АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01H73/18 

Изобретение относится к области электроаппаратостроения, в частности к автоматическим выключателям, предназначенным для защиты потребителей электрической энергии и электрических сетей от токов перегрузки и короткого замыкания.

Известны электрические аппараты защиты с полостью из тугоплавкого материала, заполненной токоограничивающим материалом, включенным в последовательную цепь. При токах перегрузки указанный материал испаряется, разрывая цепь. В усовершенствованной конструкции сопротивление токоограничивающего материала в исходном состоянии разгружено параллельным включением резистора, который принимает на себя часть начального тока перегрузки. Это позволяет повысить надежность отключающей способности при токах перегрузки и короткого замыкания [1]
К недостаткам подобных выключателей относятся сложность выполнения конструкции на последовательный ряд номинальных токов, не предусмотрена возможность коммутирования токов предельной коммутации.

Известны такие токоограничивающие устройства для автоматических выключателей, конструкцией которых предусмотрено около контактного узла для отвода дуги два параллельных направляющих приспособления (ленты из резистивного материала). Эти ленты отводят от контактного узла электрическую дугу при коротком замыкании в цепи. Резистивные ленты покрыты изоляцией, а на их поверхностях, по которым перемещаются основания дуги, прорезаны в изоляции до металла дорожки для образования пути перемещения. Таким образом при перемещении оснований дуги по резисторным дугогасительным рогам или лентам подключается возрастающее добавочное сопротивление в последовательную цепь выключателя, что улучшает токоограничение [2].

К недостаткам известных токоограничивающих устройств автоматических выключателей относится невозможность использования растяжения дуги для повышения надежности коммутирования, шунтирование столбом дуги сопротивления резистивных лент, ограничение величины вводимого перемещением оснований дуги сопротивления.

Известны также автоматические выключатели с устройством для ограничения тока, в которых ограничение величины тока короткого замыкания осуществляется подключением в цепь электрической дуги токоограничивающего резистора [3]. Причем подключение резистора в цепь дуги происходит после входа электрической дуги в деионную камеру.

К недостаткам этого выключателя относится неиспользование растяжения дуги до входа в камеру, длина дуги по величине не превосходит высоты деионной решетки; дополнительный резистор подключается в цепи электрической дуги перебросом основания дуги через воздушный зазор, при этом переход воздушного зазора не сопровождается выталкивающим действием магнитного поля тока короткого замыкания, т.к. участок шины у воздушного зазора параллелен дуге, что задерживает включение резистора и снижает надежность коммутирования токов предельной коммутации.

Наиболее близким по технический сущности и конструкции является автоматический выключатель, в котором удалось исключить задержку движения электрической дуги к деионным пластинам за счет дополнительного воздействия токоведущего контура дугогасящей петли и несколько улучшить дугогашение включением сопротивления этого контура в последовательную электрическую цепь [4].

Автоматический выключатель известной конструкции содержит в изоляционном корпусе контактное устройство из подвижного и неподвижного контактодержателей, механизм свободного расцепления и тепловой термобиметаллический расцепитель, взаимодействующий с ним при токах перегрузки, электромагнитный ударный расцепитель с воздушным зазором в магнитной цепи, состоящей из магнитопровода и якоря со штоком, дугогасительное устройство, включающее дугогасительную камеру с набором деионных пластин и, расположенную на расстоянии воздушного зазора от контактодержателей дугогасящую шину, на которую перемещается электрическая дуга при отключении тока короткого замыкания, с дугогасящей петлей, согнутой замкнутым контуром, проводящим ток электрической дуги в электрической цепи, отключенной при нормальном режиме работы, состоящим из двух частей, одна из которых размещена вне плоскости дугогасящей шины, а другая - параллельно прилегающей к дугогасящей шине.

Токоведущий контур дугогасящей петли имеет сопротивление, равное сопротивлению теплового расцепителя, и неразъмно соединен с ним. В последовательную электрическую цепь токоведущий контур подключается с расхождением контактодержателей перебросом электрической дуги на дугогасящую шину. При этом тепловой расцепитель обесточивается.

Недостатком известного выключателя, выбранного за прототип, является: невысокая предельная коммутационная способность, вследствие малого отброса электромагнитным расцепителем подвижного контактодержателя от неподвижного, большого времени разведения контактодержателей, незначительного изменения общего сопротивления электрической цепи после подключения электрической дугой контура дугогасящей петли, шунтирования на дугогасящей шине, недостаточного растяжения и малой скорости движения электрической дуги в пазу деионных пластин; сложность конструкции из-за неразъемного соединения дугогасящей петли с последовательной электрической цепью выключателя и условия равенства сопротивления контура дугогасящей петли с сопротивлением теплового расцепителя; нерациональное использование объема корпуса.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы в автоматическом выключателе, использующем для ускорения перемещения к деионным пластинам переброс электрической дуги на дугогасящую шину с дугогасящей петлей, при отключения токов короткого замыкания достигнуть наряду с большим снижением времени движения увеличения электросопротивления электрической цепи с дополнительным растяжением электрической дуги, для чего электромагнитным ударным расцепителем производить не только разъединение, но и разведение контактодержателей на отключение, перемещая подвижный контактодержатель до тех пор, пока он, выбрав свободный ход, задействует пружину механизма свободного расцепления ранее снятия защелки зацепления.

