АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01H73/18 H01H73/48 

Изобретение относится к электроаппаратостроению, в частности к автоматическим выключателям, служащим для защиты электрических сетей потребителей электрической энергии.

Воздушные автоматические выключатели являются основным представителем низковольтных электрических аппаратов защиты линий, сетей, потребителей электрической энергии от сверхтоков при ненормальных условиях цепи, таких как короткое замыкание.

Известна конструкция автоматического выключателя АЕ 1000 [1] выпускаемая на заводах в городах Андижане, Тирасполь.

Выключатель АЕ 1000 содержит в изоляционном корпусе, закрываемым крышкой механизм свободного расцепления из двухзвенного расцепляющего рычага, закрепленного на оси, звенья которого шарнирно связаны подвижной осью, и отключающей рейки, с которой входит в зацепление расцепляющий рычаг, неподвижный контактодержатель, подвижный контактодержатель, сидящий шарнирно на оси, связывающей звенья расцепляющего рычага, главную пружину контактного нажатия, рукоятку управления со скобой, воздействующую на подвижный контактодержатель через пружину контактного нажатия, зацепленную ушками за скобу и подвижный контактодержатель, расцепитель максимального тока и дугогасительную камеру.

К недостаткам данного выключателя относятся сложность конструкции, большое собственное время и малая надежность коммутирования больших токов короткого замыкания. Недостатки вызваны повышенным расходом материала контактных накладок при коммутировании, осложненном переходом через нулевое положение пружины контактного нажатия и механизмом создания ею контактного нажатия при включении и снятия контактного нажатия при отключении, связанном с обязательным выбором подвижным контактодержателем предусмотренного провала контактов. Кроме этого, современные требования ГОСТ Р 50345-92 (МЭК 898-87) более жесткие чем прежде к надежности коммутирования токов (1500 А, 9 циклов вместо 3-х циклов ВО), снижают его предельную коммутационную надежность до 1500 А (действующее значение). Недостатки конструкции выключателя АЕ-1000 ограничивают его номинальную величину до 25 А.

Несколько повысить надежность коммутирования удалось в других известных автоматических выключателях за счет изменения кинематики отключения введением дополнительного упора для подвижного контактодержателя, что позволило проводить отключение раньше перехода пружины контактного нажатия через нулевое положение, но по прежнему после выбора провала контактов [2]
Недостатками данного выключателя являются сложность конструкции, недостаточная надежность коммутирования включения, вызванная повышенной возможностью сварки контактов при отскоке после соударения.

Снижение вероятности отказа работы выключателя на отключение, вызванное легкой сваркой при включении, достигнуто в автоматическом выключателе [3] в котором введена дополнительная пружина, соединяющая одно плечо расцепляющего рычага с неподвижной частью корпуса. Независимо от наличия сварки контактов она создает дополнительное усилие при сбросе защелки, направленное на разворот расцепляющего рычага на закрепленной оси и перемещение шарнирной оси, связывающей звенья расцепляющего рычага, на которой шарнирно сидит конец подвижного контактодержателя, свободный от контактной накладки. При наличии легкой сварки это приводит к ее разлому подвижным контактодержателем, как рычагом первого рода.

К недостаткам известного выключателя относятся сложность конструкции и малая надежность коммутирования токов короткого замыкания, связанная с переходом пружины контактного нажатия при отключении и включении через нулевое положение.

Повысить надежность коммутирования как при включении, так и при отключении, упростить конструкцию и снизить собственное время выключателя оказалось возможным в других известных выключателях, выпускаемых на электроаппаратных заводах в г. Тирасполе и г. Москве [4]
Расцепляющий рычаг механизма свободного расцепления выполнен у них однозвенным, входит в зацепление с подпружиненной отключающей рейкой и связан подвижными осями с подвижным контактодержателем и со звеном, преобразующим вращательное движение рукоятки в поступательное. Кинематика движения подвижного контактодержателя исключает переход главной пружины через нулевое положение, обеспечивает плавное соприкосновение главных контактов при включении и моментное разъединение при отключении.

К недостаткам известного выключателя относятся сложность конструкции, необходимость введения второй дополнительной пружины, способствующей переводу преобразующего вращательное движение звена через нулевое положение, малая предельная коммутационная способность (1500 А).

