НИЗКОВОЛЬТНЫЙ АППАРАТ УПРАВЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01H77/10 

Изобретение относится к низковольтным электрическим коммутационным аппаратам, предназначенным для защиты электрических сетей, электроустановок и потребителей электрической энергии от токов короткого замыкания.

Известен аппарат по авторскому свидетельству СССР №1467601, публ. 1989 г., который содержит на каждом полюсе пару подпружиненных контактов, образующих токоограничивающее электродинамическое устройство. Шарнирно закрепленный в корпусе на каждом полюсе подвижный контакт соединен через систему рычагов, выполненных по принципу "ломающихся" звеньев, с рукояткой и с расцепляющимся рычагом, взаимодействующим с парой защелка-рейка. На поворотную отключающую рейку имеет возможность воздействовать подвижный элемент максимального расцепителя тока. Для надежного размыкания контактов в аварийных режимах аппарат снабжен защелочным механизмом. Этот механизм, а также электродинамическое устройство, усложняют конструкцию, увеличивают ее вес, приводят к большим тепловым потерям, имея в виду нагрев электродинамического устройства и условия горения дуги, неблагоприятные для аппарата в целом.

Наиболее близким изобретению по совокупности существенных признаков является токоограничивающий выключатель по авторскому свидетельству СССР №1453473 от 1989 г., который содержит в каждом полюсе контактодержатель на изоляционной траверсе, кинематически связанной с механизмом свободного расцепления, включающим систему "ломающихся" рычагов, взаимодействующих посредством пружины с рукояткой и с расцепляющимся рычагом, имеющим зацепление с защелкой, а защелка - с поворотной отключающей рейкой. Выступ рейки взаимодействует с подвижным элементом максимального расцепителя тока. Неподвижный контакт выполнен в виде петли для создания электродинамического взаимодействия. Подвижный контакт соединен гибким проводником с токовой цепью максимального расцепителя и подпружинен относительно контактодержателя.

Как и в предыдущем аналоге, выключатель по авторскому свидетельству 1453473 имеет существенные тепловые потери в области контактов, обусловленные размерами токовых элементов, которые определяются динамическими характеристиками контактной системы. Расчет конструкции выключателя на более высокие номинальные токи без увеличения тепловыделения внутри корпуса приводит к увеличению его габаритов и удорожанию выключателя. Усилие, создаваемое пружиной между рукояткой и "ломающимися" рычагами, обеспечивает высокую скорость перемещения подвижных контактов, но в известной конструкции не превышает 60-70 кгс, так как при увеличении сил взаимодействия быстро выходит из строя поворотная рейка и выключатель в целом, а также становится предельно тяжелой эксплуатация аппарата.

Технической задачей изобретения является повышение надежности низковольтного аппарата управления и распределения путем увеличения износостойкости; обеспечение возможности использования аппарата одного габарита на разные номиналы тока; снижение его габаритов и металлоемкости в целом; повышение значения кратковременно выдерживаемого тока низковольтного аппарата I_cw (принятое обозначение по МЭК 947-1, ГОСТ Р 50030.1-2000).

Поставленная задача решена заявляемым изобретением.

Предлагается низковольтный аппарат управления и распределения, содержащий корпус, упоры для фиксации механизмов, на оси корпуса установлена поворотная изоляционная траверса, с которой шарнирно соединены на каждом полюсе подвижные контакты, подпружиненные относительно траверсы для прижима коммутирующих элементов и соединенные гибким проводником с внешним выводом; траверса кинематически связана с механизмом свободного расцепления, который содержит систему рычагов, взаимодействующих посредством пружины с рукояткой оперативного управления, а расцепляющийся рычаг указанного механизма установлен шарнирно в корпусе с возможностью входить в зацепление с поворотным относительно корпуса рычагом механизма передачи вращения рейки, имеющей выступ, взаимодействующий с подвижным элементом расцепителя. В отличие от прототипа, на каждом полюсе подвижные контакты выполнены в виде группы из 2n главных контактов, где n=1, 2 и другие простые числа, установленных на одной оси с дугогасительным контактом с зазором между собой и расположенных попарно симметрично относительно продольной оси дугогасительного контакта, соединены все контакты электрически параллельно, при этом коммутирующий элемент дугогасительного контакта выдвинут далее главных контактов от оси к периферии аппарата на 20-30 мм для цели удаления зоны дугогашения, а коммутирующие элементы неподвижного контакта расположены непосредственно на однонаправленном внешнем выводе токовой цепи; поворотный рычаг механизма передачи вращения рейки выполнен в виде скобы, установленной с возможностью входить в зацепление с защелкой, также установленной с возможностью входить в зацепление с отключающей рейкой, при этом линия зацепления расцепляющегося рычага и поворотной скобы удалена от центра оси поворотной скобы на 2-3 мм.