Для осуществления этого согласно изобретению в автоматическом выключателе дугогасящая шина снабжена электроизоляционным покрытием, размещена между вводным зажимом и дугогасительной камерой так, что ограничивает высоту набора деионных пластин, при этом расстояние в воздушном зазоре между дугогасящей шиной и контактодержателями больше наименьшего расстояния от контактодержателей до электроизоляционного покрытия.

Нанесение электроизоляционного покрытия на дугогасящую шину служит условием дополнительного увеличения длины столба электрической дуги, т.к. исключает его шунтирование при растяжении. Величина дополнительного растяжения столба электрической дуги соразмерна с протяженностью электроизоляционного покрытия. Степень влияния растяжения столба электрической дуги на процесс дугогашения в предлагаемом выключателе определена размещением электроизоляционного покрытия на дугогасящей шине. Отключение тока короткого замыкания наиболее эффективно, если расстояние в воздушном зазоре между дугогасящей шиной и контактодержателями больше наименьшего расстояния от изоляционного покрытия до контактодержателей, т.е. в случае, когда дополнительное растяжение у электроизоляционного покрытия предшествует перемещению электрической дуги по дугогасящей шине.

Размещение дугогасящей шины с дугогасящей петлей между вводным зажимом и дугогасительной камерой позволяет предложенному выключателю производить ускоренное растяжение столба электрической дуги использованием совпадением направления токов в дугогасящей шине, прилегающей к ней части дугогасящей петли и в проходящей к изоляционному покрытию ветви электрической дуги. Кроме того, это позволяет выключателю активизировать движение столба электрической дуги ко дну паза деионных пластин связью магнитных полей токовых контуров дугогасящей шины и прилегающей части дугогасящей петли с магнитным полем деионных пластин.

В соответствии с изобретением снижение времени расхождения контактодержателей на отключение обеспечивается якорем электромагнитного ударного расцепителя, связанным с обоими контактодержателями по средствам диэлектрического штока, который размещен между механизмом свободного расцепления и устройствами дугогасительным и контактным на расстоянии от подвижного контактодержателя меньшем, чем воздушный зазор электромагнитного ударного расцепителя на величину свободного хода подвижного контактодержателя и большем, чем толщина активного слоя контактных накладок.

Выполнение названных условий размещения диэлектрического штока и связей с контактодержателями дает возможность выключателю в режимах токов короткого замыкания воздействием диэлектрического штока не только разъединять контактодержатели, но и отбрасывать от неподвижного контактодержателя подвижный на расстояние, превосходящее его свободный ход, т.е. вытолкнуть подвижный контактодержатель на нулевое положение за меньшее время и до сброса защелки зацепления.

Более раннее до сброса защелки зацепления задействование усилия пружины дополнительно ускоряет разведение контактодержателей на отключение. Работоспособность электромагнитного ударного расцепителя и надежность контактирования контактодержателей в положении "Включено" сохраняется и при полном износе активного слоя контактных накладок за счет устранения возможности прилегания подвижного контактодержателя к диэлектрическому штоку размещением последнего на расстоянии от подвижного контактодержателя, большем толщины активного слоя контактных накладок.

Связь якоря посредством диэлектрического штока с обоими контактодержателями служит рациональному использованию объема корпуса включателя, позволяет ему воздействовать на подвижный контактодержатель максимально близко к контактной накладке, где сопротивление перемещению минимально.

Согласно изобретению диэлектрический шток не только разделяет контактодержатели, но и, располагаясь между механизмом свободного расцепления и устройствами контактным и дугогасительным, исключает попадание разогретых газов на механизм свободного расцепления и тепловой расцепитель, оставляя газам один путь к газоотводным каналам - через деионные пластины дугогасительной камеры. Направление движения разогретых газов совпадает с перемещением столба электрической дуги и сокращает ее время.

Сопоставительным анализом по перечисленным отличиям заявляемого автоматического выключателя от прототипа подтверждается соответствие критерию изобретения "новизна".

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

На фиг. 1 изображен предлагаемый автоматический выключатель в разрезе в положении "Включено"; на фиг. 2 - кинематическая схема выключателя в положении "Включено" (пунктиром показан процесс отключения вручную из положения "Включено"); на фиг. 3 - автоматический выключатель в разрезе в положении "Отключено вручную" (пунктиром обозначен процесс разъединения и разведения контактодержателей штоком электромагнитного расцепителя при токах короткого замыкания до сброса защелки зацепления); на фиг. 4 - кинематическая схема выключателя в положении "Отключено вручную" (пунктиром обозначен процесс включения вручную из этого положения); на фиг. 5 - кинематическая схема выключения в положении "Отключено автоматически", когда сброс защелки предшествует разъединению контактодержателей, показан процесс отключения автоматического сброса защелки; на фиг. 6 и 7 - кинематическая схема выключателя в процессе автоматического отключения при разделении контактодержателей, опережающим сброс защелки зацепления.

Предлагаемый автоматический выключатель содержит (фиг. 1, 3) в изоляционном корпусе 1 с каналами 2, 3 для отвода ионизированных газов зажимы вводные 4, 5 для крепления внешних проводников, контактное устройство из неподвижного 6 и подвижного 7 контактодержателей с контактными накладками 8 и 9, механизм свободного расцепления в боковинах 10 с расцепляющимся рычагом 11, пружиной 12, защелкой зацепления 13, скобой управления 14 с рукояткой 15, электромагнитный ударный расцепитель 16 с воздушным зазором 17 в магнитной цепи из магнитопровода 18 и якоря 19 с диэлектрическим штоком 20, посредством которого якорь 19 связан с обоими контактодержателями, тепловой термобиметаллический расцепитель 21 на креплении 22, взаимодействующий при токах срабатывания с защелкой зацепления 13, соединенный гибким 23 и плоским 24 проводниками с подвижным контактодержателем 7, дугогасительное устройство, включающее дугогасительную камеру 25 с набором деионных пластин 26, дугогасящую шину 27 с электроизоляционным покрытием 28 и дугогасящей петлей 29, согнутой контуром из двух частей: 30 - параллельно прилегающей к дугогасящей шине и 31 - размещенной вне плоскости дугогасящей шины 27.