В исходном состоянии (включено) подвижный контактодержатель и расцепляющий рычаг центрами упираются через звено в рукоятку управления и фиксируют ее в положении "Включено". После сброса защелки при срабатывании для разведения контактодержателей используется сначала главная пружина контактного нажатия, затем дополнительная пружина, переводящая через нулевое положение звено рукоятки, после чего совместным усилием пружины приводят подвижный контактодержатель и расцепляющий рычаг в положение " Отключено". Вступление в действие второй пружины зависит от скорости перемещения подвижного контактодержателя под действием главной. Скорость перемещения в каждом случае различна и зависит от условий контактирования, причем даже слабая сварка контактных накладок, которая разрывается главной пружиной, приводит к непереходу звена рукоятки через нулевое положение, неиспользованию второй пружины и оставляет рукоятку в положении "Включено", что снижает надежность работы выключателя.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является конструкция автоматического выключателя для защиты электрических сетей жилых и общественных зданий АБ-25 М [5] выпускаемого ПО Средазэлектроаппарат г. Ташкента. В данной конструкции, выбранной в качестве прототипа, ручное управление разведением и соединением главных контактов осуществляется воздействием на них рукоятки через траверсу, имеющую возможность поступательного перемещения, а роль подвижного контактодержателя играет расцепляющийся рычаг токопроводящего материала, на котором помещен подвижный контакт.

Известный автоматический выключатель, выбранный за прототип, содержит в корпусе контактную систему из двух главных контактов с пружиной контактного нажатия, неподвижный контактодержатель, на котором установлен неподвижный главный контакт, расцепитель максимального тока с исполнительной пластиной, механизм свободного расцепления, расцепляющий двуплечий рычаг из токопроводящего материала с установленным на нем подвижным главным контактом и выполненный с поперечным сквозным открытым пазом, центром помещенный на пружину контактного нажатия так, что одним плечом с главным подвижным контактом опирается на главный неподвижный контакт, а другим плечом на торец исполнительной пластины расцепителя максимального тока, поворотную на оси рукоятку управления главными контактами зажимы для подсоединения внешних проводников и Г-образную стальную траверсу с малой и большой ветвями, имеющую возможность взаимодействия малой ветвью с рукояткой управления при коммутировании, выполненную с продольным сквозным открытым пазом в большой ветви, размещенную на расцепляющем рычаге перпендикулярно его плоскости и свободно установленную дном сквозного открытого паза на дно сквозного открытого паза расцепляющего рычага так, что одной ветвью траверса охватывает расцепляющий рычаг и образует зазор с основанием корпуса, а плоскостью другой ветви зазор с рукояткой управления, равный провалу контактов (сумме активных толщин контактных накладок). Разведение контактодержателей при автоматическом отключении начинается разворотом расцепляющего рычага у большой ветви траверсы не сразу после срыва зацепления, а только после следующим за срывом подъема траверсы и достижении ею рукоятки^*(траверса может упираться как в рукоядку, так и в выступ корпуса выключателя в зависимости от варианта исполнения аппарата) т.е. после выбора зазора, равного провалу контактов.

Известному выключателю, выбранному за прототип, присущи следующие недостатки:
мала предельная коммутационная способность (1000 А амплитудн. значение);
надежность коммутирования при автоматическом отключении токов короткого замыкания низка;
номинальная величина выключателя ограничена током 25 А;
в выключателе не используются в процессе отключения сверхтоков магнитные потоки в стальной траверсе, охватывающей расцепляющий рычаг, как токопровод.

Недостатки выключателя, выбранного за прототип, базируются прежде всего на несовершенной кинематике автоматического отключения, при которой потеря соприкосновения главных контактов наступает только после выбора траверсой зазора (провала контактов), т.е. до начала разворота расцепляющего рычага с подвижным контактом у точки опоры (дно сквозного паза большой ветви стальной Г-образной траверсы), после сброса зацепления проходит определенное время, в течение которого главные контакты, находясь под сверхтоком, могут свариться.

Предлагаемое техническое решение открывает возможности совершенствования кинематики автоматического отключения сверхтоков исключением движения траверсы на выбор провала контактов после сброса зацепления расцепляющего рычага с исполнительной пластиной, т.е. позволяет осуществить потерю соприкосновения главных контактов одновременно с потерей соприкосновения входящих в зацепление исполнительной пластины расцепителя максимального тока и расцепляющего рычага.

