КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА С МАГНИТНЫМ ДУТЬЕМ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к низковольтным автоматическим выключателям на большие номинальные токи, в частности к контактным системам с дугогасительными контактами и последовательной катушкой магнитного дутья.
Известны контактные системы с магнитным дутьем, в которых для ускорения выхода электрической дуги из межконтактного промежутка и быстрого перемещения дуги по дугогасительным рогам в дугогасительную камеру используется магнитное поле катушки, включенной последовательно с размыкаемыми контактами, на которых возникает электрическая дуга (см. книги: С.И.Соболев «Расчет и конструирование низковольтной электрической аппаратуры», Высшая школа, М. 1972, стр.84-88; Р.С.Кузнецов «Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В», Энергия, М. 1970, стр.87-89; И.С.Таев «Электрические аппараты управления» Высшая школа, М. 1969, стр.149; Л.А.Родштейн «Электрические аппараты», Энергоиздат, Ленинград, 1983, стр.89-91). Контактные системы с магнитным дутьем применяют для уменьшения износа контактов выключателя (см. Р.С.Кузнецов «Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В», Энергия, М., 1970, стр.141, подраздел н), а также для повышения быстродействия отключения токов короткого замыкания за счет ускоренного движения дуги по контактам и дугогасительным рогам (см. книгу В.П.Мещеряков «Электрическая дуга большой мощности в выключателях», часть II, Ульяновск, 2008, стр.84; стр.78, 79, рис.4.43). Конструкции контактных систем с магнитным дутьем известны также и по патентной информации (см. описания к патентам РФ на полезные модели: RU 46384 Н01Н 9/30 от 27.06.2005, RU 82926 Н01Н 9/30 от 10.05.2009, описание к патенту РФ на изобретение: RU 2316842 Н01Н 73/04 от 10.02.2006).
К недостаткам перечисленных аналогов следует отнести использование для концентрации магнитного поля ферромагнитных сердечников, что ведет к увеличению индуктивности электрической цепи, к замедлению нарастания магнитного поля, а также пространственную компоновку катушки магнитного дутья вне зоны возникновения дуги, подвод магнитного поля к зоне возникновения дуги с помощью ферромагнитных полюсов (щек, пластин), соединенных с сердечником, что увеличивает габариты контактной системы и линейные размеры всего автоматического выключателя (см. рис.7.8 на стр.87 книги С.И.Соболев «Расчет и конструирование низковольтной электрической аппаратуры»; рис.6.14 на стр.90 книги Л.А.Родштейн «Электрические аппараты»). Известно также, что на переменном токе при определенных условиях из-за появления вихревых токов в магнитопроводе может возникнуть сдвиг по фазе между током дуги и результирующей напряженностью магнитного поля в зоне горения дуги, что может вызвать торможение дуги при движении ее по дугогасительному рогу (см. И.С.Таев «Электрические аппараты управления», стр.152). Поэтому более приемлемой была бы контактная система, в которой в цепи дугасительных контактов использовалась бы катушка магнитного дутья без магнитопровода, а для усиления магнитного воздействия на дугу дугогасительные контакты были бы помещены в центр такой катушки. Для достижения компактности конструкции выключателя целесообразно катушку сделать ограничено подвижной и совместить ее с малоподвижным дугогасительным контактом, чтобы катушка выполняла и функции обеспечения заданного контактного нажатия, необходимого провала дугогасительных контактов, взаимного перекатывания поверхностей серебросодержащих напаек на дугогасительных контактах. Для выключателей на большие номинальные токи это может быть приемлемо, так как они содержат в полюсе от 4 до 12 главных контактов и 1-2 дугогастельных, т.е. 80-90% номинального тока выключателя пропускают через себя главные контакты, а 10-20% дугогасительные. При коротком замыкании, после сброса тока на дугогасительные контакты, последние пропускают через себя весь ток короткого замыкания, но кратковременно. Это означает, что сечение витка такой катушки может быть небольшим, и, в первом приближении, не может быть больше сечения самого дугогасительного контакта.