КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
CONTACT SYSTEM FOR FAST-ACTING AUTOMATIC CIRCUIT BREAKER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к быстродействующим низковольтным автоматическим выключателям, в частности к двухразрывным контактным системам в виде поворотного контактного мостика, используемым для быстродействующей защиты от токов короткого замыкания с токоограничением.
Известны двухразрывные контактные системы быстродействующих автоматических выключателей, отключающие токи короткого замыкания с различным коэффициентом токоограничения, принцип работы которых основан на ускоренном электродинамическом разведении контактов при возникновении больших аварийных токов и быстром (за время значительно меньшее 5 мс) введении в разрываемую цепь большого сопротивления в виде электрической дуги, образующейся между размыкаемыми контактами (см. книгу С.Дзежбицки, Е.Вальчук «Токоограничивающие выключатели переменного тока». - Л.: Энергоиздат, 1982, стр.63-67, рис.3.15; 3.16, выключатели типа TL японской фирмы Терасаки, а также описания к патентам США: №7,005,594B2 от 28.02.2006, H01H 3/00; №7.145.419B2 от 5.12.2006, H01H 75/00). Двухразрывные контактные системы могут выполняться с поступательным движением подвижных контактов как в выключателях типа TL фирмы Терасаки, так и с вращательным движением, конструкции которых изображены в описаниях к перечисленным патентам США. В силу конструктивно-технологических преимуществ вращательного движения над поступательным и сбалансированности относительно оси вращения конструкции симметричных поворотных мостиков получили преимущественное применение. Ускоренному размыканию контактов всегда противодействуют усилия пружин нажатия и возможность возврата контактов в первоначальное положение после принудительного размыкания электродинамическими силами. Для уменьшения влияния пружин нажатия и обеспечения невозможности возврата контактов применяют устройства блокировки обратного движения контактов после их размыкания электродинамическими силами. Конструкции этих устройств, как правило, используют кинематику с переходом контактодержателя через так называемое мертвое положение. Подробно такое устройство изображено на рис.2-7, стр.34 в книге С.Дзежбицки, Е.Вальчук «Токоограничивающие выключатели переменного тока». Если точка А, принадлежащая подвижному контакту 3 (см. рис.2-7), в которой закреплен верхний конец пружины нажатия 5, пересекает линию, проходящую через точки ВС, (где точка С - ось вращения контакта 3, а точка В - место крепления нижнего конца пружины 5 на неподвижном при электродинамическом отбросе приводном валу 1), то пружина 5 достигает своего максимального усилия, а потом после перехода через это мертвое положение опрокидывает контакт 3 в отключенное состояние и удерживает его, предохраняя от повторного замыкания. В контактной двухразрывной системе в виде поворотного мостика по патенту США №7005594B2 мертвое положение, которое преодолевает мостик при электродинамическом отбросе, создано путем выполнения на цилиндрической поверхности приводного барабана 110 (см. рисунок Fig.8 в описании к этому патенту) кулачковой поверхности 113, 115, 116, по которой с помощью ролика 155, вращающегося на оси 151, перемещается конец пружины нажатия 142, закрепленный на этой оси. Фиксация мостика 120 после электродинамического отброса и гарантированный невозврат контактов 121 в замкнутое положение обеспечивается при попадании ролика 155 своей цилиндрической поверхностью 131 (см. Fig.4) в паз 116. Недостатком такой конструкции является большой угол поворота контактного мостика 120 для осуществления фиксации его в пазу 116, что требует развития достаточных электродинамических сил для разведения контактов выключателя на этот угол. Это означает, что автоматический выключатель с такой контактной системой будет работоспособен только при достаточно высоком предельном токе короткого замыкания, а при величинах тока короткого замыкания несколько меньших значения этого предельного тока возможны повторные замыкания и приварки контактов. Это снижает надежность работы контактной системы, сужает диапазон токов короткого замыкания, в котором контактная система может обеспечить процесс отключения с токоограничением.
Аналогичную конструкцию имеет также двухразрывная контактная система в виде поворотного контактного мостика по патенту США №7,145,419В2 от 5.12.2006, H01H 75/00, которая является прототипом заявляемого технического решения.