Предлагаемое решение совершенствует не только механизм разъединения контактов, но и убыстряет их разведение после разъединения. Кроме этого, предлагаемое решение снижает усилие срыва зацепления расцепляющего рычага с исполнительной пластиной расцепителя максимального тока перед срывом.

Цель изобретения увеличить надежность коммутирования сверхтоков, повысить предельную коммутационную способность, расширить диапазон исполнений выключателя по номинальному току.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы снизить усилие зацепления перед срывом его, совершенствовать кинематику разъединения контактов путем создания условий для получения при сверхтоках и использования в процессе отключения магнитных потоков в обеих ветвях стальной траверсы, т.е. осуществлять усилиями притяжения в магнитных цепях удержание траверсы у расцепляющего рычага при его развороте пружиной после срыва зацепления и ускорение разворота расцепляющего рычага. При этом для удержания траверсы у расцепляющего рычага в процессе отключения использовать замкнутую магнитную цепь, а для ускорения разворота расцепляющего рычага магнитную цепь с воздушным зазором.

Для осуществления названного, согласно изобретению в автоматическом выключателе малая ветвь траверсы продлена и выполнена со сквозным открытым в направлении расцепляющего рычага пазом, а большая ветвь траверсы снабжена дополнительной V- образной ферромагнитной пластиной, которая установлена жестко на основании корпуса под траверсой так, что свободно охватывает большую ветвь траверсы с двух сторон, соприкасаясь минимум с одной из них. Величина перекрытия большой ветви траверсы при охвате дополнительной ферромагнитной пластиной больше зазора траверсы с рукояткой управления (больше провала контактов). Таким образом, в соответствии с изобретением у одного конца токоведущего расцепляющего рычага малая ветвь траверсы образует магнитную цепь с воздушным зазором, используемую для ускорения разворота расцепляющего рычага после сброса зацепления и для поджатия траверсы к расцепляющему рычагу до сброса зацепления, а у другого конца токоведущего расцепляющего рычага большая ветвь траверсы и дополнительная ферромагнитная пластина образуют замкнутую магнитную цепь с возможностью перемещения. Замкнутая магнитная система используется не только для поджатия траверсы к расцепляющему рычагу, но и к ускоренному разъединению контактов при больших токах короткого замыкания, таких как токи предельной коммутации.

Сопоставительный анализ по перечисленным отличиям предлагаемого автоматического выключателя от прототипа подтверждает соответствие критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого выключателя с прототипом и другими техническими решениями в данной области позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен предлагаемый автоматический выключатель в разрезе в исходном положении "Включено"; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1 (магнитная цепь с воздушным зазором, образованная малой ветвью траверсы выключателя у конца расцепляющего рычага, входящего в зацепление); на фиг. 3 (сечение Б-Б на фиг.1 (замкнутая с возможностью перемещения магнитная цепь, образованная большой ветвью траверсы выключателя и дополнительной ферромагнитной пластиной вокруг конца расцепляющего рычага, несущего подвижный контакт); на фиг.4 - автоматический выключатель в разрезе в положении "Отключено автоматически" (отключение тока предельной коммутации).

Предлагаемый автоматический выключатель (фиг. 1 4) содержит в изоляционном корпусе 1 контактную систему из двух главных контактов - неподвижного 2, подвижного 3 с пружиной контактного нажатия 4, неподвижный контактодержатель 5, расцепитель максимального тока с исполнительной пластикой 6, механизм свободного расцепления, расцепляющий двуплечий рычаг 7 из токопроводящего материала с установленным на нем подвижным главным контактом 3, выполненный с поперечным открытым пазом 8, центром помещенный на пружину контактного нажатия 4, одним плечом 7а опирающийся на главный неподвижный контакт 2, а другим плечом 7б на торец 9 исполнительной пластины 6, поворотную на оси рукоятку 10 управления главными контактами, зажимы 11 и 12 для подсоединения внешних проводников, плоскую стальную Г-образную траверсу 13 с малой 14 и большой 15 ветвями, выполненную в каждой ветви с продольным сквозным открытым пазом 16 и 17 и свободно установленную дном 18 своего паза 17 на дно 19 паза 8 расцепляющего рычага 7 так, что большой ветвью 15 траверса 13 охватывает расцепляющий рычаг 7 и образует зазор альфа с основанием корпуса 1, а плоскостью малой ветви 14 зазор бета с рукояткой управления 10 (равный провалу контактов), ферромагнитную V-образную пластину 20, которая внесена в зазор альфа, установлена жестко на основании корпуса 1 и свободно охватывает ветвь 15 траверсы 13 с двух сторон, соприкасаясь минимум с одной из них, величина перекрытия n большой ветви 15 ферромагнитной пластиной 20 больше зазора бета. Рукоятка 10 имеет возможность взаимодействия с траверсой 13 при ручном и автоматическом коммутировании.