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является полезная модель по патенту РФ RU 46384 Н01Н 9/30 от 27.06.2005. Прототип представляет собой контактную систему с магнитным дутьем, коммутирующую верхний и нижний выводы автоматического выключателя посредством главных контактов 2, 3 (см. фиг.1 к описанию патента RU 46384) и содержащую катушку магнитного дутья 1, соединенную последовательно с неподвижным контактом 2. Неподвижный и подвижный контакты 2, 3 снабжены дугогасительными рогами, по которым электрическая дуга направляется в дугогасительную камеру (на фиг.1 камера не показана). Для создания магнитного поля в области возникновения дуги внутри катушки 1 установлен сердечник 5 с полюсными наконечниками 6, 7. Магнитное поле, возникающее между параллельными полюсами 6, 7, направлено перпендикулярно направлению тока дуги и по правилу левой руки перемещает дугу по рогам вверх в дугогасительную камеру. Для уменьшения массы катушки магнитного дутья в контактной системе применен индуктивный шунт 8. Прототип решает задачу уменьшения массы катушки, однако ему присущи те же недостатки, что и аналогам.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечивает следующий технико-экономический результат:
- увеличение силы магнитного воздействия на электрическую дугу, возникающую при размыкании дугогасительных контактов за счет применения двухвитковой катушки магнитного дутья без ферромагнитного сердечника и помещения дугогасительных контактов непосредственно между витками этой катушки;
- повышение быстродействия отключения токов короткого замыкания за счет более быстрого перемещения электрической дуги в дугогасительную камеру;
- уменьшение электроизноса дугогасительных контактов за счет уменьшения времени разрушительного воздействия электрической дуги на поверхность контактов;
- расширение функциональных возможностей контактной системы за счет одновременного выполнения ею функции магнитного дутья с функциями обеспечения необходимого контактного нажатия, провала дугогасительных контактов и взаимного перекатывания поверхностей серебросодержащих напаек.
Указанный технико-экономический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что контактная система с магнитным дутьем, коммутирующая верхний и нижний выводы автоматического выключателя, содержащая параллельные главным контактам малоподвижный подпружиненный дугогасительный контакт и подвижный дугогасительный контакт, катушку магнитного дутья, соединенную последовательно с дугогасительными контактами, дугогасительный рог, установленный на верхнем выводе, снабжена двумя J-образными кронштейнами с цилиндрическим отверстием на их радиусных поверхностях, двумя электропроводящими шарнирами, а часть катушки магнитного дутья выполнена ограничено подвижной в виде изогнутой П-образной пластины, состоящей из двух параллельных боковин и перпендикулярной боковинам перемычки, посередине которой напротив дугогасительного рога закреплен малоподвижный дугогогасительный контакт с возможностью контактирования с подвижным дугогасительным контактом. При этом обе боковины, начиная с линии их сопряжения с перемычкой, загнуты на 180 градусов в сторону дугогасительного рога и расположены над поверхностью перемычки с малоподвижным дугогасительным контактом параллельно перемычке. Свободные концы обеих боковин содержат перпендикулярные перемычке отгибы с конусными отверстиями. Сами отгибы шарнирно смонтированы на наружных радиусных поверхностях двух J-образных кронштейнов так, что изогнутая П-образная пластина совместно с J-образными кронштейнами, закрепленными своими линейными участками на верхнем выводе выключателя напротив перемычки, образует по обе стороны подвижного дугогасительного контакта по одному полному витку катушки магнитного дутья. Причем каждый токопроводящий шарнир выполнен перекатывающимся в виде контактирующей внутренней поверхности отгибов с наружной радиусной поверхностью J-образных кронштейнов и снабжен ось-винтом, установленным с зазором внутри конусного отверстия отгиба и цилиндрического отверстия кронштейна, конусной втулкой из эластичного материала, смонтированной внутри конусного отверстия, тарельчатыми пружинами, установленными на ось-винте, а также подвижным цилиндрическим упором, расположенным на винте между внутренней радиусной поверхностью кронштейна и тарельчатыми пружинами. Кроме этого перемычка имеет на краях два эллипсных отверстия, внутри каждого из которых размещена с зазором резьбовая стойка, закрепленная одним концом на верхнем выводе через электроизоляционную втулку и содержащая на втором конце упорный буртик, а пружины нажатия дугогасительных контактов помещены на стойках между торцами электроизоляционных втулок и поверхностью перемычки, обращенной в сторону верхнего вывода.
