ВАКУУМНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01H33/666 H01H33/42 

Изобретение относится к области высоковольтного аппаратостроения, в том числе, к высоковольтным вакуумным выключателям (далее по тексту "выключатели"), преимущественно установленных на выкатных элементах шкафов комплектных распределительных устройств (далее по тексту КРУ) в металлической оболочке.

Известные вакуумные высоковольтные выключатели содержат три полюса фаз с вакуумными камерами, установленными на общей раме, в которой размещается привод выключателя пружинный, или электромагнитный, кинематически связанный с подвижными контактами дугогасительных камер [1].

Все общеизвестные вакуумные выключатели с электромагнитными приводами, серийно выпускаемые в Украине и за рубежом, восполнены в таких конструктивных решениях: электромагнитный (соленоидный) привод может быть вмонтирован в раму, на которой установлены полюса выключателя, или отдельный электромагнитный привод, подсоединенный к раме выключателя и через систему тяг подсоединяется к тягам подвижных дугогасительных контактов вакуумных камер. Во всех известных вариантах таких вакуумных выключателей удерживающее устройство имеет механическое запирающее устройство для удержания выключателя во включенном положении.

Новое поколение вакуумных выключателей имеет электромагниты включения (соленоиды) и удерживающее устройство на постоянных магнитах, установленных под каждой фазой полюса выключателя.

К разработанным в Украине такого типа выключателям следует отнести выключатели производства СП РЗВА г. Ровно, это выключатель вакуумный типа ВВКЕ-10 (патент Украины 25132А) и выключатель вакуумный фирмы ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК г. Севастополь, это выключатель вакуумный типа ВВ/ТЕЛ-10 (патент Российской Федерации 2020631 С).

К зарубежным вакуумным выключателям нового поколения следует отнести вакуумный выключатель типа ВБТ-10-20/1600 (разработчик ВЭИ, а изготовитель ГНПП "Контакт" г. Саратов, Российская Федерация).

Для получения ожидаемого результата, и по наибольшему количеству существенных признаков подобных существенным признакам предложенного изобретения, за прототип принят вакуумный выключатель типа ВВ/ТЕЛ-10 производства фирмы ТАВРИДАЭЛЕКТРИК г. Севастополь.

Предлагаемое изобретение, как и прототип, состоит из следующих основных частей - полюсов с вакуумными дугогасительными камерами (далее по тексту ВДК) в изоляционных литых корпусах, рамы, в которой вмонтирован электромагнитный привод (у прототипа три привода), вала выключателя, плат конденсаторов, цепей управления и защиты, блок-контактов положения выключателя, механизма ручного отключения, фасадной панели, счетчика, указателя положения и жгутов проводов вторичных цепей.

К существенным недостаткам прототипа следует отнести то, что конструкция ограничивает применение механической блокировки привода, функциональное значения которой - не допустить включенного состояния выключателя в промежуточном (между рабочим и контрольным) положении в пределах шкафа КРУ.

В конструкции прототипа применяются три отключающие пружины (по одной в каждом полюсе), осуществляющие отключение и фиксацию выключателя в положении "отключено". В предлагаемом изобретении отключающие пружины отсутствуют.

В конструкции прототипа используются три пофазных электромагнитных привода с магнитной защелкой в положении "включено". В отличие от прототипа в предложенном изобретении применяется общий для всех трех полюсов электромагнитный привод с двумя магнитными защелками в обоих его крайних положениях, имея при этом две магнитные цепи - включения и отключения, образуемые парой постоянных магнитов.

В основу изобретения поставлена задача создания вакуумного выключателя для коммутаций электрических цепей при нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного переменного тока частоты 50(60) Гц с номинальным напряжением 10 кВ с применением новых конструктивных и технологических решений, что позволит устранить недостатки, имеющиеся у прототипа, а также упростить и повысить технологичность конструкции. Такой выключатель должен обеспечить: высокую надежность и отсутствие необходимости ремонтов на протяжении всего срока эксплуатации, уменьшение тока потребления электромагнитов при включении выключателя при уменьшенных габаритах и массе.

