ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С НЕПОДВИЖНО СОЕДИНЕННЫМИ С ШИНАМИ НА ОБЕИХ СТОРОНАХ КОНТАКТНЫМИ ЗАЖИМАМИ Российский патент 2014 года по МПК H01H33/662 

Изобретение относится к вакуумному выключателю, содержащему вакуумную камеру, в которой создан вакуум и в которой расположен коммутирующий контакт, при этом коммутирующий контакт имеет неподвижно соединенный с вакуумной камерой неподвижную контактную деталь, которая находится в электрическом контакте с контактным зажимом неподвижного контакта, и направляемую подвижно относительно неподвижной контактной детали подвижную контактную деталь, которая расположена в положении размыкания на расстоянии от неподвижной контактной детали, а в положении контакта находится в контакте с неподвижной контактной деталью, приводной блок для создания приводного движения, соединенную с приводным блоком и подвижной контактной деталью переключательную механику, которая имеет электропроводящий, проходящий до подвижной контактной детали, участок проводника, и соединительные средства, которые в положении контакта электрически соединяют контактный зажим подвижного контакта с подвижной контактной деталью.

Такой вакуумный выключатель уже известен из практики. Вакуумные выключатели применяются, в частности, при среднем напряжении, т.е. в диапазоне напряжения между 1 кВ и 52 кВ. В этом диапазоне напряжения также возникают, в частности, при переключении больших мощностей, электрические дуги при размыкании переключательных контактов. Для гашения этих электрических дуг при прохождении тока через ноль, переключательные контакты расположены в вакуумной камере, в которой создается вакуум. Согласно уровню техники, предусмотрен соединенный, как правило, неподвижно с вакуумной камерой неподвижный контакт, а также направляемый подвижно относительно него подвижный контакт. Подвижный контакт может быть выполнен как в виде поворотного контактного ножа, так и в виде подъемного контакта, который лежит противоположно неподвижному контакту в продольном направлении и подвижно направляется в этом продольном направлении. Для обеспечения движения подвижного контакта в продольном направлении при одновременном герметичном соединении с вакуумной камерой, предусмотрен сильфон из металла, который соединен, с одной стороны, с вакуумной камерой и, с другой стороны, с подвижной контактной деталью. Приводное движение вакуумного выключателя создается с помощью приводного блока, который реализован, например, в виде пружинного привода или в виде магнитного привода. Создаваемое приводным блоком движение привода передается через переключательную механику на подвижную контактную деталь. Переключательная механика содержит оперативную штангу, которая имеет проводящий участок, который проходит до подвижной контактной детали. Для электрического соединения этого проводящего участка оперативной штанги с соединительным зажимом подвижного контакта предусмотрены соединительные средства, которые реализованы, согласно уровню техники, в виде контакта скольжения, ленточного контакта или роликового контакта. Как правило, используется ленточный контакт, с целью обеспечения возможности движения оперативной штанги. В положении контакта вакуумного выключателя, ток протекает от соединительного зажима неподвижного контакта через неподвижную контактную деталь, подвижную контактную деталь, электрически проводящий участок оперативной штанги и гибкое соединительное средство к соединительному зажиму подвижного контакта. Однако гибкие соединительные средства имеют тот недостаток, что они имеют по сравнению с остальными компонентами пути прохождения тока уменьшенную нагрузочную способность по току, так что, в частности, при высоких токах короткого замыкания, образуется недопустимое во многих случаях применения сопротивление. Кроме того, при больших скоростях выключения требуется сложная техника соединения для гибких соединительных средств, поскольку при быстром выключении возникают большие силы трения или силы изгиба. Наконец, гибкие соединительные средства требуют большого пространства.

Кроме того, из уровня техники известны конусные контакты. Конусные контакты используются, согласно уровню техники, в выключателях с двумя контактными системами. При включении выключателя сначала замыкается, например, конусный контакт, так что на конусном контакте возникает ожидаемая электрическая дуга. Вторая контактная система отстает от замыкающейся сначала контактной системы, так что ее можно замыкать без образования электрической дуги. На основании ее лучшей проводимости, ток проходит, когда оба контакта замкнуты, через запаздывающую вторую контактную систему. Однако предотвращается повреждение второй контактной системы вследствие электрической дуги.

Задачей изобретения является создание вакуумного выключателя указанного в начале вида, который является компактным и недорогим и, в частности, при высоких скоростях включения обеспечивает надежный путь прохождения тока с высокой нагрузочной способностью по току между контактными зажимами вакуумного выключателя.

