МНОГОПОЛЮСНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
MULTIPOLAR AUTOMATIC BREAKER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтному аппаратостроению, в частности к автоматическим выключателям на большие токи с механизмом свободного расцепления и многополюсной контактной системой.
Известны автоматические выключатели токов короткого замыкания с механизмом свободного расцепления и многополюсной контактной системой в виде параллельно расположенных в одной плоскости полюсов с заданным межполюсным расстоянием и с синхронным, параллельным и направленным в одну сторону движением подвижных контактов в каждом полюсе (см. описания к патентам США №4891618 от 2.01.1990 г., Н01Н 77/10; №5341191 от 23.08.1994 г. Н01Н 75/00; №7358837 В2 от 15.04.2008 г., Н01Н 75/00, а также описание изобретения к патенту Российской Федерации RU №2263994 от 19.11.2005 г., Н01Н 77/10. Каждый полюс в перечисленных многополюсных выключателях состоит из установленного в корпусе верхнего вывода с неподвижными контактами и нижнего вывода, соединенного с подвижными контактами, установленными на подпружиненных контактодержателях, закрепленных в несущей скобе. Несущая скоба каждого полюса смонтирована на изолирующей траверсе. Одна из несущих скоб является ведущей и шарнирно связана с механизмом свободного расцепления. Каждый полюс содержит свою дугогасительную камеру. Выключатели такой компоновки производятся серийно многими известными фирмами Европы (Siemens, Klockner Moeller, ABB Sace, Merlin Gerin), США (General Electric, Cutler Hammer), Японии (Mitsubishi Electric, Terasaki Electric), России (ОАО «Контактор» г.Ульяновск, ОАО «Электроаппарат» г.Курск и ОАО «Дивногорский завод НВА») с рядом конструктивных фирменных отличий. Основной тенденцией их модернизации является постоянное уменьшение габаритов и массы изделий с одновременным улучшением характеристик отключения токов короткого замыкания (предельной коммутационной способности, быстродействия, токоограничения, электродинамической и термической стойкости, расширение диапазона токовых и временных уставок их электронных расцепителей и др.). Уменьшение габаритов и массы выключателей при прочих равных условиях (заданном номинальном токе, токах перегрузки, отключаемых токах короткого замыкания, электрическом сопротивлении полюсов, заданных температурах окружающей среды и пр.) на современном этапе достигает предельных величин и ограничено предельным превышением температуры выводов выключателя. Величина превышения температуры выводов регламентирована международным стандартом МЭК 60947-1, а также гармонизированным с ним отечественным стандартом ГОСТ Р 50030.2 (см. таблицу 7) и составляет 80 градусов Цельсия. Так ведущая европейская фирма ABB Sace при переходе от серии выключателей Isomax S к новой серии Тmax на выключателе на номинальный ток 1600 А (исполнения соответственно S7 и Т7) достигла уменьшения габаритов с размеров 210×406×138,5 мм до размеров 210×268×154 мм, а массу уменьшила с 17 кг до 9,7 кг (см. Технический каталог ABB SACE 649240/011ru, июль 1998 год, «Автоматические выключатели от 10А до 1600А SACE Isomax S», стр.14-15, а также сайт ABB SACE htpp://www.abb.com в части характеристик выключателей серии Тmax). При определении размеров включателя первым указывается ширина выключателя (Ш), вторым размером - высота (В) выключателя, третьим размером - глубина (Г) выключателя. Анализ размеров выключателей различных фирм показывает, что наиболее трудным является изменение габаритов выключателей в части уменьшения их ширины. Это объясняется параллельным размещением полюсов по ширине выключателя в одной плоскости, с одной стороны, и ограничениями на температуру выводов выключателя, с другой стороны, так как всякое уменьшение ширины выключателя приводит к уменьшению межполюсного расстояния и повышению температуры выводов из-за проявления поверхностного эффекта и эффекта близости в соседних полюсах при прохождении через них больших токов. Разрешение указанного технического противоречия между уменьшением габаритов многополюсного выключателя за счет уменьшения его ширины и сохранением заданной температуры выводов требует изменений в компоновке полюсов выключателя.