Часть 30 контура дугогасящей петли 29 изолирована прокладкой 32 от дугогасящей шины 27 и соединена концом 33 с частью 31, контактирующей неразъемно с этой шиной, а свободным концом 34 заведена в окно 35 вводного зажима 4.

Дугогасящая шина 27 с изоляционным покрытием 28 вместе с дугогасящей петлей 29 размещена между вводным зажимом 4 и дугогасительной камерой 25 так, что с прилегающей частью 30 дугогасящей петли 29 она ограничивает высоту h набора деионных пластин 26. При этом расстояние S в воздушном зазоре 36 от дугогасящей шины 27 до контактодержателей (до любого контактодержателя) больше наименьшего расстояния S₁ от контактодержателей до изоляционного покрытия 28.

Диэлектрический шток 20 якоря 19 электромагнитного ударного расцепителя 16 размещен в корпусе 1 выключателя между механизмом свободного расцепления 10 и устройствами дугогасительным и контактным.

При этом расстояние δ от торца диэлектрического штока 20 до подвижного контактодержателя 7 меньше, чем воздушный зазор 17 электромагнитного расцепителя 16 на величину свободного хода подвижного контактодержателя 7, и больше, чем толщина активного слоя контактных накладок 8, 9.

Предложенный автоматический выключатель работает следующим образом.

1. В режимах ручного управления при токах нагрузки не достигающих величины тока срабатывания теплового расцепителя
I_н ≤ I_нагр. < I_срт.
a) Отключение перемещением рукоятки из исходного "Включено"
В исходном положении "Включено" подвижный контактодержатель 7 одним концом сидит в цапфах 37 расцепляющего рычага 11, другим свободным концом упирается в неподвижный контактодержатель, контактные накладки 8 и 9 прижаты друг к другу. Скоба управления 14 поджата к торцу 38 боковины 10 механизма свободного расцепления. Продольная ось пружины растяжения 12 находится слева от цапф 37 расцепляющего (в данном случае неподвижного) рычага 11 и оси вращения O₁ скобы управления 14.

Усилие пружины растяжения 12, приложенное к подвижному контактодержателю 7 и скобе управления 14 F = F_к+F_с в нижней 39 и верхней 40 точках зацепления раскладывается на усилия F_1к и F_1с ,направленные соответственно вдоль подвижного контактодержателя 7, скобы управления 14 и усилия F_2к, F_2с, прижимающие их к упорам 6 и 38. Рукоятка 15 как привод и сигнализатор состояния выключателя занимает крайнее верхнее положение (фиг. 1 и 2).

Расцепляющийся рычаг 11 неподвижен, т.к. составляющая F_1к усилия растяжения пружины 12, направленная вдоль подвижного контактодержателя 7 к его цапфам 37, уравновешивается с одной стороны реакцией оси вращения O₂, с другой - реакцией защелки зацепления 13.

Ток нагрузки проходит от вводного зажима 5 по проводящему креплению 22 теплового расцепителя 21 через тепловой расцепитель 21, по гибкому 23, плоскому 24 проводникам к подвижному контактодержателю 7, через замкнутые контактные накладки 9 и 8, по неподвижному контактодержателю 6 через электромагнитный ударный расцепитель 16 к вводному зажиму 4. Дугогасящая петля 29 не подключена в электрическую цепь выключателя.

Под воздействием руки оператора рукоятка 15, преодолевая усилие F_2с перемещается по часовой стрелке, проворачивая по оси O₁ скобу управления 14, растягивает пружину 12 переводом верхней точки зацепления 40 к цапфам 37. С растяжением пружины 12 соответственно возрастают усилия F_с, F_к, направленные по ее продольной оси и F_1с, F_1к, направленные вдоль скобы управления 14 и подвижного контактодержателя 7. Разложение сил в точках зацепления 40 и 39 пружины 12 изменяется так, что уменьшается F_2с и F_2к. При достижении верхней точкой зацепления 40 пружины 12 центра цапф 37 продольная ось пружины совпадает с продольной осью подвижного контактодержателя 7, усилие F_2к в нижней точке зацепления 39 становится равным нулю, а F_1к = F_к. В верхней точке зацепления 40 пружины F_2с уменьшаясь, сохраняет направление, противоположное перемещению, т. к. продольная ось пружины 12 остается с прежней стороны от продольной оси скобы управления 14.

Дальнейший проворот рукояткой 15 скобы управления 14 переносит верхнюю точку зацепления 40 пружины 12 за цапфы 37, переводит продольную ось пружины 12 за подвижный контактодержатель 7. Усилие пружины 12 в новом разложении образует силы: F_1к - направленную по продольной оси контактодержателя 7 и F_2к - на разъединение контактодержателей.

