Выключатель высокого напряжения

Выключатель высокого напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение относится к токоограничивающим выключателям высокого напряжения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В системах электроснабжения неизбежно возникают повреждения. Помимо ущерба в зоне повреждения, связанного с воздействием дугового разряда, токи повреждения (которые также называют «токи короткого замыкания») могут повредить оборудование, такое как воздушные линии, кабели, трансформаторы и коммутационную аппаратуру. Прерыватель тока короткого замыкания может ограничить или переключить ток повреждения.

Традиционный прерыватель тока короткого замыкания для переменного тока включает подвижные и неподвижные контакты. После подачи команды размыкания контактов подвижные контакты отводятся, что приводит к возникновению электрической дуги между подвижными и неподвижными контактами. Дуга гаснет в точке пересечения током нуля. Дугообразование будет отсутствовать при условии, что изоляционное расстояние между контактами настолько велико, чтобы исключить любой пробой диэлектрика между ними. Если это расстояние слишком мало, дуга повторно возбуждается, то есть длительность дугового разряда в таких выключателях является функцией изоляционного расстояния в области дугового разряда, значения тока отключения и времени отключения. Дуга будет существовать до тех пор, пока не будет достигнута точка пересечения нуля. Большинство известных выключателей не имеют каких-либо ограничений по току короткого замыкания. Однако степень нагрева и эрозия материала контактов во время дугового разряда будут зависеть от тока и длительности дугового разряда. Длительность дугового разряда может быть достаточно большой (в среднем 5 миллисекунд). Максимальное значение тока может достигать величины , где I_nominal - номинальный расчетный ток. Результатом этого является интенсивная эрозия материала контактов и, следовательно, сокращение срока службы устройства и, самое важное, уменьшение числа аварийных отключений. Это основные недостатки такого устройства.

В этой области техники известен также токоограничивающий выключатель, называемый также «ограничитель тока повреждения», который является электротехническим устройством, не только переключающим номинальные токи и токи перегрузки, но также и размыкающим цепь при протекании токов повреждения в защищенной цепи. Использование токоограничивающих выключателей в существующих сетях позволяет избежать необходимости замены имеющегося сетевого оборудования и линий.

Основным требованием к токоограничивающим выключателям является многократное ограничение абсолютной величины тока повреждения в защищенных сетях. Чтобы получить требуемые эксплуатационные характеристики, время ограничения тока должно быть как можно более коротким (предпочтительно, t_tim<0,8 мс). Когда энергия подается на нагрузку от источника питания (например, трансформатора), механическая прочность сетевых проводов рассчитывается с учетом как номинального тока, так и тока повреждения. Когда потребление мощности возрастает в ходе естественного развития и расширения, требуя, таким образом, применения дополнительных трансформаторов и генераторов, токи повреждения увеличиваются, что требует более высокой электродинамической устойчивости сети и, возможно, обновления линий и оборудования.

В этой области техники известны различные типы ограничителей тока повреждения, такие как пассивные ограничители, твердотельные ограничители и гибридные ограничители тока (см., например, работу IPST05-158 авторов G.Tang и M.R.Iravani, представленную на Международной конференции по переходным процессам в сетях питания (IPST'05) в Монреале, Канада, 19-23 июня 2005 г; и сведения центра CIRGE (Center for Innovation and Research in Graduate Education): Отчет №239, декабрь 2003 г., рабочей группы A3.10 «Ограничители тока повреждения в электросистемах среднего и высокого напряжения»). На фиг.1 показана принципиальная схема гибридного ограничителя тока повреждения, включающего в себя сверхбыстрый передаточный ключ S1, включенный параллельно с выключателем нагрузки, который включен последовательно с низкоиндуктивным нелинейным резистором, имеющим положительный температурный коэффициент. Параллельно с передаточным ключом подключен также быстродействующий разъединитель, соединенный последовательно с преобразовательным мостом на тиристорах, который может базироваться, например, на тиристоре, запираемом с использованием управляющего электрода (Gate-Turn-Off, GTO) или на интегральном тиристоре, коммутируемом с использованием управляющего электрода (GCT). Три выключателя являются механическими и во время устойчивого состояния системы все эти выключатели замкнуты, а тиристор GTO в мосту включен. Когда возникает неисправность, сверхбыстрый механический передаточный ключ открывается в течение нескольких сотен микросекунд и коммутирует все еще нарастающий ток в коммутационную цепь, образованную разъединителем, соединенным последовательно с полупроводниковым разрядным электронным выключателем. Полупроводниковый разрядный электронный выключатель обеспечивает временную задержку для возврата передаточного ключа к определенному выдерживаемому напряжению, а потом выключается, направляя ток в ограничивающую линию, образованную нелинейным резистором. Прежде чем этот резистор существенно разогреется, ограничивая таким образом ток, разъединитель размыкается, чтобы полупроводники отключались от продолжающего возрастать напряжения. В конечном счете, выключатель нагрузки, имеющий время размыкания менее половины периода, прерывает ток повреждения при его первом переходе через нуль. Временная задержка между обнаружением повреждения и ограничением тока может составлять менее 1 миллисекунды.

