ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к трансформаторам тока, встраиваемым в низковольтные автоматические выключатели на большие номинальные токи, а также может быть использована в электроизмерительной технике.
Известны трансформаторы тока, предназначенные для измерения номинальных токов, токов перегрузки и токов короткого замыкания величиной от нескольких сотен ампер до нескольких десятков килоампер, проходящих через полюсы автоматического выключателя. Такие измерительные трансформаторы встраиваются в конструкцию самого выключателя и устанавливаются внутри непосредственно на его выводах. Вывод выключателя в виде токоведущей шины прямоугольного сечения служит первичной обмоткой трансформатора и проходит через окно ферромагнитного сердечника. Вторичная многовитковая обмотка устанавливается на ферромагнитном сердечнике. Конструкции таких измерительных трансформаторов описаны в книге: Могилевский Г.В., Райнин В.Е., Сосков А.Г., Устименко Б.Ю. Бесконтактные устройства защиты для низковольтных электрических аппаратов. М., «Энергия», 1971, с.11; в описании к авторскому свидетельству SU №1781712, H01F 40/02, 1979. Измерительные трансформаторы описанной конструкции широко применяются в низковольтных автоматических выключателях различных фирм (см. установку трансформаторов в выключателях по патенту США 5,341,191 от 23.08.1993 г., Н01Н 75/00, фиг.2 позиции 74,76 на выводе поз.78, а также по патенту США 5,210,385 от 11.05.1993, Н01Н 33/12, фиг.1, поз.46 на выводе 42) и одновременно с измерением токов выполняют функцию источника питания электронных устройств защиты. Однако трансформаторы имеют сравнительно большие габариты, особенно при больших (1000-6300 А) номинальных токах. Ухудшается при больших измеряемых токах короткого замыкания (при кратностях токов короткого замыкания по отношению к номинальному току 12-20 и выше) и точность измерения, так как при больших токах раньше наступает насыщение магнитопровода. Большие габариты приводят к увеличенным потерям мощности в меди вторичной обмотки, повышению температуры трансформатора и к необходимости применения более теплостойких намоточных проводов и электроизоляционных материалов, способных работать при температурах 160-200 градусов.
2
Известно также техническое решение (см. описание к изобретению СССР №454487 M.Кл.G01r 1/22 от 25.12.1974 г.), направленное на уменьшение габаритов трансформатора и повышение точности измерения, основанное на разделении первичной обмотки на две включенные встречно-параллельно обмотки, проходящие через окно сердечника. Это решение является прототипом заявляемой полезной модели. Однако применение такого решения в случае, когда первичной обмоткой является вывод выключателя в виде прямоугольной шины большого сечения, очень затруднительно из-за больших радиусов гибки толстой шины и, как следствие, некомпактной по отношению к выключателю конструкции трансформатора. Это привело бы к неоправданному увеличению компоновочного места внутри выключателя, а следовательно, к увеличению габаритов самого выключателя. Прототип может быть реализован в выключателях на небольшие (до 250 А) номинальные токи при применении в качестве вывода гибких медных проводов марок ПЩ, ПЩС соответствующего сечения или тонких (2-3 мм) медных шин. Для выводов из толстых шин с поперечным сечением свыше 1000 мм требуется оригинальная и компактная конструкция вывода выключателя, которая не требовала бы гибки и увеличения компоновочного места в самом выключателе. В заявляемой полезной модели предлагается реализовать разделение массивного медного вывода большого сечения на два встречно-параллельных токопровода путем выполнения в теле вывода фигурных отверстий, глухих и сквозных пазов, пересекающихся в объеме вывода определенным образом.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает следующий технико-экономический результат:
- уменьшение массы и габаритов измерительного трансформатора при применении его в выключателях на большие, в несколько тысяч ампер, номинальные токи и при больших сечениях выводов выключателя;
- повышение точности измерения токов в более широком диапазоне токов короткого замыкания;
- получение экономического эффекта в виде стоимости сэкономленных материалов за вычетом трудозатрат на изготовление вывода;
