ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОЛЮС АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к полюсам низковольтных автоматических выключателей на большие токи с трансформаторами тока в главной цепи выключателя.
Известны силовые многополюсные автоматические выключатели на токи 630-6300 А, содержащие в каждом полюсе трансформатор тока для измерения токов перегрузки и токов короткого замыкания, который служит датчиком для электронной схемы управления работой выключателя в аварийных режимах [1-4]. В настоящее время, несмотря на применение датчиков тока на других принципах работы (резистивный шунт, катушка Роговского, датчик Холла, магнитооптический датчик), электромагнитные трансформаторы тока [5], предназначенные для работы в переходных режимах, имеют свои предпочтительные области применения, определяемые такими качествами трансформаторов, как простота, высокая надежность, большая отдаваемая мощность, устойчивость к спецвоздействиям [6]. Использование и совершенствование трансформаторов тока в полюсах автоматических выключателей в сочетании с возросшими возможностями электронных расцепителей максимальных токов привело к расширению функциональных возможностей выключателей в части расширения диапазонов отключаемых токов и выдержек времени с различными функциональными зависимостями выдержек времени от величины отключаемого тока, а также в части повышения точности отключения токов. Были созданы условия для построения селективных систем защиты потребителей, как по токам, так и по временам отключения путем использования селективных выключателей, объединенных в единую цепь в соответствии с их возможностями по координации отключаемых токов. Основной проблемой применения трансформаторов тока в полюсах выключателей является обеспечение соответствующей погрешности измерений токов короткого замыкания, с одной стороны, и обеспечение минимальных размеров полюса выключателя, с другой стороны. Так согласно стандарту [7] выключатели, специально предназначенные для обеспечения селективности в условиях короткого замыкания относительно других устройств защиты от коротких замыканий, должны иметь номинальный кратковременно выдерживаемый ток не менее 12 значений номинального тока при номинальных токах выключателя до 2500 А и, не менее 30 кА, при номинальных токах свыше 2500 А. Трансформаторы тока, как минимум, должны работать в этих диапазонах токов и осуществлять измерения с заданной погрешностью. Размещение трансформатора в полюсе выключателя не должно существенно увеличивать габариты полюса и должно исключать влияние магнитных полей от главной цепи выключателя на погрешность измерения токов короткого замыкания. Методы обеспечения требуемой погрешности измерения токов, в том числе и в переходных режимах, достаточно исследованы и освещены в источниках [6, 8]. Однако влияние внешних магнитных полей на погрешность измерений со стороны различных участков токопровода главной цепи полюса (при различных конфигурациях токопровода и различных положениях трансформатора тока относительно участков токопровода) определяется в основном экспериментальным путем на макетных образцах изделий, в виду сложности составления математических моделей с учетом многих факторов, а также небольшой точности расчетов [8]. Особенно актуально уменьшение влияния внешних магнитных полей от конфигурации собственной цепи полюса, который для получения конкурентных преимуществ выключателя проектируется с минимальными размерами по высоте и глубине выключателя. Разработчику для уменьшения габаритов полюса приходится изменять прямолинейный токопровод в комбинацию Г-образных и U-образных поворотов, создающих, как известно, магнитные поля, которые при близком расположении трансформатора тока могут ухудшать точность измерений токов короткого замыкания и приводить к ложным срабатываниям выключателя. Радикальным средством уменьшения влияния мощных магнитных полей является полное экранирование источника поля (токопровода, шины) или полное экранирование защищаемого объекта (трансформатора тока) [9]. В большинстве случаев, ограниченность пространства полюса автоматического выключателя и невозможность его увеличения является ключевым фактором невозможности полного экранирования как токопровода, так и трансформатора тока. Ограниченное компоновочное пространство полюса затрудняет также выдержку допустимых расстояний между трансформатором тока и токопроводом. Это неизбежно ведет к увеличению влияния формы токопровода полюса на точность измерения трансформатором первичного тока, особенно при больших кратностях токов короткого замыкания. Перечисленные проблемы в большей или меньшей степени свойственны всем аналогам, приведенным в источниках [2-4].
