ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 2019 года по МПК H01H33/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности, к коммутирующей аппаратуре, и может применяться в цепях постоянного тока, например, в системах электропитания различных электрофизических установок.

Уровень техники

В ряде случаев, в основной своей массе связанных с производственными или научно-исследовательскими целями, требуется коммутация электрических цепей, в которых протекают токи величиной в десятки тысяч ампер. В частности, это могут быть цепи питания электрических обмоток, формирующих сверхсильные магнитные поля.

Обращение с мощными источниками электроэнергии требует высокого быстродействия коммутирующей аппаратуры для минимизации энергии, выделяемой в электрической дуге, и для обеспечения возможности быстрого включения/выключения тока в электрической цепи. Кроме того, к такой коммутирующей аппаратуре предъявляются весьма серьезные требования к переходному сопротивлению контактной группы, надежности, возможности коммутации с перегрузкой по мощности и ресурсу работы.

Из авторского свидетельства SU 1559956 известен сильноточный коммутационный аппарат, обеспечивающий быстрое замыкание электрической цепи, содержащий два неподвижных контакта, подвижный мостиковый контакт и электромагнитный (индукционно-динамический) привод с якорем и катушкой, размещенные в изоляционном корпусе. Якорь привода, который опирается на крышку корпуса, выполнен в виде диска с цилиндрическим выступом со стороны катушки. Якорь по периметру герметично соединен с корпусом аппарата с помощью дополнительно введенной кольцевой мембраны, а корпус выполнен с двумя отверстиями для подачи сжатого газа, расположенными по разные стороны указанной мембраны, и с дроссельным отверстием, расположенным на крышке корпуса.

На якоре привода с другой стороны установлен указанный подвижный контакт, выполненный в виде кольца, а неподвижные контакты выполнены в виде коаксиальных колец, установленных соосно с указанным подвижным контактом. На неподвижных контактах коаксиально друг другу дополнительно установлены взаимодействующие с якорем контактные элементы. Контактная группа якоря выполнена в виде упругих ламелей, опирающихся на дополнительно введенные кольцевые демпферы.

Замыкание такого коммутационного аппарата производится под действием электродинамических сил и давления сжатого газа, а размыкание происходит после сброса давления из объема над мембраной. Как только давление в этом объеме станет меньше давления в объеме под мембраной, якорь привода с установленным на нем подвижным контактом поднимается, подвижный контакт отходит от неподвижных контактов и цепь размыкается. Приведение коммутационного аппарата в рабочее состояние производится вводом газа под рабочим давлением в объем над мембраной.

Недостатком раскрытой в SU 1559956 конструкции коммутационного аппарата является то, что она предназначена исключительно для замыкания электрической цепи и не позволяет быстро разъединять неподвижные контакты и создавать разрыв в электрической цепи. Тем не менее, быстрое размыкание контактов разъединителя в электрической цепи необходимо для выполнения как защитных, так и оперативных задач в электрофизических установках.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является снижение времени разъединения электрической цепи сильноточным коммутационным аппаратом.

Указанная задача решается с помощью разъединителя, имеющего два неподвижных контакта, разделенных изолятором, и подвижный контакт, выполненный с возможностью замыкания/размыкания неподвижных контактов. Подвижный контакт прикреплен с помощью мембраны к боковым стенкам, имеющим механическое соединение, по меньшей мере, с одним неподвижным контактом, причем подвижный контакт и мембрана разделяют объем между боковыми стенками разъединителя на нижний объем, в котором находятся неподвижные контакты, и верхний объем.

Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что он содержит электромагнитный клапан, установленный с возможностью быстрого выпускания газа из верхнего объема и включающий в себя корпус клапана, заслонку, выполненную с использованием немагнитного материала с высокой удельной электропроводностью, и катушку индуктора.

Элементы разъединителя преимущественно имеют осевую симметрию и расположены соосно. Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения элементы разъединителя выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов. Разъединитель может содержать глушитель, пропускающий газ из верхней камеры, установленный с целью уменьшения акустического удара, возникающего при вытекании газа.

