ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к защитной коммутационной аппаратуре, и может применяться для защиты от перегрузок и коротких замыканий электроустановок и линий постоянного тока.
Известны быстродействующие выключатели со свободным расцеплением, удерживающиеся во включенном положении за счет магнитного потока в рабочем зазоре якоря, создаваемого током удерживающей катушки, и отключающиеся при уменьшении указанного магнитного потока [Голубев А.И. Быстродействующие автоматические выключатели, М.-Л., издательство «Энергия», 1964 г., стр. 42-43, стр. 44-47]. Якорь электромагнита и подвижный контакт имеют между собой жесткую связь. Включение выключателя осуществляется рычагом, обеспечивающим приближение полюсов электромагнита вплотную к якорю, в то время как удерживающая катушка, расположенная на магнитопроводе электромагнита, постоянно находится под напряжением.
Недостатком данного технического решения является наличие трения между якорем и магнитопроводом электромагнита, что снижает надежность и уменьшает срок службы выключателя, а для воздействия на рычаг включения выключателя требуется значительный по мощности привод, способный растягивать пружину контактного нажатия.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является автоматический быстродействующий выключатель (https://transea.ru/wp-content/uploads/ТИ-001-2019-03.pdf.). Этот выключатель содержит раму со стальным упором отключенного положения, контактный блок с подвижным и неподвижным контактами, нижней и верхней выводными шинами и катушкой магнитного дутья, быстродействующий электромагнит с магнитопроводом, катушкой управления, главным якорем и якорем свободного расцепления, рычаг механизма свободного расцепления, пружины, изоляционную тягу, связывающую рычаг механизма свободного расцепления с подвижным контактом, реле тока, дугогасительную камеру и узел подключения цепей управления. Главный якорь через пружины, рычаг механизма свободного расцепления и изоляционную тягу соединен с подвижным контактом, а отключающая пружина связана с главным якорем. Главный якорь выполняется со шлифованной поверхностью и плотно прилегает к магнитопроводу, в зоне рабочего зазора площадь касания главного якоря равна площади стержня магнитопровода в зоне прилегания якоря. Якорь свободного расцепления устанавливается с зазором относительно магнитопровода. Реле тока охватывает нижнюю выводную шину. Между реле тока и нижней выводной шиной имеется воздушный изоляционный зазор для обеспечения изоляции между нижней выводной шиной, входящей в главную цепь выключателя, и корпусом реле тока, который заземлен. Включение производится путем подачи включающего тока через катушку управления. При этом к магнитопроводу притягиваются главный якорь и якорь свободного расцепления, пружины контактного нажатия сжимаются, подвижный и неподвижный контакты остаются в предвключенном положении, поскольку якорь свободного расцепления удерживает его в этом положении, пока через катушку управления протекает включающий ток. Это положение необходимо для того, чтобы подвижный и неподвижный контакты не замкнулись, пока через катушку управления протекает включающий ток, так как в этом случае невозможно произвести быстрое отключение выключателя. Затем ток через катушку снижается до величины удерживающего тока, якорь свободного расцепления не может удерживаться ослабленным магнитным потоком, и под действием пружин контактного нажатия выключатель переходит во включенное положение, подвижный контакт замыкается с неподвижным контактом. Для отключения выключателя необходимо прервать держащий ток. Главный якорь отпадает от магнитопровода, и под действием отключающих пружин выключатель переходит в отключенное положение, при этом рычаг механизма свободного расцепления упирается в стальной упор отключенного положения. Реле тока служит для автоматического отключения выключателя. При превышении током главной цепи заданной величины реле тока срабатывает и обрывает удерживающий ток, протекающий через катушку управления выключателя.
Такая конструкция имеет несколько недостатков. Во-первых, стальной упор отключенного положения не гасит кинетическую энергию подвижных частей при отключении выключателя, из-за чего происходит отскок подвижных частей обратно в направлении включенного положения. Это приводит к уменьшению зазора между подвижным и неподвижным контактом в процессе отключения и отрицательно влияет на характеристики отключения, вплоть до повторного электрического пробоя между контактами и повторного зажигания электрической дуги. Во-вторых, главный якорь в зоне рабочего зазора имеет площадь касания, равную площади стержня магнитопровода. С точки зрения эффективности удержания в режиме, когда магнитопровод и главный якорь не насыщены, это не оптимальное решение, так как в этом случае требуется более высокое значение удерживающего тока для удержания главного якоря в притянутом положении. В-третьих, воздушный зазор между корпусом реле тока и нижней выводной шиной отрицательно влияет на точность настройки реле, так как при этом большое влияние оказывают внешние магнитные поля. В-четвертых, узел подключения цепей управления в данном выключателе не имеет защиты от возможного выхода ионизированных газов из дугогасительной камеры, что представляет собой опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка надежного, экономичного и безопасного выключателя.