Эта задача решена, согласно изобретению, тем, что соединительные средства имеют зажимной контакт, который имеет соединенный с проводящим участком переключательной механики вводную зажимную контактную деталь и соединенную неподвижно с вакуумной камерой и электрически с контактным зажимом подвижного контакта ответную зажимную контактную деталь, которые расположены относительно друг друга так, что вводная зажимная контактная деталь вследствие приводного движения зажимается с электрической проводимостью с ответной зажимной контактной деталью.

Согласно изобретению, предлагается вакуумный выключатель, который вместо обычных соединительных средств имеет зажимной контакт. На основании зажимного контакта обеспечивается возможность создания вакуумного выключателя с исключительно неподвижным соединением с шинами. Поэтому переключательная механика не имеет контактов с проводящим участком, роликовых или скользящих контактов, которые при быстром замыкании коммутирующего контакта могут приводить к механическим проблемам. Поэтому, согласно изобретению, обеспечивается возможность быстрого замыкания вакуумного выключателя.

Кроме того, вакуумный выключатель является также компактным, и его можно без проблем использовать также в небольших пространствах установки. Согласно изобретению, зажимной контакт имеет две контактные детали. Ответная зажимная контактная деталь зажимного контакта механически неподвижно соединена с соединительным зажимом подвижного контакта и тем самым расположена неподвижно по месту. Вторая контактная деталь зажимного контакта, а именно, вводная зажимная контактная деталь, расположена неподвижно на переключательной механике, при этом между электрически проводящим участком проводника и вводной зажимной контактной деталью обеспечивается электрическое соединение. Таким образом, подвижная контактная деталь электрически соединена также с вводной зажимной контактной деталью. Самое позднее при вводе переключательного движения в переключательную механику, образуется электрическое соединение между вводной зажимной контактной деталью и ответной зажимной контактной деталью и тем самым электрическое соединение между подвижной контактной деталью и контактным зажимом подвижной контактной детали. Согласно изобретению, исключается необходимость в гибких соединительных средствах.

Предпочтительно, зажимной контакт опережает во времени коммутирующий контакт при замыкании вакуумного выключателя. Согласно этой предпочтительной модификации обеспечивается, что снаружи вакуумной камеры не возникает электрическая дуга. Целесообразно, вводная зажимная контактная деталь соединена с переключательной механикой так, что при зажимании контактных деталей зажимного контакта тормозится подвижная контактная деталь. Поэтому, согласно этой целесообразной модификации изобретения, удар в подвижную контактную деталь менее сильный.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, приводной блок является пиротехническим силовым элементом, при этом предусмотрен контур зажигания для приведения в действие пиротехнического силового элемента. Пиротехнические силовые элементы обеспечивают возможность особенно быстрого замыкания вакуумного выключателя. Кроме того, за счет зажигания пиротехнического силового элемента создаются большие силы включения с сильным последующим ударом подвижной контактной детали. В рамках изобретения может также происходить заклинивание переключательного контакта вследствие больших сил удара. Поэтому вакуумный выключатель можно включать лишь один раз, а затем его необходимо заменять.

Согласно одной целесообразной в этом отношении модификации, пиротехнический привод имеет сдвигающийся элемент, который вследствие инициирования мгновенно сдвигается на отрезок пути. При этом переключательная механика реализована в виде проходящей в продольном направлении и соединенной со сдвигающимся элементом оперативной штанги, при этом сдвигающийся элемент до инициирования пиротехнического привода предназначен для удерживания подвижной контактной детали в ее положении размыкания. Согласно этой целесообразной модификации, коммутирующий контакт выполнен в виде так называемого подъемного контакта. Другими словами, подвижный контакт удерживается на конце выступающей в вакуумную камеру оперативной штанги. При этом подвижная контактная деталь лежит противоположно неподвижной контактной детали в продольном направлении, в котором проходит также оперативная штанга. На противоположном подвижной контактной детали конце оперативной штанги сосредоточен пиротехнический привод, при этом оперативная штанга механически соединена со сдвигающимся элементом, который выполнен, например, в виде штифта и расположен соосно с оперативной штангой. Пиротехнический привод ориентирован так, что при зажигании пиротехнического силового элемента сдвигающийся элемент сдвигается в продольном направлении к неподвижному контакту. На основании жесткого соединения между сдвигающимся элементом и подвижной контактной деталью с помощью оперативной штанги происходит сдвиг подвижной контактной детали в направлении неподвижной контактной детали. При этом одновременно вводная зажимная контактная деталь вжимается в ответную зажимную контактную деталь, за счет чего замыкается путь прохождения тока между контактными зажимами вакуумного выключателя. Перед зажиганием пиротехнического силового элемента сдвигающийся элемент обеспечивает удерживающую силу, которая противодействует замыканию переключательного контакта. На основании разницы давления внутри вакуумной камеры и наружной атмосферой действует непрерывная замыкающая сила, которая прижимает подвижную контактную деталь к неподвижной контактной детали. Этому противодействует удерживающая сила сдвигающегося элемента.

