Бістабільний магнітний привід для переривника середньої напруги

Реферат: Бістабільний магнітний привід (5) для переривника середньої напруги, який містить принаймні одну електричну обмотку (7) для перемикання феромагнітного якоря (6) між першим граничним положенням і другим граничним положенням, здійснюване електромагнітним полем, принаймні один постійний магніт (8) для утримування якоря (6) в одному з двох граничних положеннях, які відповідають вимкненому і, відповідно, увімкненому положенню електричного перемикання механічно під'єднаного переривника, при цьому якір (6) містить верхній сердечник (9), який лежить на феромагнітному елементі (10) електричної обмотки (7), для статичного утримування якоря (6) в першому граничному положенні, який прикріплений до штока (12), що проходить крізь феромагнітний елемент (10) і крізь постійний магніт (8), для механічного з'єднання приводу (5) з переривником, при цьому якір (6) містить нижній сердечник (13), рознімно прикріплений на протилежній стороні штока (12) на осьовій відстані від елемента (10) і здатен рухатися по елементу (10) для зміщення якоря (6) у друге граничне положення шляхом послаблення магнітного потоку у верхньому сердечнику (9). UA 105240 C2 (12) UA 105240 C2 UA 105240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід відноситься до бістабільного магнітного приводу для переривника середньої напруги, який містить принаймні одну електричну обмотку для перемикання феромагнітного якоря між першим граничним положенням і другим граничним положенням, яке здійснюється електромагнітним полем, принаймні один постійний магніт для утримування якоря в одному з двох граничних положень, які відповідають вимкненому або увімкненому положенню електричного перемикання механічно під'єднаного переривника, при цьому якір містить верхній сердечник, який лежить на феромагнітному елементі електричної обмотки для утримування на місці якоря в першому граничному положенні, який прикріплений до штоку, який проходить крізь феромагнітний елемент електричної обмотки і крізь постійний магніт для механічного з'єднання приводу з переривником. Переривник середньої напруги з номінальною напругою 1-72 кВ може встановлюватися в розподільний пристрій з металевим корпусом для внутрішнього застосування або може встановлюватися зовні в підстанції. В наш час, вакуумні переривники замінили повітряні переривники для внутрішніх застосувань. Характеристики переривників середньої напруги надаються міжнародними стандартами. Головним чином, вакуумні переривники мають номінальний струм до 300 Ампер. Ці переривники припиняють подачу струму шляхом створення і гасіння електричної дуги у вакуумному контейнері. Вони головним чином застосовуються для напруг до приблизно 35000 В, що приблизно відповідає інтервалу середніх напруг систем електроживлення. Вакуумні переривники мають тенденцію до довшого терміну експлуатації ніж повітряні переривники. Тим не менше, представлений винахід застосовується не тільки до вакуумних переривників, але й також до повітряних переривників або сучасних переривників SF6, які мають камеру, заповнену газоподібним гексафторидом сірки. Рівень Техніки Загальновідоме застосування магнітного приводу з високою густиною сили для оперування рухомими контактами для переривання подачі електроенергії в області застосування середньої напруги. Відомі магнітні приводи мають конструкцію з фіксованим сердечником в центрі пристрою і два рухомі сердечники, один з яких розташований над, а інший під сердечником, і які з'єднані зі штоком. Такий пристрій генерує високу статичну утримувальну силу в увімкненому стані для фіксації розмикальних і контактних пружин. Величина цієї статичної утримувальної сили є ключовим параметром для конструкції усіх переривників і, з просторових питань та питань маси, головним чином бажано генерувати цю силу малим магнітним приводом. У вимкненому положенні необхідна менша статична утримувальна сила для збереження переривника у вимкненому стані. Для переведення приводу з увімкненого стану у вимкнений стан, необхідне живлення електроенергією електричної обмотки приводу. Документ EP 0 898 780 B1 описує магнітний привід з феромагнітним якорем, який здатен лінійно переміщатися між двома граничними положеннями і який механічно з'єднаний з переривником, і який в граничних положеннях перебуває під впливом згенерованих магнітним полем сил. Якір і феромагнітне тіло розташовані послідовно в просторі між першим і другим упором. Упори є полюсними поверхнями магнітних контурів, які містять принаймні один постійний магніт для генеруванняутримувальної