РАСЦЕПИТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОММУТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА
RELEASE DEVICE FOR ELECTRICAL SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к расцепителю для электрического коммутационного устройства, расположенного в первой токовой цепи и содержащего, по меньшей мере, два расположенных в корпусе коммутирующих контакта, которые разъединяются, когда проходящий через них ток превышает определенное пороговое значение, содержащему исполнительный орган, который реагирует против усилия возвратного устройства на давление, создаваемое зажженной при электродинамической отдаче коммутирующих контактов дугой в окруженной корпусом зоне их разъединения, и приводит в действие вызывающий самопроизвольное прерывание токовой цепи отключающий механизм, причем исполнительный орган содержит подвижный элемент, образующий в связанном с зоной разъединения проточном канале подпорное тело, совершающее заданное управляющее движении при давлении, которое должно привести к отключению.
Кроме того, изобретение относится к электрическому коммутационному устройству с таким расцепителем.
Изобретение относится, в частности, к токоограничительным коммутационным устройствам в области низких напряжений, т.е. напряжений примерно до 1000 В. Такие токоограничительные коммутационные устройства выполнены, в частности, для прерывания токовых цепей в случае короткого замыкания или сверхтока. Кроме того, такие токоограничительные коммутационные устройства могут быть выполнены одно- или многополюсными, в частности трехполюсными. На каждый полюс они могут содержать одну или несколько пар коммутирующих контактов. В частности, эти электрические коммутационные устройства рассчитаны на отключение токов более чем 100 А, в частности нескольких кА.
Так, например, при использовании токоограничительных коммутационных аппаратов, в частности токоограничительных силовых выключателей, например в виде МССВ (Molded Case Circuit Breaker - автоматические выключатели в литом корпусе) в широко разветвленных токораспределительных сетях, принято селективное каскадирование с минимальным расстоянием по номинальному току между участвующими коммутационными аппаратами. Каждая плоскость разветвления в зависимости от подключенных потребителей может быть защищена соответственно рассчитанным коммутационным аппаратом от возникающих перегрузок и коротких замыканий. При этом, например, коммутационный аппарат, расположенный ближе всего к потребителю и часто называемый также близким к потребителю или нижестоящим коммутационным аппаратом, рассчитан на самый низкий номинальный ток. Если через близкий к потребителю коммутационный аппарат и через коммутационный аппарат, который в иерархии токораспределительной сети расположен над близким к потребителю коммутационным аппаратом и часто называется далеким от потребителя или вышестоящим коммутационным аппаратом, течет то короткого замыкания, то он должен отключать только близкий к потребителю коммутационный аппарат. Другими словами, в случае неполадки (короткое замыкание) прохождение тока должен прерывать только коммутационный аппарат, самый близкий к событию. Пары коммутирующих контактов близкого к потребителю и далекого от потребителя коммутационных аппаратов зажигают при размыкании дугу, причем раствор пар коммутирующих контактов и энергия дуги у близкого к потребителю коммутационного аппарата из-за меньшего момента инерции масс его подвижной токовой цепи, включая коммутирующие контакты, выше. За этим, при определенных условиях однополюсным размыканием должно следовать всеполюсное отключение близкого к потребителю коммутационного аппарата. Далекий от потребителя коммутационный аппарат не должен быть отключен, чтобы не отделить от токораспределительной сети других потребителей. За счет короткого приподнятия коммутирующих контактов далекий от потребителя коммутационный аппарат должен оказывать лишь поддерживающее действие, т.е., например, за счет ограничения тока способствовать отключению близкого к потребителю коммутационного аппарата. Коммутационные аппараты, оказывающие такое каскадное действие в токораспределительных сетях, ведут себя селективно. Чтобы достичь такой селективности требуется, чтобы ближайшие к неполадке коммутационные аппараты прерывали токовые цепи всех полюсов быстрее, чем нижестоящие коммутационные аппараты.
Родовые расцепители и коммутационные устройства с такими расцепителями, подходящими для такого быстрого прерывания токовых цепей, известны, например, из немецкого перевода DE 69110540 Т2 европейского патента ЕР 0455564 В1 и из немецкого перевода DE 69217441 Т2 европейского патента ЕР 0538149 В1.
