КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01H31/02 H01H1/00 

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.

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.

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 В_1 1, В_1 2, В_1 К и В_2 1, В_2 2, В_2 К, 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 В_1 1, В_1 2, В_1 К и В_2 1, В_2 2, В_2 К из условия равенства действующих значений токов во всех элементарных шинах.