RU2345435C1

RU2345435C1 - Current-limiting automatic circuit breaker

Info

Publication number: RU2345435C1
Application number: RU2007139344/09A
Authority: RU
Inventors: Вадим Семенович Клементьев (RU); Вадим Семенович Клементьев; Алексей Савельевич Топчий (RU); Алексей Савельевич Топчий; Владимир Валерьевич Агафонов (RU); Владимир Валерьевич Агафонов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Контактор"
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-01-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and particularly to low-voltage instrument-making industry. The main and additional rotary bridges are installed in the circuit breaker inside the rotary drum groove on the axis of the main bridge. It is installed so that it can make reciprocal movements along the axis under electro-dynamic attracting force. The circuit breaker is provided with compact fast-acting mechanisms to disconnect pressure springs, which are actuated when contacts are opened under electro-dynamic force due to moving bridges. Each mechanism is installed as a unit in a drum pocket consisting of a running cup, support roller provided with stop flat, insertions and retainer pin. The stop flat contacts with bridge shoulder. There is a pressure spring between the above insertions. In addition the circuit breaker is ensured with limiting pins. Compensating openings are made in each shoulder of rotary bridges opposite to each other. The limiting pins are inserted into compensating openings of the rotary bridges and linked with the above openings by retraction springs hooks. The other hooks are fixed to retainer pins.

EFFECT: improved current-limiting properties when short circuit currents are disconnected.

9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к низковольтному аппаратостроению, в частности, к автоматическим выключателям с двухразрывной контактной системой в виде поворотного контактного мостика, используемым для быстродействующей защиты от токов короткого замыкания с токоограничением.The present invention relates to electrical engineering, namely to low-voltage apparatus engineering, in particular, to circuit breakers with a two-burst contact system in the form of a rotary contact bridge, used for high-speed protection against short-circuit currents with current limitation.

Известны быстродействующие автоматические выключатели, отключающие токи короткого замыкания с различным коэффициентом токограничения, принцип работы которых основан на ускоренном электродинамическом разведении контактов при возникновении больших аварийных токов и быстром (за время значительно меньшее 5 мс) введении в разрываемую цепь большого сопротивления в виде электрической дуги, образующейся между размыкаемыми контактами (см. книгу С.Дзежбицки, Е.Вальчук Токоограничивающие выключатели переменного тока. - Ленинград, Энергоиздат, 1982, стр.58, рис.3-8; стр.60-61, рис.3-10 и рис.3-11). Ускоренному размыканию контактов всегда противодействуют усилия пружин нажатия и возможность возврата контактов в первоначальное положение после принудительного размыкания электродинамическими силами. Для уменьшения влияния пружин нажатия применяют устройства ослабления их усилий непосредственно перед прекращением соприкосновения контактов, а для обеспечения невозможности возврата контактов применяют механизм блокировки обратного движения контактов после их размыкания.Known are high-speed circuit breakers that turn off short-circuit currents with different current limiting coefficients, the principle of operation of which is based on accelerated electrodynamic separation of contacts when large emergency currents occur and fast (in a time much shorter than 5 ms) introducing a large resistance into an open circuit in the form of an electric arc formed between open contacts (see book S. Dzierzbicki, E. Valchuk Current-limiting AC circuit breakers. - Leningrad, Power Publishing House , 1982, p. 58, fig. 3-8; p. 60-61, fig. 3-10 and fig. 3-11). The accelerated opening of the contacts is always counteracted by the efforts of the pressing springs and the ability to return the contacts to their original position after the forced opening by electrodynamic forces. To reduce the influence of the pressing springs, weakening devices are used immediately prior to the termination of contact of the contacts, and to ensure the impossibility of returning the contacts, a mechanism is used to block the reverse movement of the contacts after they are opened.