В каждой из упомянутых публикаций DE 69110540 Т2 и DE 69217441 Т2 описано, в частности, электрическое коммутационное устройство в виде силового выключателя с диэлектрическим корпусом, содержащего на каждый полюс два коммутирующих контакта, упруго прижатых друг к другу в положении включения силового выключателя. Коммутирующие контакты могут быть разъединены за счет действия электродинамических сил отдачи, когда проходящий через коммутирующие контакты ток превышает определенное пороговое значение, вызывая, таким образом, ограничение названного тока. Силовой выключатель содержит орган регистрации перегрузки и/или короткого замыкания для воздействия на отключающий механизм, вызывающий в случае дефекта автоматическое отключение силового выключателя. Кроме того, силовой выключатель содержит исполнительный орган, который реагирует на избыточное давление, создаваемое в зоне разъединения названных коммутирующих контактов за счет зажженной при их электродинамической отдаче дугой, приводя в действие отключающий механизм силового выключателя. Исполнительный орган представляет собой газонепроницаемый блок, который связан исключительно с зоной разъединения коммутирующих контактов, и содержит подвижный элемент, например поршень или мембрану, с ограниченным управляющим ходом. Подвижный элемент нагружается, во-первых, названным избыточным давлением, а, во-вторых, возвратным устройством с согласованным усилием действия. Смещение подвижного элемента вызывает срабатывание названного отключающего механизма силового выключателя, причем названное возвратное устройство с согласованным усилием действия рассчитано так, что предотвращается случайное срабатывание при простой перегрузке или реагирование подключенного токоограничительного силового выключателя.
При этом отключающий механизм описанного силового выключателя выполнен с возможностью срабатывания как за счет органа регистрации перегрузки и/или короткого замыкания, так и за счет действующего независимо от него, зависимого от давления исполнительного органа. В качестве критерия срабатывания используется возникающее при зажигании дуги избыточное давление, которое находится в прямой связи ее энергией. Другими словами, давление возрастает тем больше, чем выше энергия дуги. За счет оценки избыточного давления возможно, тем самым, энергоселективное отключение названного силового выключателя, причем энергоселективность представляет собой используемый, в частности, в низковольтных сетях вид селективности для отключения в случае короткого замыкания, как это описано в публикации «Energetische Selektivität in Niederspannungsnetzen», Schneider Electric, Technisches Heft № 167, издание май 1994 г.
Другие родовые расцепители и коммутационные устройства известны из публикаций US 3631369 A, EP 1266387 B1 и DE 10013161 B4. Они содержат для приведения в действие отключающего механизма исполнительный орган в виде рычага, который образует подпорную поверхность в канале для выхода газа. При этом исполнительный орган отклоняется потоком газа, который за счет созданного дугой избыточного давления течет в канал для выхода газа.
Исходя из этого уровня техники, задачей изобретения является создание альтернативного расцепителя.
Эта задача решается посредством расцепителя с признаками п.1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах.
Согласно изобретению подвижный элемент установлен таким образом, что траектория движения его подпорного тела проходит в плоскости поперек направления течения в проточном канале.
Выполненный таким образом расцепитель дополнительно к действующей в направлении течения динамической составляющей давления газа, называемой также «давление подпора», может использовать также действующую поперек направления течения, приводящую к подъемной силе подпорного тела, разность давлений статической составляющей давления газа для настройки точки реагирования (критерия срабатывания) расцепителя. В то же время предложенный расцепитель не является газонепроницаемым блоком, известным из публикаций DE 69110540 Т2 и DE 69217441 Т2. Поэтому предложенный расцепитель не предъявляет таких высоких требований к герметичности газонаправляющих частей корпуса, т.е. обеспечивает большие допуски размеров при изготовлении. Преобразование давления в управляющее движение подвижного элемента даже в случае нескольких полюсов происходит пополюсно, так что независимо от того, в каком из полюсов коммутирующие контакты разъединяются из-за короткого замыкания, соответствующий подвижный элемент быстро реагирует, чтобы привести в действие отключающий механизм. Проходящих поперек полюсов газоплотных напорных линий, известных из публикаций DE 69110540 Т2 и DE 69217441 Т2, не требуется.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения предусматривают, что подвижный элемент установлен с возможностью перемещения вдоль оси, проходящей поперек направления течения, или с возможностью вращения вокруг оси, проходящей параллельно направлению течения.
