КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к контактным системам низковольтных автоматических выключателей на большие токи, предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия одиночных и многократных ударов.
2
Известны контактные системы [1-4] силовых автоматических выключателей на токи 1000-6300 А, содержащие один или несколько неподвижных контактов на верхнем выводе выключателя и несколько параллельных ламелей с подвижными контактами, установленные на верхних концах этих ламелей. Ламели соединены своими нижними концами с помощью гибких связей с нижним выводом выключателя и смонтированы на общей оси вращения, которая закреплена в поворотной скобе. Поворотная скоба взаимодействует с механизмом выключателя, который производит замыкание или размыкание контактов. Скоба несет также на себе пружины нажатия. Пружины нажатия помещены между скобой (или деталями скобы) и верхними контактными концами ламелей над их общей осью вращения. Такие многоламельные контактные системы, состоящие из нескольких параллельно включенных контактов, получили достаточно широкое применение в современных селективных выключателях промышленного назначения различных европейских фирм (ABB, «Schneider Electric», Siemens, Legrand и др.), выключателях Японии (Mitsubishi Electric), Китая (CHINT) и др. Основным достоинством таких контактных систем является достаточно высокая электродинамическая стойкость при относительно простой конструкции по сравнению с применением сложных одно - или двухпетлевых компенсаторов электродинамических усилий, применяемых преимущественно в выключателях на токи до 1600 А и описанных в патентах [5-6]. Применение нескольких параллельных контактов уменьшает во столько же раз отбрасывающее усилие при коротких замыканиях, что и позволяет получить достаточно высокое значение кратковременно выдерживаемого тока, проходящего через контактную систему выключателя [7], стр. 272-273. Так согласно стандарту [8] 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. Более высокие значения кратковременно выдерживаемого тока для получения конкурентных преимуществ в части расширения зоны селективной работы и повышения надежности отключения, достигаются увеличением количества параллельных контактных ламелей [2,3], реже комбинацией многоламельной системы с петлевым компенсатором [9]. Однако многоламельные контактные системы имеют небольшую стойкость к одиночным и многократным ударам, что ограничивает их применение в специальных условиях эксплуатации, характеризующихся воздействием ударных нагрузок с ускорениями в несколько десятков или сотен g (где g - ускорение свободного падения, 9,81 м/сек). Объясняется низкая ударостойкость применением неуравновешенных конструкций ламелей, консольным креплением ламелей на оси вращения [7], стр. 174, 175. При такой конструкции ламели воспринимают полный удар, сила которого пропорциональна произведению момента инерции относительно оси вращения на величину ударного ускорения. При механических ударах, особенно в направлении противоположном усилиям нажатия, возможно ослабление усилия нажатия до величин, при которых возможны подгорания контактов, или механический отброс и повторные замыкания с приваркой контактов. Предлагаемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков. Наиболее близким аналогом заявляемой модели по сущности конструктивного исполнения является контактная система по патенту [4].
Прототип содержит десять контактных ламелей 2 с подвижными контактами на верхних концах ламелей (см. рис. 1, 2, 5 к описанию прототипа [4]), вращающихся на общей оси 12. Ось 12 закреплена в боковых стенках корпусной скобы 1. Нижние концы ламелей 2 (см рис. 5, 6) гибкими связями соединены с нижним выводом выключателя (верхний вывод с неподвижными контактами не показан). Пружины нажатия 3 помещены между фронтальной стороной скобы 1 и верхними контактными концами ламелей 2 над осью вращения 12. Необходимый для работы контактной системы провал контактов создается свободным вращением ламелей, ограниченным с одной стороны упором нижних концов ламелей во внутренний выступ скобы 1 (см. на рис. 1) и с другой стороны упором верхних контактных концов ламелей в торцы направляющих стержней 4 (см. на рис. 2, 7). Скоба 1 имеет собственную ось вращения и управляется механизмом выключателя (на рисунках не показан). Как видно из рис. 1, 2 для увеличения электродинамической стойкости контактной системы в прототипе применены по две пружины нажатия напротив подвижных контактов. Монтаж двух пружин 3 в ряд по вертикали, увеличивая длину ламели, увеличивает ее момент инерции относительно оси вращения 12 и ухудшает ударостойкость контактной системы. Попытки увеличить количество пружин напротив контактного конца ламелей (для увеличения электродинамической устойчивости к токам короткого замыкания) приведет к еще большей длине ламели и большей зависимости контактной системы от внешних ударных нагрузок. Таким образом, конструкция прототипа ограничена в части одновременного увеличения электродинамической стойкости и обеспечения необходимой ударостойкости при внешних механических воздействиях. Заявляемая полезная модель преследует своей целью достижение следующего технического результата:
- повышение стойкости контактной системы к внешним одиночным и многократным ударам при увеличении электродинамической устойчивости.