Кинематическая схема устройства ослабления усилия пружины нажатия непосредственно перед прекращением соприкосновения контактов, примененная в выключателях типа MY, приведена на рис.2-8, стр.35 в упомянутой выше книге авторов С.Дзежбицки, Е.Вальчук. Конструкция такого устройства содержит сложный четырехзвенный механизм и требует для его размещения увеличения габаритов выключателя, а для срабатывания устройства при средних токах короткого замыкания необходим достаточно мощный и быстродействующий отключающий электромагнит. Необходимость в электромагните обусловлена недостаточным электродинамическим усилием отталкивания, развиваемым между подвижным и неподвижным контактодержателями при средних токах короткого замыкания из-за малой длины контактодержателей (увеличение длины ведет к увеличению момента инерции контактодержателя пропорционально квадрату этой длины), из-за конечности начального воздушного зазора между контактодержателями и из-за резкого увеличении воздушного зазора при отбросе контактов (усилие отталкивания обратно пропорционально величине этого зазора). Несмотря на эффективность описанного устройства, применение его в малогабаритных выключателях с двухразрывной контактной системой с поворотным контактным мостиком невозможно из-за сложности и громоздкости конструкции.The kinematic diagram of the device for easing the force of the spring of pressing immediately before the termination of contact contact, used in the MY type switches, is shown in Fig. 2-8, p. 35 in the above-mentioned book of the authors S. Dzierzycki, E. Valchuk. The design of such a device contains a complex four-link mechanism and requires an increase in the size of the circuit breaker to accommodate it, and a sufficiently powerful and high-speed disconnecting electromagnet is necessary for the device to operate at medium short-circuit currents. The need for an electromagnet is due to the insufficient electrodynamic repulsive force developed between the movable and stationary contact holders at medium short circuit currents due to the short length of the contact holders (an increase in length leads to an increase in the moment of inertia of the contact holder in proportion to the square of this length), due to the finiteness of the initial air gap between the contact holders and due to a sharp increase in the air gap when the contacts are rejected (the repulsive force is inversely proportional to Ichin this gap). Despite the effectiveness of the described device, its use in small circuit breakers with a two-burst contact system with a rotary contact bridge is impossible due to the complexity and cumbersome design.

Кинематическая схема механизма блокировки обратного движения контактов после их размыкания и его работа в выключателях типа L фирмы Фудзи Электрик (механизм SS) показаны на рисунках 2-11, стр.39 и 3-11, стр.61 в названной ранее книге «Токоограничивающие выключатели переменного тока». Благодаря соединению подвижного и неподвижного контактодержателя с выводами выключателя с помощью гибких связей и установке подвижного контактодержателя на нескольких шарнирно связанных осях в механизме созданы условия для движения подвижного контактодержателя по сложной траектории под действием электродинамических сил отброса, возникающих между контактодержателями. Механизм блокировки снабжен зацепом, удерживающим контакты в замкнутом состоянии. При достижении электродинамическими силами определенной величины подвижный контактодержатель, благодаря своей траектории движения, выходит из зацепления с приводным валом выключателя и, не ожидая срабатывания более инерционного механизма свободного расцепления, осуществляет быстрое свободное перемещение (отброс) в направлении размыкания контактов. Блокирование крайнего отключенного положения подвижного контактодержателя после отброса с целью обеспечения невозможности повторного схождения контактов обеспечивается пружиной механизма блокировки путем введения зацепа в зацепление с приводным валом выключателя в процессе срабатывания механизма свободного расцепления. Описанный механизм блокировки, несмотря на его оригинальность и промышленное использование, не применим в малогабаритных двухразрывных выключателях с поворотным контактным мостиком в виду необходимости применения двух гибких связей в каждом полюсе и реализации сложной траектории движения, по которой синхронно должны двигаться оба контакта поворотного мостика.The kinematic diagram of the mechanism for blocking the reverse movement of contacts after they are opened and its operation in Fuji Electric type L circuit breakers (SS mechanism) are shown in Figures 2-11, pages 39 and 3-11, page 61 in the previously mentioned book “Current-limiting AC switches current ". Due to the connection of the movable and fixed contact holder with the terminals of the circuit breaker using flexible couplings and the installation of the movable contact holder on several pivotally connected axes in the mechanism, conditions have been created for the movable contact holder to move along a complex path under the action of electrodynamic rejection forces arising between the contact holders. The locking mechanism is equipped with a hook that holds the contacts in a closed state. When the electrodynamic forces reach a certain magnitude, the movable contact holder, due to its trajectory of movement, disengages from the drive shaft of the circuit breaker and, not expecting a more inertial free trip mechanism to trip, performs fast free movement (rejection) in the direction of opening of the contacts. Blocking of the extreme disconnected position of the movable contact holder after rejection in order to ensure that the contacts do not converge is ensured by the spring of the locking mechanism by engaging the engagement with the drive shaft of the circuit breaker during the operation of the free trip mechanism. The described locking mechanism, despite its originality and industrial use, is not applicable in small two-burst switches with a rotary contact bridge in view of the need to use two flexible connections in each pole and to implement a complex trajectory of movement along which both contacts of the rotary bridge must move simultaneously.

