электромагнитный привод выключателей

Формула изобретения

1. Электромагнитный привод выключателей, содержащий катушку электромагнита с параллельно подключенным диодом, магнитопровод со стопом и якорем, электронный ключ, отличающийся тем, что магнитопровод со стопом и якорь выполнены шихтованными, а последовательно с диодом включен резистор, величина сопротивления которого выбрана максимальной по условиям допустимого напряжения на силовых элементах ключа, включенного между катушкой электромагнита и источником постоянного или выпрямленного тока, причем соотношение между намагничивающей силой и площадью сечений магнитопровода и якоря у их рабочих торцов при наименьшем рабочем зазоре выбрано как по тяговому усилию, так и по индукции, меньшей индукции насыщения на 5 20% а отношение наименьшего рабочего зазора к характерному размеру рабочего торца стопа или якоря составляет 0,06 0,15.

2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из магнитно-мягких материалов с разными кривыми намагничивания, отличающимися по индукциям насыщения на 15 25% а соотношение между площадями сечения указанных материалов у рабочих торцов выбрано так, что один из них насыщен, начиная с положения якоря, соответствующего 50 100% полного хода якоря на включение электромагнита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, точнее к электромагнитным приводам выключателей среднего напряжения, в частности вакуумных и элегазовых выключателей, предназначенных для работы в быстродействующих циклах операций включено-отключено (В-О), в быстродействующих циклах автоматического повторного включения (БАПВ). При этом электромагнитный привод производит включение выключателя и взводит пружины отключения с посадкой механизма привода на защелку. Отключение выключателя производится этими пружинами после выбивания защелки.

Предлагаемый привод нецелесообразно использовать при рабочих токах в десятки ампер и развиваемых усилиях в сотни и тысячи ньютонов при временах от момента касания контактов до момента их размыкания в 25-35 мс. Предполагается, что суммарная масса магнитопровода с якорем не превышает 12 кг.

Собственно электромагнитный привод весьма прост по конструкции в сравнении с пружинными, пневматическими или гидравлическими приводами; он имеет высокий КПД, простое энергопитание, гибкое управление, высокую надежность.

Существенный недостаток электромагнитного привода большая электромагнитная инерционность, особенно при отпускании якоря после отключения тока катушки. Для устранения этого недостатка в выключателях с БАПВ применяют механизм свободного расцепления (МСР), т.е. механизм, обеспечивающий кинематическое расцепление якоря с подвижными контактами выключателя в конце процесса включения и срабатывания электромагнита отключения. Применение МСР существенно усложняет конструкцию электромагнитного привода и делает ее менее надежной.

Известен быстродействующий привод коммутационных аппаратов прямого действия (1; 2), в котором коммутация в одну сторону на отключение (включение) осуществляется с помощью медного диска, представляющего собой короткозамкнутый виток, и действующего на шток выключателя при прохождении импульсного тока до нескольких килоампер по катушке-индуктору.

При этом взводятся пружины и в конце хода шток устанавливается на защелку. Коммутация в другую сторону на включение (отключение) - осуществляется от пружин после сбивания защелки электромагнитом. Такой привод с шихтованным магнитопроводом способен осуществлять цикл операций В-О менее чем за 15 мс и может применяться для выключателей с БАПВ; он не требует механизма свободного расцепления. Но этот привод имеет существенные недостатки: низкий КПД; необходимость установки вблизи катушки большого емкостного накопителя; электронный ключ на мощных тиристорах; нерациональную тяговую характеристику с наибольшим усилием в начальной части хода штока, тогда как усилие противодействующих пружин увеличивается к концу хода; большие импульсные усилия и скорости подвижных масс, резко снижающие ресурс выключателя до нескольких тысяч коммутаций, в первую очередь, у сильфонов вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Так что требуемый в настоящее время для выключателей энергосистем среднего напряжения ресурс по механической и электрической износостойкости (при рабочих токах) в десятки тысяч операций О и В этот привод обеспечить не может.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнитный привод [3] вакуумного выключателя, электромагнит включения которого имеет литой магнитопровод с втяжным якорем. Передача движения от якоря электромагнита к валу и далее к изоляционным тягам и подвижным контактам ВДК трех фаз осуществляется с помощью подпружиненного коромысла и защелки в виде поворачивающегося подпружиненного упора, образующих механизм свободного расцепления. Для коммутации тока катушки электромагнита использован электронный ключ на тиристорах, установленных на стороне переменного тока, с последующим двухполупериодным выпрямлением с помощью диодного моста. Выводы катушки подсоединены к двум выводам моста. Тиристоры управляются последовательным переключением контактов двух слаботочных электромагнитных реле.

