ЗАМЕНЯЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1998 года по МПК H01H85/02 H01H85/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к выходным предохранителям высокого напряжения, предназначенным для защиты силового оборудования электрических сетей от аварийных и перегрузочных токов.

Выходной предохранитель обычно состоит из опорной изоляции, верхней и нижней контактных систем и патрона. В патроне располагается отключающая пружина и так называемый заменяемый элемент (Fuse Links), обычно состоящий из контактных держателей, между которыми при помощи пайки и запрессовки закрепляются натяжной и плавкий элементы, и гибкого проводника, закрепляемого в нижнем контактном держателе патрона.

Основной характеристикой заменяемого элемента является зависимость времени плавления от величины тока (времятоковая характеристика). Стабильность времятоковой характеристики (ВТХ) определяется прежде всего целостностью плавкого элемента, постоянством величины переходного сопротивления в местах пайки (запрессовки) и неизменностью поперечного сечения плавкого элемента. Для обеспечения этого и служит натяжной элемент, выполняемый обычно из прочного и высокорезистивного материала, например из нихрома. Это достигается тем, что натяжной элемент имеет меньшую длину, чем плавкий, и поэтому сила отключающей пружины патрона приложена к натяжному элементу, и тем самым исключается механическое повреждение плавкого элемента.

Натяжной элемент должен быть определенного сечения, чтобы гарантированно в течении срока эксплуатации выдерживать усилие отключающей пружины, величина которого бывает значительной и может достигать 100 - 200 Н. Т.к. для расплавления натяжного элемента требуется определенная величина тока, что его сечение является препятствием на пути получения предохранителей на малые номинальные токи (меньше 1 - 5 А), которые используются для защиты, например, маломощных высоковольтных трансформаторов напряжения.

Для уменьшения усилия, прикладываемого к натяжному элементу, обычно используются редуцирующие устройства. Известно устройство [1], состоящее из трех рычагов и токочувствительного элемента.

Механизм ослабления натяжения натяжного элемента работает следующим образом. Когда плавкий элемент 160 плавится, зацепляющий элемент 326 освобождается для вращения по направлению часовой стрелки вокруг оси 336, при этом рычажный элемент 324, обычно удерживающийся элементом 326, получает возможность вращения против часовой стрелки вокруг оси 334. Защелкивающий элемент 322 освобождается при движении рычага 324 и вращается по часовой стрелке вокруг оси 332, тем самым размыкая вставку 302 и проводящий стрежень 83. Данный механизм 300 ослабляет приблизительно в 50 раз усилие, прикладываемое к токочувствительному элементу 160, по сравнению с усилием пружины 76, под натяжением которой находится проводящий стержень 83, и применяющийся для заменяемых элементов с номинальным током от 1 до 7А. Это устройство довольно сложное по конструкции и имеет значительные габариты, что исключает его применение в малогабаритных патронах. Кроме того, ВТХ зависит от времени срабатывания механизма, что снижает быстродействие работы всего предохранителя.

Известен предохранитель [2], содержащий патрон, выполненный из твердого газогенерирующего изоляционного материала, подпружиненные контактные держатели, высокоомную державку (натяжной элемент), выполненную из изоляционного материала в виде цилиндра, рассеченного по продольной оси на две независимые части, одна из указанных частей с внутренней стороны снабжена выступом, имеющим форму равнобедренного треугольника, а другая часть имеет соответствующую впадину, причем каждая из указанных частей закреплена в контактных держателях, а плавкий элемент выполнен в виде спирали и намотан на натяжной элемент таким образом, что указанные рассеченные части плотно прилегают друг к другу.

Эта конструкция заменяемого элемента позволяет снизить усилие, прикладываемое к плавкому элементу за счет дробления усилия по виткам. Чем больше витков, тем меньше усилие прикладывается к плавкому элементу.

Т.к. к плавкому элементу прикладывается усилие, даже если и незначительное, то существует ограничение по величине поперечного сечения, а значит, и по величине номинального тока.

Известно, что ВТХ в перегрузочном режиме (время плавления более 1с) определяется длиной плавкого элемента, поэтому варьирование количеством витков вряд ли возможно при заданной ВТХ. Другими словами говоря, известное решение имеет ограничение по снижению номинального тока и получению требуемой ВТХ.

Задачей настоящего изобретения является создание заменяемого элемента, имеющего широкий диапазон номинальных токов, включая и токи меньше 1А, и широкий спектр ВТХ, причем получение указанных характеристик заменяемых элементов не связано с их взаимной зависимостью.

Решение этой задачи достигается тем, что в известном заменяемом элементе, содержащем плавкий и натяжной элементы, закрепленные в контактных держателях, причем натяжной элемент имеет изоляционную часть, указанный натяжной элемент снабжен токопроводящей частью, при этом изоляционная и токопроводящая части соединены между собой последовательно, плавкий элемент расположен параллельно натяжному элементу и выполнен большей длины, чем натяжной элемент.

Выполнение натяжного элемента из двух частей - токопроводящей и изоляционной исключает его плавление (ток не проходит) и поэтому независимо от величины номинального тока поперечное сечение токопроводящей части можно применять любой величины, требуемой для удержания отключающей пружины во взведенном положении. Что же касается получения разрыва между контактными держателями после расплавления плавкого элемента, то он образуется за счет расплавления (пережигания) токопроводящей части электрической дугой, возникающей вследствие разрыва цепи, благодаря наличию изоляционной части. Так как дуга (плазма) обладает сравнительно высокой температурой, то даже энергии перегрузочного тока становится достаточно для расплавления на малом участке, например, провода, из которого может быть выполнена токопроводящая часть, что влечет за собой расхождение контактных держателей под действием усилия отключающей пружины.