Автоматический выключатель по патенту на изобретение США №4891618 от 2.01.1990 г., Н01Н 77/10 как наиболее близкий из аналогов к заявляемому предлагаемому изобретению по технической сущности является прототипом предлагаемого технического решения. Прототип содержит корпус, установленные в корпусе верхние выводы 36 (см. на фиг.1, 2, 3 к патенту США №4891618) с неподвижными контактами 32, нижние выводы 46, соединенные гибкой связью 118 с подвижными контактами 34 и 116, установленными на подпружиненных контактодержателях 128, 148 (см. на фиг.7, 8 и 11 к патенту США №4891618). Контактодержатели 128, 148 в каждом полюсе закреплены в несущей скобе на оси 139 (см. на фиг.7, 8 и 11). Несущая скоба 68 в среднем полюсе является ведущей и установлена на оси 230 (см. на фиг.2, 3) На скобу 68 передается движение от механизма свободного расцепления посредством двух тяг 64, а от скобы через траверсу 206 на ведомые крайние скобы (см. на фиг.2 и 12). Траверса 206 крепится на скобу 68 в среднем полюсе с помощью пластин 212, 214. Ведомые скобы крайних полюсов закреплены на траверсе 206 (см. на фиг.4 и 12) через конструктивные элементы 218 из электроизоляционного материала. При передаче движения от механизма свободного расцепления на ведущую скобу траверса со скобами и подпружиненными контактодержателями имеет возможность поступательно перемещаться по траектории окружности, центр которой находится в центре оси 230, установленной в отверстиях 228 (см. на фиг.12 и 9), производя тем самым замыкание или размыкание трехполюсной контактной системы выключателя. Прототип также содержит дугогасительные камеры 152, внутри которых перемещаются дугогасительные контакты 116. Описанная конструкция многополюсного выключателя характеризуется параллельной компоновкой полюсов с размещением полюсов по ширине выключателя в одной плоскости. Недостатком прототипа является невозможность уменьшения его габаритов по ширине выключателя из-за возрастания температуры выводов при уменьшении межполюсного расстояния. Объясняется это нарастающим влиянием поверхностного эффекта и эффекта близости токопроводов (которыми являются полюсы многополюсного выключателя) на мощность тепловыделений, особенно при больших номинальных токах, измеряемых тысячами ампер. Следовательно, величина межполюсного расстояния не может быть уменьшена из-за проявления поверхностного эффекта и эффекта близости полюсов, расположенных в одной плоскости. Практика тепловых испытаний многополюсных выключателей показывает, что температура вывода, находящегося между двумя соседними выводами и в одной плоскости с ними, всегда больше температуры этих соседних выводов, а значит, заданная стандартами величина перегрева среднего полюса (80 градусов) всегда ограничивает уменьшение межполюсного расстояния в существующих выключателях, а следовательно, и дальнейшее уменьшение габаритов и массы этих выключателей. Из теории электрических аппаратов известно, что для уменьшения мощности тепловыделений от поверхностного эффекта и эффекта близости необходимо токопроводы (полюсы выключателя) размещать со смещением относительно друг друга, например, в вершинах треугольника (см. книгу «Основы теории электрических аппаратов» под редакцией проф. И.С.Таева, Москва, «Высшая школа», 1987, стр.251, рис.7.1 в, пункт 4; - на страницах 255-257 этой же книги изложены и теоретические аспекты упомянутых эффектов). При этом появляется возможность уменьшить межполюсное расстояние без увеличения температуры среднего полюса (без увеличения тепловых потерь в полюсе), т.е. уменьшить ширину выключателя. Однако такое смещение среднего полюса, например, в трехполюсном выключателе приводит автоматически к увеличению глубины выключателя. Следовательно, требуется новая компоновка полюсов выключателя, которая бы при уменьшении ширины выключателя не приводила бы к увеличению его глубины.
Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в уменьшении габаритов и массы многополюсного выключателя при уменьшении тепловых потерь от эффекта близости полюсов.