В этом приводе снятие управления с тиристоров может занимать несколько десятков миллисекунд, так как после переключения блок-контактов выключателя в конце включения необходимо переключение контактов двух электромагнитных реле. Далее закрытие тиристоров происходит после прохождения тока через ноль, после чего остаточная электромагнитная энергия катушки электромагнита может выводиться лишь на ее собственное малое активное сопротивление через диоды моста с большой постоянной времени. Еще большую задержку спада магнитного потока, следовательно, и усилия на якорь, дает литой магнитопровод без рабочего зазора в конце включения выключателя, вызывающий медленный спад вихревых токов. Поэтому в данном приводе для выполнения циклов БАПВ необходимо применение механизма свободного расцепления, что существенно усложняет конструкцию выключателя и делает ее менее надежной. Здесь электронный ключ практически не повышает быстроту коммутации схемы управления, а лишь увеличивает ее электроизносостойкость по сравнению с контакторной схемой.

Цель изобретения исключение механизма свободного расцепления, упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение надежности и быстродействия, упрощение обслуживания как привода, так и всего выключателя.

Цель достигается тем, что в электромагнитном приводе выключателей, содержащем катушку электромагнита с параллельно подключенным диодом, магнитопровод с якорем, электронный ключ, магнитопровод и якорь выполнены шихтованными с минимальной массой, последовательно с диодом включен резистор, величина сопротивления которого выбрана максимальной, по условиям допустимого напряжения на силовых элементах ключа, включенного между катушкой электромагнита и источником постоянного или выпрямленного тока, соотношение между намагничивающей силой и площадью сечений магнитопровода и якоря у их рабочих торцов при наименьшем рабочем зазоре выбрано как по тяговому усилию, так и по индукции, меньшей индукции насыщения на 5-20% а отношение наименьшего рабочего зазора к характерному размеру рабочего торца стопа или якоря составляет 0,06-0,15.

Целесообразно магнитопровод выполнять из магнитомягких материалов с разными кривыми намагничивания, отличающимися по индукциям насыщения на 15-25% а соотношение между площадями сечения указанных материалов у рабочих торцов выбирать так, что один из них насыщен, начиная с положения якоря, соответствующего 50-100% полного хода якоря на включение электромагнита.

На фиг.1 представлена принципиальная схема электромагнитного привода вакуумного выключателя (в отключенном положении) с элементами электрической схемы управления; на фиг.2 диаграмма I зависимости сил сопротивления - усилий пружин отключения и поджима контактов от хода якоря или от рабочего зазора электромагнита, а также статическая тяговая характеристика (2) электромагнита (пунктир соответствует малому насыщению магнитопровода); на фиг.3 вид кривой изменения во времени тока в катушке электромагнита при включения выключателя (пунктир соответствует работе привода по схеме прототипа после сигнала отключения); на фиг.4 кривые намагничивания: (1) для электротехнической кремнистой стали, (2) для малоуглеродистой отожженной стали; на фиг.5 спад тока во времени после его обрыва ключом в катушке и электромагнитные усилия на якоре: (1) cоответствует условиям шихтованного магнитопровода и его значительного насыщения, (2) соответствует литому магнитопроводу и малому насыщению.

Электромагнитный привод выключателей (фиг.1) содержит катушку 1, магнитопровод 2 со стопом 3, якорь 4 электромагнита включения. С якорем связан выступ 5, управляющий блок-контактами 6 в конце включения, и упор 7, фиксируемый защелкой 8 с электромагнитом отключения 9 во включенном положении выключателя. С якорем кинематически связан рычаг 10, подпружиненный пружиной отключения 11. Рычаг 10 жестко закреплен на валу 12, на котором также жестко закреплены рычаги 13, с которыми кинематически связаны изоляционные тяги 14. На конце тяг установлены обоймы 15 с пружинами 16 поджатия подвижных контактов 17 вакуумных дугогасительных камер 18. Количество элементов с 13 по 18 по три на трехфазный выключатель.

