Автоматический выключатель
Изобретение относится к низковольтным автоматическим выключателям. Автоматический выключатель содержит подвижный контактодержатель с гибкой связью, шарнирно установленный в верхней части дополнительной скобы с роликовой опорой, несущую скобу, имеющую ось вращения, совпадающую с осью вращения роликовой опоры, а также подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью, контактирующей с роликовой опорой дополнительной скобы, электродинамическое устройство компенсации сил отброса контактов, индукционно-динамический расцепитель, состоящий из индуктора, штока и электропроводного немагнитного диска. Выключатель снабжен дополнительным фиксатором и U-образной ферромагнитной вставкой, а индуктор расцепителя выполнен в виде разрезанного по радиусу сквозным пазом цилиндрического кольца с параллельными торцами и с отводами от боковой цилиндрической поверхности. Дополнительный фиксатор подпружинен индивидуальной пружиной, установлен параллельно основному фиксатору на его же оси вращения и имеет такую же профильную поверхность для контактирования с роликовой опорой. Дополнительный фиксатор взаимодействует также с индукционно-динамическим расцепителем, на штоке которого напротив свободного торца цилиндрического кольца смонтирована ферромагнитная вставка. Технический результат заключается в повышении предельной коммутационной способности за счет токоограничения. 8 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 меду контактами выключателя.
Известны автоматические выключатели токов короткого замыкания с механизмом свободного расцепления и электродинамическим устройством для компенсации сил отброса, действующих между контактами. Такое устройство решает задачу обеспечения электродинамической устойчивости контактной системы в зоне селективной работы выключателя (см. описания изобретений к авторским свидетельствам SU №277915, H02D 73/00, 1970 г., №531214, Н01Н 77/10, 1976 г.). Электродинамические устройства имеют также исполнения для ускорения размыкания контактов и применяются в быстродействующих выключателях (см. книгу С.Дзежбицки, Е.Вальчук «Токоограничивающие выключатели переменного тока» - Л.: Энергоиздат, 1982, стр.31, рис.2.3). Двухпетлевые электродинамические устройства с успехом эксплуатируются в серийных выключателях, но они содержат в своем составе шарнирное соединение, которое увеличивает сопротивление полюса, ведет к потерям электроэнергии и повышению температуры нагрева деталей выключателя. Конструкция двухпетлевого электродинамического устройства содержит сложные детали из дорогостоящей меди, требует применения электропроводных смазок для шарнирного соединения, обеспечения стабильного усилия прижатия между деталями соединения. Электродинамические устройства селективных выключателей также имеют ограниченные возможности в части повышения отключающей способности при отключении токов короткого замыкания, превышающих верхнюю границу зоны селективности. Техническое решение конструкции выключателя с электродинамическим устройством по патенту на изобретение RU 2329560 C1, Н01Н 77/10, 2008 г., устраняет недостатки аналогов и не содержит шарнирного электропроводящего соединения, сложных медных материалоемких деталей двухпетлевого компенсатора. В указанном техническом решении накопленные электродинамическим устройством силы для компенсации сил отталкивания, возникающих между контактами, полностью используются и для ускоренного отключения токов короткого замыкания, превышающих значение тока электродинамической стойкости, в том числе и для фиксации подвижных контактов в отброшенном состоянии без участия механизма свободного расцепления.