Прототипом заявляемой полезной модели по технической сущности является полюс выключателя по патенту [2]. Прототип, (см. Fig. 2, 8, 11 и 14 в описании к патенту [2]), содержит верхний вывод 44 (Fig. 2) с неподвижными рабочими 32 и дугогасительными 156 (Fig. 8) контактами, нижний вывод 53, соединенный посредством гибких связей 118 с ламелями 114, 148 (Fig. 11), на которых установлены подвижные рабочие 34 и дугогасительные 116 контакты. Полюс также имеет поворотную скобу 132, несущую на себе подпружиненные ламели 114, 148 и взаимодействующую с механизмом выключателя, трансформатор тока 264 (Fig. 2, 14), смонтированный на шине 46 нижнего вывода 53 и выполненный в виде прямоугольного сердечника 269 с катушками 54, помещенными на длинных сторонах сердечника. При уменьшении высоты полюса за счет приближения нижнего вывода 53 к трансформатору тока 264 будут увеличиваться наводки магнитного поля от углового соединения вывода 53 с шиной 46, проходящей через сердечник 269, что приведет к погрешностям измерения токов короткого замыкания. При увеличении кратности токов короткого замыкания при неизменной конструкции также увеличатся наводки от упомянутого углового соединения, что ограничит расширение диапазона уставок по току. Это объясняется выбранной конфигурацией сердечника трансформатора. Таким образом, прототип ограничен в возможностях уменьшения высоты полюса и возможностей обеспечения заданной погрешности измерения тока при увеличении отключаемых токов короткого замыкания.
Предложенная полезная модель преследует следующие цели:
- уменьшение высоты и глубины полюса выключателя при сохранении трансформатором тока заданной точности измерения токов в главной цепи полюса;
- снижение влияния внешних магнитных полей на погрешность измерения токов короткого замыкания и исключение ложных срабатываний автоматического выключателя;
- упрощение сборки и монтажа трансформатора тока в полюсе выключателя.
Поставленные цели достигаются тем, что в полюсе автоматического выключателя, содержащем корпус, верхний вывод с неподвижными рабочими и дугогасительными контактами, нижний вывод, соединенный посредством U-образных гибких связей с ламелями, на которых установлены подвижные рабочие и дугогасительные контакты, поворотную скобу, несущую на себе подпружиненные ламели и взаимодействующую с механизмом выключателя, трансформатор тока, выполненный в виде прямоугольного сердечника с катушками, помещенными на длинных сторонах сердечника, и смонтированный на нижнем выводе первой короткой стороной над верхней узкой стороной вывода, а второй короткой стороной - под нижней узкой стороной вывода, сердечник трансформатора выполнен в виде шихтованного магнитопровода с переменным сечением. Прямоугольный сердечник выполнен таким образом, что его первая короткая сторона над выводом напротив соединений с гибкими связями имеет по крайней мере не менее чем в два раза большую ширину (сечение), чем ширина (сечение) второй короткой стороны под выводом. Кроме этого, сердечник оснащен двумя широкими и двумя узкими накладками из шихтованного ферромагнитного материала, имеющими площади соответственно равные площадям первой и второй коротких сторон сердечника. Накладки попарно смонтированы по обе стороны сердечника так, что торцевые поверхности накладок и сердечника совпадают. Причем толщина накладок выбрана не меньше размера выступающей части катушек. Внутренние торцевые поверхности накладок примыкают к выступающим торцам катушек. При этом накладки закреплены по обе стороны сердечника с помощью четырех щек и винтов, выполненных из магнитомягкого материала, а две щеки, расположенные со стороны корпуса полюса, имеют консоли с отверстиями, выступающими за габариты сердечника.