Известна также конструкция автоматического выключателя с двухразрывной контактной системой в виде поворотного контактного мостика для быстродействующей защиты от токов короткого замыкания, в которой для исключения возможности повторного замыкания контактов тоже применяют механизм блокировки обратного движения контактов после их размыкания электродинамическими силами (см. патент США №7,005,594 B2, H01H 3/00 от 28.02.2006 г.). Конструкция по патенту США №7,005,594 B2 является прототипом заявляемого технического решения. Прототип содержит корпус, двухразрывную контактную систему, состоящую из неподвижных контактов на выводах выключателя и подвижных контактов на поворотном мостике, размещенном внутри барабана, пружины нажатия, установленные между барабаном и мостиком, механизм свободного расцепления, приводной стержень, шатун и ось шатуна, посредством которых механизм свободного расцепления связан с барабаном, ось с роликами и дугогасительные камеры, расположенные в зоне контактов. Ось с роликом соединена с пружинами нажатия и установлена с возможностью перекатывания роликом по цилиндрической поверхности барабана, на которой выполнен V-образный паз и фиксирующий радиусный паз. Одновременно ролик находится в глубоком пазу поворотного мостика с возможностью перемещения вдоль этого паза. При достижении током короткого замыкания определенной величины происходит разведение контактов под действием электродинамических сил и поворот мостика. В это время механизм свободного расцепления и вся кинематическая цепочка: ось шатуна, шатун, приводной стержень и барабан, находятся в неподвижном состоянии, т.к. механизм свободного расцепления не успевает в силу своей инерционности войти в состояние расцепления под действием максимального расцепителя тока. При повороте мостика ролик преодолевает подъем V-образного паза и, находясь в движении в глубоком пазу мостика, в конце движения по цилиндрической поверхности барабана оказывается в фиксирующем радиусном пазу барабана. Таким образом происходит автоматическая фиксация поворотного мостика на барабане после электродинамического разведения контактов (электродинамического отброса) и исключение возможности повторного замыкания (см. фиг.7-9 в описании к патенту США №7,005,594 B2 - прототип). Однако не трудно заметить, что при отбросе контактов мостик вынужден преодолевать нарастающее усилие пружин нажатия, в то время как усилие электродинамического отброса при расхождении контактов уменьшается, что приводит к замедлению ввода электрической дуги в межконтактный промежуток, и, как следствие, к ухудшению токоограничивающих свойств выключателя. Отмеченный недостаток прототипа приводит также к увеличению порогового значения тока короткого замыкания, при котором возможна надежная фиксация отброшенного мостика. В результате в диапазоне токов между током электродинамической стойкости контактной системы и пороговым значением тока короткого замыкания, при котором осуществляется надежная фиксация отброшенного мостика, образуется зона опасной работы (малые и средние токи короткого замыкания), в которой возможны повторные замыкания и приварки контактов. Указанные недостатки обусловлены трудностями решения в выключателях с двухразрывной контактной системой в виде поворотного контактного мостика задачи ослабления усилия пружин нажатия непосредственно перед прекращением соприкосновения контактов одновременно с фиксацией отброшенного мостика посредством известных конструкций.There is also known the design of a circuit breaker with a two-burst contact system in the form of a rotary contact bridge for quick protection against short circuit currents, in which, to exclude the possibility of re-closure of the contacts, the mechanism for blocking the reverse movement of contacts after they are opened by electrodynamic forces is also used (see US patent No. 7,005,594 B2 , H01H 3/00 dated February 28, 2006). The design of US patent No. 7,005,594 B2 is a prototype of the claimed technical solution. The prototype contains a housing, a two-burst contact system, consisting of fixed contacts on the terminals of the switch and movable contacts on a rotary bridge located inside the drum, pressure springs installed between the drum and the bridge, a free release mechanism, a drive rod, a connecting rod and a connecting rod axis, through which the mechanism free trip is connected with the drum, the axis with rollers and arcing chambers located in the contact zone. The axis with the roller is connected to the pressing springs and installed with the possibility of rolling the roller along the cylindrical surface of the drum, on which a V-shaped groove and a fixing radius groove are made. At the same time, the roller is located in the deep groove of the rotary bridge with the possibility of moving along this groove. When the short circuit current reaches a certain value, the contacts are diluted under the action of electrodynamic forces and the bridge rotates. At this time, the free trip mechanism and the entire kinematic chain: the connecting rod axis, connecting rod, drive rod and drum, are stationary, because the free trip mechanism does not have time to, due to its inertia, enter the trip state under the action of the maximum current release. When the bridge rotates, the roller overcomes the rise of the V-shaped groove and, being in motion in the deep groove of the bridge, at the end of the movement along the cylindrical surface of the drum is in the fixing radius groove of the drum. Thus, the rotary bridge is automatically fixed on the drum after electrodynamic separation of the contacts (electrodynamic rejection) and the possibility of re-closure is excluded (see Fig. 7-9 in the description of US patent No. 7,005,594 B2 - prototype). However, it is not difficult to notice that when the contacts are rejected, the bridge is forced to overcome the increasing force of the pressing springs, while the electrodynamic rejection force when the contacts diverge decreases, which leads to a slowdown of the input of the electric arc into the contact gap, and, as a result, to a deterioration of the current-limiting properties of the switch . The noted disadvantage of the prototype also leads to an increase in the threshold value of the short circuit current at which reliable fixation of the discarded bridge is possible. As a result, in the range of currents between the current of the electrodynamic resistance of the contact system and the threshold value of the short circuit current at which the dropped bridge is reliably fixed, a hazardous operation zone is formed (small and medium short circuit currents), in which repeated short circuits and welding of contacts are possible. These drawbacks are due to the difficulty of solving in switches with a two-burst contact system in the form of a rotary contact bridge, the task of easing the force of the pressing springs immediately before the termination of contact of contacts simultaneously with fixing the discarded bridge by means of known structures.