Автоматический выключатель по патенту на изобретение RU 2329560 C1, Н01Н 77/10, 2008 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 с гибкой связью, шарнирно установленный в верхней части дополнительной скобы с роликовой опорой, несущую скобу, имеющую ось вращения, совпадающую с осью вращения роликовой опоры, 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, механизм свободного расцепления, связанный траверсой с несущей скобой, внутри которой шарнирно смонтирована дополнительная скоба, а также подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью, контактирующей с роликовой опорой дополнительной скобы и с отключающей рейкой механизма свободного расцепления. Благодаря дополнительной скобе с роликовой опорой, контактирующей роликом с профильной поверхностью подпружиненного фиксатора, и шарнирной установке дополнительной скобы в несущей скобе так, что оси вращения роликовой опоры и несущей скобы совпадают, в прототипе достигнуто высокое быстродействие предварительного разведения контактов с фиксацией подвижного контактодержателя в отброшенном состоянии до начала работы механизма свободного расцепления. Этим достигается более ранее введение электрической дуги в коммутируемую цепь, не ожидая срабатывания аварийного расцепителя и инерционного механизма свободного расцепления, что и обеспечивает прототипу более высокую отключающую способность с определенным уровнем токоограничения. Однако нетрудно заметить, что электродинамическое устройство также имеет ограничение по повышению быстродействия разведения контактов, так как оно реагирует на величину тока короткого замыкания в главной цепи выключателя, а не на скорость его нарастания. Определенного повышения быстродействия отключения можно было бы достичь использованием идукционно-динамических сил, возникающих при быстром нарастании тока короткого замыкания в контуре главной цепи. Но в прототипе конструктивные элементы, создающие индукционно-динамическую силу и направляющие эту силу на размыкание контактов, не предусмотрены.
Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в повышении предельной коммутационной способности автоматического выключателя при отключении токов, превышающих ток электродинамической устойчивости контактной системы, за счет совместного воздействия на размыкаемые контакты электродинамических и индукционно-динамических сил, создаваемых в главной цепи выключателя.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматический выключатель, содержащий закрепленные в корпусе нижний и верхний выводы, подвижный контактодержатель с гибкой связью, шарнирно установленный в верхней части дополнительной скобы с роликовой опорой, несущую скобу, имеющую ось вращения, совпадающую с осью вращения роликовой опоры, 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, индукционно-динамический расцепитель, состоящий из индуктора, подпружиненного штока и электропроводного немагнитного диска, механизм свободного расцепления, связанный траверсой с несущей скобой, внутри которой шарнирно смонтирована дополнительная скоба, а также подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью, контактирующий с отключающей рейкой механизма свободного расцепления и с роликовой опорой дополнительной скобы, снабжен дополнительным фиксатором и U-образной ферромагнитной вставкой, а индуктор расцепителя выполнен в виде цилиндрического кольца с параллельными торцами, разрезанного по радиусу сквозным пазом, причем дополнительный фиксатор подпружинен индивидуальной пружиной, установлен параллельно основному фиксатору на его же оси вращения и имеет такую же профильную поверхность для контактирования с роликовой опорой и возможность взаимодействия одним своим плечом с рейкой механизма свободного расцепления и вторым - со штоком индукционно-динамического расцепителя, а кольцо индуктора оснащено двумя отводами от его наружной цилиндрической поверхности по обе стороны от сквозного паза, при этом кольцо закреплено в корпусе выключателя первым торцом перед электропроводным немагнитным диском и первым отводом соединено с внутренним концом нижнего вывода, вторым отводом - с гибкой связью контактодержателя, U-образная ферромагнитная вставка смонтирована на штоке напротив второго торца цилиндрического кольца таким образом, что величина зазора между ферромагнитной вставкой и вторым торцом кольца не меньше величины хода дополнительного фиксатора в направлении оси штока под воздействием усилия электродинамического устройства, кроме этого величина усилия индивидуальной пружины дополнительного фиксатора в сумме с величиной усилия пружины основного фиксатора равна величине усилия уставки электродинамического устройства.
