СЕЛЕКТИВНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к низковольтному аппаратостроению в частности к автоматическим выключателям с электродинамическими устройствами в виде U-образных неподвижных и малоподвижных шин.
Известны автоматические выключатели, содержащие закрепленные внутри корпуса механизм свободного расцепления с подвижным контактами, соединенными гибкой связью с нижним выводом, дугогасительную камеру, верхний вывод, выполненный в виде двухпетлевого электродинамического устройства, состоящего из неподвижной U-образной шины с зажимом для подключения и шарнирно соединенной с ней малоподвижной U-образной шины с установленными на ее свободном плече малоподвижными контактами, пружину контактного нажатия, расцепитель (см. описания к авторским свидетельствам СССР №277915, Н02d 73/00; №296172 H01h 73/38; №475681 H01h 77/10). Двухпетлевые электродинамические устройства используются, как для ускорения размыкания контактов в быстродействующих токоограничивающих выключателях при отключении больших токов короткого замыкания (см. книгу С.Дзежбицки, Е.Вальчук «Токоограничивающие выключатели переменного тока» - Ленинград: Энергоиздат 1982, стр.31, рис.2.3), так и для компенсации электродинамических сил отброса в селективных выключателях (см. книгу Р.С.Кузнецов «Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В» - Москва: Энергия, 1970, стр.271, рис.5-3) для обеспечения высокой пропускной способности токов короткого замыкания от 20-30 кА и более при временах выдержки от 0,5 до 1-3 сек. Селективные выключатели с двухпетлевыми электродинамическими устройствами компенсации электродинамических сил отброса зарекомендовали себя надежными автоматическими аппаратами и успешно применяются потребителями различных отраслей экономики. Однако им присущи невысокая коммутационная способность при отключении токов короткого замыкания превышающих верхнюю границу зоны селективности, а также невысокие показатели электроизноса их серебросодержащих контактов. Объясняется это не только необходимостью обеспечения больших времен выдержки контактной системы под воздействием токов короткого замыкания зоны селективности, но и конструктивными особенностями контура главного тока с двухпетлевыми устройствами компенсации электродинамических сил отброса. Особенности конструкции, препятствующие повышению коммутационной способности и
уменьшению электродугового износа, наиболее полно могут быть разъяснены техническим решением автоматического выключателя по описанию к изобретению СССР №277915, Н02d 73/00, который является прототипом предлагаемой полезной модели.
Прототип содержит корпус, закрепленные внутри корпуса механизм свободного расцепления с подвижным контактами, соединенными гибкой связью с нижним выводом, дугогасительную камеру, верхний вывод, выполненный в виде двухпетлевого электродинамического устройства, состоящего из неподвижной U-образной шины с зажимом для подключения и шарнирно соединенной с ней малоподвижной U-образной шины с установленными на ее свободном плече малоподвижными контактами, пружину контактного нажатия, расцепитель. На рисунке фиг.4, приведенном в описании к изобретению №277915, изображено двухпетлевое электродинамическое устройство селективного выключателя, а на рис.5 и 6 - быстродействующего токоограничивающего выключателя. Анализ направлений тока в U-образных шинах 13, 14 и подвижном контакте 5 при размыкании (см. фиг.6, направление тока указано стрелками на изображениях деталей) показывает, что в токоограничивающем выключателе токи в верхнем плече неподвижной U-образной шины 10 и верхнем плече малоподвижной U-образной шины 13, 14 (на котором закреплен малоподвижный контакт) совпадают по направлению. Поэтому в токоограничивающем выключателе ток в верхнем плече неподвижной U-образной шины способствует выходу электрической дуги из межконтактного промежутка и продвижению ее по консольным частям контакта 5 и верхнего плеча малоподвижной U-образной шины 13, 14, а значит и более быстрому вхождению дуги в дугогасительную камеру, что в конечном итоге способствует повышению коммутационной способности, уменьшению электродугового износа контактов. Однако в селективном выключателе (см. фиг.4) ток в верхнем плече неподвижной U-образной шины 10 направлен в противоположную сторону по отношению к направлению тока в верхнем плече малоподвижной U-образной шины 13, 14 и, следовательно, магнитное поле тока в верхнем плече неподвижной U-образной шины 10 замедляет процесс выхода дуги из межконтакного промежутка при размыкании и замедляет перемещение дуги в дугогасительную камеру. Этим объясняется невысокая коммутационная способность и повышенный электроизнос серебросодержащих контактов прототипа. В прототипе не предусмотрены конструктивные меры, устраняющие отмеченные недостатки селективного выключателя, а попытки увеличить расстояние между верхним плечом неподвижной U-образной шины 10 и верхним плечом малоподвижной U-образной шины 13, 14 для уменьшения влияния встречного тока приводят к увеличению габаритов
электродинамического устройства и всего выключателя в целом, перерасходу меди, используемой для изготовления электродинамического устройства.