Недостатки гибридного ограничителя тока повреждения связаны с его кинематической сложностью, высокой стоимостью компонентов, относительно низким номинальным напряжением (обычно, до 15 кВ) и бездействующим характером работы устройства.

Кроме того, в этой области техники известен синхронный выключатель (см., например, книгу «Электрические управляющие устройства», Высшая школа, Москва, 1969, стр.430-431), который является электрическим устройством, коммутирующим номинальные токи, токи перегрузки и токи повреждений, протекающие в защищенной цепи. Путем использования такого устройства токи, протекающие в защищенной цепи, прерываются вблизи от точки пересечения нуля (например, менее чем через 1 миллисекунду).

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним из аспектов данного изобретения предлагается быстродействующий механизм переключения для выключателя, при этом указанный быстродействующий механизм переключения содержит:

приводной стержень, шарнирно соединенный с модулем привода и поддерживающий на своем конце контактный мостик, имеющий на своих противоположных концах соответствующие подвижные контакты для переключаемого соединения с парой неподвижных контактов выключателя;

блок контактной пружины, функционально связанный с модулем привода для прикладывания полного давления замыкания порядка 200 кг; и

защелку для фиксации приводного стержня в открытом или закрытом положении после срабатывания выключателя и для предотвращения отскоков,

причем контактный мостик включает:

пару боковых проводников, поддерживающих на своих верхних краях опору, имеющую открытую верхнюю поверхность, которая поддерживает указанные подвижные контакты на противоположных концах опоры; и

армирующий элемент, вставленный между боковыми проводниками;

так что когда ток протекает через контактный мостик, соответствующие магнитные потоки, создаваемые боковыми элементами, взаимно уничтожаются в области между боковыми элементами, вследствие чего, по существу, отсутствует магнитный поток, проходящий через армирующий элемент.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается недорогой выключатель высокого напряжения, имеющий быстродействующий механизм переключения. В одном из вариантов осуществления изобретения выключатель работает как токоограничивающий выключатель для прерывания как рабочих токов, так и токов повреждения, обеспечивая многократное ограничение абсолютного значения тока короткого замыкания (тока повреждения). В другом варианте осуществления выключатель работает в качестве синхронного выключателя. В контексте настоящего изобретения и прилагаемой формулы изобретения термин «высокое напряжение» включает напряжения в диапазоне от 1 до 55 кВ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чтобы понять суть изобретения и увидеть, как оно может быть реализовано на практике, далее будет приведено описание вариантов его осуществления, только в качестве не ограничивающих изобретение примеров, со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 представлена принципиальная схема известного гибридного ограничителя тока повреждения.

На фиг.2 приводится принципиальная схема выключателя для одной фазы в соответствии с вариантом осуществления изобретения, в котором используется ограничение тока.

На фиг.3 показана функциональная схема контактного устройства и быстродействующего механизма переключения, показанного на фиг.2, в соответствии с вариантом осуществления изобретения,

На фиг.4 показаны основные контакты выключателя в замкнутом положении.

На фиг.5 и 6 схематически показаны примеры того, как может быть увеличена механическая прочность контактного мостика.

На фиг.7 показаны рабочие магнитные потоки, окружающие две соседние плоские параллельные шины.