Снабжение выключателя индуктором, выполненным в виде цилиндрического кольца с параллельными торцами, разрезанного по радиусу сквозным пазом, оснащение кольца двумя отводами от его наружной цилиндрической поверхности по обе стороны от сквозного паза, закрепление кольца в корпусе выключателя первым торцом перед электропроводным немагнитным диском и соединение кольца первым отводом с внутренним концом нижнего вывода, а вторым отводом - с гибкой связью контактодержателя позволило реализовать индукционно-динамический механизм с непосредственным включением его индуктора в главную цепь выключателя. Для суммирования во времени усилия индукционно-динамического механизма с усилием электродинамического устройства выключатель снабжен дополнительным фиксатором, который работает аналогично основному с той лишь разницей, что он подпружинен индивидуальной пружиной и взаимодействует со штоком индукционно-динамического механизма. Величина усилия индивидуальной пружины дополнительного фиксатора и величина усилия пружины основного фиксатора в сумме равна усилию уставки электродинамического устройства. Усилие уставки соответствует требуемому току электродинамической устойчивости контактной системы. Для увеличения усилия воздействия индукционно-динамического механизма в направлении штока в выключатель введена U-образная ферромагнитная вставка, которая смонтирована на штоке напротив второго торца цилиндрического кольца. Величина зазора между U-образной ферромагнитной вставкой и вторым торцом кольца выбрана не меньше величины хода дополнительного фиксатора в направлении оси штока под воздействием усилия электродинамического устройства. Этим обеспечено гарантированное отведение профильной поверхности дополнительного фиксатора от роликовой опоры дополнительной скобы при срабатывании индукционно-динамического механизма. При прохождении быстро нарастающего тока короткого замыкания по одновитковому индуктору, которым является кольцо с отводами, в электропроводном диске индуцируются токи, поле которых, взаимодействуя с полем основного тока, создает импульс силы, величина которого пропорциональна скорости нарастания тока, геометрическим размерам кольца и диска, электропроводности материала диска и зазору между диском и торцом кольца. Импульс силы отбрасывает электропроводный диск от первого торца кольца и приближает к противоположному второму торцу U-образную ферромагнитную вставку. Ферромагнитная вставка, взаимодействуя с полем тока, протекающего по кольцу, при приближении ко второму торцу притягивается к кольцу и увеличивает усилие на штоке. Суммарное усилие шток индуктора передает дополнительному фиксатору. Дополнительный фиксатор отключает действие своей индивидуальной пружины на роликовую опору дополнительной скобы. В результате уменьшения суммарного усилия, действующего на роликовую опору, на величину усилия индивидуальной пружины усилие уставки электродинамического устройства уменьшается. Электродинамическое устройство начинает срабатывать, не ожидая достижения током короткого замыкания величины тока уставки. Благодаря более раннему срабатыванию индукционно-динамического механизма раньше срабатывает и электродинамическое устройство. Кроме того, раньше вступает в расцепление и механизм свободного расцепления, так как дополнительный фиксатор, связанный одним свом плечом со штоком индукционно-динамического механизма, воздействует другим плечом на расцепляющую рейку механизма свободного расцепления. Более раннее, по сравнению с применением только одного электродинамического устройства, размыкание контактов с реагированием на скорость нарастания тока короткого замыкания, приводит к более раннему введению электрической дуги в межконтакный промежуток выключателя, ускоренному перемещению и гашению дуги в дугогасительной камере, что повышает отключающую способность выключателя и улучшает его токоограничивающие свойства.
Таким образом, реализация автоматического выключателя в описанном конструктивном исполнении позволяет благодаря реагированию на скорость нарастания тока короткого замыкания (производную от величины тока) начать процесс размыкания контактов раньше, чем величина тока короткого замыкания достигнет величины тока электродинамической стойкости контактной системы. Введенные отличительные конструктивные элементы в описанных взаимосвязях повышают по сравнению с прототипом отключающую способность и токоограничивающие свойства заявляемого автоматического выключателя при отключении токов короткого замыкания, превышающих максимальный ток его электродинамической стойкости, и тем самым обеспечивают достижение 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 фиг.1-8.
