим зазором, что обуславливает необходимость увеличения его габаритных размеров и массы для обеспечения необходимой силы удержания подвижного штока при обесточенных катушках и, соответственно, приводит к непроизводительным энергозатратам;
- выполнение механизма ручного отключения в виде горизонтального вала с кулачком, что приводит к усложнению его конструкции;
- сравнительно большая масса выключателя, что удорожает стоимость его изготовления и снижает удобство обслуживания при эксплуатации.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого выключателя, в котором за счет иного выполнения электромагнитного привода и связанного с ним приводного механизма достигается снижение энергопотребления при одновременном повышении надежности работы. При этом обеспечивается упрощение конструкции выключателя за счет иного выполнения механизма ручного отключения.
Поставленная задача решается тем, что в высоковольтном вакуумном выключателе, содержащем корпус, закрепленные на корпусе полюсы с вакуумными дугогасительными камерами и расположенными внутри каждой из упомянутых камер неподвижным и подвижным контактами, последний из которых соединен с тяговым изолятором, оборудованным пружинами поджатия, и смонтированные внутри корпуса электромагнитный привод и связанные с ним приводной механизм, блок коммутации, блок управления, блок-контакты состояния выключателя, конденсатор и механизм ручного отключения, при этом электромагнитный привод выполнен в виде неподвижного магнитопровода, подвижного штока, катушек включения и выключения и расположенного между ними постоянного магнита, а приводной механизм выполнен в виде вала с жестко закрепленными на нем боковыми одноплечими рычагами и центральным двуплечим рычагом, одно плечо которого шарнирно соединено со штоком электромагнитного привода, а второе плечо и боковые одноплечие рычаги шарнирно соединены с тяговыми изоляторами соответствующих подвижных контактов, согласно полезной модели электромагнитный привод выполнен цилиндрической формы и содержит корпус, магнитопровод закреплен внутри корпуса и содержит центральное отверстие для размещения штока, выполненного из немагнитного материала, и кольцевой выступ на внешней поверхности в его средней части, катушки включения и выключения закреплены между корпусом и магнитопроводом с обеих сторон от кольцевого выступа с образованием зазора между последним и внутренней поверхностью корпуса, постоянные магниты расположены в упомянутом зазоре по диаметру кольцевого выступа магнитопровода, шток выполнен с закрепленными на его противоположных концевых частях якорями дискообразной формы, диаметр которых соответствует диаметру корпуса, а длина штока превышает высоту корпуса на заданную величину его хода, при этом площадь поперечного сечения якоря дискообразной формы, закрепленного на штоке со стороны катушки включения, больше площади поперечного сечения якоря дискообразной формы, закрепленного на штоке со стороны катушки отключения, высота упомянутого корпуса больше высоты магнитопровода и последний закреплен внутри корпуса с образованием зазора между их торцами со стороны катушки отключения, а корпус и магнитопровод соединены между собой элементами крепления, выполненными из немагнитного материала.
Для упрощения конструкции и повышения удобства обслуживания механизм ручного отключения расположен в нижней части корпуса выключателя и выполнен с возможностью взаимодействия съемной рукоятки со штоком со стороны катушки отключения электромагнитного привода.
Конструкция заявляемого выключателя позволяет получить различные величины усилий удержания подвижной части электромагнитного привода при обесточенных катушках - больших усилий во включенном и меньших усилий в выключенном состояниях, что существенно снижает энергопотребление. При этом, как и в выключателе-прототипе, обеспечивается надежность работы выключателя за счет удержания подвижных контактов в вакуумных дугогасительных камерах во включенном и в выключенном состояниях за счет действия "магнитной защелки" электромагнитного привода. Механизм ручного отключения отличается простотой конструкции и удобством при обслуживании.
