Высоковольтный вакуумный выключатель
Изобретение относится к высоковольтному аппаратостроению, а именно к серии выключателей ВРС, предназначенной для использования в комплектных распределительных устройствах (КРУ) новой серии КУ-6С и КУ-10С, а также в аналогичных других КРУ. Выключатели ВРС всех типоисполнений имеют унифицированные габаритно-присоединительные размеры, новую раму, новые литые из эпоксидного компаунда полюса и рассчитаны на работу при номинальных токах до 3150 А, номинальных токах отключения до 40 кА. Технический результат - уменьшение тока потребления привода и повышение надежности работы. Для его достижения в раму выключателя встроен электромагнитный привод независимого действия, который содержит конденсатор для предварительного накопления энергии, подсоединенный к питающей сети через токоограничивающий резистор, величина сопротивления которого прямопропорциональна постоянной времени зарядки конденсатора и обратнопропорциональна емкости конденсатора, причем указанный конденсатор для совершения операций «включить» и «отключить» подсоединен к катушкам включения и отключения электромагнита привода через блок коммутаций. 5 ил.
Изобретение относится к области высоковольтного аппаратостроения, в частности к вакуумным высоковольтным выключателям (далее по тексту - выключатели), преимущественно установленных на выкатных элементах шкафов комплектных распределительных устройств (далее по тексту - КРУ) в металлических оболочках.
Известные вакуумные высоковольтные выключатели содержат три полюса фаз с вакуумными камерами [1] установленными на общей раме, в которой размещены привод пружинный или электромагнитный, который кинематически соединен с подвижными контактами вакуумных дугогасительных камер [2] (далее по тексту - ВДК). Согласно классификации [3] все приводы высоковольтных выключателей подразделяются на приводы зависимого (прямого) действия, потребляющие энергию во время совершения операции включения непосредственно от вспомогательного источника электрической энергии, и привода независимого (косвенного) действия, совершающие операцию включения за счет энергии, предварительно запасенной до совершения операции, например маховой (инерционный), пневматический, пневмогидравлический, пружинный.
Известные вакуумные выключатели, серийно выпускаемые в странах СНГ и за рубежом, с электромагнитными приводами зависимого (прямого) действия осуществляют включение выключателя, потребляя ток через схему вторичных соединений во время совершения операции включения, и при этом сжимают или растягивают отключающие пружины и пружины поджатия контактов ВДК.
Новое поколение вакуумных выключателей имеет один или три электромагнита включения (соленоида) с удерживающими устройствами на механических или магнитных защелках, установленных под каждым или под каким-либо полюсом выключателя, в которых размещены пружины поджатия контактов ВДК и отключающие пружины. При этом управление выключателем осуществляется с помощью блока управления и защит, узла механической и электрической блокировки включения и других блоков, выполненных отдельными элементами и устанавливаемых вне рамы выключателя, либо с помощью встроенных в раму выключателя электромеханических элементов управления приводом.
К выключателям такого типа можно отнести вакуумные выключатели с приводами зависимого действия серии ВВ/ТЭЛ фирмы ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК (пат. России № 2020631), вакуумный выключатель (пат. Украины № 493 U, 28.02.2000 Бюл. № 1) и др.
По наибольшему количеству существенных признаков за прототип можно принять вакуумный выключатель с электромагнитным приводом зависимого действия по патенту Украины № 493 U.
Конструктивные решения прототипа значительно ограничивают возможность применения таких выключателей в шкафах вновь созданного типа, например КУ-6С и КУ-10С с номинальными токами от 630 А до 3150 А и номинальными токами отключения от 20 кА до 40 кА, предназначенных для работы в системах распредустройств собственных нужд электрических станций в сейсмостойком исполнении и в электроустановках промышленных предприятий.
Новая разработка вакуумного выключателя должна обеспечивать удобство и контроль основных рабочих параметров в эксплуатации, а сам высоковольтный выключатель должен представлять собой одно законченное изделие, т.е. все блоки управления и защит, коммутации, конденсатора, узла механической и электрической блокировки включения и другие должны быть размещены в раме выключателя.
В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки современной серии вакуумных выключателей с электромагнитным приводом для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах в пределах трехфазного переменного тока частоты 50 (60) Гц с номинальным напряжением 6 кВ и 10 кВ. При этом электромагнитный привод выключателя должен потреблять с источника, расположенного вне выключателя, ток не более 3 А при напряжении 220 В. Кроме того, должна быть увеличена надежность работы выключателя.