Питание катушки 1 осуществляется через электронный ключ 19 (на базе силовых тиристоров или транзистора) либо непосредственно от источника постоянного тока, либо от источника переменного тока через выпрямительный диодный мост 20. Для вывода и рассеяния остаточной электромагнитной энергии катушки после обрыва тока ключом служит шунтирующая ее цепочка из диода 21 и резистора 22.

Электромагнитный привод работает следующим образом.

При подаче команды на включение выключателя подается команда на силовой элемент электронного ключа 17 и он открывается. Через катушку 1 начинает протекать ток. Скорость нарастания тока (фиг.3) определяется сопротивлением и индуктивностью катушки. От возникающего в рабочем зазоре ₀ магнитного потока на якорь 4 действует сила, при увеличении которой более сил противодействия (силы пружины отключения за вычетом усилия от сильфона и атмосферного давления) якорь начинает двигаться с увеличивающейся скоростью. При движении якоря в катушке возникает противоЭДС, уменьшающая ток от источника питания. Электромагниты вакуумных выключателей при скоростях движения якоря 1-3 м/с, что соответствует допустимой скорости включения ВДК до 0,9 м/c, выполняются так, что ток в катушке, достигая максимума, обычно уменьшается монотонно до момента остановки якоря (на фиг.3 момент t₁). Но даже при уменьшении тока тяговое усилие на якорь растет из-за уменьшения рабочего зазора. Динамическая тяговая характеристика несколько отличается от статической (фиг.2, кривая 2) из-за вихревых токов и противоЭДС. В принципе она может даже пересекать диаграмму сил противодействия пружин в момент замыкания контактов ВДК (т. Х₁ или ₁ на фиг.2) благодаря накопленной кинематической энергии. По мере уменьшения рабочего зазора (начиная с ₁ или около него) начинается насыщение стопа 3 и якоря 4 сначала у оснований корпуса 2, а затем сечение насыщения смещается к торцам стопа и якоря. Поэтому кривая 2 (фиг.2) идет ниже пунктира, который соответствует малому насыщению. Обычно электромагниты проектируются так, что даже при малых рабочих зазорах наибольшая индукция меньше индукции насыщения на 30% и более, что соответствует работе магнитопровода на колене кривой намагничивания (на фиг.4, при напряженностях, меньших Н₁). В предлагаемом приводе предусматривается работа магнитопровода правее Н₁, то есть за коленом кривой намагничивания. При сближения контактов ВДК до долей миллиметра происходит пробой промежутка. Если выключатель включается на короткозамкнутую цепь, то после выдержки временной уставки защиты подается сигнал на электромагнит отключения. К этому времени якорь 4 электромагнита включения с помощью выступа 5 перебрасывает блок-контакты 6 (обычно тумблерного типа), подающие сигнал на отключение электронного ключа 19, который обрывает ток питания катушки 1 за время не более десятков микросекунд, то есть практически мгновенно. За время переброса 3-6 мс контактов 6 якорь доходит до крайнего положения (момент t₁ на фиг.3) с фиксацией минимального зазора ₂ либо на демпфере, либо на прокладке из немагнитного материала толщиной ₂ (на фиг.1 не показаны). При этом полностью взводятся пружины 11 и 16. После обрыва тока питания (момент t₂) электромагнитная энергия катушки разряжается на резисторе 22 после открытия диода 21 (за время менее 1-2 мс). В этот момент напряжение на силовом элементе ключа 19 поднимается до величины U U_п + i₂ R (1), где U_п напряжение источника питания в этот момент, R сопротивление резистора 22, i₂ ток катушки в момент обрыва (фиг.3). Ток в катушке начинает спадать (в первом приближении) по зависимости (2), где постоянная времени и R_c суммарное активное сопротивление катушки и резистора 22, а L динамическая индуктивность катушки. Эту формулу можно использовать на отдельных участках кривой намагничивания, считая на них магнитную проницаемость материала магнитопровода постоянной при средней величине зазора на участке. Движение якоря на отключение начинается после уменьшения электромагнитного усилия на якорь менее усилия от пружин. После этого идут два процесса: при спаде тока и уменьшении напряженности магнитного поля m увеличивается, увеличивая индуктивность катушки, а отход якоря и увеличение рабочего зазора под действием пружин уменьшают индуктивность. Кроме того, при движении якоря на отключение выключателя возникает и растет с ростом скорости движения якоря противоЭДС, способствующая поддержанию тока в катушке. Поэтому в процессе отключения важен факт: cадится якорь на защелку 8 при спаде тока в катушке или защелка успевает отойти от упора 7 до их соприкосновения. Этот факт определяется моментами подачи сигналов на отключение ключа 19 и включение магнита отключения 9 с последующим отходом защелки 8. Посадке якоря на защелку соответствует рабочий зазор, больший d₂ на 1-1,5 мм. Обычно такой запас достаточен для надежной фиксации выключателя во включенном положении. Посадка упора 7 якоря на защелку на несколько миллисекунд, практически не ухудшая функциональную коммутационную надежность выключателя для потребителей, способствует существенному спаду тока и, следовательно, остаточного усилия на якорь, что обеспечивает скорость отключения, мало отличающуюся от таковой при отключении выключателя из статического состояния.