Конструктивное исполнение полезной модели иллюстрируется на примере высоковольтного вакуумного выключателя серии ВБ4-Э, разработанного Обществом с ограниченной ответственностью "АВМ АМПЕР", г.Кременчуг, Украина. Выключатель серии ВБ4-Э предназначен для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах работы в сетях трехфазного переменного тока частоты 50/60 Гц с номинальным напряжением до 10 кВ в системах с изолированной нейтралью и может устанавливаться на выкатных элементах в камерах сборных одностороннего обслуживания и в комплектных распределительных устройствах, в частности, серии ВМ-1.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленными фигурами чертежа: на фиг.1 - общий вид, вид спереди; на фиг.2 - общий вид, вид сбоку; на фиг.3 -поперечное сечение (компоновочное изображение); на фиг.4 - фронтальное сечение (компоновочное изображение); на фиг.5 - устройство электромагнита (схематичное изображение); на фиг.6 - общий вид вала приводного механизма с рычагами, вид сверху.
Высоковольтный вакуумный выключатель содержит (фиг.1-4) корпус 1, на котором закреплены три полюса 2, выполненные с верхним 3 и нижним 4 контактами. Внутри каждого полюса 2 расположена вакуумная дугогасительная камера 5 с расположенными внутри нее неподвижным 6 и подвижным 7 контактами. Неподвижные контакты 6 соединены жесткими связями 8 с верхними контактами 3, подвижные контакты 7 соединены гибкими связями 9 с нижними контактами 4, а с тяговыми изоляторами 10 - посредством пружин поджатия 11.
Корпус 1 содержит съемную фасадную панель 12. Внутри корпуса 1 смонтированы электромагнитный привод 13 и связанные с ним приводной механизм (не обозначен), блок коммутации, состоящий из пускателей включения 14 и выключения 15, блок управления 16, выполненный в виде платы цепей управления, блок-контакты 17 состояния выключателя, конденсатор 18 и механизм ручного отключения.
Электромагнитный привод 13 выполнен (фиг.3, 5) цилиндрической формы и содержит корпус 19, внутри которого посредством штифтов 20 закреплен магнитопровод 21. Высота магнитопровода 21 меньше высоты корпуса 19. Магнитопровод 21 содержит центральное отверстие для размещения штока 22 и кольцевой выступ 23, выполненный на внешней поверхности в ее средней части. Между корпусом 19 и магнитопроводом 21 с двух сторон от кольцевого выступа 23 с образованием зазора между ними размещены цилиндрические катушки включения 24 и выключения 25, закрепленные стопорными кольцами 26. В кольцевом зазоре между магнитопроводом 21 и внутренней поверхностью корпуса 19 закреплен постоянный магнит 27. Шток 22 выполнен цилиндрической формы и размещен вдоль продольной оси магнитопровода 21, при этом длина штока 22 превышает высоту корпуса 19 на заданную величину его хода. Шток 22 соединен с верхним 28 и нижним 29 якорями дискообразной формы, закрепленными на его противоположных концевых частях посредством резьбовых крепящих элементов 30 и 31, последний из которых выполнен в виде регулирующей втулки. Диаметр упомянутых якорей 28 и 29 соответствует диаметру корпуса 19, а расстояние между ними превышает его высоту на заданную величину хода штока 22. При этом площадь поперечного сечения якоря 28, закрепленного на штоке 22 со стороны катушки включения 24, больше площади поперечного сечения якоря 29, закрепленного со стороны катушки выключения 25. Электромагнитный привод 13 содержит два рабочих зазора вдоль его продольной оси: зазор "а", образуемый между торцами корпуса 19 и близлежащими к ним поверхностями верхнего 28 или нижнего 29 якорей в их конечных положениях (высота зазора равна заданной величине хода штока 22), и зазор "b", образуемый между торцами корпуса 19 и магнитопроводом 21 со стороны катушки выключения 25. Шток 22 и штифты 20 выполнены из немагнитного материала. Под нижним якорем 29 на регулирующей втулке 31 закреплена серьга 32, посредством которой электромагнитный привод 13 шарнирно соединен с приводным механизмом.