На фиг 8 показано полное магнитное поле вокруг шин, показанных на фиг.7

На фиг.9а, 9b и 9с схематически показан сильноточный мостиковый контакт с внутренним высокопрочным элементом жесткости в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.10 показано известное электродинамическое устройство (electrodynamic device, EDD).

На фиг.11 показано известное устройство EDD с тремя секциями обмоток.

На фиг.12 детально представлен модуль привода, используемый в механизме выключения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.13а и 13b показана часть пружинного приспособления, используемого в модуле контактной пружины.

На фиг.14 схематически демонстрируется работа треугольной пружины, показанной на фиг.13.

На фиг.15а и 15b схематически показана малоинерционная силовая пружина кассетного типа в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.16а, 16b и 16с показаны детали защелки в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.17 приводится известная схема шунта постоянного тока, которая может использоваться в переключателе в соответствии с изобретением.

На фиг.18 и 19 показаны известные схемы шунтов переменного тока.

На фиг.20-26 показаны высоковольтные схемы шунтирования (high-voltage bypass circuit, HVBC) в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.

На фиг.27 показан дугогасящий корпус с изолирующей средой для высоковольтного выключателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2 представлена принципиальная схема, показывающая один полюс 10 многофазного автоматического выключателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Обычно n-полюсный высоковольтный выключатель переменного тока имеет «n» идентичных независимых выключателей, то есть по одному на каждую фазу. Например, трехполюсный выключатель включает три идентичных независимых фазы. Датчик 11 тока (Current Sensor, CS) включен в линию 12 переменного тока с целью измерения тока в этой линии и подачи сигнала, указывающего значение тока, на электронную плату 13 датчика (Sensor Electronic Board, SEB). Плата SEB анализирует сигнал датчика CS для обнаружения состояния повреждения и в случае повреждения подает запускающий сигнал на импульсный блок 14 питания (Pulse Power Unit, PPU) для запуска быстродействующего механизма 15 переключения (Fast Acting Switching Mechanism, FAM), который размыкает контакты 16 контактора 17, включенного в линию переменного тока. Плата 13 SEB подает также сигнал запуска на тиристорный мост 18, который подключен параллельно контактору 17 и содержит две параллельные ветви ВС1 и ВС2, содержащие по несколько включенных последовательно тиристоров 19; тиристоры в каждой из ветвей имеют противоположную полярность, чтобы во время одной половины периода переменного напряжения ток протекал через одну ветвь, а во время другой половины периода переменного тока - через другую ветвь. Параллельно контактору 17 подключены также две параллельные ветви, каждая из которых содержит полупроводниковый разрядный электронный ключ 20, соединенный последовательно с соответствующим переключающим конденсатором 21 (показаны как С1 и С2), при этом полупроводниковые разрядные электронные ключи 20 в каждой ветви включены в противоположных полярностях, чтобы во время одной половины периода напряжения переменного тока ток протекал через одну ветвь, а во время другой половины периода - через другую ветвь. И наконец, параллельно контактору 17 подключен ряд варисторов 22. Полупроводниковые разрядные электронные ключи 20, переключающие конденсаторы 21 и варисторы 22, вместе формируют силовой блок 23 ограничения тока и перенапряжения.

Теперь, после описания схемы автоматического выключателя, будет рассмотрено его функционирование. Сигнал тока i(t) от датчика 11 тока подается на плату 13 SEB. Плата SEB обеспечивает индикацию изменений тока di/dt и значений тока i(t), контроль которых производят в течение короткого временного периода (допускающего регулировку) и сравнивают их с эталонными значениями, чтобы обнаружить ток повреждения и избежать коротких замыканий. В случае обнаружения тока повреждения плата 13 SEB запускает импульсный блок 14 питания, который приводит в действие механизм 15 переключения (FAM), чтобы разомкнуть контакты 16 контактора 17, подвижные основные контакты которого отсоединятся от неподвижных контактов под воздействием быстродействующего механизма 15 переключения. Когда это произойдет, тиристоры 19 в одной (но не в обеих) из ветвей откроются, в зависимости от направления тока; и ток из контактного устройства потечет в соответствующую ветвь тиристоров в схеме шунтирования (Bypass Circuit, ВС).