Использование предлагаемой модели обеспечивает следующий технический результат:
- повышение коммутационной способности селективного выключателя за счет уменьшения тормозящего влияния тока в близлежащем к подвижному контакту плече неподвижной U-образной шины на выход электрической дуги из межконтактного промежутка и на скорость перемещения дуги в дугогасительную камеру;
- уменьшение электродугового износа серебросодержащих контактов и увеличение технического ресурса контактной системы автоматического выключателя за счет уменьшения времени пребывания дуги на контактах;
- сокращение расхода меди на изготовление подвижных U-образных шин.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что автоматический выключатель, содержащий корпус, закрепленные внутри корпуса механизм свободного расцепления с подвижным контактами, соединенными гибкой связью с нижним выводом, дугогасительную камеру, верхний вывод, выполненный в виде двухпетлевого электродинамического устройства, состоящего из неподвижной U-образной шины с зажимом для подключения и шарнирно соединенной с ней малоподвижной U-образной шины с установленными на ее свободном плече малоподвижными контактами, пружину контактного нажатия, расцепитель, снабжен фигурной деталью из ферромагнитного материала, закрепленной на поверхности неподвижной U-образной шины со стороны зажима напротив дугогасительной камеры так, что плоскость симметрии фигурной детали и плоскость симметрии электродинамического устройства совпадают, а сама фигурная деталь в сечении, проходящем через плоскость ее симметрии, имеет первый прямолинейный участок параллельный поверхности неподвижной U-образной шины со стороны зажима и имеющий ширину не менее ширины малоподвижной U-образной шины, второй прямолинейный участок, сопряженный с первым участком радиусным переходом и расположенный под острым углом α к первому участку до высоты, не превышающей величины перемещения малоподвижной U-образной шины, третий участок, сопряженный со вторым участком радиусным переходом под тупым углом β ко второму участку, причем угол β=180-α и длина третьего участка выбрана из условия непересечения этим участком поверхности крепления фигурной детали на неподвижной U-образной шине, при этом третий прямолинейный участок выполнен в виде узкого консольного лепестка, вдоль продольной оси симметрии которого выполнен узкий сквозной по толщине паз, ось
симметрии лепестка совпадает с плоскостью симметрии электродинамического устройства, а противоположный конец консольного лепестка, второй и первый прямолинейные участки по ширине сопряжены между собой трехмерными криволинейными переходами таким образом, что ширина второго прямолинейного участка, размещенного против малоподвижных контактов, переменна по его высоте с уменьшением от ширины первого линейного участка до ширины консольного лепестка, кроме этого плечо малоподвижной U-образной шины, на котором закреплены малоподвижные контакты, укорочено по длине до величины, обеспечивающей воздушный зазор между вторым прямолинейным участком фигурной детали и концом укороченного плеча малоподвижной шины.