- повышение компактности конструкции выключателя за счет уменьшения объема выключателя, занимаемого трансформатором тока.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в измерительном трансформаторе тока, содержащем ферромагнитный сердечник с электроизолирующей оболочкой, первичную обмотку, представляющую собой проходящий через сердечник вывод выключателя, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя парами параллельных боковых граней и двумя торцами, конструктивные элементы на торцах для включения трансформатора в главную токовую цепь выключателя, вторичную обмотку, расположенную на сердечнике, вывод выключателя выполнен с первым и вторым сквозными прямоугольными отверстиями с сечением не меньше площади поперечного сечения ферромагнитного сердечника, перпендикулярными своими осями первой паре параллельных граней параллелепипеда и симметричными относительно второй пары параллельных граней, а также со сквозным прямоугольным пазом, пересекающим оба сквозных отверстия, параллельным первой паре граней и разделяющим вывод в промежутке между двумя сквозными отверстиями на две неравные части, а каждая грань из первой пары граней снабжена двумя глухими пазами, плоскость симметрии которых параллельна торцам вывода, и один из глухих пазов выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом и шириной от пересечения с первой гранью из второй пары граней до пересечения с первым сквозным отверстием, а второй глухой паз выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом и шириной от пересечения со второй гранью из второй пары граней до пересечения со вторым сквозным отверстием, при этом сквозной и глухие пазы совместно со сквозными прямоугольными отверстиями образуют на первой паре граней два S-образных токопровода с соотношением площадей поперечных сечений, пропорциональным соотношению размеров частей, на которые поделен вывод сквозным прямоугольным пазом, причем таким образом, что ток главной цепи в S-образных токопроводах между сквозными отверстиями имеет возможность протекать встречно, кроме этого, ферромагнитный сердечник смонтирован внутри сквозных прямоугольных отверстий с помощью электроизолирующей оболочки, а вторичная обмотка установлена на сердечнике над S-образным токопроводом с большим поперечным сечением.
Выполнение в первичной обмотке трансформатора, представляющей собой вывод выключателя в виде прямоугольного параллелепипеда (отрезка прямоугольной шины с большим поперечным сечением) первого и второго сквозных прямоугольных отверстий с сечением не меньше площади поперечного сечения ферромагнитного сердечника, перпендикулярных своими осями первой паре параллельных граней параллелепипеда и симметричных относительно второй пары параллельных граней, а также сквозного прямоугольного паза, пересекающего оба сквозных отверстия, параллельного первой паре граней и разделяющего вывод в промежутке между двумя сквозными отверстиями на две неравные части позволило разделить вывод на два параллельных токопровода. Снабжение каждой грани из первой пары граней двумя глухими пазами, плоскость симметрии которых параллельна торцам вывода, и выполнение одного из глухих пазов глубиной до пересечения со сквозным пазом и шириной от пересечения с первой гранью из второй пары граней до пересечения с первым сквозным отверстием, а второго глухого паза - глубиной до пересечения со сквозным пазом и шириной от пересечения со второй гранью из второй пары граней до пересечения со вторым сквозным отверстием, дало возможность компактно, не выходя за пределы сечения вывода, образовать на первой паре граней два S-образных токопровода с соотношением площадей поперечных сечений, пропорциональным соотношению размеров частей, на которые поделен вывод сквозным прямоугольным пазом. Сквозные прямоугольные отверстия, сквозной и глухие пазы разделяют прямоугольный вывод большого сечения на два S-образных токопровода таким образом, что ток главной цепи в S-образных токопроводах между сквозными отверстиями имеет возможность протекать встречно без существенного увеличения габаритов вывода. Тем самым результирующие ампервитки намагничивания определяются как разность ампервитков, образованных токами, протекающими по S-образным токопроводам аналогично прототипу, но при более компактной конструкции, несмотря па большое сечение вывода (первичной обмотки), обусловленное большим номинальным током. Монтаж ферромагнитного сердечника внутри сквозных прямоугольных отверстий посредством электроизолирующей оболочки обеспечивает встречно-параллельное прохождение тока главной цепи в окне сердечника также как и в прототипе, но при более компактной конструкции самого измерительного трансформатора. Установка вторичной обмотки на сердечнике именно над S-образным токопроводом с большим поперечным сечением позволяет согласно исследованиям обеспечить заданную точность измерений в более широком диапазоне первичных токов. Результаты исследований одного из исполнений трансформатора отражены на графиках, см. фиг.1. На графиках показаны зависимости вторичного тока (в кратности к вторичному току при номинальном токе выключателя) от величины первичного тока (тоже в кратности к номинальному току выключателя) при размещении вторичной обмотки на сердечнике над S-образным токопроводом с большим поперечным сечением, кривая 2 и над S-образным токопроводом с меньшим поперечным сечением, кривая 3. Кривая 1 показывает идеальную линейную зависимость вторичного тока от первичного. Из графиков видно, что в первом случае (кривая 2) обеспечивается измерение первичного тока с линейностью близкой к идеальной в более широком диапазоне токов короткого замыкания до 18-20 крат номинального тока против 8-10 крат во втором случае (кривая 3).
