ПОЛЮС МНОГОАМПЕРНОГО РАЗЪЕДИНИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01H31/24 

Изобретение относится к электроаппаратостроению, а именно к разъединителям внутренней установки переменного напряжения, преимущественно многоамперным.

Известны многоамперные полюсы разъединителей внутренней установки, чаще всего используемые в трехполюсном варианте в трехфазных генераторных цепях электростанций, как, например, полюс РВПЗ-20/12500 с номинальным током 12500 А (Каталог «Разъединители внутренней установки», ЗАО «ЗЭТО», г.Великие Луки, 2010, с.3). В таких полюсах многоамперность переменного тока может приводить к значительному усилению негативного проявления известного электромагнитного эффекта близости (Семчинов A.M. Токопроводы промышленных предприятий. Л.: Энергоиздат, 1982, с.26-32), т.е. приводить к сильной неравномерности распределения тока как между отдельными частями (секциями) полюса разъединителя (а значит, и между контактами), так и в сечениях самих секций, а следовательно, приводить, как в случае РВПЗ-20/12500, к возрастанию:

1) потерь электроэнергии на собственное тепловыделение;

2) материалоемкости и особенно в части меди;

3) габаритных размеров.

Вследствие неравномерности распределения тока между контактами могут уменьшаться также надежность и рабочий ресурс полюса.

Известен путь выравнивания распределения тока, а значит, и снижения параметров 1)-3) за счет значительного усложнения конструкции полюса разъединителя, в результате которого обеспечивается круговая многостержневая компоновка токоведущих стержней и их продольное возвратно-поступательное перемещение (патент РФ 2308780, H01H 31/24, 20.10.2007, Бюл. №29). Такая конструкция реализована, например, в полюсе РП-27/20000 с номинальным током 20000 А (Каталог «Разъединители внутренней установки», ЗАО «ЗЭТО», г.Великие Луки, 2010, с.2).

В указанной существенно усложненной конструкции подавляется эффект близости в случае однополюсного разъединителя. Однако в двух- и трехполюсных разъединителях этот эффект все же может проявляться в значительной неравномерности кругового распределения тока между стержнями (а значит, и между контактами) вследствие взаимного электромагнитного влияния соседних полюсов. Для его ослабления многоамперные полюсы обычно экранируют или размещают на достаточно больших расстояниях друг от друга.

Наиболее близким к заявляемому решению является полюс разъединителя РВРЗ-20/8000 с номинальным током 8000А (Каталог «Разъединители внутренней установки», ЗАО «ЗЭТО», г.Великие Луки, 2010, с.3), конструкция которого несоизмеримо проще обоих вышеупомянутых аналогов. В этой конструкции можно выделить секции (части), которые содержат закрепленные на изоляторах, предназначенные для соединения с токоподводами неподвижные контактные выводы, расположенные вдоль продольной оси симметрии секции и имеющие относительно этой оси левые и правые части, при этом контактные выводы на обращенных друг к другу рабочих концах содержат контактные поверхности, ограничивающие разрядный промежуток, замкнутый подвижными электросоединительными телами (ножами), прижатыми к контактным поверхностям посредством пружин и установленными с возможностью размыкания и последующего замыкания указанного разрядного промежутка путем перемещения упомянутых тел с помощью приводного механизма и электроизоляционных тяг соответственно в фиксированные верхнее и нижнее положения. Однако в такой конструкции сохраняются условия для значительного проявления эффекта близости как в пределах токоведущих секций, так и между ними, а также между самими многоамперными полюсами в двух- и трехфазных разъединителях. Как уже отмечалось выше, следствием этого является возможность значительной неравномерности распределения тока в секциях, между ними и между контактами, что приводит к нежелательному повышению параметров 1-3), а также может уменьшать надежность и рабочий ресурс полюсов.

Задачей изобретения является создание многоамперного полюса разъединителя внутренней установки сравнительно простой конструкции с повышенной равномерностью распределения переменного тока между электросоединительными телами (ножами или ламелями) и контактами, а значит, с уменьшенными параметрами 1)-3), повышенными надежностью и рабочим ресурсом.

