Контактная система переменного тока

 

Использование: изобретение относится к электроаппаратостроению, а именно к разъединителям и шунтирующим выключателям (короткозамыкателям) переменного тока преимущественно многоамперным. Сущность изобретения: в контактной системе переменного тока, содержащей основную шину прямоугольного сечения толщиной T, а также контактирующие с ней две группы по K > 1 одинаковых электропроводных тел, например, ламелей или рычагов, причем K тел первой группы контактируют с одной, а K тел второй группы - с другой боковыми поверхностями шины в пределах ее высоты B > T, основная шина по толщине T выполнена составной из двух электрически изолированных частичных шин с толщинами T₁ и T₂, при этом каждая из частичных шин по высоте B подразделена K-1 продольными прорезями длиной D ≥ B/2 на K элементарных шин соответственно с высотами B₁₁, B₁₂, . . ., B_1K и B₂₁, B₂₂, ..., B_2K, причем так, что любые соседние тела в каждой из указанных групп разделены одной прорезью, при этом толщины T₁ и T₂ выбраны из условия равенства действующих значений токов в частичных шинах, а высоты B₁₁, B₁₂, ..., B_1K и B₂₁, B₂₂, ..., B_2K - из условия равенства действующих значений токов во всех элементарных шинах. 4 ил.

Изобретение относится к электроаппаратостроению, а именно к разъединителям и шунтирующим выключателям (короткозамыкателям) переменного тока, преимущественно многоамперным.

Электрические контактные системы широко применяются в электрических аппаратах для замыкания и размыкания различных токопроводов, что осуществляется с помощью одного или нескольких электропроводных тел той или иной формы, например, рычагов [1] или ламелей [2] При этом в многоамперных аппаратах, как правило, приходится применять двухсторонние контактные системы. У таких систем указанные тела контактируют с двумя боковыми поверхностями токопроводов, например, шин [2] Однако из-за поверхностного и краевого эффектов, а также электромагнитного влияния металлических элементов и узлов аппарата ток в сечениях шин распределяется неравномерно и зачастую несимметрично относительно их геометрических осей симметрии. Все это приводит к неравномерному распределению тока между контактирующими с шиной телами, что снижает допустимый уровень номинального тока и стойкость контактной системы, а значит и аппарата к токам короткого замыкания.

Один из вариантов частичного устранения этого недостатка заключается в выполнении на конце шины продольных прорезей, подразделяющих ее на отдельные параллельные элементы, с которыми контактируют тела в виде рычага [1] Однако такая контактная система является односторонней, что само по себе снижает уровень проводимого ею тока. Кроме того, она не обеспечивает выравнивания токов в параллельных контактах при наличии краевого эффекта или существенного электромагнитного влияния металлических частей аппарата, приводящих к несимметричному распределению тока в шине (конструкция [1] относится только к случаю уединенной шины с неравномерным, но симметричным распределением тока в ее сечении).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является двухсторонняя контактная система переменного тока ламельного мостика [2] содержащая основную шину прямоугольного сечения толщиной T, а также контактирующие с ней две группы по K > 1 одинаковых электропроводных тел (ламелей), причем K тел первой группы контактируют с одной, а K тел второй группы с другой боковыми поверхностями шины в пределах ее высоты B > T. Однако и в данном случае несимметричное распределение тока в сечении основной шины приводит к неравномерному его распределению между указанными телами.

Задача изобретения создание контактной системы переменного тока, имеющей повышенные уровень номинального тока и стойкость к токам короткого замыкания за счет равномерного распределения тока между телами, контактирующими с основной шиной.

Решение этой задачи достигается тем, что основная шина Ш_о по толщине T выполнена составной из двух электрически изолированных частичных шин Ш₁ и Ш₂ с толщинами Т₁ и Т₂, при этом каждая из частичных шин по высоте В подразделена K-1 продольными прорезями длиной Д ≥ В/2 на К элементарных шин соответственно с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂,В_2К, причем так, что любые соседние тела в каждой из указанных групп разделены одной прорезью, при этом толщины Т₁ и Т₂ выбраны из условия равенства действующих значений токов в частичных шинах, а высоты В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К из условия равенства действующих значений токов во всех элементарных шинах.