С появлением усилия F_2к подвижный контактодержатель 7, моментно проворачиваясь в цапфах 37, отходит от неподвижного контактодержателя 6, разъединяя контактные накладки 8 и 9. Запасенная пружиной 12 энергия тратится только на перемещение подвижного контактодержателя 7, поэтому до начала движения скобы управления 14 подвижный контактодержатель 7 отходит от неподвижного контактодержателя 6 весьма ускоренно. Электрическая цепь выключателей разрывается. Искровой разряд между контактными накладками 8 и 9 незначителен. Дугогасящая петля 29 остается неподключенной. Ток прерывается. Подвижный контактодержатель 7 еще продолжает ускоренно проворачиваться в цапфах 37 и переносит нижнюю точку зацепления 39 к оси вращения O₁ скобы управления. Продольная ось пружины 12 располагается вдоль продольной оси скобы управления 14, когда нижняя точка зацепления 39 достигает оси вращения O₁. Усилие F_2с в верхней точке зацепления 40 падает до нуля, а F_1с совпадает с F_к. Перенос нижней точки зацепления 39 пружины 12 за ось вращения O₁ скобы управления 14 приводит при новом разложении сил к образованию в верхней точке зацепления 40 усилия F_2с, проворачивающего скобу управления у оси O₁. Верхняя 40 и нижняя 39 точки зацепления пружины 12, скоба управления 14 и подвижный контактодержатель 7 усилием сжимающейся пружины 12 сближаются. Энергия пружины 12 тратится на перемещение скобы управления 14 и подвижного контактодержателя 7, поэтому ускорение подвижного контактодержателя 7 уменьшается до достижения скобой управления 14 своего упора. Скоба управления 14, стремясь и подвижному контактодержателю 7, достигает упора - загибом 41 ложится на плечо неподвижного в данный момент расцепляющего рычага 11 между осью O₂ и цапфами 37. Рукоятка 15 останавливается в крайнем положении "Отключено вручную" без сброса зацепления. Продолжение перемещения рукоятки 15 рукой оператора невозможно.

С остановкой скобы управления 14 энергии пружины 12 расходуется исключительно на увеличение скорости подвижного контактодержателя 7. Подвижный контактодержатель 7, с увеличенной скоростью проворачиваясь в цапфах 37, встречает упор - плоский проводник 24.

С прекращением проворота скобы управления 14 и подвижного контактодержателя 7 они прижаты к упорам усилиями F_2с и F_2к, являющимися составляющими разложенного в точках зацепления 40 и 39 усилия пружины 12 (фиг. 4).

б) Включение перемещением рукоятки из исходного "Отключено вручную, без сброса зацепления".

Рукоятка 15 усилием руки оператора, преодолевая F_2с, проворачивает скобу управления 14 у оси вращения O₁ против часовой стрелки, верхняя точка зацепления 40 перемещается в направлении цапф 37. Увеличивается растяжение пружины 12, соответственно возрастают силы в продольных осях подвижного контактодержателя 7 и скобы управления 14-F_1к и F_1c, а усилия F_2к и F_2c уменьшаются (фиг. 4).

При переходе верхней точкой зацепления 40 центра цапф 37 продольная ось пружины 12 совпадает с продольной осью подвижного контактодержателя 7, расклад сил в точках зацепления следующий: в нижней точке зацепления 39-F_2к = 0, а F_1к = F_к; в верхней точке зацепления 40 - F_1c < F_c, а F_2c < 0 по-прежнему имеет направление, противодействующее движению. Дальнейший проворот рукояткой 15 скобы управления 14 и перенос верхней точки зацепления 40 за цапфы 37 обеспечивает переход пружины 12 на другую сторону подвижного контактодержателя 7 и появления усилия F_2к при разложении сил в нижней точке зацепления 39, направленного к неподвижному контактодержателю 6. В верхней точке зацепления 40 силы сохраняют прежнее направление. Усилием F_2к подвижный контактодержатель 7 моментно проворачивается в цапфах 37 и, следуя к неподвижному контактодержателю 6, переносит нижнюю точку зацепления 39 к оси вращения O₁ способы управления 14. При переходе нижней точки зацепления 39 за ось вращения O₁ скобы управления 14 направления сил в ней остаются прежними, а расклад усилия пружины в верхней точке зацепления 40 дает силу F_2c, направленную на разворот скобы управления 14.

С этого момента энергия сжимающейся пружины 12 расходуется на одновременное перемещение подвижного контактодержателя 7 и скобы управления 14. Верхняя 40 и нижняя 39 точки зацепления стремятся навстречу друг другу. Скорость движения подвижного контактодержателя 7 к неподвижному 6 уменьшается. Контактной накладкой 9 подвижный контактодержатель 7 достигает контактную накладку 8 неподвижного контактодержателя 6, служащую ему упором ранее, чем скоба управления 14 ложится на торец 38 боковины 10 механизма свободного расцепления, что делает его посадку более мягкой при моментном включении. Ток проходит по электрической цепи выключателя. В точках зацепления верхней 40 и нижней 39 составляющие усилия пружины F_2к и F_2c прижимают подвижный контактодержатель 7 и скобу управления 14 к их опорам. Рукоятка 15 занимает крайнее положение, соответствующее положению выключателя "Включено" (фиг. 1 и 2).

2. В режимах отключения автоматического при токах нагрузки, больших тока срабатывания теплового расцепителя, но меньших уставки электромагнитного расцепления, когда разъединение и разведение контактодержателей следует за сбросом защелки зацепления
I_срт≤ I_нагр < I_устэ
Тепловой термобиметаллический расцепитель 21, нагреваясь током нагрузки, поворачивает защелку 13 и освобождает расцепляющийся рычаг 11 от зацепления (фиг. 5).

