ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H01H33/42 H01H33/55 H01H33/66 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к приводам высоковольтных выключателей, используемых для коммутации силовых энергетических сетей.

Известна конструкция электромагнитного привода, в которой подвижные контакты дугогасительной камеры соединены каждый с собственным электромагнитным устройством, содержащим обмотку управления и постоянные магниты. Обмотки управления присоединены к источнику питания через полупроводниковый ключ.

При пропускании тока через обмотку управления сердечник электромагнита притягивается к магнитопроводу, сжимая силовые контакты дугогасительной камеры через пружину поджатия. При обесточивании обмотки управления сердечник удерживается в притянутом положении постоянными магнитами. При пропускании через обмотку управления встречного тока, магнитное поле которого компенсирует поле постоянных магнитов, происходит возврат сердечника под действием сжатых пружин и отключение силовых контактов дугогасительной камеры /1/.

При простоте его механической части недостатками данного привода являются большой вес магнитной системы, низкое быстродействие и малое расстояние между разведенными контактами дугогасительной камеры, что приводит к понижению электрической прочности промежутка и пробиванию его грозовым импульсом. Применение данного привода ограничивается отсутствием конструкций на ток свыше 1000 А и напряжение свыше 10 кВ.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнитный привод высоковольтного выключателя, содержащий электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма с удерживающей защелкой, электромагнит отключения, установленный с возможностью взаимодействия с защелкой отключения, причем обмотки электромагнитов через ключи присоединены к источнику питания /2/.

При включении выключателя воздействие толкателя электромагнита включения на ролик приводит к движению двух звеньев пятизвенного механизма в направлении "мертвого" положения и поворачиванию выходного вала привода.

При включении выключателя на короткое замыкание в защищаемой цепи отключающий электромагнит воздействует на отключающую защелку, неподвижное пятое звено механизма теряет опору и начинает поворачиваться вокруг своей оси. При этом воздействие толкателя электромагнита включения приводит не к поворачиванию выходного вала привода, а к поворачиванию пятого звена. При этом включение выключателя не происходит.

Недостатком данного привода является пониженная надежность вследствие его повышенной сложности, что служит основным источником отказов приводов выключателей в эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности электромагнитного привода высоковольтного выключателя и повышение его быстродействия.

Техническим результатом является упрощение механической части привода и повышение быстродействия ключа электромагнита включения.

Поставленная задача решается за счет того, что в электромагнитном приводе высоковольтного выключателя, содержащем электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма, и электромагнит отключения, причем обмотки электромагнитов через ключи присоединены к источникам питания. Ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, его запирающий вывод соединен с одним из выводов блока отключения, другой вывод которого соединен с коммутатором электромагнита отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, запирающие звенья которого во включенном положении выключателя установлены в "мертвом" положении с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором.

Упрощение механической части привода обеспечивается за счет исключения двух механических защелок - удерживающей и отключающей - и выполнения шарнирно-рычажного механизма четырехзвенным. Увеличение быстродействия - за счет применения быстродействующего полупроводникового ключа.

Для выполнения приводом функции свободного расцепления при включении выключателя на короткое замыкание в защищаемой цепи ключ выполняется полупроводниковым полностью управляемым, способным запереться в любой момент времени после начала включения при воздействии на него отключающего сигнала, поступившего с блока отключения, реагирующего на короткое замыкание в защищаемой цепи, при этом электромагнит включения обесточивается, толкатель его возвращается в исходное положение. Вместе с ним возвращаются в исходное положение и запирающие звенья шарнирно-рычажного механизма, если они еще не успели встать в "мертвое" положение. Одновременно с сигналом на запирание полупроводникового ключа сигнал с блока отключения подается на ключ электромагнита отключения, в результате чего он включается и напряжение источника питания прикладывается к обмотке электромагнита отключения. При этом толкатель электромагнита отключения ударяет по одному из запирающих звеньев, выводя их из "мертвого" положения, если они уже успели в него встать, что приводит к отключению выключателя под действием пружин отключения. Применение одновременно с обесточиванием обмотки электромагнита включения подачи напряжения на обмотку электромагнита отключения позволяет также повысить надежность работы привода.

