БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H01H73/36 H01H71/24 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтному аппаратостроению, в частности к автоматическим выключателям, используемым для быстродействующей защиты от больших токов короткого замыкания.

Известны быстродействующие автоматические выключатели токов короткого замыкания, основанные на электродинамическом разведении контактов при возникновении больших аварийных токов (см. книгу С.Дзежбицки, Е.Вальчук. Токоограничивающие выключатели переменного тока. - Ленинград: Энергоиздат, 1982, стр.31, рис.2-3; Описание к авторскому свидетельству СССР №1201912, Н01Н 73/38, 77/10, 1985 г.). В указанных первоисточниках электродинамическое разведение контактов производится двумя U-образными петлями, соединенными шарнирно таким образом, что результирующее электродинамическое усилие от взаимодействия сторон U-образных петель с разными направлениями токов направлено на ускоренное размыкание контактов выключателя. Недостатком такой конструкции является наличие шарнирного соединения, которое приводит к увеличению переходного сопротивления полюса выключателя, дополнительным потерям электроэнергии и нагреву конструкции выключателя. Компоновочная схема U-образных петель не способствует уменьшению габаритов выключателя, получению компактной конструкции выключателя. Известна также конструкция выключателя, в которой для электродинамического разведения контактов используются U-образные петли, сформированные в самом прямоугольном выводе путем выполнения наклонной глухой или П-, Г- и L-образных сквозных прорезей (см. патент США №5341191 от 28.08.1994 г., Н01Н 75/00, Фиг.30, 31, 32, 33). Техническое решение по патенту США №5341191 согласно варианту, изображенному на Фиг.32, по технической сути является прототипом заявляемого изобретения.

Прототип содержит закрепленный в корпусе плоский прямоугольный вывод с параллельными друг другу лицевой и обратной поверхностями, П-образную прорезь, которая выполнена в выводе сквозной по толщине вывода, перпендикулярной лицевой поверхности вывода, симметричной относительно продольной оси симметрии вывода, и таким образом, что делит вывод на два U-образных неполных витка с прямолинейными внешними и внутренними участками (внутренние участки объединены), механизм свободного расцепления, контактную систему, состоящую из неподвижных контактов, закрепленных на прямолинейных участках неполных витков со стороны лицевой поверхности вывода и подвижных контактов, установленных на рычаге, смонтированном с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами и механизмом свободного расцепления. В решении по патенту США U-образные неполные витки реализованы в теле вывода, компактны, не ведут к увеличению габаритов выключателя и не содержат шарнирных соединений. Здесь электродинамическое разведение контактов происходит за счет взаимодействия токов с обратными направлениями во внутренних участках U-образных неполных витков и током прямого направления в рычаге выключателя, на котором распаяны подвижные контакты. Однако электродинамический механизм разведения контактов реагирует на величину токов короткого замыкания, а не на скорость нарастания тока, как это происходит в индукционно-динамическом механизме (см. книгу Л.Н.Карпенко. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. - «Энергия», Ленинградское отделение, 1973, стр.10). Этим ограничивается быстродействие прототипа.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении быстродействия автоматического выключателя при отключении больших токов короткого замыкания.

Указанный технический результат достигается тем, что в автоматическом выключателе, содержащем закрепленные в корпусе плоские выводы с параллельными друг другу лицевой и обратной поверхностями, каждый из которых разрезан по ширине на два полувывода вдоль продольной оси симметрии вывода, П-образные прорези, которые выполнены в каждом выводе сквозными по толщине вывода, перпендикулярными лицевой поверхности вывода, симметричными относительно продольной оси симметрии вывода и таким образом, что делят каждый вывод на два U-образных неполных витка с прямолинейными внутренними и внешними участками, механизм свободного расцепления, контактную систему, состоящую из неподвижных контактов, закрепленных на концах каждого прямолинейного внутреннего участка неполного витка со стороны лицевых поверхностей выводов, подвижных контактов, установленных на двуплечем рычаге, смонтированном внутри приводного барабана с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами и механизмом свободного расцепления, в начале и в конце П-образной прорези выполнены сквозные отверстия, диаметры которых больше ширины П-образной прорези, в отверстия помещены стержневые толкатели из электроизоляционного материала с полусферической головкой и с возможностью взаимодействия головкой с рычагом, при этом между головкой и лицевой поверхностью полувывода, обращенной к рычагу, на толкателе установлены два диска, один из электроизоляционного материала на поверхности вывода, другой из электропроводного немагнитного материала между головкой толкателя и электроизоляционным диском, а на противоположном конце толкателя смонтирована пластина из электроизоляционного материала, на которой с обратной стороны вывода против прямолинейных внутреннего и внешнего участков неполного витка закреплены две ферромагнитные пластины, причем на толкатель между обратной поверхностью вывода и пластинами установлена тарированная пружина, и хотя бы один из толкателей связан с механизмом свободного расцепления.

