Автоматический выключатель Советский патент 1992 года по МПК H01H77/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низковольтным автоматическим выключателям.

Известны автоматические выключате-. ли, в которых ограничение тока короткого замыкания (КЗ) производится при помощи специального токоограничивающего эле- м ента, осуществляющего сравнительно быстрое введение в цепь сопротивление электрической дуги.

В указанных выключателях введение в цепь сопротивления, ограничивающего ток КЗ. производится не скачкообразно, а постепенно, по мере растяжения дуги при расхождении контактов, а затем и при перемещении ее по дугогасительным рогам в дугогасительную камеру. Так как скорость нарастания сопротивления дуги и скорость нарастания тока КЗ в цепи соизмеримы, то

данный автоматический выключатель не позволяет достигнуть высокой степени токоог- раничения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является автоматический выключатель, содержащий изоляционный корпус, привод и механизм свободного расцепления, размещенные в каждом полюсе подвижный и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничивающий элемент и расцепитель максимального тока, В этом выключателе в качестве токоограничивающего элемента применен электродинамический узел быстрого разведения контактов. Под действием электродинамических сил, обусловленных протеканием тока КЗ, происходит размыкание контактов и на них появляется короткая дуга..С этого момента в цепь вводится ограничивающее

4 ГО

О СП Ю

ток КЗ сопротивление. Пока расстояние между контактами не достигнет определенной величины дуга находится в межконтактном промежутке и поэтому ее сопротивление на этом этапе отключения тока изменяется незначительно. Поэтому, несколько условно, инерционность в срабатывании токоограничивающего элемента на этом этапе можно назвать механической инерционностью. Снизить механическую инерционность можно за счет применения дополнительных быстродействующих .приводов, разводящих контакты, работающих от посторонних источников мощности, например от конденсаторов.

После того, как зазор между контактами окажется достаточным для выхода дуги из межконтактного промежутка, начнется второй этап процесса ограничения тока. На этом этапе скорость возрастания сопротивления дуги, введенного в электрическую цепь, зависит от скорости движения ее по дугогасительным рогам и входа в деионную решетку. Поэтому длительность этого этапа процесса токоограничения определяется электрической инерционностью. Чтобы снизить электрическую инерционность процесса токоограничения необходимо увеличить систему магнитного дутья, применяя для этого и посторонние источники.

Таким образом, в этом выключателе высокую степень токоограничения нельзя достигнуть из-за имеющейся инерционности (как механический, так и электрической) в срабатывании токоограничивающего элемента. Исключить указанную инерционность в срабатывании токоограничивающего элемента, принцип действия которого основан на введении в цепь электрической дуги, фактически невозможно.

Цель изобретения - повышение токоог- раничивающих характеристик.

Для этого предлагаемый автоматиче ский выключатель, содержащий изоляционный корпус, привод-, механизм свободного расцепления и размещенные в.каждом полюсе подвижный и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничиваю- щий элемент, рас целитель максимального тока, установленный с возможностью взаимодействия с механизмом свободного расцепления, снабжен теплоизоляционным корпусом, наполненным жидким азотом, а токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника, который помещен в теплоизоляционный корпус. При этом величина сечения высокотемпературного сверхпроводника Snp равна

пр

, ер 3kp

где JCp - ток срабатывания токоограничивающего элемента;

JKP - критическая плотность протекающего через сверхпроводник тока, при которой исчезают сверхпроводящие свойства, а длина I высокотемпературного проводника равна

,R-SnP

Р где R - сопротивление, которое необходимо

включить в цепь с заданным напряжением, чтобы получить в цепи ток, равный величине

тока срабатывания Ср токоограничивающего элемента;

/э-удельное сопротивление проводника

при потере им свойств сверхпроводимости,

За счет того, что в выключателе токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника, который помещен в теплоизоляционный корпус, наполненный жидким азотом, при этом сечение Snp и длина сверхпроводника I определяются приведенными выше выражениями, достигается повышение токоограничивающих характеристик выключателя.

Высокие токоограничивающие свойства в предлагаемом выключателе обеспечиваются за счет того, что характерное время процесса перехода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в обычное (т.е. характерное время ввода в цепь ограничительного сопротивления) на один-два порядка меньше, чем процесс нарастания тока КЗ. В выключателях, в которых ограничение тока достигается за счет ввода в цепь с током КЗ сопротивления дуги, указанных

выше соотношений между скоростью ввода сопротивления и скоростью нарастания тока КЗ обеспечить практически невозможно. На фиг. 1 показан предлагаемый автоматический выключатель; на фиг. 2 - структурная электрическая схема; на фиг. 3 - графики, отражающие характер изменения тока в цепи, сопротивления токоограничивающего элемента и напряжения дуги на контактах выключателя.