Указанный технический результат достигается тем, что в многополюсном автоматическом выключателе, содержащем корпус, установленные по ширине корпуса верхние выводы с неподвижными контактами, нижние выводы, соединенные с подвижными контактами на подпружиненных контактодержателях, смонтированных в одной ведущей и нескольких ведомых скобах, механизм свободного расцепления, кинематически связанный тягами с ведущей скобой, электроизолирующую траверсу, скрепляющую между собой все скобы, а также дугогасительные камеры, верхние и нижние выводы размещены в корпусе в два ряда в шахматном порядке контактирующими поверхностями неподвижных контактов первого ряда верхних выводов навстречу контактирующим поверхностям неподвижных контактов второго ряда верхних выводов, дугогасительные камеры в соседних полюсах размещены встречно-параллельно, корпус выключателя по глубине разделен на два полукорпуса и снабжен промежуточным каркасом, траверса механизма свободного расцепления выполнена вращающейся вокруг своей оси и оснащена двумя опорами вращения и полюсными водилами, в ведущей скобе установлены реверсные тяги, а ведомые скобы снабжены дополнительными осями и шарнирно присоединенными шатунами, при этом механизм свободного расцепления, опоры вращения траверсы и дополнительные оси ведомых скоб смонтированы в промежуточном каркасе так, что дополнительные оси ведомых скоб параллельны оси траверсы, водила соседних полюсов закреплены на траверсе по разные стороны от оси ее вращения и шарнирно связаны с ведомыми скобами посредством свободных концов шатунов, а с ведущей скобой посредством реверсных тяг и таким образом, что контактодержатели любых двух соседних полюсов имеют возможность встречно-синхронного перемещения подвижными контактами внутри дугогасительных камер, причем первый ряд верхних выводов закреплен в нижнем полукорпусе, второй ряд верхних выводов - в верхнем полукорпусе, а оба ряда нижних выводов смонтированы в промежуточном каркасе.
Размещение верхних и нижних выводов выключателя в его корпусе в два ряда, в шахматном порядке, контактирующими поверхностями неподвижных контактов первого ряда верхних выводов навстречу контактирующим поверхностям неподвижных контактов второго ряда верхних выводов, а дугогасительных камер в соседних полюсах встречно-параллельно, позволяет разнести полюсы выключателя из общей плоскости компоновки в две параллельные с образованием треугольного положения осей симметрии выводов выключателя, которое минимально подвержено влиянию эффекта близости и способствует снижению перегрева среднего вывода. На фиг.1 и фиг.2, прилагаемых к материалам заявки, показаны результаты моделирования распределения теплового поля вокруг выводов, расположенных в одной плоскости (фиг.1), и вокруг выводов, расположенных в два ряда в двух параллельных плоскостях с образованием треугольного положения (фиг.2). Здесь более нагретые зоны имеют более темную окраску и показывают, что средний полюс во втором варианте компоновки (фиг.2) менее нагрет, чем при компоновке полюсов в одной плоскости. На фиг.3 показаны результаты исследований зависимости температуры Т среднего и двух крайних выводов с межполюсным расстоянием t от величины смещения L между ними для одного из конструктивных вариантов трехполюсного выключателя при заданной температуре окружающей среды. Из графической зависимости фиг.3 видно, что смещение на величину 30 мм уравнивает температуры среднего и крайнего выводов, а при дальнейшем смещении температура среднего вывода становится меньше температуры крайних. Для описанного шахматного расположения выводов в два ряда, чтобы не увеличивалась глубина выключателя, требуется оригинальный механизм свободного расцепления со встречно-синхронным движением подвижных контактов внутри встречно-параллельно расположенных дугогасительных камер. Для этого корпус выключателя по глубине разделен на два