На фиг.1 представлен аксонометрический вид внутреннего устройства полюса предлагаемого выключателя во включенном состоянии. На фиг.2 изображен разрез, проходящий через вертикальную плоскость симметрии полюса и сборку индукционно-динамического механизма с кольцом и U-образной ферромагнитной вставкой, а также через дополнительный фиксатор, несущую и дополнительную скобы, контактодержатель и роликовую опору. Фиг.3 представляет собой аксонометрическое изображение индукционно-динамического механизма с индуктором в виде кольца и с введенной U-образной ферромагнитной вставкой. Фиг.4 раскрывает взаимодействие основного и дополнительного фиксаторов с роликовой опорой дополнительной скобы в сечении, проходящем через общую ось вращения несущей скобы и роликовой опоры. Фиг.5 показывает положение дополнительного фиксатора и рейки механизма свободного расцепления после срабатывания индукционно-динамического механизма, а фиг.6 - положение подвижного контактодержателя, зафиксированного фиксаторами после срабатывания электродинамического устройства. На фиг.7 изображен полюс выключателя после срабатывания механизма свободного расцепления и ручного взвода рукоятки в положение «Взведено». Графики на фиг.8 показывают зависимости усилий, развиваемых немагнитным диском и ферромагнитной вставкой, от величины перемещения.
Выключатель содержит установленные в корпусе 1 верхний 2 и нижний 3 выводы, несущую скобу 4, вращающуюся на осях 5 (см. на фиг.1 и фиг.4) кронштейна 6. На несущей скобе 4 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 через индукционно-динамический механизм 12 с нижним выводом 3. В подвижный контактодержатель 10 вставлена ось 13 (см. на фиг.2 и фиг.4), в дополнительной скобе 8 выполнено окно 14, на несущей скобе закреплен зацеп 15, а между осью 13 и зацепом установлена пружина 16, создающая усилие нажатия на контакты 17, 18. Для обеспечения провала, компенсирующего износ контактов 17, 18 и технологический разброс изготовления деталей, в дополнительной скобе 8 предусмотрены пазы 19. Величина требуемого провала обеспечивается зазором между краями пазов 19 и осью 13. Вывод 3, гибкая связь 11 и подвижный контактодержатель 10 образуют электродинамическое устройство компенсации сил отброса, действующих между контактами 17 и 18. Несущая скоба 4 соединена изолированной траверсой 20 с механизмом свободного расцепления 21. Перемещение траверсы 20, а следовательно, и вращение несущей скобы 4 на осях 5, производится механизмом свободного расцепления 21 в ручном режиме рукояткой 22, а в автоматическом режиме при срабатывании электронного расцепителя при достижении током короткого замыкания запрограммированных токовых уставок, не превышающих значение тока электродинамической стойкости контактной системы. Расцепитель и его исполнительный электромагнит, поворачивающий по часовой стрелке расцепляющую рейку 23 механизма свободного расцепления 21, на чертежах не показаны. На нижнем конце дополнительной скобы 8 (см. фиг.4) установлена вращающаяся на оси 24 роликовая опора 25. На оси 26 (см. фиг.1 и фиг.2) кронштейна 6 установлены с возможностью вращения основной 27 и дополнительный 28 фиксаторы с одинаковыми профильными поверхностями 29. Профильные поверхности 29 образованы двумя радиусными, правой и левой, впадинами. Для симметричности конструкции и равномерного распределения усилий основной фиксатор 27 разделен на две одинаковые части (см. фиг.4), между которыми смонтирован дополнительный фиксатор 28. Дополнительный фиксатор подпружинен индивидуальной пружиной 30, а основной фиксатор, в связи с делением его на две части, - двумя пружинами 31. Пружины 30, 31 поджимают фиксаторы профильными поверхностями 29 к роликовой опоре 25. Основной 27 и дополнительный 28 фиксаторы правыми плечами (см. фиг.1 и фиг.2) контактируют с расцепляющей рейкой 23 механизма свободного расцепления 21. Левое плечо основного фиксатора 27 (обеих его частей) укорочено, а левое плечо дополнительного