Задачей варианта привода, предназначенного для использования совместно со схемами релейной защиты с дешунтированием обмотки отключающего электромагнита, является повышение надежности и быстродействия при сохранении легкости отключения.

Техническим результатом является упрощение механической части привода и повышение быстродействия ключа электромагнита включения.

Поставленная задача решается в результате того, что в электромагнитном приводе высоковольтного выключателя, содержащем электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма и электромагнит отключения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с защелкой отключения, причем обмотка электромагнита включения через ключ присоединена к источнику питания, а обмотка электромагнита отключения присоединена к измерительному трансформатору тока, ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым полностью управляемым, запирающий вывод которого соединен с выводом блока отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, запирающие звенья которого во включенном состоянии установлены, не доходя до "мертвого" положения с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором.

При использовании схемы релейной защиты с дешунтированием обмотки отключающего электромагнита, реле токовой защиты присоединяет обмотку непосредственно к измерительному трансформатору тока. В этом случае электромагнит отключения работает при относительно малой электрической мощности, особенно в аварийном режиме токовой перегрузки, когда усилие на толкателе электромагнита невелико и недостаточно для отключения механизма, описанного ранее. Для облегчения отключения запирающего механизма он должен быть выполнен редуцирующим, т.е. в нем должна быть использована отключающая защелка.

При воздействии толкателя электромагнита включения на ролик запирающие звенья сдвигаются к "мертвому" положению, приводя в движение выходное звено привода. Если произошло нормальное включение выключателя, то движение, ограниченное упором, не доходя до "мертвого" положения, фиксируется от возврата защелкой.

При включении на короткое замыкание в защищаемой линии срабатывает токовое реле, направляя ток от измерительного трансформатора тока в обмотку электромагнита отключения. Одновременно с этим блок отключения обесточивает обмотку электромагнита включения. Толкатель электромагнита отключения отодвигает защелку в сторону, и она становится неспособной зафиксировать включенное, близкое к "мертвому" положение при упирании запирающего рычага в регулируемый упор. Под действием сжатых при включении пружин механизм привода возвращается в отключенное состояние.

Полупроводниковый полностью управляемый ключ может быть выполнен в виде силового тиристора, параллельно которому подключены высоконелинейный резистор, а также цепь из последовательно соединенных дросселя, конденсатора и встречно включенного дополнительного тиристора, зашунтированного встречно включенным ему диодом.

Поскольку коммутирующий конденсатор постоянно присоединен к источнику питания, он постоянно заряжен и в любой момент времени может запереть основной тиристор, прервав питание электромагнита включения. Индуктивный ток обмотки электромагнита включения эффективно гасится высоконелинейным резистором.

Для снижения потребляемой мощности включающего электромагнита и уменьшения мощности управления толкатель электромагнита включения может быть установлен с возможностью непосредственного взаимодействия с выходным направляющим звеном шарнирно-рычажного запирающего механизма.

При этом исключается общий недостаток запирающих механизмов, становящихся в "мертвое" положение при включении выключателя, а именно: несоответствие характеристик сопротивления механизма выключателя силовой характеристике включающего электромагнита, поскольку передача усилия сопротивления через запирающие звенья ведет к получению " пиковой" характеристики сопротивления на толкателе включающего электромагнита, а включающий электромагнит при этом имеет растущую по мере уменьшения воздушного зазора характеристику тягового усилия, что приводит к избыточной мощности включающего электромагнита для преодоления "пика" силы сопротивления в середине хода якоря.

Таким образом, постоянное передаточное отношение прямой передачи (в отличие от передачи включающего усилия через запирающие звенья) хорошо согласует растущую по мере уменьшения воздушного зазора между сердечником и якорем силу включающего электромагнита и растущую по мере движения на включение силу сопротивления сжимаемых пружин механизма выключателя. Отсюда следует уменьшение потребляемой мощности электромагнита включения, полупроводникового ключа, а также уменьшение тока управления, потребляемого от источника питания во время включения.

На фиг. 1 изображена комбинированная электрическая принципиальная и кинематическая схема предлагаемого привода выключателя.

На фиг. 2 показана комбинированная электрическая принципиальная и кинематическая схема варианта предлагаемого привода с защелкой.