Поставленная задача ограничения величины потребляемого приводом тока, а также увеличения надежности работы выключателя особенно при зависимом питании его привода достигается за счет того, что в раму выключателя встроен электромагнитный привод независимого действия, который содержит конденсатор для предварительного накопления энергии, подсоединенный к питающей сети через токоограничивающий резистор, величина сопротивления которого прямопропорциональна постоянной времени зарядки конденсатора и обратнопропорциональна емкости конденсатора, причем указанный конденсатор для совершения операций "включить" и "отключить" подсоединен к катушкам включения и отключения электромагнита привода через блок коммутаций. При этом величина тока потребления привода не более 3 А при напряжении 220 В обеспечивается наличием токоограничивающего резистора в цепи зарядки данного конденсатора. Величина сопротивления резистора определяется зависимостью R=τ/С, где С - емкость конденсатора, τ=2,5...3,5 с - постоянная времени зарядки конденсатора, выбранная для обеспечения выполнения выключателем цикла O-0,3 с-ВО-20 с-ВО согласно ГОСТ 687-78. Увеличение надежности работы выключателя обеспечивается тем, что в выключателе применен электромагнитный привод независимого действия, срабатывание которого не зависит от источника питания, расположенного вне выключателя, а именно прерывания питания, уменьшение напряжения и т.д. во время совершения операций включения и отключения выключателя.
Предлагаемый вакуумный выключатель, как и прототип, состоит из изоляционных литых полюсов с ВДК, которые установлены вертикально в ряд на раме и кинематически соединены через изоляционные тяги с электромагнитным приводом, который оснащен двумя магнитными защелками, выполненными в виде двух магнитных цепей постоянных магнитов, удерживающих якорь электромагнита в двух его крайних положениях, в отличии от прототипа, в котором фиксация во включенном положении выполнена на двух механических защелках, а в отключенном положении фиксация обеспечивается с помощью одной или двух отключающих пружин.
Создание такой серии выключателей с применением новых конструктивных и технологических решений позволяют внедрить усовершенствования, которые отсутствуют в выключателях, взятых за прототип.
Предлагаемый вакуумный высоковольтный выключатель можно отнести к выключателям, которые открывают новую серию (под торговой маркой завода-изготовителя - ВРС.) Для проведения диагностики и тестирования основных рабочих параметров такого выключателя непосредственно при его эксплуатации и обслуживании впервые применена система диагностики RITES.
В состав блока диагностики входят электронный блок диагностики и тестирования в экранированном корпусе, индуктивный датчик линейных перемещений, индуктивный датчик конечных положений. Для диагностики выключателя (в лабораторных или эксплуатационных условиях) необходим компьютер с соответствующим программным обеспечением, что позволяет тестировать следующие параметры: собственное время включения и отключения, разновременность замыкания и размыкания контактов, скорость контактов при включении и отключении, ход контактов, ход механизма поджатия контактов ВДК, количество коммутаций и прочее.
Указанные свойства являются существенными потому, что их совокупность обеспечивает достижение позитивного применения данного изобретения в вакуумном высоковольтном выключателе. Все это позволило создать новый тип выключателя, который представляет собой одно законченное изделие. Конструктивно заявляемое решение по электромагнитному приводу независимого действия со встроенным конденсатором обеспечивает повышение надежности выключателя, снижение токов потребления привода, что делает возможным применение его в различных конструкциях КРУ с различными источниками питания вторичных цепей выключателей.
Оригинальная, простая и технологичная конструкция блока управления и защиты, блока коммутации, блока конденсатора и узла блокировки создает возможность использования любых вариантов схем и компоновок выключателя. Выключатель при этом становится высоконадежным, малогабаритным высоковольтным аппаратом с минимальными токами потребления привода, что дает возможность применять его не только в общепромышленном исполнении, но и в сейсмостойком для применения на объектах атомной энергетики (АЭС).
Следовательно, впервые в общей раме выключателя с целью обеспечения оперативного включения и отключения, а также проведения диагностики и тестирования основных рабочих параметров установлены функционально взаимосвязанные между собой блок управления и защиты, блок коммутации, блок конденсатора, блок диагностики, выполненные на печатных платах, узел электрической и механической блокировки включения, причем для уменьшения потребления приводом тока в качестве накопителя энергии, используемой для включения и отключения выключателя, установлен конденсатор, подсоединенный через схему вторичных соединений к сети, обеспечивающей его предварительную зарядку.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего детального описания примера его выполнения и прилагаемых чертежей, на которых:
Фиг.1 изображает выдвижной элемент с вакуумным высоковольтным выключателем, установленный в рабочем положении в шкафу КРУ;
Фиг.2 - общий вид выключателя (вид сбоку) со схемой установки рычага для оперативного ручного отключения;
Фиг.3 - общий вид выключателя спереди (вид А);
Фиг.4 - общий вид выключателя (вид сбоку) с изображением размещения основных узлов и деталей;
Фиг.5 - общий вид выключателя (вид спереди со снятой фасадной панелью). Компоновочное решение размещения блоков, узлов и деталей.
Вакуумный высоковольтный выключатель, установленный на выдвижном элементе, предназначен для установки в шкафах КРУ новой серии КУ-6С и КУ-10С, а также шкафах других серий.
Выключатель состоит из следующих основных частей: трех полюсов 1 (Фиг.4), установленных на раме 2, в которой установлен вал 3, узел 4 механической и электрической блокировки включения, счетчик 5 учета операций срабатывания выключателя, а также установленных на раме для дополнительного крепления полюсов опорных изоляторов 6.
В раме выключателя (Фиг.5) размещен электромагнитный привод независимого действия, содержащий клеммный ряд 7, блок 8 коммутации, указатель 9, тумблер 10 разряда конденсатора, блок-контакты 11 положения выключателя, конденсатор 12, рычаг 13 механизма блокировки, микровыключатель 14, электромагнит 15, плату 16 блока управления и защиты, вал 17 механизма отключения.
