Высоковольтный вакуумный выключатель нагрузки

Изобретение относится к высоковольтному коммутационному аппаратостроению. Технический результат - повышение надежности, упрощение конструкции и уменьшение габаритов. Это достигается тем, что в высоковольтном вакуумном выключателе нагрузки имеются в каждой из фаз опорные изоляторы, вакуумная дугогасительная камера, механизм размыкания ее контактов, а также главные подвижный и неподвижный контакты, разъединяющий подвижный контакт. Подвижные контакты связаны между собой. Кроме того, имеется вал с системой рычагов, передающих вращательное движение от привода. Вакуумная дугогасительная камера установлена на главном неподвижном контакте. Механизм отключения содержит контактный ролик, взаимодействующий с профилированным толкателем, закрепленным на подвижном разъединяющем контакте. Профиль поверхности толкателя образован двумя дугами окружностей с центром на оси вращения размыкающего контакта. 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтному коммутационному аппаратостроению, точнее к выключателям нагрузки.

Основные требования, предъявляемые к выключателям нагрузки, - это способность коммутировать номинальные токи и обладать стойкостью к сквозным токам короткого замыкания. Так как выключатели нагрузки являются наиболее распространенными среди различных типов коммутационных аппаратов, то к ним предъявляются также требования простоты и дешевизны конструкции. Известно большое количество типов и конструкций выключателей нагрузки (автогазовые, элегазовые, вакуумные). Наиболее распространяемым среди них является автогазовый выключатель нагрузки [1], в котором для дугогашения используется камера, изготовленная из газогенерирующего материала (например, оргстекло). Под действием электрической дуги в камере образуется большой поток газа, который и осуществляет ее гашение.

Автогазовый выключатель нагрузки содержит металлическую раму, на которой закреплены три пары изоляторов, по два на каждую фазу, на одном из них установлены главный неподвижный контакт и дугогасительная камера, на другом - главный и дугогасительный подвижные контакты, совершающие вращательное движение вокруг общей оси, передача движения от привода к подвижным контактам осуществляется от общего вала через рычаги и изоляционные тяги.

Достоинство автогазового выключателя заключается в простоте и дешевизне конструкции, а также в наличии видимого разрыва между контактами в отключенном положении, т.е. автогазовый выключатель одновременно выполняет функции разъединителя. Другое его преимущество состоит в том, что выполнено разделение контактов на главные токоведущие и дугогасительные. Это позволяет сделать привод более легким, так как отпадает необходимость создавать усилие дополнительного поджатия контактов при прохождении сквозных токов короткого замыкания. В автогазовом выключателе эта задача решается конструкцией главных токоведущих контактов, в которых дополнительные усилия поджатия создаются электродинамическими силами, возникающими при прохождении сквозных токов.

В то же время автогазовые выключатели нагрузки имеют существенные недостатки, которые хорошо известны, - это низкая отключающая способность, малый коммутационный ресурс, низкая надежность, открытый выброс дуги.

Известны решения [2, 3], в которых предлагаются устройства, совмещающие функции вакуумного выключателя и разъединителя, их недостаток заключается в том, что сквозные токи короткого замыкания проходят через контакты вакуумной камеры, что требует обеспечения необходимых усилий дополнительного поджатая контактов и их термической и электродинамической стойкости. Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция вакуумного выключателя нагрузки, предложенная в [4]. В ней применяются главные токоведущие контакты и разъединяющие контакты. Они установлены на опорных изоляторах, закрепленных на общей раме, и совершают вращательное движение, которое передается от привода через систему рычагов и изоляторных тяг. Причем вакуумная дугогасительная камера установлена на подвижном разъединяющем контакте. При этом главные подвижные контакты связаны через механизм отключения с подвижным контактом вакуумной камеры и разъединяющим контактом таким образом, что реализуется следующая последовательность операций при отключении:

- размыкание главных контактов;

- размыкание контактов вакуумной камеры;

- размыкание разъединяющих контактов.