Выход из зацепления, сброс реакции защелки 13 делают расцепляющий рычаг 11 подвижным к развороту на оси O₂, а его цапфы 37 - к вращению в подвижном контактодержателе 7 и нарушают ранее сложившийся расклад сил.

Получая возможность сниматься, пружина 12 стремится приблизить к верхней точке зацепления 40 на скобе управления 14 нижнюю точку зацепления 39 на подвижном контактодержателе 7, который одним концом с контактной накладкой 9 лежит на неподвижном контактодержателе 6, а другим - в цапфах 37. Усилие пружины 12, действуя через подвижный контактодержатель 7 на цапфы 37 расцепляющего рычага 11, проворачивает его у оси O₂ против часовой стрелки. Расцепляющийся рычаг 11 переносит цапфы 37 в направлении верхней точки зацепления 40 по дуге окружности с центром в оси O₂. Цапфы 37, следуя с расцепляющимся рычагом 11, проворачиваются в подвижном контактодержателе 7 против часовой стрелки. Подвижный контактодержатель 7 одним концом следует движению цапф 37 по дуге окружности, поэтому он проворачивается другим концом с контактной накладкой 9 у неподвижного контактодержателя 6 и, сохраняя контактирование, скользит по контактной накладке 8, уходя в сторону механизма свободного расцепления вместе с нижней точкой зацепления 39. Продольная ось подвижного контактодержателя 7 приближается к оси пружины 12 и совпадает с ней, когда цапфы 37 достигают продольной оси пружины 12 (фиг. 5). Усилие F_2к, прижимающее подвижный контактодержатель 7 к неподвижному 6, падает до нуля, а усилие F_1к, прижимающее подвижный контактодержатель 7 к цапфам 37, совпадает по величине и направлению с усилием растяжения пружины 12. Скоба управления 14 по-прежнему прижата к торцу 38 боковин 10 механизма свободного расцепления усилием F_2с, сохранившим направление, т.к. ее продольная ось не утратила угол с продольной осью пружины 12.

Перемещение подвижным контактодержателем 7 за счет усилия сжимающейся пружины 12 цапф 37 по дуге окружности с центром в оси вращения O₂ расцепляющего рычага 11 за верхнюю точку зацепления 40 (пересечение цапфами 37 продольной оси пружины 12) дает при разложении сил в нижней точке зацепления 39 составляющую F_2к, направленную на разведение контактодержателей. Подвижный контактодержатель 7 проворачивается в цапфах 37 движущегося расцепляющегося рычага 11 против часовой стрелки и отходит от неподвижного контактодержателя 6, моментно разъединяя контактные накладки 8 и 9.

В момент разъединения контактных накладок вся энергия пружины расходуется только на увеличение скорости подвижного контактодержателя. Возникшая электрическая дуга растягивается между контактными накладками, расходящимися с большой скоростью, выходит на дугогасительные рога 42 и 43 контактодержателей 6,7 и гаснет. Дугогасящая петля 29 не подключается в цепь выключателя, т. к. энергия электрической дуги при отключении токов до 70 А незначительна, электрическая дуга рассеивается, не достигая свободной от электроизоляционного покрытия 28 поверхности дугогасящей шины 27(фиг. 1).

Точка нижнего зацепления 39 пружины 12 продолжает приближаться к оси вращения скобы управления 14 и переходит ее. Усилие F_2c, прижимающее скобу управления 14 к упору, стремится к нулю. С переносом нижней точки зацепления 39 пружины 12 за ось O₁ скобы управления 14 расцепляющийся рычаг 11 свободным концом 44 останавливается на упоре 45, в разложении сил у верхней точки зацепления 40 возникает усилие F_2c, проворачивающее скобу управления 14 у оси вращения O₁ по часовой стрелке. Энергия пружины 12 расходуется на одновременное перемещение скобы управления 14 с рукояткой 15 и подвижного контактодержателя 7, поэтому скорость его движения снижается до достижения загибом 41 скобы 14 упора - плеча расцепляющего рычага 11 между осью вращения O₂ и цапфами 37.

С остановкой скобы управления 14 движение подвижного контактодержателя 7 ускоряется вновь. Подвижный контактодержатель достигает свой упор - плоский проводник 24 и останавливается. Рукоятка 15 занимает место, сигнализируя о положении выключателя "Отключено автоматически". В этом положении расстояние между контактными накладками 8 и 9 больше, чем в положении "Отключено вручную" за счет дополнительного перемещения подвижного контактодержателя 7 с цапфами 37 к механизму свободного расцепления.

Для возобновления ручного управления выключателем после автоматического отключения со сбросом защелки необходима операция восстановления зацепления расцепляющего рычага 11 с защелкой 13 (фиг. 5). Взвод выключателя ведется усилием руки оператора. Рукоятка 15 перемещается из состояния соответствующего "Отключено автоматически" в направлении вводного зажима 5. Рукоятка 15 проворачивает скобу управления 14 у оси вращения O₁. Так как скоба управления 14 прижата загибами 41 к расцепляющему рычагу 11, то она проворачивает его у оси O₂, при этом цапфы 37 перемещаются по дуге окружности по часовой стрелке. С началом движения расцепляющийся рычаг 11 свободным концом 44, отходит от упора 45, перемещает цапфы 37 с подвижным контактодержателем 7 вниз и, растягивая пружину 12, разносит ее точки зацепления 39, 40 друг от друга. Подвижный контактодержатель 7 будучи прижат к плоскому проводнику 24 скользит по нему. Расцепляющийся рычаг 11 проворачивается до захода свободного конца 44 за защелку 13 и зацепления с ней. После зацепления рычага 11 защелка 13 препятствует его дальнейшему развороту (фиг. 4).