Решение этой задачи достигается тем, что в известном полюсе многоамперного разъединителя, состоящем из N секций, каждая из которых содержит закрепленные на изоляторах, предназначенные для соединения с токоподводами неподвижные контактные выводы, расположенные вдоль продольной оси симметрии секции и имеющие относительно этой оси левые и правые части, при этом контактные выводы на обращенных друг к другу рабочих концах содержат контактные поверхности, ограничивающие разрядный промежуток, замкнутый подвижными электросоединительными телами (например, ножами или ламелями), прижатыми к контактным поверхностям посредством пружин и установленными с возможностью размыкания и последующего замыкания указанного разрядного промежутка путем того или иного перемещения упомянутых тел с помощью приводного механизма (например, перемещения соответственно в фиксированные верхнее и нижнее положения посредством электроизоляционных тяг или же возвратно-поступательного перемещения в продольно-осевом направлении), согласно изобретению контактные выводы вместе с электросоединительными телами в замкнутом положении образуют две пересекающиеся в пространстве, но изолированные друг от друга электрические цепи: «левая (правая) часть одного контактного вывода - электросоединительные тела - правая (левая) часть другого контактного вывода».

Электросоединительные тела, контактирующие с левой, и тела, контактирующие с правой частями одного контактного вывода, могут быть электрически изолированы друг от друга и контактировать соответственно с правой и левой частями другого контактного вывода.

Левые и правые части контактных выводов могут быть электрически изолированы друг от друга.

Левая часть одного из контактных выводов может быть электрически изолирована от его правой части и замыкаться с правыми электросоединительными телами, а его правая часть замыкаться с левыми электросоединительными телами.

Секция может быть одна (N=1). При числе же секций больше одной (N>1) они могут быть электрически соединены параллельно.

Левые и правые части контактных выводов могут быть электрически соединены в узлы с соответствующими токоподводами, при этом расстояния l₁ и l₂ от упомянутых узлов до точек подсоединения токоподводов к контактным выводам определяются из соотношения

где a_1C и a_2C - расстояния от указанных точек подсоединения до средней точки пространственного пересечения транспонированных электрических цепей.

Благодаря указанному пересечению (транспозиции) электрических цепей в заявляемой сравнительно простой конструкции полюса разъединителя нивелируется вышеупомянутый эффект близости и тем самым выравнивается распределение тока как между этими цепями, так и между транспонированными секциями, а значит, и между контактами (Семчинов A.M. Токопроводы промышленных предприятий. Л.: Энергоиздат, 1982, с.59). Это уменьшает параметры 1)-3), повышая надежность и рабочий ресурс полюса.

На фиг.1, 2 и 3, 4 показаны для включенного положения виды сверху односекционных полюсов разъединителя (N=1), относящихся соответственно к пп.2, 3 и 4 формулы изобретения, при этом фиг.1-4 соответствуют и ее п.7; на фиг.5, в качестве примера, показан (также для включенного положения) вид сверху двухсекционного полюса (N=2), соответствующего пп.6, 3 и 7 формулы изобретения; на фиг.6 показан вид сверху двухъярусного (по числу уровней расположения электросоединительных ножей по высоте) односекционного полюса (N=1), соответствующего пп.3, 5 и 7 формулы изобретения, а на фиг.7 - его вид сбоку (полюса на фиг.1-5 показаны как одноярусные).

Заявляемый полюс содержит закрепленные на изоляторах 1 контактные выводы, имеющие левые и правые части 2 и 3 относительно продольной оси симметрии 0-0, а также подвижные электросоединительные тела, например парные ножи 4, прижатые с помощью пружин 5 к левым - 2 и правым - 3 частям контактных выводов с противоположных сторон от токоподводов 6 и формирующие узлы электропроводных перемычек 7 (т.е. прижатых с обеих сторон разрядного промежутка) и имеющие возможность размыкания этого промежутка, например, путем поворота на некоторый угол α по часовой стрелке вокруг осей 8 неразъемных осевых контактов (фиг.7) с помощью электроизоляционных тяг 9 приводного механизма (на рисунках он не показан) и тем самым перевода соответствующих концов 10 ножей 4 с разъемными контактами в верхнее положение (на рисунках это положение не показано).