полукорпуса и снабжен промежуточным каркасом. Траверса механизма свободного расцепления выполнена вращающейся вокруг своей оси и оснащена двумя опорами вращения и полюсными водилами. В ведущей скобе установлены реверсные тяги, а ведомые скобы снабжены дополнительными осями и шарнирно присоединенными шатунами. При этом механизм свободного расцепления, опоры вращения траверсы и дополнительные оси ведомых скоб смонтированы в промежуточном каркасе так, что дополнительные оси ведомых скоб параллельны оси траверсы, водила соседних полюсов закреплены на траверсе по разные стороны от оси ее вращения и шарнирно связаны с ведомыми скобами посредством свободных концов шатунов, а с ведущей скобой посредством реверсных тяг. Монтаж выполнен таким образом, что контактодержатели любых двух соседних полюсов имеют возможность встречно-синхронного перемещения подвижными контактами внутри дугогасительных камер. Причем первый ряд верхних выводов закреплен в первом полукорпусе, второй ряд верхних выводов - во втором полукорпусе, а оба ряда нижних выводов смонтированы в промежуточном каркасе. Механизм со встречно-синхронным движением контактов позволил при шахматной компоновке выводов уменьшить ширину выключателя без увеличения глубины выключателя, т.е. уменьшить габариты и массу многополюсного выключателя при уменьшении тепловых потерь от эффекта близости полюсов. Таким образом, предложенная компоновка полюсов, выполнение траверсы с вращением вокруг собственной оси на опорах вращения, снабжение ведущей скобы реверсными тягами, ведомых скоб дополнительными осями и шатунами, а траверсы водилами по разные стороны от ее оси вращения и монтаж перечисленных конструктивных элементов в описанной взаимосвязи позволяют достичь указанного заявителем технического результата. При проведении патентного поиска технических решений со сходными с заявляемыми существенными отличительными признаками не обнаружено. Следовательно, описанный многополюсный автоматический выключатель обладает элементами новизны.
Предлагаемая конструкция автоматического выключателя в трехполюсном исполнении показана на фиг.4-10.
На фиг.4 представлен аксонометрический вид предлагаемого выключателя с выводами, расположенными в два ряда в шахматном порядке. На фиг.5 аксонометрически изображено положение верхних выводов внутри выключателя без дугогасительных камер. Показано, что верхние выводы первого ряда (для трехполюсного исполнения это один средний вывод) размещены неподвижными контактами навстречу неподвижным контактам второго ряда верхних (боковых) выводов. Для наглядности первый и второй полукорпусы, а также каркас условно не показаны. Подвижные и неподвижные контакты выключателя находятся в разомкнутом состоянии. На фиг.6 подвижные и неподвижные контакты выключателя изображены в замкнутом состоянии. Фиг.7 поясняет встречно-параллельное размещение дугогасительных камер в соседних полюсах многополюсного выключателя. Здесь полукорпусы также условно не показаны. На фиг.8 показана конструкция узла траверсы, ее установка на опорах вращения в промежуточном каркасе, крепление на траверсе водил и связь их через реверсные тяги с ведущей скобой механизма свободного расцепления, а через шатуны с ведомыми скобами, которые смонтированы на дополнительных осях. Фиг.9 показывает более наглядно конструкцию узла траверсы и ее связь с ведущей и ведомой скобами. На фиг.10 изображена конфигурация главных электрической цепей (верхний вывод - нижний вывод) двух соседних полюсов многополюсного выключателя относительно друг друга, обеспечивающая уменьшение тепловых потерь, обусловленных проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости, а также обеспечивающая уменьшение межполюсного расстояния, а значит, и ширины выключателя. Второстепенные конструктивные элементы, не участвующие в проведении номинального тока главной цепи в полюсах, не показаны.