Согласно одной предпочтительной в этом отношении модификации, предусмотрены позиционирующие средства для установки пространственного положения сдвигающегося элемента и тем самым расстояния подвижной контактной детали относительно неподвижной контактной детали. Такими позиционирующими средствами являются, например, простые позиционирующие винты, с помощью которых обеспечивается возможность изменения положения пиротехнического приводного блока и тем самым сдвигающегося элемента в общей удерживающей раме.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, зажимной контакт является конусным контактом, который имеет коническую вводную зажимную контактную деталь, а также комплементарную с ней по форме ответную зажимную контактную деталь. Вводная зажимная контактная деталь является, например, насаженным на цилиндрическую переключательную штангу кольцом, которое непрерывно увеличивается по окружности противоположно движению переключения, так что создается клиновидная в поперечном сечении вводная зажимная контактная деталь, через концентричное полое пространство которой проходит оперативная штанга. Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, вводная зажимная контактная деталь расположена свободно на оперативной штанге, при этом при включении выключателя образуется место зажима вводной зажимной контактной детали на оперативной штанге. Однако в отклонение от этого вводная зажимная контактная деталь может быть также неподвижно соединена с оперативной штангой, например, с помощью зажимных средств, сварки, свинчивания или горячей запрессовки.

Согласно одной предпочтительной модификации, вводная зажимная контактная деталь уже в положении размыкания свободно прилегает к ответной зажимной контактной детали. Таким образом, обеспечивается, что зажимной контакт в любом случае опережает во времени коммутирующий контакт.

Предпочтительно, неподвижная контактная деталь удерживается проходящей через стенку вакуумной камеры штангой токоприемника, которая снаружи вакуумной камеры по меньшей мере механически соединена с удерживающими средствами для опоры вакуумного выключателя и по меньшей мере электрически с контактными средствами, которые гальванически соединены с контактным зажимом неподвижного контакта, при этом удерживающие средства включены после контактных средств относительно неподвижной контактной детали. Согласно этой предпочтительной модификации, предотвращаются вихревые токи, которые наблюдаются в противном случае.

Изобретение относится также к преобразовательному вентилю для преобразования электрического тока или электрического напряжения с помощью последовательного соединения биполярных подмодулей, при этом каждый подмодуль имеет по меньшей мере один накопитель энергии и одну мощную полупроводниковую схему, с помощью которой обеспечивается возможность создания падающего на накопителе энергии напряжения или нулевого напряжения на клеммах соответствующего подмодуля, и при этом с каждым подмодулем согласовано шунтирующее средство для шунтирования подмодуля в случае неисправности.

Такие преобразовательные вентили уже известны под названием многоуровневых преобразователей. В частности, такие преобразовательные вентили можно с успехом применять в области передачи энергии и распределения энергии, так что существует постоянно растущая потребность в таких преобразовательных вентилях. В случае неисправности одного из подмодулей последовательной схемы, целесообразно быстро шунтировать подмодуль, так что работа преобразовательного вентиля может быть продолжена с помощью остальных подмодулей.

Поэтому задачей изобретения является также создание такого преобразовательного вентиля, который можно безопасно, надежно и быстро шунтировать.

Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью шунтирующих средств, которые содержат вакуумный выключатель указанного выше вида.

Мощная полупроводниковая схема для создания напряжения на соединительных клеммах каждого подмодуля целесообразно выполнена так, что падающее на накопителе энергии напряжение является инверсным. Другими словами, с помощью мощной полупроводниковой схемы можно создавать как падающее на накопителе энергии, например, конденсаторе, напряжение, так и инверсное относительно него напряжение. Предпосылкой для этого является то, что накопитель энергии и мощный полупроводниковый переключатель образуют так называемую полную мостовую схему, которая называется также Н-мостом. Однако в отклонение от этого в рамках изобретения возможны также полумостовые схемы.

Другие целесообразные варианты выполнения и преимущества изобретения являются предметом приведенного ниже описания примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображено:

фиг. - пример выполнения вакуумного выключателя, согласно изобретению, в разрезе.