На фигуре 1 показан низковольтный аппарат управления и распределения во включенном состоянии, на фигуре 2 показано крепление подвижных контактов на траверсе, на фигуре 3 - разомкнутое положение аппарата после отключения вручную, на фигуре 4 - разомкнутое положение аппарата при автоматическом отключении токов короткого замыкания.

В корпусе аппарата установлена поворотная изоляционная траверса 1 на оси 2 (корпус на фигурах условно изображен в виде прямоугольника и числовой позиции не имеет). С траверсой посредством шарнира 3 соединены на каждом полюсе 2n главных контактов, и при n, равным, например, 2, - это четыре главных контакта 4-7 (фиг.2) и дугогасительный контакт 8, имеющие коммутирующие элементы 9-13. Выбор кинематической схемы, включающей, например, четыре главных и один дугогасительный контакт, позволяет увеличить суммарное сечение коммутирующих элементов, что приводит к снижению тепловыделения на контактах и поэтому обеспечивает эксплуатационные преимущества аппарата управления и распределения. Одновременно достигается повышение величины кратковременно выдерживаемого тока короткого замыкания, что позволяет использовать заявляемый аппарат как селективный выключатель. Уменьшение величины тока на коммутирующих элементах подвижных контактов и снижение тепловыделения на контактах создает возможность для уменьшения массогабаритов аппарата в целом.

Главные контакты и дугогасительный контакт установлены на одной оси 3 с зазором между собой и электрически соединены параллельно. Во избежание "запинания" контактов при отключениях на их внутренних боковых гранях выполнены выступы 14, которые обеспечивают зазор между контактами и свободное перемещение относительно друг друга. Главные контакты расположены попарно симметрично относительно продольной оси дугогасительного контакта. Коммутирующий элемент дугогасительного контакта 11 выдвинут в направлении от оси к периферии аппарата на 20-30 мм для цели удаления зоны дугогашения. Указанный размер выбирается исходя из условий сборки аппарата, а также из условия сохранения электрического соединения с внешней токоведущей цепью до момента разъединения всех главных контактов. В этом случае дуга возникает только при размыкании коммутирующего элемента дугогасительного контакта внутри дугогасительной камеры (на чертежах не показана). Симметричное расположение главных контактов обеспечивает динамическое равновесие группы контактов на полюсе. Увеличение числа главных контактов, например, более 4 рассматривается исходя из целесообразности их конструктивного размещения на каждом полюсе.

Коммутирующие элементы 15, 16 неподвижного однонаправленного (без образования токовой петли для цели создания электродинамического воздействия) контакта 17 соединены с внешней токовой цепью. Прижатие контактов 4-8 во включенном состоянии дополнительно усиливают четыре пружины 18-21 на четырех главных контактах и пружины 22 на дугогасительном контакте. Суммарное действие пяти пружин составляет приблизительно 50-60 кгс во включенном состоянии.

В известных конструкциях низковольтных аппаратов управления и распределения применение электродинамического компенсатора в виде токовой петли имеет целью увеличить величину кратковременно выдерживаемого тока I_CW. Недостаток токовой петли в первую очередь состоит в том, что сам контакт при этом имеет подвижное шарнирное электрическое соединение. Кроме того, сечение токоведущих частей токовой петли уменьшают, что определяется требованиями на габаритное исполнение аппарата, прямо связанное со его стоимостью. При применении такого аппарата на большие токи свыше 1000 А тепловые потери увеличиваются многократно. Заявленное изобретение лишено этих недостатков. Использование предлагаемого аппарата как низковольтного селективного выключателя на больших токах короткого замыкания стало возможным благодаря установке пружин 18-21, компенсирующих электродинамические силы отброса.