Как видно из выражения (2), целесообразно уменьшать индуктивность катушки и увеличивать сопротивление резистора 22. Увеличение R особенно эффективно действует на спад тока в катушке при выходе материала магнитопровода на колено кривой намагничивания, когда начинает значительно увеличиваться и, следовательно, L, а противоЭДС велика из-за большой скорости. Выбор величины R ограничен лишь классом напряжения силовых элементов ключа 19.

Включение ключа 19 между катушкой и диодным мостом и для случая питания привода от источника переменного тока позволяет применять резистор 22 для быстрого вывода электромагнитной энергии катушки после обрыва тока, тогда как в прототипе этого сделать нельзя из-за шунтирования катушки диодами моста.

Кроме остаточного тока в катушке существенно влияют на спад тягового усилия якоря вихревые токи в магнитопроводе. Постоянная времени спада вихревых токов зависит от объема (массы) и удельного электросопротивления материала магнитопровода и от рабочего зазора: . Отсюда следует, что необходимо использовать для магнитопровода и якоря шихтованную высококремнистую электротехническую сталь с высоким r при минимальном объеме материала. Минимальный объем означает, что в результате вариантных расчетов выбираются минимальные габариты не только стопа и якоря, но и корпуса магнитопровода из условий необходимого тягового усилия и передаточного отношения от якоря к подвижным контактам ВДК с оптимальным насыщением магнитопровода при малых рабочих зазорах. Наибольшее влияние на спад вихревых токов оказывает рабочий зазор, точнее отношение рабочего зазора к характерному линейному размеру, за который можно принять , где S площадь сечения торца стопа или якоря. Традиционные электромагниты имеют в притянутом положении якоря нулевой рабочий зазор. Как показывают расчеты и опыты, для надежного выполнения непрерывного цикла В-О без нарушения кинематической связи между якорем и изоляционными тягами, то есть без механизма свободного расцепления, достаточно иметь: 0,06-0,15 или 2-5 мм для выключателей среднего напряжения. Большие значения зазора относятся к вакуумным выключателям на большие токи короткого замыкания, то есть при большем усилии на участке ₁-₂ по сравнению с участком ₀-₁ (диаграмма 1, фиг.2).

Увеличение зазора больше указанного нецелесообразно, так как требует увеличения намагничивающей силы и сечения торцов стопа и якоря для компенсации увеличения начального зазора, а также оказывается меньшим относительное изменение зазора на участке ₂-₁ наибольшего усилия на отключение выключателя. Избыточное тяговое усилие (кривая 2, фиг.2) над силами пружин (диаграмма 1) при движении якоря на участке поджатия Х₁ Х₂ контактов ВДК должно быть достаточным для того, чтобы скорость изоляционных тяг на первой половине этого участка мало отличалась от скорости в момент замыкания контактов для получения как малого общего времени включения, так и допустимого дребезга контактов. В конце включения (при подходе к т. Х₂) нет необходимости иметь большой избыток движущих сил (которые пришлось бы демпфировать). Этому соответствует вид кривой 2 при индукции у торцов стопа и якоря, меньшей на 5-20% индукции насыщения, меньшие значения относятся к выключателям на токи отключения до 10 кА (действ.), большие на токи до 40 кА. Пунктирная кривая 2 относится к индукциям недалеко за коленом кривой намагничивания.

