МАКСИМАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ ТОКА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H01H71/16 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроаппаратостроению, конкретно к конструкции токочувствительных расцепителей, обеспечивающих срыв защелки механизма свободного расцепления контактов главной цепи автоматического выключателя, используя тепловую деформацию исполнительных термобиметаллических элементов, вызываемую током нагрузки.

В максимальных тепловых расцепителях тока автоматических выключателей широко применяются исполнительные термобиметаллические элементы. См. Листок-каталог 07.00.13-83 "Выключатели автоматические типов ВА51-25 и ВА51Г25" (Издание ИНФОРМЭЛЕКТРО, Москва, 1983 год, стр. 15, рис. 7. Общий вид выключателя).

Известный максимальный тепловой расцепитель тока с исполнительным термобиметаллическим элементом крепят на скобе, снабженной регулировочным винтом в корпусе автоматического выключателя, содержащего механизм свободного расцепления, управляемый защелкой. Пластина термобиметаллического элемента жестко закреплена одним концом на скобе, а другим, свободным концом, несущим гибкий токовод, имеет возможность взаимодействовать с защелкой механизма свободного расцепления при срабатывании. Разогрев термобиметаллической пластины до температуры срабатывания осуществляется током нагрузки, проходящим через всю пластину от токовода до скобы крепления.

Недостатками известной конструкции максимального теплового термобиметаллического расцепителя тока являются:
1. Осуществление исполнения на различные номинальные токи в габаритах одного выключателя проводят за счет изменения сечения, формы, мраки материала термобиметаллического элемента и вида нагрева, что снижает надежность работы аппаратов защиты, нарушает идентичность характеристик срабатывания (время-токовых).

2. Нерациональное использование энергии для развития хода термобиметаллического элемента в тепловых режимах, близких к стационарному, вызванное смещением максимума температурного поля в сторону свободного конца, из-за большей теплоотдачи в скобу крепления.

3. Повышенные потери мощности в термоэлементе. Они вызваны тем, что в установившихся тепловых режимах при токах несрабатывания, например, 1,05 1н или 1,13 1н ход свободного конца термобиметаллического элемента развивается на линейном участке кривой зависимости хода от температуры, а при токах срабатывания, например, 1,3 1н или 1,45 1н - за линейным участком. Разница ходов срабатывания и несрабатывания Δ = l_ср-l_н.ср должна быть постоянной для преодоления усилия, противодействующего сбросу зацепления. Поэтому исходные потери мощности при номинальном токе сознательно увеличивают для увеличения хода срабатывания и получения требуемой величины Δ.
Известны также максимальные тепловые расцепители тока автоматического выключателя по А.С. СССР N 1239761, H 01 H 71/16, публ. 86.06.23 Бюл. N 23. Выключатель содержит механизм свободного расцепления, управляемый защелкой, термобиметаллическую пластину, один конец ее закреплен на скобе, на которой расположен регулировочный винт. Один гибкий токовод закреплен на свободном конце пластины, а другой закреплен между ее свободным и неподвижным концом.

Такое закрепление гибких тоководов фиксирует на термобиметаллической пластине максимального теплового расцепителя участок, обтекаемый током нагрузки, что обеспечивает увеличение времени срабатывания автоматического выключателя при пусковых токах, за счет того, что другой участок термобиметаллической пластины, не обтекаемый током, не успевает прогреться в кратковременных режимах. Конструкция известных максимальных расцепителей тока позволяет использовать термобиметаллическую пластину без изменения ее размеров и марки материала на два - три значения номинальных тока. Возможность изменять величину и расположение участка, обтекаемого током, и участков, не обтекаемых током, позволяет более рационально использовать энергию для развития хода.

Однако известный максимальный тепловой расцепитель тока не лишен недостатков:
1. Низка надежность работы, ограничен диапазон и величина номинальных токов протяженностью участка термобиметаллической пластины, обтекаемого током. При величине участка, обтекаемого током, меньшей 1/3 длины биметаллической пластины, при пусковых токах и токах, близких к уставке электромагнитного расцепителя, он недопустимо разогревается, но не развивает хода срабатывания, что приведет к выходу из строя выключателя.

Наиболее близкой по технической сути к заявляемому является конструкция максимального теплового расцепители тока для автоматического выключателя. См. Информационный листок с научно-техническом достижении N 87-12, Серия P 45.31.31 "Токочувствительный термобиметаллический элемент прямого нагрева" (Рис. 2). Издание Ставропольского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды, 1987 г.

Известный максимальный тепловой расцепитель тока, выбранный за прототип, содержит термобиметаллический элемент, имеющий форму пластины, консольно закрепленный на скобе-тоководе, гибкий токовод, закрепленный на свободном конце термобиметаллического элемента, и гибкой структуры шунт, одним концом связанный со скобой-тоководом, а другим концом контактирующий с термобиметаллическим элементом между его концами.