В каждом полюсе выключателя имеются неподвижный контактодержатель 1 с неподвижным контактом 2. подвижный контактодержатель 3 с подвижным контактом 4 и

дугогасительная камера 5. Неподвижный контактодержатель t гибким соединением 6 соединен с вводным зажимом 7, Контактные нажатия осуществляются контактными пружинами 8. На токопроводе, соединяющем

подвижный контактодержатель 3 с токоог- раничивающим элементом 9, установлен электромагнитный расцепитель 10 максимального тока, который выполнен с возможностью воздействия на отключающую рейку 11. Токоограничивающий элемент состоит из теплоизоляционного корпуса 12, который п редста вл яет собой сосуд с двумя стен ками. между которыми создан вакуум (наподобие сосуда Дьюара), вводного 13 и выводного 14 патрубков высокотемпературного сверхпроводника 15 изоляционных плит 16, к которым крепятся элементы сверхпроводников 15. Внутрь корпуса 12 через патрубки 13 и 14 подается жидкий азот 17 от компрессора или емкости (на фиг. не показаны).

Выключатель содержит общий для всех полюсов электропривод 18, обеспечивающий включения и отключения, который включает в себя рукоятку 9, пружину 20, систему ломающихся рычагов 21, а также имеет механизм свободного расцепления

22,включающий в себя рычаг расцепления

23,сбоку 24 и отключающую рейку 11. Выключатель размещен в изоляционный корпус 25.

Структурная схема выключателя (см. фиг. 2), содержит вводные зажимы 7, неподвижные 2 и подвижные 4 контакты, привод 18, механизм свободного расцепления 22. раецепители максимального тока 10, токо- ограничивающий элемент 9с вводным 13 и выводными 14 патрубками и с высокотемпературным сверхпроводником 15.

Приведенные на фиг. 3 графики отражают изменения следующих параметров:

i(t) - график изменения протекающего через выключатель тока;

RT/O (t) - график сопротивления токоограничивающего элемента.

UR(T.) - график изменения напряжения на контактах выключателя.

Выключатель работает следующим образом.

В исходном положении неподвижные 2 и подвижные 4 контакты выключателя разомкнуты (см. фиг. 2). При воздействии на привод 18 выключателя рукоятка 19 выключателя переводится в положение Включено (см. фиг. 1). В результате, под действием пружины 2, за счет перемещения системы ломающихся рычагов 21 подвижный контактодержатель 3 подвижных контактов 4 занимает положение, соответствующее замыканию неподвижных 2 и подвижных 4 контактов. Через выключатель, в том числе и через токоограничиваю- щий элемент 9, начинает проте кать номинальный ток. Так как при протекании номинального тока плотность тока через

сверхпроводник 15 получается меньше критической J«p, то сопротивление токоограни- чивающего элемента 9 близко к нулю.

При возникновении тока КЗ в цепи ток 5 через выключатель, в частности через токо- ограничивающий элемент 9, начинает возрастать (см. фиг. 3). При достижении током КЗ величины тока срабатывания электромагнитного расцепителя 10 максимального

0 тока (Icp.p) расцепитель 10 (см. фиг. 1) начинает воздействовать на отключающую рейку 11.

При дальнейшем нарастании тока КЗ в момент достижения им величины тока сра5 батывания токоограничивающего элемента 9 0 ср т/о) происходит быстрый переход высокотемпературного сверхпроводника 15 токоограничивающего элемента 9 из сверхпроводящего состояния в обычное (см,

0 фиг. 3). Тем самым в электрическую цепь быстро вводится сопротивление Rep- Следует отметить, что удельное сопротивление токоограничивающего элемента 9 при утере им своих сверхпроводящих свойств по

5 своей величине получается одного порядка с удельным сопротивлением такого высоко- омного материала, как нихром. При этом после достижения критической плотности тока JKp в токоограничивающем элементе 9

0 его удельное сопротивление быстро увеличивается до величины, несколько меньшей своего наибольшего значения. При дальнейшем увеличении тока, а значит и плотности тока в токоограничивающем элементе 9,

5 удельное сопротивление последнего возрастает до своего наибольшего значения. В соответствии с изменением удельного сопротивления изменяется и величина сопротивления токоограничивающего элемента 9

0 RT/O (см. фиг. 3).

Параллельно процессу изменения сопротивления токоограничивающего элемента 9 -происходит процесс срабатывания механизма свободного расцепления 22.

