Автоматический выключатель
Изобретение относится к низковольтному аппаратостроению и содержит подвижный контактодержатель, соединенный гибкой связью с нижним выводом и размещенный в несущей скобе, имеющей ось вращения, пружину нажатия, электродинамическое устройство компенсации сил отброса контактов, расцепитель аварийного отключения и механизм свободного расцепления. Введены дополнительная скоба, шарнирно закрепленная на несущей скобе, роликовая опора, подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью и толкатель, кинематически связанный с механизмом свободного расцепления. Контактодержатель шарнирно закреплен на верхнем конце дополнительной скобы, на нижнем конце которой смонтирована роликовая опора с возможностью контактирования с профильной поверхностью фиксатора. Оси вращения роликовой опоры и несущей скобы совпадают. Фиксатор установлен на корпусе с возможностью взаимодействия с отключающей рейкой механизма свободного расцепления, а толкатель - с возможностью воздействия на дополнительную скобу. Технический результат - повышение предельной коммутационной способности за счет токоограничения при отключении предельных токов короткого замыкания. 5 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтному аппаратостроению, в частности к автоматическим выключателям с механизмом свободного расцепления и электродинамическим устройством компенсации сил отброса, действующих между контактами выключателя.
Известны автоматические выключатели токов короткого замыкания с механизмом свободного расцепления и электродинамическим устройством компенсации сил отброса, действующих между контактами выключателя, см. описания изобретений к авторским свидетельствам СССР №475681, H01H 77/10, 1975 г., №531214, H01H 77/10, 1976 г., которые наряду с обеспечением электродинамической устойчивости решают и проблему повышения коммутационной способности при отключении токов короткого замыкания, превышающих максимальное значение тока электродинамической устойчивости за счет отключения этих токов за пределами зоны селективной работы с некоторой степенью токоограничения.
Автоматический выключатель по авторскому свидетельству №531214, H01H 77/10, 1976 г., как наиболее близкий из аналогов к заявляемому предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, является прототипом предлагаемого технического решения.
Прототип содержит закрепленные в корпусе нижний и верхний выводы, подвижный контактодержатель, соединенный гибкой связью с нижним выводом и смонтированный в корпусе на оси вращения, пружину нажатия, электродинамическое устройство компенсации сил отброса контактов, расцепитель аварийного отключения, механизм свободного расцепления, связанный с подвижным контактодержателем и с расцепителем аварийного отключения. В прототипе устройство компенсации сил отброса, действующих между контактами выключателя, выполнено в виде неподвижной U-образной токоведущей скобы, охватывающей малоподвижный контактодержатель, который установлен на этой скобе через токопроводящий шарнир и взаимодействует с подвижным контактодержателем, связанным шарнирно с механизмом свободного расцепления. Устройство компенсации сил отброса обеспечивает заданную электродинамическую устойчивость выключателя в зоне его селективности и способствует некоторому ускорению автоматического отключения токов короткого замыкания, так как электродинамическое усилие, развиваемое устройством компенсации, и усилие пружины нажатия направлены в сторону размыкания контактов при срабатывании механизма свободного расцепления. Однако действие этих сил ограничено и прекращается в тот момент, когда малоподвижный контактодержатель доходит в своем движении до упора в U-образную токоведущую скобу, а значит, существенного повышения быстродействия отключения не может быть достигнуто. Поэтому для повышения быстродействия с достижением токоограничения в прототипе электродинамическое усилие, развиваемое устройством компенсации, используется еще и для приведения в действие механизма свободного расцепления, путем передачи этого усилия через подвижный контактодержатель и систему рычагов механизма на защелку с целью выведения ее из зацепления с рейкой. Но инерционные массы разветвленной системы рычагов механизма свободного расцепления препятствуют более быстрому отключению и достижению эффективного токоограничения. Одним из недостатков такого выключателя является также наличие в его цепи токопроводящего шарнирного соединения, что приводит к увеличению электрического сопротивления, а значит, и к увеличению рассеиваемой мощности в каждом полюсе выключателя и увеличению температуры нагрева его деталей.
Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в повышении предельной коммутационной способности автоматического выключателя за счет токоограничения при отключении выключателем предельных токов короткого замыкания, превышающих ток его электродинамической устойчивости.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматический выключатель, содержащий закрепленные в корпусе нижний и верхний выводы, подвижный контактодержатель, соединенный гибкой связью с нижним выводом и размещенный в несущей скобе, имеющей ось вращения, пружину нажатия, установленную между контактодержателем и несущей скобой, электродинамическое устройство компенсации сил отброса контактов, выполненное в виде U-образного токоведущего контура, образованного нижним выводом, гибкой связью и контактодержателем, расцепитель аварийного отключения, механизм свободного расцепления, связанный траверсой с несущей скобой, а отключающей рейкой - с расцепителем аварийного отключения, снабжен дополнительной скобой, роликовой опорой, подпружиненным фиксатором с профильной поверхностью и толкателем, кинематически связанным с механизмом свободного расцепления, причем дополнительная скоба шарнирно закреплена на несущей скобе, а подвижный контактодержатель шарнирно закреплен на верхнем конце дополнительной скобы, роликовая опора смонтирована на нижнем конце дополнительной скобы с возможностью контактирования с профильной поверхностью подпружиненного фиксатора и таким образом, что оси вращения роликовой опоры и несущей скобы совпадают, подпружиненный фиксатор установлен на корпусе с возможностью взаимодействия с отключающей рейкой механизма свободного расцепления, а толкатель - с возможностью воздействия на дополнительную скобу.
Снабжение выключателя дополнительной скобой, роликовой опорой, подпружиненным фиксатором с профильной поверхностью и толкателем, кинематически связанным с механизмом свободного расцепления, закрепление дополнительной скобы шарнирно на несущей скобе, а подвижного контактодержателя - шарнирно на верхнем конце дополнительной скобы, установка роликовой опоры на нижнем конце дополнительной скобы с возможностью контактирования с профильной поверхностью подпружиненного фиксатора и таким образом, что оси вращения роликовой опоры и несущей скобы совпадают, установка подпружиненного фиксатора на корпусе с возможностью взаимодействия с отключающей рейкой, а толкателя - с возможностью воздействия на дополнительную скобу, позволили работу электродинамического устройства компенсации сил отброса, действующих между контактами выключателя, автоматически (при достижении током короткого замыкания значения большего, чем предельное значение тока электродинамической устойчивости) переключать в режим работы электродинамического устройства ускоренного разведения контактов с фиксацией подвижного контактодержателя в отброшенном положении. Это переключение происходит за счет отжатия роликовой опорой подпружиненного фиксатора под действием суммарного воздействия электродинамической силы отброса, электродинамической силы компенсатора и силы нажатия на контакты. Пороговое значение силы суммарного воздействия, при котором начинается переключение, устанавливается пружиной фиксатора, и оно соответствует предельному значению тока электродинамической стойкости. Во время переключения независимо от работы механизма свободного расцепления происходит ускоренное разведение контактов (отброс контактодержателя) под действием не только электродинамической силы отброса, но и под действием электродинамической силы компенсатора и усилия пружины нажатия, поскольку суммарный вращающий момент, создаваемый ими при освобождении роликовой опоры и прикладываемый к дополнительной скобе, направлен на разведение контактов. Профильная поверхность фиксатора после ускоренного разведения контактов автоматически под действием пружины фиксатора осуществляет фиксацию отброса дополнительной скобы с контактодержателем и исключает возможность повторного замыкания контактов и возможность их сваривания. (Во время отброса контактодержателя без фиксации его в отброшенном положении повторное замыкание контактов возможно, так как отброс контактов происходит за время гораздо меньшее, чем время срабатывания механизма свободного расцепления). Во время отброса (переключения электродинамического устройства) фиксатор воздействует также на отключающую рейку механизма свободного расцепления. При повороте отключающей рейки механизм свободного расцепления срабатывает и завершает автоматическое отключение тока путем поворота несущей скобы на расстояние, достаточное для обеспечения электрической прочности межконтактного промежутка. После завершения автоматического отключения дополнительную скобу с контактодержателем возвращают в исходное положение при оперировании рукояткой механизма свободного расцепления из положения «Отключено автоматически» в положение «Взведено» с помощью толкателя, выполняющего возвратно-поступательное движение. Благодаря исключению влияния инерционных масс механизма свободного расцепления на время отключения в начальный момент размыкания контактов и ускоренному разведению контактов под действием электродинамической силы электродинамического устройства силы отброса, действующие между контактами выключателя, и усилия пружины нажатия, которые (все три силы) при освобождении роликовой опоры направлены в сторону размыкания контактов, а также благодаря исключению возможности повторного замыкания контактов за счет профильной поверхности фиксатора электрическая дуга вводится в цепь в течение времени менее чем за 5 мс, с достижением эффекта ограничения величины тока короткого замыкания значительно раньше, чем в прототипе. Этим достигается высокая предельная отключающая способность селективного выключателя при отключении токов короткого замыкания, превышающих ток его электродинамической стойкости. Кроме этого, электродинамическое устройство, выполняющее две функции с помощью новых конструктивных элементов выключателя (дополнительной скобы, роликовой опоры, подпружиненного фиксатора с профильной поверхностью), не имеет токопроводящего шарнирного соединения и не вносит дополнительных тепловых потерь в полюсе выключателя.