Выполнение сквозных отверстий в начале и конце П-образной прорези, диаметры которых больше ширины П-образной прорези, помещение в отверстия подпружиненных стержневых толкателей из электроизоляционного материала, взаимодействующих своей полусферической головкой с рычагом, помещение на толкатель между головкой и лицевой поверхностью полувывода, обращенной к рычагу, двух дисков, одного из электроизоляционного материала, установленного на лицевой поверхности вывода, другого из электропроводного немагнитного материала, установленного между головкой толкателя и электроизоляционным диском, позволило реализовать совместно с U-образными неполными витками индукционно-динамические механизмы (по два на каждое плечо двуплечего рычага). Быстро нарастающие токи короткого замыкания, протекая по U-образным неполным виткам, наводят в немагнитных электропроводных дисках большие индукционные токи. Поля индукционных токов в дисках, взаимодействуя с полем тока короткого замыкания в неполных U-образных витках, создают индукционно-динамические усилия, стремящиеся отбросить диски от лицевой поверхности вывода. При отбросе диски передают эти усилия через полусферические головки толкателей плечам двуплечего рычага. Рычаг, поворачиваясь под действием индукционно-динамических усилий, которые в начальный момент максимальны по величине, обеспечивает ускоренное расхождение контактов автоматического выключателя. Электроизоляционные диски служат для исключения электрического соединения между выводом и дисками из немагнитного электропроводного материала. Как известно, индукционно-динамическое усилие максимально в начальный момент движения диска. При увеличении зазора между диском и поверхностью вывода это усилие резко уменьшается. Для частичной компенсации уменьшения индукционно-динамического усилия при увеличении зазора между диском и выводом на противоположном конце толкателя смонтирована электроизоляционная пластина, на которой с обратной стороны вывода против прямолинейных внутренних и внешних участков каждого неполного витка закреплены ферромагнитные пластины. Ферромагнитные пластины, взаимодействуя с магнитным полем тока короткого замыкания, создают электромагнитное усилие, также направленное в сторону размыкания контактов выключателя. При этом, благодаря закреплению ферромагнитных пластин на толкателе с обратной стороны вывода, увеличение зазора между диском и лицевой поверхностью вывода ведет к уменьшению зазора между ферромагнитными пластинами и обратной стороной вывода, т.е. к нарастанию электромагнитного усилия со стороны ферромагнитных пластин. Этим достигается увеличение суммарного усилия воздействия на двуплечий рычаг и повышение быстродействия размыкания контактов автоматического выключателя. Более быстрая реакция индукционно-динамического механизма на скорость нарастания больших токов короткого замыкания параллельно используется и для ускоренного срабатывания механизма свободного расцепления. Для этого хотя бы один из толкателей связан в автоматическом выключателе с механизмом свободного расцепления, который завершает разведение контактов на расстояние, достаточное для обеспечения безопасной электрической прочности разъединения. Тарированная пружина предназначена для возврата толкателя в исходное состояние, а также для установки порогового значения тока короткого замыкания для срабатывания автоматического выключателя.

Таким образом, реализация на плоском выводе в описанном конструктивном исполнении индукционно-динамического механизма, реагирующего на скорость нарастания тока короткого замыкания, позволяет заявляемому устройству по сравнению с прототипом повысить быстродействие автоматического отключения больших аварийных токов и тем самым достичь декларируемого технического результата. При проведении патентного поиска технических решений со сходными с заявляемыми существенными отличительными признаками не обнаружено. Следовательно, описанный быстродействующий автоматический выключатель обладает элементами новизны.