Чем ближе индукция к индукции насыщения, тем меньше магнитная проницаемость, тем меньше индуктивность катушки, тем меньше она отличается от собственной индуктивности катушки (без сердечника), следовательно, тем быстрее спадает ток в катушке после его обрыва ключом. Как показывают расчеты и опыт, наименьший объем магнитопровода и оптимальная тяговая характеристика получаются при использовании в магнитопроводе двух магнитомягких материалов с заметно отличающимися индукциями насыщения. Обычно такие материалы имеют обратное соотношение индукций в слабых магнитных полях (фиг.4). При малых намагничивающих силах и больших рабочих зазорах (начальная часть кривой тока фиг. 3; начальная часть участка Х_о Х₁ линии I (фиг.2) работает, в основном, один материал (фиг.4, левее т. Н₁, то есть до или на колене кривой намагничивания). При сближении контактов ВДК приближении к т. Х₁ (фиг.2) материалы нагружаются одинаково, а далее у т. Х₁ - первый материал насыщается и избыточное движущее усилие создается за счет второго материала.

После обрыва электронным ключом ток в катушке и электромагнитное усилие на якорь быстро спадают не только за счет фактора насыщения одного из материалов, но и за счет задержки поперечных магнитных потоков между материалами вихревыми токами вдоль шихтовки. На фиг.4 в относительном масштабе представлены кривые намагничивания магнитомягких материалов, наиболее часто используемых в быстродействующих электромагнитах: 1 высококремнистая электротехническая сталь типа 3423, 2 отожженная малоуглеродистая сталь 10, индукции насыщения которых соответственно, равны 1,9 и 2,3Т (разница 21%).

Все приведенные рассуждения относятся к электромагнитным приводам вакуумных выключателей. Они справедливы и для приводов элегазовых выключателей среднего напряжения с вращением и (или) термическим расширением газа со следующими замечаниями.

Для обоих типов выключателей работа включения привода составляет 80-130 Дж. Скорость включения и перемещение контактов элегазовых выключателей в 1,5-2 раза выше, чем у вакуумных, но усилия сопротивления в такой же пропорции меньше, чем у вакуумных. Диаграмма сил противодействия у элегазовых выключателей либо пологая, либо со ступенью в зоне касания контактов при использовании второй (стартовой) пружины отключения, но ступень меньше, чем у вакуумных выключателей. Отсюда следует, что конструкция электромагнита и схемы управления могут быть одинаковыми для обоих типов выключателей; разница лишь в меньшем передаточном отношении рычагов между якорем и изоляционными штангами у элегазовых выключателей. Степень насыщения магнитопровода и величину минимального рабочего зазора для элегазовых выключателей можно брать по максимуму от приведенных выше.

Таким образом, совместное использование шихтованных магнитопровода и якоря с минимальным объемом, включение электронного ключа, управляемого блок-контактами, между катушкой электромагнита и источником питания, включение в шунтирующую катушку цепи последовательно с диодом резистора с наибольшей величиной сопротивления, ограниченной допустимым напряжением на ключе в момент обрыва тока, наряду с выбором соотношения между намагничивающей силой и сечениями магнитопровода и якоря у их рабочих торцов при наименьшем и гарантированном рабочем зазоре как по тяговому усилию, так и по индукции, близкой к насыщению, позволяет не только исключить из привода механизм свободного расцепления, что упрощает конструкцию, уменьшает габариты, повышает надежность, но и получить максимальное быстродействие выключателя в наиболее сложном и ответственном цикле В-О, выполняемом не механическим динамическим узлом МСР, а статическим узлом электронным ключом, изготовленным по высоким технологиям, и электромагнитными внутренними автоматически проходящими процессами. Имеется возможность дистанционного контроля за состоянием электронного ключа, например, по токам утечки; он легко и быстро заменяется в отличие от МСР.

Рассмотренные теоретические положения проверялись на однофазном вакуумном выключателе на напряжение 35 кВ, отключаемый ток 20 кА (действующий). Масса шихтованных магнитопровода и якоря, выполненных из указанных выше двух материалов, составляла около 10 кг, кроме того, в отдельные части магнитопровода и якоря входили массы литых сталей до 4 кг. Величина сопротивления шунтирующего резистора R составляла 75% от активного сопротивления катушки. Минимальный рабочий зазор варьировался от 2 до 5,5 мм, что составляло 0,058-0,16. Времена от момента касания контактов (с полным включением) до момента размыкания контактов не превышали 27-30 мс как с посадкой на защелку (в течение нескольких миллисекунд), так и без фиксации на ней.

Таким образом, даже при заведомо завышенных в худшую сторону параметрах привода он показал высокую надежность и быстродействие, большее, чем у выключателей с механизмом свободного расцепления.