Выполнение сердечника с увеличенным сечением его первой короткой стороны над нижним выводом напротив Г-образного соединения с U-образными гибкими связями по крайней мере не менее чем в два раза больше, по сравнению с сечением второй короткой стороны под выводом, позволило уменьшить степень насыщения магнитопровода от воздействия наведенных кратковременных магнитных полей, возникающих при прохождении токов короткого замыкания по непрямолинейной главной цепи, имеющей Г-образные U-образные участки. Снабжение коротких сторон сердечника двумя широкими и двумя узкими накладками из шихтованного ферромагнитного материала, имеющими площади соответственно равные площадям первой и второй коротких сторон сердечника, создает локальные экраны, защищающие трансформатор от проникновения внешних мощных магнитных полей, исходящих как от собственной цепи полюса, так и от цепи соседних полюсов при прохождении токов короткого замыкания. Поскольку накладки попарно смонтированы по обе стороны сердечника так, что торцевые поверхности накладок и сердечника совпадают, а толщина накладок выбрана не меньше размера выступающей части катушек и внутренние торцевые поверхности накладок примыкают к выступающим торцам катушек, то накладки частично экранируют и катушки трансформатора. Такая конструкция уменьшает влияние внешних магнитных полей на погрешности измерения токов короткого замыкания при увеличении кратности отключаемых токов короткого замыкания, исключая тем самым ложные срабатывания автоматического выключателя. Уменьшение влияния внешних магнитных полей на погрешности измерения токов за счет увеличения сечения магнитопровода со стороны проникновения этого поля и за счет частичного экранирования массивными шихтованными накладками, позволяет уменьшить расстояния между трансформатором тока и излучающими участками токопровода, что уменьшает функциональные габариты электрического полюса и, в конечном итоге, высоту и глубину автоматического выключателя. Для упрощения сборки трансформатора и шихтованный сердечник и шихтованные накладки скрепляются между собой единым комплектом крепежа, состоящим из четырех щек и винтов из магнитомягкого материала, а для упрощения монтажа трансформатора в полюсе выключателя две щеки, расположенные со стороны корпуса полюса, имеют консоли с отверстиями, выступающие за габариты сердечника.
Предлагаемая полезная модель может использоваться в качестве малогабаритного электрического полюса с электромагнитным трансформатором тока при серийном производстве в составе многополюсных низковольтных автоматических выключателей на большие номинальные токи 630-6300 А с большой кратностью отключаемых токов короткого замыкания. Благодаря предложенной конструкции прямоугольного сердечника с увеличенным сечением одной из коротких его сторон и снабжению коротких сторон сердечника двумя парами толстых шихтованных накладок, уменьшено влияние внешних полей на погрешность измерения токов, что, с одной стороны, позволяет уменьшить габариты выключателя, а с другой, - увеличить кратность отключаемых токов без ложных срабатываний выключателя.
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 фиг. 1-6. На фиг. 1 показан вид сбоку на электрический полюс автоматического выключателя. На фиг. 2 приведен тот же вид сбоку на полюс, но с прорисовкой стрелками направления тока по токопроводу полюса. Корпус и скоба полюса здесь условно не показаны. Буквами обозначены критичные, в части электромагнитных наводок на трансформатор, расстояния до токопровода. На фиг. 3 дан вид А сзади на полюс при условно не показанном корпусе. Фиг. 4, 5, 6 дают представление о конструкции сердечника трансформатора тока в увеличенном масштабе. На фиг. 4 изображен вид сердечника в плане, на фиг. 5 дано сечение Б-Б с условно разнесенными в пространстве шихтованным сердечником, шихтованными накладками и щеками из сплошного материала. Фиг. 6 показывает в аксонометрии состав сердечника трансформатора, форму пластин сердечника, форму пластин накладок и щек и дает представлении о порядке сборки сердечника. Катушки трансформатора здесь условно не показаны.