Предлагаемая конструкция быстродействующего автоматического выключателя изображена на Фиг.1-6.

На Фиг.1 изображен один из полюсов выключателя во включенном состоянии. Фиг.2 представляет собой вид А (см. Фиг.1) и показывает форму выводов с П-образными прорезями, при этом толкатели и диски на верхнем выводе, а также плечи двуплечего рычага и механизм свободного расцепления условно не показаны. Фиг.3 в увеличенном масштабе раскрывает конструкцию толкателей, дисков и пластин в сечении Б-Б, проходящем через оси сквозных отверстий на концах П-образных прорезей с видом В на ферромагнитные пластины. На Фиг.4 изображен полюс выключателя с разомкнутыми контактами. Толкатели условно показаны в крайнем положении, после которого они тарированными пружинами возвращаются в исходное состояние. Фиг.5 дает пространственное представление о контактной системе с новыми конструктивными элементами. Механизм свободного расцепления при этом условно не изображен. Фиг.6 показывает зависимость усилия F, создаваемого диском (кривая 1), ферромагнитными пластинами (кривая 2) и их суммарного усилия (усилия одного толкателя, кривая 3) от расстояния t между немагнитным электропроводным диском и лицевой стороной вывода при быстром нарастании большого тока короткого замыкания.

Выключатель содержит закрепленные в корпусе 1 плоские выводы 2 и 3 с параллельными друг другу лицевой 4 и обратной 5 поверхностями. Выводы 2 и 3 разрезаны вдоль продольной оси симметрии 6 на два полувывода 7 и 8. В каждом выводе 2, 3 выполнены П-образные сквозные прорези 9. Прорези 9 перпендикулярны лицевой поверхности 4, симметричны относительно оси 6 и делят каждый вывод на два U-образных неполных витка с прямолинейными внутренним 10 и внешним 11 участками. В начале и конце П-образной прорези 9 выполнены сквозные отверстия 12 и 13, диаметры которых больше ширины прорези 9. Контактная система выключателя образована неподвижными контактами 14, напаянными на концы прямолинейных внутренних участков 10 U-образных неполных витков, и подвижными контактами 15, установленными на концах двуплечего рычага 16. Двуплечий рычаг 16 смонтирован внутри приводного барабана 17 с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами 14. Приводной барабан создает своими пружинами 18 необходимое усилие нажатия контактов и взаимодействует тягой 19 с механизмом свободного расцепления 20. Механизм свободного расцепления имеет рукоятку ручного оперирования 21 и рычаг 22 поворота рейки 23, поворотом которой автоматический выключатель приводится в состояние свободного расцепления. Внутри сквозных отверстий 12 и 13 помещены стержневые толкатели 24 и 25 из электроизоляционного материала. С лицевой стороны 4 каждого полувывода толкатели имеют полусферические головки 26, 27, которые могут взаимодействовать с плечом 28 двуплечего рычага 16. Между головками 26, 27 и лицевой поверхностью 4 каждого полувывода 7, 8 на толкатели установлены электроизоляционные диски 29, 30 и электропроводные немагнитные диски 31, 32. Диски 31, 32 совместно с полувыводами 7, 8, имеющими форму U-образных неполных витков, образуют индукционно-динамические механизмы, отбрасывающие усилия которых направлены через полусферические головки 26, 27 в сторону плеча 28 двуплечего рычага 16. С обратной стороны 5 полувыводов на концах толкателей 24, 25 смонтированы электроизоляционные пластины 33, 34. На каждой пластине 33, 34 напротив прямолинейных внутренних 10 и внешних 11 участков U-образных неполных витков закреплено по две ферромагнитных пластины 35, 36 и 37, 38. Ферромагнитные пластины при взаимодействии стоками в прямолинейных внутренних 10 и внешних 11 участках U-образных неполных витков образуют электромагнитные механизмы, суммарное усилие которых направлено также в сторону плеча 28 двуплечего рычага 16. С обратной стороны полувыводов на толкатели 24 и 25 между пластинами 33, 34 и полувыводами помещены тарированные пружины 39, 40, предназначенные для возврата толкателей в исходное состояние после отключения аварийного тока короткого замыкания. Усилия пружин подбираются с учетом требуемого порогового значения тока короткого замыкания, которое должен отключать быстродействующий автоматический выключатель.