Приводной механизм выполнен (фиг.3, 6) в виде основного вала 33 и жестко закрепленных на нем боковых одноплечих рычагов 34 и центрального двуплечего рычага 35. Одно плечо центрального двуплечего рычага 35 посредством серьги 32 шарнирно соединено со штоком 22, а второе плечо и боковые одноплечие рычаги 34 шарнирно соединены с тяговыми изоляторами 10 соответствующих подвижных контактов 7. На основном вале 33 шарнирно закреплен рычаг 36 для взаимодействия с блок-контактами 17 состояния выключателя посредством тяги 37 и рычага 38. На этом же плече рычага 36 закреплена пружина 39, соединенная с механическим счетчиком 40 коммутационных циклов выключателя.
Механизм ручного отключения предназначен для отключения выключателя при прекращении подачи на его цепи вспомогательного напряжения и расположен в нижней части корпуса 1. Упомянутый механизм содержит упор 41 для опирания рукоятки ручного отключения (не показана). Концевая часть последней после заведения внутрь корпуса 1 взаимодействует с серьгой 32, соединенной со штоком 22.
На съемной фасадной панели 12 корпуса 1 размещены (фиг.1, 2, 3) кнопки включения 42, выключения 43 выключателя и разряда 44 конденсатора 18 с расположенными под ними табличками с функциональными надписями (не обозначены), механический указатель 45 состояния выключателя, индикатор 46 заряда конденсатора 18, механический счетчик коммутационных циклов 40 и отверстие 47 для ввода рукоятки ручного отключения. На верхней части корпуса 1 расположен переходник 48 для вывода вторичных цепей из выключателя.
В выключателе предусмотрена система безопасности, реализуемая цепями электрического блокирования, которая содержит:
- электрическое блокирование включения выключателя при одновременном нажатии кнопок включения 42 и выключения 43;
- электрическое блокирование включения выключателя при неполностью заряженном конденсаторе 18.
Первое электрическое блокирование выключает выключатель и не позволяет его включить повторно. Второе электрическое блокирование позволяет включить выключатель кнопкой включения 42 только после полной зарядки конденсатора 18.
Цепи электрического блокирования расположены в блоке управления 16, который также содержит логический модуль и пускатели включения 14 и выключения 15 блока коммутации для управления катушками включения 24 и выключения 25 электромагнитного привода 13.
При установке выключателя в комплектном распределительном устройстве он может быть оснащен дополнительными элементами электрического блокирования, выполненные, например, в виде электромагнитов и концевых выключателей (не показаны).
Работа заявляемого высоковольтного вакуумного выключателя осуществляется следующим образом.
В выключенном состоянии высоковольтного вакуумного выключателя неподвижные 6 и подвижные 7 контакты в вакуумных дугогасительных камерах 5 разомкнуты, катушки включения 24 и выключения 25 электромагнитного привода 13 обесточены, шток 22 под воздействием усилия удержания "магнитной защелки", создаваемой в магнитопроводе 21 постоянным магнитом 27, зафиксирован в крайнем верхнем положении, блок-контакты 17 состояния выключателя находятся в свободном положении, механический указатель 45 состояния выключателя показывает, что выключатель отключен. Эффективное усилие удержания штока 22 в выключенном состоянии выключателя, создаваемое постоянным магнитом 27, составляет около 1500 Н и дополнительно увеличивается за счет усилий начального натяжения пружин поджатия 11, расположенных в тяговых изоляторах 10. Включение выключателя осуществляется электрическим способом дистанционно или нажатием на кнопку включения 42, после чего ток от блока управления 16 подается на пускатель включения 14 блока коммутации и происходит частичная разрядка конденсатора 18 на катушку включения 24 электромагнитного привода 13. Под воздействием магнитного поля катушки включения 24, превышающего усилие удержания "магнитной защелки" и усилия, необходимые для сжатия пружин 11, шток 22 перемещается в крайнее нижнее положение. Перемещение штока 22 через элемент 31 и серьгу 32 передается по кинематической цепочке: одно плечо центрального двуплечего рычага 35, от него - на основной вал 33, который проворачивается вокруг своей оси и посредством боковых одноплечих рычагов 34 и второго плеча упомянутого рычага 35 перемещает вверх тяговые изоляторы 10 и, соответственно, подвижные контакты 7, замыкая, таким образом, верхние 3 и нижние 4 контакты полюсов 2 в силовой цепи. При этом пружины поджатия 11 сжимаются. После перемещения штока 22 в крайнее нижнее положение катушка включения 24 электромагнитного привода 13 выключается и шток 22 удерживается в этом положении под действием постоянных магнитов 27. За счет суммарного рабочего зазора "а" и "b", а также большей площади поперечного сечения якоря 28 по сравнению с площадью поперечного сечения якоря 29 усилие удержания "магнитной защелки" во включенном состоянии выключателя в 4-5 раз больше, чем в выключенном. Во включенном состоянии выключателя блок-контакты 17 замкнуты, механический указатель 45 показывает, что выключатель включен, индикатор 46 заряда конденсатора 18 показывает, что конденсатор заряжен, а механический счетчик коммутационных циклов 40 перемещается на одно деление.