При операции ручного взвода составляющие усилия пружины 12 в точках зацепления 39, 40 не изменяют направления, поэтому подвижный контактодержатель 7 остается прижатым к плоскому проводнику 24, а скоба управления 14 - к расцепляющемуся рычагу 11, подойдя загибами 41 ближе к цапфам 37. Рукоятка 15 занимает место соответствующее положению "Взведено", что равнозначно "Отключено вручную".

3. В режимах отключения автоматического при токах короткого замыкания величиной от токов, превышающих установку электромагнитного расцепителя, до токов предельной коммутационной способности выключателя, когда разъединение и разведение контактодержателей опережает сброс защелки зацепления
I_устэ ≤ I_кз ≤ I_пкс
Нарастающий ток короткого замыкания проходит по контуру выключателя. Токогасящая петля 29 не подключена в электрическую цепь выключателя (фиг. 1).

При достижении током короткого замыкания установки срабатывания электромагнитного расцепителя 16 магнитный поток в воздушном зазоре 17 магнитной цепи развивает усилие притяжения якоря 19 (фиг. 1) к магнитопроводу 18, преодолевающее усилие трогания. Якорь 19, ускоренно двигаясь к магнитопроводу 18, достигает диэлектрическим штоком 20 подвижный контактодержатель 7.

Диэлектрический шток 20 ударом преодолевает усилие контактного нажатия F_2к и, проворачивая в цапфах 37 расцепляющего рычага 11, отбрасывает подвижный контактодержатель 7 от неподвижного контактодержателя 6. Контактная накладка 9, теряя соприкосновение, отбрасывается от контактной накладки 8. Возникает электрическая дуга с основаниями (опорными точками оснований) на расходящихся контактных накладках.

Дальнейший разворот подвижного контактодержателя 7 диэлектрическим штоком 20 по мере стремления якоря 19 к магнитопроводу 18 увеличивает длину столба электрической дуги и приближает нижнюю точку зацепления 39 пружины 12 к оси вращения O₁ скобы управления 14 (фиг. 3 и 6).

Кроме того, ток короткого замыкания, проходя по участкам контактодержателей достаточной протяженности до оснований электрической дуги, вызывает магнитное усилие, стремящееся переместить электрическую дугу, как перемычку контура контактодержателей, на дугогасительные рога. Так как столб электрической дуги более подвижен ее оснований, то к моменту переноса подвижным контактодержателем 7 нижней точки зацепления 39 пружины к оси вращения O₁ до начала использования энергии пружины оба основания электрической дуги выходят только на дугогасительные рога 42, 43 контактодержателей, а столб электрической дуги вытягивается вперед, центром попадая на свободную от электроизоляционного покрытия 28 поверхность дугогасящей шины 27. Прикосновение центра столба электрической дуги к неизолированной поверхности дугогасящей шины 27 разделяет электрическую дугу на две ветви B и C и задействует дугогасящую петлю 29.

Ветвь электрической дуги B с опорной точкой на дугогасительном роге 42 неподвижного контактодержателя 6, перекрывая протяженностью воздушный зазор 36 и электроизоляционное покрытие 28, шунтируется электросопротивлением дугогасящей петли 29. Полный ток короткого замыкания проходит через ветвь C, затем в точке касания 46 центра столба электрической дуги к дугогасящей шине 27 распределяется по направлению к вводному зажиму 4 - часть его проходит через ветвь к дугогасительному рогу 42 неподвижного контактодержателя 6, а другая часть идет по дугогасящей шине 27, контуру дугогасящей петли 29. В момент шунтирования ветви B электрической дуги дугогасящей петлей 29 прикосновением центра столба электрической дуги к дугогасящей шине 27 проводимость контура выключателя по сравнению с выключателем, не имеющим дугогасящей петли, увеличивается, т.к. ветвь электрической дуги шунтируясь, мгновенно не успевает изменить своего сопротивления, что делает шунтирование надежным. Направление составляющих тока короткого замыкания в ветви B электрической дуги, в дугогасящей шине 27 и параллельно прилегающей к ней части 30 дугогасящей петли 29 одно, противоположное направлению тока в ветви C. Поэтому одна ветвь B электрической дуги суммарным магнитным усилием, создаваемым тремя контурами токов (дугогасящей шины, прилегающей части дугогасящей петли и самой ветви B) прижимается к снабженной электроизоляционным покрытием 28 поверхности дугогасящей шины 27, а другая ветвь C - отталкивается к пазу деионных магнитных пластин 26. При этом ветвь B электрической дуги, как проводник с током, не взаимодействует с деионными пластинами 26, т.к. они выполнены с уступом 47, а ветвь C, взаимодействуя с деионными пластинами, создает электромагнитную силу, двигающую ее в дугогасительную камеру 25.