Аналогичный процесс происходит при электродуговой сварке, где определенной величиной тока можно пережечь толстый металлический стержень, в то же время при пропускании этого тока по этому стержню расплавления не происходит.

Для токопроводящей части целесообразно использовать провод с высоким пределом прочности на разрыв, что позволяет применить провод с минимальным поперечным сечением и тем самым получить надежное его пережигание электрической дугой.

Длина изоляционной части зависит от номинального напряжения предохранителя и длины плавкого элемента. К примеру, если исходить из номинального напряжения 10 кВ и выше, то для надежного электрического пробоя достаточно иметь изоляционную часть длиной не более 5 мм. Незначительная величина изоляционной части по сравнению с длиной плавкого элемента исключает перенапряжение в момент возникновения дуги, что является положительной стороной при использовании в сети с пониженным уровнем изоляции. Для изоляционной части целесообразно использовать керамику, т.е. она обладает высокой прочностью и термостойкостью.

Очевидно, что конструктивно изоляционную часть натяжного элемента целесообразно выполнить в средней его части, выполнив соединение при помощи, например, двух петель, противоположные концы которых будут закреплены вместе с концами плавкого элемента в контактных держателях. В этом случае напряженность электрического поля между петлями возрастает за счет его неравномерности (провод петли тонкий), что способствует более низкой величине напряжения пробоя и возникновениям электрической дуги. Конечно, не исключается и случай конструктивного исполнения, когда изоляционная часть будет закреплена в одном из контактных держателей, а соединение будет выполнено при помощи одной петли. Последнее исполнение предпочтительно для соединения предохранителя, обладающего определенной безопасностью при срабатывании. Дело в том, что срабатывание предохранителя сопровождается выхлопом ионизированных высокотемпературных продуктов горения дуги, а вместе с ними будет вылетать несгораемая керамическая часть, что при определенном расположении патрона предохранителя в пространстве может оказаться небезопасно. При закреплении изоляционной части, например, на верхнем неподвижном контактном держателе этого происходить не будет.

Указанного преимущества можно добиться путем выполнения верхнего отрезка токопроводящей части из толстой проволоки, которая не будет пережигаться электрической дугой.

Разделение функций натяжного и плавкого элементов за счет различной их длины и параллельного расположения позволяет полностью исключить механическую нагрузку на плавкий элемент и тем самым получить любой малый номинальный ток за счет малой величины поперечного сечения. При этом плавкий элемент можно выполнять любой требуемой для ВТХ длины, соответственно изменяя лишь длину токопроводящей части натяжного элемента. Разницы в длине натяжного и плавкого элементов может быть любая, но не меньше 1 - 2 мм. Достаточной разницей будет то положение, когда плавкий элемент при действии усилия отключающей пружины будет находиться в свободном состоянии, т.е. без натяжения.

На чертеже изображен один из примеров выполнения заменяемого элемента с частичным разрезом. Заменяемый элемент содержит контактную головку 1, верхний 2 и нижний 3 контактные держатели, в отверстиях которых запрессованы натяжной 4 и плавкий 5 элементы, гибкий проводник 6, запрессованный в нижнем контактном держателе 3.

Натяжной элемент 4 состоит из двух отрезков провода 7, составляющих вместе токопроводящую часть, и изоляционной части 8. Изоляционная часть 8 выполнена в виде пластинки, имеющей по краям отверстия 9, через которые проходят петли 10 отрезков провода 7.

При протекании тока короткого замыкания или тока перегрузки плавкий элемент 5 плавится, после чего между верхней и нижней петлями 10 натяжного элемента возникает электрическая дуга 11. Дуга 11 пережигает тело провода и тем самым позволяет контактному держателю 3 двигаться под действием силы F отключающей пружины (не показана), чем обеспечивается удлинение дуги и ее гашение в дугогасительном канале патрона (не показан).

Предлагаемое решение было опробовано на заменяемом элементе, в котором токопроводящая часть 7 была выполнена из нихромовой проволоки диаметром 0,4 мм, а изоляционная часть 8 - из керамики. Расстояние между петлями 10 (длина изоляционной части) было 4 мм. При напряжении 10 кВ, токе 0,3 А и силе F, равной 2 кг, было зафиксировано надежное пережигание петель 10.

Предлагаемое решение применимо практически для любого малого номинального тока, может быть использовано в предохранителях различной конструкции, в том числе и малогабаритных, обладает простой нетрудоемкой конструкцией, что обеспечит широкое использование его при производстве высоковольтных предохранителей на малые номинальные токи.

Изобретение предназначено для использования в выхлопных предохранителях высокого напряжения и содержит верхний 2 и нижний 3 контактные держатели, в которых закреплены плавкий 5 и натяжной 4 элементы. Для получения возможности создания заменяемого элемента на малые номинальные токи, в том числе и меньше 1 А в условиях использования в предохранителе отключающей пружины, натяжной элемент 4 выполнен из последовательно соединенных токопроводящей 7 и изоляционной 8 частей, при этом плавкий элемент 5 расположен параллельно натяжному элементу и выполнен большей длины, чем натяжной элемент. 1 ил.

Заменяемый элемент, содержащий плавкий и натяжной элементы, закрепленные в контактных держателях, причем натяжной элемент имеет изоляционную часть, отличающийся тем, что натяжной элемент снабжен токопроводящей частью, при этом изоляционная и токопроводящая части соединены между собой последовательно, плавкий элемент расположен параллельно натяжному элементу и выполнен большей длины, чем натяжной элемент.