Гибкий токовод и гибкой структуры шунт выделяют на термобиметаллическом элементе участок, обтекаемый током. При этом нагрев током нагрузки участка, "не обтекаемого током", исключен шунтированием.

Конструкция, выбранная за прототип, совершеннее предыдущей в надежности работы при пусковых и больших токах за счет передачи тепла от участка, обтекаемого током, через шунт к участку, "не обтекаемому током", и происхождению, по нему части большого тока.

Однако известному максимальному тепловому расцепителю тока, выбранному за прототип, присущи недостатки:
1. Ограничен диапазон и величина номинальных токов по исполнению (на одном термобиметаллическом элементе только два значения).

2. Мала надежность работы при участке, обтекаемом током, протяженностью менее 1/3 длины термобиметаллического элемента.

Предлагаемое техническое решение открывает возможности совершенствования конструкции максимального теплового расцепителя тока позволяет значительно поднять диапазон исполнений по номинальным токам на одном термобиметаллическом элементе, увеличить надежность работы.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы расширить диапазон исполнений тепловых расцепителей по номинальным токам на конкретном термобиметаллическом элементе, увеличить надежность его работы за счет снижения размера участка, обтекаемого током, и предусмотрения перетекания тока от этого участка в другие участки термобиметаллического элемента при срабатывании.

Для осуществления названного согласно изобретению в максимальном тепловом расцепителе тока шунт гибкой структуры выполнен из 2-х частей, части шунта гибкой структуры закреплены неразъемно обоими концами каждая на поверхности активного и пассивного слоев термобиметаллического элемента соответственно, так что одними концами они примыкают к разным тоководам, а другими концами перекрывают друг друга, образуют нахлестку и фиксируют на термобиметаллическом элементе участок. Причем величина этого участка меньше расстояния между тоководами на термобиметаллическом элементе и больше его толщины.

Перетекание тока от этого участка к другим участкам обеспечивается во всех случаях срабатывания.

Во всех случаях величина фиксированного участка меньше нахлестки. При нахлестке, близкой к 0, величина участка близка по размеру к толщине термобиметаллического элемента.

Сопоставительным анализом по перечисленным отличиям заявляемого максимального теплового расцепителя тока от прототипа подтверждается соответствие критерию изобретения "Новизна".

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

Сущность изобретения поясняем чертежами:
На фиг. 1 изображен предлагаемый максимальный тепловой расцепитель тока автоматического выключателя.

На фиг. 2 изображен предлагаемый максимальный тепловой расцепитель тока, встроенный в автоматический выключатель.

На фиг. 3 приведена электрическая схема предлагаемого максимального теплового расцепителя тока.

На фиг. 4 приведены графики зависимости сопротивления предлагаемого теплового расцепителя от исполнения шунтов для конкретного термобиметаллического элемента.

Предлагаемый максимальный тепловой расцепитель тока автоматического выключателя содержит термобиметаллический элемент 1, имеющий форму пластины, см. фиг. 1 и фиг. 2; два токовода: скобу-токовод 2 и гибкий токовод 3; шунт гибкой структуры, состоящий из двух частей 4 и 5. Термобиметаллический элемент 1 консольно закреплен на скобе-тоководе 2, а на свободном его конце 6 закреплен гибкий токовод 3. Одна часть 4 шунта гибкой структуры размещена на пассивном слое термобиметаллического элемента 1, а другая часть 5 - на активном слое. Части 4 и 5 шунта гибкой структуры закреплены неразъемно обоими концами каждая на поверхности пассивного и активного слоев термобиметаллического элемента 1, одними концами примыкают к тоководам 2 и 3 соответственно, а другими концами, перекрывая друг друга, образуют нахлестку 7 и фиксируют участок 8, обтекаемый током.

Части 4 и 5 шунта гибкой структуры местами неразъемного контактирования делят термобиметаллический элемент на участки (См. фиг. 3).

На фиг. 3 приводим электрическую схему предложенного максимального теплового расцепителя тока:
R₁ - электросопротивление одной части 4 шунта гибкой структуры;
R₂ - электросопротивление фиксированного по величине участка 8, обтекаемого током;
R₂, R₄ - электросопротивления других участков термобиметаллического элемента;
R₅ - электросопротивление другой части шунта гибкой структуры.

Для удобства решения схема приводится к форме соединения треугольником, а затем по формулам учебника "Теоретические основы электротехники", под ред. проф. П.А. Ионкина. - М.: "Высшая школа", 1973.

преобразуется в соединение звездой (фиг. 3c).

Отсюда

Расчет электросопротивления предложенного максимального расцепителя тока проведен на ЭВМ счетного центра Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии для термобиметаллического элемента, имеющего форму пластины, выполненного из ТБ 200/113, с медными частями шунта гибкой структуры двух исполнений по сечению - 0,1 х 9 мм² и 0,2 х 9 мм².