сили для якоря. Цей відомий пристрій також оперує вакуумним переривником. В увімкненому положенні феромагнітне тіло відокремлене від якоря. Феромагнітне тіло може тепер переміщатися до якоря для ініціювання вимикання переривника. Відоме рішення базується на конструкції, яка не використовує увесь потенціал статичної утримувальної сили, оскільки ефективна ділянка між рухомим якорем і фіксованим ярмом обмежена ділянкою, яка розташована всередині обмотки. Наслідком є те, що привід майже вдвічі більший ніж треба. Документ WO 03/030188 A1 розкриває подальший магнітний привід, головним чином для вакуумного переривника, який має велику конструкцію. Потрібні дві електричні обмотки для оперування магнітним приводом або для переведення під'єднаного переривника із вимкненого положення в увімкнене положення перемикання. Перший магнітний потік генерується якорем і ярмом у такий спосіб, що якір утримується в одному граничному положенні і електрична обмотка генерує другий магнітний потік, який приводить в дію якір. Постійний магніт розташований між ярмом і фіксованим магнітним елементом повернення у такий спосіб, що магнітний потік проходить крізь магнітний елемент повернення. Окрім того, якір зовні ярма покриває передню поверхню ярма, при цьому згадана поверхня проходить перпендикулярно напряму переміщення якоря. Оскільки передбачається постійний магніт для утримування магнітного якоря в одному з двох граничних положень, то не вимагається ні механічна фіксація, ні подача постійного електричного струму. 1 UA 105240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Також це відоме рішення використовує якір для генерування статичної утримувальної сили в обох граничних положеннях. Це передбачає другу магнітну доріжку, яка проходить від магнітів до якоря, яка ефективна тільки у вимкненому граничному положенні. Ця друга магнітна доріжка знову збільшує розміри і масу магнітного приводу. Це також вимагає закритого простору навколо якоря. Феромагнітне тіло формує два упори, які повинні виконувати магнітні функції. Це додатково збільшує розмір і масу приводу. Відоме рішення тягне за собою переміщення феромагнітного тіла назад до нижнього упору під час операції вимикання. Це активування вимагає додаткової енергії, яка не доступна для операції вимикання, яка є найважливішою операцією переривника у випадку короткого замикання. Задачею представленого винаходу є надання бістабільного магнітного приводу для перемикача середньої напруги, який має малі розміри і який дозволяє вимикання з малими затратами енергії. Короткий Опис Винаходу Згідно з винаходом, надається бістабільний магнітний привід для переривника середньої напруги, який містить принаймні одну електричну обмотку для перемикання феромагнітного якоря між першим граничним положенням і другим граничним положенням, здійснюване електромагнітним полем, принаймні один постійний магніт для утримування якоря в одному з двох граничних положень, які відповідають вимкненому або увімкненому положенню електричного перемикання механічно під'єднаного переривника, при цьому якір містить верхній сердечник, який лежить на феромагнітному елементі електричної обмотки, для статичного утримування якоря у першому граничному положенні, який прикріплений до штока, який проходить крізь феромагнітний елемент і крізь постійний магніт, для механічного з'єднання приводу з переривником, при цьому якір також містить нижній сердечник, який рознімно прикріплений до протилежної сторони штока на відстані вздовж осі від верхнього сердечника і здатен рухатися по штоці для зміщення якоря у друге граничне положення шляхом послаблення магнітного потоку у верхньому сердечнику. Винахід базується на тому ефекті, що частина потоку принаймні одного постійного магніту буде проходити у нижній сердечник. Сила, яка генерується рештою потоку в перехідних ділянках від феромагнітного елемента до верхнього сердечника, більше не достатня для фіксації приводу проти дії розмикального зусилля переривника, яка створюється однією або більшою кількістю контактних пружин і однією або більшою кількістю розмикальних пружин. Цих пружин достатньо для переведення переривника і привода у вимкнене положення. Порівняно з попереднім рівнем техніки представлений винахід описує спосіб, у який привід може переводитися з увімкненого положення у вимкнене положення без живлення електроенергією обмотки приводу. Тому, вимагається цілком відмінна конструкція приводу, яка має менші розміри для тих же робочих характеристик, що надає менший і легший пристрій. Може використовуватися увесь потенціал статичної утримувальної