Наиболее эффективное суммирование воздействий магнитных потоков на электрическую дугу в процессе ее возникновения и движения обеспечивается в случае выполнения дугогасящей шины 27 и прилегающей к ней части 30 токового контура дугогасящей петли 29 из немагнитных проводниковых материалов. Этой же цели служит расположение части 31 контура дугогасящей петли 29 в стороне от плоскости дугогасящей шины 27. Условия, обеспечивающие горение ветви B электрической дуги, прижатой к электроизоляционному покрытию 28 дугогасящей шины 27 и имеющей опорную точку (основание) на дугогасительном роге 42 неподвижного контактодержателя 6, крайне осложняются уменьшением тока, остыванием дугогасительного рога и интенсивным разогревом током и центром столба электрической дуги области касания 46 дугогасящей шины 27. Ветвь B электрической дуги теряет температуру, ее сопротивление увеличивается, ток через эту ветвь уменьшается, перетекая в параллель дугогасящей петли 29. Якорь 19 электромагнитного расцепителя 16, выбрав воздушный зазор 17, достигнув магнитопровод 18, замыкает магнитную цепь (сопротивление электромагнитного расцепителя увеличивается, ток в ветви B уменьшается) и диэлектрическим штоком 20 выталкивает подвижный контактодержатель 7 нижней точкой зацепления 39 пружины 12 за ось вращения O₁ скобы управления 14 (фиг.6 и 7).

Усилие пружины 12 в верхней точке зацепления 40 раскладывается на F_1c, направленное вдоль скобы управления 14, и F_2c, проворачивающее скобу управления 14 по часовой стрелке. Скоба управления 14, проворачиваясь сжимающейся пружиной 12 у своей оси O₁, подводит верхнюю точку зацепления 40 к неподвижным цапфам 37. Продольная ось пружины 12 совпадает с продольной осью подвижного контактодержателя 7, усилие, сдерживающее его движение, падает до нуля. При переводе верхней точки зацепления 40 за цапфы 37 пружина 12, сжимаясь проворачивает с ускорением одновременно скобу управления 14 у оси O₁ и подвижный контактодержатель 7 в цапфах 37 в направлении сближения точек зацепления 39 и 40. После того, как скоба управления 14 загибом 41 упрется в расцепляющийся рычаг 11, а рукоятка 15 займет крайнее положение, на перемещение подвижного контактодержателя 7 затрачивается вся энергия пружины 12. Подвижный контактодержатель 7 с возрастающим ускорением заносит свободный конец 43 с опорной точкой основанием электрической дуги в паз набора деионных пластин 26 и, двигаясь к упору 24 (плоскому проводнику), растягивает ее столб. Ветвь C столба электрической дуги, удлиняясь, перекрывает высоту h набора деионных пластин 26 дугогасительной камеры 25, общая протяженность электрической дуги и ее электросопротивление значительно увеличиваются.

Стенки паза набора деионных пластин 26 защищены изоляционными пластинами 48 от соприкосновения с электрической дугой, что исключает их оплавление, потерю магнитных свойств и сохраняет рост величины магнитной силы, действующей на ветвь C. Центр ветви C электрической дуги достигает первым основания паза деионных пластин 26.

С разъединением контактных накладок 8 и 9 электрическая дуга разогревает и ионизирует газы, развивает избыточное давление.

Так как якорь 19 посредством диэлектрического штока 20 связан с обоими контактодержателями и не теряет этой связи сразу после выталкивания подвижного контактодержателя 7 за нулевое положение (связь подвижного контактодержателя 7 посредством диэлектрического штока 20 с неподвижным контактодержателем 6 нарушается после выхода выступающей кромки 49 бокового торца подвижного контактодержателя за торец диэлектрического штока 20), а диэлектрический шток 20 размещен между механизмом свободного расцепления 10 и устройствами контактным и дугогасительным, то избыточное давление газов создается в ограниченном объеме, изолированном от объема, занимаемого механизмом свободного расцепления и тепловым расцепителем. Разогретые газы находят выход к отводным каналам 2 и 3 у опорных точек оснований обоих ветвей электрический дуги, где столб ее наиболее разогрет и имеет меньший диаметр. Направление движения разогретых газов совпадает с направлением электромагнитных сил, воздействующих на электрическую дугу. Способствуя движению электрической дуги, разогретые газы выталкивают часть ее ветви B в воздушный зазор между неподвижным контактодержателем 6 и электроизоляционным покрытием 28 дугогасящей шины 27. Ветвь B электрической дуги гаснет. Погасанием одной ветви B электрической дуги неподвижный контактодержатель 6 и электромагнитный расцепитель 16 исключаются из электрической цепи выключателя, дугогасящая петля 29 подключается последовательно, а другая ветвь C приобретает новое основание с опорной точкой 46 на разогретой поверхности дугогасящей шины 27. Подключение дугогасящей петли 29 в последовательную электрическую цепь выключателя приводит к ограничению тока короткого замыкания и способствует дугогашению, т. к. активное электросопротивление дугогасящей петли больше, чем сопротивление обесточиваемых элементов.