Полупроводниковый разрядный электронный ключ 20 в одной из ветвей силового блока 23 разомкнется в соответствующей ветви, в зависимости от направления тока в цепи, и соответствующий переключающий конденсатор С1 или С2 начнет разряжаться в направлении, противоположном току цепи размыкания (току повреждения).

Ток разряда конденсатора немного выше тока короткого замыкания. Так как собственная частота колебаний контура «переключающий конденсатор - схема шунтирования» измеряется в кГц, ток разряда будет противодействовать току короткого замыкания и достигнет значения тока короткого замыкания за доли миллисекунды. Чтобы гарантировать запирание тиристоров, время разряда конденсатора до нуля полагается ≥0,1 с (что необходимо для запирания тиристоров цепи шунтирования). Затем конденсатор 21 начинает снова заряжаться с использованием протекающего через него тока, до тех пор пока напряжение конденсатора не достигнет напряжения в сети. В этой точке, которую называют также точкой ограничения тока, ток повреждения, протекающий через выключатель, перестает расти и падает до нуля. Начиная с этой точки, прекращается протекание тока через конденсатор, наряду с тем, что ток отключения будет протекать через варисторы до тех пор, пока не снизится до нуля.

На фиг.3 схематически показан контактор 17 совместно с быстродействующим механизмом 15, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Этот вариант осуществления применим для использования как в токоограничивающем выключателе, так и в синхронном выключателе. Контактор содержит пару неподвижных контактов 41, которые подключены посредством выводов питания к линии переменного тока, и подвижный контактный мостик 42, служащий опорой для контактов 43 на своих противоположных концах. Этот мостик может перемещаться механизмом 15 переключения по направлению к неподвижным контактам 41 или от них, для того чтобы замыкать или размыкать соединение с неподвижными контактами 41. На чертеже контакты 41 и 43 показаны в замкнутом состоянии выключателя. Контактный мостик 42 крепится к подвижному приводному стержню 44, изготовленному из высокопрочного изоляционного материала, который поддерживается в направляющих 45 с возможностью скользящего перемещения. Тепловые трубы 46, изготовленные из теплопроводящих закрытых трубок, содержащих хладагент под низким давлением и поддерживающих радиаторные пластины, размещаются рядом с соответствующими стыками неподвижных контактов 41 и подвижных контактов 43. Тепло от контактов поглощается хладагентом, который закипает и испаряется, поднимаясь, таким образом, вверх по охлаждающей трубке, где он снова конденсируется и опускается вниз. Таким образом, тепловые трубы обеспечивают непрерывный циклический механизм отвода от контактов тепла, образовавшегося при их коммутации.

Быстродействующий механизм 15 переключения включает модуль 47 привода для создания тяговой (тянущей) силы (Fδ), и блок 48 контактной пружины для создания давления на контакты порядка 200 кг (то есть 100 кг/контакт), а также защелку 49 для фиксации выключателя в положении «Выключено». Поперечное сечение приводного стержня 44 (например, с ребрами изоляции) и расстояние между контактным мостиком 42 и быстродействующим модулем 47 привода спроектированы с использованием достаточного зазора, чтобы обеспечить заземление компонентов быстродействующего привода. Контактное устройство проектируется так, чтобы обеспечить выполнение следующих основных требований:

1. Минимальная масса подвижных контактов, то есть допустимая плотность тока J=I/S (А/мм²) для контакта должна иметь максимально возможное значение.

2. Контактный мостик 42 должен иметь достаточную механическую прочность, чтобы обеспечить необходимые эксплуатационные качества сильноточного быстродействующего выключателя.

Чтобы обеспечить выполнение первого требования, тепловые трубы 46 можно установить на неподвижных контактах 41 как можно ближе к точкам контакта для отвода тепла от этих точек (т.е. повышения допустимой плотности тока J для подвижного контакта). Например, установлено, что при отводе тепла от точек контактов с помощью стационарных контактных тепловых труб, когда J=40 А/мм² и давление на контакт, создаваемое модулем пружины, составляет F_ct=2000 Н, в заполненном гексафторидом серы (SF₆) быстродействующем токоограничивающем выключателе при напряжении Vh=24 кВ, I_h=2500 А, контактный мостик 42 вместе с контактами 43 должен иметь общую массу 30 г. При отсутствии тепловых труб, установленных на неподвижных контактах, плотность тока будет J≤5 A/мм², что соответствует плотности тока известных выключателей, а масса подвижных контактов в этом случае составит не менее 240 г, что потребует существенно более высокой мощности привода, массы и стоимости.