5 После поворота отключающей рейки 11 скоба 24 выходит из зацепления с ней и освобождает рычаг расцепления 23. Под действием пружины 20 механизма свободного расцепления 22 через ломающиеся ры0 чаги 21 подвижные контактодержатели 3 подвижных контактов 4 начинают движение в сторону размыкания контактов. Время от начала тока КЗ до момента расхождения контактов 2 и 4 от срабатывания механизма

5 свободного расцепления 22 называется собственным временем выключателя tcoB. С момента времени Хсоб (см. фиг. 3) в цепь начинает вводиться сопротивление электрической дуги. Сопротивление электрической дуги при достижении ее в процессе

движения по дугогзсительным рогам и входа в дугогасительную камеру 5 возрастает, увеличивается, как это видно на кривой L)R(t) (см. фиг. 3), и напряжение на дуге. В результате этого ток в цепи уменьшается вплоть до нуля и происходит отключение цепи. Так как при протекании тока через высокотемпературный сверхпроводник 15 токоограничива- ющего элемента 9 происходит его нагревание, то его сопротивление, даже по- еле уменьшения тока до величины ниже тока срабатывания токоограничивающего элемента 9 Icp т/о, остаётся достаточно высоким до тех пор, пока температура высокотемпературного сверхпроводника 15токоограни- чивающего элемента 9 не достигнет температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Этот эффект сохранения высокого сопротивления после прохождения через токоограничивающий элемент 9 тока повы- шает эффективность отключения тока на заключительном этапе.

Таким образом, по сравнению с прототипом скорость перехода из сверхпроводящего состояния в обычное, присущая токоогранмчителю. выполненному на базе высокотемпературного сверхпроводника, обеспечивает эффективность начального процесса токоограничения предлагаемым выключателем. В совокупности с эффектив- ной заключительной стадией отключения тока КЗ применение предлагаемого выключателя обеспечивает повышение токоогра- ничивающих характеристик. I Формула изобретения

Автоматический выключатель, содержащий изоляционный корпус, привод, механизм свободного расцепления, размещенные в каждом полюсе подвижный

Snp.-

и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничивающий элемент, рас- цепитель максимального тока, установленный с возможностью взаимодействия с механизмом свободного расцепления, о т- личающийся тем, что, с целью повышения токоограничивающих характеристик, он снабжен теплоизоляционным корпусом, наполненным жидким азотом, а токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника, который помещен в теплоизоляционный корпус, при этом величина сечения высокотемпературного сверхпроводника равна

4.. Jkp

где Snp - величина сечения высокотемпературного сверхпроводника;

Icp - ток срабатывания токоограничивающего элемента;

JKP - критическая плотность протекающего через высокотемпературный сверхпроводник тока, при которой исчезают сверхпроводящие свойства, а длина высокотемпературного сверхпроводника равна

где I - длина высокотемпературного сверхпроводника;

R - сопротивление, которое необходимо включить в цепь с заданным напряжением, чтобы получить в цепи ток, равный величине тока срабатывания Ср токоограничивающего элемента;

р- удельное сопротивление высокотемпературного сверхпроводника при потере им свойств сверхпроводимости.

SWMiMJiH ili.

Ч | |1 II .

.l.

«wlW liWiffi ii t

я

ffifflp

- -«.-у i ч 1

Д.. v i ..у 1.

го

IV)

%Wo fyp

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение токоограничивающих характеристик. Устройство содержит изоляционный корпус 25, привод 18, механизм свободного расцепления 22, размещенные в каждом полюсе подвижный 4 и неподвижный 2 контакты, дугогасительную камеру 5, токоограничмва- ющий элемент 9, расцепитель 10 максимального тока, установленный с возможностью взаимодействия с механизмом 22, Элемент 9 выполнен б виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника 15, который помещен в теплоизоляционный корпус 12, наполненный жидким азотом 17. Величину сечения проводника 15 и его длину выбирают исходя из определенных соотношений. 3 ил. СО

Ua

Фиг 5