RU2094884C1

RU2094884C1 - Ac contact system

Info

Publication number: RU2094884C1
Application number: RU93048734A
Authority: RU
Inventors: А.П. Гуков; И.П. Мирошников; В.Н. Острейко; Э.Н. Якунин
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "ЭЛВО"
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: electrical instrumentation engineering; ac disconnecting and shorting switches, primarily heavy-current ones. SUBSTANCE: ac contact system has main rectangular-section bus of thickness T and two groups each of K > 1 similar conducting bodies which come in contact with bus, such as laminations or levers; K bodies of first group contact bus on one side surface and K bodies of second group, on its other side surface within its height B and T; main bus is built up in thickness T of two electrically isolated partial buses of thicknesses T₁ and T₂; each of partial buses is separated through height B by K-1 longitudinal slits of length D ≥ B/2 into K elementary buses of heights B₁₁, B₁₂,...B_1K and B₂₁, B₂₂,...,B_2K, respectively so that any adjacent bodies in each mentioned group are separated by one slit; thicknesses T₁ and T₂ are chosen so as to ensure equal RMS values of currents through partial buses and their heights B₁₁, B₁₂;...,B_1K and B₂₁, B₂₂,...,B_2K are selected so as to provide for equal RMS values of currents through all elementary buses. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Изобретение относится к электроаппаратостроению, а именно к разъединителям и шунтирующим выключателям (короткозамыкателям) переменного тока, преимущественно многоамперным. The invention relates to electrical equipment, and in particular to disconnectors and bypass switches (short circuit) of alternating current, mainly multi-ampere.

Электрические контактные системы широко применяются в электрических аппаратах для замыкания и размыкания различных токопроводов, что осуществляется с помощью одного или нескольких электропроводных тел той или иной формы, например, рычагов [1] или ламелей [2] При этом в многоамперных аппаратах, как правило, приходится применять двухсторонние контактные системы. У таких систем указанные тела контактируют с двумя боковыми поверхностями токопроводов, например, шин [2] Однако из-за поверхностного и краевого эффектов, а также электромагнитного влияния металлических элементов и узлов аппарата ток в сечениях шин распределяется неравномерно и зачастую несимметрично относительно их геометрических осей симметрии. Все это приводит к неравномерному распределению тока между контактирующими с шиной телами, что снижает допустимый уровень номинального тока и стойкость контактной системы, а значит и аппарата к токам короткого замыкания. Electrical contact systems are widely used in electrical apparatuses for closing and opening various conductors, which is carried out using one or more electrically conductive bodies of one form or another, for example, levers [1] or lamellas [2] In this case, in multi-ampere apparatuses, as a rule, apply bilateral contact systems. In such systems, these bodies come in contact with two lateral surfaces of busbars, for example, tires [2] However, due to the surface and edge effects, as well as the electromagnetic effect of metal elements and components of the apparatus, the current is distributed unevenly and often asymmetrically with respect to their geometric axes of symmetry in the tire sections . All this leads to an uneven distribution of current between bodies in contact with the bus, which reduces the permissible level of rated current and the resistance of the contact system, and hence the apparatus to short-circuit currents.

Один из вариантов частичного устранения этого недостатка заключается в выполнении на конце шины продольных прорезей, подразделяющих ее на отдельные параллельные элементы, с которыми контактируют тела в виде рычага [1] Однако такая контактная система является односторонней, что само по себе снижает уровень проводимого ею тока. Кроме того, она не обеспечивает выравнивания токов в параллельных контактах при наличии краевого эффекта или существенного электромагнитного влияния металлических частей аппарата, приводящих к несимметричному распределению тока в шине (конструкция [1] относится только к случаю уединенной шины с неравномерным, но симметричным распределением тока в ее сечении). One of the options for partial elimination of this drawback is to make longitudinal slots at the end of the busbar, dividing it into separate parallel elements with which the bodies contact in the form of a lever [1] However, such a contact system is one-sided, which in itself reduces the level of current conducted by it. In addition, it does not provide equalization of currents in parallel contacts in the presence of an edge effect or a significant electromagnetic effect of the metal parts of the apparatus, leading to an asymmetric current distribution in the bus (design [1] refers only to the case of a solitary bus with an uneven but symmetrical current distribution in it section).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является двухсторонняя контактная система переменного тока ламельного мостика [2] содержащая основную шину прямоугольного сечения толщиной T, а также контактирующие с ней две группы по K > 1 одинаковых электропроводных тел (ламелей), причем K тел первой группы контактируют с одной, а K тел второй группы с другой боковыми поверхностями шины в пределах ее высоты B > T. Однако и в данном случае несимметричное распределение тока в сечении основной шины приводит к неравномерному его распределению между указанными телами. Closest to the technical nature of the claimed solution is a double-sided contact system of alternating current of a lamella bridge [2] containing a main busbar of rectangular cross section with a thickness T and also two groups of K> 1 identical conductive bodies (lamellas) in contact with it, K bodies of the first group in contact with one, and K bodies of the second group, with the other side surfaces of the tire within its height B> T. However, in this case, the asymmetric distribution of the current in the section of the main bus leads to its uneven distribution distribution between the specified bodies.

Задача изобретения создание контактной системы переменного тока, имеющей повышенные уровень номинального тока и стойкость к токам короткого замыкания за счет равномерного распределения тока между телами, контактирующими с основной шиной. The objective of the invention is the creation of an alternating current contact system having an increased level of rated current and resistance to short circuit currents due to the uniform distribution of current between bodies in contact with the main bus.

Решение этой задачи достигается тем, что основная шина Ш_о по толщине T выполнена составной из двух электрически изолированных частичных шин Ш₁ и Ш₂ с толщинами Т₁ и Т₂, при этом каждая из частичных шин по высоте В подразделена K-1 продольными прорезями длиной Д ≥ В/2 на К элементарных шин соответственно с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂,В_2К, причем так, что любые соседние тела в каждой из указанных групп разделены одной прорезью, при этом толщины Т₁ и Т₂ выбраны из условия равенства действующих значений токов в частичных шинах, а высоты В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К из условия равенства действующих значений токов во всех элементарных шинах.The solution to this problem is achieved by the fact that the main tire W _about the thickness T is made up of two electrically insulated partial tires Ш ₁ and Ш ₂ with thicknesses T ₁ and T ₂ , while each of the partial tires along the height B is divided by K-1 longitudinal slots with a length of D ≥ B / 2 per K of elementary buses, respectively, with heights B ₁₁ , B ₁₂ , B _1K and B ₂₁ , B ₂₂ , B _2K , and so that any adjacent bodies in each of these groups are separated by one slot, while the thickness T ₁ and T ₂ are selected from the condition of equal current values of currents in partial tires, and heights B ₁₁ , B _{1 2} , V _1K and V ₂₁ , V ₂₂ , V _2K from the condition of equality of the current values of currents in all elementary buses.

На фиг. 1 показана основная шина Ш_о прямоугольного сечения толщиной Т и высотой В > Т, состоящая из двух частичных шин Ш₁ и Ш₂ с толщинами Т₁ и Т₂, разделенных слоем изоляции И. С одной и другой боковым поверхностям основной шины, являющимися и поверхностями указанных частичных шин, в пределах высоты В контактируют по К электропроводных тел Л₁ и Л₂, например, ламелей, соответственно 1-й и 2-й групп. При этом с помощью К-1 продольных прорезей П₁ и К-1 продольных прорезей П₂ длиной Д концы частичных шин Ш₁ и Ш₂ подразделены по высоте В на К элементарных шин с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и К элементарных шин с высотами В₂₁, В₂₂, В_2К; на фиг.2 приведена геометрическая модель, лежащая в основе теоретического (расчетного) пути определения основных размеров заявляемой контактной системы; на фиг.3 и 4 этапы экспериментального определения этих размеров.In FIG. 1 shows the main tire Ш _{about a} rectangular section with thickness Т and height В> Т, consisting of two partial tires Ш ₁ and Ш ₂ with thicknesses T ₁ and T ₂ , separated by an insulation layer I. With one and the other side surfaces of the main bus, which are the surfaces of these partial tires, within a height of B, are contacted along K by the conductive bodies L ₁ and L ₂ , for example, lamellas, respectively, of the 1st and 2nd groups. Moreover, using K-1 longitudinal slots P ₁ and K-1 of longitudinal slots P _{2 of} length D, the ends of the partial tires Ш ₁ and Ш _{2 are} divided by height B into K elementary tires with heights B ₁₁ , B ₁₂ , B _1K and K elementary tires with heights B ₂₁ , B ₂₂ , B _2K ; figure 2 shows the geometric model underlying the theoretical (calculated) way of determining the main dimensions of the inventive contact system; figure 3 and 4 stages of the experimental determination of these sizes.

Контактная система (фиг.1) работает следующим образом. Contact system (figure 1) works as follows.

Переменный ток i, протекая по основной шине Ш_о, распределяется в ее сечении неравномерно и в общем случае несимметрично (вследствие поверхностного и краевого эффектов, а также электромагнитного влияния металлических частей аппарата). Однако при этом токи i₁ и i₂ i i₁, протекающие по частичным шинам Ш₁ и Ш₂, имеют одинаковые действующие значения.Alternating current i flowing along the main bus Ш _о is distributed unevenly and asymmetrically in its cross section (due to surface and edge effects, as well as electromagnetic influence of the metal parts of the device). However, in this case, the currents i ₁ and i ₂ ii ₁ flowing through the partial buses Ш ₁ and Ш ₂ have the same effective values.

Аналогичным образом токи i₁ и i₂, неравномерно распределенные по высоте В частичных шин Ш₁ и Ш₂, с помощью 2(К-1) прорезей П₁ и П₂ длиной Д подразделяются на 2К токов элементарных шин с одинаковыми действующими значениями. Практически эти же токи протекают и по контактирующим с элементарными шинами 2К электропроводным телам Л₁ и Л₂ (например, ламелям), чем и достигается цель изобретения.Similarly, the currents i ₁ and i ₂ , unevenly distributed in height B of the partial buses Ш ₁ and Ш ₂ , using 2 (К-1) slots П ₁ and П _{2 of} length D are divided into 2K currents of elementary buses with the same effective values. In practice, the same currents flow through electrically conductive bodies L ₁ and L ₂ in contact with elementary buses 2K (for example, lamellas), which achieves the aim of the invention.

Отметим, что чем больше длина Д прорезей П₁ и П₂, тем более надежной является фиксация необходимых токов в пределах элементарных шин. Согласно теоретическим и экспериментальным оценкам подобная фиксация токов практически уже имеет место при длине Д, равной половине наибольшего размера B сечения основной шины. Отсюда следует, что Д ≥ B/2.Note that the greater the length D of the slots P ₁ and P ₂ , the more reliable is the fixation of the required currents within the elementary buses. According to theoretical and experimental estimates, such a fixation of currents almost already takes place at a length D equal to half the largest size B of the main bus section. It follows that D ≥ B / 2.

Система фиг. 1 позволяет реализовать различные конструкции контактов, в том числе двухсторонний контакт рычажного типа и ламельный контактный мостик. При этом рычажный контакт будет содержать одну, а ламельный мостик две указанные системы. Характерно, что в отличие от [1] теперь рычажный контакт может быть двухсторонним и нормально работать при несимметричном распределении тока по толщине Т основной шины Ш₀ благодаря тому, что она состоит из двух частичных шин Ш₁ и Ш₂, по которым протекают токи i₁ и i₂ с одинаковыми действующими значениями.The system of FIG. 1 allows you to implement various designs of contacts, including two-way contact lever type and lamella contact bridge. In this case, the lever contact will contain one, and the lamella bridge two of these systems. It is characteristic that, in contrast to [1], the lever contact can now be two-way and normally work with an asymmetric current distribution over the thickness T of the main bus Ш ₀ due to the fact that it consists of two partial buses Ш ₁ and Ш ₂ , through which currents i flow ₁ and i ₂ with the same effective values.

Толщины Т₁ и Т₂ частичных шин Ш₁ и Ш₂, а также положения прорезей П₁ и П₂, определяющих высоты В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К элементарных шин, зависят от распределения тока по сечению основной шины Ш₀. Это распределение в основном задается не рассматриваемой контактной системой, а компоновкой соответствующего электрического аппарата. Следовательно, значения Т₁ и Т₂, а также указанные высоты могут быть найдены теоретически или экспериментально лишь с учетом конкретной компоновки аппарата.The thicknesses T ₁ and T _{2 of the} partial buses Ш ₁ and Ш ₂ , as well as the positions of the slots P ₁ and P ₂ , which determine the heights V ₁₁ , V ₁₂ , V _1K and V ₂₁ , V ₂₂ , V _{2K of} elementary buses, depend on the current distribution the cross section of the main bus Ш ₀ . This distribution is mainly determined not by the contact system in question, but by the layout of the corresponding electrical apparatus. Therefore, the values of T ₁ and T ₂ , as well as the indicated heights can be found theoretically or experimentally only taking into account the specific layout of the apparatus.

Теоретический путь нахождения указанных размеров заключается в первоначальном определении (расчете), например, с помощью алгоритма [3] функций

комплексной плотности тока вдоль продольной оси Z шины Ш₀. При этом максимально полно должно быть учтено влияние на указанную функцию соседних фаз и металлических узлов аппарата. Пренебрегая затем в поперечном сечении шины (фиг.2) шириной изоляции И, а также прорезей П₁ и П₂ (пунктирные линии) из-за их малости по сравнению с размерами В и Т₁, Т₂ (фиг.1), можно записать нелинейное алгебраическое уравнение

определяющее размер Т₁, а значит и Т₂

Т Т₁.The theoretical way to find the indicated sizes is to initially determine (calculate), for example, using the algorithm [3] of functions

complex current density along the longitudinal axis Z of the bus Ш ₀ . At the same time, the effect on the indicated function of the neighboring phases and metal components of the apparatus should be taken into account as fully as possible. Neglecting then in the cross section of the tire (FIG. 2) the insulation width And, as well as the slots P ₁ and P ₂ (dashed lines) due to their smallness in comparison with the sizes B and T ₁ , T ₂ (FIG. 1), it is possible write a nonlinear algebraic equation

determining the size of T ₁ , and hence T ₂

T T ₁ .

После этого в соответствии с фиг.2 координаты Y₁₁, Y₁₂, Y_1(K-1) и Y₂₁, Y₂₂, Y_2(K-1) прорезей П₁ и П₂ могут быть найдены из двух следующих независимых систем нелинейных алгебраических уравнений порядка K-1:

k 1, 2, K-1; Y₁₀ Y₂₀ 0; Y_1K Y_2K B.After that, in accordance with figure 2, the coordinates Y ₁₁ , Y ₁₂ , Y _{1 (K-1)} and Y ₂₁ , Y ₂₂ , Y _{2 (K-1) of the} slots P ₁ and P ₂ can be found from the following two independent systems nonlinear algebraic equations of order K-1:

k

1, 2, K-1; Y ₁₀ Y ₂₀ 0; Y _1K Y _2K B.

Затем по формулам

рассчитывают высоты всех (2K) элементарных шин.Then according to the formulas

calculate the heights of all (2K) elementary tires.

Экспериментальное определение толщин Т₁ и Т₂ должно осуществляться на сплошной (несоставной) основной шине Ш₀, встроенной в электрический аппарат, но не имеющей контактного разрыва, а значит и контактирующих с ней тел (фиг. 3). В зоне, где в дальнейшем будет располагаться контактный разрыв, в шине просверливается равномерный по толщине Т ряд параллельных сквозных по высоте В отверстий О минимального диаметра, обеспечивающего возможность прохождения через них измеряющего действующее значение тока пояса Роговского. С помощью последнего затем с точностью до шага отверстий определяется показанная на фиг. 3 пунктирной линией условная граница, делящая шину на две продольные части с толщинами Т₁ и Т₂, через которые протекают токи i₁ и i₂ с равными (или близкими) действующими значениями. После этого сплошная основная шина Ш₀ (фиг.3) заменяется в аппарате соответствующими частичными шинами Ш₁ и Ш₂, разделенными изоляционным воздушным промежутком И минимальной ширины, допускающей прохождение через него пояса Роговского (фиг.4). В зоне будущего контактного разрыва шин в них также просверливается равномерный по высоте В ряд параллельных сквозных по толщинам Т₁ и Т₂ отверстий О₁ и О₂ минимального диаметра, обеспечивающего возможность прохождения через них пояса Роговского. С помощью последнего затем с точностью до шага отверстий определяются показанные на фиг.4 пунктирными линиями условные границы прорезей П₁ и П₂, подразделяющие частичные шины Ш₁ и Ш₂ на выбранное число K > 1 элементарных шин с высотами В₁₁, В₁₂, В_1К и В₂₁, В₂₂, В_2К, через которые протекают токи с одинаковыми (или близкими) действующими значениями.The experimental determination of the thicknesses T ₁ and T ₂ should be carried out on a solid (non-integral) main bus Ш ₀ , built into the electrical apparatus, but without contact rupture, and hence the bodies in contact with it (Fig. 3). In the zone where the contact discontinuity will be located in the future, a series of parallel holes through the height О of minimum diameter is drilled uniformly in thickness T, through holes O of the minimum diameter, which allows the Rogowski belt to measure the effective current value through them. With the help of the latter, then, as shown in FIG. 3 dashed line conditional border dividing the tire into two longitudinal parts with thicknesses T ₁ and T ₂ through which currents i ₁ and i ₂ with equal (or close) current values flow. After that, the solid main bus Ш ₀ (Fig. 3) is replaced in the apparatus by the corresponding partial tires Ш ₁ and Ш ₂ , separated by an insulating air gap AND of the minimum width allowing Rogowski belt to pass through it (Fig. 4). In the zone of the future tire contact discontinuity therein also drilled uniform height in parallel through a number of thicknesses T ₁ and T ₂ openings O ₁ and O ₂ of minimum diameter, which provides the opportunity to pass through them Rogowski coil. With the help of the latter, then, up to the pitch of the holes, the conditional boundaries of the slots P ₁ and P ₂ shown in dashed lines are determined, dividing the partial tires Ш ₁ and Ш ₂ into a selected number K> 1 of elementary tires with heights B ₁₁ , B ₁₂ , In _1K and V ₂₁ , V ₂₂ , V _2K , through which currents flow with the same (or close) effective values.

Контактная система (фиг.1) уже использована в электрическом разъединителе, изготовленном на ВЗВА и поставленном в двух экземплярах на Челябинский электродный завод. По техническим условиям эксплуатации этот разъединитель содержит 16 параллельных и отстоящих друг от друга на расстоянии 34 мм медных шин толщиной Т 16 мм и высотой В 350 мм. По каждой из них в замкнутом состоянии разъединителя протекает переменный ток с действующим значением 8000 А, причем токи во всех соседних шинах имеют противоположные знаки, т.е. ток всего разъединителя равен 8000 • 8 64000 А. The contact system (Fig. 1) has already been used in an electric disconnector manufactured at VZVA and delivered in two copies to the Chelyabinsk electrode plant. According to technical conditions of operation, this disconnector contains 16 parallel and spaced from each other at a distance of 34 mm copper busbars with a thickness of T 16 mm and a height of 350 mm. For each of them, in the closed state of the disconnector, an alternating current flows with an effective value of 8000 A, and the currents in all neighboring buses have opposite signs, i.e. the current of the entire disconnector is 8000 • 8 64000 A.