В предпочтительном варианте выполнения клапан содержит перегородку, прилегающую к верхнему объему и имеющую одно или более отверстий, общая площадь которых не меньше площади выпускного отверстия клапана. Направление перемещения заслонки предпочтительно перпендикулярно плоскости, в которой находится мембрана. Поверх и/или снизу мембраны преимущественно размещены жесткие элементы, ограничивающие перемещение мембраны.

Задача настоящего изобретения также решается с помощью электрической цепи, в состав которой входит разъединитель по любому из вышеописанных вариантов. В преимущественном варианте цепь содержит коммутатор, установленный последовательно высоковольтному разъединителю.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение времени разъединения коммутируемой цепи сильноточным коммутационным аппаратом и обеспечение высокой электрической прочности разомкнутого участка при малых массогабаритных характеристиках.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан электрический разъединитель в разрезе.

На фиг. 2 показан укрупненный вид контактной группы разъединителя.

Осуществление изобретения

Осуществление настоящего изобретения иллюстрируется с помощью фиг. 1, на которой показан преимущественный вариант выполнения электрического разъединителя. В показанном преимущественном варианте выполнения элементы разъединителя имеют осевую симметрию и расположены соосно. Кроме того, элементы разъединителя предпочтительно выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов. Эти предпочтительные признаки направлены на обеспечение механической прочности, необходимой при обращении с сильными токами, высокими напряжениями и большими давлениями. При этом необходимо учитывать, что настоящее изобретение может быть реализовано и в других конфигурациях. В этой связи настоящее описание не является ограничивающим и дано лишь в целях пояснения изобретения. Объем испрашиваемой охраны определяется формулой изобретения.

На фиг. 1 показан пример электрического разъединителя в разрезе. Разъединитель имеет неподвижные контакты 3 и 4, разделенные нижним диэлектрическим элементом (изолятором) 1, верхний диэлектрический элемент 2 в виде боковой стенки с установленным в нем подвижным контактом, перегородку 20 и корпус клапана, переходящий в глушитель 24.

На неподвижных контактах 3 и 4 установлены съемные контактные элементы 5 и 6, соответственно. Подвижный контакт, крепящийся к верхнему диэлектрическому элементу 2 с помощью мембраны 16, выполнен в виде опорного диска 11 с установленной на его нижней поверхности обоймой 15 (показана на фиг. 2), содержащей контактный кольцеобразный элемент 13.

Соединение разъединителя с внешней электрической цепью осуществляется через неподвижные контакты 3 и 4.

Благодаря подобной конфигурации удается снизить размеры разъединителя при одновременном обеспечении большой площади контактных поверхностей, необходимых при протекании токов большой величины.

Контактный кольцеобразный элемент 13 в варианте, показанном на фиг. 1, изготовлен из отдельных независимых ламелей, установленных в обойме 15, закрепленной на опорном диске 11. На фиг. 2 показано, что внутри обоймы 15 на ламелях подвижного контактного элемента 13 установлены упругие элементы 14, а мембрана 16 закреплена между опорным диском 11 и обоймой 15 с одной стороны и между перегородкой 20 и диэлектрическим элементом 2 с другой стороны.

Неподвижные съемные контактные элементы 5 и 6 снабжены каналами охлаждения 10. С целью снижения контактного сопротивления к контактным поверхностям подвижного 13 и/или неподвижных 5,6 контактных элементов прикреплены пластины 19, выполненные из материала с высокой электропроводностью и низкой твердостью (на фиг. 2 показаны пластины 19, прикрепленные как к подвижному, так и к неподвижным контактным элементам).

Как показано на фиг. 1, опорный диск 11 и мембрана 16 подвижного контакта герметично разделяют внутреннюю полость аппарата на нижний 18 и верхний 17 объемы. Материал мембраны должен обеспечивать возможность перемещения подвижного контакта под воздействием разности давлений.