В прототипе (см. рисунки Fig.5-11 в описании к патенту США №7,145,419B2) контактная система быстродействующего автоматического выключателя состоит из неподвижных контактов на выводах выключателя и подвижных контактов на поворотном двуплечем контактодержателе (мостике), размещенном внутри барабана, который выполнен в виде закрепленных соосно двух внутренних и двух наружных дисков. Поворотный контактодержатель установлен между двумя внутренними дисками барабана с возможностью контактирования с неподвижными контактами и подпружинен пружинами нажатия. Пружины нажатия установлены одними концами на контактодержателе, а другими на внутренних дисках барабана посредством оси с роликами. Ролики 66а, 66b (см. Fig.7) контактируют с наружной цилиндрической поверхностью внутренних дисков, на которых выполнены кулачковые поверхности 42a, 42b, 42c, 42d. Сопряжение поверхностей 42b и 42c создает мертвое положение кинематики, которое преодолевается при электродинамическом отбросе. Фиксация контактодержателя после электродинамического отброса под действием электродинамических сил, возникающих в контактных соединениях при токах короткого замыкания, и гарантированный невозврат контактов в замкнутое положение обеспечивается при перемещении роликов 66a, 66b в радиусные выемки 42d на внутренних дисках. Недостатком прототипа, как и ранее рассмотренной контактной системы, также является большой угол поворота контактодержателя, на который его надо отбросить электродинамическими силами для надежной фиксации. Из-за увеличенного углового перемещения (и сопутствующих потерь на трение при этом) снижается быстродействие и, как следствие, ухудшаются токоограничивающие свойства контактной системы. Отмеченный недостаток прототипа приводит также к увеличению порогового значения тока короткого замыкания, при котором возможна надежная фиксация отброшенного мостика. Для устранения указанных недостатков необходимо создание такой кинематической связи между отбрасываемым контактодержателем и пружинами нажатия, которая позволила бы при меньшем угле отброса контактодержателя переводить пружины через мертвое положение и осуществлять более быструю фиксацию контактодержателя.
Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в повышении быстродействия и надежности отключения токов короткого замыкания, улучшении токоограничивающих свойств контактной системы.
Указанный технический результат достигается тем, что контактная система для быстродействующего автоматического выключателя с двойным разрывом, содержащая нижний и верхний выводы с неподвижными контактами, вращающийся барабан, состоящий из закрепленных соосно двух внутренних и двух наружных дисков, поворотный двуплечий контактодержатель с подвижными контактами, установленный между внутренними дисками барабана с возможностью контактирования с неподвижными контактами, пружины нажатия, одни концы которых закреплены на контактодержателе, а вторые на барабане, приводной стержень для связи с механизмом выключателя, снабжена двумя симметрично расположенными относительно оси вращения барабана П-образными коромыслами с соосными отверстиями на их боковых стенках, делящими каждое коромысло на П-образное и вилкообразное плечи, а каждый наружный диск смонтирован в барабане относительно внутреннего диска на расстоянии не меньше толщины коромысла, при этом вторые концы пружин нажатия изготовлены в виде удлиненных зацепов, длины которых не меньше длины коромысел, на каждом внутреннем и наружном дисках симметрично относительно оси вращения барабана и на расстояниях R от оси друг против друга сформованы по два соосных цилиндрических выступа, высотой не более толщины боковых стенок коромысел, на поворотном контактодержателе на расстоянии r от оси вращения барабана из условия r меньше R и симметрично относительно оси вращения с двух сторон установлены цилиндрические упоры, во внутренних дисках барабана против упоров выполнены радиусные пазы, причем коромысла своими отверстиями установлены на цилиндрических выступах внутренних и наружных дисков с возможностью взаимодействия вилкообразными плечами с упорами контактодержателя, проходящими сквозь радиусные пазы внутренних дисков, а удлиненные зацепы пружин нажатия помещены между боковыми стенками коромысел и закреплены на П-образных плечах этих коромысел.