фиксатора 28 выполнено, наоборот, удлиненным. В разрыв между внутренним концом 32 нижнего вывода 3 (см. фиг.1 и фиг.2) и гибкой связью 11 электрически подсоединено цилиндрическое кольцо 33. Кольцо 33 (см. фиг.3) выполнено с параллельными торцами 34, 35 и разрезано по радиусу сквозным пазом 36. Кольцо оснащено также двумя отводами 37, 38, отходящими от наружной цилиндрической поверхности 39 кольца по обе стороны паза 36. Отводом 37 кольцо соединено с внутренним концом 32 нижнего вывода 3, а отводом 38 - с концом гибкой связи 11. Механически кольцо 33 закреплено в пластмассовом корпусе 1 выключателя с помощью промежуточного корпуса 40 своей наружной цилиндрической поверхностью. Разрезанное пазом 36 кольцо 33, включенное отводами 37, 38 в контур главной цепи выключателя, является одновитковым индуктором индукционно-динамического механизма 12. Для уменьшения электрических потерь в выключателе сечение цилиндрического кольца выбирается сравнимым с сечением главной цепи выключателя. Внутри кольца размещен подпружиненный пружиной 41 шток 42, на нижнем конце которого закреплен немагнитный электропроводный диск 43. Торец 34 кольца 33 плоский и расположен параллельно немагнитному электропроводному диску 43. Для исключения электрического контакта между торцом 34 кольца и поверхностью диска 43 на поверхности диска установлена прокладка 44 из электроизоляционного материала. Кольцо 33, подпружиненный пружиной 41 шток 42 с немагнитным электропроводным диском 43 и прокладкой 44 составляют конструкцию индукционно-динамического механизма 12, взаимодействующего штоком 42 с левым удлиненным плечом дополнительного фиксатора 28. Для увеличения импульса силы индукционно-динамического механизма на верхнем конце штока 42 напротив торца 35 и параллельно торцу смонтирована U-образная ферромагнитная вставка 45 таким образом, что величина зазора δ между ферромагнитной вставкой и торцом 35 кольца 33 не меньше величины хода β (см. фиг.6) дополнительного фиксатора 28 в направлении оси штока 42 при перемещении роликовой опоры 25 из правой радиусной впадины профильной поверхности 29 в левую впадину под воздействием усилий электродинамического устройства. Выполнение условия δ≥β необходимо для гарантированного отключения воздействия усилия индивидуальной пружины 30 через дополнительный фиксатор 28 на роликовую опору 25. U-образная форма (в виде разомкнутого кольца) ферромагнитной вставки 45 выбрана для того, чтобы исключить возникновение кольцевых индукционных токов во вставке, которые бы привели к возникновению тормозящих индукционно-динамических сил. Ферромагнитная вставка, взаимодействуя с током главной цепи, проходящим через кольцевой виток 33, развивает усилие, направленное на притяжение вставки к торцу 35, т.е. усиливает индукционно-динамический импульс отталкивания от торца 34, возникающий в немагнитном диске 43. Суммарное усилие на штоке 42 от действия отталкивающей индукционно-динамической силы, возникающей в немагнитном диске 43, и от действия силы притяжения ферромагнитной вставки 45 к проводнику с током прикладывается к левому удлиненному плечу дополнительного фиксатора 28 (см. фиг.5). Сумма усилий двух пружин 31 основного фиксатора 27 и индивидуальной пружины 30 дополнительного фиксатора 28 выбирается равной усилию Fф уставки, соответствующей заданному току электродинамической стойкости контактной системы. Усилие индивидуальной пружины 30 при этом должно быть выбрано таким, чтобы индукционно-динамический импульс силы (при заданных размерах конструкции индукционно-динамического механизма 12 и выбранной скорости нарастания тока) совместно с подключаемым несколько позже усилием притяжения ферромагнитной вставки 45 смогли отвести профильную поверхность 29 дополнительного фиксатора 28 от роликовой опоры 25 на величину, соответствующую ходу β. Выключатель имеет дугогасительную камеру 46, внутри которой перемещается подвижный контакт 18.
Работает автоматический выключатель следующим образом.