На фигуре показан в разрезе пример выполнения вакуумного выключателя 1, согласно изобретению. Вакуумный выключатель имеет не изображенный на фигуре коммутирующий контакт в вакуумной камере 2. Переключательная вакуумная камера имеет керамическую трубку, которая проходит между контактами и действует в качестве изолятора. В вакуумную камеру 2 выступает палец 3 неподвижного контакта, который на своем расположенном в вакуумной камере 2 конце несет не изображенную неподвижную контактную деталь. В продольном направлении противоположно неподвижной контактной детали лежит подвижная контактная деталь, которая установлена на свободном конце оперативной штанги 4, которая образует переключательную механику вакуумного выключателя 1. На своем противоположном подвижной контактной детали конце 5 оперативная штанга 6 неподвижно соединена со сдвигающимся элементом 6 пиротехнического привода 7. Для удерживания пиротехнического привода 7 служит не изображенная удерживающая рама. Позицией 8 схематично обозначена электронная схема оценки управляющего блока. Для механического соединения полюсных наконечников вакуумного выключателя служит удерживающая планка 18, которая проходит между полюсными наконечниками и состоит из изоляционного материала, например, из армированной стекловолокном пластмассы. Кроме того, вакуумная камера 2, а также палец 3 неподвижного контакта с помощью удерживающих средств 9 расположены также неподвижно относительно несущего каркаса 8. Дополнительно к этому, контактные средства 10 обеспечивают электрическое соединение неподвижного контактного пальца 3 и тем самым неподвижной контактной детали с контактным зажимом 11 неподвижного контакта.

Оперативная штанга 4 выполнена в показанном варианте выполнения полностью проводящей. Зажимной контакт 12 служит для электрического соединения оперативной штанги 4 и тем самым не изображенной подвижной контактной детали с неподвижно соединенным с шиной контактным зажимом 13 подвижного контакта. Для подвижного в продольном направлении и одновременно герметичного соединения оперативной штанги 4 с вакуумной камерой 2 служит изображенный лишь схематично металлический сильфон 14. Зажимной контакт 12 содержит вводную зажимную контактную деталь 16, а также имеющую дополняющую форму ответную зажимную контактную деталь 17. Вводная зажимная контактная деталь 16 снабжена конусной формой, так что в разрезе она имеет вид клина.

Показанная на фигуре вакуумная камера 2 служит для шунтирования подмодуля преобразовательного вентиля, который имеет последовательную схему однообразно выполненных биполярных подмодулей. В случае отказа одного подмодуля возникают большие токи короткого замыкания в подмодуле с образованием электрической дуги. Для предотвращения такой электрической дуги и для сохранения работы преобразовательного вентиля с помощью не поврежденных подмодулей замыкается вакуумный выключатель 1. Для этого сначала измеряется ток короткого замыкания с помощью не изображенных датчиков в расположенном параллельно вакуумному выключателю 1 подмодуле. Наряду с текущим в подмодуле током можно измерять также напряжение и подавать в указанный управляющий блок. Если перед этим выполняется заданный в управляющем блоке критерий короткого замыкания, то управляющий блок передает сигнал зажигания в пиротехнический силовой элемент 7. Происходит взрывной сдвиг сдвигающегося элемента 7 и тем самым оперативной штанги 4. При этом оперативная штанга 4 сдвигается в направлении стрелки 15, т.е. в продольном направлении. Вследствие переключательного движения происходит также неподвижное зажимание вводной зажимной контактной детали с ответной зажимной контактной деталью, при этом обеспечивается электрический контакт. При контакте подвижной контактной детали с неподвижной контактной деталью замыкается путь прохождения тока между контактным зажимом 11 подвижного контакта и контактным зажимом 13 неподвижного контакта.