сили, оскільки ефективна ділянка між рухомим сердечником і фіксованим сердечником є як ділянкою всередині електричної обмотки так і ділянкою двох виводів зовні електричної обмотки. Вказані сердечники використовуються для генерування статичної утримувальної сили в увімкненому і вимкненому положенні. Оскільки сердечники розташовані саме зверху або знизу на штоці, то цей принцип дозволяє одержувати дуже компактну конструкцію. Закритий простір навколо усіх деталей цього пристрою не вимагаються з причин наявності магнітного поля. Просте пластикове покриття може захищати магнітний повітряний зазор від потрапляння зовнішніх частинок. Нижній сердечник вільно ковзає на штоці під час операції вимикання і сила не передається від системи для переміщення нижнього сердечника і вона уся доступна для операції вимикання переривника. Нижній сердечник переміщають в сторону від постійного магніту, головним чином назад у положення, яке є нормальним для увімкненого переривника під час нормальної операції вмикання магнітного приводу. Якір переважно містить феромагнітне ярмо, яке оточує електричну обмотку і постійний магніт, для створення магнітного контуру, який містить верхній сердечник і нижній сердечник. Переважно, за допомогою малої пружини або просто сили тяжіння (якщо привід встановлюється догори низом всередину переривника) операція вимикання могла б ініціюватися після від'єднання неї від штоку. В переважному варіанті виконання винаходу передбачається стопорний елемент, який кріпиться до штоку поблизу нижнього сердечника для визначення другого граничного положення магнітного приводу. Згідно з іншим переважним варіантом виконання винаходу, проміжна пластинка з немагнітного матеріалу розміщується між нижнім сердечником і феромагнітним елементом для контролю відстані дії магнітних сил між обома деталями якоря. Вона може використовуватися 2 UA 105240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для регулювання статичної сили приводу у його вимкненому положенні для потреб застосування. Одночасно, товщина цієї проміжної пластинки може використовуватися для регулювання величини струму електричної обмотки, який необхідний для ініціювання операції вмикання, і кількості енергії, яка використовується для операції вмикання. Згідно з подальшим переважним варіантом виконання винаходу, кріплення або вивільнення нижнього сердечника на штоці може досягатися фіксувальними засобами, встановленими на нижньому сердечнику. Переважно, згадані фіксувальні засоби складаються з двох затискних елементів, які шарнірно прикріплені до нижньої поверхні нижнього сердечника і відповідають канавці штока для кріплення на ньому нижнього сердечника. Затискні елементи можуть мати вигляд шматка металу, встановленого під нижнім сердечником за допомогою гвинтів. Окрім того, фіксувальні засоби можуть включати пружину для вдавлювання затискних елементів в канавку штоку. Пружина служить для фіксації геометричного механічного з'єднання. Для легкого вивільнення плеча важеля фіксувальних засобів, міг би переважно використовуватися боуденівський трос, керований електромагнітним приводом, який використовує мало енергії, у відповідності з електричним контрольним сигналом. Оскільки нижній сердечник більше не заблокований на штоці, то тепер його можна переміщати до феромагнітного елемента, як описано вище, для ініціювання вимикання. Вищезгадані та інші аспекти винаходу стануть очевидними після читання детального опису винаходу з посиланням на додані креслення. Короткий Опис Креслень Фігура 1 зображає схематичний вид переривника середньої напруги, яким оперує магнітний привід, Фігура 2a зображає детальний схематичний вид магнітного приводу в увімкненому положенні, Фігура 2b зображає детальний схематичний вид магнітного приводу в проміжному положенні, Фігура 2c зображає детальний схематичний вид магнітного приводу у вимкненому положенні, і Фігура 3 зображає схематичний вид в перспективі фіксувальних засобів магнітного приводу на нижньому сердечнику. Детальний Опис Креслень Переривник середньої напруги, як зображено на Фігурі 1, головним чином складається з вакуумного переривника 1, який має внутрішній фіксований електричний контакт 2 і відповідний рухомий електричний контакт 3. Обидва електричні контакти 2 і 3 формують перемикач для переривання подачі електроенергії. Рухомий електричний контакт 3 здатен рухатися між увімкненим і вимкненим положенням за допомогою проміжного валу 4. Цей проміжний вал 4 всередині передає механічну енергію бістабільного магнітного приводу 5 до рухомого електричного контакту 3 вакуумного переривника 1. Магнітний