На фиг. 2 показано, что поверх и снизу мембраны (в некоторых вариантах может быть только поверх или только снизу) размещены жесткие элементы 21 и 22, ограничивающие перемещение мембраны. В преимущественном варианте выполнения это металлические кольца, которые могут быть, например, выполнены с разрезами. Они предназначены для ограничения перемещения мембраны и, тем самым, для защиты мембраны от разрыва, что позволяет сделать мембрану с использованием эластичного материала (например, резины). Кроме того, эти металлические кольца предотвращают перемещение подвижного контакта в направлении, поперечном осевому, благодаря чему подвижный контакт имеет возможность перемещаться только вдоль оси (в данном случае, вверх-вниз), что позволяет отцентровать контактные элементы и добиться снижения сопротивления и увеличения ресурса аппарата.

В перегородке 20 выполнено, по крайней мере, одно отверстие, через которое газ, находящийся между перегородкой 20 и подвижным контактом, может выходить в атмосферу при открытии электродинамического клапана. Клапан обеспечивает герметизацию верхнего объема 17 в закрытом состоянии и быстрый выход газа при открытии. Клапан состоит из катушки индуктора 7, цилиндрической подвижной заслонки 8, которая скользит по направляющей в корпусе клапана, переходящего в глушитель 24, и кольцевой уплотняющей манжеты 23, предотвращающей утечку газа в атмосферу из верхнего объема 17 при опущенной заслонке 8.

Нижний объем 18 заполнен сжатым газом при давлении порядка нескольких атмосфер, верхний объем 17 заполнен сжатым газом при давлении преимущественно в 1,5-2 раза превышающем давление в нижнем объеме 18. При наличии давления в обоих объемах, подвижный контакт за счет разности давлений приводится в нижнее положение и подвижный контактный элемент 13 соединяет между собой неподвижные контактные элементы 5 и 6.

Для того чтобы быстро разомкнуть контактную систему необходимо быстро удалить газ из верхнего объема 17, что достигается с помощью открытия электромагнитного (электродинамического) клапана, путем подачи импульсного тока (до десятков тысяч ампер) в катушку индуктора 7. Когда клапан открывается, газ из верхнего объема выходит наружу со скоростью звука и подвижный контакт поднимается в верхнее положение под действием давления в нижней камере 18.

Быстрое удаление газа из верхнего объема 17 требует достаточно большого проходного сечения отверстия электромагнитного клапана, и сопоставимой с ним суммарной площади отверстий в перегородке 20, то есть суммарная площадь отверстий в перегородке должна превышать эффективную площадь пропускного отверстия, образующегося при открытии клапана. Площадь пропускного отверстия клапана преимущественно составляет не менее 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или 50% от площади перегородки над верхним объемом в зависимости от требуемого времени вытекания газа. На время вытекания газа влияют величина верхнего объема, рабочее давление и эффективные площади отверстий в клапане и перегородке.

Основные преимущества настоящего изобретения обеспечиваются небольшим объемом верхней камеры и применением клапана с электромагнитным приводом, поскольку именно такой привод позволяет быстро открывать отверстия большого сечения.

Электромагнитный привод в предпочтительном варианте осуществления выполняется в виде катушки индуктора 7, которая при протекании по ней импульсного электрического тока наводит в метаемом элементе (расширенной части 9 заслонки 8) вихревые электрические токи, в результате чего заслонка отталкивается от индуктора. Направление перемещения заслонки может лежать в плоскости крышки, быть перпендикулярным ей или расположенным под любым другим углом. В последнем варианте, как показано на фиг. 1, где заслонка 8 может перемещаться в вертикальном направлении, катушка индуктора 7 располагается в горизонтальной плоскости в верхней части перегородки 20, преимущественно под расширенной частью 9 заслонки 8. Благодаря такому расположению повышается протяженность зоны взаимодействия катушки индуктора 7 и заслонки 8 клапана.

Чтобы сила воздействия магнитного поля катушки индуктора 7 на заслонку 8 была максимальной, катушка индуктора установлена максимально близко к метаемому объекту, размещена преимущественно в верхней части перегородки 20 и расположена под нижним краем вышеупомянутой заслонки.