Данная задача решается благодаря тому, что выключатель автоматический быстродействующий содержит раму с упором отключенного положения, контактный блок с подвижным и неподвижным контактами, нижней и верхней выводными шинами и катушкой магнитного дутья, быстродействующий электромагнит с магнитопроводом, катушкой, главным якорем и якорем свободного расцепления, рычаг механизма свободного расцепления, пружины, изоляционную тягу, связывающую рычаг механизма свободного расцепления с подвижным контактом, реле тока, дугогасительную камеру и узел подключения цепей управления, при этом упор отключенного положения снабжен упругой подкладкой, реле тока имеет магнитопровод, плотно охватывающий выводную шину, причем главный якорь в месте прилегания к магнитопроводу электромагнита имеет в рабочем зазоре площадь прилегания, равную 50-60% от площади полюса магнитопровода в рабочем зазоре, а между узлом подключения цепей управления и дугогасительной камерой имеется дополнительная изоляционная пластина.
Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик автоматического быстродействующего выключателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид выключателя;
Фиг. 2 - выключатель без дугогасительной камеры;
Фиг. 3 - механизм выключателя в отключенном положении;
Фиг. 4 - механизм выключателя в предвключенном положении;
Фиг. 5 - механизм выключателя во включенном положении;
Фиг. 6 - электромагнит выключателя;
Фиг. 7 - магнитопровод реле тока.
На фигурах обозначено 1 - рама; 2 - упор отключенного положения; 3 - контактный блок; 4 - неподвижный контакт; 5 - подвижный контакт; 6 - нижняя выводная шина; 7 - верхняя выводная шина; 8 - катушка магнитного дутья; 9 - быстродействующий электромагнит; 10 - катушка; 11 - главный якорь; 12 - якорь свободного расцепления; 13 - рычаг механизма свободного расцепления; 14 - пружина контактного нажатия; 15 - отключающая пружина; 16 - изоляционная тяга; 17 - реле тока; 18 - дугогасительная камера; 19 - узел подключения цепей управления; 20 - упругая подкладка; 21 - магнитопровод; 22 - ось; 23 - магнитопровод; 24 - изоляционный экран; 25 - выступающий край; 26 - скоба; 27 - ось; 28 - направляющая; 29 - направляющая; 30 -изоляционная пластина.
Выключатель автоматический быстродействующий постоянного тока содержит раму 1 с упором отключенного положения 2, контактный блок 3 с подвижным 5 и неподвижным 4 контактами, нижней 6 и верхней 7 выводными шинами, катушку магнитного дутья 8, быстродействующий электромагнит 9 с магнитопроводом 23, катушкой 10, главным якорем 11 и якорем свободного расцепления 12, рычаг механизма свободного расцепления 13, пружины контактного нажатия 14 и отключающие пружины 15, изоляционную тягу 16, связывающую рычаг механизма свободного расцепления 13 с подвижным контактом 5, реле тока 17, дугогасительную камеру 18 и узел подключения цепей управления 19. Главный якорь 11, якорь свободного расцепления 12 и рычаг механизма свободного расцепления 13 вращаются на оси 22. Ось 22 закреплена на боковых пластинах магнитопровода 23.
Упор отключенного положения 2 имеет металлическое основание и снабжен упругой подкладкой 20, которая гасит кинетическую энергию подвижных частей при отключении выключателя, металлическое основание может быть прикреплено к раме 1 сваркой, болтами или любым другим известным способом. Контактный блок 3 имеет свою металлическую раму, на ней крепится нижняя выводная шина 6 и ось. На оси установлен металлический рычаг, к которому крепится подвижный контакт 5. Подвижный контакт 5 связан с нижней выводной шиной 6 медной гибкой шиной. К металлической раме контактного блока 3 крепятся изоляционные стенки, к которым крепится катушка магнитного дутья 8. Неподвижный контакт 4 и верхняя выводная шина 7 являются частями катушки магнитного дутья 8. Контактный блок 3 через изоляторы крепится к раме 1 выключателя и к быстродействующему электромагниту 9. Между контактным блоком 3 и быстродействующим электромагнитом 9 установлен изоляционный экран 24. Реле тока 17 присоединено к нижней выводной шине 6 при помощи крепежных элементов и имеет магнитопровод 21, плотно охватывающий нижнюю выводную шину 6. Зазоры между магнитопроводом 21 и нижней выводной шиной 6 не превышают двух мм. Главный якорь 11 выполнен со шлифованной поверхностью и в месте прилегания к магнитопроводу 23 имеет в рабочем зазоре площадь прилегания, равную 50-60% от площади полюса магнитопровода 23, при этом поверхность прилегания выполнена в наиболее удаленном месте от оси 22 вращения главного якоря 11. Изоляционная пластина 30 крепится болтами к раме 1 и к катушке магнитного дутья 8. Таким образом, она несет двойную функцию - служит конструкционным элементом для жесткости выключателя и обеспечивает изоляцию между дугогасительной камерой 18 и остальными частями выключателя. Дугогасительная камера 18 крепится к изоляционной пластине 30 при помощи скобы 26, оси 27 и направляющих 28, 29. Изоляционная пластина 30 удлинена в сторону узла подключения цепей управления 19 - имеет выступающий за раму 1 край 25, служащий для защиты узла подключения цепей управления 19 от выхлопа ионизированных газов из дугогасительной камеры 18.