Таким образом, реализация автоматического выключателя в описанном конструктивном исполнении повышает его токоограничивающие свойства при отключении токов короткого замыкания, превышающих максимальный ток его электродинамической стойкости, позволяет по сравнению с прототипом повысить его предельную коммутационную способность и тем самым достичь декларируемого технического результата. При проведении патентного поиска технических решений со сходными с заявляемыми существенными отличительными признаками не обнаружено. Следовательно, описанный автоматический выключатель обладает элементами новизны.
Предлагаемая конструкция автоматического выключателя показана на чертежах фиг.1-5.
На фиг.1 изображен один из полюсов выключателя во включенном состоянии. На фиг.2 изображен разрез А-А сборки несущей и дополнительной скоб, контактодержателя и роликовой опоры. Фиг.3 показывает промежуточное положение подвижного контактодержателя после фиксации его отброса до срабатывания механизма свободного расцепления, а фиг.4 - конечное положение подвижного контактодержателя после срабатывания механизма свободного расцепления. На фиг.5 изображен полюс выключателя с разомкнутыми контактами после перевода рукоятки выключателя из положения «Выключено автоматически» в положение «Взведено».
Выключатель содержит установленные в корпусе 1 верхний 2 и нижний 3 выводы, несущую скобу 4, вращающуюся на осях 5 (см. на фиг.2) опоры 6. На несущей скобе с помощью оси 7 шарнирно закреплена дополнительная скоба 8, а на верхнем конце дополнительной скобы на оси 9 закреплен шарнирно подвижный контактодержатель 10, соединенный посредством гибкой связи 11 с нижним выводом 3. В подвижный контактодержатель 10 вставлена ось 12, а в дополнительной скобе с двух сторон выполнены сквозные эллипсные отверстия 13. При вращении вокруг оси 9 контактодержатель осью 12 свободно перемещается в эллипсных отверстиях 13 с зазорами. Зазоры вдоль длинной оси эллипсных отверстий 13 необходимы для обеспечения провала, компенсирующего износ контактов 14, 15 и технологический разброс изготовления деталей. Усилие нажатия на контакты создается пружиной 16, один конец которой закреплен на контактодержателе через ось 12, а второй - на несущей скобе 4. Вывод 3, гибкая связь 11 и подвижный контактодержатель 10 образуют электродинамическое устройство компенсации сил отброса, действующих между контактами 14 и 15. Несущие скобы 4 каждого полюса выключателя соединены изолированной траверсой 17. На нижнем конце дополнительной скобы 8 на оси 18 установлена роликовая опора 19, которая своей цилиндрической поверхностью контактирует с профильной поверхностью 20 фиксатора 21. При этом геометрически оси вращения 5 несущей скобы 4 и ось вращения 18 роликовой опоры 19 совпадают и расположены на одной линии, см. фиг.2. Профильная поверхность 20 образована двумя радиусными, правой и левой впадинами. Обе впадины выполнены касательно к окружности радиуса R с центром, совпадающим с центром оси 7, и сопряжены между собой округлением на расстоянии, определяемом радиусом r. Фиксатор 21 подпружинен пружиной 22 и смонтирован шарнирно на оси 23 в опоре 24 с возможностью взаимодействия при вращении вокруг оси 23 с отключающей рейкой 25 классического рычажно-защелочного механизма свободного расцепления 26. Пружина 22 усилием Fф создает на дополнительной скобе 8 момент, препятствующий повороту скобы 8 относительно оси 7 по часовой стрелке при токах короткого замыкания меньших, чем ток электродинамической устойчивости выключателя, и разрешающий этот поворот (отброс контактодержателя 10 с дополнительной скобой 8) при токах короткого замыкания больших, чем ток электродинамической устойчивости выключателя. Усилием Fф устанавливают пороговую величину тока короткого замыкания, после превышения которой начинается процесс разведения контактов без участия механизма свободного расцепления под действием электродинамической силы отброса Fк, электродинамической силы компенсатора Fэ и усилия пружины нажатия Fп. В механизме отключающая рейка 25 подпружинена пружиной вращения (не показана), создающей на рейке вращающий момент Мпр, направленный против часовой стрелки. Отключающая рейка 25 также взаимодействует с расцепителем аварийного отключения 27. Механизм свободного расцепления приводит в движение несущую скобу 4 посредством перемещения траверсы 17 по траектории с центром вращения, совпадающим с осями 5. Выключатель снабжен толкателем 28, смонтированным на ползуне 29 с возможностью воздействия на дополнительную скобу 8 после автоматического отключения токов короткого замыкания больших, чем ток электродинамической стойкости, см. фиг.4. Ползун 29 шарнирно соединен с рычагами 30 и 31. Рычаг 31 установлен на оси опоры 32 и кинематически связан с рукояткой 33 (связь не показана) внутри механизма свободного расцепления. Рукоятка 33 для оперирования выключателем может занимать три положения: I - «Включено»; II - «Отключено автоматически»; III - «Отключено» или «Взведено». При ручном оперировании