Снабжение контактной системы двумя J-образными кронштейнами, двумя электропроводящими шарнирами, выполнение части катушки магнитного дутья в виде изогнутой П-образной пластины, состоящей из перемычки и двух параллельных боковин, загнутых на 180 градусов в сторону дугогасительного рога и расположенных над поверхностью перемычки с малоподвижным дугогасительным контактом, а также выполнение на свободных концах боковин отгибов, контактирующих с наружной радиусной поверхностью J-образных кронштейнов, позволили создать по обе стороны дугогасительных контактов одновитковые катушки магнитного дутья, включенные последовательно в цепь дугогастельных контактов. Тем самым, в отличие от прототипа, в котором катушка магнитного дутья реализована в стороне от контактов в виде неполного витка с ферромагнитным сердечником и полюсными пластинами, в предложенной полезной модели магнитное дутье выполняет двухвитковая катушка без сердечника, а сами дугогасительные контакты помещены внутрь катушки. При больших токах короткого замыкания такая катушка создает внутри себя более мощное магнитное поле, которое быстрее «выдувает» электрическую дугу, находящуюся непосредственно внутри витков катушки. Кроме того, отсутствие стального сердечника исключает замедление сброса тока с главных контактов на дугогасительные. Этим достигается повышение быстродействия при отключении токов короткого замыкания, а также уменьшение электроизноса серебросодержащих контактов.
Выполнение катушки магнитного дутья ограничено подвижной за счет шарнирного соединения J-образных кронштейнов и изогнутой П-образной пластины позволило совместить функцию создания магнитного поля для перемещения дуги с функциями обеспечения необходимого нажатия и провала дугогасительных контактов, взаимного перекатывания поверхностей серебросодержащих контактов. В целях обеспечения надежности выполнения перечисленных функций предлагаемой контактной системой с магнитным дутьем каждый токопроводящий шарнир, соединяющий J-образные кронштейны и изогнутую П-образной пластину, выполнен перекатывающимся в виде контактирующей внутренней поверхности отгибов с наружной радиусной поверхностью J-образных кронштейнов. Для этого в J-образных кронштейнах на их радиусных поверхностях выполнены цилиндрические отверстия, а в отгибах - конусные отверстия. Внутри конусного отверстия отгиба и цилиндрического отверстия кронштейна установлен с зазором ось-винт. В конусное отверстие вмонтирована также втулка из эластичного материала, обеспечивающая центрирование и подвижность катушки. Необходимое контактное нажатие на перекатывающиеся поверхности создают тарельчатые пружины, установленными на ось-винте, через подвижный цилиндрический упор, расположенный на винте между внутренней радиусной поверхностью кронштейна и тарельчатыми пружинами. Такая конструкция шарнира исключает возможность приварки контактирующей внутренней поверхности отгибов с наружной радиусной поверхностью J-образных кронштейнов в диапазоне токов электродинамической устойчивости контактной системы при перемещениях катушки под воздействием подвижного дугогасительного контакта. Само же перемещение катушки магнитного дутья обеспеспечивает необходимый перекат поверхностей серебросодержащих напаек дугогасительных контактов, что исключает приварку напаек при коммутациях токов короткого замыкания.
Снабжение краев перемычки двумя эллипсными отверстиями, внутри каждого из которых размещена с зазором резьбовая стойка, закрепленная одним концом на верхнем выводе через электроизоляционную втулку и содержащая на втором конце упорный буртик, и помещение пружин нажатия дугогасительных контактов на стойках между торцами электроизоляционных втулок и поверхностью перемычки, обращенной в сторону верхнего вывода, ограничивают ход катушки магнитного дутья и обеспечивают провал контактов, а также требуемое контактное нажатие на дугогасительные контакты.
Предлагаемая полезная модель контактной системы с магнитным дутьем может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи, в которых применяются главные и дугогасительные контакты.
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.1-6. На фиг.1 дан общий вид разомкнутой контактной системы в аксонометрии с указанием направлений токов и сил магнитного дутья. На фиг.2 показан вид А на контактную систему со стороны дугогасительного рога (см. на фиг.1). Фиг.3 и 4 раскрывают устройство полезной модели в сечениях Б-Б и В-В, проходящих соответственно через середину контактной системы и плоскость симметрии одного из витков катушки магнитного дутья. Фиг.5 изображает в увеличенном масштабе конструкцию шарнира с перекатыванием отгибов катушки по радиусной поверхности J-образных кронштейнов. На фиг.6 представлено замкнутое положение дугогасительных контактов.
