РАСЦЕПИТЕЛЬ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к расцепителям максимального тока низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи.
Известны расцепители максимального тока низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи, предназначенные для защиты от токов короткого замыкания, работающие на индукционно-динамическом принципе (см. книгу Л.Н.Карпенко Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. - «Энергия», Ленинградское отделение, 1973, стр.26, рис.2-6), которые развивают большие усилия в момент возникновения тока короткого замыкания, так как они реагируют на скорость изменения тока. Однако с увеличением зазора между катушкой 1 и диском 5 (см. рис.2-6) усилие отброса диска резко падает, что плохо согласуется с противодействующим усилием со стороны механизма свободного расцепления, которым, как правило, является усилие пружины, увеличивающееся при увеличении ее деформации. Это приводит к снижению быстродействия расцепителя. Известны также расцепители использующие эффект взаимодействия электромагнитного поля шины, по которой проходит ток короткого замыкания, с ферромагнитной пластиной, закрепляемой над шиной на требуемом для срабатывания механизма расстоянии (см. учебник под редакцией И.С.Таева «Основы теории электрических аппаратов», «Высшая школа», М., 1987 г., стр.150-151, рис.3.15). Такой расцепитель развивает большое усилие в конце хода пластины и имеет небольшое стартовое усилие, что приводит также к снижению быстродействия. Расцепители, основанные на взаимодействии ферромагнитной пластины с выводом выключателя, выполненным в виде плоской прямоугольной шины, применяются в выключателях серии Isomax S7 на 1600А номинального тока фирмы ABB SACE (см. Технический каталог ABB SACE 649240/011ru, июль 1998 год, «Автоматические выключатели от 10А до 1600А SACE Isomax S»). Известно также техническое решение, объединяющее достоинства обоих расцепителей, а именно: большое стартовое усилие индукционно-динамического расцепителя и большое финишное усилие электромагнитного расцепителя (см. описание к изобретению RU 2338289, Н01Н 73/36, от 10.11.2008 г, и результирующую кривую 3 развиваемого усилия на рисунке фиг.6). Конструкция расцепителя, описанная в патенте на быстродействующий автоматический выключатель RU 2338289 по технической сущности является прототипом заявляемой полезной модели. В прототипе каждый расцепитель (их четыре, по два на каждом выводе) реализован на половине вывода 2 или 3 (см. фиг.2 в описании) выполненного в виде шины прямоугольного сечения с двумя парами параллельных граней, двумя торцами, П-образной прорезью 9 (на один расцепитель приходится половина П-образной прорези 9, т.е. Г-образная прорезь) и со сквозным цилиндрическим отверстием 12 или 13. В отверстии 12 помещен подпружиненный пружиной 40 толкатель 25 (см. фиг.3). С одной стороны вывода на толкателе 25 закреплен электропроводный немагнитный диск 32, а с другой - ферромагнитные пластины 37, 38. Г-образная прорезь, являющаяся половиной П-образной прорези, образует в полувыводе 7 U-образный виток. При прохождении больших (в несколько десятков килоампер) токов по U-образному витку возникающие индукционно-динамические силы отталкивают диск 32 от вывода, приближая ферромагнитные пластины 37, 38 к обратной стороне вывода, что приводит к увеличению усилия на толкателе за счет увеличения электромагнитной силы притяжения пластин к шине с током. Этим достигается в прототипе и увеличение суммарного усилия на толкателе и повышение быстродействия работы расцепителя. Не трудно заметить, что возможности дальнейшего увеличения усилия и быстродействия срабатывания ограничены полувитковым контуром тока короткого замыкания. Это является недостатком прототипа. Усилие на толкателе и быстродействие работы расцепителя может быть существенно повышено посредством формирования в массивном шинном выводе контура тока больше одного полувитка.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает следующий технико-экономический результат:
- повышение индукцинно-динамического импульса силы на толкателе;
- повышение быстродействия срабатывания расцепителя;