Вакуумный выключатель содержит вакуумную камеру (2) с коммутирующим контактом, имеющим неподвижную контактную деталь, которая находится в электрическом контакте с контактным зажимом (11) неподвижного контакта, а также подвижную контактную деталь и приводной блок (7). С приводным блоком (7) и подвижной контактной деталью соединена переключательная механика (4). Соединительные средства в положении контакта электрически соединяют контактный зажим (13) подвижного контакта с подвижной контактной деталью. Соединительные средства имеют зажимной контакт (16, 17), который имеет соединенный с электропроводящим участком переключательной механики (4) вводную зажимную контактную деталь (16) и соединенную неподвижно с вакуумной камерой (2) и электрически с контактным зажимом (13) ответную зажимную контактную деталь (17), расположенные так, что вводная зажимная контактная деталь (16) вследствие приводного движения зажимается с электрической проводимостью с ответной зажимной контактной деталью (17). Технический результат - создание компактного выключателя, который при высоких скоростях включения обеспечивает надежный путь прохождения тока с высокой нагрузочной способностью по току между контактными зажимами вакуумного выключателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумный выключатель, содержащий
- вакуумную камеру (2), в которой создан вакуум и в которой расположен коммутирующий контакт, при этом коммутирующий контакт имеет неподвижно соединенную с вакуумной камерой (2) неподвижную контактную деталь, которая находится в электрическом контакте с контактным зажимом (11) неподвижного контакта, и направляемую подвижно относительно неподвижной контактной детали подвижную контактную деталь, которая расположена в положении размыкания на расстоянии от неподвижной контактной детали, а в положении контакта находится в контакте с неподвижной контактной деталью,
- приводной блок (7) для создания приводного движения,
- соединенную с приводным блоком (7) и подвижной контактной деталью переключательную механику (4), которая имеет электропроводящий участок проводника, проходящий до подвижной контактной детали, и
- соединительные средства, которые в положении контакта электрически соединяют контактный зажим (13) подвижного контакта с подвижной контактной деталью,
отличающийся тем, что соединительные средства имеют зажимной контакт (16, 17), который имеет соединенную с проводящим участком переключательной механики (4) вводную зажимную контактную деталь (16) и соединенную неподвижно с вакуумной камерой (2) и электрически с контактным зажимом (13) подвижного контакта ответную зажимную контактную деталь (17), которые расположены относительно друг друга так, что вводная зажимная контактная деталь (16) вследствие приводного движения зажимается с электрической проводимостью с ответной зажимной контактной деталью (17).

2. Вакуумный выключатель по п.1, отличающийся тем, что зажимной контакт (16, 17) опережает во времени коммутирующий контакт при замыкании вакуумного выключателя (1).

3. Вакуумный выключатель по п.2, отличающийся тем, что приводной блок имеет пиротехнический силовой элемент (7) и контур зажигания для приведения в действие пиротехнического силового элемента (7).

4. Вакуумный выключатель по п.3, отличающийся тем, что пиротехнический привод имеет сдвигающийся элемент (6), который вследствие инициирования мгновенно сдвигается на отрезок пути, и что переключательная механика реализована в виде проходящей в продольном направлении и соединенной с сдвигающимся элементом (6) оперативной штанги (4), при этом сдвигающийся элемент (6) до инициирования пиротехнического привода (7) предназначен для удерживания подвижной контактной детали в ее положении размыкания.

5. Вакуумный выключатель по п.4, отличающийся тем, что предусмотрены позиционирующие средства для установки пространственного положения сдвигающегося элемента (6) и тем самым расстояния подвижной контактной детали относительно неподвижной контактной детали.

6. Вакуумный выключатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что зажимной контакт (16, 17) является конусным контактом и имеет коническую вводную зажимную контактную деталь (16), а также комплементарную с ней по форме ответную зажимную контактную деталь (17).

7. Вакуумный выключатель по п.6, отличающийся тем, что вводная зажимная контактная деталь (16) уже в положении размыкания свободно прилегает к ответной зажимной контактной детали (17).

8. Вакуумный выключатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что неподвижная контактная деталь удерживается проходящим через стенку вакуумной камеры (2) пальцем (3) неподвижного контакта, который снаружи вакуумной камеры по меньшей мере механически соединен с удерживающими средствами (9) для опоры вакуумного выключателя (1) и по меньшей мере электрически с контактными средствами (10), которые гальванически соединены с контактным зажимом (11) неподвижного контакта, при этом удерживающие средства подсоединены после контактных средств (10) относительно неподвижной контактной детали.

9. Преобразовательный вентиль для преобразования электрического тока или электрического напряжения, содержащий последовательную схему биполярных подмодулей, при этом каждый подмодуль имеет по меньшей мере один накопитель энергии и одну мощную полупроводниковую схему, с помощью которой обеспечивается возможность создания падающего на накопителе энергии напряжения или нулевого напряжения на клеммах соответствующего подмодуля, и при этом с каждым подмодулем согласовано шунтирующее средство для шунтирования подмодуля в случае неисправности, отличающийся тем, что шунтирующие средства имеют вакуумный выключатель (1) по любому из пп.1-5.

10. Преобразовательный вентиль по п.9, отличающийся тем, что мощная полупроводниковая схема предназначена для создания напряжения на соединительных клеммах каждого подмодуля, которое является инверсным относительно падающего на накопителе энергии напряжения.