Контактная система с магнитным дутьем (см. фиг.1) содержит верхний 1 и нижний 2 выводы автоматического выключателя, параллельные главным контактам 3 малоподвижный подпружиненный дугогасительный контакт 4 с серебросодержащей напайкой 5 и подвижный дугогасительный контакт 6 с напайкой 7. Катушка магнитного дутья 8 соединена последовательно с дугогасительными контактами 4, 6. Дугогасительный рог 9, установленный на верхнем выводе 1, предназначен для схода дуги с серебросодержащих напаек 4, 7 и направления дуги в дугогасительную камеру (камера на рисунках не показана). Контактная система отличается тем, что она снабжена двумя J-образными кронштейнами 10, 11 с цилиндрическим отверстием 12 на их радиусных поверхностях 13 (см. фиг.4, 5) и двумя электропроводящими шарнирами 14, 15 (см. фиг.2), а часть катушки магнитного дутья 8 выполнена ограничено подвижной в виде изогнутой П-образной пластины 16, состоящей из двух параллельных боковин 17, 18 и перпендикулярной боковинам перемычки 19. Посередине перемычки напротив дугогасительного рога 9 закреплена напайка 5 малоподвижного дугогогасительного контакта 4 с возможностью контактирования с напайкой 7 подвижного дугогасительного контакта 6. Обе боковины 17, 18, начиная с линии 20 их сопряжения с перемычкой 19 (см. фиг.3), загнуты на 180 градусов в сторону дугогасительного рога 9 и расположены над поверхностью перемычки 19 с малоподвижным дугогасительным контактом параллельно перемычке. Свободные концы обеих боковин 17, 18 содержат перпендикулярные перемычке отгибы 21, 22 с конусными отверстиями 23 (см. фиг.4, 5). Сами отгибы 21, 22 шарнирно смонтированы на наружных радиусных поверхностях 13 двух J-образных кронштейнов 9, 10 так, что изогнутая П-образная пластина 16 совместно с J-образными кронштейнами, закрепленными своими линейными участками 24, 25 на верхнем выводе 1 выключателя напротив перемычки 19, образует по обе стороны дугогасительных контактов 4, 6, по одному полному витку катушки магнитного дутья. Для исключения приварки контактирующих поверхностей каждый токопроводящий шарнир 14, 15 выполнен перекатывающимся, в виде контактирующей внутренней поверхности 26, 27 отгибов 21, 22 с наружной радиусной поверхностью 13 каждого J-образного кронштейна. С целью обеспечения перекатывания каждый шарнир (см. фиг.4, 5) снабжен ось-винтом 28, установленным с зазором внутри конусного отверстия 23 отгиба и цилиндрического отверстия 12 кронштейна, конусной втулкой 29 из эластичного материала, смонтированной внутри конусного отверстия, тарельчатыми пружинами 30, 31, установленными на ось-винте, а также подвижным цилиндрическим упором 32, расположенным на винте между внутренней радиусной поверхностью 33 кронштейнов и тарельчатыми пружинами 30, 31. Кроме этого, для создания усилия нажатия, выборки провала контактов и обеспечения перекатывания поверхностей серебросодержащих напаек 5, 7 перемычка 19 имеет на краях два эллипсных отверстия 34, 35 (см. фиг.1, 4), внутри каждого из которых размещена с зазором резьбовая стойка 36, закрепленная одним концом на верхнем выводе 1 через электроизоляционную втулку 37 и содержащая на втором конце упорный буртик 38, а пружины нажатия 39 дугогасительных контактов помещены на стойках 36 между торцами электроизоляционных втулок 37 и поверхностью 40 перемычки, обращенной в сторону верхнего вывода.
Работает контактная система с магнитным дутьем следующим образом.