Полюс разъединителя работает следующим образом.

В отключенном положении полюса разрядный промежуток разомкнут, ток через полюс не протекает. В этом случае согласно фиг.7 ножи 4 будут повернуты на требуемый угол α по часовой стрелке вокруг осей 8 с помощью тяг 9, т.е. противоположные осям 8 концы ножей 10 будут находиться в верхнем положении.

Во включенном положении, например, односекционного (N=1) полюса (фиг.1-4) протекающий по нему ток i₁ разветвляется, т.е.

где i_T1 и i_T2 - токи одной и другой транспонированных цепей секции.

В силу транспозиции и симметрии этих цепей относительно оси секции 0-0 их взаимные индуктивности с некоторыми другими проводниками (на рисунках они не показаны) будут близкими по величине. Поскольку и собственные индуктивности транспонированных цепей близки, а также близки и их активные сопротивления, то

Данное приближение будет иметь наивысшую точность при выполнении соотношения (1). В этом случае длины участков обеих транспонированных электрических цепей, расположенные по одну сторону от оси симметрии 0-0, будут примерно одинаковы. Следовательно, и максимально близкими будут вышеупомянутые их параметры (активные сопротивления, собственные и взаимные индуктивности), а значит, и токи (3).

Согласно (1), например, в конструкциях фиг.2 и 4 целесообразно выполнить соотношение

где длины a₁ и a₂ - фиксированные, так как они определяются соответствующими размерами полюса разъединителя, а длинами l₁ и l₂ можно варьировать с помощью перемычек 7.

Следовательно, из уравнения (4) при известных длинах a₁ и a₂ и выбранной длине l₁ (или l₂) легко определяется соответствующая фиг.2 и 4 длина l₂ (или l₁).

В случае фиг.3 одной из перемычек 7 служит сам коробчатый контактный вывод, поэтому l₂=0 и из соотношения (4) следует

В случае же фиг.1 обеими перемычками 7 служат коробчатые контактные выводы, поэтому l₁=l₂=0. Следовательно, согласно (4) в этом случае для повышения точности приближения (3) целесообразно, чтобы сам полюс разъединителя удовлетворял условию

Уравнения (4)-(6) относятся к одноярусным секциям разъединителя (фиг.1-5). В случае двухъярусной (фиг.6 и 7) или, например, трехъярусной секции соотношение (1) принимает вид

или соответственно - вид

где размеры a₀₁ и a₀₂ относятся ко второму сверху, а размеры a₀₀₁ и a₀₀₂ - к третьему сверху ярусам ножей.

Если секция фиг.3, у которой l₂=0, является двух- или трехъярусной, то согласно соотношениям (7) или (8) соответственно

или

При выполнении же секции фиг.1 как двух- или трехъярусной целесообразно, чтобы она сама удовлетворяла соотношениям (7) или (8), в которых l₁=l₂=0, т.е.

или соответственно

В случае, например, двухсекционного (N/=2) полюса (фиг.5) протекающий по нему ток i₂ разветвляется между четырьмя транспонированными цепями, т.е.

При этом в силу симметрии транспонированных секций относительно оси 00-00 можно записать приближения

так что уравнение (13) с учетом (2) принимает вид

Аналогично, для N-секционного полюса с током i_N можно обосновать соотношение

естественно, переходящее в (15) при N=2.

В силу вышеуказанной симметрии соотношение (14), а значит, и (15) становятся практически точными, если рассматриваемый полюс (фиг.5) не подвергается внешним электромагнитным воздействиям (например, он достаточно удален или экранирован от соседних фаз). При этом, однако, соотношение (16) для N≥3 всегда является приближенным, причем его точность уменьшается с увеличением числа секций N.

Согласно приближениям (3), (14) и (15), (16) ток в заявляемом полюсе достаточно простой конструкции (по сравнению с аналогами) имеет близкое к равномерному распределение между ножами и контактами, причем степень этой равномерности повышается при выполнении условий (4)-(12). Следовательно, предлагаемое изобретение решает поставленную выше задачу. При этом согласно соотношениям (15), (16) обеспечивается возможность радикального (близкого к N-кратному) увеличению токоведущей способности разъединителей при параллельном включении N одинаковых многоамперных полюсов как модулей.