Итак, поставленная цель в высоковольтном выключателе, имеющем раму, полюса с ВДК, достигается согласно с изобретением тем, что полюса с вакуумными дугогасительными камерами, установленными вертикально в ряд на раме, кинематически соединены через изоляционные тяги, содержащие пружины поджатия и установленный горизонтально под полюсами вал выключателя и регулирующую тягу с одним электромагнитным приводом, изготовленного из шихтованого магнитопровода, катушек включения и отключения, якоря, постоянных магнитов и при этом оснащенный двумя магнитными защелками, выполненными в виде двух магнитных цепей постоянных магнитов, удерживающих якорь в обоих его крайних положениях, причем электромагнитный привод содержит механизм блокировки включения, а вал выключателя кинематически соединен с блок-контактами положения выключателя.

Именно путем применения в выключателе регулирующей тяги со сферическими подшипниками, вала выключателя и одного электромагнитного привода горизонтально установленных под полюсами по оригинальной кинематической схеме позволило обеспечить минимальные габаритные размеры выключателя и при этом позволило не выносить за пределы рамы платы цепей управления и защиты выключателя (у прототипа платы цепей управления и защиты устанавливаются вне рамы в отдельном блоке). При этом блок-контакты положения выключателя кинематически соединены с валом выключателя.

Применение нового электромагнитного привода, который выполняет функцию отключения и не требует наличия отключающих пружин (установленных у прототипа в каждой фазе), позволило значительно упрость конструкцию выключателя.

Оригинальная, простая и технологичная конструкция полюсов и многофункциональных приводов дает возможность выполнять множество вариантов компановок выключателя с разнообразными кинематическими соединениями полюсов с приводом в зависимости от требований КРУ к компановке выключателя, а выключатель делает высоконадежным, малогабаритным аппаратом с минимальными токами потребления для его управления.

Применение таких и других конструктивных решений является, по мнению авторов, преимуществом вновь созданного вакуумного выключателя, сравнительно с выключателями, выпускаемыми серийно, как в Украине, так и за рубежом.

Создание такого выключателя в сочетании с новым типом выкатного элемента, который содержит механизм раздельного перемещения, позволило создать новую серию КРУ с высокой, удвоенной степенью защиты обслуживающего персонала благодаря тому, что перемещение выключателя из рабочего положения в контрольное и наоборот осуществляется при закрытых дверях КРУ [2]. Такое КРУ также создано на СП РЗВА и получило название КРУ КУ-10Ц, а вновь созданный вакуумный выключатель - VM1S-10. Предлагаемое изобретение - новый тип вакуумного высоковольтного выключателя, который относится к высоковольтным коммутационным аппаратам нового поколения. Малые габаритные размеры, улучшенные технико-экономические показатели, высокие эксплуатационные качества схем управления и защиты создает возможность комплектации КРУ любых типов, как зарубежного, так и отечественного производства.

На фиг.1 изображен вакуумный высоковольтный выключатель в шкафу КРУ;
на фиг. 2 - вакуумный высоковольтный выключатель на выкатном элементе с механизмом раздельного перемещения;
на фиг.3 - вакуумный высоковольтный выключатель VM1S-10;
на фиг.4 - вакуумный высоковольтный выключатель (вид спереди без фасадной панели);
на фиг.5 - вакуумный высоковольтный выключатель (вид сверху);
на фиг.6 - вакуумный высоковольтный выключатель (сечение А-А);
на фиг.7 - вакуумный высоковольтный выключатель (сечение Б-Б);
на фиг.8 - электромагнитный привод вакуумного высоковольтного выключателя.

Вакуумный высоковольтный выключатель 1 (см. фиг.1) предназначен для комплектации шкафов КРУ 2. Выкатной элемент с механизмом раздельного перемещения 3 (фиг.2) позволяет перемещать выключатель, смонтированный на подвижной части, из рабочего положения в контрольное и наоборот, по пазам в неподвижной части.

Выключатель состоит из трех полюсов с ВДК 4 (фиг.3), установленными на раме 5 (фиг. 3) с местом для заземления 6 (фиг.3) и розетками штепсельных разъемов 7 (фиг.3). На фасадной панеле 8 (фиг.3) размещены отверстия: рычага оперативного отключения выключателя 9 (фиг.3), механического показателя положения 10 (фиг.3) и счетчика операций "включение" - "отключение" 11 (фиг.3).