Недостатки данной конструкции следующие:

- вакуумная камера закреплена на подвижном разъединяющем контакте, совершающем перемещение для создания видимого разрыва, и подвергается ударным нагрузкам при выполнении операций включения и отключения;

- продолжительность временного интервала, необходимого для гашения дуги во всех фазах и определяемого от момента начала размыкания контактов камеры до момента начала образования разъединяющим контактом видимого разрыва, зависит от соотношения силовых характеристик упругих элементов выключателя, что затрудняет получение необходимой точности и надежности работы выключателя;

- конструкция сложная и громоздкая.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в известном высоковольтном вакуумном выключателе нагрузки содержатся в каждой фазе опорные изоляторы, вакуумная дугогасительная камера, механизм размыкания ее контактов, главный подвижный и неподвижный контакты, разъединяющий подвижный контакт, причем подвижные контакты связаны между собой, а также вал с системой рычагов, передающих вращательное движение от привода. Новым является то, что вакуумная дугогасительная камера установлена на главном неподвижном контакте, а механизм отключения содержит контактный ролик, взаимодействующий с профилированным толкателем, закрепленным на подвижном разъединяющем контакте, при этом профиль поверхности толкателя образован двумя дугами окружностей с центром на оси вращения размыкающего контакта, разность между величинами радиусов которых равна сумме величин хода подвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры и хода дополнительного поджатия, причем величина меньшего радиуса определяется условием касания контактного ролика и профилированной поверхности толкателя, а длина дуги окружности S меньшего радиуса определяется условием:

S≥ 3/2 V/ν ,

где V - скорость движения толкателя;

ν - частота переменного тока.

Более подробно конструкция устройства поясняется с помощью рисунков, представленных на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 - показан общий вид выключателя во включенном положении;

на фиг.2 - главные контакты разомкнуты, начало размыкания контактов вакуумной камеры;

на фиг.3 - окончание отключения тока, начало расхождения размыкающих контактов;

на фиг.4 показано полностью отключенное положение выключателя;

на фиг.5 - включение выключателя, главные контакты замыкаются, а контакты вакуумной камеры разомкнуты.

Выключатель содержит: общую раму 1; опорные изоляторы 2, по два на каждую фазу; главный неподвижный контакт 3; главный 4 и разъединяющий 5 подвижные контакты, совершающие вращательное движение вокруг общей оси 6; общий вал 7, передающий движение к каждой фазе от привода через рычаги 8 и изоляционные тяги 9. Вакуумная дугогасительная камера 10 закреплена на главном неподвижном контакте 3 с помощью изоляционной стойки 11 и токопровода 12 и соединена с механизмом отключения, содержащим пружины отключения 13 и поджатая 14; направляющий цилиндр 15 с втулкой 16; гибкая связь 17; контактный ролик 18; детали крепления: оси 19 и 20, шпилька 21, обойма 22. Пружина отключения удерживает контакты вакуумной дугогасительной камеры в нормально разомкнутом положении при отключенном выключателе. На конце разъединяющего контакта 5 установлен профилированный толкатель 23. На главном подвижном контакте 4 установлена серьга 24 с дугообразным пазом, через который проходит ось 25, закрепленная на подвижном разъединяющем контакте 5. Неподвижный контакт 26 вакуумной камеры 10 токопроводом 12 соединен с главным контактом 3 электрически. Подвижный контакт 27 вакуумной камеры механически посредством деталей (шпильки 21, направляющей втулки 16, обоймы 22, осей 19, 20) и электрически посредством гибкой связи 17 соединен с контактным роликом 18. При этом толкатель 23 на конце подвижного разъединяющего контакта 5 своей профилированной поверхностью взаимодействует с контактным роликом 18, замыкая и размыкая контакты вакуумной камеры 10.

Движение к подвижному разъединяющему контакту 5 передается от главного подвижного контакта 4 посредством серьги 24 и проходящей через ее паз оси 25. Для обеспечения необходимых величин хода подвижного контакта камеры, хода дополнительного поджатия и времени взаимодействия ролика 18 и толкателя 23 профилированная поверхность толкателя имеет форму, образованную двумя дугами окружностей меньшего R₁ и большего R₂ радиусов, с центром на оси вращения подвижных контактов 6, причем разность величин радиусов окружностей R₂-R₁ равна сумме величин хода подвижного контакта вакуумной камеры и хода дополнительного поджатия, а величина меньшего радиуса R₁ определяется из условия касания контактного ролика 18 с профилированной поверхностью толкателя 23. Длина S дуги окружности радиуса R₁ (включая переходный участок с R₂ на R₁) определяется условием:

где V - скорость движения толкателя;

ν - частота переменного тока.