Заявляемый полюс реализован на ЗАО «ЗЭТО» (г.Великие Луки) как односекционный (N=1) двухъярусный разъединитель (фиг.6 и 7) на ток 8000 А (он назван РРТЗ-20/8000). Этот разъединитель успешно прошел все необходимые испытания, которые подтвердили близость действующих значений токов во всех четырех парах транспонированных ножей (и без перемычек 7, и тем более с ними), несмотря на значительное электромагнитное влияние соседних фаз (экраны отсутствовали, а межфазное расстояние равнялось 800 мм). При этом разъединитель РРТЗ-20/8000 по сравнению с прототипом РВРЗ-20/8000 имеет значительно меньшие массогабаритные характеристики и поэтому готовится к серийному выпуску вместо прототипа (см. табл.1).

Таблица 1 Сравнительные характеристики полюсов разъединителей на ток 8000 А Характеристики полюса без ножей заземления - (З) Сравниваемые полюса Новый (модуль) - РРТ(З)-20/8000 Выпускается ЗАО «ЗЭТО» - РВР(3)-20/8000 Масса меди, кг 39,5 47,8 Общая масса, кг 110 192 Длина, мм 740 910 Ширина, мм 400 520 Высота, мм.     - вкл. 600 680 - откл. 960 1040

Кроме того, два полюса - РРТЗ-20/8000 были размещены на общей раме, в результате чего получился соответствующий фиг.5 двухмодульный, т.е. двухсекционный (N=2) двухъярусный разъединитель с пропускной способностью 14000 А (установлено экспериментально), что согласуется с приближением (15). Пропускная способность оказалась меньше 2×8000=16000 А из-за наличия сильного межфазного электромагнитного воздействия (экраны отсутствовали, а расстояния между соседними фазными осями, т.е. между осью 00-00 и другой такой же осью, равнялось 1600 мм). При этом наблюдалось близкое к равномерному распределение тока между восемью парами ножей. Поскольку такой (двухмодульный) разъединитель обеспечивает надежный запас по току по сравнению с аналогом РВПЗ-20/12500 и имеет значительно меньшие массогабаритные характеристики, то он планируется к серийному производству как РРТЗ-20/12500 вместо указанного разъединителя-аналога (см. табл.2).

Таблица 2 Сравнительные характеристики полюсов разъединителей на ток 12500 А   Сравниваемые полюса Характеристики полюса без ножей заземления - (З) Новый (двухмодульный) - РРТ(З)-20/12500 (состоит из двух РРТ(З)-20/8000) Выпускается ЗАО «ЗЭТО» - РВП(З)-20/12500 Масса меди, кг 79 133 Общая масса, кг 237 500 Длина, мм 740 1200 Ширина, мм 780 1000 Высота, мм     - вкл. 700 960 - откл. 1060 960

Следует отметить, что аналогичный двухмодульный разъединитель как РРТЗ-20/18000 на ток 18000 А запланирован ЗАО «ЗЭТО» к реализации для Курской АЭС (модулем будет служить полюс РРТЗ-20/10000, получаемый из РРТЗ-20/8000 путем утолщения контактных выводов и ножей).

Если же три полюса РРТЗ-20/8000 разместить на общей раме, то получится трехмодульный, т.е. трехсекционный (N=3) двухъярусный разъединитель, который согласно приближению (16) при N=3 вместо тока 3×8000=24000 А предположительно сможет пропустить ток порядка 20000 А. Сравнение этого разъединителя как РРТЗ-20/20000 с разъединителем-аналогом РП-27/20000 еще раз демонстрирует высокую эффективность заявляемого решения (см. табл.3).