Подвижные контакты, установленные на траверсе 1, электрически соединены посредством гибкого проводника 23 с внешней токовой цепью 24. Кинематически траверса 1 с помощью шарнира 25 соединена с механизмом свободного расцепления, который включает "ломающиеся" рычаги 26 и 27, шарнирно связанные между собой и с расцепляющимся рычагом 28, закрепленным в корпусе аппарата на оси 29. Между шарниром 30 и рукояткой 31 установлена пружина 32, которая в статическом состоянии уравновешена благодаря закрепленному положению шарнира 33, принадлежащего расцепляющемуся рычагу 28.

Механизм передачи вращения рейки содержит поворотный рычаг в виде П-образной скобы 34. Скоба установлена в корпусе на оси 35 с возможностью входить в зацепление с защелкой 36, которая также установлена с возможностью входить в зацепление с отключающей рейкой 37. Оси скобы 34, защелки 36 и рейки 37 подпружинены (на чертежах не показано), что позволяет им занимать исходное положение при взводе аппарата. С выступом 38 рейки взаимодействует подвижный элемент 39 расцепителя 40. Рычаг 28 установлен в корпусе с возможностью входить в зацепление с поворотной скобой 34. Линия зацепления 41 расцепляющегося рычага и скобы удалена от центра оси 35 на 2-3 мм. Упоры 42 и 43 принадлежат корпусу, а упором 44 снабжена рукоятка 31.

Низковольтный аппарат управления и распределения работает следующим образом.

1. Во включенном положении аппарата, при протекании через главную цепь аппарата, состоящую из гибкого проводника 23, подвижных контактов, коммутирующих элементов, внешних выводов 17, 24, номинального кратковременно выдерживаемого тока I_CW на подвижные контакты 4-8 (на каждом полюсе) действуют силы отброса. Для компенсации этих сил и обеспечения надежного соединения коммутирующих элементов между траверсой и подвижными контактами установлены пружины сжатия 18-21. Расчет показывает, что при протекании токов с амплитудой около 80 кА на каждом полюсе необходимо компенсировать суммарные усилия отброса более 50 кг. При увеличении нажатия снижается переходное сопротивление в зоне контактирования, что в условиях протекания через главную электрическую цепь номинального тока уменьшает тепловые потери аппарата в целом. Коммутация тока на каждом полюсе осуществляется подвижным контактом, состоящим из группы контактов, соединенных электрически параллельно, в частности на примере показаны 5 контактов на одном полюсе. Пропорционально числу контактов снизилась величина тока через каждый коммутирующий элемент и более чем в 5 раз снизилось электродинамическое взаимодействие между контактами. Это позволило использовать пружины 18-21 с более низким коэффициентом жесткости по сравнению с известной конструкцией, имеющей на каждом полюсе один подвижный контакт. Технологические приемы изготовления пружин таковы, что в отношении пружин меньшей жесткости существенно снижается трудоемкость их изготовления Также создается возможность использования пружин в диапазоне линейного участка ее динамической характеристики, что важно для получения гарантий в отношении надежной работы аппарата. При использовании пружин с линейной характеристикой упрощаются конструктивные расчеты по обеспечению требуемого прижатия коммутирующих элементов, а также достигается скоростное и практически одновременное размыкание всех подвижных контактов на полюсе при отключениях. Существенно уменьшилось тепловыделение на контактах внутри корпуса аппарата, что является большим преимуществом заявляемого изобретения. Исполнение подвижных контактов низковольтного аппарата управления и распределения составными на одном полюсе позволяет применять аппарат одного габарита на разные номиналы тока, например на 1,0 кА, 1,6 кА и на 2,0 кА.

Вместе с тем, суммарное усилие прижатия коммутирующих элементов на всех трех полюсах велико, порядка 200 кг, которое удерживается траверсой 1. Сила отброса траверсы во включенном равновесном состоянии уравновешена пружиной 32 с большим коэффициентом жесткости порядка 300 кгс/мм. Пружина 32 оперативного управления, скрепленная с шарниром 30, прижимает рычаг 27 к оси-упору 29 так, что линия действия сил пружины, рычагов 26 и 27 геометрически находится между упором 29 и шарниром 33, что обеспечивает фиксированное положение также рычага 26 и траверсы.