Для герметизации проходного отверстия стенки проточного канала, через которую проходит подвижный элемент и которая имеет согнутое вокруг оси сечение в форме дуги окружности, подвижный элемент может быть снабжен согнутым в соответствии со стенкой, противоположным ей экраном.
Предпочтительное выполнение расцепителя предусматривает, что для настройки, действующей на подпорное тело подъемной силы, оно выполнено асимметричным по типу несущего крыла.
В другом предпочтительном выполнении расцепителя для настройки действующего на подпорное тело давления подпора в проточном канале предусмотрены фасонные элементы.
Подвижный элемент может приводить в действие отключающий механизм косвенно через, по меньшей мере, один промежуточный элемент, причем промежуточный элемент может быть установлен с возможностью перемещения вдоль оси, проходящей поперек направления течения.
Для передачи усилия подвижный элемент и/или промежуточный элемент может быть снабжен отклоняющей усилие косой поверхностью.
Изобретение и предпочтительные варианты его осуществления описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг. 1: схематичный вид электрического коммутационного устройства с предложенным расцепителем в виде органа регистрации давления;
- фиг. 2-9: первое электрическое коммутационное устройство в виде токоограничительного низковольтного силового выключателя с предложенным расцепителем в виде органа регистрации давления в первом варианте, подвижный элемент которого, образующий в связанном с зоной разъединения проточном канале подпорное тело, установлен с возможностью вращения вокруг оси, проходящей параллельно направлению течения;
- фиг. 10-12: второе электрическое коммутационное устройство в виде токоограничительного низковольтного силового выключателя с предложенным расцепителем в виде органа регистрации давления во втором варианте, подвижный элемент которого, образующий в связанном с зоной разъединения проточном канале подпорное тело, установлен с возможностью перемещения вдоль оси, проходящей поперек направления течения;
- фиг. 13-15: различные варианты подпорного тела.
На фиг. 1 схематично изображено электрическое коммутационное устройство в виде отдельного электрического коммутационного аппарата (например, низковольтного силового выключателя) с двумя коммутирующими контактами 2, 3 для прерывания первой токовой цепи 4 первого полюса. Подвижный коммутирующий контакт 2 расположен на жестком контактном органе 5. Коммутационный аппарат имеет ограниченную корпусом 6 первую коммутационную камеру 7 для размещения коммутирующих контактов 2, 3 первой токовой цепи 4. Приводной механизм 8 коммутационного аппарата служит для размыкания и замыкания коммутирующих контактов. Кроме того, коммутационный аппарат содержит отключающий механизм 9 в виде расположенного по ходу приводного механизма 8 коммутирующего замка и расцепитель 10 в виде органа регистрации давления. В первой коммутационной камере 7 за счет дуги LB, зажженной при электродинамической отдаче коммутирующих контактов 2, 3, создается давление p, под действием которого расцепитель 10 (орган регистрации давления) вызывает срабатывание отключающего механизма 9, т.е. отпирание коммутирующего замка, чтобы привести в действие приводной механизм 8 для размыкания коммутирующих контактов 2, 3. Орган регистрации давления образует энергоселективный расцепитель (селективный расцепитель), поскольку созданное давление p, в основном, пропорционально энергии зажженной дуги LB.
В коммутационном аппарате 1 помимо расцепителя 10 (органа регистрации давления) предусмотрены также термический расцепитель 11 (в качестве органа регистрации перегрузки), электромагнитный расцепитель 12 (в качестве органа регистрации короткого замыкания) и ручной расцепитель 13, посредством которых коммутирующий замок может быть отперт для размыкания коммутирующих контактов. Может быть предусмотрен также электронный расцепитель 14 (в качестве органа регистрации перегрузки и/или короткого замыкания), т.е. ETU (electronic trip unit - электронный расцепитель).
Параллельно коммутационной камере 7 на фиг. 1 коммутационный аппарат 1 может иметь дополнительные коммутационные камеры, в которых установлены коммутирующие контакты других коммутирующих полюсов.