Поставленные цель достигаются тем, что контактная система автоматического выключателя, содержащая как минимум один неподвижный контакт на верхнем выводе выключателя и несколько параллельных ламелей с подвижными контактами, соединенных нижними концами посредством гибких связей с нижним выводом, поворотную скобу с закрепленной в ее боковых стенках общей осью вращения ламелей, смонтированную с возможностью взаимодействия с механизмом выключателя, пружины нажатия, помещенные между фронтальной стенкой скобы и верхними контактными концами ламелей над их общей осью вращения, снабжена дополнительными пружинами, общая ось вращения помещена посередине между верхним и нижними концами ламелей, поворотная скоба оснащена Г-образным упором, закрепленным на скобе со стороны нижнего вывода под осью вращения ламелей напротив мест крепления гибких связей к ламелям. Каждая дополнительная пружина установлена под осью вращения с возможностью контактирования одним торцем с Г-образным упором и вторыми торцем с нижним концом каждой ламели напротив места ее соединения с гибкой связью. При этом каждая пружина нажатия установлена концентрично на цилиндрической тяге, которой снабжена каждая ламель. Причем каждая цилиндрическая тяга смонтирована одним концом подвижно в плоскости ламели на ось-штифте, зафиксированном в прорези ламели, а вторым концом пропущена через прямоугольное отверстие во фронтальной стенке скобы. Кроме этого, второй конец каждой тяги имеет резьбу и оснащен двухступенчатой резьбовой втулкой. Первая удлиненная ступень втулки выполнена четырехгранной и расположена внутри прямоугольных отверстий скобы. Вторая ступень большего диаметра огранена лысками и расположена снаружи фронтальной стенки скобы.
Снабжение контактной системы дополнительными пружинами, размещение общей ось вращения ламелей посередине между верхним и нижними концами ламелей, оснащение поворотной скобы Г-образным упором, закрепленным на скобе под осью вращения ламелей напротив мест крепления гибких связей к ламелям, а также установка дополнительных пружин между Г-образным упором и нижними концами ламелей, создали одновременно условия для увеличения усилия нажатия на контакты за счет дополнительных пружин без увеличения длины верхней части ламели и для уравновешивания моментов инерции верхней и нижней частей ламели относительно оси вращения. Большее усилие нажатия на контактные пары способствует увеличению величины кратковременно выдерживаемого тока, проходящего через контактную систему выключателя без отбросов контактов, т.е. увеличивает зону селективной работы выключателя. Уравновешивание моментов инерции верхней и нижней частей ламелей относительно оси вращения уменьшает воздействие ударных нагрузок на контактную систему, так как при ударе в направлении размыкания контактов к верхней и нижней частям ламелей прикладываются вращающие моменты встречных направлений, которые минимизируют результирующее воздействие одиночных и многократных ударов на замкнутые контакты. В результате влияние ударных нагрузок на силу нажатия между подвижными и неподвижными контактами оказывается минимальным, возможность механического отскока контактов исключается. А значит, полезная модель может эксплуатироваться в условиях повышенных механических воздействий.
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 в четырехламельном исполнении изображена на рисунках фиг. 1-7. На рисунке фиг. 1 показан вид сбоку слева на контактную систему автоматического выключателя при замкнутых подвижных и неподвижных контактах. На фиг. 2 приведен вид А на контактную систему со стороны выводов выключателя. На рисунке фиг. 3 дан второй вид сбоку справа (вид Б). Здесь условно не изображена боковая стенка скобы для раскрытия внутреннего расположения ламелей, общей оси вращения ламелей, пружин нажатия, дополнительных пружин, Г-образного упора. Стрелками прорисован путь тока по контактной системе. Фиг. 4 дает представление о виде В на контактную систему со стороны механизма выключателя, с которым взаимодействует поворотная скоба. На фиг. 5 представлен аксонометрическийвид на место установки пружин нажатия, где ламель с цилиндрической тягой, пружина нажатия, фронтальная поверхность скобы с прямоугольными отверстиями, двухступенчатая втулка изображены условно в рассредоточенном в пространстве виде. Фиг. 6 дает такой же аксонометрический вид на место установки дополнительных пружин. На фиг. 7 контактная система показана в разомкнутом состоянии. Для облегчения восприятия конструкции в части, касающейся только технического результата, достигаемого полезной моделью, на рисунках условно не показаны дугогасительная камера и конструктивные элементы, обеспечивающие сход электрической дуги в камеру, а также механизм привода контактной системы.