1
1
Многополюсный автоматический выключатель содержит корпус 1, установленные по ширине корпуса верхние выводы 2 (см. фиг.4) с неподвижными контактами 3, нижние выводы 4, соединенные гибкими связями 5 с подвижными контактами 6 на подпружиненных контактодержателях 7 (см. фиг.5). Контактодержатели 7 (фиг.8) смонтированы в ведущей 8 и двух ведомых скобах 9. Механизм свободного расцепления 10 кинематически связан тягой 11 с ведущей скобой 8. Электроизолирующая траверса 12 изолирует полюсы друг от друга и обеспечивает синхронное замыкание-размыкание подвижных контактов 6 с неподвижными контактами 3. В полюсах выключателя установлены дугогасительные камеры 13 (фиг.7). Отличительной особенностью предлагаемого многополюсного выключателя является то, что верхние 2 и нижние выводы 4 размещены в корпусе в два ряда в шахматном порядке (трехполюсный выключатель имеет в первом ряду один верхний вывод 2а, а во втором ряду два верхних вывода 2в) контактирующими поверхностями неподвижных контактов 3 первого ряда верхних выводов 2а навстречу контактирующим поверхностям неподвижных контактов 3 второго ряда верхних выводов 2в (фиг.5), а дугогасительные камеры 13 в соседних полюсах размещены встречно-параллельно (фиг.7). Для предлагаемой компоновки выключателя его корпус 1 по глубине Г разделен на два полукорпуса 14, 15 (фиг.4) и снабжен промежуточным каркасом 16 (фиг.8). Для обеспечения встречно-синхронного перемещения подвижных контактов 6, напаянных на подпружиненных контактодержателях 7, установленных в ведущей 8 и ведомых 9 скобах, траверса 12 механизма свободного расцепления выполнена вращающейся вокруг своей оси OO (фиг.9) и оснащена двумя опорами вращения 17, 18 и тремя полюсными водилами 19. Водила 19 соседних полюсов закреплены на траверсе по разные стороны от оси ее вращения OO. В ведущей скобе 8 шарнирно установлены реверсные тяги 20, 21, а ведомые скобы 9 снабжены дополнительными осям 22, 23 и шарнирно присоединенными к этим скобам с помощью осей 24, 25 шатунами 26, 27. При этом механизм свободного расцепления 10, опоры вращения 17, 18 траверсы 12 и дополнительные оси 22, 23 ведомых скоб 9 смонтированы в промежуточном каркасе 16 так, что дополнительные оси ведомых скоб 9 параллельны оси вращения OO траверсы 12, водила 19 крайних полюсов шарнирно связаны с ведомыми скобами 9 посредством свободных концов шатунов 26, 27, а водило 19 в среднем полюсе связано с ведущей скобой 8 посредством реверсных тяг 20, 21. Выводы монтируются в выключателе таким образом, что первый ряд верхних выводов 2а закреплен в первом полукорпусе 14, второй ряд верхних выводов 2в - во втором полукорпусе 15, а оба ряда нижних выводов 4 смонтированы в промежуточном каркасе 16. Менее глубокие полукорпусы повышают технологичность их изготовления прессованием или литьем из пластмасс электротехнического назначения. Описанная конструкция обеспечивает контактодержателям 7 любых двух соседних полюсов возможность встречно-синхронного перемещения своими подвижными контактами 6 внутри дугогасительных камер 13. Выполнение корпуса 1 в виде двух полукорпусов 14, 15 и каркаса 16 предназначено не только для выполнения функций выключателя в заявляемом виде, но и для создания удобства сборки и профилактики многополюсной контактно-дугогасительной системы. Для оперирования выключателем предусмотрена рукоятка 28. Механизм свободного расцепления 10, который посредством тяги 11 приводит во вращательное движение вокруг оси OO ведущую скобу 8, выполнен в классическом рычажно-защелочном исполнении и в силу его известности в описании подетально не раскрывается. В общем случае выключатель предлагаемой конструкции может иметь любое количество полюсов.
Работает многополюсный автоматический выключатель следующим образом.