В раме выключателя фиг.4 размещены: механизм блокировки включения 12, счетчик 13, вилки разъемов 14, кронштейны крепления плат цепей защиты и управления 15,16,17 и 18, плата цепей управления 19, ось поворота платы управления 20, плата конденсаторов 22, катушка отключения 23 электромагнитного привода 24, катушка включения 25 и указатель включенного и отключенного положения выключателя 26.

На фиг.3 размещены: регулирующая тяга 27, вал выключателя 28, подшипники вала выключателя 29, кронштейн крепления платы цепей защиты 30, гайки крепления электромагнитного привода 31, кронштейн крепления платы конденсаторов 32, крышка 33, три группы блок-контактов положения выключателя 34, контактор 35, кронштейн для крепления контактора 36, жгут проводов вторичных цепей 37, фасадная панель 38, кронштейн 39, кольцо резиновое 40, плата цепей защиты 41 и ось 42.

На фиг. 6 изображено сечение А-А рамы выключателя, а именно: стопорные шайбы 43, фиксирующие оси соединений изоляционных тяг 44, содержащих механизмы поджатая вакуумных камер с рычагами вала выключателя. Кроме того, на фиг.6 размещены: резиновые втулки 45 и пружина счетчика 46.

На фиг. 7 изображено сечение Б-Б рамы выключателя. Винты крепления блок-контактов положения выключателя 47, резиновые прокладки 48, а ось 49 соединяет указанные блок-контакты с валом выключателя. Они монтируются соответственно вариантам принципиальных электрических схем и имеют определенное количество размыкающих и замыкающих контактов.

На фиг. 8 изображен электромагнитный привод высоковольтного вакуумного выключателя, а именно: направляющая 50, шихтованный магнитопровод 51, якорь 52, постоянные магниты 53 и направляющая 54, магнитные цепи включения и отключения, а также зазор между якорем и магнитопроводом привода.

Механизм блокировки выполняет функцию блокировки отключенного выключателя. В его состав входит скоба, шток и пружина, удерживающая шток в нижнем разблокированном положении. В раме выключателя имеется необходимое отверстие диаметром 20 мм (см. фиг.4) размещенного под штоком. Если через указанное отверстие нажать на шток и переместить его в верхнее положение, то при этом происходит механическая блокировка выключателя.

Выключатель работает следующим образом.

В отключенном положении выключателя контакты ВДК разомкнуты, якорь 52 (фиг. 8) электромагнитного привода удерживается в крайнем отключенном положении при помощи магнитной защелки. В этом положении на якорь 52 (фиг.8) действуют силы втягивания трех ВДК (атм. давление) и силы тяги постоянных магнитов 53 (фиг.8), направленные в противоположную сторону.

Во включенном положении якорь 52 (фиг.8) электромагнитного привода удерживается силой притягивания постоянного магнита 53 (фиг. 8), то есть "магнитной защелкой". В этом случае контакты ВДК замкнуты и поджаты тарельчатыми пружинами поджатия. В этом положении на якорь 52 (фиг.8) действуют силы: сила втягивания ВДК, сила действия "магнитной защелки", а также сила тарельчатых пружин поджатия, направленная в противоположную сторону. Результирующая сила удержания составляет приблизительно 800 Н. Выключатель надежно фиксируется во включенном положении даже в условиях ударов и вибраций. Блок-контакты положения выключателя 34 (фиг.5) при переходе во включенное положение переключаются.

Для включения выключателя необходимо через катушку включения 25 (фиг.4) пропустить постоянный ток, при котором сила действия в магнитной цепи включения, не взирая на большой зазор между якорем 52 (фиг.8) и магнитопроводом 51 (фиг.8), превысит силу притяжения постоянными магнитами 53 (фиг. 8) якоря 52 (фиг.8) в магнитной цепи отключения, где аналогичный зазор отсутствует.

Как только сила тяги достигнет достаточной величины (величины трогания) якорь 52 (фиг.8) электромагнитного привода начинает с ускорением двигаться и приводит в движение всю кинематическую цепь выключателя. Якорь 52 (фиг.8) через шток включения, промежуточный вал действует на регулирующую тягу 27 (фиг. 5), соединенную с валом выключателя 28 (фиг.5) и поворачивает его. При этом изоляционные тяги полюсов 44 (фиг.6), закрепленные на рычагах основного вала, начинают двигаться вверх. После замыкания контактов ВДК пружины поджатия, установленные в изоляционных тягах 44 (фиг.6), начинают сжиматься. Касание якоря 52 (фиг.8) магнитопровода 51 (фиг.8) указывает, что выключатель включен и происходит его фиксация в этом положении "магнитной защелкой". Чем меньше становится зазор между якорем 52 (фиг.8) и магнитопроводом 51 (фиг.8) магнитной цепи, тем больше сила тяги постоянных магнитов 53 (фиг.8).