кз
д
д
При прохождении номинального тока, на который рассчитан автоматический выключатель, главные контакты 3 и дугогасительные контакты 4, 6 находятся в замкнутом положении. Главные контакты 3 замкнуты подвижным мостиком (мостик на рисунках не показан). При возникновении в защищаемой цепи тока короткого замыкания механизм свободного расцепления (механизм свободного расцепления на рисунках не показан) приводит в движение главные и дугогасительные контакты и начинает размыкание контактной системы. Главные контакты 3 размыкаются первыми и между ними дуга не возникает. Происходит сброс тока короткого замыкания I с главных контактов 3 на дугогасительные контакты 4, 6. Ток короткого замыкания, проходящий через дугогасительные контакты, резко возрастает в несколько раз (в 5-6 раз в зависимости от количества примененных параллельных контактов в полюсе выключателя). Этот ток, проходя через оба витка катушки магнитного дутья, образованные двумя J-образными кронштейнами 9, 10, изогнутой П-образной пластиной 16 и перекатывающимися шарнирами 14, 15, создает мощное магнитное поле, перпендикулярное возникающему при размыкании току дуги I. По правилу левой руки это поле усилием F перемещает электрическую дугу, как проводник с током, с серебросодержащих напаек 5, 7 на дугогасительный рог 9 и далее в дугогасительную камеру (камера не показана). Этим достигается меньший износ напаек 5, 7 и более быстрое перемещение дуги в дугогасительную камеру, а значит и более быстрое ее погасание. Тем самым достигается и более быстрое отключение тока короткого замыкания. Исключение ферромагнитных сердечников и полюсных наконечников уменьшает индуктивность цепи, сокращает время сброса тока на дугогасительные контакты 4, 6, что также положительно влияет на быстродействие отключения токов короткого замыкания. Так как катушка магнитного дутья, благодаря наличию перекатывающихся шарниров 14, 15, выполнена ограничено подвижной и совмещена с конструкцией малоподвижного дугогасительного контакта 4, то она одновременно выполняет и функцию создания необходимого нажатия на контактные напайки 5, 7 посредством пружин 39. Также подпружиненная катушка выполняет функцию выборки провала δ, (см. на фиг.6 замкнутое положение контактов) компенсирующего износ серебросодержащих напаек 5, 7, а также функцию перекатывания линии контактирования напаек при включениях и отключениях контактной системы, что исключает приварки напаек при коммутации токов короткого замыкания. Шарниры 14, 15 обеспечивают перекатывание линейных контактов между контактирующей внутренней поверхностью 26, 27 отгибов 21, 22 с наружной радиусной поверхностью 13 каждого J-образного кронштейна при замыканиях и размыканиях напаек за счет деформаций эластичных втулок 29 (см. фиг.5). Такие деформации незначительны в виду малых углов поворота катушки (3-5 градусов), пропорциональных величине провала δ.
Таким образом, выполнение контактной системы с магнитным дутьем автоматического выключателя на большие номинальные токи в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с двумя J-образными кронштейнами 10, 11, двумя электропроводящими шарнирами 14, 15, выполнение части катушки магнитного дутья 8 ограничено подвижной в виде изогнутой П-образной пластины 16, состоящей из двух параллельных боковин 17, 18 с отгибами 21, 22, перемычки 19, посередине которой напротив дугогасительного рога закреплен малоподвижный дугогогасительный контакт, выполнение шарниров с перекатывающимися линейными контактами за счет применения конусных втулок 29 из эластичного материала, тарельчатых пружин 30, 31, совмещение конструкции катушки магнитного дутья 8 с конструкцией малоподвижного дугогасительного контакта 4 в описанных взаимосвязях и взаимодействиях позволило достичь в предлагаемой модели:
- увеличения на 30-40% силы магнитного воздействия на электрическую дугу, за счет применения двухвитковой катушки магитного дутья и помещения дугогасительных контактов непосредственно между витками этой катушки при меньших габаритах и массе катушки по сравнению с аналогами;
- ускорения отключения токов короткого замыкания за счет более быстрого перемещения электрической дуги в дугогасительную камеру;
- уменьшения электроизноса дугогасительных контактов за счет уменьшения времени разрушительного воздействия электрической дуги на поверхность контактов;
- расширения функциональных возможностей контактной системы за счет одновременного выполнения ею функции магнитного дутья с обеспечением необходимого контактного нажатия, провала дугогасительных контактов и взаимного перекатывания поверхностей серебросодержащих напаек контактов.
Описанная конструкция контактной системы с магнитным дутьем 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 контактной системы с магнитным воздействием на электрическую дугу 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».