- уменьшение разрушительного действия токов короткого замыкания на защищаемые цепи и электрооборудование за счет более быстрого срабатывания автоматического выключателя, и как следствие, уменьшение затрат на ремонтно-восстановительные работы при эксплуатации.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в расцепителе максимального тока автоматического выключателя, содержащем вывод выключателя, выполненный в виде отрезка шины прямоугольного сечения с двумя парами параллельных граней, двумя торцами, Г-образной прорезью и со сквозным цилиндрическим отверстием, ось которого перпендикулярна первой продольной плоскости симметрии вывода, параллельной первой паре параллельных граней, и совпадает с началом Г-образной прорези и со второй продольной плоскостью симметрии вывода, параллельной второй паре параллельных граней, а также установленный в сквозное отверстие подпружиненный толкатель с возможностью воздействия на механизм свободного расцепления, закрепленные на толкателе напротив первой пары параллельных граней ферромагнитные пластины и электропроводный немагнитный диск, вывод выключателя снабжен двумя пазами, один из которых перпендикулярен второй продольной плоскости симметрии вывода, а второй расположен своей плоскостью симметрии в первой плоскости симметрии вывода. При этом первый паз выполнен длиной от второй грани из второй пары параллельных граней до пересечения со сквозным отверстием и глубиной от первой грани из первой пары граней до пересечения со вторым пазом. Второй паз выполнен пересекающим сквозное отверстие, первую грань из второй пары граней на участке между первым и вторым торцами вывода и второй плоскостью симметрии, а также пересекающим вторую грань из второй пары граней на участке между первым торцом и первым пазом и второй плоскостью симметрии. Расположение и пересечение пазов выполнено так, что двумя частями вывода, находящимися по разные стороны от второго паза и соединенными между собой участком вывода, ограниченным первым пазом, второй гранью из второй пары параллельных граней и Г-образной прорезью, образован полуторавитковый токопровод, одна сторона которого размещена напротив ферромагнитных пластин, а вторая напротив немагнитного электропроводного диска, причем диск имеет переменную в направлении его радиуса толщину, согласованную с радиальным распределением плотности индуцированных токов.
Снабжение массивного вывода выключателя двумя пазами, один из которых перпендикулярен второй продольной плоскости симметрии вывода, а второй расположен своей плоскостью симметрии в первой плоскости симметрии вывода, выполнение первого паза длиной от второй грани из второй пары параллельных граней до пересечения со сквозным отверстием и глубиной от первой грани из первой пары граней до пересечения со вторым пазом, и выполнение второго паза пересекающим сквозное отверстие, первую грань из второй пары граней на участке между первым и вторым торцами вывода и второй плоскостью симметрии, а также пересекающим вторую грань из второй пары граней на участке между первым торцом и первым пазом и второй плоскостью симметрии позволило создать (в отличие от прототипа) возможность для прохождения тока в двух параллельных частях вывода. А соединение между собой двух частей вывода, находящихся по разные стороны от второго паза участком вывода, ограниченным первым пазом, второй гранью из второй пары параллельных граней и Г-образной прорезью позволило сформировать полуторавитковый токопровод. В прототипе же токопровод выполнен полувитковым. Так как одна сторона полуторавиткового токопровода размещена напротив немагнитного электропроводного диска, то развиваемый индукционно-динамический импульс по сравнению с прототипом увеличен не менее чем в 1,7-1,9 раза, что увеличивает усилие на толкателе и ускоряет срабатывание механизма свободного расцепления автоматического выключателя. Для уменьшения массы диска его сечение выполнено переменным по радиусу в соответствии с распределением вдоль радиуса диска плотности индуцированного тока. К центру диска, где плотность индуцированного тока больше, диск выполнен более толстым. По мере уменьшения плотности тока к краям диска толщина диска также уменьшается. Уменьшение массы диска за счет уменьшающейся по его радиусу толщины диска также способствует увеличению быстродействия работы расцепителя.
Предлагаемая полезная модель расцепителя максимального тока может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей с массивными выводами на большие номинальные токи.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на рисунках фиг.1-7. На фиг.1 изображен общий аксонометрический вид максимального расцепителя тока. На фиг.2 показана аксонометрия расцепителя в разобранном виде. Фиг.3 раскрывает внутреннее устройство расцепителя в разрезе А-А, проходящем через ось сквозного отверстия и плоскость, перпендикулярную второй плоскости симметрии вывода. На фиг.4 дана конфигурация вывода выключателя, выполненного в виде шины прямоугольного сечения. Фиг.5 и 6 представляют собой виды на вывод выключателя со стороны каждой из первой пары граней и со стороны каждой из второй пары граней. Фиг.7 показывает распределение плотности индуцированного в диске тока вдоль его радиуса.