Электрический полюс автоматического выключателя (см. фиг. 1 - 3) содержит установленные на корпусе 1, верхний вывод 2 с неподвижными рабочими 3 и дугогасительными 4 контактами, нижний вывод 5, соединенный посредством U-образных гибких связей 6 с ламелями 7, 8, на которых установлены подвижные рабочие 9 и дугогасительные 10 контакты, поворотную скобу 11, несущую на себе подпружиненные ламели 7, 8 и взаимодействующую с механизмом выключателя (механизм не показан). Трансформатор тока 12, выполнен в виде прямоугольного сердечника 13 (см на фиг. 3) с катушками 14-17, помещенными на длинных сторонах 18, 19 (см. на фиг. 4) сердечника 13. Трансформатор тока 12 смонтирован на нижнем выводе 5 так, что первая короткая сторона 20 сердечника 13 размещена над верхней узкой стороной 21 вывода 5, а вторая короткая сторона 22 под нижней узкой стороной 23 вывода 5. Сердечник 13 трансформатора выполнен в виде шихтованного магнитопровода с переменным сечением. Прямоугольный сердечник 13 (см. фиг. 4) выполнен таким образом, что его первая короткая 20 сторона над выводом 5 (см. фиг. 3) напротив соединений с U-образными гибкими связями 6 имеет по крайней мере не менее чем в два раза большую ширину (сечение), чем ширина (сечение) второй короткой стороны 22 под выводом 5 (см. фиг. 5). Кроме этого, сердечник оснащен двумя широкими 24, 25 и двумя узкими 26, 27 накладками из шихтованного ферромагнитного материала, имеющими площади соответственно равные площадям первой 20 и второй 22 коротких сторон сердечника 13. Накладки 24, 25 и 26, 27 попарно смонтированы по обе стороны сердечника так, что торцевые поверхности 28, 29 и 30, 31 накладок 24, 25 и 26, 27 совпадают с торцевыми поверхностями 32, 33 сердечника. Причем толщина t всех накладок 24-27 выбрана не меньше размера h (см. на фиг. 2) выступающей части катушек 14-17. Внутренние торцевые поверхности 34-37 накладок 24-27 примыкают к выступающим торцам 38-41 катушек 14-17. При этом накладки 24-27 закреплены по обе стороны сердечника 13 с помощью четырех щек 42-45 и винтов 46, выполненных из магнитомягкого материала, а две щеки 43, 45, расположенные со стороны корпуса 1 полюса, имеют консоли 47, 48 и 49, 50 с отверстием 51, выступающие за габариты сердечника. Каждый слой сердечника 13 собирается из пластин 52, 53 согласно фиг. 6, а широкие накладки 24, 25 - из пластин 54, узкие накладки 26, 27 - из пластин 55.
ф
ф
ф
ф
Работает электрический полюс автоматического выключателя следующим образом. При протекании номинальных токов через полюс от вывода 2 к выводу 5 (путь тока I по токопроводу обозначен стрелками, см. фиг. 2) контакты полюса 3, 9 и 4, 10 замкнуты. Трансформатор тока, с первичной обмоткой в виде шины нижнего вывода 5, во вторичной обмотке, состоящей из катушек 14-17, имеет ток, пропорциональный номинальному току цепи. Ток вторичной обмотки трансформатора служит управляющим для электронной схемы максимального расцепителя, (на чертежах расцепитель и механизм свободного расцепления не показаны). При возникновении тока короткого замыкания в защищаемой полюсом цепи, величина которого превышает заданную предельную величину тока отключения (задается уставкой максимального расцепителя), в обмотке трансформатора тока возникает вторичный ток соответствующей величины, который приводит в действие с помощью электронного расцепителя механизм свободного расцепления, производящий автоматическое размыкание контактов 3, 9 и 4, 10 полюса. При больших кратностях тока (больших соотношениях тока короткого замыкания к номинальному току полюса) из-за ограниченных функциональных размеров полюса, (высоты В, глубины Г, см. фиг. 1) и конфигурации токопровода полюса, имеющей Г-образные и U-образные соединения, на величину погрешности, измеряемого трансформатором первичного тока, начинают оказывать влияния электромагнитные поля, исходящие от проблемных угловых соединений, определяемых приближенно размерами В, Г, Е, Д, Ж относительно оси сердечника 13 трансформатора 12 (см. фиг. 2). При выходе погрешности измерения за пределы установленных стандартом величин начинаются ложные срабатывания полюса выключателя, что заставляет понижать кратность отключаемых токов, т.е ухудшать технические характеристики изделия. Экспериментально было установлено, что наиболее эффективными мероприятиями по уменьшению влияния внешних полей на погрешности измерения первичных токов является увеличение сечения сердечника 13 со стороны Г-образных соединений по крайней мере в два раза, т.