Чтобы обеспечить выполнение второго требования, контактный мостик 42 должен иметь минимальную допустимую массу при требуемой механической прочности.

Чтобы предотвратить сваривание контактов 41 и 43, давление на контакты F_ct сильноточных выключателей (I_h=1600 А - 2500 А) должно достигать тысяч ньютонов. В данном случае полное давление стержня F_Σ на мостик удваивается, так как F_Σ=2 F_ct.

На фиг.4 показаны контакты в замкнутом положении. Неподвижные контакты 41 имеют взаимное разнесение А, которое определяет эффективную длину контактного мостика 42 и задается номинальным напряжением выключателя и диэлектрической средой (воздух, газ SF₆ и т.д.). Масса подвижных контактов может рассматриваться как включающая в себя, главным образом, контактный мостик 42, так как в первом приближении припаянная масса контактов 43 может игнорироваться. Чтобы уменьшить массу контактного мостика 42, его поперечное сечение и эффективная длина А должны быть как можно меньше. Значение эффективной длины А нельзя уменьшить для выключателя с заданными номинальным значением и типом диэлектрика. Уменьшение поперечного сечения мостика в несколько раз не является проблемой, так как медь - хороший проводник тока, и не произойдет перегрева мостика, когда будет подан номинальный ток. Однако медь отличается плохими механическими свойствами и, вследствие этого, при уменьшении в несколько раз поперечного сечения мостика он прогибается при приложении большой силы F_Σ, как это показано на чертеже.

Предшествующие попытки увеличить механическую прочность медных контактов путем усиления ребер мостика не привели к успеху. В принципе, механическую прочность контактного мостика можно улучшить путем прикрепления на его боковые поверхности пластин из высокопрочного материала (такого как сталь), как показано на фиг.5, или посредством размещения мостика в держателе, который может быть сделан из стали, как показано на фиг.6. Однако высокопрочные магнитные материалы, такие как сталь, и немагнитные проводники, такие как нержавеющая сталь или титан, в цепях переменного тока, рассчитанных на токи более 1 кА, будут нагреваться переменным магнитным полем, вызванным вихревыми токами, протекающими через соединение между различными материалами. Такое тепло препятствует уменьшению поперечного сечения мостика, для того чтобы снизить его массу.

Известная методика проектирования контактов базируется на предположении, что магнитные потоки между двумя плоскими параллельными шинами одинаковых размеров почти полностью уничтожаются при условии, что протекающие в шинах токи имеют одинаковую величину и направление, когда высота шины Н намного больше расстояния А между шинами, как показано на фиг.7. Следовательно, совместное магнитное поле будет таким, как показано на фиг 8. Следует отметить, что элемент 102, показанный на фиг.7, относится к контактному мостику, выполненному в соответствии с изобретением, а не к известному мостику. Значение этого элемента станет очевидным из последующего описания.

На фиг.9а, 9b и 9с представлены ортогональные проекции контактного мостика 42 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Этот вариант осуществления изобретения применим для использования как в токоограничивающем выключателе, так и в синхронном выключателе. Контактный мостик 42 включает пару плоских проводников 101 с параллельными сторонами, верхние края которых поддерживают опору 103, на противоположных концах которой припаяны соответствующие контакты 43. Армирующий элемент 102, изготовленный, например, из магнитного материала, такого как сталь или титан, вставляется между боковыми проводниками 101, и полученная трехслойная структура скрепляется штифтом 104. Такая компоновка позволяет осуществлять передачу усилия F_Σ от стержня на припаянные контакты посредством высокопрочного армирующего элемента 102, и поэтому механически слабые токопроводящие части мостика (медные шины) освобождаются от механической нагрузки. При такой компоновке используется то обстоятельство, что сетевое магнитное поле в пространстве между боковыми проводниками 101 равно нулю по причинам, которые описаны выше со ссылкой на фиг.8. Это означает, что отсутствует магнитное поле, проходящее через армирующий элемент 102, который, как это показано на фиг.7, размещается в области между боковыми элементами, где сетевой магнитный поток равен нулю.