Ветвь 14 траверсы 13 при протекании тока по расцепляющему рычагу 7 образует магнитную цепь с воздушным зазором С, а ветвь 15 траверсы 13 с дополнительной ферромагнитной пластиной 20 замкнутую магнитную цепь с возможностью перемещения.

Предлагаемый автоматический выключатель работает следующим образом.

В режимах отключения токов до 200 А его работа аналогична работе прототипа. После сброса зацепления торца 9 исполнительной пластины 6 расцепителя максимального тока с расцепляющим рычагом 7, расцепляющий рычаг 7 начинает разворачиваться и разъединять контакты 2 и 3 только после выбора поступательным движением траверсы 13 зазора бета, равного провалу контактов, так как при такой величине тока магнитные потоки в замкнутой и в воздушном зазоре с открытой магнитной цепи недостаточны для влияния на кинематику разъединения контактов.

При токах в цепи выключателя от 200 до 600 А в замкнутой магнитной цепи большой ветви 15 траверсы 13 и ферромагнитной пластины 20 до срыва зацепления магнитодвижущая сила обеспечивает проведение магнитного потока, достаточного для поджатия траверсы и удержания ее у расцепляющего рычага 7. Поджатию траверсы 13 способствует усилие притяжения малой ветви 14 к расцепляющему рычагу 7 как к проводнику с током. Поджатие траверсы 13 к расцепляющему рычагу 7 усилиями магнитных потоков вызывает до срыва зацепления перераспределение сил в местах опор расцепляющего рычага, при этом усилие сброса зацепления уменьшается, сброс зацепления облегчается. После сброса зацепления одновременно с потерей соприкосновения расцепляющего рычага 7 с торцом 9 исполнительной пластины 6 расцепителя максимального тока происходит разъединение контактов 2 и 3 (без выбора траверсой 13 провала контактов). Разведение контактов 2 и 3 продолжается разворотом расцепляющего рычага 7 у дна 18 паза 17 ветви 15 пружиной 4. Ускорению разворота расцепляющего рычага 7 способствует притяжение его конца 7б, входящего в воздушный зазор С малой ветви 14 к дну паза этой ветви как проводника с током. Ток цепи гаснет.

При токах в цепи выключателя выше 600 А и до токов предельной коммутации траверса 13, достигнув расцепляющего рычага 7, продолжает двигаться под действием сил притяжения мощных магнитных потоков в замкнутой и открытой магнитных цепях. Так как замкнутая магнитная цепь выполнена с возможностью перемещения, а магнитное сопротивление замкнутой магнитной цепи уменьшается с перемещением ветви 15 траверсы 13 в дополнительную ферромагнитную пластину 20, то поступательного хода траверсы 13 хватает не только для разъединения, но и для разведения контактов 2 и 3 до срыва зацепления. Загорается электрическая дуга, которая своим сопротивлением ограничивает нарастание тока короткого замыкания. Следует срыв зацепления расцепляющего рычага 7 с торцом 9 исполнительной пластины 6. Воздействием магнитных потоков в магнитных цепях у концов 7а и 7б расцепляющий рычаг 7 ускоренно разворачивается. Его конец 7а с контактом 3 движением ветви 15 в дополнительную ферромагнитную пластину разводится на время сверхтока в цепи на больший, чем в отключенном состоянии, раствор (фиг.4).

После отключения тока короткого замыкания в замкнутой магнитной цепи магнитного потока нет и пружина 4 переводит расцепляющий рычаг 7 в исходное состояние "Отключено" (условно не показано).