Приведение разъединителя в состояние готовности к срабатыванию в показанном на фиг. 1 варианте осуществляется одновременной подачей газа в нижнюю и верхнюю камеру. Газ, подающийся через отверстие 12 в крышке, заставляет заслонку 8 опуститься вниз и образовать уплотненное соединение с перегородкой 20. Далее газ, протекая через зазор между заслонкой 8 и крышкой 24, заполняет верхний объем 17. В процессе заполнения аппарата газом подвижный контакт, под действием разности давлений, переводится в нижнее положение и перемыкает неподвижные контактные элементы, при этом обеспечивается достаточное контактное давление.

Для ослабления акустического удара от вытекающего со звуковой скоростью сжатого газа, возникающего после срабатывания электромагнитного клапана, в преимущественном варианте разъединитель содержит глушитель 24. Глушитель может иметь различные конструкции, известные из уровня техники. В одном из вариантов глушитель может представлять собой трубу с несколькими кольцеобразными внутренними ребрами 25 и содержать крышку 26 с множеством пропускных отверстий небольшого диаметра.

Электрический разъединитель согласно настоящему изобретению дает возможность размыкать электрические цепи в отсутствии тока, протекающего через аппарат. В преимущественном варианте выполнения цепь, содержащая электрический разъединитель по настоящему изобретению, может содержать коммутатор, например, низковольтный, который устанавливается последовательно разъединителю. Применение такой конфигурации обеспечивает отсутствие тока в разъединителе в момент его размыкания благодаря предварительному срабатыванию коммутатора.

Представлен электрический разъединитель. В корпусе разъединителя установлены неподвижные контакты, замыкаемые/размыкаемые подвижным контактом. Мембрана, посредством которой подвижный контакт соединен с корпусом, делит объем корпуса на верхний и нижний объемы, заполненные газом под разными давлениями. Для быстрого разъединения неподвижных контактов на корпусе установлен клапан с электромагнитным приводом и заслонкой, выполненной с использованием материала с высокой электропроводностью. Технический результат: обеспечение быстрого разъединения неподвижных контактов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Разъединитель, имеющий два неподвижных контактных электрода, разделенных изолятором, и подвижный контактный электрод, выполненный с возможностью замыкания/размыкания неподвижных контактных электродов и прикрепленный с помощью мембраны к боковым стенкам, имеющим механическое соединение, по меньшей мере, с одним неподвижным контактом, причем контактный электрод и мембрана разделяют объем между боковыми стенками на нижний объем, в котором находятся неподвижные контактные электроды, и верхний объем, отличающийся тем, что содержит электромагнитный клапан, выполненный с возможностью открывания при подаче импульсного тока в катушку индуктора и установленный с возможностью выпускания газа из верхнего объема, и включающий в себя корпус клапана, заслонку, выполненную с использованием материала с высокой удельной электропроводностью и с возможностью скольжения по направляющей в корпусе клапана и отталкивания от индуктора при наведении в ней индуктором вихревых электрических токов, и катушку индуктора, установленную с возможностью наведения в заслонке вихревых электрических токов при протекании по ней импульсного электрического тока.

2. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что элементы разъединителя имеют осевую симметрию и расположены соосно.

3. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что элементы разъединителя выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов.

4. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что клапан содержит перегородку, прилегающую к верхнему объему и имеющую одно или более отверстий, общая площадь которых не меньше площади выпускного отверстия клапана.

5. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что направление перемещения заслонки перпендикулярно плоскости, в которой находится мембрана.

6. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что поверх и/или снизу мембраны размещены жесткие элементы, ограничивающие перемещение мембраны.

7. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что содержит глушитель, установленный с возможностью пропускания газа из клапана.

8. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что содержит систему каналов, обеспечивающих водяное охлаждение токопроводящих элементов.

9. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что содержит датчики положения подвижного контакта.

10. Электрическая цепь, в состав которой входит разъединитель по любому из пп. 1-9.

11. Цепь по п. 10, отличающаяся тем, что содержит коммутатор, установленный последовательно разъединителю.