Расцепитель максимального тока автоматического выключателя содержит (см. фиг.1, 2) вывод 1 выключателя, выполненный в виде отрезка шины прямоугольного сечения с двумя парами 2, 3 и 4, 5 параллельных граней, двумя торцами 6, 7, Г-образной прорезью 8 и со сквозным цилиндрическим отверстием 9. Ось 10 отверстия 9 перпендикулярна первой продольной плоскости симметрии 11 (см. фиг.4) вывода 1, параллельной первой паре параллельных граней 2, 3, а также совпадает с началом Г-образной прорези 8 и со второй продольной плоскостью симметрии 12 вывода, параллельной второй паре параллельных граней 4, 5. В сквозное отверстие 9 (см. фиг.3, А-А) установлен подпружиненный пружиной 13 толкатель 14 с возможностью воздействия своей консолью 15 на механизм свободного расцепления (механизм не показан). На толкателе 14 напротив первой пары параллельных граней 2, 3 закреплены ферромагнитные пластины 16, 17 (см. на фиг.2) и электропроводный немагнитный диск 18. Кроме этого вывод 1 выключателя снабжен двумя пазами 19 и 20 (фиг.1, 3, 4-6). Паз 19 перпендикулярен второй продольной плоскости симметрии 12 вывода (фиг.4), а паз 20 расположен своей плоскостью симметрии в первой плоскости симметрии 11 вывода. При этом первый паз 19 выполнен длиной от второй грани 5 из второй пары параллельных граней до пересечения со сквозным отверстием 9 (см. на фиг.3, А-А) и глубиной от первой грани 2 из первой пары граней до пересечения со вторым пазом 20, а второй паз 20 (см. фиг.3 и 6) выполнен пересекающим сквозное отверстие 9, первую грань 4 из второй пары граней на участке между первым 6 и вторым 7 торцами вывода и второй плоскостью симметрии 12, а также пересекающим вторую грань 5 (см. фиг.5) из второй пары граней на участке между первым торцом 6 и первым пазом 19 и второй плоскостью симметрии 12. Паз 20 делит вывод на две части 21 и 22 (см. на фиг.6) так, что эти части вывода, соединенные между собой участком Е вывода (см. на фиг.5), ограниченным первым пазом 19, второй гранью 5 из второй пары параллельных граней и Г-образной прорезью 8 образуют полуторавитковый токопровод 23 (см. на фиг.4; стрелками указан путь тока в токопроводе), одна сторона которого размещена напротив ферромагнитных пластин 16 и 17 (см. на фиг.3), а вторая напротив немагнитного электропроводного диска 18. С помощью пазов 19 и 20 в сочетании с Г-образной прорезью 8 и сквозным отверстием 9 в монолитном выводе создан требуемый для увеличения индукционно-динамического усилия контур тока. Вывод с таким контуром тока может быть изготовлен методом литья при массовом производстве или фрезерованием пазов из стандартной шины при мелкосерийном производстве. Диск 18 для уменьшения своей массы имеет уменьшающуюся в направлении от центра вдоль радиуса толщину, см. фиг.3. Величина уменьшения толщины T-t диска 18 от центра к краям согласована с распределением плотности тока в диске, индуцированного током короткого замыкания, протекающим в полуторавитковом токопроводе. Для изоляции электропроводного диска 18 от вывода 1 между диском и выводом помещена прокладка 24 из электроизоляционного материала. Вместо нее может быть применено электроизоляционное покрытие диска. Толкатель 14 также выполнен из электроизоляционного материала. С одной стороны толкатель имеет направляющий фланец 25, предохраняющий толкатель от поворота вокруг оси 10 и несущий на себе ферромагнитные пластины 16, 17, которые монтируются в пазах 26 фланца. С другой стороны толкателя 14 выполнен упорный буртик 27 и резьбовой конец 28, на которые крепятся прокладка 24 и диск 18 путем навинчивания консоли 15. В главную токовую цепь выключателя расцепитель подключается своими торцами. Для этого (см. фиг.5) на выступающей за торец 7 части вывода 22 выполнены отверстия 29 для подключения внешней шины, а на выступающей за торец 6 части вывода 21 выполнены пазы 30 для подпайки гибких связей от подвижных контактов полюса выключателя. Зазор δ, размеры ферромагнитных пластин 16, 17, рабочее усилие пружины 13, размеры диска 18 и толщина изолирующей прокладки 25 выбираются исходя из требуемого порогового значения тока короткого замыкания (тока калибровки), при превышении которого должно происходить автоматическое отключение.