Работает быстродействующий автоматический выключатель следующим образом.

При протекании номинального тока через выключатель от вывода 2 к выводу 3 подвижные и неподвижные контакты 14, 15 находятся в замкнутом состоянии. Необходимое усилие контактного нажатия создают две пары пружин растяжения 18, одни концы которых взаимодействуют с плечами двуплечего рычага 16, а другие через приводной барабан 17 и тягу 19 с механизмом свободного расцепления 20. Тарированные пружины 39, 40 при протекании номинальных токов и токов короткого замыкания, меньших порогового тока отключения автоматического выключателя (тока уставки), поджимают головками 26, 27 толкателей 24, 25 электропроводные немагнитные 31, 32 и электроизоляционные 29, 30 диски к лицевой поверхности 4 каждого полувывода 7, 8 вывода 2. (Аналогично все происходит и на выводе 3.) Те же тарированные пружины, одновременно упираясь в электроизоляционные пластины 33, 34, обеспечивают рабочие зазоры L между ферромагнитными пластинами 35, 36, 37, 38 и обратной поверхностью 5 полувыводов 7, 8 вывода 2. Аварийный ток короткого замыкания, достигший тока уставки, протекая через U-образные неполные витки в каждом полувыводе 7, 8 выводов 2, 3, индуцирует в каждом диске 31, 32 токи, магнитные поля которых, взаимодействуя с магнитным полем тока короткого замыкания, создают индукционно-динамические усилия отталкивания дисков 31, 32 от лицевой поверхности 4 вывода 2. Эти усилия через головки 26, 27 толкателей 24, 25 передаются плечам двуплечего рычага 16. Поскольку индукционно-динамические силы максимальны в начальный момент времени и пропорциональны скорости нарастания тока короткого замыкания, то процесс размыкания контактов 14, 15 начнется раньше действия электродинамических сил отброса (контактных и петлевых), что способствует повышению быстродействия отключения аварийного тока. На рычаг также действуют петлевые электродинамические силы отброса, возникающие за счет взаимодействия токов встречного направления в прямолинейных внутренних участках 10 U-образных неполных витков и плече 28 рычага 16. Однако так как электродинамические силы пропорциональны величине тока короткого замыкания, а не скорости нарастания тока, то действие этих сил будет проявляться во времени позже действия индукционно-динамических сил. Толкатели 24, 25, перемещаясь в сторону плеч рычага 16, увеличивают зазоры t между дисками 31, 32 и лицевой поверхностью 4 полувыводов 7, 8 и уменьшают зазоры L между ферромагнитными пластинами 35, 36, 37, 38 и обратной поверхностью 5 полувыводов 7, 8. Начальные зазоры t равны толщине электроизоляционных дисков 29, 30. С увеличением зазора t индукционно-динамические силы уменьшаются, см. кривую 1 на Фиг.6. Так как при этом уменьшается зазор L, то на толкателе одновременно нарастает электромагнитное усилие взаимодействия тока короткого замыкания с ферромагнитными пластинами 35, 36, см. кривую 2. Нарастающие электромагнитные силы частично компенсируют падение индукционно-динамических сил при увеличении зазора t. В результате кривая 3 суммарного усилия на толкателе будет иметь более пологий характер и располагаться выше кривой 1. Это означает, что на плечо рычага 16 и в начале и при увеличении зазора t толкатель действует с увеличенной силой F. Таким образом, совместное действие четырех толкателей (по два толкателя на плечо) на рычаг 16 приводит к ускоренному размыканию контактов выключателя в начальный момент времени, что повышает быстродействие автоматического выключателя. (Ускоренное разведение контактов в начальный момент способствует ускоренному выходу электрической дуги из межконтактного промежутка и вхождению дуги в дугогасительное устройство выключателя, благодаря чему уменьшается время отключения аварийного тока короткого замыкания. На фиг.1-5 дугогасительное устройство не показано.) Параллельно с воздействием толкателей на рычаг 16 один из толкателей на нижнем выводе 3 благодаря более раннему проявлению индукционно-динамических сил, ускоренно воздействуя на рычаг 22 поворота рейки 23, быстрее приводит механизм 20 в состояние свободного расцепления. Механизм 20 через тягу 19 и приводной барабан 17, поворачивая рычаг 16, также быстрее завершает разведение контактов 14, 15 на расстояние, достаточное для обеспечения необходимой электрической прочности межконтактного промежутка. При этом толкатели 24, 25 под действием пружин 39, 40 возвращаются в исходное положение.