Из предшествующего описания следует, что основные отличия между контактным устройством, выполненным в соответствии с данным изобретением, и устройствами, известными в этой области техники, заключаются в следующем:

1. Сильноточный быстродействующий мостиковый контакт для переменного тока с токопроводящими элементами, изготовленными из проводящих материалов и армирующих элементов из прочных материалов, включая магнитные проводники, при этом армирующие элементы размещены между токопроводящими элементами в области, где магнитные поля отдельных токопроводящих элементов почти полностью уничтожаются.

2. Сильноточный быстродействующий мостиковый контакт для переменного тока, аналогичный вышеуказанному, в котором токопроводящие элементы изготовлены в виде двух параллельных плоских шин идентичного размера с припаянными контактами на краях, а армирующим элементом является высокопрочная магнитная проводящая пластина (стальная) или немагнитный проводник (титановый), помещенные между токопроводящими элементами.

3. Тепловые трубы устанавливаются на неподвижных контактах как можно ближе к точкам контакта, чтобы извлекать тепло из этих точек, позволяя, таким образом, увеличить допустимую плотность тока J в подвижном контактном мостике 42. Механизм 15 переключения (FAM) должен удовлетворять следующим требованиям.

1. Время размыкания привода t_op (т.е. время от момента подачи команды размыкания до начального момента размыкания контактов выключателя) должно быть как можно меньшим (≤0,1 мс).

2. Время перемещения контакта t_д от начала размыкания контактов до достижения зазора δ, который необходим, чтобы гарантировать надежное переключение, должно быть как можно более коротким (≤0,5 мс).

3. Как только во время размыкания выключателя зазор между контактами достигает значения δ, должно быть произведено безударное торможение, чтобы избежать отскока при отключении и повторного замыкания контактов.

4. Когда контакты разомкнуты, они должны надежно фиксироваться.

5. Давление на контакты F_ct, прикладываемое подвижным контактным мостиком 42 к неподвижным контактам 41, должно согласовываться с номинальным током, отключаемой мощностью и защитными свойствами выключателя.

6. При размыкании контактов не допускается возникновения отскоков.

7. Энергопотребление механизма 15 переключения во время работы должно быть как можно более низким.

8. Механизм FAM должен допускать многократное срабатывание и автоматическое повторное замыкание.

9. Механизм FAM не должен подвергаться воздействию высоких напряжений защищаемой цепи.

10. Механизм FAM должен позволять выполнять переключение даже в случае наличия в цепи тока короткого замыкания.

Требование 1 предусматривает наличие безотказной и, по существу, не имеющей люфта кинетической системы FAM.

Требование 2 предусматривает создание системой привода заданного усилия F_t. Средняя величина F_t может быть определена с использованием известной формулы:

Например, для корпуса переключающего контактного устройства с газом SF₆ под давлением 5 атмосфер (Vn=24 кВ, In=2500 А) при t=t_д=0,5*10^-3 с, зазоре δ=5*10^-3 м (как это требуется, исходя из изоляционной способности) и минимальной массе подвижных частей М=М_Σ=0,2 кг, среднее значение Ft имеет вид:

Принимая в расчет значение Ft, требование 3 предусматривает только наличие безударного торможения. В противном случае будут возникать отскоки. Кроме того, это затруднит выполнение требования 8. Соответствие другим требованиям будет зависеть от общих технических требований к высоковольтным и сильноточным устройствам, которые изложены в соответствующих стандартах. Модуль 47 привода спроектирован для создания силы тяги Ft вдоль рабочего хода, и он является важной особенностью изобретения.

