ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к созданию вакуумных выключателей, предназначенных для коммутации силовых энергетических цепей переменного тока.

Существующие конструкции приводов вакуумных выключателей, как правило, имеют приводное устройство и передаточный механизм в виде поворотного вала с закрепленными на нем тремя поворотными рычагами, к которым присоединены изоляционные тяги, связанные через узлы поджатия с подвижными контактами вакуумных камер [1]. При включении выключателя приводное устройство воздействует на закрепленный на валу дополнительный рычаг. При этом вал поворачивается в установленных на корпусе подшипниках и поворотными рычагами через изоляционные тяги и узлы поджатия контактов приводит в движение подвижные контакты вакуумных камер. Таким образом, вал служит промежуточным звеном, передающим движение от приводного устройства на подвижные контакты трех вакуумных камер.

При простоте кинематической схемы известного устройства существенным недостатком является то, что длинный вал, нагруженный удвоенной силой сжатия контактов, работает на изгиб и кручение, поэтому он должен обладать высокой жесткостью и, следовательно, быть достаточно массивным, что увеличивает время срабатывания выключателя и требует приводное устройство большой мощности. Поскольку приводное устройство закреплено на корпусе и, при воздействии на вал, передает реакцию на корпус, то корпус выключателя также должен быть прочным и жестким, что увеличивает его массу и стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является высоковольтный вакуумный выключатель, содержащий три дугогасительные камеры, подвижные контакты которых соединены с приводным устройством через диэлектрические тяги и пружинные механизмы поджатия контактов при помощи плоского шарнирно-рычажного параллелограммного механизма, состоящего из двух двуплечих поворотных рычагов и одного трехплечего, оси вращения которых соединены с корпусом, первые плечи соединены между собой планкой, а вторые шарнирно соединены с пружинными механизмами поджатия контактов. Оси симметрии диэлектрических тяг и пружинных механизмов поджатия расположены в одной плоскости с шарнирно-рычажным механизмом. Приводное устройство присоединено через главный пружинный механизм поджатия контактов к третьему плечу трехплечего рычага [2].

В данной конструкции передаточного механизма звенья, работающие на изгиб (вал, корпус выключателя) заменены звеньями, работающими на сжатие - растяжение, что позволяет снизить массу передаточного механизма. Однако пружинные механизмы поджатия контактов, расположенные между поворотными рычагами и диэлектрическими тягами, всей массой участвуют в движении контактов, увеличивая приведенную к приводному устройству массу движущихся звеньев, тем самым повышая время срабатывания выключателя.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия выключателя и снижение мощности приводного устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в высоковольтном вакуумном выключателе, содержащем три дугогасительные камеры, подвижные контакты которых соединены с приводным устройством посредством кинематической цепи, включающей диэлектрические тяги, пружинные механизмы поджатия контактов и плоский шарнирно-рычажный параллелограммный механизм, содержащий двуплечие поворотные рычаги, оси вращения которых соединены с корпусом, а первые плечи соединены между собой планкой, причем оси симметрии диэлектрических тяг и пружинных механизмов поджатия контактов расположены в одной плоскости с шарнирно-рычажным механизмом, оси вращения поворотных рычагов соединены с корпусом через пружинные механизмы поджатия контактов, вторые плечи рычагов шарнирно соединены с диэлектрическими тягами, а планка состоит из двух частей.

Каждый поворотный рычаг имеет упор второго плеча, расположенный между диэлектрической тягой и пружинным механизмом поджатия контактов.

Кроме того, каждый поворотный рычаг имеет два дополнительных упора, один из которых расположен симметрично основному, а второй расположен на оси диэлектрической тяги. При этом приводное устройство имеет возможность фиксации включенного и отключенного положения выключателя, а пружинный механизм поджатия контактов имеет возможность работать на сжатие и растяжение.

В предлагаемом устройстве пружинные механизмы поджатия контактов исключены из цепи движения контактов на замыкание и участвуют только в поджатии контактов. Уменьшение массы движущихся звеньев приводит к снижению требуемой мощности приводного устройства и повышению быстродействия аппарата.