При отключении токов короткого замыкания, меньших, чем ток электродинамической стойкости контактной системы, (т.е. при отключении токов, меньших тока верхней границы зоны селективности), его работа не отличается от работы обычного селективного выключателя. При этом механизм свободного расцепления срабатывает под действием исполнительного электромагнита, который поворачивает расцепляющую рейку 23 по часовой стрелке. Отключающий сигнал на исполнительный электромагнит выдает электронный расцепитель, реагирующий на величину тока короткого замыкания, поступающего от датчиков тока, и сравнивающий его с запрограммированной в расцепителе токовой уставкой. В силу общей известности этой части выключателя механизм свободного расцепления, исполнительный электромагнит, электронный расцепитель и датчики тока на чертежах не изображены. При срабатывании механизма свободного расцепления 21 от электронного расцепителя и при ручном оперировании за рукоятку 22 несущая скоба совместно с дополнительной скобой вращаются на осях 5 и оси 24 роликовой опоры 25 под действием усилия механизма свободного расцепления, передаваемого через траверсу 20. Электродинамическое устройство, образованное нижним выводом 3, кольцом 33, гибкой связью 11 и контактодержателем 10, путем взаимодействия токов, протекающих в разных направлениях, создает на нижнем плече контактодержателя 10 усилие Fэ (фиг2). Электродинамическое устройство рассчитано так, что момент силы Fэ на нижнем плече контактодержателя 10 относительно оси вращения 9 совместно с моментом силы Fп пружины нажатия 16 всегда компенсирует момент от воздействия суммарной силы Fк межконтактного отталкивания (силы за счет сужения линий тока и петлевые силы). Три силы Fк, Fэ, Fп через ось 9, закрепленную в верхней части дополнительной скобы 8, создают на этой скобе относительно оси 7, неподвижно закрепленной в несущей скобе 4, момент сил, который уравновешивается моментом от действия на роликовую опору 25 суммарного усилия Fф двух пружин 31 основного фиксатора 27 и индивидуальной пружины 30 дополнительного фиксатора 28. Усилие Fф является усилием, определяющим требуемый ток электродинамической стойкости контактной системы, т.е. ток верхней границы зоны селективной работы выключателя. При отключении токов короткого замыкания, не превышающих ток электродинамической стойкости, роликовая опора 25 находится в правой радиусной впадине профильной поверхности 29, и электродинамическое устройство не оказывает ускоряющего влияния на размыкание контактов. Также не реагирует на токи короткого замыкания, величина которых находится в пределах зоны селективной работы, и индукционно-динамический механизм 12. Параметры индукционно-динамического механизма выбраны таким образом, что он срабатывает только при тех скоростях нарастания тока, при которых ток достигнет величины, превышающей ток электродинамической стойкости контактной системы.
При отключении токов короткого замыкания, больших, чем ток электродинамической стойкости контактной системы, автоматический выключатель работает в следующей последовательности. В случае симметричного тока, как только его величина превысит пороговое значение токовой уставки, определяемое суммарным усилием Fф пружин 30, 31, вращающий момент от действия суммы трех сил Fк, Fэ, Fп относительно оси 7 повернет дополнительную скобу 8 по часовой стрелке вокруг оси 7 и переместит роликовую опору 25 из правой радиусной впадины одинаковых профильных поверхностей 29 основного 27 и дополнительного 28 фиксаторов в левую. Происходит мгновенное размыкание контактов 17, 18 с фиксацией подвижного контактодержателя 10 в крайнем отброшенном состоянии (см. фиг.6). При перемещении роликовой опоры из правой впадины в левую все фиксаторы, поворачиваясь против часовой стрелки на оси 26, воздействуют своими правыми плечами на расцепляющую рейку 23 и, не ожидая срабатывания исполнительного электромагнита электронного расцепителя, запускают срабатывание механизма свободного расцепления.