2. Ручное отключение аппарата оператором. При повороте рукоятки 31 изменяется направление действия силы пружины 32. В промежуточном положении оси пружины 32 и шарниров 30 и 33 находятся на одной линии. В этом положении пружина имеет максимальное растяжение и развивает максимальную силу воздействия на шарнир 30 (порядка 300 кг). При дальнейшем движении рукоятки растянутая пружина 32 мгновенно поднимает вверх шарнир 30, рычаг 26 и траверсу 1 с шарниром 25. Шарнир 3, принадлежащий траверсе, установлен так, что при повороте траверсы относительно шарнира 2 коммутирующие элементы подвижных главных контактов 4-7 размыкаются без дуги, так как электрическое соединение сохраняется в точке коммутации дугогасительного контакта 8, коммутирующий элемент которого выдвинут далее главных контактов в направлении к периферии аппарата на 20-30 мм и расположен в зоне дугогасительной камеры (на чертеже не показана). Дугогасительный контакт на полюсе размыкается последним. При полном отключении траверса доходит до упора 43. Удлиненный дугогасительный контакт 8 позволяет создать более благоприятные условия дугогашения, также увеличивается срок службы главных контактов и аппарата в целом.

3. В режиме автоматического отключения токов короткого замыкания подвижный элемент 39 расцепителя 40 взаимодействует с выступом 38 рейки 37. Рейка поворачивает защелку 36 (также функционирующую как рычаг), вместе с защелкой осуществляет поворот скоба 34 до выхода из зацепления защелки 36 и скобы 34. Скоба находится в зацеплении с рычагом 28. После расцепления скобы и защелки 36 скоба теряет равновесное состояние и под воздействием силы со стороны рычага 28 скоба 34 поворачивается против часовой стрелки до выхода из зацепления скобы 34 и рычага 28. После расцепления скобы 34 и рычага 28 нарушается равновесное состояние "ломающихся" рычагов.

Под воздействием пружины 32 рычаг 28 с шарниром 33 поворачивается по часовой стрелке, а рычаг 27, закрепленный на шарнире 33, поворачивается по часовой стрелке относительно упора 42. При этом рукоятка, скрепленная с пружиной 32, остается в статическом состоянии благодаря упору 43, а шарнир 30 поворачивается по часовой стрелке и рычаги 26 и 27 "ломаются" без возможности осуществлять колебательные возвратные повороты. При переходе шарнира 30 и вместе с ним пружины 32 линии между осью вращения рукоятки 31 и точки крепления пружины 32 на рукоятке рукоятка 31 поворачивается (отбрасывается) по часовой стрелке до соприкосновения упора 44 и рычага 28. Это обеспечивает устойчивое положение рычага 26, а вместе с ним траверсы 1 с подвижными контактами в разомкнутом состоянии. При перемещении шарнира 30 по часовой стрелке рычаг 26 и шарнир 25 поднимаются вверх и поворачиваются против часовой стрелки. Подъем траверсы и размыкание контактов аналогично вышеописанному.

4. Взвод и включение низковольтного аппарата управления и распределения. При вращении рукоятки против часовой стрелки при положении аппарата "выключен" (фиг.4) упор 44, принадлежащий рукоятке, поворачивает рычаг 28 вместе с шарниром 33 против часовой стрелки. Подпружиненные скоба 34, защелка 36, рейка 37 с выступом занимают исходное положение, приводя механизм расцепителя 40 во взведенное положение, после чего вращение рейки прекращается. Рычаг 28 и скоба 34 входят в зацепление по линии взаимодействия 41. Сила взаимодействия скобы 34 и рычага 28 велика и соизмерима с усилием максимального растяжения пружины 32 (300 кг). Для снижения сил взаимодействия в месте взаимодействия защелки и рейки 37 линия зацепления 41 (фиг.1) расцепляющегося рычага 28 и скобы 34 удалена от центра оси 35 скобы на 2-3 мм. Это позволило увеличить соотношение плеч рычага-скобы 34 и понизить в 40-50 раз силу взаимодействия защелки и рейки 37, ориентировочно оцениваемую в 50-100 кг. Срок службы рейки возрос примерно на порядок; увеличилась надежность аппарата.