Ширина термобиметаллического элемента 9 мм, толщина 1 мм, расстояние между тоководами 24 мм, шаг изменений длины частей шунта 1 мм. Результаты приведены на фиг. 4.

Предлагаемый максимальный тепловой расцепитель тока автоматического выключателя работает следующим образом. При прохождении через выключатель тока нагрузки защищаемой цепи, равного по величине номинальному току либо току несрабатывания, например 1,13 1н, основным источником энергии на термобиметаллическом элементе 1 является участок 8 (фиг. 1) с электросопротивлением R₃ (фиг. 3), что обеспечивается распределением тока нагрузки размещенными на поверхности активного и пассивного слоя частями 4 и 5 шунта гибкой структуры. Тепловая деформация термобиметаллического элемента 1 при таком токе нагрузки недостаточна для развития его свободным концом 6 хода срабатывания. Выключатель продолжает проводить ток.

Возрастание тока нагрузки до величины уставки по току срабатывания, например 1,45 1н либо выше, определяет разогрев частей 4 и 5 шунта гибкой структуры и увеличение их электросопротивлений R₁ и R₅ (фиг. 3). В результате ток в R₃ уменьшается, а в R₂ и R₄ увеличивается.

К моменту срабатывания, т.е. достижения тепловой деформацией термобиметаллического элемента 1 уровня, достаточного для развития свободным концом 6 хода срабатывания при названных и больших токах нагрузки, величина тока в R₃ много меньше токов в R₂ и R₄. Это предотвращает недопустимый разогрев участка 8 (R₃) при любой допустимо малой его величине и повышает надежность развития хода срабатывания участием всех участков термобиметаллического элемента 1, находящихся между тоководами 2 и 3.

Исполнение частей шунта 4 и 5 гибкой структуры, размещение и закрепление их на поверхности разных слоев, прилегающими к разным тоководам, образование ими нахлестки (протяженность каждой части 4 и 5 меньше расстояния между тоководами) практически исключает влияние их жесткости на развитие свободным концом 6 термобиметаллического элемента 1 хода срабатывания. По достижению хода срабатывания термобиметаллический элемент 1 свободным концом 6 сбрасывает защелку 9 (фиг. 2) механизма свободного расцепления 10 автоматического выключателя. Выключатель разрывает цепь главных контактов.

Предлагаемый максимальный тепловой расцепитель тока автоматического выключателя имеет преимущества по сравнению с прототипом:
1. Обладает большим диапазоном исполнений номинальных токов на одной термобиметаллической пластине
(32 A; 40 A; 50 A; 63 A)
(прототип - 16 A; 25 A)
2. Имеет высокую надежность работы, не зависящую от величины участка обтекаемого током.

3. Обеспечивает равную разницу ходов срабатывания и несрабатывания при меньшей потребляемой мощности Δ = 1,5 мм
при P = 1,70 Вт
(Прототип Δ = 1,5 мм при P = 2,3 Вт).

4. Имеет большую возможность вариаций характеристик для разных исполнений при заданной мощности (см. фиг. 4).

Предложенный максимальный тепловой расцепитель тока апробирован в автоматическом выключателе ВА51-29 на 1ном 63 A и выдержал испытания ПКС в контуре 4,5 кА cosϕ = 0,8.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроаппаратостроению. Согласно изобретению части шунта одними концами примыкают к разным тоководам, а другими концами перекрывают друг друга, образуют нахлестку и фиксируют участок, обтекаемый током, служащий источником энергии при срабатывании. При любой величине этого участка (он больше толщины биметаллической пластины и меньше расстояния между тоководами) в процессе разогрева частей шунта током нагрузки при срабатывании ток перераспределяется в другие участки, что сохраняет от недопустимого перегрева основной участок и повышает надежность работы расцепителя. Таким образом, расширен диапазон исполнений номинальных токов на одной термобиметаллической пластине с 25 до 65А. 6 ил.

Максимальный тепловой расцепитель тока автоматического выключателя, содержащий термобиметаллический элемент, имеющий форму пластины, консольно закрепленный на скобе-тоководе, гибкий токовод, закрепленный на свободном конце термобиметаллического элемента, и шунт гибкой структуры, одним концом связанный со скобой-тоководом, а другим концом контактирующий с термобиметаллическим элементом между его концами, отличающийся тем, что шунт гибкой структуры выполнен из двух частей, части шунта гибкой структуры размещены на разных слоях термобиметаллического элемента, закреплены неразъемно обоими концами на поверхности активного и пассивного слоев соответственно, так что одними концами они примыкают к разным тоководам, а другими концами перекрывают друг друга, образуют нахлестку и фиксируют в центре термобиметаллического элемента участок, при этом величина участка меньше расстояния между тоководами и больше толщины термобиметаллического элемента.