Повышение быстродействия отключения быстро нарастающих токов короткого замыкания с апериодической составляющей (ударных токов) достигается срабатыванием индукционно-динамического механизма 12, в котором индуктор включен непосредственно в главную цепь выключателя и выполнен для уменьшения активного и индуктивного сопротивлений (для уменьшения тепловых потерь и повышения быстродействия) в виде одного витка, представляющего собой разрезанное пазом цилиндрическое кольцо 33 с плоскими торцами 34, 35 и отводами 37, 38 от боковой цилиндрической поверхности. Протекающий по витку кольца 33 быстро нарастающий ток короткого замыкания, скорость нарастания которого не меньше скорости, на которую откалиброван механизм 12, индуцирует в немагнитном диске 43 токи. Поле индуцированных токов, взаимодействуя с полем тока кольца 33, создает в диске 43 импульс индукционно-динамической силы. Этот импульс отбрасывает немагнитный диск 43 (см. фиг.5) значительным начальным усилием вниз и ударяет концом штока 42 по левому удлиненному плечу дополнительного фиксатора 28. Дополнительный фиксатор 28, вращаясь на оси 26 независимо от основного фиксатора 27, ударяет по расцепляющей рейке 23 механизма свободного расцепления 21 раньше, чем это сделает исполнительный электромагнит по сигналу от электронного расцепителя. Одновременно с поворотом дополнительного фиксатора 28 происходит отключение действия индивидуальной пружины 30 на роликовую опору 25 дополнительной скобы 8. Это означает, что опорное усилие Fф, которое определяет предельное значение токовой уставки, уменьшено на величину усилия индивидуальной пружины 30. (Это эквивалентно уменьшению самой токовой уставки). Благодаря ускоренному срабатыванию индукционно-динамического механизма 12, реагирующему на скорость нарастания тока, а не на его величину, происходит автоматическое снижение тока срабатывания электродинамического устройства. Таким образом, электродинамическое устройство, не ожидая достижения током короткого замыкания величины тока уставки (определяемого усилием Fф), произведет раньше автоматический отброс контактодержателя 10 с дополнительной скобой и фиксацию роликовой опоры 25 в левой впадине профильной поверхности 29. То есть размыкание контактов 17, 18 произойдет с упреждением того момента, когда ток короткого замыкания все равно бы достиг величины токовой уставки электродинамического устройства, определяемой усилием Fф. Очевидно, что электродинамическое устройство в режим отброса контактодержателя 10 можно вводить тем раньше, чем большее усилие будет иметь отключаемая индивидуальная пружина 30 дополнительного фиксатора 28, так как на величину этого усилия уменьшается усилие уставки Fф. Однако для отключения более сильной пружины потребуется и более мощный индукционно-динамический импульс. Как известно (см. книгу Л.Н.Карпенко. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. - «Энергия», Ленинградское отделение, 1973, стр.10 и рис.2-3 на стр.24), индукционно-динамическая сила максимальна в начале движения немагнитного диска и резко уменьшается в конце движения, что при заданных габаритах индукционно-динамического механизма ограничивает выбираемое усилие индивидуальной пружины. Для выполнения работы по перемещению дополнительного фиксатора 28 на величину хода β при увеличении усилия индивидуальной пружины 30 требуется дополнительная энергия. Ее добавляет U-образная ферромагнитная вставка 45, смонтированная на противоположном конце штока 42. При нарастании тока короткого замыкания и при отбросе немагнитного диска 43 зазор δ между ферромагнитной вставкой 45 и торцом 35 кольца 33 быстро уменьшается, а сила притяжения вставки 45 к торцу 35 кольца увеличивается, компенсируя уменьшение индукционно-динамической силы. В результате энергия штока увеличивается, и он способен преодолеть большее усилие индивидуальной пружины 30 при перемещении дополнительного фиксатора 28 на величину хода β. На графике (см. фиг.8), построенном по экспериментальным данным для одного из вариантов конструкции для несимметричного тока короткого замыкания больше 20 кА, приведены зависимости развиваемых усилий F от пройденного пути S в начале движения штока. Усилиям, создаваемым немагнитным электропроводным диском (индукционно-динамическим силам), соответствует кривая 1, а силам, создаваемым ферромагнитной вставкой, - кривая 2. Суммарную силу на штоке показывает кривая 3. Экспериментальные кривые подтверждают эффективность введения U-образной ферромагнитной вставки 45 и совместного силового действия этой вставки с немагнитным диском 43. Следовательно, взаимодействующая с кольцом 33 U-образная ферромагнитная вставка 45 совместно с дополнительным фиксатором 28 и его индивидуальной пружиной 30 способствует и более быстрому срабатыванию механизма свободного расцепления 21 (воздействуя совместно с немагнитным диском 43 посредством штока 42 через дополнительный фиксатор 28 на расцепляющую рейку 23), и более быстрому срабатыванию электродинамического устройства, посредством ускоренного (пропорционального скорости нарастания тока) уменьшения опорного усилия Fф на величину усилия индивидуальной пружины. После срабатывания механизма свободного расцепления 21 возврат роликовой опоры 25 в исходное состояние осуществляется при перемещении рукоятки 22 в положение «Взведено», см. фиг.7.