привід 5 складається з бістабільної магнітної системи, у якій здійснюється перемикання якоря 6 у відповідні положення за допомогою магнітних полів, генерованих електромагнітом і постійним магнітом. Згідно з Фігурою 2a, магнітний привід 5 містить електричну обмотку 7 для переміщення феромагнітного якоря 6 між двома граничними положеннями, здійснюване магнітним полем. В увімкненому положенні (як зображено) магнітний привід зберігає підключений вакуумний переривник увімкненим. Окрім того, окремі розмикальні пружини будуть стискатися статичною утримувальною силою магнітного приводу 5, яка створюється магнітним потоком постійного магніту 8, який розташований біля електричної обмотки 7. Не потрібно ніякої додаткової потужності або струму в електричній обмотці 7 для збереження зображеного увімкненого положення. Якір 6 додатково містить верхній сердечник 9, який лежить на феромагнітному елементі 10 однієї електричної обмотки 7, для статичного утримування якоря 6 в першому граничному положенні, тобто в увімкненому положенні. Верхній сердечник 9 прикріплений до штоку 12. Шток 12 проходить з можливістю руху вздовж осі крізь феромагнітний елемент 10 для механічного з'єднання приводу 5 з переривником, як описано вище. Оскільки верхній сердечник 9 лежить на елементі 10, то магнітний потік, який генерується постійним магнітом 8, подається вгору крізь елемент 10 у верхній сердечник 9. Тут в перехідній зоні від елемента 10 до верхнього сердечника 9 генерується приблизно половина загальної статичної утримувальної сили. Потік ділиться в сердечнику 9 і проходить назад крізь феромагнітне ярмо 11, яке оточує електричну обмотку 7 і постійний магніт 8. В перехідній ділянці від верхнього сердечника 9 до ярма 11 генерується інша половина загальної статичної утримувальної сили. 3 UA 105240 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Нижній сердечник 13 розташований на штоці 12 у положенні, яке віддалене від елемента 10 так, що він не впливає на магнітний контур. Фігура 2b зображає спосіб, у який ініціюється вимикання. Нижній сердечник 13 вивільняється з штоку 12 і спрямовується до елемента 10 за допомогою не зображеної малої пружини. Як наслідок, частина потоку постійного магніту 8 буде подаватися в нижній сердечник 13. Сила, яка генерується рештою потоку перехідних ділянок від елемента 10 до верхнього сердечника 9, не буде більше достатньою для фіксації приводу проти дії вимикального зусилля підключеного переривника. Як наслідок, шток 12 переходить у вимкнене положення, як зображено на Фігурі 2c. Стопорний елемент 14, прикріплений до штоку 12, передбачений для визначення другого граничного положення якоря 6. Проміжна пластинка 15, виготовлена з немагнітного матеріалу, передбачається для контролю відстані дії магнітних сил між нижнім сердечником 13 та елементом 10. Вона може використовуватися для регулювання статичної сили приводу у вимкненому положенні для потреб застосування. Після завершення операції вимикання, як зображено на фігурі 3, нижній сердечник 13 може тепер кріпитися до штоку 12. Згідно з Фігурою 3, нижній сердечник 13 містить фіксувальні засоби для кріплення або вивільнення його від штоку 12. Фіксувальні засоби включають два затискні елементи 16a, 16b, які виготовлені з листового металу і шарнірно прикріплені до нижньої поверхні 17 нижнього сердечника 13. Обидва затискні елементи 16a, 16b відповідають канавці 18 штоку 12 для кріплення на ньому нижнього сердечника 13. Якщо привід не працює, то пружина 19 вдавлює ковзним чином затискні елементи 16a і 16b в канавку 18 в штоці 12 так, що нижній сердечник 13 блокується і не може переміщатися вздовж штока 12. Якщо привід повинен вимикатися, то обидва затискні елементи 16a, 16b можуть відводитися від штоку 12 з використанням здатного до активування плеча 20 важеля. Боуденівський трос 21 передбачається для вивільнення плеча 20 важеля за допомогою не зображеного електромагніту або подібного. Оскільки нижній сердечник 13 більше не заблокований на штоці 12, то він може переміщатися до елемента 10, як описано вище, для ініціювання операції вимикання. Коли виконується операція вимикання і боуденівський трос 21 більше не тягнеться, то пружина 19 може притискати затискні елементи 16a і 16b до штоку 12 для повторного блокування нижнього сердечника 13. Потім може виконуватися нормальна операція вмикання. Винахід не обмежується переважним варіантом виконання, як описано вище, який представлений тільки як приклад, але може модифікуватися різними способами в рамках правового захисту, визначеними доданою формулою винаходу. Список Позиційних Позначень 1 