На фиг. 3 изображена кинематическая схема привода с уменьшенной потребляемой мощностью электромагнита включения и устройства управления.

Электромагнитный привод высоковольтного выключателя содержит электромагнит включения 1 (фиг. 1), который своим толкателем 2 взаимодействует с роликом 3 шарнирно-рычажного четырехзвенного механизма, и электромагнит отключения 4, причем их обмотки 5 и 6 через ключи 7 и 8 присоединены к источнику питания 9.

Запирающий вывод полупроводникового ключа 7, выполненного полностью управляемым, соединен с одним из выводов блока отключения 10, содержащим релейную автоматику токовой защиты силовой цепи, коммутируемой выключателем, другой вывод которого соединен с коммутатором электромагнита отключения 8. Запирающие звенья 11 шарнирно-рычажного механизма, который выполнен четырехзвенным, во включенном положении выключателя установлены в "мертвое" положение, с возможностью ограничения их дальнейшего хода регулируемым упором 12.

Электромагнитный привод высоковольтного выключателя, применяющийся совместно со схемами релейной защиты с дешунтированием обмотки отключающего электромагнита, содержит (фиг. 2) электромагнит включения 1, толкатель 2 которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом 3 шарнирно-рычажного механизма и электромагнит отключения 4, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с защелкой 13. Обмотка 6 электромагнита включения 1 через ключ 7 присоединена к источнику питания 9, а обмотка 5 электромагнита отключения 4 подключена к измерительному трансформатору тока 14 и зашунтирована нормально замкнутым контактом 15 реле токовой защиты 16. Ключ 7 электромагнита включения 1 выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, запирающий вывод которого соединен с выводом блока отключения 10. Шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, запирающие звенья которого во включенном положении выключателя установлены, не доходя до "мертвого" положения с возможностью ограничения их дальнейшего хода регулируемым упором 12.

Полупроводниковый полностью управляемый ключ (фиг. 1) выполнен в виде силового тиристора 17, параллельно которому подключен высоконелинейный резистор 18, а также цепь из последовательно соединенных дросселя 19, конденсатора 20 и встречно включенного дополнительного тиристора 21, зашунтированного встречно включенным ему диодом 22.

Для уменьшения потребляемой мощности электромагнита включения 1 электромагнитного привода высоковольтного выключателя (фиг. 3) толкатель 2 электромагнита включения 1 установлен с возможностью непосредственного взаимодействия с роликом 3, установленным на выходном направляющем звене 23 шарнирно-рычажного запирающего механизма, включающего также запирающие звенья 11.

Привод работает следующим образом. При нормальном включении выключателя командой с блока включения подается управляющий импульс на тиристор 17 (фиг. 1), который замыкает цепь питания электромагнита включения 1, толкатель 2 электромагнита воздействует на ролик 3, находящийся на одном из запирающих звеньев 11. Угол между запирающими звеньями увеличивается до 180, т.е. рычаги становятся в "мертвое" положение. Этим выполняется функция защелки - исключение возвращения назад механизма выключателя. Для прекращения питания электромагнита с блока отключения 10 подается импульс управления на дополнительный тиристор 21, включая его. При этом происходит колебательный разряд предварительно заряженного конденсатора 20 через включенный силовой тиристор 17, который при прохождении обратного тока запирается. Ток из обмотки 5 электромагнита 1 переходит в цепь высоконелинейного резистора 18, который способствует быстрому гашению индуктивного тока обмотки электромагнита.

При отключении выключателя с блока отключения 10 подается сигнал на ключ 8. Ключ 8 включается, подавая напряжение на обмотку 5 электромагнита отключения 4. Толкатель электромагнита воздействует на запирающее звено 11, которое выводится из устойчивого "мертвого" положения и далее под действием сжатых пружин механизм выключателя отключается.