Таким образом, предложенное техническое решение с новыми существенными отличительными признаками позволяет практически реализовать конструкцию селективного автоматического выключателя с достижением декларируемого технического результата. Вновь введенные конструктивные элементы, а именно дополнительный фиксатор с индивидуальной пружиной, U-образная ферромагнитная вставка, выполнение индуктора в виде разрезанного по радиусу цилиндрического кольца с параллельными торцами и отводами от цилиндрической поверхности в описанной взаимосвязи между собой и с другими деталями выключателя, обеспечивают при токах короткого замыкания, превышающих ток электродинамической устойчивости, более ускоренное по сравнению с прототипом 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. Кроме того, одновременно обеспечивается и более раннее, пропорциональное скорости роста тока короткого замыкания (производной от величины тока), срабатывание механизма свободного расцепления. Ускоренным размыканием контактов и введением в цепь электрической дуги за время, меньшее, чем в прототипе, достигнут более высокий уровень токоограничения, а значит, и более высокая коммутационная способность селективного выключателя при отключении токов короткого замыкания, превышающих ток его электродинамической устойчивости.
Автоматический выключатель, содержащий закрепленные в корпусе нижний и верхний выводы, подвижный контактодержатель с гибкой связью, шарнирно установленный в верхней части дополнительной скобы с роликовой опорой, несущую скобу, имеющую ось вращения, совпадающую с осью вращения роликовой опоры, 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, индукционно-динамический расщепитель, состоящий из индуктора, подпружиненного штока и электропроводного немагнитного диска, механизм свободного расцепления, связанный траверсой с несущей скобой, внутри которой шарнирно смонтирована дополнительная скоба, а также подпружиненный фиксатор с профильной поверхностью, контактирующий с роликовой опорой дополнительной скобы и с отключающей рейкой механизма свободного расцепления, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным фиксатором и U-образной ферромагнитной вставкой, а индуктор расцепителя выполнен в виде цилиндрического кольца с параллельными торцами, разрезанного по радиусу сквозным пазом, причем дополнительный фиксатор подпружинен индивидуальной пружиной, установлен параллельно основному фиксатору на его же оси вращения и имеет такую же профильную поверхность для контактирования с роликовой опорой и возможность взаимодействия одним своим плечом с рейкой механизма свободного расцепления и вторым - со штоком индукционно-динамического расцепителя, а кольцо индуктора оснащено двумя отводами от его наружной цилиндрической поверхности по обе стороны от сквозного паза, при этом кольцо закреплено в корпусе выключателя первым торцом перед электропроводным немагнитным диском и первым отводом соединено с внутренним концом нижнего вывода, вторым отводом - с гибкой связью контактодержателя, U-образная ферромагнитная вставка смонтирована на штоке напротив второго торца цилиндрического кольца таким образом, что величина зазора между ферромагнитной вставкой и вторым торцом кольца не меньше величины хода дополнительного фиксатора в направлении оси штока, кроме этого величина усилия индивидуальной пружины дополнительного фиксатора в сумме с величиной усилия пружины основного фиксатора равна величине усилия уставки электродинамического устройства.