На фиг. 3 изображен первый вариант коммутационного аппарата 101, в котором предусмотрены три, образованных соответственно двумя полюсными получашами 120, 121 корпуса 106 (называемых также полюсный корпус или полюсная кассета), которые на фиг. 5 образуют соответственно коммутационную камеру 107 для размещения коммутирующих контактов 102, 103 полюса.
На фиг. 3 три корпуса 106 помещены в один общий окружающий корпус 122 (корпус выключателя), который здесь лишь обозначен.
На фиг. 5, показывающей фрагмент разреза V-V на фиг. 3, расцепитель 101 содержит обозначенный, в целом, поз. 125 исполнительный орган, который реагирует на давление р, создаваемое в зоне разъединения коммутирующих контактов 102, 103 дугой LB, зажженной при их электродинамической отдаче. Исполнительный орган 125 содержит подвижный элемент 126 в виде двуплечего рычага, который в связанном с зоной разъединения проточном канале 127 - здесь выдувном канале показанного полюса коммутационного аппарата 101 - образует подпорное тело 128, совершающее заданное управляющее движение при давлении р, которое должно привести к отключению.
На фиг. 6 и 7, показывающих фрагменты разрезов VI-VI и VII-VII на фиг. 3, снабженное подпорным телом 128 первое плечо 115 рычага подвижного элемента входит через проходное отверстие 116 в проточный канал 127, причем подпорное тело 128 (его плоский контур 117) расположено под определенным углом (угол установки) к направлению 135 течения.
Кроме того, на фиг. 6 показано, что в проточном канале могут быть предусмотрены фасонные элементы 136 для настройки действующего на подпорное тело 128 давления подпора.
На фиг. 9 подвижный элемент 126, подпорное тело 128 которого нагружено давлением р, за счет изменения своего положения при заданном управляющем движении, здесь в виде заданного поворотного движения вокруг своей оси поворота 129, вызывает срабатывание упомянутого отключающего механизма в результате приведения в действие промежуточного элемента 130 в виде сборного движка, которому на фиг. 3 приданы также подвижные элементы 126 остальных полюсов.
Для этого второе плечо 118 рычага подвижного элемента 126 входит отстоящим параллельно оси поворота 129 штифтом 119 в продольный паз 131 промежуточного элемента 130. Концы продольного паза 131 промежуточного элемента 130 (сборного движка) образуют при этом одновременно упоры, ограничивающие траекторию движения (управляющую траекторию) подвижных элементов.
При этом подвижный элемент 126 установлен посредством параллельной направлению 135 течения оси поворота 129 таким образом, что траектория движения его подпорного тела 128 проходит в плоскости поперек направления 135 течения. Благодаря этому за счет соответственно выбранной формы подпорного тела 128 и угла его установки в проточном канале 127 дополнительно к действующей в направлении 135 течения динамической составляющей давления газа, называемого также «давление подпора», можно для настройки точки реагирования (критерий срабатывания) расцепителя использовать также действующую поперек направления 135 течения, приводящую к подъемной силе подпорного тела 128 разность давлений статической составляющей давления газа.
На фиг. 4, показывающей фрагмент разреза IV-IV из фиг. 2, промежуточный элемент 130 (сборный движок) установлен с возможностью перемещения вдоль оси 132, проходящей поперек направления 135 течения или поперек оси поворота 129, и посредством первой косой поверхности 133 взаимодействует с расцепляющим валом 123 отключающего механизма, причем расцепляющий вал 123 имеет соответствующую первой косой поверхности 133 вторую косую поверхность 124.
На фиг. 4 изображено также возвратное устройство 134, которое нагружает подвижные элементы косвенно через сборный движок 130 подходящим усилием пружины (см. также фиг. 9). Действующее усилие возвратного устройства 134 рассчитано так, что предотвращены как случайное срабатывание отключающего механизма при простой перегрузке, так и реагирование подключенного токоограничительного коммутационного аппарата.
На фиг. 8 подвижные элементы 126 и промежуточный элемент 130 установлены на полюсных получашах 120, 121 таким образом, что не требуется никаких дополнительных крепежных элементов. При этом промежуточный элемент 130 составлен из идентичных, вставляемых друг в друга сегментов, число которых соответствует числу полюсов.