Необходимость использования двух планок для соединения первых плеч поворотных рычагов объясняется тем, что при дуговом износе торцевых контактов в процессе эксплуатации межконтактные промежутки разных фаз становятся неодинаковыми. В конструкции выключателя, описанной в прототипе, статическая неопределимость системы при замыкании контактов исчезает за счет деформации механизмов поджатия контактов, двуплечие рычаги и соединяющая их общая планка не участвуют в этом процессе, поэтому планка может быть монолитной. В предлагаемом выключателе деформация механизмов поджатия осуществляется вместе с вертикальным перемещением двуплечих рычагов. Поэтому, чтобы обеспечить требуемое контактное поджатие контактов разных фаз, необходимо неодинаковое вертикальное перемещение двуплечих рычагов, что и достигается использованием планки, состоящей из двух частей.

Использование в выключателе упоров вторых плеч поворотных рычагов позволяет погасить скорость движения подвижных контактов непосредственно перед моментом касания контактов выключателя до необходимой величины. Это, в свою очередь, дает возможность повысить среднюю скорость движения контактов, т.е. повысить быстродействие выключателя.

Введение дополнительных упоров вторых плеч поворотных рычагов дает возможность осуществлять переход энергии сжатой пружины механизма поджатия в энергию движения диэлектрической тяги и наоборот, что приводит к снижению затрат энергии на включение и отключение выключателя, т.е. позволяет снизить мощность приводного устройства.

На фиг. 1 изображен высоковольтный вакуумный выключатель с вертикальной компоновкой передаточного механизма; на фиг. 2 - с горизонтальной компоновкой передаточного механизма; на фиг. 3 показано действие поворотного рычага при наличии упора второго плеча; на фиг. 4 - действие поворотного рычага при наличии трех упоров второго плеча.

Высоковольтный вакуумный выключатель содержит три дугогасительные камеры 1 с подвижными контактами 2, соединенными через передаточное устройство с приводным устройством 3. Передаточное устройство включает в себя диэлектрические тяги 4 и плоский шарнирно-рычажный механизм, состоящий из двуплечих поворотных рычагов 5, оси вращения 6 которых соединены с корпусом 7 передаточного механизма через пружинные механизмы 8 поджатия контактов. Оси симметрии диэлектрических тяг 4 и пружинных механизмов 8 поджатия контактов расположены в одной плоскости с шарнирно-рычажным механизмом. Первые плечи поворотных рычагов 5 соединены между собой двумя планками 9, коаксиально одной из которых расположена пружина отключения 10, опертая о корпус 7. Вторые плечи поворотных рычагов 5 соединены с диэлектрическими тягами 4 при помощи шарниров 11. Для исключения подвижности рычагов 5 в направлении, перпендикулярном плоскости шарнирно-рычажного механизма, служат дополнительные рычаги 12, шарнирно связанные с корпусом 7 и с осями вращения поворотных рычагов 5. Приводное устройство 3 соединено с первым плечом одного из поворотных рычагов 5 посредством тяги 13 с двумя универсальными шарнирами 14 по концам. Применение универсальных шарниров необходимо, поскольку механизм приводного устройства расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости передаточного механизма.

Высоковольтный вакуумный выключатель с горизонтальной компоновкой передаточного механизма дополнительно содержит промежуточные двуплечие поворотные рычаги 15 (фиг. 2), первые плечи которых соединены с диэлектрическими тягами 4, а вторые - с подвижными контактами 2 вакуумных камер 1.

Каждый поворотный рычаг 5 имеет упор 16 второго плеча (фиг. 3), расположенный между диэлектрической тягой 4 и пружинным механизмом поджатия контактов 8.

Кроме того, каждый поворотный рычаг 5 имеет два дополнительных упора 17 и 18 второго плеча (фиг. 4). Дополнительный упор 17 расположен симметрично основному упору 16, а дополнительный упор 18 расположен на оси диэлектрической тяги 4 и упирается в шарнир 11 при отключенном положении выключателя. Пружинный механизм 8 поджатия контактов содержит шток 19, на котором между тарелками 20 расположена пружина 21, верхние и нижние ограничители 22, закрепленные на корпусе механизма. Механизм содержит также две гайки 23, закрепленные на штоке 19 с внешних сторон тарелок 20.