1
1
2
2
Рукоятка 28 механизма свободного расцепления 10, как и во всех известных механизмах, может занимать три положения: «Включено» (фиг.6 и фиг.10); «Выключено» или «Взведено» (фиг.4 и фиг.5) и «Выключено автоматически». Положение «Выключено автоматически» на чертежах не показано. Ему соответствует среднее положение рукоятки между положениями «Включено» и «Выключено». При переводе рукоятки из положения «Выключено» («Взведено») в положение «Включено» тяга 11 механизма свободного расцепления 10 вращает ведущую скобу 8 (совместно с контактодержателями 7 среднего полюса) против часовой стрелки (фиг.9) вокруг ее оси вращения OO, закрепленной в щеках механизма 10. Посредством реверсных тяг 20, 21, шарнирно соединенных с одной стороны с ведущей скобой 8, а с другой - с водилом 19 в среднем полюсе, ведущая скоба повернет траверсу 12 также против часовой стрелки. Так как водила 19 в крайних полюсах по отношению к водилу 19 в среднем полюсе закреплены на траверсе 12 по другую сторону от ее оси вращения OO и связаны шарнирно с шатунами 26, 27, вторые концы которых шарнирно установлены на осях 24, 25 в ведомых скобах 9, то ведомые скобы вместе со своими контактодержателями 7 также повернутся вокруг дополнительных осей 22, 23 (ось ОО), но уже по часовой стрелке. Таким образом, механизм свободного расцепления обеспечивает в соседних полюсах синхронное движение контактодержателей 7 с подвижными контактами 6 навстречу друг другу внутри своих дугогасительных камер 13, что и требуется для компоновки верхних выводов в два ряда в шахматном порядке и навстречу друг другу контактирующими поверхностями неподвижных контактов. Встречно-синхронное перемещение подвижных контактов внутри дугогасительных камер в соседних полюсах при ручном отключении происходит в обратном порядке. При автоматическом отключении также обеспечивается встречно-синхроннное перемещение контактов с той лишь разницей, что отключение производится воздействием расцепителей выключателя на отключающую рейку механизма свободного расцепления, например от максимального расцепителя мгновенного действия (расцепитель и отключающая рейка не показаны). Выполнение выключателя с предложенной компоновкой полюсов, заключающейся в том, что верхние 2 и нижние выводы 4 размещены в корпусе в два ряда в шахматном порядке контактирующими поверхностями неподвижных контактов 3 первого ряда верхних выводов 2а навстречу контактирующим поверхностям неподвижных контактов 3 второго ряда верхних выводов 2в, а также в том, что дугогасительные камеры 13 в соседних полюсах размещены встречно-параллельно, позволило уменьшить влияние эффекта близости полюсов на тепловые потери и уменьшить межполюсные расстояния, т.е. ширину выключателя. Такая компоновка полюсов стала возможной благодаря разделению корпуса 1 на два полукорпуса 14, 15 и промежуточный каркас 16, снабжению траверсы 12 опорами вращения 17, 18 и полюсными водилами 19, ведущей скобы 8 - реверсными тягами 20, 21, ведомых скоб 9 - дополнительными осями 22, 23 и шатунами 26, 27, а также благодаря монтажу перечисленных элементов таким образом, что контактодержатели 7 любых двух соседних полюсов имеют возможность встречно-синхронного перемещения подвижными контактами внутри дугогасительных камер 13.
Выполненные проектные работы по разработке предлагаемого к патентованиию выключателя на большие токи подтвердили уменьшение его физического объема на 21% по сравнению с аналогичным серийным изделием при выполнении нормативных требований по нагреву выводов. Уменьшена масса выключателя на 13%. Меньшие габариты и масса изделия уменьшают материалоемкость выключателя, а значит, и его стоимость. Меньшие тепловые потери в полюсах положительно влияют на надежность работы выключателя и его ресурс, так как при меньших перегревах срок службы электроизоляционных материалов увеличивается. Меньшие потери мощности в полюсах экономят потребляемую электроэнергию при эксплуатации выключателя в составе электроэнергетических систем с большими номинальными токами. Следовательно, предлагаемый многополюсный выключатель с отличной от аналогов и прототипа компоновкой полюсов обеспечивает уменьшение габаритов выключателя за счет уменьшения его ширины (уменьшения межполюсных расстояний t за счет смещения L между рядами выводов) и применения встречно-синхронного перемещения подвижных контактов в соседних полюсах. Одновременно уменьшены тепловые потери от эффекта близости полюсов, то есть заявляемая конструкция обеспечивает достижение декларируемого технического результата.