Технический результат, достигаемый заявляемым предлагаемым изобретением, заключается в повышении токоограничивающих свойств автоматического выключателя с двухразрывной контактной системой в виде поворотного контактного мостика при отключении токов короткого замыкания за счет отключения усилия пружин нажатия в процессе прекращения соприкосновения контактов с одновременным обеспечением гарантированного невозврата контактной системы в замкнутое состояние, начиная с токов короткого замыкания, сравнимых с током электродинамической стойкости контактной системы.The technical result achieved by the claimed invention is to increase the current-limiting properties of a circuit breaker with a two-burst contact system in the form of a rotary contact bridge when disconnecting short circuit currents by disabling the force of the pressing springs in the process of terminating contact contact while ensuring a guaranteed non-return of the contact system to a closed state starting with short circuit currents comparable to electrodynamic current th resistance of the contact system.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматический выключатель, содержащий в корпусе двухразрывную контактную систему, состоящую из неподвижных контактов на выводах выключателя и подвижных контактов на основном и дополнительном поворотных мостиках, выполненных одинаковыми по форме и геометрическим размерам и размещенных внутри паза барабана параллельно друг другу на общей оси вращения с возможностью возвратно-поступательного перемещения дополнительного мостика вдоль этой оси, пружины нажатия, установленные между барабаном и мостиками, возвратные пружины, установленные между боковыми поверхностями основного и дополнительного мостиков, а также пружины отброса, механизм свободного расцепления и приводной стержень, посредством которого механизм свободного расцепления связан с барабаном, снабжен подвижными в направлении сил нажатия стаканами с выполненными на боковой поверхности этих стаканов соосными отверстиями, общая ось которых перпендикулярна оси стакана, опорными валиками, каждый из которых имеет упорные лыски, а также вставками, стопорными штифтами и ограничительными штоками, выполненными длиной не более ширины паза барабана со сферическими цапфами и с симметрично расположенным относительно цапф дистанционным буртиком с радиусной канавкой на его поверхности, при этом в барабане выполнены карманы, сквозные цилиндрические и эллипсные отверстия, перпендикулярные осям карманов, в каждом плече поворотных мостиков друг против друга изготовлены компенсирующие отверстия, а основной мостик также выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль общей оси вращения основного и дополнительного мостиков, причем стаканы установлены в карманах барабана подвижно, опорные валики смонтированы в соосных отверстиях стаканов и эллипсных отверстиях барабана с возможностью взаимодействия лысками с плечами поворотных мостиков, пружины нажатия помещены внутри стаканов между цилиндрическими вставками и зафиксированы стопорными штифтами, установленными в цилиндрические отверстия барабана, а ограничительные штоки помещены в компенсирующие отверстия поворотных мостиков и связаны посредством радиусных канавок дистанционных буртиков с первыми зацепами пружин отброса, вторые зацепы которых закреплены на стопорных штифтах.The specified technical result is achieved by the fact that the circuit breaker containing a two-burst contact system in the housing, consisting of fixed contacts on the terminals of the switch and movable contacts on the main and additional rotary bridges made of the same shape and geometric dimensions and placed inside the groove of the drum parallel to each other on common axis of rotation with the possibility of reciprocating movement of the additional bridge along this axis, pressing springs installed between drum and bridges, return springs installed between the side surfaces of the main and additional bridges, as well as reject springs, a free trip mechanism and a drive rod, by means of which the free trip mechanism is connected to the drum, equipped with cups movable in the direction of pressing forces with cups made on the side surface of these cups with coaxial holes, the common axis of which is perpendicular to the axis of the cup, with support rollers, each of which has persistent flats, as well as inserts, are lockable with pins and restriction rods made not more than the width of the groove of the drum with spherical trunnions and with a spherically symmetrically spaced relative to the trunnion trunnions with a radius groove on its surface, while the drum has pockets, through cylindrical and ellipse holes perpendicular to the axes of the pockets, in each compensating holes are made against the shoulder of the rotary bridges against each other, and the main bridge is also made with the possibility of reciprocating movement along the common axis rotation of the main and additional bridges, with the glasses mounted in the drum pockets movably, the support rollers mounted in the coaxial holes of the glasses and ellipse holes of the drum with the possibility of interaction with the flats with the shoulders of the rotary bridges, pressure springs are placed inside the glasses between the cylindrical inserts and fixed with locking pins installed in cylindrical drum openings, and restriction rods are placed in compensating openings of rotary bridges and are connected by means of the main grooves of the shoulder beams with the first hooks of the springs of rejection, the second hooks of which are mounted on the locking pins.