Вакуумный выключатель работает следующим образом. При включении приводное устройство 3 через тягу 13 с универсальными шарнирами 14 поворачивает один из двуплечих рычагов 5. При этом благодаря планкам 9 два других двуплечих рычага 5 также поворачиваются вокруг осей 6. Тем самым приводятся в движение диэлектрические тяги 4 и подвижные контакты 2. После смыкания контактов продолжающееся воздействие приводного устройства 3 приводит к повороту двуплечих рычагов 5 вокруг шарниров 11, при этом происходит сжатие пружин пружинных механизмов 8 поджатия контактов, чем обеспечивается требуемое контактное поджатие контактов вакуумных камер 1. При завершении включения приводное устройство 3 запирает механизм выключателя в положении "включено".

При отключении выключателя приводное устройство 3 сбивает защелку, и под действием сжатых при включении пружин поджатия 8 и пружины отключения 10 происходит возвращение механизма выключателя в исходное отключенное состояние.

Включение и отключение выключателя с горизонтальной компоновкой передаточного механизма (фиг. 2) происходит также, за исключением того, что диэлектрические тяги 4 приводят в движение подвижные контакты 2 вакуумных камер 1 не непосредственно, а через промежуточные двуплечие рычаги 15.

При наличии упоров 16 вторых плеч поворотных рычагов (фиг. 3а) процесс включения происходит также до тех пор, пока зазор между контактами дугогасительных камер не составит 2-3 мм. В этот момент происходит упирание вторых плеч рычагов 5 в неподвижные упоры 16 (фиг. 3б). При этом вторые плечи рычагов выполняют роль балансиров, средними точками которых являются упоры 16. Кинетическая энергия движения подвижных контактов переходит в потенциальную энергию пружин механизмов поджатия, сжимая их (фиг. 3в). Скорость подвижных контактов при этом эффективно гасится без потери энергии и при соприкосновении контактов имеет требуемую допустимую величину 1 м/с. Это позволяет увеличить среднюю скорость движения подвижных контактов и сократить время срабатывания выключателя. Точное расположение упоров должно рассчитываться для каждого конкретного выключателя исходя из параметров выключателя и передаточного механизма. После смыкания контактов приводное устройство 3 дожимает пружину механизма 8 поджатия контактов и запирает механизм выключателя во включенном положении (фиг. 3г).

При наличии, помимо основных, дополнительных упоров вторых плеч поворотных рычагов работа устройства происходит следующим образом (фиг. 4). В исходном состоянии выключателя "отключено" (фиг. 4а) диэлектрическая тяга 4 упирается в дополнительный упор 18, а пружина 21 сжата при помощи верхних ограничителей 22. При этом второе плечо рычага 5 расположено между упорами 16 и 17. При включении выключателя пружина 21 расжимается, вращая двуплечий рычаг 5 вокруг шарнира 11 (точка Ц на фиг. 4а). Приведенные массы двуплечих рычагов 5 и соединенных с ними планок 9 приобретают кинетическую энергию, которая при упирании второго плеча рычага 5 в упор 17 ударным воздействием переходит в энергию движения диэлектрической тяги 4 и подвижного контакта 2 (фиг. 4б). При этом происходит поворот второго плеча рычага 5 вокруг упора 17 (точка Ц на фиг. 4б), являющегося средней точкой балансира, передающего разгоняющее усилие пружины 21 на подвижный контакт 2.

После того, как пружина 21 поджатия полностью разожмется, уперевшись в нижние ограничители 22, двуплечий рычаг 5 продолжает вращение под действием сил инерции и приводного устройства вокруг шарнира 6 (фиг. 4в). В момент, когда зазор между контактами дугогасительной камеры 1 составляет 2-3 мм, происходит упирание второго плеча рычага 5 в неподвижный упор 16. При этом второе плечо рычага 5 выполняет роль балансира, средней точкой которого является упор 16 (фиг. 4г). Кинетическая энергия подвижного контакта 2 и диэлектрической тяги 4 переходит в потенциальную энергию пружины 21, прижимая ее к нижним ограничителям 22. Скорость подвижного контакта 2 при этом эффективно гасится.

После смыкания контактов продолжающееся воздействие приводного устройства 3 приводит к дальнейшему повороту рычага 5 вокруг шарнира 11 (точка Ц на фиг. 4д). Это еще больше сжимает пружину 21 поджатия контактов. Включение завершается запиранием приводного устройства (фиксацией включенного положения выключателя).