Выключение выключателя может осуществляться электрическим способом путем нажатия на кнопку выключения 43 или в ручном режиме посредством механизма ручного отключения путем воздействия ручной рукоятки на шток 22. При электрическом выключении после нажатия на кнопку выключения 43 ток от блока управления 16 поступает на пускатель отключения 15 блока коммутации, после чего происходит частичная разрядка конденсатора 18 на катушку включения электромагнитного привода 13. Под воздействием магнитного поля катушки выключения 25, превышающего усилие удержания штока 22 при включенном выключателе, он перемещается из крайнего нижнего в верхнее положение. Перемещение штока 22 посредством кинематической связи приводного механизма передается на тяговые изоляторы 10, в результате чего подвижные контакты 7 перемещаются вниз, размыкая верхние 3 и нижние 4 контакты полюсов 2 в силовой цепи. При этом пружины поджатия 11 разжимаются, увеличивая усилие, создаваемое катушкой выключения 25. После достижении штоком 22 конечного верхнего положения подача тока на катушку выключения 25 отключается блок-контактами 17. Величина усилия удержания штока 22 ("магнитной защелки") при выключенном состоянии выключателя меньше, чем при включенном, так как магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 27, ослаблено рабочим зазором "b", что позволяет уменьшить усилие в электромагнитном приводе 13 при последующем включении.
Таким образом, наличие рабочих зазоров "а" и "b" между подвижными и неподвижными элементами электромагнитного привода 13 при крайних положениях штока 22 позволяет существенно повысить величину магнитной индукции насыщения материала магнитопровода 21 и за счет этого уменьшить мощность, потребляемую катушками выключения 25.
Выключение выключателя в ручном режиме осуществляется путем воздействия на нижнюю часть штока 22 для его перемещения из нижнего в верхнее положение. Для этого внутрь корпуса 1 через отверстие 47 заводят концевую часть съемной рукоятки (не показана), опираются на упор 41 и посредством серьги 32 перемещают шток 22. Последующее размыкание верхних 3 и нижних 4 контактов полюсов 2 в силовой цепи происходит аналогично.
По результатам проведенных исследований применение электромагнитного привода заявляемой конструкции позволило повысить величину усилия удержания при включенном положении электромагнитов до 7100 Н, что на 25% больше, чем у выключателя-прототипа. При этом была обеспечена разная величина усилий удержания при включенном и выключенном положениях электромагнитов, отличающаяся примерно в 4-5 раз. Данный результат получен при одновременном уменьшении габаритных размеров электромагнитного привода со 1600×2000 мм до 1370×1380 мм. В целом заявляемое техническое решение позволило существенно снизить энергопотребление и повысить надежность высоковольтного вакуумного выключателя в эксплуатации при одновременном упрощении конструкции механизма ручного отключения.