Так как перекрытие "n" ферромагнитной пластиной 20 ветви 15 траверсы 13 больше провала контактов (больше зазора бета) и ферромагнитная пластина 20 касается минимум одной стороны охватываемой ветви 15, то во всех случаях работы выключателя магнитная цепь из ветви 15 и ферромагнитной пластины 20 остается замкнутой.

Предлагаемый автоматический выключатель имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
обладает повышенной коммутационной способностью, коммутирует токи до 3-х кА (прототип 1 кА ампл.знач.);
обладает большей надежностью (отключает автоматически за меньшее время без выбора провала);
обладает широким диапазоном исполнений по номинальному току 10 А; 16 А; 25 А; 32 А; 40 А (прототип 16 А; 25 А);
экономичен по расходу материалов:
масса выключателя предлагаемого, г 80
прототип, г 115;
имеет меньший удельный расход материалов на ампер
номинальный ток, г/А 2
прототип, г/А 4,6;
использует для ускорения процесса отключения сверхтоков магнитные потоки в стальной траверсе, охватывающей расцепляющий рычаг как токопровод.

На предлагаемый автоматический выключатель разработаны чертежи. Опытным производством выполнен по чертежам макетный образец выключателя.

Макетный образец предлагаемого выключателя испытан в цикле "0" в испытательном контуре с током 3 кА (действ. знач.) и отключил ток 3,4 кА (уд. знач.) за время 7 мс.

Использование: электротехника, а именно в автоматических выключателях. Сущность изобретения: в создании условий получения и использования магнитных потоков в стальной траверсе. У одного конца токопроводящего расцепляющего рычага одна ветвь траверсы образует магнитную цепь с воздушным зазором, а у другого конца вторая ветвь траверсы образует замкнутую магнитную цепь с дополнительной ферромагнитной пластиной, при этом первая из указанных ветвей траверсы является малой, а вторая - большой. Использование в этих магнитных цепях токоведущего расцепляющего рычага как проводника с током позволяет отключать токи ускоренно без выбора провала контактов, а разъединение главных контактов при больших токах короткого замыкания позволяет осуществлять до сброса защелки зацепления. 4 ил.

Автоматический выключатель, содержащий в изоляционном корпусе контактную систему из двух главных контактов с пружиной контактного нажатия, неподвижный контактодержатель, на который установлен неподвижный главный контакт, расцепитель максимального тока с исполнительной пластиной, механизм свободного расцепления расцепляющий двуплечий рычаг из токопроводящего материала с установленным на нем подвижным главным контактом, выполненный с поперечным сквозным открытым пазом, центром помещенный на пружину контактного нажатия так, что одним плечом с главным подвижным контактом опирается на главный неподвижный контакт, а другим плечом на торец исполнительной пластины расцепителя максимального тока, поворотную на оси рукоятку управления главными контактами, зажимы для подсоединения внешних проводников и плоскую стальную Г-образную траверсу с малой и большой ветвями, имеющую возможность взаимодействия с рукояткой управления при коммутировании, выполненную с продольным сквозным пазом в большой ветви, размещенную на расцепляющем рычаге перпендикулярно его плоскости и свободно установленную дном сквозного открытого паза на дно сквозного открытого паза расцепляющего рычага так, что большой ветвью траверса охватывает расцепляющий рычаг и образует зазор с основанием корпуса, а плоскостью малой ветви зазор с рукояткой управления, отличающийся тем, что малая ветвь траверсы продлена и выполнена со сквозным открытым пазом, а большая ветвь траверсы снабжена дополнительной ферромагнитной пластиной, которая выполнена U-образной, внесена в зазор большой ветви траверсы с основанием корпуса и установлена жестко на основании корпуса так, что свободно охватывает большую ветвь траверсы с двух сторон, соприкасаяь минимум с одной из них, при этом малая ветвь траверсы образует магнитную цепь с воздушным зазором у одного конца расцепляющего рычага, а большая ветвь траверсы образует замкнутую магнитную цепь с дополнительной ферромагнитной пластиной вокруг другого конца расцепляющего рычага, причем величина перекрытия большой ветви траверсы дополнительной ферромагнитной пластиной превышает зазор траверсы с рукояткой управления.