Снабжение подвижными в направлении сил нажатия стаканами с выполненными на боковой поверхности этих стаканов соосными отверстиями, общая ось которых перпендикулярна оси стакана, опорными валиками, каждый из которых имеет упорные лыски, а также вставками и стопорными штифтами, выполнение в барабане карманов, сквозных цилиндрических и эллипсных отверстий, перпендикулярных осям карманов, установка стаканов в карманах барабана подвижно, монтирование опорных валиков в соосных отверстиях стаканов и эллипсных отверстиях барабана с возможностью взаимодействия лысками с плечами поворотных мостиков, помещение пружин нажатия внутри стаканов между цилиндрическими вставками и фиксирование стопорными штифтами позволило создать четыре механизма отключения пружин нажатия. Благодаря размещению деталей каждого механизма вблизи своей пружины нажатия и, благодаря малым размерам деталей, получена компактная малоинерционная конструкция механизмов отключения, которая положительно влияет на повышение быстродействия размыкания контактов. Кроме того, мгновенное исключение влияния деталей механизмов на подвижную поворотную систему мостиков во время электродинамического отброса способствует еще большему увеличению быстродействия размыкания контактов. Мгновенное же срабатывание четырех механизмов обеспечивается быстродействующим электродинамическим устройством. Для этого электродинамическое устройство, состоящее из основного и дополнительного поворотных мостиков, выполненных одинаковыми по форме и геометрическим размерам и размещенных внутри паза барабана параллельно друг другу на общей оси вращения с возможностью возвратно-поступательного перемещения дополнительного мостика вдоль этой оси, а также возвратных пружин, снабжено ограничительными штоками, выполненными длиной не более ширины паза барабана со сферическими цапфами и с симметрично расположенным относительно цапф дистанционным буртиком с радиусной канавкой на его поверхности, а в каждом плече поворотных мостиков друг против друга изготовлены компенсирующие отверстия, причем основной мостик также выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль общей оси вращения основного и дополнительного мостиков. Ограничительные штоки помещены в компенсирующие отверстия поворотных мостиков и связаны посредством радиусных канавок дистанционных буртиков с первыми зацепами пружин отброса, вторые зацепы которых закреплены на стопорных штифтах. Работа примененного электродинамического устройства основана на использовании электродинамических сил притяжения между подвижными вдоль оси вращения основным и дополнительным мостиками, по которым протекает в одном направлении ток коммутируемой цепи. Новые конструктивные элементы, в том числе ограничительные штоки описанной формы и компенсационные отверстия, предназначены для гарантированного отключения пружин нажатия на основном и дополнительном мостиках, а также компенсации влияния технологических погрешностей изготовления деталей и износа контактов. Благодаря связи ограничительных штоков через радиусные канавки дистанционных буртиков с первыми зацепами пружин отброса, вторые зацепы которых закреплены на стопорных штифтах, исключена вероятность повторных замыканий контактов после электродинамического отброса.Supply of cups movable in the direction of pressing forces with coaxial holes made on the side surface of these cups, the common axis of which is perpendicular to the cup axis, with support rollers, each of which has thrust flanges, as well as inserts and retaining pins, pockets, through cylindrical and ellipse pockets in the drum holes perpendicular to the axis of the pockets, the installation of glasses in the pockets of the drum movably, mounting the support rollers in the coaxial holes of the glasses and ellipse holes of the drum with possible Stu flats interaction with shoulders swivel bridges, springs press room inside the glasses between cylindrical inserts and fixing the locking pins possible to create four pressing springs off mechanism. Due to the placement of the details of each mechanism near its pressing spring and, due to the small size of the parts, a compact low-inertia design of the disconnection mechanisms is obtained, which positively affects the increase in the contact opening speed. In addition, the instant elimination of the influence of mechanism parts on the movable rotary system of bridges during electrodynamic rejection contributes to an even greater increase in the contact opening speed. The instantaneous actuation of the four mechanisms is provided by a high-speed electrodynamic device. For this, the electrodynamic device, consisting of the main and additional rotary bridges made of the same shape and geometric dimensions and placed inside the groove of the drum parallel to each other on a common axis of rotation with the possibility of reciprocating movement of the additional bridge along this axis, as well as return springs, is equipped with restrictive rods made with a length not exceeding the width of the groove of the drum with spherical trunnions and with a distance symmetrically located relative to the trunnions urtikom radiused groove on its surface, and each pivoting arm bridges against each other are made compensating openings, wherein the primary bridge is also adapted for reciprocating movement along a common axis of rotation of the primary and secondary bridges. The restriction rods are placed in the compensating holes of the rotary bridges and are connected by means of the radial grooves of the spherical flanges with the first hooks of the garbage springs, the second hooks of which are fixed on the locking pins. The work of the applied electrodynamic device is based on the use of electrodynamic forces of attraction between the main and additional bridges that move along the axis of rotation, along which the current of the switched circuit flows. New structural elements, including the limiting rods of the described shape and compensation holes, are designed to guarantee the disconnection of the pressing springs on the main and additional bridges, as well as compensating for the influence of technological errors in the manufacture of parts and wear of the contacts. Due to the connection of the limiting rods through the radius grooves of the spherical flanges with the first hooks of the drop springs, the second hooks of which are fixed on the locking pins, the probability of repeated contact closures after electrodynamic rejection is excluded.