Данное условие получено исходя из требования бездугового размыкания контактного ролика и толкателя. Время касания ролика и толкателя от момента размыкания контактов вакуумной камеры до момента начала их расхождения равно:

Так как гашение дуги в вакуумной камере происходит при переходе тока через ноль, а также учитывая трехфазный режим коммутации и возможную разновременность размыкания в фазах, необходимо, чтобы длительность касания ролика и толкателя была бы больше чем 3/2Т, где T=1/ν , период частоты переменного тока, то есть:

откуда и следует формула (1). За это время ток не менее чем два раза перейдет через ноль и будет отключен вакуумными камерами во всех фазах выключателя.

Пример расчета по формуле (1) при условии, что окружная скорость V=2 м/с и частота переменного тока 50 Гц, дает, что длина дуги S должна быть:

Если длина дуги S будет меньше рассчитанной величины, то при коммутации тока в трехфазном режиме при наличии некоторой разновременности размыкания контактов вакуумных камер (несинхронного по фазам) возникает вероятность того, что ток в вакуумной камере не перейдет через ноль и дуга не будет погашена. В этом случае возникнет дуговое размыкание между контактным роликом 18 и профилированным толкателем 23.

Для пояснения работы выключателя на фиг.1, 2, 3, 4, 5 представлены положения элементов выключателя в различные моменты выполнения операций отключения и включения. Во включенном положении (фиг.1) главные контакты выключателя замкнуты, дугогасительный контакт 5 находится в положении, когда толкатель 23 участком профиля с большим радиусом R₂ воздействует на контактный ролик 18, сжимая пружины отключения и поджатия в направляющем узле и удерживая контакты вакуумной камеры в замкнутом положении. Номинальный ток или сквозной ток короткого замыкания проходят через главные контакты выключателя, через контакты вакуумной камеры проходит только незначительная его часть, так как электрическое сопротивление этого участка цепи значительно больше.

На первой стадии операции отключения (фиг.2) движение от привода через общий вал 7 передается рычагами 8 и изоляционными тягами 9 к главным подвижным контактам 4 в каждой из фаз. Они приходят в движение, происходит их размыкание с неподвижными контактами 3 и расхождение. При этом размыкающий контакт 5 продолжает оставаться в прежнем положении до момента, пока полностью не будет выбран зазор в дугообразном пазу между осью 25 и серьгой 24.

После размыкания главных контактов 3 и 4 ток проходит через замкнутые контакты 26 и 27 вакуумной камеры 10, гибкую связь 17, контактный ролик 18, профилированный толкатель 23 и подвижный разъединяющий контакт 5. Дальнейшее движение главного контакта 4 приводит к началу движения разъединяющего контакта 5. В результате контактный ролик 18 попадает на переходной участок поверхности профилированного толкателя 23. Под действием пружин отключения 13 и поджатия 14 начинается поступательное движение контактного ролика. И после того, как будет выбран ход поджатия, начнется размыкание контактов вакуумной камеры. Очень важно, что к этому моменту главные контакты 3 и 4 уже разошлись на расстояние, при котором между ними невозможно загорание дуги.

Далее (фиг.3) главный 4 и подвижный разъединяющий 5 контакты движутся вместе. Контактный ролик 18, пройдя переходный участок поверхности профилированного толкателя 23, прокатывается по участку с меньшим радиусом R₁, сохраняя при этом с ним электрический контакт. Контакты 26 и 27 вакуумной камеры разомкнуты на величину хода и между ними горит дуга отключения до момента первого или второго перехода отключаемого тока через ноль. Так как момент размыкания контактов вакуумной камеры по отношению к фазе тока носит случайный характер, то переход тока через ноль и его отключение могут происходить на любом участке поверхности с радиусом R₁ профиля толкателя 23. Но с очень высокой степенью надежности можно утверждать, что отключение тока произойдет до момента прекращения касания с роликом 18. После отключения тока между контактами 26 и 27 вакуумной камеры, а также между главным неподвижным 3 и подвижными 4 и 5 контактами восстанавливается напряжение. При этом подвижные контакты успевают отойти на такое расстояние, что образовавшийся между ними раствор обеспечивает необходимую электрическую прочность. Размыкание контактного ролика 18 и профилированного толкателя 23 является бездуговым.