Работает расцепитель максимального тока следующим образом.
При прохождении через полуторавитковый токопровод 23 тока короткого замыкания, превышающего ток калибровки расцепителя, в диске 18 индуцируются токи, магнитные поля которых взаимодействуют с магнитным полем тока короткого замыкания вокруг токопровода. В результате взаимодействия этих полей возникает индукционно-динамическая сила, пропорциональная скорости нарастания тока короткого замыкания и отбрасывающая диск 18 от стороны 22 токопровода 23 (от грани 3 вывода). Так как диск 18 и ферромагнитные пластины 16, 17 жестко закреплены на толкателе 14, то отброс диска от стороны 22 токопровода 23, приведет к резкому уменьшению зазора δ между каждой из пластин и стороной 21 токопровода. При этом за счет уменьшения зазора будут ускоренно нарастать силы электромагнитного взаимодействия ферромагнитных пластин 16, 17 с магнитным полем тока короткого замыкания, создаваемого в токопроводе 23 со стороны 21. При уменьшении зазора δ убывающие индукционно-динамические силы будут суммироваться с нарастающими электромагнитными силами взаимодействия. Суммарное усилие F толкатель 14 своей консолью 15 передает на расцепляющую рейку механизма свободного расцепления (на рисунках не показаны) и приводит к автоматическому отключению тока короткого замыкания. В отличие от прототипа в предлагаемой полезной модели благодаря созданию в массивном выводе 1 полуторавиткового токопровода 23 индукционно-динамическое усилие увеличено в 1,7-1,9 раза, что повышает быстродействие автоматического отключения токов короткого замыкания. Положительным качеством полезной модели является и более равномерное распределение индукционно-динамического усилия по поверхности диска, так как напротив диска расположен практически одновитковый индуктор, тогда как в прототипе полувитковый (U-образный) индуктор. Это уменьшает перекосы толкателя при работе расцепителя и повышает надежность срабатывания. Определенный вклад в увеличение быстродействия расцепителя вносит также уменьшение массы диска 18 за счет уменьшения его толщины Т на краях до величины t. Такое уменьшение толщины стало возможным благодаря обнаруженной при моделировании электромагнитных процессов неравномерной плотности индуцированных токов в диске вдоль его радиуса от центра диска к его краям (см. фиг.7). В виду меньшей плотности индуцированных токов на краях диска нет необходимости делать его такой же толщины, как и в центре.
Таким образом, выполнение расцепителя максимального тока автоматического выключателя на большие номинальные токи в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с выводом, снабженным двумя пазами, один из которых перпендикулярен второй продольной плоскости симметрии вывода, а второй расположен своей плоскостью симметрии в первой плоскости симметрии вывода, с указанными длинами и глубинами, а также описанным взаимным расположением относительно элементов прототипа с образованием в массивном выводе полуторавиткового токопровода и выполнением электропроводного немагнитного диска с переменной по радиусу толщиной позволило достичь в предлагаемой модели:
- увеличения индукционно-динамического импульса силы на толкателе в 1,7-1,9 раза по сравнению с прототипом за счет создания в теле вывода выключателя индуктора в виде полуторавиткового токопровода;
- повышения быстродействия срабатывания расцепителя за счет увеличения начального индукционно-динамического усилия, за счет ускоренного индукционно-динамическим импульсом нарастания электромагнитного усилия от взаимодействия ферромагнитных пластин с магнитным полем тока короткого замыкания, а также за счет уменьшении массы диска.
- уменьшения разрушительного действия токов короткого замыкания на защищаемые цепи и электрооборудование за счет более быстрого срабатывания автоматического выключателя, уменьшения затрат на ремонтные работы после аварийного отключения токов короткого замыкания.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для использования в составе автоматических выключателей на большие номинальные токи в качестве расцепителя максимального тока короткого замыкания и относится к электротехнике.
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
-устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».