С помощью возвратных пружин быстродействующее электродинамическое исполнительное устройство настраивается на срабатывание при токе короткого замыкания сравнимом с током начала электродинамического отброса. Настройка на надежное срабатывание при низких токах короткого замыкания стала возможной благодаря эффективному использованию всей боковой поверхности основного и дополнительного мостиков, а также благодаря тому, что электродинамическая сила притяжения между мостиками при уменьшении расстояния между их боковыми поверхностями в процессе срабатывания увеличивается. Этим достигается одновременное с началом электродинамического разведения контактов приведение в действие механизмов отключения усилия пружин нажатия непосредственно перед прекращением соприкосновения контактов. После исключения действия пружин нажатия на мостики во время прекращения соприкосновения контактов, осуществляется более быстрый по сравнению с прототипом электродинамический отброс подвижных контактов, а значит и более раннее (за время значительно меньшее 5 мс) введение в разрываемую цепь электрической дуги, и, как следствие, повышение токоограничивающих свойств автоматического выключателя. Само же отключение усилия пружин нажатия во время прекращения соприкосновения контактов производится при перемещении основного и дополнительного мостиков вдоль их общей оси вращения навстречу друг другу под действием электродинамических сил притяжения. После перемещения мостиков до упора в дистанционные буртики на ограничительных штоках плечи мостиков выходят из зацепления с опорными валиками, через которые пружины нажатия передавали усилие нажатия на контакты. Дальше мостики ускоренно перемещаются только под действием электродинамических сил отброса и усилия пружин отброса. Обратный ход мостиков и повторные замыкания контактов исключаются действием пружин отброса, которое направлено всегда в противоположную сторону.Using the return springs, the high-speed electrodynamic actuator is configured to operate at a short-circuit current comparable to the start current of electrodynamic rejection. Tuning for reliable operation at low short-circuit currents became possible due to the efficient use of the entire side surface of the main and additional bridges, and also because the electrodynamic force of attraction between the bridges increases with decreasing distance between their side surfaces during operation. This achieves the simultaneous activation of the mechanisms for disconnecting the force of the pressing springs immediately before the termination of contact contact with the onset of electrodynamic separation of the contacts. After eliminating the action of the springs pressing the bridges during the termination of contact contact, the electrodynamic rejection of the movable contacts is faster than the prototype, and therefore the earlier (within a time shorter than 5 ms) introduction of an electric arc into the circuit being broken, and, as a result, increasing current-limiting properties of the circuit breaker. The very same disconnection of the force of the pressing springs during the termination of contact contact is made when moving the main and additional bridges along their common axis of rotation towards each other under the action of electrodynamic forces of attraction. After the bridges are moved all the way to the remote shoulders on the restrictive rods, the shoulders of the bridges disengage from the support rollers through which the pressing springs transmitted the pressing force to the contacts. Further, the bridges are accelerated only under the influence of electrodynamic forces of rejection and the efforts of the springs of rejection. The return stroke of the bridges and repeated contact closure are eliminated by the action of the springs of the garbage, which is always directed in the opposite direction.