Снабжение селективного автоматического выключателя фигурной деталью из ферромагнитного материала, закрепление фигурной детали ее первым прямолинейным участком, имеющим ширину не менее ширины малоподвижной U-образной шины, на поверхности неподвижной U-образной шины со стороны зажима напротив дугогасительной камеры так, что плоскость симметрии фигурной детали и плоскость симметрии электродинамического устройства совпадают, позволяет путем экранирования ферромагнитной деталью магнитного поля, создаваемого встречным током, протекающим по плечу неподвижной U-образной шины со стороны зажима, ослабить тормозящее влияние встречного тока на движение дуги в дугогасительную камеру. Выполнение на фигурной ферромагнитной детали второго прямолинейного участка, сопряженного с первым участком радиусным переходом и расположение его под острым углом α к первому участку до высоты, не превышающей величины перемещения малоподвижной U-образной шины, обеспечивает облегченный переход электрической дуги из межконтактного промежутка на второй прямолинейный участок ферромагнитной детали и привязку опорной точки дуги к этому участку. Облегченный переход создан благодаря взаимодействию электрической дуги (как проводника с током) с ферромагнитным телом (см. книгу С.Н.Соболев «Расчет и конструирование низковольтной электрической аппаратуры» - Москва, «Высшая школа», 1972, стр.33, стр.35, таблица 4.1, п.8.). Выполнение в фигурной детали третьего участка, сопряженного со вторым участком радиусным переходом под тупым углом β ко второму участку, причем угол β=180-α, выбор длины третьего участка из условия непересечения этим участком поверхности крепления фигурной детали на неподвижной U-образной шине, изготовление третьего прямолинейного участка в виде узкого консольного лепестка, вдоль продольной оси симметрии которого выполнен узкий сквозной по толщине паз с совпадением оси симметрии лепестка с плоскостью симметрии электродинамического
устройства, сопряжение противоположного конца консольного лепестка, второго и первого прямолинейных участков между собой по ширине трехмерными криволинейными переходами таким образом, что ширина второго прямолинейного участка, размещенного против малоподвижных контактов, переменна по его высоте с уменьшением от ширины первого линейного участка до ширины консольного лепестка, создают условия для быстрого перемещения опорной точки электрической дуги со второго линейного участка по ребрам трехмерных криволинейных переходов, по наружным ребрам консольного лепестка и ребрам узкого паза в дугогасительную камеру. Поскольку при наличии фигурной ферромагнитной детали, описанной конфигурации и установленной описанным образом на неподвижной U-образной шине, надобность в удлиненном плече малоподвижной U-образной шины отпадает, то это плечо малоподвижной U-образной шины (на котором закреплены малоподвижные контакты) укорочено по длине до величины, обеспечивающей воздушный зазор между вторым прямолинейным участком фигурной детали и концом укороченного плеча малоподвижной шины. Величина воздушного зазора выбирается из условия быстрого перехода электрической дуги на тело фигурной детали. Благодаря сокращению длины плеча малоподвижной шины уменьшен расход меди на изготовление электродинамического устройства выключателя.
Предлагаемая полезная модель может использоваться для повышения коммутационной способности серийных селективных выключателей, в контактной системе которых используются электродинамические компенсирующие устройства, а также для уменьшения электродугового износа серебросодержащих контактов, то есть увеличения технического ресурса контактной системы.
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.1-5. На фиг.1 изображен общий вид селективного автоматического выключателя. На фиг.2
показано электродинамическое устройство в увеличенном масштабе в виде выносного элемента I на фиг.1, а на фиг.3 - вид А (см. фиг.2) на это устройство при условно не изображенном подвижном контакте выключателя. Фиг.4 показывает аксонометрическое изображение электродинамического устройства, а фиг.5 - сечение Д-Д вдоль плоскости симметрии и аксонометрическое изображение фигурной ферромагнитной детали с формообразующими ее элементами.
Селективный автоматический выключатель содержит корпус 1, закрепленные внутри корпуса механизм свободного расцепления 2 с подвижным контактами 3, соединенными гибкой связью 4 с нижним выводом 5, дугогасительную камеру 6, верхний вывод 7, выполненный в виде двухпетлевого электродинамического устройства, состоящего из неподвижной U-образной шины 8 с зажимом 9 для подключения и соединенной с шиной 8 посредством шарнира 10 малоподвижной U-образной шины 11 с установленными на ее свободном плече малоподвижными контактами 12, пружину контактного нажатия 13, расцепитель 14. Выключатель снабжен фигурной деталью 15 из ферромагнитного материала, (например изготовленной из низкоуглеродистой стали 08 кп или стали 10), закрепленной винтами на поверхности Б (см. фиг.2) неподвижной U-образной шины 8 со стороны зажима 9 напротив дугогасительной камеры 6 так, что плоскость симметрии 16 фигурной детали (см. фиг.3) и плоскость симметрии 17 электродинамического устройства совпадают. Сама фигурная деталь 15 в сечении Д-Д, проходящем через плоскость ее симметрии 16 (см. фиг.5), имеет первый прямолинейный участок 18 параллельный поверхности Б неподвижной U-образной шины 8 и имеющий ширину В1 не менее ширины Г малоподвижной U-образной шины 11, второй прямолинейный участок 19, сопряженный с первым участком радиусным переходом 20 и расположенный под острым углом α к первому участку 18 до высоты h, не