Следовательно, включение выключателя происходит в результате совместного действия магнитодвижущей силы катушки включения 25 (фиг.4) с током и действия постоянных магнитов 53 (фиг.8), имеющих большую энергоемкость.

При этом указатель положения выключателя 26 (фиг.4) перемещается вместе с якорем 52 (фиг.8) электромагнитного привода 24 (фиг.4) и в окне фасадной крышки 10 (фиг.3) появляется надпись "ВКЛ". Для отключения выключателя необходимо через катушку отключения 23 (фиг. 4) электромагнитного привода пропустить постоянный ток в направлении, при котором сила действия на якорь 52 (фиг.8) превысит результирующую силу удержания "магнитной защелки". Сила удержания во включенном положении равняется разнице между силами притяжения постоянных магнитов 53 (фиг. 8), притяжения ВДК трех полюсов 4 (фиг.3) и силой трех групп пружин поджатия полюсов выключателя приблизительно 800 Н.

После расжатия на величину хода пружин поджатия начинают размыкаться контакты ВДК и начинает происходить процесс гашения электрической дуги.

Процесс отключения заканчивается тем, что якорь 52 (фиг.8) электромагнитного привода 24 (фиг.4) замыкает собой магнитную цепь отключения и тем самым четко фиксирует выключатель в отключенном положении "магнитной защелкой", которую обеспечивают постоянные магниты привода 53 (фиг.8). Указатель положения выключателя 26 (фиг.4) при этом перемещается вместе с якорем 52 (фиг.8) и в окне фасадной крышки 10 (фиг.3) появляется надпись "ОТКЛ".

Вновь созданный вакуумный высоковольтный выключатель предусматривает блокировку повторного включения. Суть его в том, что при сохранении команды "включить" и одновременной команде "отключить" выключатель отключается и повторно не включается. Для осуществления повторного включения выключателя (после отключения) необходимо снять команду "включить", а потом вновь ее подать.

Изготовленный на СП РЗВА опытный образец вакуумного высоковольтного выключателя показал высокую надежность в работе во время электромеханических испытаний и свою надежную работоспособность полностью подтвердил во время коммутационных испытаний в НИЦ ВВА г. Москва.

По мнению авторов, такой вакуумный высоковольтный выключатель является необходимым для эксплуатационных организаций энергосетей народного хозяйства.

Источники информации
1. ГОСТ 687-78. Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1981.

2. МЭК 298. Комплектные распределительные устройства переменного тока в металлической оболочке на напряжение от 1 до 72,5 кВ. - М., 1981.

Изобретение относится к высоковольтному аппаратостроению, в частности к высоковольтным вакуумным выключателям, устанавливаемым на выкатных элементах шкафов комплектных распределительных устройств в металлической оболочке. Вакуумный высоковольтный выключатель состоит из трех полюсов и рамы, под которой горизонтально размещен вал выключателя. Электромагнитный привод соединен с валом выключателя, с помощью регулирующей тяги и размещен под полюсами. Катушки включения и отключения привода размещены на раме, а механизм блокировки включения выполнен в виде скобы, штока и пружины. Технический результат - повышение надежности за счет обеспечения одновременности замыкания контактов дугогасительных камер полюсов выключателя. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Вакуумный высоковольтный выключатель, содержащий раму, полюса с вакуумными дугогасительными камерами, установленными вертикально в ряд на раме, вал выключателя, установленный горизонтально под рамой, изоляционные тяги с пружинами поджатия, соединяющие указанные камеры с валом, электромагнитный привод, соединенный с указанным валом, и механизм блокировки включения выключателя, отличающийся тем, что привод установлен под полюсами и его катушки включения и отключения размещены в раме, при этом привод соединен с валом с помощью регулирующей тяги, механизм блокировки включения выполнен в виде скобы штока и пружины. удерживающей шток в нижнем разблокированном положении. 2. Вакуумный высоковольтный выключатель по п. 1, отличающийся тем, что привод выполнен с шихтованным магнитопроводом.