На фиг. 1 показана основная шина Ш_о прямоугольного сечения толщиной Т и высотой В > Т, состоящая из двух частичных шин Ш₁ и Ш₂ с толщинами Т₁ и Т₂, разделенных слоем изоляции И. С одной и другой боковым поверхностям основной шины, являющимися и поверхностями указанных частичных шин, в пределах высоты В контактируют по К электропроводных тел Л₁ и Л₂, например, ламелей, соответственно 1-й и 2-й групп. При этом с помощью К-1 продольных прорезей П₁ и К-1 продольных прорезей П₂ длиной Д концы частичных шин Ш₁ и Ш₂ подразделены по высоте В на К элементарных шин с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и К элементарных шин с высотами В₂₁, В₂₂, В_2К; на фиг.2 приведена геометрическая модель, лежащая в основе теоретического (расчетного) пути определения основных размеров заявляемой контактной системы; на фиг.3 и 4 этапы экспериментального определения этих размеров.

Контактная система (фиг.1) работает следующим образом.

Переменный ток i, протекая по основной шине Ш_о, распределяется в ее сечении неравномерно и в общем случае несимметрично (вследствие поверхностного и краевого эффектов, а также электромагнитного влияния металлических частей аппарата). Однако при этом токи i₁ и i₂ i i₁, протекающие по частичным шинам Ш₁ и Ш₂, имеют одинаковые действующие значения.

Аналогичным образом токи i₁ и i₂, неравномерно распределенные по высоте В частичных шин Ш₁ и Ш₂, с помощью 2(К-1) прорезей П₁ и П₂ длиной Д подразделяются на 2К токов элементарных шин с одинаковыми действующими значениями. Практически эти же токи протекают и по контактирующим с элементарными шинами 2К электропроводным телам Л₁ и Л₂ (например, ламелям), чем и достигается цель изобретения.

Отметим, что чем больше длина Д прорезей П₁ и П₂, тем более надежной является фиксация необходимых токов в пределах элементарных шин. Согласно теоретическим и экспериментальным оценкам подобная фиксация токов практически уже имеет место при длине Д, равной половине наибольшего размера B сечения основной шины. Отсюда следует, что Д ≥ B/2.

Система фиг. 1 позволяет реализовать различные конструкции контактов, в том числе двухсторонний контакт рычажного типа и ламельный контактный мостик. При этом рычажный контакт будет содержать одну, а ламельный мостик две указанные системы. Характерно, что в отличие от [1] теперь рычажный контакт может быть двухсторонним и нормально работать при несимметричном распределении тока по толщине Т основной шины Ш₀ благодаря тому, что она состоит из двух частичных шин Ш₁ и Ш₂, по которым протекают токи i₁ и i₂ с одинаковыми действующими значениями.

Толщины Т₁ и Т₂ частичных шин Ш₁ и Ш₂, а также положения прорезей П₁ и П₂, определяющих высоты В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К элементарных шин, зависят от распределения тока по сечению основной шины Ш₀. Это распределение в основном задается не рассматриваемой контактной системой, а компоновкой соответствующего электрического аппарата. Следовательно, значения Т₁ и Т₂, а также указанные высоты могут быть найдены теоретически или экспериментально лишь с учетом конкретной компоновки аппарата.

Теоретический путь нахождения указанных размеров заключается в первоначальном определении (расчете), например, с помощью алгоритма [3] функций комплексной плотности тока вдоль продольной оси Z шины Ш₀. При этом максимально полно должно быть учтено влияние на указанную функцию соседних фаз и металлических узлов аппарата. Пренебрегая затем в поперечном сечении шины (фиг.2) шириной изоляции И, а также прорезей П₁ и П₂ (пунктирные линии) из-за их малости по сравнению с размерами В и Т₁, Т₂ (фиг.1), можно записать нелинейное алгебраическое уравнение определяющее размер Т₁, а значит и Т₂ Т Т₁.

После этого в соответствии с фиг.2 координаты Y₁₁, Y₁₂, Y_1(K-1) и Y₂₁, Y₂₂, Y_2(K-1) прорезей П₁ и П₂ могут быть найдены из двух следующих независимых систем нелинейных алгебраических уравнений порядка K-1: k 1, 2, K-1; Y₁₀ Y₂₀ 0; Y_1K Y_2K B.

Затем по формулам рассчитывают высоты всех (2K) элементарных шин.