превышающей величины перемещения Н малоподвижной U-образной шины 11 относительно поверхности Б крепления фигурной детали, третий участок 21, сопряженный со вторым участком радиусным переходом 22 под тупым углом β ко второму участку, причем угол β=180-α и длина третьего участка L выбрана из условия непересечения этим участком поверхности крепления Б фигурной детали на неподвижной U-образной шине. Третий прямолинейный участок 21 выполнен в виде узкого, имеющего ширину В3, консольного лепестка 23, вдоль продольной оси симметрии которого выполнен узкий сквозной по толщине лепестка паз 24. Плоскость симметрии 16 лепестка 23 совпадает с плоскостью симметрии 17 электродинамического устройства, а противоположный конец 25 консольного лепестка 23, второй 19 и первый 18 прямолинейные участки по ширине сопряжены между собой трехмерными криволинейными переходами 26, 27 таким образом,
что ширина В2 второго прямолинейного участка 19, размещенного против малоподвижных контактов 12, переменна по его высоте h с уменьшением от ширины В1 первого линейного участка 18 до ширины В3 консольного лепестка 23. Для обеспечения условий работы электродинамического устройства и быстрого перехода электрической дуги с контактов 12 на поверхности и ребра второго 19 и третьего 21 участков фигурной детали 15, плечо 28 (см. фиг.2) малоподвижной U-образной шины 11, на котором закреплены малоподвижные контакты 12, укорочено по длине до величины, обеспечивающей воздушный зазор δ между вторым прямолинейным участком 19 фигурной детали 15 и концом укороченного плеча 28. малоподвижной шины 11. Ручное оперирование выключателем при номинальных токах производится рукояткой 29 механизма свободного расцепления 2, внутри которого на оси 30 вращается подвижный контакт 3, кинематически связанный с рукояткой 29 и максимальным расцепителем 14. Отключение токов короткого замыкания производится максимальным расцепителем 14, который воздействует на расцепляющую рейку механизма свободного расцепления. Конструкция механизма свободного расцепления с расцепляющей рейкой и максимальным расцепителем на рисунке фиг.1 не раскрывается в силу их общеизвестности и в целях облегчения восприятия сущности предлагаемой полезной модели.
Работает селективный автоматический выключатель следующим образом. При токах короткого замыкания, величина которых меньше токовой уставки, и времени воздействия тока короткого замыкания меньше временной уставки максимального расцепителя, контакты выключателя находятся в замкнутом состоянии. Возникающие при этом в контактном соединении электродинамические силы отброса (за счет сужения струи тока в контактах) компенсируются электродинамическими силами двухпетлевого электродинамического устройства. Взаимодействие токов короткого замыкания, протекающих по неподвижной 8 и малоподвижной 11 U-образных шинах в одном направлении с правой стороны и в разных направлениях с левой стороны (см. направления тока в шинах, обозначенное стрелками, на фиг.2) создают результирующее электродинамическое усилие F постоянно прижимающее малоподвижные контакты 12 к подвижному контакту 3. При возникновении в защищаемой цепи тока короткого замыкания, превышающем токовую и временную уставки максимального расцепителя 4, срабатывает электромагнит максимального расцепителя и поворачивает расцепляющую рейку (не показана) механизма свободного расцепления 2. Механизм свободного расцепления срабатывает и отводит подвижный контакт 3 от малоподвижного контакта 12. При размыкании между контактами 3 и 12 возникает электрическая дуга, опорные
точки которой первоначально привязаны к контактным площадкам. Под действием электродинамических сил, возникающих между неподвижной 8 и малоподвижной 11 U-образными шинами при протекании тока короткого замыкания, малоподвижная шина 11 будет поворачиваться вокруг шарнира 10 против часовой стрелки, пока не займет положение над поверхностью Б, соответствующее высоте Н. Одновременно с поворотом шины 11 сама дуга и ее опорная точка на контакте 12 под действием магнитного поля контура тока начнет движение в сторону дугогасительной камеры и окажется напротив второго прямолинейного участка 19 фигурной детали 15. Поскольку фигурная деталь изготовлена из ферромагнитного материала, а электрическая дуга представляет собой проводник с током, то дуга будет притягиваться к участку 19 и опорная точка дуги перейдет через функциональный зазор δ на сам участок 19 и его боковые ребра, образованные трехмерными радиусными переходами 26, 27, и далее под действием магнитного поля контура тока будет перемещаться по ребрам узкого консольного лепестка 23 и узкому пазу 24 на этом лепестке в дугогасительную камеру 6. Также опорная точка дуги на подвижном контакте 3 под действием магнитного поля контура тока и сама дуга, быстро растягиваемая размыкаемыми контактами 12 и 3, устремляется по рогу контакта 3 в дугогасительную камеру 6. Согласно исследованиям электродуговых процессов в автоматических выключателях известно, что дуга, электродинамически взаимодействуя с током, протекающим по контактам, движется гораздо быстрее по торцам узких ребер, по узким участкам контакт-деталей и в прорезях этих деталей (см. книгу Р.С.Кузнецов «Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В» - Москва: Энергия, 1970, стр.274). Этим объясняется выбор формы элементов 23, 24, 26, 27, образующих фигурную деталь 15 в предлагаемой полезной модели. Благодаря экранирующему свойству фигурной детали 15 из ферромагнитного материала, тормозящее воздействие тока в плече неподвижной U-образной шины 8 со стороны зажима на движение дуги в дугогасительную камеру существенно ослаблено.