Таким образом, реализация автоматического выключателя в предлагаемом виде позволяет заявляемому устройству по сравнению с прототипом улучшить токоограничивающие свойства при отключении токов короткого замыкания, и тем самым достичь декларируемого технического результата. При проведении патентного поиска технических решений со сходными с заявляемыми существенными отличительными признаками не обнаружено. Следовательно, описанный токоограничивающий автоматический выключатель обладает элементами новизны.Thus, the implementation of the circuit breaker in the proposed form allows the inventive device in comparison with the prototype to improve current-limiting properties when disconnecting short-circuit currents, and thereby achieve the declared technical result. When conducting a patent search for technical solutions with similar to the claimed significant distinguishing features were not found. Therefore, the described current limiting circuit breaker has novelty elements.

Предлагаемая конструкция токоограничивающего автоматического выключателя изображена на Фиг.1-9.The proposed design of a current-limiting circuit breaker is shown in Fig.1-9.

На Фиг.1 изображен полюс выключателя во включенном состоянии. Передняя часть корпуса на Фиг.1 условно не показана. На Фиг.2 показано сложное сечение А-А (см. Фиг.1), проходящее через вертикальные оси карманов барабана, подвижных стаканов, вставок, пружин нажатия и через горизонтальные оси опорных валиков и опорного штифта. Далее сечение А-А смещено и проходит через ось ограничительного штока и оси компенсационных отверстий в поворотных мостиках. Фиг.3 представляет собой аксонометрическое изображение полюса выключателя во включенном состоянии, а Фиг.4 - аксонометрическое изображение барабана с поворотными основным и дополнительным мостиками в разобранном виде, на которых реализовано электродинамическое устройство отключения пружин нажатия. На Фиг.5 и 6 дано аксонометрическое изображение деталей механизма создания усилия нажатия на контакты и отключения усилия нажатия под действием электродинамического устройства. Фиг.7 демонстрирует положение поворотных мостиков после электродинамического отброса и еще не сработавшем механизме свободного расцепления, а Фиг.8 - их положение после срабатывания механизма свободного расцепления. На Фиг.9 приведены графики перемещения поворотных мостиков под действием электродинамических сил притяжения и отброса при различных токах короткого замыкания для конкретного исполнения выключателя предлагаемой конструкции.Figure 1 shows the pole of the switch in the on state. The front part of the housing in figure 1 is conventionally not shown. Figure 2 shows a complex section AA (see Figure 1) passing through the vertical axis of the drum pockets, movable cups, inserts, pressure springs and through the horizontal axis of the support rollers and the support pin. Then section AA is displaced and passes through the axis of the restrictive rod and the axis of the compensation holes in the rotary bridges. Figure 3 is an axonometric image of the pole of the switch in the on state, and Figure 4 is an axonometric image of a drum with rotary primary and secondary bridges in disassembled form, on which an electrodynamic device for disconnecting pressing springs is implemented. Figures 5 and 6 show an axonometric image of the details of the mechanism for creating a pressing force on the contacts and disconnecting the pressing force under the action of an electrodynamic device. Fig. 7 shows the position of the rotary bridges after electrodynamic rejection and the free tripping mechanism that has not yet been triggered, and Fig. 8 shows their position after the tripping mechanism has tripped. Figure 9 shows the graphs of the movement of the rotary bridges under the action of electrodynamic forces of attraction and rejection at various short-circuit currents for a specific design of the circuit breaker of the proposed design.