Экспериментальное определение толщин Т₁ и Т₂ должно осуществляться на сплошной (несоставной) основной шине Ш₀, встроенной в электрический аппарат, но не имеющей контактного разрыва, а значит и контактирующих с ней тел (фиг. 3). В зоне, где в дальнейшем будет располагаться контактный разрыв, в шине просверливается равномерный по толщине Т ряд параллельных сквозных по высоте В отверстий О минимального диаметра, обеспечивающего возможность прохождения через них измеряющего действующее значение тока пояса Роговского. С помощью последнего затем с точностью до шага отверстий определяется показанная на фиг. 3 пунктирной линией условная граница, делящая шину на две продольные части с толщинами Т₁ и Т₂, через которые протекают токи i₁ и i₂ с равными (или близкими) действующими значениями. После этого сплошная основная шина Ш₀ (фиг.3) заменяется в аппарате соответствующими частичными шинами Ш₁ и Ш₂, разделенными изоляционным воздушным промежутком И минимальной ширины, допускающей прохождение через него пояса Роговского (фиг.4). В зоне будущего контактного разрыва шин в них также просверливается равномерный по высоте В ряд параллельных сквозных по толщинам Т₁ и Т₂ отверстий О₁ и О₂ минимального диаметра, обеспечивающего возможность прохождения через них пояса Роговского. С помощью последнего затем с точностью до шага отверстий определяются показанные на фиг.4 пунктирными линиями условные границы прорезей П₁ и П₂, подразделяющие частичные шины Ш₁ и Ш₂ на выбранное число K > 1 элементарных шин с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К, через которые протекают токи с одинаковыми (или близкими) действующими значениями.

Контактная система (фиг.1) уже использована в электрическом разъединителе, изготовленном на ВЗВА и поставленном в двух экземплярах на Челябинский электродный завод. По техническим условиям эксплуатации этот разъединитель содержит 16 параллельных и отстоящих друг от друга на расстоянии 34 мм медных шин толщиной Т 16 мм и высотой В 350 мм. По каждой из них в замкнутом состоянии разъединителя протекает переменный ток с действующим значением 8000 А, причем токи во всех соседних шинах имеют противоположные знаки, т.е. ток всего разъединителя равен 8000 · 8 64000 А.

Экспериментальные исследования показали, что при замыкании каждой из 16 шин рядом ламельных мостиков вида [2] имеет место значительное превышение допустимой температуры контактов, обусловленное существенной неравномерностью и несимметрией распределения тока в шинах (особенно в двух крайних). Это свидетельствует о невозможности создания указанного разъединителя без разработки новой контактной системы. В результате были предложены система (фиг. 1) и соответствующий алгоритм расчета (1) (4), относящийся к модели (фиг. 2). Расчеты по этому алгоритму при K 8 привели к следующим результатам (для двух крайних шин Т₁ 10 мм; Т₂ 6 мм): В₁₁ В₁₈ 30 мм, В₁₂ В₁₇ 43 мм; В₁₃ В₁₆ 49 мм, В₁₄ В₁₅ 53 мм; В₂₁ В₂₈ 30 мм, В₂₂ В₂₇ 37 мм;
В₂₃ В₂₆ 52 мм, В₂₄ В₂₅ 56 мм,
а для всех остальных 14 шин (Т₁ Т₂ 8 мм):
В₁₁ В₁₈ В₂₁ 30 мм, В₁₂ В₁₇ В₂₂ В₂₇ 37 мм;
В₁₃ В₁₆ В₂₃ В₂₆ 52 мм, В₁₄ В₁₅ В₂₄ В₂₅ 56 мм.

При реализации полученных результатов все 16 основных шин разъединителя были выполнены составными из частичных шин толщиной 10, 6 и 8 мм. Испытания изготовленного разъединителя подтвердили практическую равномерность распределения тока между всеми 2K · 16 16 · 16 256 ламелями. Как следствие этого, превышение температуры контактов находилось в допустимых по ГОСТ пределах.

Таким образом, предлагаемая контактная система (фиг.1) благодаря обеспечению равномерности распределения тока между параллельными контактами открывает возможности для создания уникальных многоамперных аппаратов переменного тока.

Формула изобретения

Контактная система переменного тока, содержащая основную шину прямоугольного сечения толщиной Т, а также контактирующие с ней две группы по К > 1 одинаковых электропроводных тел, причем К тел первой группы контактируют с одной, а К тел второй группы с другой боковыми поверхностями шины в пределах ее высоты В > Т, отличающаяся тем, что основная шина по толщине Т выполнена составной из двух электрически изолированных частичных шин с толщинами Т₁ и Т₂, при этом каждая из частичных шин по высоте В подразделена К 1 продольными прорезями длиной Д ≥ В/2 на К элементарных шин соответственно с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К, причем так, что любые соседние тела в каждой из указанных групп разделены одной прорезью, при этом толщины Т₁ и Т₂ выбраны из условия равенства действующих значений токов в частичных шинах, а высоты В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К из условия равенства действующих значений токов во всех элементарных шинах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.10.2010

Дата публикации: 10.12.2011

---