Предлагаемая полезная модель может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи, а также в электроизмерительной технике, как самостоятельный датчик тока.
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.2-6. На фиг.2 изображен общий аксонометрический вид измерительного трансформатора тока. На фиг.3 показана в аксонометрии конфигурация первичной обмотки трансформатора (конфигурация вывода выключателя, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда со сквозными прямоугольными отверстиями, сквозным и глухими пазами). Фиг.4 и 5 представляют собой виды на вывод выключателя со стороны каждой из первой пары граней и со стороны каждой из второй пары граней. Фиг.6 раскрывает внутреннее устройство полезной модели в разобранном виде.
Измерительный трансформатор тока автоматического выключателя содержит ферромагнитный сердечник 1 (см. фиг.2) с заданным по условиям ненасыщения поперечным сечением его магнитопровода, первичную обмотку 2, представляющую собой проходящую через сердечник часть вывода 3 выключателя. Вывод 3 (см. фиг.3) выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя парами 4.5 и 6,7 параллельных боковых граней и двумя торцами 8, 9. На торцах изготовлены конструктивные элементы для включения трансформатора в главную токовую цепь выключателя. Вблизи торца 8 выполнены два отверстия 10 для подключения вывода к внешней шине, на торце 9 имеется пазовая гребенка 11 для подпайки в ее пазы гибких связей, соединяющих вывод с подвижными контактами выключателя (гибкие связи и подвижные контакты не показаны). На сердечнике 1 установлена вторичная обмотка 12 трансформатора, состоящая из определяемого требуемым коэффициентом трансформации количества витков медного провода, намотанного на каркас 13. Отличительной особенностью предлагаемого трансформатора является его компактная первичная обмотка, рассчитанная на большие номинальные токи и позволяющая реализовать в объеме вывода разделение первичного тока на два встречно-параллельных без увеличения габаритов вывода и компоновочного места в самом выключателе. Для этого в выводе 3 (см. на фиг.3, 4, 5) выполнены первое 14 и второе 15 сквозные прямоугольные отверстия с сечением не меньше площади поперечного сечения ферромагнитного сердечника, перпендикулярные своими осями 16 и 17 первой паре параллельных граней 4, 5 параллелепипеда и симметричные относительно второй пары 6, 7 параллельных граней. Еще выполнен сквозной прямоугольный паз 18, пересекающий оба сквозных отверстия 14, 15, параллельный первой паре 4, 5 граней и разделяющий вывод 3 в промежутке между двумя сквозными отверстиями 14, 15 на две неравные части 19 и 20. Каждая грань 4, 5 из первой пары граней снабжена двумя глухими пазами. Грань 4 (см. фиг.4) снабжена глухими пазами 21, 22, а грань 5 (см. фиг.5) - пазами 23, 24. Плоскости симметрии всех четырех пазов 21-24 параллельны торцам 8, 9 вывода 3. На грани 4 глухой паз 21 выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом 18 и шириной от пересечения с первой гранью 6 из второй пары граней до пересечения с первым сквозным отверстием 14, а второй глухой паз 22 выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом 18 и шириной от пересечения со второй гранью 7 из второй пары граней до пересечения со вторым сквозным отверстием 15. На грани 5 глухой паз 23 выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом 18 и шириной от пересечения со второй гранью 7 из второй пары граней до пересечения с первым сквозным отверстием 14, а глухой паз 24 выполнен глубиной до пересечения со сквозным пазом 18 и шириной от пересечения с первой гранью 6 из второй пары граней до пересечения со вторым сквозным отверстием 15. При этом сквозной 18 и глухие пазы 21-24 совместно со сквозными прямоугольными отверстиями 14, 15 образуют на первой паре граней 4, 5 два S-образных токопровода 25 и 26 с соотношением площадей поперечных сечений, пропорциональным соотношению размеров частей 19, 20, на которые поделен вывод 3 сквозным прямоугольным пазом 18. Причем S-образные токопроводы 25 и 26 проходят между сквозными прямоугольными отверстиями 14, 15 таким образом, что ток главной цепи в этих токопроводах имеет возможность протекать встречно (см. фиг.4, 5). Такая конструкция вывода 3 компактна, изготавливается методом литья и при выполнении своих функций не требует увеличения габаритов самого вывода и компоновочного места в автоматическом выключателе. Ферромагнитный сердечник 1 смонтирован внутри сквозных прямоугольных отверстий 14, 15 с помощью электроизолирующей оболочки 27, помещенной между сердечником 1 и выводом 3 выключателя. С помощью оболочки 27 сердечник 1 крепится на выводе 3, например, винтами 28 (см. на фиг.6). Так как S-образные токопроводы 25 и 26 теперь проходят сквозь окно 29 сердечника 1, то магнитные потоки, создаваемые ими в сердечнике, будут направлены противоположно. Для повышения точности измерения вторичная обмотка 12 установлена на сердечнике 1 над S-образным токопроводом 25 с большим поперечным сечением. Сердечник 1 для установки в прямоугольные отверстия 14, 15 выполнен составным (см. фиг.6) и собирается из пакета П-образных пластин 30 и пакета прямоугольных пластин 31. Пакет П-образных пластин 30 помещается в электроизолирующую оболочку 27, а на пакет прямоугольных пластин 31 устанавливается каркас 13 со вторичной обмоткой 12. Между собой пакеты пластин 30 и 31 скрепляются крепежными деталями 32 (заклепками, винтами или шпильками). Отверстия 33 на выводе предназначены для монтажа измерительного трансформатора в корпусе автоматического выключателя.