Токоограничивающий автоматический выключатель содержит в корпусе 1 (см. Фиг.1) двухразрывную контактную систему, состоящую из неподвижных контактов 2, 3 на выводах 4, 5 выключателя и подвижных контактов 6, 7, 8, 9 на основном 10 и дополнительном 11 поворотных мостиках (более подробно см. на Фиг.4). Мостики 10, 11 размещены внутри паза 12 барабана 13 (Фиг.2) параллельно друг другу и вращаются на оси 14 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси 14 навстречу друг другу под действием электродинамических сил притяжения F_п, возникающих при протекании через мостики токов короткого замыкания одного направления. Для возврата мостиков 10, 11 в исходное положение после прекращения действия тока короткого замыкания между внутренними боковыми стенками мостиков установлены возвратные пружины 15, 16 (Фиг.4). Мостики 10, 11, возвратные пружины 15, 16, ось 14 и паз 12 барабана 13 образуют быстродействующее исполнительное электродинамическое устройство. Выключатель снабжен подвижными в направлении сил нажатия стаканами 17 (см. Фиг.2, 4, 5 и 6) с выполненными на боковой поверхности этих стаканов соосными отверстиями 18, общая ось которых перпендикулярна оси стакана, опорными валиками 19, каждый из которых имеет упорные лыски 20, а также вставками 21, 22, стопорными штифтами 23, 24 и ограничительными штоками 25, выполненными длиной не более ширины паза 12 барабана со сферическими цапфами 26 и с симметрично расположенным относительно цапф дистанционным буртиком 27 с радиусной канавкой 28 на его поверхности. Для установки деталей 17, 19, 21-25 в барабане 13 (см.Фиг.2 и 4) выполнены карманы 29, сквозные цилиндрические 30 и эллипсные 31 отверстия, перпендикулярные осям карманов, а в каждом плече основного 10 и дополнительного 11 поворотных мостиков друг против друга изготовлены компенсирующие отверстия 32. Компенсирующие отверстия 32 предназначены для исключения влияния соединения посредством ограничительных штоков 25 двух параллельных мостиков 10, 11 на процесс гарантированного контактирования этих мостиков с неподвижными контактами 2, 3 независимо от электроизноса контактов и технологического разброса допусков изготовления деталей выключателя. Пружины нажатия 33 помещены внутри стаканов 17 между цилиндрическими вставками 21 и 22 и зафиксированы с одной стороны стопорными штифтами 23, 24, закрепленными в цилиндрических отверстиях 30 барабана. Опорные валики 19 установлены через эллипсные отверстия 31 в соосные отверстия 18 подвижных стаканов 17, зафиксированы от осевого перемещения вставками 21 и передают усилия нажатия посредством упорных лысок 20 на плечи мостиков 10, 11. Эллипсные отверстия 31 ограничивают ход подвижных стаканов и создают необходимые для работы контактной системы провалы, компенсирующие износ контактов и погрешности изготовления. Детали и конструктивные элементы этих деталей 17-24, 29-31, 33 образуют механизм отключения усилия нажатия при воздействии быстродействующего электродинамического устройства. Ограничительные штоки 25 помещены в компенсирующие отверстия 32 поворотных мостиков и связаны посредством радиусных канавок 28 дистанционных буртиков 27 с первыми зацепами пружин отброса 34, 35, вторые зацепы которых закреплены на стопорных штифтах 23, 24. Усилия пружин 34, 35 направлены в сторону действия электродинамических сил отброса, ускоряют отброс мостиков и не позволяют после отброса повторного замыкания контактов. Выключатель имеет приводной стержень 36, с помощью которого барабан 13 связан с механизмом свободного расцепления (на чертежах механизм свободного расцепления не показан в силу его общеизвестности и в целях уменьшения объема и сложности графических материалов), а также дугогасительные камеры 37 и пламегасители 38. На графиках Фиг.9 показана зависимость величины поступательного перемещения мостиков 10, 11 вдоль оси вращения 14 под действием электродинамических сил притяжения F_п от времени для токов короткого замыкания 10-50 кА (кривые с обозначением «притяж.»). Кривые с обозначением «отброс» характеризуют величины перемещения подвижных контактов 6-9 под воздействием электродинамических сил отброса во времени при тех же значениях токов короткого замыкания 10-50 кА. