БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01H31/00 

Изобретение относится к низковольтным аппаратам защиты, предназначенным преимущественно для тиристорных преобразователей станочных электроприводов. В данных преобразователях применяются силовые полупроводниковые приборы (оптронные модули, транзисторы) со сравнительно низкой перегрузочной способностью, что не позволяет выполнить их защиты от токов короткого замыкания быстродействующими выключателями без применения токоограничивающих реакторов, имеющих повышенные габариты, массу и потери энергии. Снижение этих величин и даже полное устранение реакторов может быть достигнуто путем совместного использования для защиты выключателя и быстродействующего короткозамыкателя [1].

Известны различные исполнения короткозамыкателей: на базе тиристорных ключей [2] , на базе индукционно-динамического привода [3], на базе электродинамического привода с использованием взаимодействия токоведущих шин [4] .

Недостатки первого исполнения - повышенные габариты и стоимость, обусловленные необходимостью выбора тиристоров по максимальным напряжениям и токам глухого короткого замыкания.

Недостатки второго и третьего исполнений - сложная конструкция и схема, необходимость применения постоянно заряженных импульсных конденсаторов, имеющих повышенные габариты и стоимость.

Недостатки третьего варианта - сниженное быстродействие вследствие сравнительно малых значений сил между шинами, вибрации контактов при срабатывании вследствие подпружиненного состояния контактов, перемыкающих фазы, жесткая связь этих контактов, что завышает общую массу и, следовательно, уменьшает быстродействие при наиболее частых двухфазных коротких замыканиях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является токовый расцепитель [5], широко применяющийся в большинстве автоматических выключателей переменного и постоянного тока, содержащий П-образный неподвижный шихтованный магнитопровод, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы, подвижный шихтованный якорь, укрепленный с возможностью вращения на неподвижной оси, расположенной на втором полюсе, регулируемую пружину, предназначенную для поворота якоря до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем, рыча, укрепленный на якоре с возможностью воздействия через промежуточный механизм на силовые контакты выключателя, вызывая их размыкание или замыкание (в зависимости от исполнения).

Существенным недостатком данного устройства является пониженное быстродействие, обусловленное дополнительным временем срабатывания механизма. Недостатком устройства также являются повышенные габариты магнитопровода, обусловленные необходимостью увеличения сечения вследствие магнитных потоков рассеивания между полюсами.

Задачей изобретения является создание короткозамыкателя, обладающего повышенным быстродействием и надежностью, уменьшенными габаритами и массой.

Задача изобретения решается в устройстве, содержащем в каждой фазе П-образный неподвижный шихтованный магнитопровод, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы, подвижный шихтованный якорь, укрепленный с возможностью вращения на неподвижной оси, расположенной на втором полюсе, регулируемую пружину, предназначенную для поворота якоря до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем, тем, что на якоре жестко укреплен проводящий рычаг с подвижным контактом, на магнитопроводе жестко укреплена изоляционная колодка с неподвижным контактом, рычаг через гибкое соединение связан с выводом катушки, подключенным к цепи нагрузки, неподвижные контакты трех фаз соединены между собой проводами, воздушный зазор между якорем и первым полюсом превышает зазор между подвижным и неподвижным контактами на величину, необходимую для компенсации износа контактов.

За счет того, что на якоре жестко укреплен проводящий рычаг с подвижным контактом, на магнитопроводе жестко укреплена изоляционная колодка с неподвижным контактом, рычаг через гибкое соединение связан с выводом катушки, подключенным к цепи нагрузки, неподвижные контакты трех фаз соединены между собой проводами, решается задача изобретения, заключающаяся в создании короткозамыкателя, обладающего повышенным быстродействием и надежностью, уменьшенными габаритами и массой.

Кроме того, для уменьшения габаритов устройства катушка намотана проводящей сплошной лентой с изоляционной лентой между слоями.

Одним из вариантов выполнения короткозамыкателя является то, что неподвижные контакты трех фаз соединены землей или нулевым проводом.

Кроме того, возможно исполнение, когда магнитопроводы с катушками, якорями и контактами установлены только в двух фазах, а их неподвижные контакты присоединены к цепи третьей фазы.

За счет указанных технических решений достигаются повышенное быстродействие, так как исключается промежуточный механизм передачи движения якоря на подвижный контакт и движение каждого якоря с подвижным контактом происходит независимо от движения якорей других фаз, а воздушный зазор между фазами равен сумме двух воздушных зазоров между контактами, что позволяет при заданном минимальном зазоре по условию электрической прочности уменьшить зазор между якорем и полюсом и, следовательно, уменьшить время замыкания контактов; повышенная надежность, так как вследствие быстрого роста электромагнитной силы, действующей на якоре, при повышении тока короткого замыкания и жесткого крепления контактов на якоре и колодке исключаются вибрация контактов и возможность их сваривания, а также обеспечивается передача полной силы притяжения якоря на давление в контактах; уменьшение габаритов, поскольку при росте тока в лентах катушек между полюсами наводятся вихревые токи, значительно уменьшающие магнитный поток рассеивания между полюсами, что уменьшает магнитную индукцию в магнитопроводе и позволяет уменьшить его сечение без увеличения магнитной напряженности в нем и, следовательно, без уменьшения электромагнитной силы, действующей на якорь, и соответственно быстродействия.

Не известны устройства подобного назначения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого технического решения.

На фиг. 1 показана схема короткозамыкателя; на фиг.2 и 3 показаны две проекции конструкции в отключенном состоянии, причем на фиг.2 - разрез на полюсе между зажимами.

Короткозамыкатель содержит вводные зажимы 1, 2, 3 (со стороны питающей сети), выводные зажимы 4, 5, 6 (для подключения преобразователя, токовые катушки 7, 8, 9, подвижные контакты 10, 11, 12, неподвижные контакты 13, 14, 15, П-образный шихтованный магнитопровод 16, подвижный шихтованный якорь 17, ось 18 вращения якоря, пружину 19, винт 20 регулирования силы натяжения пружины, рычаг 21, выводы 22 и 23 катушки 9, шину 24, связывающую неподвижные контакты 13, 14, 15, упор 25, изоляционную колодку 26, гибкое соединение 27, шину 28, связывающую вывод катушки и гибкие соединения с выводным зажимом, корпус 29. На фиг.1 также показаны автоматический выключатель 30 и преобразователь 31.

Все три полюса короткозамыкателя имеют одинаковую конструкцию. На основании корпуса 29 жестко закреплен магнитопровод 16, на котором расположены токовая катушка 9, намотанная медной лентой с изолирующей межслоевой лентой, якорь 17, изоляционная колодка 26. На якоре 17 жестко установлен проводящий рычаг 21, на котором приварен подвижный контакт 12. Якорь 17 расположен на оси 18, закрепленной на боковых пластинах магнитопровода 16. Якорь 17 оттягивается до упора 25 пружиной 19, сила натяжения которой регулируется винтом 20, проходящим через отверстие в колодке 26. На колодке 26 жестко укреплена часть шины 24 с приваренным неподвижным контактом 15. Внутренний вывод 23 катушки соединен с шиной 28, подключенной к выводному зажиму 6. Рычаг 21 и соответственно подвижный контакт 12 подключены через гибкое соединение 27 к шине 28 и далее к выводному зажиму 6. На фиг.2 и 3 не показаны винты крепления узлов и деталей между собой.

В обесточенном состоянии якорь 17 прижат пружиной 19 к упору 25 и контакты 12 и 15 разомкнуты.

В номинальном режиме при включенных выключателе 30 и преобразователе 31 токи проходят по катушкам 7, 8 и 9, но момент от силы притяжения якорей (17 и др. ) к полюсам магнитопровода (16 и др.) меньше момента от силы пружин (19 и др.), которые отрегулированы на притяжения якорей только при максимально допустимом токе перегрузки, равном току уставки I_уст, обычно выбираемому в пределах 2-6 от номинального тока Iном преобразователя. Защита от токов перегрузки обычно выполняется выключателем или преобразователем.

При возникновении аварийного режима в преобразователе 31 и росте тока короткого замыкания выше тока уставки I_уст якорь 17 начинает двигаться и через время t_з, определяемое силой, действующей на якорь, и воздушным зазором между контактами, происходит их замыкание.

При двухфазном коротком замыкании происходит почти одновременное замыкание контактов в двух полюсах, что приводит к закорачиванию входных зажимов преобразователя и прекращению прохождения тока короткого замыкания в преобразователе. После этого в преобразователе проходит лишь неопасный ток, определяемый соотношением сопротивлений преобразователя и цепи закорачивания: контакты 12 и 15, гибкие соединения 27, шина 28.

При трехфазном коротком замыкании все три пары контактов в полюсах включаются с различным временем в зависимости от скоростей роста токов короткого замыкания.

При необходимости защиты от однофазных замыканий шина 24 может быть соединена с землей или нулевым проводом, как показано пунктиром на фиг.1.

Поскольку сила притяжения якоря 17 к полюсу магнитопровода 16 обратно пропорциональна квадрату воздушного зазора между якорем и полюсом, то при замыкании контактов на них действует повышенная сила, препятствующая их вибрации и свариванию. Ток короткого замыкания, ограниченный только сопротивлениями цепи, источника питания и катушек отключается автоматически выключателем 30, после чего якорь возвращается в начальное положение и контакты короткозамыкателя размыкаются. Поскольку электрический износ контактов практически отсутствует и имеет место лишь небольшой механический износ при их соударении, но при редких аварийных режимах (практически не более 100 за весь срок службы), то остаточный воздушный зазор при замыкании контактов выбирается достаточно малым (порядка 0,5 мм). Это обеспечивает повышенный коэффициент возврата электромагнитной системы и вследствие этого отсутствие размыкания контактов и образований на них дуги при снижении тока под действием выключателя.

Для обеспечения минимального времени замыкания контактов зазор между ними выбирается по условию обеспечения электрической прочности двух последовательно включенных зазоров. Практически δ≈2-3 мм.

Размеры магнитопровода и якоря и число витков катушки выбираются по условию минимума времени замыкания при заданных скорости роста и максимальной величине тока короткого замыкания, мощности потерь в катушке и габаритах. Как показал анализ, при указанных ограничениях наиболее оптимальным является электромагнитный привод по сравнению с индукционно-динамическим и электродинамическим приводами. Данные испытаний опытных образцов короткозамыкателя на I_ном = 63 А и I_уст = 2,5 I_ном показали, что при амплитудах токов короткого замыкания 4-10 кА время замыкания контактов находится в пределах 1,16-0,88 мс, что обеспечивает надежную защиту оптронных модулей МТОТО при существенно сниженных габаритах токоограничивающих реакторов.

Как известно из анализа электромагнитных приводов с поворотным якорем, быстродействие их повышается при уменьшении длины якоря l_я, поскольку при заданной магнитной индукции электромагнитный момент пропорционален l_я, а момент инерции якоря пропорционален l_я³. Поэтому целесообразно при постоянном сечении катушки, определяемом заданной мощностью рассеивания, уменьшать ширину и увеличивать высоту катушки. Однако при этом вследствие повышения магнитных потоков рассеивания и насыщения основания магнитопровода при нарастающем токе быстродействие не повышается вследствие уменьшения электромагнитной силы. Поэтому необходимо увеличивать сечение магнитопровода и соответственно габариты короткозамыкателя. В существующих электромагнитах токовые катушки выполняются либо круглым проводом, либо шинами, намотанными на ребро. В предлагаемой конструкции катушка выполняется из медной ленты. Поэтому увеличению потоков рассеивания препятствуют вихревые токи, наводимые в лентах. Экспериментальные данные показывают, что магнитные потоки в основании полюса и вблизи воздушного зазора практически равны. Поэтому нет необходимости увеличивать сечение магнитопровода.

Для защиты преобразователей с малой вероятностью однофазных коротких замыканий возможна установка магнитопроводов с якорями, катушками и контактами только в двух фазах.

Для замыкания между собой всех трех входных зажимов преобразователей неподвижные контакты соединяются с третьей фазой.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый короткозамыкатель имеет повышенные быстродействие и надежность и меньшие габариты.

Изобретение относится к низковольтным аппаратам защиты, предназначенным преимущественно для тиристорных преобразователей станочных электропривода. Быстродействующий короткозамыкатель содержит в каждой фазе П-образный неподвижный шихтованный магнитопровод 16, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы. Регулируемая пружина 19 поворачивает подвижный шихтованный якорь 17 до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем. На якоре 17 жестко укреплен проводящий рычаг 21 с подвижным контактом. На магнитопроводе жестко укреплена изоляционная колодка 26 с неподвижным контактом. Рычаг 21 через гибкое соединение 27 связан с выводом катушки 9, подключенным к цепи нагрузки. Неподвижные контакты трех фаз соединены между собой проводами. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛЬ, содержащий в каждой фазе П - образный неподвижный шихтованный магнитопровод, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы, подвижный шихтованный якорь, укрепленный с возможностью вращения на неподвижной оси, расположенной на втором полюсе, регулируемую пружину, предназначенную для поворота якоря до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем, на котором жестко укреплен проводящий рычаг с подвижным контактом, неподвижный контакт, отличающийся тем, что устройство снабжено изоляционной колодкой, на которой установлен неподвижный контакт, колодка жестко укреплена на магнитопроводе, рычаг через гибкое соединение связан с выводом катушки, предназначенным для подключения к цепи нагрузки, неподвижные контакты трех фаз соединены между собой проводами, воздушный зазор между якорем и первым полюсом превышает зазор между подвижным и неподвижным контактами. 2. Короткозамыкатель по п. 1, отличающийся тем, что катушка намотана проводящей сплошной лентой с изоляционной лентой между слоями. 3. Короткозамыкатель по п.1, отличающийся тем, что неподвижные контакты трех фаз также соединены землей или нулевым проводом. 4. Короткозамыкатель по п. 1, отличающийся тем, что магнитопроводы с катушками, якорями и контактами установлены только в двух фазах, а их неподвижные контакты присоединены к цепи третьей фазы.