Электродинамическое устройство (EDD), которое широко используется в силовом электрооборудовании для создания силы Ft и рабочего хода на базе взаимодействия проводника с током, может использоваться в качестве базовой структуры. Следует учитывать, что большие значения Ft, δ и массы требуют более высокой прочности материала подвижных частей устройства EDD, что, в свою очередь, требует, чтобы сила Ft была как можно более стабильной, т.е. Ft=F_av~Const (в этом случае значение F_max будет минимальным). Однако известные устройства EDD не полностью отвечают этим требованиям.

На фиг.10 схематически представлено известное устройство EDD, содержащее первую обмотку 111 и вторую обмотку 112, которые образуют часть соответствующих электромагнитов, обеспечивающих падающую характеристику Fδ, поскольку ток, протекающий через две обмотки в направлениях, указанных стрелками, порождает взаимно отталкивающее магнитное поле, ослабляющее удар, когда две обмотки встречаются во время замыкания выключателя. Такое устройство EDD не является самотормозящимся, когда контакты разъединяются во время размыкания выключателя, и требует отдельного устройства, чтобы затормозить перемещающуюся массу. Главным недостатком типичных устройств EDD является то, что их тяговое усилие создается при высоком значении di/dt в катушечной обмотке, т.е. они обычно работают только при нарастании импульса и поэтому имеют низкий коэффициент эффективности.

На фиг.11 схематически показано известное трехобмоточное устройство EDD, содержащее две неподвижные обмотки 121, 122 и подвижную обмотку 123, расположенную между ними. Несмотря на способность функционировать в течение почти полного импульса тока (что повышает коэффициент полезного действия) и наличие возможностей самоторможения, такие устройства также имеют падающую характеристику Fδ. Следует учесть, что трехобмоточное устройство EDD может иметь почти постоянное значение силы Ft, при условии, что неподвижная обмотка 121 отталкивает перемещающуюся обмотку 123, в то время как неподвижная обмотка 122 притягивает перемещающуюся обмотку 123, при соответствующей полярности тока в обмотках. Однако это в значительной степени исключает возможность самоторможения, так как при этом требуется реверсирование направления тока, по меньшей мере, в обмотке 122, чтобы вместо притягивания перемещающейся обмотки 123 производилось ее отталкивание. Этого трудно достичь вследствие индуктивности обмотки 122, которая препятствует быстрому изменению тока, и необходимости произвести требуемое инвертирование тока в очень коротком временном интервале, пока движется перемещающаяся обмотка 123. Поэтому такие известные устройства не могут применяться в высоковольтных быстродействующих токоограничивающих выключателях, использующих безотказный непосредственный кинематический привод, который не требует механизма быстрого отключения, когда замыкается во время повреждения с коротким замыканием.

В отличие от известных устройств, быстродействующий механизм 15 переключения в соответствии с изобретением не требует применения механизма быстрого отключения, когда он замыкается во время повреждения с коротким замыканием. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, быстродействующий механизм 15 переключения функционирует следующим образом Когда выключатель замкнут, как это показано на фиг.3, требуемое давление контактов F_ct контактного мостика 42 на неподвижные контакты 41 создается блоком 48 контактной пружины. Блок контактной пружины удерживает контактный мостик в замкнутом положении. Когда выключатель размыкается, модуль 47 привода прикладывает тяговое усилие Ft, чтобы привести контактный мостик 42 в движение в направлении от неподвижных контактов 41. Так как Ft>>F_ct, блок 48 контактной пружины не будет препятствовать отсоединению контактного мостика 42 и, следовательно, не требуется механизм быстрого отключения, чтобы отключить блок 48 контактной пружины от приводного стержня 44 во время вытягивания приводного стержня, как это необходимо в ранее предлагавшихся устройствах.

После того, как контактный мостик 42 отводится на требуемое расстояние δ, он удерживается в разомкнутом положении защелкой 49. Механизм 15 переключения остается в этом положении все время, пока выключатель разомкнут. Для того чтобы замкнуть выключатель, защелка 49 отпускает приводной стержень 44, который начинает двигаться под воздействием блока 48 контактной пружины, после чего неподвижные контакты 41 шунтируются блоком 42 контактов, замыкая, таким образом, цепь, а подвижные части модуля 47 привода устанавливаются в исходное положение. Таким образом, модуль 47 привода кинематически перемещается в положение готовности к размыканию. Если выключатель замкнут во время возникновения тока короткого замыкания, датчик 11 тока запускает модуль 47 привода. Так как тяговые усилия Ft, создаваемые модулем 47 привода, намного больше силы пружины F_ct, создаваемой блоком 48 контактной пружины, выключатель размыкается и, таким образом, ток короткого замыкания прерывается. Освобождение со свободным расцеплением не требуется.