Устройство работает следующим образом.
В отключенном положении (фиг. 3) через катушку 10 электромагнита пропускают включающий ток большой величины. Под действием электромагнитных сил главный якорь 11 притягивается к магнитопроводу 23. Якорь свободного расцепления 12 при этом также под действием электромагнитных сил остается притянутым также к магнитопроводу 23. Главный якорь 11 через пружины контактного нажатия 14 перемещает рычаг механизма свободного расцепления 13, который, в свою очередь, через изоляционную тягу 16 перемещает подвижный контакт 5. Но пока притянут якорь свободного расцепления 12, он удерживает рычаг механизма свободного расцепления 13 в предвключенном положении (фиг. 4), при этом пружины контактного нажатия 14 сильнее сжимаются, а подвижный контакт 5 не замыкается с неподвижным контактом 4. Это необходимо для того, чтобы подвижный контакт 5 и неподвижный контакт 4 выключателя не замыкались, пока по катушке 10 протекает включающий ток большой величины, так как если в главной цепи уже имеется короткое замыкание, то выключатель не сможет сработать на отключение с нужным быстродействием. Далее катушка 10 посредством схемы управления переводится на меньший по величине удерживающий ток. Переключение на удерживающий ток может задаваться таймером, либо при срабатывании конечного выключателя при притягивании главного якоря 11. Поскольку якорь свободного расцепления 12 прилегает к магнитопроводу 21 с зазором, он не может удерживаться за счет удерживающего тока. Под действием пружин контактного нажатия 14 рычаг механизма свободного расцепления 13 с изоляционной тягой 16 и подвижным контактом 5 переходят во включенное положение (фиг. 5). После чего главный якорь 11 готов к немедленному отрыву от магнитопровода 23, что приводит к отключению выключателя.
Для отключения выключателя необходимо прервать удерживающий ток в катушке 10. При этом под действием отключающих пружин 15 главный якорь 11, рычаг механизма свободного расцепления 13, изоляционная тяга 16 и подвижный контакт 5 переходят в отключенное положение (фиг. 5). При отключении рычаг механизма свободного расцепления 13 упирается в упор отключенного положения 2. Благодаря наличию упругой подкладки 20 кинетическая энергия подвижных частей гасится и не происходит их отскок от упора отключенного положения 2.
Автоматическое отключение происходит путем обрыва удерживающего тока контактами реле тока 17. Благодаря тому, что магнитопровод 21 реле тока 17 плотно охватывает нижнюю выводную шину 6, он значительно слабее, чем у аналогов, зависит от внешних магнитных полей, что, в свою очередь, позволяет более точно выставлять токи срабатывания выключателя, благодаря чему происходит меньше ложных отключений, что говорит о надежности данного технического решения.
При отключении тока между контактами выключателя возникает электрическая дуга, которая под действием электродинамических сил направляется в дугогасительную камеру. Часто для отключения постоянного тока применяют дугогасительные камеры деионного типа. Электрическая дуга сначала попадает в щель между перегородками дугогасительной камеры, а затем заходит на деионные пластины, где и происходит ее гашение.
При отключении больших токов (для значений токов короткого замыкания более 50000 А) электрическая дуга, возникающая на контактах выключателя, имеет достаточно большой диаметр. Если при этом щель между перегородками дугогасительной камеры будет недостаточной ширины, электрическая дуга будет распространяться не только в направлении деионных пластин, расположенных внутри дугогасительной камеры 18, но и в противоположном направлении - вниз, что может привести к перебросу электрической дуги на различные элементы конструкции выключателя и неотключению аварийного тока. Опытным путем установлено, что для отключения токов, величина которых достигает 120000-180000 А, необходимо иметь щель шириной 34-40 мм. Для данной конструкции принята ширина щели 38 мм, но она может быть также другой ширины в указанных пределах.
За счет упора отключенного положения 2 с упругой подкладкой 20 не происходит отскок подвижных элементов и не уменьшается зазор между подвижным и неподвижным контактами в процессе отключения, благодаря чему не происходит электрического пробоя между контактами и повторного зажигания электрической дуги. Благодаря тому, что реле тока 17 имеет магнитопровод 21, плотно охватывающий нижнюю выводную шину 6, внешние магнитные поля не оказывают отрицательного влияния на точность настройки реле. Главный якорь 11 в месте прилегания к магнитопроводу 23 электромагнита 9 имеет в рабочем зазоре площадь прилегания, равную 50-60% от площади полюса магнитопровода 23 в рабочем зазоре, за счет чего требуется меньшее значение удерживающего тока для удержания главного якоря в притянутом положении. Также преимуществом является отсутствие трения между главным якорем 11 и магнитопроводом 23 электромагнита, что повышает надежность и безопасность выключателя, увеличивает срок службы выключателя.
Благодаря указанным выше конструктивным отличиям, создан надежный в работе, безопасный и удобный в эксплуатации быстродействующий выключатель с улучшенными характеристиками.