Работа малогабаритного измерительного трансформатора тока в автоматическом выключателе, рассчитанном на большой номинальный ток (до 6300А) и большие отключаемые токи короткого замыкания (12-20 крат по отношению к номинальному), обеспечивается следующим образом. Путем выбора положения сквозного паза 18 на гранях 6, 7 делят вывод на два S-образных токопровода 25, 26 с такими сечениями, которые обеспечивают при прохождении через них первичного тока (разветвленного отверстиями 14, 15 сквозным 18 и глухими 21-24 пазами на два встречно-параллельных тока) создание в сердечнике результирующего разностного магнитного потока, равного потоку в сердечнике трансформатора, рассчитанного на измерение токов в несколько раз меньших, чем номинальный ток выключателя. Например, при номинальном токе выключателя 2000 А трансформатор может иметь сердечник и вторичную обмотку, рассчитанные исходя из уменьшенного первичного тока до 300 А, т.е. габариты, масса сердечника и вторичной обмотки существенно, в несколько раз, уменьшаются без увеличения габаритов вывода и компоновочного пространства выключателя, занимаемого трансформатором. Ограничением уменьшения первичного тока здесь уже выступает требование по использованию измерительного трансформатора одновременно и в качестве трансформатора питания заданной мощности для питания электрических схем электронного расцепителя автоматического выключателя. Путем установки вторичной обмотки 12 на сердечнике 1 над S-образным токопроводом 25 с большим поперечным сечением (благодаря выявленной при исследованиях и расчетах меньшей погрешности измерения первичных токов большой кратности по сравнению с размещением обмотки над S-образным токопроводом 26 с меньшим поперечным сечением) обеспечена по сравнению с прототипом требуемая точность измерения в более широком (до 18-20 крат номинального тока) диапазоне измеряемых токов. С помощью новой формы вывода выключателя, полученной без увеличения габаритов самого вывода, достигается по сравнению с прототипом экономия не только материалов сердечника и вторичной обмотки, но и меди, необходимой для изготовления вывода (первичной обмотки трансформатора), что особенно эффективно при больших номинальных токах выключателя и соответственно больших сечениях медных выводов.
Таким образом, выполнение измерительного трансформатора тока автоматического выключателя в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с выводом, в котором выполнены прямоугольные сквозные отверстия, сквозной и глухие пазы с описанным пространственным взаимоположением и с образованием двух S-образных токопроводов со встречно-параллельным прохождением тока между сквозными отверстиями, в которых установлен сердечник, а также с размещением вторичной обмотки со стороны токопровода с большим поперечным сечением, позволило достичь в предлагаемой модели:
- уменьшения массы и габаритов измерительного трансформатора при применении его в выключателях на большие номинальные токи и при больших сечениях выводов выключателя за счет компактной конструкции вывода, исключающей технологию гибки толстой шины или применение габаритных гибких токопроводов из дорогостоящих проводов марок ПЩ и ПЩС;
- повышения точности измерения токов в более широком диапазоне токов за счет размещения вторичной обмотки на сердечнике над токопроводом с большим сечением;
- получения экономического эффекта в виде стоимости сэкономленной меди за вычетом трудозатрат на изготовление вывода;
- повышения компактности конструкции выключателя за счет уменьшения объема выключателя, занимаемого трансформатором тока.
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 измерения токов в автоматическом выключателе относится к электротехнике и электроизмерительной технике, в частности к измерительным трансформаторам тока;
- 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».