Снабжение контактной системы двумя симметрично расположенными относительно оси вращения барабана П-образными коромыслами с соосными отверстиями на их боковых стенках, делящими каждое коромысло на П-образное и вилкообразное плечи, установка этих коромысел на сформованных на каждом внутреннем и наружном дисках цилиндрических выступах с расстоянием R от оси вращения барабана с возможностью взаимодействия вилкообразными плечами с установленными на контактодержателе на расстояниях r (причем из условия r меньше R) от оси вращения цилиндрическими упорами, выполнение во внутренних дисках радиусных пазов для перемещения в них упоров, изготовление одного из зацепов пружин нажатия удлиненным, причем с длиной не менее длины коромысла и закрепление пружин удлиненными зацепами на П-образных плечах коромысел с размещением удлиненных зацепов между стенками коромысел, позволили осуществить кинематическую связь пружин нажатия между контактодержателем и барабаном таким образом, что угол поворота контактодержателя до момента перехода пружин нажатия через «мертвое» положение существенно уменьшен. Следовательно, при электродинамическом отбросе надежная фиксация контактодержателя произойдет раньше, что в конечном итоге повышает быстродействие контактной системы и улучшает токоограничивающие свойства автоматического выключателя.
Предлагаемая конструкция контактной системы для быстродействующего автоматического выключателя изображена на Фиг.1-8.
На Фиг.1 изображен общий вид контактной системы полюса выключателя во включенном состоянии. На Фиг.2 показано аксонометрическое изображение контактной системы в разобранном виде, дающее общее представление о внутреннем устройстве конструкции и форме ее деталей. Фиг.3 представляет собой аксонометрическое изображение конструкции в собранном виде при условно снятом правом наружном диске барабана (вид справа на фиг.1), а фиг.4 - при условно снятом левом наружном диске барабана (вид слева на фиг.1). На фиг.5-8 последовательно изображаются положения контактодержателя без наружного диска барабана: при замкнутой контактной системе - Фиг.5; после электродинамического отброса в момент перехода через мертвое положение - Фиг.6; в зафиксированном состоянии после перехода через мертвое положение - Фиг.7; после срабатывания механизма выключателя под действием максимального расцепителя - Фиг.8.
Контактная система (см. фиг.1) состоит из установленных в корпусе 1 автоматического выключателя нижнего 2 и верхнего 3 выводов с неподвижными контактами 4, 5. Подвижные контакты 6, 7 закреплены на поворотном двуплечем контактодержателе 8. Контактодержатель установлен с возможностью вращения внутри барабана 9. Барабан состоит из соосно соединенных заклепками 10, 11 двух внутренних 12, 13 и двух наружных дисков 14, 15. В корпусе выключателя барабан 9 имеет возможность вращения на выступающих из наружных дисков 14, 15 двух цилиндрических бобышках 16 под воздействием механизма свободного расцепления (на фигурах механизм не показан) на приводные стержни 17, 18. Необходимое усилие нажатия между подвижными и неподвижными контактами (см. разобранную конструкцию барабана 9 на фиг.2) создают пружины нажатия 19, 20, одни концы которых закреплены на штифтах 21, 22 контактодержателя 8 (установленные пружины см. на фиг.3-8). Вторые концы пружин выполнены в виде удлиненных зацепов 23, 24 и смонтированы на барабане посредством новых конструктивных элементов, а именно с помощью двух симметрично расположенных относительно оси вращения барабана П-образных коромысел 25, 26 с соосными отверстиями 27, 28 на их боковых стенках 29, 30 (см. сечение Б-Б выносного элемента А на фиг.2). Отверстия 27, 28 делят каждое коромысло на П-образное 31 и вилкообразное 32 плечи. Удлиненные зацепы 23, 24 закреплены на перемычках П-образных плеч 31 коромысел 25, 26 и помещены между стенками 