Отключение выключателя происходит в обратном порядке и также завершается фиксацией отключенного положения выключателя для того, чтобы пружина 21 поджатия оставалась в сжатом состоянии. Приводное устройство при этом может быть выполнено с двумя механическими фиксаторами (защелками) или с кинематической защелкой с двумя мертвыми положениями, например кривошипно-шарнирный механизм или шарнирно-рычажный четырехзвенник с мертвыми крайними положениями.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить быстродействие выключателя и снизить мощность приводного устройства. Изобретение может быть использовано в вакуумных выключателях небольшой массы, с повышенным быстродействием, что позволяет применять их в комплексах БАВР (быстродействующего аварийного включения резерва) и в распределительных шкафах общего назначения, т.к. повышенное быстродействие уменьшает дуговой износ контактов и продлевает срок службы самых дорогостоящих элементов выключателя - вакуумных дугогасительных камер. Изобретение может быть использовано в выключателях как с вертикальной компоновкой передаточного механизма, так и с горизонтальной. Выключатели с вертикальной компоновкой предназначены для установки в шкафы распредустройств на подстанциях при замене выработавших свой ресурс и устаревших маломасляных и электромагнитных выключателей. Конструкция стыкуется с любым выкатным элементом существующих шкафов распредустройств. Конструкция выключателя с горизонтальной компоновкой пригодна для двухярусных ячеек КРУ.

Источники информации:
1. Выключатели вакуумные типа ВВЭ-М-10-20. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИНЛЯ. 674152. 009 ТО, стр.8.

2. Авт.св. 1457010, МКИ4 H 01 H 33/66, 11.02.87, (прототип).

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для коммутации силовых энергетических цепей переменного тока. Техническим результатом является повышение быстродействия выключателя и снижение мощности привода. Выключатель содержит три дугогасительные камеры с подвижными контактами, соединенными с приводным устройством посредством кинематической цепи, включающей диэлектрические тяги и плоский шарнирно-рычажный параллелограммный механизм, состоящий из двуплечих поворотных рычагов, оси вращения которых соединены с корпусом через пружинные механизмы поджатия контактов. Оси симметрии диэлектрических тяг и пружинных механизмов поджатия контактов расположены в одной плоскости с шарнирно-рычажным механизмом. Первые плечи поворотных рычагов соединены между собой двумя планками, а вторые - шарнирно соединены с диэлектрическими тягами. Каждый поворотный рычаг имеет упор второго плеча, расположенный между диэлектрической тягой и пружинным механизмом поджатия контактов, а также два дополнительных упора, один из которых расположен симметрично основному, а второй расположен на оси диэлектрической тяги. Приводное устройство имеет возможность фиксации включенного и отключенного положений выключателя, а пружинный механизм поджатия контактов имеет возможность работать на сжатие и растяжение. 2 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Высоковольтный вакуумный выключатель, содержащий три дугогасительные камеры, подвижные контакты которых соединены с приводным устройством посредством кинематической цепи, включающей диэлектрические тяги, пружинные механизмы поджатия контактов и плоский шарнирно-рычажный параллелограммный механизм, содержащий двуплечие поворотные рычаги, оси вращения которых соединены с корпусом, а первые плечи соединены между собой планкой, причем оси симметрии диэлектрических тяг и пружинных механизмов поджатия контактов расположены в одной плоскости с шарнирно-рычажным механизмом, отличающийся тем, что оси вращения поворотных рычагов соединены с корпусом через пружинные механизмы поджатия контактов, вторые плечи рычагов шарнирно соединены с диэлектрическими тягами, а планка состоит из двух частей. 2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что каждый поворотный рычаг имеет упор второго плеча, расположенный между диэлектрической тягой и пружинным механизмом поджатия контактов. 3. Выключатель по п. 2, отличающийся тем, что каждый поворотный рычаг имеет два дополнительных упора, один из которых расположен симметрично основному, второй расположен на оси диэлектрической тяги, приводное устройство имеет возможность фиксации включенного и отключенного положений выключателя, а пружинный механизм поджатия контактов имеет возможность работать на сжатие и растяжение.