Для включения аппарата рукоятку 31 поворачивают по часовой стрелке до упора 43. При вращении рукоятки и вместе с ней пружины 32 относительно шарнира 30 рычаг 27 остается неподвижным до тех пор, пока точка крепления пружины к рукоятке не пересечет линию, проходящую через центры шарниров 30 и 33, и момент сил, действующих на рычаг 27, изменит направление на противоположное. Рычаг 27 повернется вокруг шарнира 33 до взаимодействия с упором 29. При вращении рычага 27 также поворачивается рычаг 26, шарнир 25 и траверса 1. Дугогасительные контакты, закрепленные на траверсе, перемещаются до соприкосновения коммутирующих элементов и неподвижного вывода 17. При дальнейшем движении траверсы контакты сжимают пружины 18-22. Суммарное усилие прижатия коммутирующих элементов на всех трех полюсах составляет порядка 200 кг. Движение контактов прекращается, когда рычаг 27 останавливается.

Изобретение относится к низковольтным электрическим коммутационным аппаратам, предназначенным для защиты электрических сетей, электроустановок и потребителей электрической энергии от токов короткого замыкания. Изобретение обеспечивает повышение надежности аппарата путем увеличения износостойкости; возможность использования аппарата одного габарита на разные номиналы тока; повышение значения кратковременно выдерживаемого тока низковольтного аппарата; снижение габаритов. Низковольтный аппарат управления и распределения содержит корпус, упоры для фиксации механизмов, установленную на оси корпуса поворотную изоляционную траверсу, с которой шарнирно соединены подвижные контакты, подпружиненные относительно траверсы и соединенные гибким проводником с внешним выводом. На каждом полюсе подвижные контакты выполнены в виде группы из 2n главных контактов, установленных на одной оси с дугогасительным контактом с зазором между собой и расположенных попарно симметрично относительно продольной оси дугогасительного контакта, соединены все контакты электрически параллельно, при этом коммутирующий элемент дугогасительного контакта выдвинут далее главных контактов к периферии аппарата на 20÷30 мм. Траверса кинематически связана с механизмом свободного расцепления, который содержит систему рычагов, взаимодействующих посредством пружины с рукояткой оперативного управления. Расцепляющийся рычаг этого механизма установлен шарнирно в корпусе с возможностью входить в зацепление с поворотной скобой, установленной с возможностью входить в зацепление с защелкой, которая входит в зацепление с отключающей рейкой, при этом линия зацепления расцепляющегося рычага и скобы удалена от центра оси поворотного рычага на 2÷3 мм. Рейка имеет выступ, взаимодействующий с подвижным элементом расцепителя. 4 ил.

Низковольтный аппарат управления и распределения, содержащий корпус, упоры для фиксации механизмов, установленную на оси корпуса поворотную изоляционную траверсу, с которой шарнирно соединены подвижные контакты, подпружиненные относительно траверсы для прижима коммутирующих элементов и соединенные гибким проводником с внешним выводом, при этом траверса кинематически связана с механизмом свободного расцепления, который содержит систему рычагов, взаимодействующих посредством пружины с рукояткой оперативного управления, а расцепляющийся рычаг указанного механизма установлен шарнирно в корпусе с возможностью входить в зацепление с поворотным относительно корпуса рычагом механизма передачи вращения рейки, имеющей выступ, взаимодействующий с подвижным элементом расцепителя, отличающийся тем, что на каждом полюсе подвижные контакты выполнены в виде группы из 2n главных контактов, где n=1, 2 и другие простые числа, установленных на одной оси с дугогасительным контактом с зазором между собой и расположенных попарно симметрично относительно продольной оси дугогасительного контакта, соединены все контакты электрически параллельно, при этом коммутирующий элемент дугогасительного контакта выдвинут далее главных контактов в направлении к периферии аппарата на 20÷30 мм для цели удаления зоны дугогашения, а коммутирующие элементы неподвижного контакта расположены непосредственно на однонаправленном внешнем выводе токовой цепи; поворотный рычаг механизма передачи вращения рейки выполнен в виде скобы, установленной с возможностью входить в зацепление с защелкой, также установленной с возможностью входить в зацепление с отключающей рейкой, при этом линия зацепления расцепляющегося рычага и поворотной скобы удалена от центра оси поворотной скобы на 2÷3 мм.