е. увеличение ширины верхней короткой стороны 20 по сравнению с шириной нижней стороны 22. Также способствует уменьшению погрешностей измерения локальное экранирование открытых участков сердечника на узких его сторонах 20, 22 и торцов катушек 14-17 массивными накладками 24-27 из шихтованного железа в виде пластин 54, 55. Теоретически определить размеры увеличения ширины короткой стороны 20 сердечника 13, а также толщины накладок 24-27 не представляется возможным в связи со сложной конфигурацией токопровода и необходимостью учитывать большое количество внешних факторов, включая спектр частот излучающего поля в переходных режимах. Поэтому при заданных номинальных токах и токах короткого замыкания размеры подбираются экспериментально при исследовательских испытаниях. Уменьшение погрешности измерения токов короткого замыкания в предлагаемом полюсе с помощью предложенных средств позволяет уменьшить критические расстояния В, Г, Е, Д, Ж, а значит уменьшить функциональные размеры (высоту В, и глубину Г) полюса, что в конечном итоге позволяет уменьшить и габариты автоматического выключателя. Выполнение сердечника 13 в виде магнитопровода с разным сечением коротких его сторон 20, 22, локальное экранирование с помощью накладок 24-27 снижают влияния внешних магнитных полей на погрешность измерения токов короткого замыкания и исключают ложные срабатывания автоматического выключателя. Объединенное крепление пластин 52, 53 сердечника и пластин 54, 55 накладок 24-27 с помощью единых щек 42-45 и винтов 46 упрощает сборку трансформатора 12. А выполнение щек 43, с консолями 47-50, выходящими за габариты сердечника, упрощают монтаж трансформатора на корпусе 1 полюса.
Таким образом, выполнение электрического полюса автоматического выключателя с электромагнитным трансформатором тока в заявляемом виде с описанными отличительными признаками, а именно:
- с сердечником 13 трансформатора 12 в виде шихтованного из пластин 52, 53 магнитопровода с переменным сечением;
- с увеличенной, не менее чем в два раза, шириной первой короткой стороны 20 сердечника по сравнению с шириной второй короткой стороны 22;
- с двумя шихтованными широкими 24, 25 и двумя узкими 26, 27 накладками из пластин 54, 55, смонтированными на сердечнике в описанной взаимосвязи и взаимном располжении по отношению к другим элементам трансформатора и полюса;
- с общими накладками 42-45 для крепления сердечника, накладок и монтажа трансформатора,
позволило достичь поставленных заявляемой полезной моделью целей.
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 использования в многополюсных автоматических выключателях на большие, до 6300 А, токи и относится к электротехнике, а именно к электрическим полюсам автоматических выключателей;
- 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.
Опытные образцы заявляемого электрического полюса были изготовлены и испытаны с положительными результатами в составе многополюсных автоматических выключателей на большие токи.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Описание к патенту CN 205248211 U, Н01Н 71/02, опубл. 18.05.2016.
2. Описание к патенту US 4891618, H01H 77/10, опубл. 02.01.1990.
3. AWB 1230-1605. Инструкция «Эксплуатация и обслуживание низковольтных автоматических выключателей IZM», с. 21, рис. 22. (Силовые автоматические выключатели IZM на токи до 6300 А. Каталог приборов MOELLER. 2005).
4. Каталог ABB SACE. Emax. Низковольтные выключатели на номинальные токи 800-6300 А. Конструктивные особенности, с. 1/8.
5. Описание к патенту на изобретение SU 771738, H01F 38/30, опубл. 15.10.1980.
6. Романюк Ф.А., Тишечкин А.А., Румянцев В.Ю., Новаш И.В., Бобко Н.Н., Глинский Е.В. «Влияние насыщения трансформаторов тока на работу токовых защит». Журнал «Энергетика». Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, выпуск №1, 2010, с. 5-9.
7. ГОСТ Р 50030.2-2010 Аппаратура распределения и управления низковольтная, часть 2. Автоматические выключатели. Дата введения 01.01.2012.
8. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М., Сирота И.М., Стогний Б.С. Трансформаторы тока. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1989.
9. Вольф Хомма. «Устранение влияния магнитных полей в электросчетчиках с импульсными трансформаторами». Журнал «Компоненты и технологии», №3, 2013, с. 142-148.