Полностью отключенное положение выключателя показано на рисунке (фиг.4). Между контактами выключателя создан видимый разрыв.

Включение выключателя происходит следующим образом.

Под действием привода движение от общего вала 7 через рычаги 8 и изоляционные тяги 9 передается к главным подвижным контактам 4. Подвижные разъединяющие контакты 5 приходят в движение после того, как будет выбран зазор в дугообразном пазу серьги 24. Так как главные подвижные контакты 4 являются ведущими по отношению к подвижным разъединяющим контактам 5, а размер дугообразного паза в серьге 24 подобран таким, что сначала происходит замыкание главных контактов 3 и 4. Замыкание контактов вакуумной дугогасительной камеры начнет происходить тогда, когда переходный участок с меньшего радиуса R₁ на больший R₂ поверхности профилированного толкателя 23 начнет взаимодействовать с контактным роликом 18. Далее происходит сжатие отключающей пружины 13, замыкание контактов 26 и 27 вакуумной камеры и их дополнительное поджатие пружиной 14. Операция включения закончилась, выключатель вернулся в исходное положение (фиг.1).

При выполнении операции включения процессы касания толкателем 23 ролика 18 и замыкания контактов вакуумной камеры являются бездуговыми, так как в первом случае не происходит замыкание электрической цепи (контакты 26 и 27 вакуумной камеры еще разомкнуты), а во втором электрическая цепь уже замкнута главными контактами 3 и 4. При включении на ток короткого замыкания электродинамические усилия будут восприниматься главными контактами 3 и 4.

Таким образом, предложенная конструкция выключателя нагрузки позволяет получить следующий положительный эффект:

1. Выключатель во включенном положении пропускает сквозные токи короткого замыкания и номинальный ток через главные контакты с минимальным усилием поджатия контактов вакуумной камеры.

2. При отключении гашение дуги осуществляется вакуумной камерой, что значительно увеличивает коммутационный ресурс выключателя, повышает надежность работы, исключает выброс дуги в окружающее пространство, улучшает экологичность.

3. В отключенном положении образуется видимый разрыв, что позволяет избежать необходимости установки разъединителя.

4. Вакуумная камера для такого выключателя может быть малогабаритной и дешевой, так как она работает только в очень короткий интервал времени при коммутации токов, близких к номинальному.

Источники информации

1. А.А.Чунихин. Электрические аппараты высокого напряжения.

Выключатели. Том 2. Справочник. М.: Информэлектро, 1996 г., с.117.

2. Патент США №4484044; кл.200-144, опубл. 20.11.1984.

3. Патент Великобритании №2301227; опубл. 27.11.1996, кл. Н1N.

4. Патент США №3824359, кл.200-146; опубл. 16.07.1974 (прототип).

Высоковольтный вакуумный выключатель нагрузки, содержащий в каждой из фаз опорные изоляторы, вакуумную дугогасительную камеру, механизм размыкания ее контактов, главные подвижный и неподвижный контакты, разъединяющий подвижный контакт, причем подвижные контакты связаны между собой, а также вал с системой рычагов, передающих вращательное движение от привода, отличающийся тем, что вакуумная дугогасительная камера установлена на главном неподвижном контакте, а механизм отключения содержит контактный ролик, взаимодействующий с профилированным толкателем, закрепленным на подвижном разъединяющем контакте, при этом профиль поверхности толкателя образован двумя дугами окружностей с центром на оси вращения размыкающего контакта, разность между величинами радиусов которых равна сумме величин хода подвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры и хода дополнительного поджатия, причем величина меньшего радиуса определяется условием касания контактного ролика и профилированной поверхности толкателя, а длина дуги окружности S меньшего радиуса определяется условием

S≥3/2 V/ν,

где V - скорость движения толкателя;

ν - частота переменного тока.