Электрическая дуга продолжает ускоренно перемещаться. Одно ее основание под суммарным воздействием магнитных полей токов в дугогасящей шине 27 и прилегающей к ней части 30 дугогасящей петли 29, совпадающих по величине и направлению усилий притяжения деионных пластин 26 и выталкивания разогретых газов, мгновенно перемещается по поверхности дугогасящей шины к ее свободному концу, а другое основание с подвижного контактодержателя 7 переходит на плоский проводник 24, чем исключает подвижный контактодержатель 7 из электрической цепи выключателя. Завершается вхождение столба электрической дуги в дно паза деионных пластин. Основание электрической дуги продолжает перемещаться по плоскому проводнику 24. Разогретые ионизированные газы, проходя отводной канал 3, исключают из электрической цепи выключателя тепловой расцепитель 21, замыкая его токопроводящее крепление 22 с плоским проводником 24. Исключение из электрической цепи выключателя контура подвижного контактодержателя 7 и теплового расцепителя 21 не останавливает падения тока короткого замыкания, т. к. сопротивление дугогасящей петли значительно превосходит их сопротивления. Электрическая дуга гаснет. Якорь 19 электромагнитного расцепителя 16 возвращается в исходное состояние под действием пружины (пружина не показана). Подвижный контактодержатель 7, коснувшись упора 24, находится в состоянии "Отключено вручную". Со снятием защелки 13 конец 44 расцепляющего рычага 11 освобождается от зацепления и под действием составляющей усилия пружины 12 рычаг 11 разворачивается на оси O₂, перенося цапфы 37 и воздействуя на изгиб 41, разворачивает у оси O₁ скобу управления 14. Свободный конец 44 расцепляющего рычага ложится на упор 45. Подвижный контактодержатель 7, не теряя контактирования с упором 23, уходит по нему в сторону механизма свободного расцепления. Рукоятка 15 переводится скобой управления в сигнальное положение "Отключено автоматически" (фиг.5).

Таков процесс отключения предлагаемым выключателем токов короткого замыкания от 200 до 3500 A, вызывающих "короткие дуги", процесс гашения которых определяется главным образом скоростью растяжения, длиной растяжения, электродинамическими силами.

При отключении токов от 3500 до 10000 A возрастает доля влияния на время электрической дуги приэлектродных процессов. Электрическая дуга гаснет в этих случаях после прихода подвижного контактодержателя 7 в крайнее положение, соответствующее "Отключено автоматически".

Отключение токов короткого замыкания промышленной частоты величиной до 10000 A включительно при напряжении 380 B предложенный выключатель производит за 0,006-0,009 c. В вариантах исполнений предлагаемого автоматического выключателя наклон дугогасящей шины 27 к плоскости контактирования контактных накладок 8 и 9, воздушный зазор 36, протяженность изолируемой поверхности дугогасящей шины 27, масса деионных пластин 26 и высота их набора h выбираются по максимальной величине ожидаемого тока отключения и, как правило, с его ростом увеличиваются. Изменяется также при выбранной массе деионных пластин ориентация высоты набора.

Предлагаемый автоматический выключатель имеет преимущества по сравнению с прототипом:
- обладает повышенной коммутационной способностью, коммутируя токи от 10 кА при напряжении 380 В;
- обладает большим токоограничением за счет ускоренного перемещения и дополнительного растяжения электрической дуги, снабжающей контур выключателя увеличенным электросопротивлением токоограничивающей петли;
- более прост по конструкции - не требует для отключенной в исходном состоянии дугогасящей петли неразъемного соединения с элементами электрической цепи выключателя;
- рационален по использованию объема корпуса и защите узлов от действия разогретых газов.

Использование: изобретение относится к низковольтным электрическим коммутационным аппаратом, в частности к автоматическим выключателям. Электромагнитным ударным расцепителем производят не только разъединение, но и разведение контактодержателей на отключение, перемещая подвижный контактодержатель до тех пор, пока он, выбрав свободный ход, задействует пружину механизма свободного расцепления ранее снятого зацепления. Ускоренное перемещение и дополнительное растяжение электрической дуги обеспечивается тем, что дугогасящая шина снабжена электроизоляционным покрытием, размещена между вводным зажимом и дугогаситальной камерой так, что вместе с дугогасящей петлей ограничивает высоту набора деионных пластин. Согласно изобретению диэлектрический шток ударного электромагнитного расцепителя исключает попадание нагретых газов на узлы выключителя. В предлагаемом автоматическом выключателе растянутый столб электрической .дуги, перемещаясь при отключении тока короткого замыкания, образует две ветви и центром, попадая на часть шины не покрытую изоляционным материалом, подключает дугогасящую петлю к одной из них параллельно. Выключатель обеспечивает токоограничение, надежное отключение токов короткого замыкания, снижает время дуги и исключает контактодержатели и расцепители из электрической цепи ранее погасания электрической дуги. 7 ил.

Автоматический выключатель, содержащий расположенные в изоляционном корпусе контактное устройство, имеющее подвижный и неподвижный контактодержатели и контактные накладки, механизм свободного расцепления и тепловой термобиметаллический расцепитель, взаимодействующий с ним при токах перегрузки, электромагнитный ударный расцепитель с воздушным зазором в магнитной цепи, состоящей из магнитопровода и якоря со штоком, дугогасительное устройство, включающее дугогасительную камеру с набором деионных пластин и расположенную на расстоянии воздушного зазора от контактодержателей дугогасящую шину с дугогасящей петлей, согнутой замкнутым контуром за дугогасящей шиной, состоящим из двух частей, одна из которых размещена вне плоскости дугогасящей шины, а другая - параллельно дугогасящей шине, вводный зажим, отличающийся тем, что дугогасящая шина снабжена электроизоляционным покрытием, размещена с дугогасящей петлей между вводным зажимом и дугогасительной камерой так, что расстояние в воздушном зазоре между дугогасящей шиной и контактодержателями больше наименьшего расстояния от контактодержателей до электроизоляционного покрытия, а якорь ударного электромагнитного расцепителя связан с обоими контактодержателями посредством диэлектрического штока, который размещен между механизмом свободного расцепления и устройствами дугогасительным и контактным на расстоянии от подвижного контактодержателя, меньшем, чем воздушный зазор электромагнитного ударного расцепителя на величину свободного хода подвижного контактодержателя, и большем, чем толщина активного слоя контактных накладок.