Контактная система автоматического выключателя содержит (см. фиг. 1-4) как минимум один общий неподвижный контакт 1 на верхнем выводе 2 выключателя и несколько параллельных ламелей 3 с подвижными контактами 4, соединенных нижними концами 5 (фиг. 3) посредством гибких связей 6 с нижним выводом 7. Ламели 3 установлены в поворотной скобе 8 на общей оси 9, которая закреплена в боковых стенках 10, 11 скобы. Поворотная скоба 8 имеет собственную ось вращения 12 и смонтирована с возможностью взаимодействия через тягу 13 с механизмом выключателя (на рисунках механизм не показан). Пружины нажатия 14, помещены между фронтальной стенкой 15 скобы 8 и верхними контактными концами 16 ламелей 3 над их общей осью вращения 9. Особенностью монтажа ламелей 3 в скобе 8, является то, что ось вращения 9 помещена в средней части ламели и делит каждую ламель на равновеликие в первом приближении (по площади и массе) нижнее 17 и верхнее 18 плечи. Контактная система также снабжена дополнительными пружинами 19, а поворотная скоба 8 оснащена Г-образным упором 20, закрепленным на скобе со стороны нижнего вывода 7 под осью вращения 9 ламелей напротив мест крепления 21 гибких связей 6 к ламелям. Каждая дополнительная пружина 19 установлена под осью вращения 9 с возможностью контактирования одним торцем 22 с Г-образным упором 20 и вторыми торцем 23 с нижним концом 5 каждой ламели напротив места ее соединения с гибкой связью. Для обеспечения необходимого провала δ контактов 4 и возможности его регулировки при изготовлении и при эксплуатации контактной системы каждая пружина нажатия 14 установлена концентрично на цилиндрической тяге 24 (см. фиг. 5), которой снабжена каждая ламель 3, причем каждая цилиндрическая тяга 24 смонтирована одним концом 25 подвижно в плоскости ламели 3 на ось-штифте 26, зафиксированном в прорези 27 ламели 3, а вторым концом 28 пропущена через прямоугольное отверстие 29 во фронтальной стенке 15 скобы 8. Кроме этого второй конец 28 каждой тяги имеет резьбу 30 и оснащен двухступенчатой резьбовой втулкой 31. Первая удлиненная ступень 32 втулки 31 выполнена четырехгранной и расположена внутри прямоугольного отверстия 29 скобы, а вторая ступень 33 большего диаметра огранена тремя парами лысок 34 и расположена снаружи фронтальной стенки 15 скобы. Предложенная конструкция индивидуальной регулировки провалов δ подвижных контактов 4 повышает эксплуатационную надежность контактной системы. Полностью исключена возможность самопроизвольного отвинчивания-завинчивания регулировочных втулок 31 под действием внешних вибрационных нагрузок за счет прямоугольных пазов 29 в стенке 15 скобы 8 и выполнения удлиненной части 32 втулки четырехгранной с радиусными закруглениями ребер. Кроме этого, индивидуальная установка величины провалов δ позволяет реализовать выбранные алгоритмы замыкания и размыкания контактов (например, при замыкании, более раннее замыкание для дугогасительных, затем промежуточных и главных и в обратной последовательности при размыкании), что расширяет эксплуатационные возможности контактной системы. Для электрического изолирования ламелей 3 и гибких связей 6 друг от друга в контактной системе предусмотрены детали 35-39 (см. фиг. 6, 3), изготовленные из электроизоляционного материала.