Величина тока потребления привода не более 3 А при напряжении 220 В обеспечивается наличием токоограничивающего резистора в цепи зарядки данного конденсатора. Величина сопротивления резистора определяется зависимостью R=τ/С, где С - емкость конденсатора, τ=2,5...3,5 с - постоянная времени зарядки конденсатора, выбранная для обеспечения выполнения выключателем цикла O-0,3 с-ВО-20 с-ВО согласно ГОСТ 687-78.
Выключатель работает следующим образом.
Включение выключателя происходит при помощи электрического сигнала, поступающего на плату 16 блока управления и защит (Фиг.5), что приводит к срабатыванию блока 8 коммутаций и последующей частичной разрядке конденсатора в катушку включения электромагнита 15, что приводит к перемещению якоря электромагнитного привода. При помощи кинематической цепочки движение передается к двухплечему рычагу, установленном на валу 3 (Фиг.4), другой конец которого соединен через тягу с ВДК полюса 1 (Фиг.4). После замыкания контактов ВДК пружины тарельчатые, установленные в изоляционных тягах полюсов, начинают сжиматься, создавая необходимое усилие нажатия контактов. Движение якоря завершается упором в магнитопровод и его фиксацией на магнитную ″защелку″, что определяет включенное положение выключателя.
Оперативное отключение выключателя в нормальном режиме работы происходит при помощи подачи сигнала на блок 16 (Фиг.5) управления и защиты, который приводит к действию блок 8 коммутации, а тот, в свою очередь, приводит к частичной разрядке конденсатора 12. Емкость конденсатора 12 разряжается на катушку отключения электромагнита 15, что приводит к отключению выключателя. Якорь электромагнита начнет двигаться вверх, а изоляционная тяга в полюсе вниз. На первом участке движения якоря контакты ВДК продолжают быть замкнутыми, а сжатые тарельчатые пружины расжимаются, обеспечивая необходимую начальную скорость контактов ВДК во время процесса дугогашения. После того как тарельчатые пружины разжались на величину их хода, начинают размыкаться контакты ВДК, производя дугогашение. Движение якоря вверх завершается упором в магнитопровод и его фиксацией на магнитную "защелку", что определяет отключенное положение выключателя. После частичной разрядки конденсатора при совершении операции включения или отключения автоматически происходит его дозарядка.
Отключение в аварийном режиме работы выключателя происходит после срабатывания цепей защиты на плате блока 16 (Фиг.5) управления и защиты, который приводит к действию блока 8 коммутации, а тот, в свою очередь, к разряду конденсатора 12 на катушку отключения электромагнита 15 (Фиг.5). После этого происходит отключение выключателя.
Блокировка включения выключателя, находящегося в промежуточном положении КРУ, осуществляется перемещением рычага 13 (Фиг.5), что приводит к механической блокировке поворота вала 3 (Фиг.4) и разрыву электрической цепи включения микровыключателем 14 (Фиг.5), то есть сигнал включения на плату управления и защит не поступает.
Вакуумный выключатель относится к новому типу высоковольтных аппаратов, конструкция которого обеспечивает минимальные габариты, улучшенные технико-экономические показатели, высокую эксплуатационную надежность и возможность контроля основных рабочих параметров, широкий диапазон типоисполнений по номинальным токам от 630 А до 3150 А и по номинальным токам отключения от 20 кА до 40 кА и высокий коммутационный ресурс, что позволяет комплектовать им любые типы КРУ как отечественного, так и зарубежного производства.
Опытный образец выключателя разработан и изготовлен на ОАО «РЗВА» (Украина, г.Ровно) и во время электромеханических и коммутационных испытаний полностью подтвердил высокую надежность и работоспособность. В серийном производстве такие выключатели типов ВРС-6 и ВРС-10 различных типоисполнений будут изготавливаться под торговой маркой ВРС.
По мнению авторов, такой выключатель может занять достойное место в народном хозяйстве для применения в эксплуатирующих организациях промышленных энергетических систем, а также ТЭС и АЭС.
Источники информации
1. Афанасьев В.В., Якунин Э.Н. Приводы к выключателям высокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение. 1982 г.
2. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения. СПб. - Издательство Сизова М.П., 2000, - 114 с.
3. ГОСТ 687-78 «Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В».
Вакуумный высоковольтный выключатель, содержащий раму, полюса с вакуумными дугогасительными камерами, электромагнитный привод с блоком коммутаций, блок-контакта положения выключателя и механизм ручного отключения, отличающийся тем, что в раму выключателя встроен электромагнитный привод независимого действия, который содержит конденсатор для предварительного накопления энергии, подсоединенный к питающей сети через токоограничивающий резистор, величина сопротивления которого прямопропорциональна постоянной времени зарядки конденсатора и обратнопропорциональна емкости конденсатора, причем указанный конденсатор для совершения операций "включить" и "отключить" подсоединен к катушкам включения и отключения электромагнита привода через блок коммутаций.