Действующее с одной стороны на промежуточный элемент 130 упругое усилие возвратного устройства 134 давит на промежуточный 130 и все подвижные элементы 126 в определенное исходное положение. Поскольку сопряжение подвижных 126 и промежуточного 130 элементов происходит соответственно за счет вхождения одного из штифтов 119 в один из продольных пазов 131, и вследствие этого штифт 119 имеет зависимый от направления свободный ход, поворотное движение одного из подвижных элементов 126 одного из полюсов не приводит к захвату всех остальных подвижных элементов 126.
На фиг. 8 видно также, что для герметизации проходного отверстия 116 в стенке 137 проточного канала, через которую проходит подвижный элемент и которая имеет согнутое вокруг оси поворота 129 сечение в форме дуги окружности, подвижный элемент снабжен согнутым в соответствии со стенкой 137, противоположным ей экраном 138.
Предложенный расцепитель 110 использует протекающие в выдувном канале по окончании процесса отключения газы для реализации энергоселективного критерия срабатывания в виде поворотного движения подвижного элемента 126, которое затем через поступательно перемещающийся промежуточный элемент 130 приводит к срабатыванию/отключению коммутационного устройства 1 (низковольтного силового выключателя). Как угол (угол установки), так и внешняя форма (в частности, контур 117) подпорного тела оптимизированы в аэродинамическом отношении так, что происходит воспроизводимое, эквивалентное течению отклонение. При этом как сопротивление, подпорное тело (в частности, контур 117) противоположно течению, так и созданная обтеканием подпорного тела подъемная сила могут комбинироваться между собой. Кроме того, выдувной канал может иметь за счет фасонных элементов 136 такую геометрическую форму, что течение газа оптимально нагружает поверхностный контур 117 подпорного тела или оптимально обтекает его.
Предложенный расцепитель монтируется простым образом в и на полюсных получашах 120, 121 корпусов 106.
За счет того, что второе плечо 118 рычага длиннее первого плеча 115, расцепитель обеспечивает, кроме того, большое управляющее движение для приведения в действие отключающего механизма.
На фиг. 10 и 11 изображен второй вариант электрического коммутационного аппарата 201, корпуса 206 которого, образующие соответственно коммутационную камеру для размещения коммутирующих контактов полюса, также образованы соответственно двумя полюсными получашами 220, 221 и помещены в общий окружающий корпус (не показаны).
На фиг. 11, показывающей разрез XI-XI из фиг. 10, расцепитель 201 содержит исполнительный орган 225, реагирующий на давление, создаваемое в зоне разъединения коммутирующих контактов за счет зажженной при их электродинамической отдаче дуги.
Исполнительный орган 225 содержит подвижный элемент 226 в виде поступательно перемещаемого, преимущественно фиксированного от проворачивания вала, который в связанном с зоной разъединения проточном канале 227, представляющем и здесь выдувной канал показанного полюса коммутационного аппарата 201, образует подпорное тело 228, совершающее заданное управляющее движение при давлении р, которое должно приводить к отключению.
При этом подвижный элемент 226 установлен с возможностью перемещения в противоположных друг другу стенках 240, 241 полюсных получаш 220, 221, образующих проточный канал 227, вдоль проходящей поперек направления 235 течения оси 242 таким образом, что траектория движения его подпорного тела 228 также проходит в плоскости поперек направления 235 течения в проточном канале 227. Благодаря этому также в этом случае за счет соответственно выбранной формы подпорного тела 228 и угла его установки в проточном канале дополнительно к действующей в направлении течения динамической составляющей давления газа можно для настройки точки реагирования (критерий срабатывания) расцепителя 210 использовать также действующую поперек направления течения разность давлений статической составляющей давления газа.
Подвижный элемент 226 снабжен для передачи усилия отклоняющей его первой косой поверхностью 243, которая воздействует на вторую косую поверхность 244 расцепляющего вала 223 отключающего механизма.
На фиг. 12, изображающей подвижный элемент 226, подпорное тело 228 для настройки действующей на него подъемной силы по типу несущего крыла, выполнено асимметричным. Другой такой же асимметричный, однако, более длинный и узкий вариант подпорного тела 328 изображен на фиг. 13.
На фиг. 14 и 15 изображены другие возможные варианты подпорного тела 428 и 528 соответственно.