Следовательно, в полезной модели путем введения фигурной ферромагнитной детали 15 с тремя линейными участками 18, 19, 21, сопряженных под углами α и β, а по ширине - трехмерными радиусными переходами 26, 27, выполнением третьего участка 21 в виде узкого консольного лепестка 23 с узким продольным пазом 24 созданы условия для более быстрого по сравнению с прототипом перемещения электрической дуги в дугогасительную камеру 6. Электрическая дуга быстрее отдает свою энергию пластинам дугогасительной камеры и это способствует повышению коммутационной способности предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом. Ускоренный выход дуги из межконтактного промежутка, стимулируемый ферромагнитным материалом фигурной
детали 15 и ее формой, обеспечивает уменьшение электродугового износа серебросодержащих контактов. Размеры фигурной детали выбираются в зависимости от номинального тока выключателя и величины отключаемых токов короткого замыкания и проверяются в ходе исследовательских испытаний опытных образцов. Длина третьего линейного участка 21 (консольного лепестка 23) выбирается из условия непересечения поверхности Б для того, чтобы не допустить электрического контакта свободного конца лепестка с поверхностью неподвижной U-образной шины 8 со стороны зажима 9, так как в противном случае консольный лепесток не образует с поверхностью Б токовую петлю, необходимую для продвижения дуги в дугогасительную камеру, то есть движение дуги по участку 21 было бы заторможенным. Укорачивание свободного вылета 28 малоподвижной U-образной шины 11 (на котором установлены контакты 12) на величину не менее длины третьего участка 21 фигурной детали 15 позволяет по сравнению с прототипом уменьшить расход меди для изготовления этих шин и получить экономический эффект равный стоимости сэкономленной меди за вычетом стоимости введенной фигурной детали из недорогой низкоуглеродистой стали.
Таким образом, снабжение селективного автоматического выключателя фигурной деталью из ферромагнитного материала, закрепленной на поверхности неподвижной U-образной шины со стороны зажима напротив дугогасительной камеры так, что плоскость симметрии фигурной детали и плоскость симметрии электродинамического устройства совпадают, выполнение фигурной детали в виде описанной совокупности формообразующих элементов (трех линейных участков, консольного лепестка, узкого паза, трехмерных радиусных переходов) с указанными зависимостями их геометрических размеров, взаимным расположением относительно друг друга и сопряжениями их поверхностей, а также укорочение по длине плеча малоподвижной U-образной шины, на котором закреплены малоподвижные контакты, до величины, обеспечивающей воздушный зазор между вторым прямолинейным участком фигурной детали и концом укороченного плеча малоподвижной шины, позволили достичь в предлагаемой модели:
- повышения коммутационной способности селективного выключателя;
- уменьшения электродугового износа серебросодержащих контактов и увеличение технического ресурса контактной системы автоматического выключателя;
- сокращения расхода меди на изготовление малоподвижных U-образных шин.
Заявленная полезная модель экспериментально проверена и показала свою эффективность при отключении токов короткого замыкания, значительно превышающих величину максимального тока зоны селективной работы выключателя.
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 проведения и автоматического отключения токов короткого замыкания и относится к электротехнике, в частности к селективным автоматическим выключателям с электродинамическими устройствами в виде U-образных неподвижных и малоподвижных шин;
- 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».