При включении выключателя на короткое замыкание процесс включения состоит из двух этапов:
- сведение контактов в дугогасительных камерах, которое происходит так же, как при нормальном включении;
- появление тока короткого замыкания после смыкания контактов и выработка релейной автоматикой токовой защиты с необходимой задержкой времени сигнала, подаваемого от блока отключения 10 (фиг. 1) на управляющий вывод дополнительного тиристора 21, чем прерывается ток в основном тиристоре 17 и электромагнит включения 1 быстро обесточивается, рассеивая запасенную энергию на высоконелинейном сопротивлении 18. Одновременно с подачей сигнала на дополнительный тиристор 21 подается включающий сигнал на ключ 8 электромагнита отключения 4, в результате чего он включается и напряжение источника питания 9 прикладывается к обмотке электромагнита отключения 4. При этом толкатель электромагнита отключения ударяет по одному из запирающих звеньев 11, выводя их из "мертвого" положения, если они уже успели в него встать, что приводит к отключению выключателя под действием пружин отключения.

При работе привода, предназначенного для использования совместно со схемами релейной защиты с дешунтированием обмотки отключающего электромагнита (фиг. 2) электромагнит включения 1 воздействует толкателем 2 на ролик 3, установленный на запирающих звеньях 11. Угол между запирающими звеньями увеличивается. При этом одно из звеньев упирается в упор 12, не доходя до угла 180 между осями звеньев, т.е. не доходя до "мертвого" положения. Это положение неустойчиво, и, если электромагнит волочения прекратит давление на звенья, механизм выключателя под действием сжатых пружин возвратится в исходное отключенное состояние. Чтобы этого не произошло, предусмотрена кинематическая защелка 13, которая под действием предварительно поджатой пружины 24 запирает одно из звеньев 11 во включенном состоянии.

При отключении выключателя на дополнительную обмотку электромагнита отключения 4 подается напряжение от источника питания 9 (на чертеже не показано). Электромагнит отключения своим толкателем сбивает защелку 13, и механизм выключателя под действием сжатых пружин возвращается в отключенное состояние.

При включении выключателя на короткое замыкание в защищаемой силовой цепи возникает ток к.з., пропорционально которому возрастает и ток вторичной обмотки измерительного трансформатора тока 14, который через нормально замкнутые контакты 15 замыкается через обмотку токового реле 16. При достижении порога срабатывания сердечник реле притягивается к магнитопроводу, размыкая нормально замкнутый контакт 15 и замыкая нормально разомкнутый. При этом цепь, включающая обмотку реле и шунтирующая обмотку электромагнита отключения 4, размыкается и замыкается цепь питания обмотки электромагнита отключения от трансформатора тока 14. Электромагнит отключения 4 срабатывает, не давая своим толкателем защелке 13 запереть механизм выключателя в положении "включено". Одновременно сигнал отключения передается с токового реле 16 также на блок отключения 10, запирая ключ 7, что вызывает обесточивание электромагнита включения 1. Не доведенный до "мертвого" положения и не запертый защелкой механизм выключателя начинает движение на отключение и отключает привод.

При работе привода, применяющегося совместно со схемами релейной защиты с дешунтированием обмотки отключающего электромагнита, с уменьшенной потребляемой мощностью (фиг. 3) включение происходит так же, как в предыдущем случае, только электромагнит включения своим толкателем воздействует на ролик, расположенный на выходном звене привода 23, выполняющего функции направляющего звена в шарнирном четырехзвеннике. Отключение включенного выключателя производится подачей отключающего сигнала на ключ 8, при этом подается напряжение на электромагнит отключения 4. Для предложенного привода рационально применение в качестве включающего электромагнита переменного тока с шихтованным железом сердечника, в котором практически отсутствуют вихревые токи, что ускоряет намагничивание и размагничивание сердечника и, следовательно, повышает быстродействие аппарата.

В качестве шарниров применены получившие в настоящее время значительное распространение металло-фторопластовые подшипники /3/. Эти подшипники в отличие от полимерных втулок практически не деформируются под нагрузкой; в отличие от стальных шарниров имеют очень малый коэффициент трения скольжения, практическое отсутствие износа в эксплуатации, не требуют периодической смазки весь срок службы. Стоимость металло-фторопластовых втулок невелика.

Использование изобретения позволяет создать выключатели повышенной надежности, с увеличенным быстродействием, более простые и меньшей стоимости. Полупроводниковый ключ, применяемый в приводе, запирается практически мгновенно, в любой момент времени после начала включения аппарата определенным сигналом. Следовательно, при питании включающего электромагнита через такой ключ появляется возможность обесточить электромагнит включения за несколько миллисекунд, при этом процесс включения прерывается и начинается отключение.