рукоятка из нижнего положения III переводится в верхнее положение I и наоборот. При автоматическом отключении тока короткого замыкания отключающая рейка 25 освобождает расцепляющий рычаг 34, а рукоятка 33 автоматически занимает промежуточное положение II «Отключено автоматически». Для взведения механизма в состояние готовности к оперированию рукоятку необходимо перевести из положения II в положение III, при этом толкатель 28 осуществляет возвратно-поступательное движения из положения В в положение С и обратно, воздействуя на скобу 8. Обратное перемещение толкателя из положения С в положение В необходимо для исключения влияния толкателя на процесс автоматического отключения. При обратном перемещении толкателя из положения С в положение В расцепляющий рычаг 34 заводится снова в зацепление с отключающей рейкой 25, см. фиг.5.
Работает автоматический выключатель при токах короткого замыкания меньших, чем ток электродинамической стойкости, и при токах короткого замыкания больших, чем ток электродинамической стойкости, по-разному.
При токах короткого замыкания меньших, чем ток электродинамической стойкости выключателя, автоматическое отключение производится аварийным расцепителем 27. Требуемая электродинамическая стойкость контактной системы в зоне селективной работы выключателя обеспечивается выбором усилия Fп пружины 16, создающей нажатие на контакты, и конструктивных параметров U-образного токоведущего контура, образованного нижним выводом 3, гибкой связью 11 и контактодержателем 10. Электродинамическая сила Fэ, возникающая при протекании тока по U-образному контуру, стремится повернуть контактодержатель 10 относительно оси 9 против часовой стрелки и компенсировать силу отброса Fк, пытающуюся повернуть контактодержатель 10 относительно оси 9 по часовой стрелке. Необходимым условием обеспечения электродинамической стойкости контактной системы является постоянное превышение суммы вращающих моментов относительно оси 9 от действия сил Fп и Fэ над вращающим моментом относительно оси 9 от действия силы Fк. Это условие обеспечивается также соответствующим выбором положения оси 9 на контактодержателе 10. Как только ток короткого замыкания (в пределах зоны селективной работы) превысит уставку тока срабатывания расцепителя 27, электромагнит расцепителя своим якорем ударяет по отключающей рейке 25. Отключающая рейка, поворачиваясь по часовой стрелке, освобождает расцепляющий рычаг 34 и приводит в действие механизм свободного расцепления 26, который траверсой 17 поворачивает несущую скобу 4 вокруг оси 5 по часовой стрелке. Подпружиненный фиксатор 21 при этом остается неподвижным и пружина 22 поджимает его к роликовой опоре 19 профильной поверхностью 20 с усилием, не позволяющим дополнительной скобе 8 поворачиваться относительно оси 7. Так как дополнительная скоба 8 установлена через ось 7 на несущей скобе 4, а ось 18 роликовой опоры 19 совпадает с осью 5, см. фиг.2, то дополнительная скоба 8 с контактодержателем 10 повернется совместно с несущей скобой 4, разъединяя контакты 14 и 15.
При токах короткого замыкания больших, чем ток электродинамической стойкости (за пределами зоны селективной работы), автоматическое отключение происходит следующим образом. Как только суммарное значение вращающего момента от действия сил Fк, Fп и Fэ на дополнительной скобе 8 относительно оси 7 превысит значение момента сопротивления относительно этой же оси, создаваемого усилием поджатия Fф фиксатора 21 к цилиндрической поверхности роликовой опоры 19, начнется вращение скобы 8 совместно с контактодержателем 10 по часовой стрелке. При вращении вокруг оси 7 скоба 8 роликовой опорой 19 преодолевает наклонный подъем правой впадины профильной поверхности 20, отжимая подпружиненный фиксатор 21 на расстояние величиной R-r, см. фиг.1. При дальнейшем движении роликовая опора оказывается в левой впадине профильной поверхности, где она автоматически фиксируется путем поджатия фиксатора пружиной 22, см. фиг.3. Так происходит мгновенный отброс и фиксация дополнительной скобы и контактодержателя, а значит, быстрое размыкание контактов 14, 15 и ускоренное введение в цепь электрической дуги до срабатывания механизма свободного расцепления, что обеспечивает более эффективное, чем в прототипе токоограничение. При отжатии роликовой опорой 19 подпружиненного фиксатора 21 на расстояние R-r и повороте его вокруг оси 23 опоры 24 на угол, пропорциональный этому расстоянию, производится удар правым плечом фиксатора по отключающей рейке 25. Отключающая рейка, поворачиваясь по часовой стрелке, так же, как и при воздействии аварийного расцепителя, приводит в действие механизм свободного расцепления 26, который траверсой 17 поворачивает несущую скобу 4 вокруг оси 5 по часовой стрелке и завершает разведение контактов, см. фиг.4, на расстояние, достаточное для обеспечения электрической прочности межконтактного промежутка. Рукоятка 33 автоматически перемещается из положения I в положение II, сигнализируя об автоматическом отключении.