Экспериментальные исследования показали, что при замыкании каждой из 16 шин рядом ламельных мостиков вида [2] имеет место значительное превышение допустимой температуры контактов, обусловленное существенной неравномерностью и несимметрией распределения тока в шинах (особенно в двух крайних). Это свидетельствует о невозможности создания указанного разъединителя без разработки новой контактной системы. В результате были предложены система (фиг. 1) и соответствующий алгоритм расчета (1) (4), относящийся к модели (фиг. 2). Расчеты по этому алгоритму при K 8 привели к следующим результатам (для двух крайних шин Т₁ 10 мм; Т₂ 6 мм):
В₁₁ В₁₈ 30 мм, В₁₂ В₁₇ 43 мм;
В₁₃ В₁₆ 49 мм, В₁₄ В₁₅ 53 мм;
В₂₁ В₂₈ 30 мм, В₂₂ В₂₇ 37 мм;
В₂₃ В₂₆ 52 мм, В₂₄ В₂₅ 56 мм,
а для всех остальных 14 шин (Т₁ Т₂ 8 мм):
В₁₁ В₁₈ В₂₁ 30 мм, В₁₂ В₁₇ В₂₂ В₂₇ 37 мм;
В₁₃ В₁₆ В₂₃ В₂₆ 52 мм, В₁₄ В₁₅ В₂₄ В₂₅ 56 мм.Experimental studies have shown that when each of the 16 buses is closed by a series of lamellar bridges of the type [2], there is a significant excess of the permissible contact temperature due to significant non-uniformity and asymmetry of the current distribution in the buses (especially in the two extreme ones). This indicates the impossibility of creating the specified disconnector without developing a new contact system. As a result, a system was proposed (Fig. 1) and the corresponding calculation algorithm (1) (4) related to the model (Fig. 2). The calculations according to this algorithm at K 8 led to the following results (for the two extreme tires T ₁ 10 mm; T ₂ 6 mm):
₁₁ V ₁₈ 30 mm, ₁₂ V ₁₇ 43 mm;
B ₁₃ V ₁₆ 49 mm, B ₁₄ V ₁₅ 53 mm;
V ₂₁ V ₂₈ 30 mm, V ₂₂ V ₂₇ 37 mm;
₂₃ V ₂₆ 52 mm, ₂₄ V ₂₅ 56 mm,
and for all other 14 tires (T ₁ T ₂ 8 mm):
B ₁₁ V ₁₈ V ₂₁ 30 mm, ₁₂ V ₁₇ V ₂₂ V ₂₇ 37 mm;
₁₃ V ₁₆ V ₂₃ V ₂₆ 52 mm, ₁₄ V ₁₅ V ₂₄ V ₂₅ 56 mm.

При реализации полученных результатов все 16 основных шин разъединителя были выполнены составными из частичных шин толщиной 10, 6 и 8 мм. Испытания изготовленного разъединителя подтвердили практическую равномерность распределения тока между всеми 2K • 16 16 • 16 256 ламелями. Как следствие этого, превышение температуры контактов находилось в допустимых по ГОСТ пределах. When implementing the results, all 16 main busbars of the disconnector were made of composite tires with a thickness of 10, 6 and 8 mm. Tests of the manufactured disconnector confirmed the practical uniformity of the current distribution between all 2K • 16 16 • 16 256 lamellas. As a consequence of this, the contact temperature exceeded was within the limits allowed by GOST.

Таким образом, предлагаемая контактная система (фиг.1) благодаря обеспечению равномерности распределения тока между параллельными контактами открывает возможности для создания уникальных многоамперных аппаратов переменного тока. Thus, the proposed contact system (figure 1) due to the uniform distribution of current between the parallel contacts opens up opportunities for creating unique multi-ampere devices of alternating current.

Claims

An alternating current contact system containing a main busbar of rectangular cross section with a thickness of T, as well as two groups of K> 1 identical conductive bodies in contact with it, with K bodies of the first group in contact with one and K bodies of the second group with the other side surfaces of the bus within it heights B> T, characterized in that the main tire in thickness T is made up of two electrically isolated partial tires with thicknesses T ₁ and T ₂ , while each of the partial tires in height B is subdivided into K 1 by longitudinal slots of length D ≥ B / 2 on K elementary buses, respectively, with heights B ₁ ₁ , B ₁ ₂ , B ₁ _K and B ₂ ₁ , B ₂ ₂ , B ₂ _K , and so that any adjacent bodies in each of these groups are separated by one slot, in this case, the thicknesses T ₁ and T ₂ are selected from the condition that the current values are equal in partial tires, and the heights B ₁ ₁ , B ₁ ₂ , B ₁ _K and B ₂ ₁ , B ₂ ₂ , B ₂ _K from the condition that the current values are equal in all elementary tires.