Предлагаемый привод может применяться в схемах релейной защиты с дешунтированием, в выключателях общего назначения и выключателях, рассчитанных на АПВ. Повышенное быстродействие, достигаемое при применении электромагнитов с шихтованным сердечником, позволяет использовать привод в выключателях, применяемых в комплексах быстродействующего автоматического включения резерва без дополнительных высоковольтных ускоряющих устройств, необходимых в существующих конструкциях.

Источники информации:
1. Выключатели вакуумные типа BB/TEL-10. Руководство по эксплуатации. - 1996 или Патент РФ N 2020631, 30.09.94.

2. Авторское свидетельство СССР N 1653018 A1, H 01 H 33/42 или Афанасьев В. В. , Якунин Э.Н. Приводы к выключателям и разъединителям высокого напряжения. - Энергоатомиздат, 1982, с. 56 и 57.

3. Металлофторопластовые подшипники. ТУ 27-12-73-87 или Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1979, с. 50.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к приводам высоковольтных выключателей, используемых для коммутации силовых энергетических сетей. Электромагнитный привод содержит электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма, и электромагнит отключения, причем обмотки электромагнитов через ключи присоединены к источнику питания. Ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, запирающий вывод ключа соединен с одним из выводов блока отключения, другой вывод которого соединен с коммутатором электромагнита отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, его запирающие звенья во включенном положении выключателя установлены в "мертвом" положении с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором. Электромагнитный привод (вариант) содержит электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма, и электромагнит отключения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с защелкой отключения, причем обмотка электромагнита включения через ключ присоединена к источнику питания, а обмотка электромагнита отключения присоединена к измерительному трансформатору тока. Ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, его запирающий вывод соединен с выводом блока отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, его запирающие звенья во включенном положении выключателя установлены, не доходя до "мертвого" положения с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором. Изобретение позволяет повысить надежность электромагнитного привода и повысить его быстродействие. 2 с. и 4 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Электромагнитный привод высоковольтного выключателя, содержащий электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма, и электромагнит отключения, причем обмотки электромагнитов через ключи присоединены к источнику питания, отличающийся тем, что ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, запирающий вывод ключа соединен с одним из выводов блока отключения, другой вывод которого соединен с коммутатором электромагнита отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, его запирающие звенья во включенном положении выключателя установлены в "мертвом" положении с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором. 2. Электромагнитный привод по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый полностью управляемый ключ выполнен в виде силового тиристора, параллельно которому подключен высоконелинейный резистор, а также цепь из последовательно соединенных дросселя, конденсатора и встречно включенного дополнительного тиристора, зашунтированного встречно включенным ему диодом. 3. Электромагнитный привод по п. 1, отличающийся тем, что толкатель электромагнита включения установлен с возможностью непосредственного взаимодействия с выходным направляющим звеном шарнирно-рычажного запирающего механизма. 4. Электромагнитный привод высоковольтного выключателя, содержащий электромагнит включения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с роликом шарнирно-рычажного механизма, и электромагнит отключения, толкатель которого установлен с возможностью взаимодействия с защелкой отключения, причем обмотка электромагнита включения через ключ присоединена к источнику питания, а обмотка электромагнита отключения присоединена к измерительному трансформатору тока, отличающийся тем, что ключ электромагнита включения выполнен полупроводниковым, полностью управляемым, его запирающий вывод соединен с выводом блока отключения, а шарнирно-рычажный механизм выполнен четырехзвенным, его запирающие звенья во включенном положении выключателя установлены не доходя до "мертвого" положения с возможностью ограничения дальнейшего их хода регулируемым упором. 5. Электромагнитный привод по п.4, отличающийся тем, что полупроводниковый полностью управляемый ключ выполнен в виде силового тиристора, параллельно которому подключен высоконелинейный резистор, а также цепь из последовательно соединенных дросселя, конденсатора и встречно включенного дополнительного тиристора, зашунтированного встречно включенным ему диодом. 6. Электромагнитный привод по п. 4, отличающийся тем, что толкатель электромагнита включения установлен с возможностью непосредственного взаимодействия с выходным направляющим звеном шарнирно-рычажного запирающего механизма.