Для возврата роликовой опоры 19 дополнительной скобы 8 в правую впадину профильной поверхности фиксатора 21 рукоятку 33 переводят вниз из положения II в положение III, см. фиг.5. При переводе рукоятки рычаг 31, вращаясь на оси опоры 32 от положения D до положения Е и обратно из положения Е в положение D, посредством рычага 30 сообщает толкателю 28 возвратно-поступательное движение в направлении из положения В в положение С и обратно из положения С в положение В. Толкатель воздействует на скобу 8 и поворачивает ее вокруг оси 7 против часовой стрелки. Роликовая опора 19, преодолевая подъем левой впадины и отжимая фиксатор 21, попадает в правую впадину профильной поверхности фиксатора. Одновременно с обратным движением толкателя из положения С в положение В расцепляющий рычаг 34 заводится в зацепление с отключающей рейкой 25. Выключатель взведен и готов к операциям включения и отключения в ручном или автоматическом режиме.
Таким образом, предложенное техническое решение с новыми существенными отличительными признаками позволяет практически реализовать конструкцию селективного автоматического выключателя с достижением декларируемого технического результата. Дополнительная скоба с роликовой опорой, подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью и толкатель в описанной конструктивной взаимосвязи с узлами выключателя обеспечивают при токах короткого замыкания, превышающих ток электродинамической устойчивости, автоматическое переключение электродинамического устройства компенсации сил отброса, действующих между контактами выключателя, в режим работы электродинамического устройства ускоренного разведения контактов с фиксацией подвижного контактодержателя в отброшенном положении. Отброс и фиксация подвижного контактодержателя самими электродинамическими силами обеспечивают ускоренное введение в цепь электрической дуги за время существенно меньшее, чем в прототипе, так как на начало размыкания исключено влияние инерционного механизма свободного расцепления. Этим достигнут более высокий уровень токоограничения, а значит, и более высокая коммутационная способность селективного выключателя при отключении токов короткого замыкания, превышающих ток его электродинамической устойчивости. Предлагаемый выключатель по сравнению с прототипом может применяться в цепях с более высокими токами короткого замыкания. Он обеспечивает уменьшение разрушительного действия этих токов в коммутируемой цепи. Выключатель также отличают меньшие тепловые потери за счет исключения токопроводящего шарнирного соединения в электродинамическом компенсаторе.
Автоматический выключатель, содержащий закрепленные в корпусе нижний и верхний выводы, подвижный контактодержатель, соединенный гибкой связью с нижним выводом и размещенный в несущей скобе, имеющей ось вращения, пружину нажатия, установленную между контактодержателем и несущей скобой, электродинамическое устройство компенсации сил отброса контактов, выполненное в виде U-образного токоведущего контура, образованного нижним выводом, гибкой связью и контактодержателем, расщепитель аварийного отключения, механизм свободного расцепления, связанный траверсой с несущей скобой, а отключающей рейкой - с расцепителем аварийного отключения, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной скобой, роликовой опорой, подпружиненным фиксатором с профильной поверхностью и толкателем, кинематически связанным с механизмом свободного расцепления, причем дополнительная скоба шарнироно закреплена на несущей скобе, а подвижный контактодержатель шарнирно закреплен на верхнем конце дополнительной скобы, роликовая опора смонтирована на на нижнем конце дополнительной скобы с возможностью контактирования с профильной поверхностью подпружиненного фиксатора и таким образом, что оси вращения роликовой опоры и несущей скобы совпадают, подпружиненный фиксатор установлен на корпусе с возможностью взаимодействия с отключающей рейкой механизма свободного расцепления, а толкатель - с возможностью воздействия на дополнительную скобу.