Таблица 3 Сравнительные характеристики полюсов разъединителей на ток 20000 А Характеристики полюса без ножей заземления - (З) Сравниваемые полюса Новый (трехмодульный) - РРТ(З)-20/20000 (состоит из трех РРТ(З)-20/8000) Выпущен ЗАО «ЗЭТО» для Бушерской АЭС - РП-27/20000 Масса меди, кг 118,5 229 Общая масса, кг 356 750 Длина, мм 740 1735 Ширина, мм 1160 1040 Высота, мм     - вкл. 700 915 - откл. 1060 915

Таким образом, заявляемый полюс, имея сравнительно простую конструкцию, обеспечивает реальные возможности для создания уникальных, действительно многоамперных энергосберегающих разъединителей со сравнительно малыми и собственными потерями электроэнергии и массогабаритными характеристиками, что обусловлено высокой равномерностью распределения тока между транспонированными цепями, составляющими электрическую основу полюса. Важно, что эти разъединители могут иметь различные конструктивные формы (а значит, и несколько разные технико-экономические характеристики), определяемые различиями в электрически почти равноправных (по отношению к равномерности распределения тока) вариантах исполнения контактных выводов и ножей, соответствующих фиг.1-7.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности работы и равномерности распределения переменного тока между электросоединительными телами и контактами. Полюс состоит из секций, содержащих закрепленные на изоляторах неподвижные контактные выводы, расположенные вдоль продольной оси симметрии секции и имеющие относительно этой оси левые и правые части, причем контактные выводы на обращенных друг к другу рабочих концах содержат контактные поверхности, ограничивающие разрядный промежуток, замкнутый подвижными электросоединительными телами (например, ножами), прижатыми к контактным поверхностям посредством пружин и установленными с возможностью размыкания и последующего замыкания указанного разрядного промежутка путем перемещения упомянутых тел с помощью приводного механизма, например, соответственно в фиксированные верхнее и нижнее положения, при этом согласно изобретению контактные выводы вместе с электросоединительными телами в замкнутом положении образуют две пересекающиеся в пространстве, но изолированные друг от друга транспонированные электрические цепи: «левая (правая) часть одного контактного вывода - электросоединительные тела - правая (левая) часть другого контактного вывода». 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

1. Полюс многоамперного разъединителя переменного напряжения, состоящий из N секций, содержащих закрепленные на изоляторах предназначенные для соединения с токоподводами неподвижные контактные выводы, расположенные вдоль продольной оси симметрии секции и имеющие относительно этой оси левые и правые части, при этом контактные выводы на обращенных друг к другу рабочих концах содержат контактные поверхности, ограничивающие разрядный промежуток, замкнутый подвижными электросоединительными телами (например, ножами), прижатыми к контактным поверхностям посредством пружин и установленными с возможностью размыкания и последующего замыкания указанного разрядного промежутка путем перемещения упомянутых тел с помощью приводного механизма (например, перемещения посредством электроизоляционных тяг соответственно в фиксированные верхнее и нижнее положения), отличающийся тем, что контактные выводы вместе с электросоединительными телами в замкнутом положении образуют две пересекающиеся в пространстве изолированные друг от друга транспонированные электрические цепи: «левая (правая) часть одного контактного вывода - электросоединительные тела - правая (левая) часть другого контактного вывода».

2. Полюс разъединителя по п.1, отличающийся тем, что электросоединительные тела, контактирующие с левой, и тела, контактирующие с правой частями одного контактного вывода, электрически изолированы друг от друга и контактируют соответственно с правой и левой частями другого контактного вывода.

3. Полюс разъединителя по п.2, отличающийся тем, что левые и правые части контактных выводов электрически изолированы друг от друга.

4. Полюс разъединителя по п.1, отличающийся тем, что левая часть одного из контактных выводов электрически изолирована от его правой части и замыкается с правыми электросоединительными телами, а его правая часть замыкается с левыми электросоединительными телами.

5. Полюс разъединителя по пп.2, или 3, или 4, отличающийся тем, что число секций N=1.

6. Полюс разъединителя по пп.2, или 3, или 4, отличающийся тем, что при числе секций N>1 они электрически соединены параллельно.

7. Полюс разъединителя по п.1, отличающийся тем, что левые и правые части контактных выводов электрически соединены в узлы с соответствующими токоподводами, при этом расстояния l₁ и l₂ от упомянутых узлов до точек подсоединения токоподводов к контактным выводам определяются из соотношения
l₁+a_1С≈l₂+a_2С,
где a_1С и a_2С - расстояния от указанных точек подсоединения до средней точки пространственного пересечения транспонированных электрических цепей.