29, 30 этих коромысел. Длина зацепов выполнена несколько больше длины коромысел, чтобы не мешать вращению коромысел и выполнить конструкцию барабана 9 более компактной с небольшим осевым размером. Каждое коромысло своими отверстиями 27, 28 установлено на двух сформованных, на каждой паре внутренних и наружных дисков 13, 15 и 12, 14 на расстоянии R (см. фиг.5) от оси вращения барабана, соосных цилиндрических выступах 33, 34 и 35, 36. При этом осевая длина каждого из выступов 33-36 не превышает толщину t боковых стенок 29, 30 коромысел, а каждый наружный диск смонтирован относительно внутреннего на расстоянии не меньше толщины Н коромысел 25, 26. Такие условия необходимы для вращения коромысел между внутренними и наружными дисками на выступах 33, 34; 35, 36 и свободного перемещения удлиненных зацепов пружин между стенками 29, 30 коромысел. Кроме этого, на поворотном контактодержателе 8 на расстоянии r от оси вращения барабана из условия r меньше R (см. фиг.5, фиг.2) и симметрично относительно оси вращения с двух сторон установлены цилиндрические упоры 37, 38 (см. также фиг.3, фиг.4), а во внутренних дисках барабана против упоров выполнены радиусные пазы 39, 40 (см. на фиг.2). Цилиндрические упоры 37, 38 проходят сквозь радиусные пазы 39, 40 и выступают из внутренних дисков (см. на фиг.5 сечение В-В) на длину не более толщины t боковых стенок 29, 30 с возможностью взаимодействия с вилкообразными плечами 32, не мешая свободному перемещению удлиненных зацепов 23, 24 пружин между боковыми стенками коромысел. Контактодержатель 8 может свободно вращаться внутри барабана на осях 41, принадлежащих внутренним дискам 12, 13. Для компенсации влияния на работу контактного мостика неравномерности износа в двух парах контактов 4, 6; 5, 7 и технологических погрешностей изготовления деталей в контактодержателе центральное отверстие 42 выполнено эллипсовидным, а для ограничения углового перемещения контактодержателя во внутренних дисках выполнены секторообразные выборки 43, 44. Максимальный угол поворота коромысел ограничен фигурными поверхностями 45, выполненными в наружных дисках 14, 15 (см. фиг.2 и 7). Самовзведение контактной системы после срабатывания механизма свободного расцепления под действием расцепителей обеспечено введением фиксатора 46 крайнего положения контактодержателя 8. Фиксатор 46 закреплен на корпусе 1 выключателя (фиг.6-8).
Работает контактная система быстродействующего автоматического выключателя следующим образом.
При ручном оперировании выключателем при номинальных токах, а также при срабатывании от действия независимого расцепителя контактная система работает как во всех автоматических выключателях и может занимать положение «Включено», изображенное на фиг.5 и положение «Отключено», изображенное на фиг.8. Контактодержатель 8 вращается вместе с барабаном 9. Барабан приводится в движение механизмом свободного расцепления за приводные стержни 17, 18 (механизм свободного расцепления выключателя в силу его широкой известности на фигурах не показан). Необходимое усилие нажатия в контактных парах 4, 6 и 5, 7 создается совместным действием пружин 19, 20. Усилие пружин передается на контактодержатель 8 через штифты 21, 22 с одной стороны и через вращающиеся коромысла 25,26 и цилиндрические упоры 37, 38 с другой. Величина усилия нажатия определяется как рабочим усилием самих пружин, так и местом установки штифтов 21, 22 и упоров 37, 38 на контактодержателе. Необходимый провал для правильной работы контактного соединения при износе контактов обеспечивается зазором z между контактодержателем 8 и краями секторообразных выборок 43, 44 (см. на фиг.5). При ручном оперировании и срабатывании выключателя под действием независимого расцепителя коромысла и пружины практически мало перемещаются, смещаясь на небольшие расстояния для выборки провалов контактов.