вакуумний переривник 2 електричний контакт (фіксований) 3 електричний контакт (рухомий) 4 проміжний вал 5 магнітний привід 6 якір 7 електрична обмотка 8 постійний магніт 9 верхній сердечник 10 елемент 11 ярмо 12 шток 13 нижній сердечник 14 стопорний елемент 15 проміжна пластинка 16 затискний елемент 17 нижня поверхня 18 канавка 19 пружина 20 плече важеля 21 боуденівський трос 4 UA 105240 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Бістабільний магнітний привід (5) для переривника середньої напруги, який містить принаймні одну електричну обмотку (7) для перемикання феромагнітного якоря (6) між першим граничним положенням і другим граничним положенням, здійснюване електромагнітним полем, принаймні один постійний магніт (8) для утримування якоря (6) в одному з двох граничних положень, які відповідають вимкненому і, відповідно, увімкненому положенню електричного перемикання механічно під'єднаного переривника, при цьому якір (6) містить верхній сердечник (9), який лежить на феромагнітному елементі (10) електричної обмотки (7), для статичного утримування якоря (6) у першому граничному положенні, який прикріплений до штока (12), що проходить крізь феромагнітний елемент (10) і крізь постійний магніт (8), для механічного з'єднання приводу (5) з переривником, який відрізняється тим, що якір (6) містить нижній сердечник (13), прикріплений з можливістю фіксування на протилежній стороні штока (12) на осьовій відстані від елемента (10) і виконаний з можливістю руху по елементу (10) для зміщення якоря (6) у друге граничне положення шляхом послаблення магнітного потоку у верхньому сердечнику (9). 2. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 1, який відрізняється тим, що якір (6) додатково містить феромагнітне ярмо (11), яке оточує електричну обмотку (7) і постійний магніт (8), для створення магнітного контуру, який містить верхній сердечник (9) і нижній сердечник (13). 3. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 1, який відрізняється тим, що початкове переміщення нижнього сердечника (13) до елемента (10) після вивільнення його зі штока (12) здійснене за рахунок сили тяжіння або додаткової пружної сили. 4. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 1, який відрізняється тим, що друге граничне положення якоря (6) визначене стопорним елементом (14), прикріпленим до штока (12) поблизу нижнього сердечника (13). 5. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 1, який відрізняється тим, що містить проміжну пластинку (15) з немагнітного матеріалу, розташовану між нижнім сердечником (13) і елементом (10) для контролю відстані дії магнітних сил між обома частинами якоря (6). 6. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 5, який відрізняється тим, що товщина проміжної пластинки (15) відповідає величині струму в електричній обмотці (7), який необхідний для ініціювання зміщення якоря (6). 7. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 1, який відрізняється тим, що нижній сердечник (13) містить фіксувальні засоби для кріплення або вивільнення його на штоку (12). 8. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 7, який відрізняється тим, що фіксувальні засоби складаються з двох затискних елементів (16а, 16b), які шарнірно прикріплені до нижньої поверхні (17) нижнього сердечника (13) і відповідають виконаній в штоку (12) канавці (18) для кріплення на ньому нижнього сердечника (13). 9. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 7, який відрізняється тим, що фіксувальні засоби включають пружину (19) для вдавлювання затискних елементів (16а, 16b) в канавку (18) штока (12). 10. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 7, який відрізняється тим, що фіксувальні засоби включають здатне до активування плече (20) важеля для перекриття затискних елементів (16а, 16b) для вивільнення нижнього сердечника (13) зі штока (12). 11. Бістабільний магнітний привід (5) за п. 10, який відрізняється тим, що містить боуденівський трос (21) для вивільнення плеча (20) важеля за допомогою електричного приводу з малою витратою енергії у відповідності з електричним контрольним сигналом. 12. Переривник середньої напруги з принаймні одним вакуумним переривником (1), який містить рухомі електричні контакти (2, 3) для переривання подачі електроенергії, виконаний з можливістю оперування ними за допомогою спільного проміжного вала (4) для механічного з'єднання рухомих електричних контактів (2, 3) з бістабільним магнітним приводом (5) за одним із попередніх пунктів. 5 UA 105240 C2 6 UA 105240 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7