Таким образом, предложенное техническое решение с новыми существенными отличительными признаками позволяет практически реализовать конструкцию быстродействующего автоматического выключателя с достижением технического результата в части повышения быстродействия отключения больших токов короткого замыкания. Повышение же быстродействия достигается совместным автоматическим действием на контактную систему выключателя через новые конструктивные элементы индукционно-динамических сил, реагирующих на скорость нарастания тока (производную от величины тока), электромагнитных сил от взаимодействия ферромагнитных пластин с большими токами короткого замыкания и сил механизма свободного расцепления, более быстрое срабатывание которого обеспечивается совместным действием на его рейку первых двух сил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтным автоматическим выключателям, используемым для быстродействующей защиты от больших токов короткого замыкания. Автоматический выключатель содержит плоские прямоугольные выводы с П-образными прорезями, механизм свободного расцепления, контактную систему, состоящую из неподвижных контактов, закрепленных на выводах, и подвижных контактов, установленных на двуплечем рычаге, смонтированном с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами и механизмом свободного расцепления. В начале и в конце каждой П-образной прорези выполнены сквозные отверстия. В отверстия помещены толкатели со сферической головкой. На каждом толкателе с лицевой стороны вывода установлены электропроводный и электроизоляционный диски, а с обратной стороны вывода смонтированы электроизоляционная и ферромагнитные пластины. Между пластинами и выводом на толкатель помещена тарированная пружина. При этом толкатели установлены с возможностью воздействия на рычаг и, по крайней мере, один из толкателей связан с механизмом свободного расцепления. Технический результат - повышение быстродействия автоматического выключателя при отключении больших токов короткого замыкания. 6 ил.

Автоматический выключатель, содержащий закрепленные в корпусе плоские выводы с параллельными друг другу лицевой и обратной поверхностями, каждый из которых разрезан по ширине на два полувывода вдоль продольной оси симметрии вывода, П-образные прорези, которые выполнены в каждом выводе сквозными по толщине вывода, перпендикулярными лицевой поверхности вывода, симметричными относительно продольной оси симметрии вывода и таким образом, что делят каждый вывод на два U-образных неполных витка с прямолинейными внутренними и внешними участками, механизм свободного расцепления, контактную систему, состоящую из неподвижных контактов, закрепленных на концах каждого прямолинейного внутреннего участка неполного витка со стороны лицевых поверхностей выводов, подвижных контактов, установленных на двуплечем рычаге, смонтированном внутри приводного барабана с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами и механизмом свободного расцепления, отличающийся тем, что в начале и в конце П-образной прорези выполнены сквозные отверстия, диаметры которых больше ширины П-образной прорези, в отверстия помещены стержневые толкатели из электроизоляционного материала с полусферической головкой и с возможностью взаимодействия головкой с двуплечим рычагом, при этом между головкой и лицевой поверхностью полувывода, обращенной к двуплечему рычагу, на толкателе установлены два диска, один из электроизоляционного материала на поверхности вывода, другой из электропроводного немагнитного материала между головкой толкателя и электроизоляционным диском, а на противоположном конце толкателя смонтирована пластина из электроизоляционного материала, на которой с обратной стороны вывода против прямолинейных внутреннего и внешнего участков неполного витка закреплены две ферромагнитные пластины, причем на толкатель между обратной поверхностью вывода и пластинами установлена тарированная пружина и хотя бы один из толкателей связан с механизмом свободного расцепления.