При возникновении больших токов короткого замыкания предлагаемая контактная система работает по-другому. Как только электродинамические силы, возникающие при токах короткого замыкания в контактных соединениях 4, 6 и 5, 7, (см. фиг.6), превысят усилия пружин нажатия 19, 20, контактодержатель начнет вращение по часовой стрелке, увеличивая угол раствора между подвижными и неподвижными контактами. При этом штифт 22 с правым концом пружины 20 и упор 37 также вращаются по часовой стрелке. Однако упор 37, воздействуя на вилкообразное плечо 32 коромысла 26, заставляет коромысло вращаться против часовой стрелки. Так как удлиненным зацепом 24 пружина 20 закреплена на П-образном плече 31 коромысла, то удлиненный зацеп пружины быстро перемещается также против часовой стрелки, ускоряя достижение пружиной своего максимального усилия, т.е. ускоряя приход контактной системы к своему мертвому положению, определяемому углом раствора Y. Величина угла Y зависит от соотношения расстояния r от центра барабана до места установки упора 37 к расстоянию R от центра барабана до оси вращения коромысла 26. При выбранном расстоянии R угол Y уменьшается с увеличением r. Однако должно соблюдаться условие работоспособности кинематики: r меньше R. Таким образом, предлагаемая контактная система обеспечивает перевод пружин нажатия через мертвое положение при меньшем угле отброса контактодержателя, а значит, повышает быстродействие и надежность отключения токов короткого замыкания. Работа пружины 19 и коромысла 25 с обратной стороны контактодержателя 8 (если за лицевую сторону принять вид на фиг.6) происходит аналогичным образом. Размещение с двух сторон однотипных устройств создания усилий нажатия и опрокидывания контактодержателя через мертвое положение предпринято для выравнивания усилий, действующих на левую 4, 6 и правую 5, 7 контактные пары. При дальнейшем движении контактодержателя под действием контактных электродинамических сил (см. фиг.7), т.е. при переходе через мертвое положение, происходит опрокидывание контактной системы. Коромысло 26, ускоренно поворачиваясь против часовой стрелки, перестает контактировать с упором 37 и входит в контакт с неподвижной внутренней поверхностью 45 на наружном диске 15. Пружина 20 теперь связана одним концом жестко с неподвижным барабаном (упираясь через коромысло в поверхность 45), а вторым через штифт 22 с контактодержателем, передавая контактодержателю усилие, уже направленное на размыкание контактов. Дальше контактодержатель 8 движется не только под действием электродинамических сил, но и под действием пружин нажатия 19, 20, которые делают невозможным возврат контактов и их повторные замыкания, а также осуществляют фиксацию контактодержателя в отброшенном состоянии, прижав его к стенкам секторообразных выборок 43, 44 на внутренних дисках 12, 13. Так исключаются приварки контактов и повышается надежность работы контактной системы. Возврат контактной системы в исходное состояние (см. фиг.8) происходит при срабатывании механизма свободного расцепления от действия максимального расцепителя тока (не показан), реагирующего на токи короткого замыкания. В силу инерционности механизма свободного расцепления его срабатывание происходит позже электродинамического отброса, или, по крайней мере, только начинается во время отброса. При срабатывании механизм, воздействуя на приводные стержни 17, 18, начинает вращать барабан 9 по часовой стрелке вместе с контактодержателем и упирает плечо контактодержателя в фиксатор 46. Дальше вращение барабана происходит при неподвижном контактодержателе. Поскольку один конец пружины 20 на штифте 22 неподвижен, а второй перемещается вместе с коромыслом, на который воздействует фигурная поверхность 45, то пружина, растягиваясь, снова занимает мертвое положение. Переходя через мертвое положение, пружина выведет коромысло 26 из контакта с поверхностью 45 и введет дальше это коромысло в контакт с упором 37 посредством вилкообразного плеча 32. Контактная система снова готова к включению.
С учетом изложенного предложенная контактная система быстродействующего автоматического выключателя позволяет получить мертвое положение при меньших углах раствора контактов и достичь электродинамического отброса подвижных контактов с гарантированной их фиксацией в отброшенном состоянии, т.е. без повторных замыканий, раньше чем в прототипе (при равных с прототипом отключаемых токах короткого замыкания). Это повышает надежность отключения токов короткого замыкания. Сокращение же времени гарантированного без повторных замыканий разведения контактов позволяет раньше, без задержек, вводить электрическую дугу в контактно-дугогастельную систему, что положительно влияет на быстродействие отключения токов короткого замыкания и улучшает токоограничивающие свойства выключателя.
Таким образом, заявляемая контактная система для быстродействующего выключателя в описанном конструктивном исполнении обеспечивает достижение декларируемого технического результата.