н
м
н
н
н
н
Работает контактная система в составе автоматического выключателя следующим образом. В нормальном режиме при подключенном источнике тока к верхнему выводу 2 и подключенной нагрузке к нижнему выводу 7, замкнутых контактах 1,4 с усилием F, (см. фиг. 3) номинальный ток проходит последовательно по нескольким параллельным ламелям 3 и нескольким параллельным гибким связям 6. С помощью механизма выключателя (на рисунках не показан) усилием F через тягу 13 (см. фиг. 1) скоба 8 приводится во вращательное движение вокруг оси 12 по часовой стрелке. Происходит сначала выбор провала δ, затем размыкание подвижных 4 и неподвижных 1 главных контактов. Контактная система после размыкания контактов оказывается в положении, изображенном на рисунке фиг. 7, с образованием между контактами изолирующего воздушного промежутка L, величина которого должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 50030.1. (процесс сброса тока на дугогасительные контакты и гашения электрической дуги в дугогасительной камере здесь не рассматривается, так как он не связан с заявленным техническом результатом полезной модели). Отключение может производиться как вручную, так и автоматически с помощью электромагнитных или электронных расцепите лей (расцепители не показаны). Включение контактной системы производится в обратном порядке. При прохождении тока короткого замыкания контролируемой величины и в течение контролируемого времени (необходимые условия обеспечения селективности), контактная система должна иметь такое деление тока на параллельные токи и такое усилие контактного нажатия F, при котором не будет наблюдаться резкого снижения усилия нажатия, обгорания контактов, отброса подвижных контактов, повторного замыкания, приварки контактов. Общие теоретические подходы в части выбора количества параллельных ламелей и выбора усилий нажатия известны и изложены в [7] стр. 272-273. Однако, из-за разнообразия конструкций контактных систем, применяемых типов контактов, электротехнических материалов, ограничений по тепловым режимам и пр., наиболее рациональные решения определяются в ходе исследовательских испытаний. Предлагаемая модель контактной системы является одним из таких решений. Благодаря размещению дополнительных пружин 19 (фиг. 3) между нижним концом 5 каждой ламели 3 и Г-образным упором 20, ниже оси вращения 9, на замкнутые контакты действует дополнительное усилие нажатия, которое суммируется с усилием пружин нажатия 14. Увеличенное суммарное усилие нажатия F на контакты увеличивает стойкость контактной системы к кратковременным токам короткого замыкания, повышая ее электродинамическую устойчивость. Дополнительные пружины 19 легкосъемные (см. фиг. 6) за счет конструктивных элементов 36-38, могут быть в заданных габаритах изготовлены на различные усилия и позволяют, не изменяя отрегулированные провалы, изменять усилия нажатия в соответствии с номинальным током выключателя и требуемым кратковременно выдерживаемым током короткого замыкания. Учитывая возможность наращивания количества ламелей 3 до 8-12 штук, такое решение делает контактную систему универсальной для силовых выключателей различных габаритов на номинальные токи 2500, 4000, 5000, 6300 А с различными кратковременно выдерживаемыми токами короткого замыкания и эксплуатируемых в условиях жестких механических воздействий. Следует отметить, что увеличение усилия нажатия произведено не за счет добавления пружин нажатия в верхней контактной части ламелей, т.е. не за счет удлинения ламелей и увеличения моменте инерции относительно оси вращения 9, а добавлением их в нижней части ламели в свободной зоне против мест крепления ламелей к гибким связям. Сокращение общей длины ламели 3 и размещение оси вращения 9 посередине ламели, дало возможность выполнить ламель в виде уравновешенного относительно оси 9 двуплечего рычага с равновеликими площадями (в плане рисунка фиг. 3) его верхнего 18 и нижнего 17 плеч. С учетом выполненных в ламелях пазов, отверстий и других конструктивных элементов удалось получить практически равные моменты инерции верхнего 18 и нижнего 17 плеч ламелей 3 относительно оси вращения 9. Это означает, что при внешнем воздействии удара с линейным ускорением а величиной a=ng, (где n может достигать величин от десятков до сотен единиц) в направлении противоположном усилию нажатия F (см. фиг. 3) к верхнему и нижнему плечу будут приложены практически одинаковые вращающие моменты. Поскольку относительно оси 9 вращающий момент на верхнем плече 18 направлен против часовой стрелки, а момент на нижнем плече 17 по часовой стрелке, то моменты практически компенсируют друг друга, и, в результате, влияние одиночного удара с ускорением a=ng на изменение усилия нажатия F на контакты будет минимально. Это повышает надежность работы контактной системы при внешних ударных нагрузках, повышает ее ударостойкость.
Таким образом, выполнение контактной системы автоматического выключателя в заявляемом виде с описанными отличительными признаками, а именно:
- с дополнительными пружинами 19, установленными под осью вращения 9 между Г-образным упором 20 и нижними концами 5 ламелей 3 напротив мест соединения ламелей с гибкими связями 6;
- с установленной посередине ламелей 3 их общей осью вращения 9, превращающей каждую ламель в уравновешенный двуплечий рычаг с плечами 17, 18, имеющими практически равные моменты инерции;
- с конструктивными элементами 24-34 регулировки провалов δ подвижных контактов 4,
позволило достичь поставленных заявляемой полезной моделью целей в части повышения электродинамической устойчивости и стойкости к одиночным механическим ударам.
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 качестве контактной системы в низковольтных силовых (до 6300 А) автоматических выключателях, эксплуатируемых в условиях воздействия внешних ударных нагрузок, 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.
Опытные образцы заявляемой контактной системы были изготовлены и испытаны с положительными результатами в составе многополюсных автоматических выключателей на большие токи.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».