На фиг.12 показан модуль 47 привода, содержащий отталкивающую обмотку 131, закрепленную в корпусе 132, который неподвижно смонтирован в выключателе, так что когда приводной стержень 44 перемещается в корпусе 132, контактный мостик 42, поддерживаемый приводным стержнем, перемещается относительно неподвижных контактов 41. Обмотка 133 привода поддерживается на кольцевой опоре 134, которая взаимодействует с приводным стержнем 44, что приводит к перемещению приводного стержня 44, когда обмотка 133 привода перемещается в корпусе. Ускоряющая обмотка 135 установлена на приводном стержне 44 с возможностью скольжения относительно него, когда выключатель замыкается, и первоначально удерживается напротив втулки 137 (формирующей удерживающее устройство) корпуса 132 с помощью слабой пружины 136. Тормозная обмотка 138 неподвижна относительно основания корпуса 132, а втулка 139 используется в качестве вставки, поддерживающей минимальный зазор между обмоткой 133 привода и ускоряющей обмоткой 135.

Модуль 47 привода функционирует следующим образом. В нормальных условиях, т.е. при отсутствии повреждения, как показано на фиг.12, выключатель, сформированный контактами 41, 43, замкнут под воздействием блока 48 контактной пружины. Питание на модуль 47 привода не подается, обмотка 133 привода размещается около отталкивающей обмотки 131, а ускоряющая обмотка 135 выталкивается пружиной 136 в исходное, самое верхнее положение. Остается небольшой зазор (например, 0,5 мм) между обмотками, продиктованный допусками при изготовлении и проектировании. В замкнутом положении, показанном на фиг.12, ускоряющая обмотка 135 остается рядом со вставкой, образованной втулкой 139 в корпусе 132 и разделяющей, таким образом, обмотки 133 и 135 «зазором быстрого перемещения» δ1. Обмотки 135 и 138 разделяются «зазором торможения» δ2, который больше зазора δ1, например, в два раза. Чтобы разомкнуть выключатель, импульс тока Ipulse прикладывается одновременно к отталкивающей обмотке 131, обмотке 133 привода и ускоряющей обмотке 135. Полярности тока в обмотках 133 и 135 устанавливаются так, что во время размыкания выключателя обмотка 133 привода отталкивается от неподвижной отталкивающей обмотки 131 и притягивается ускоряющей обмоткой 135. Приводной стержень 44 имеет неодинаковый диаметр - предпочтительнее, чтобы на нем имелась более тонкая верхняя часть, определяющая внешний выступ, который контактирует с кольцевой опорой 134, когда выключатель замыкается (как показано на фиг.12). В этом состоянии, перемещение вниз кольцевой опоры 134 и прикрепленной обмотки 133 внутри корпуса 132 толкает приводной стержень 44 вниз относительно корпуса, разъединяя, таким образом, контакты 41 и 43 выключателя. Поступательное усилие, создаваемое отталкивающей обмоткой 131 относительно обмотки 133 привода, снижается, когда происходит увеличение зазора между ними, почти пропорционально величине зазора, в то время как сила притяжения обмотки 133 привода к ускоряющей обмотке 135 увеличивается почти пропорционально величине зазора между отталкивающей обмоткой 131 и обмоткой 133 привода, при условии, что зазор намного меньше среднего диаметра обмоток обеих катушек.

Если ампер-витки обмоток 131 и 135 идентичны, то результирующая тяговая сила Ft, приложенная к обмотке 133 привода, может полагаться в первом приближении постоянной. Таким образом, во время перемещения обмотки 133 привода через зазор быстрого перемещения δ1, эта обмотка, находящаяся на внешнем выступе приводного стержня 44, толкает приводной стержень 44 и, следовательно, прикрепленный к нему контактный мостик 42, с постоянным ускорение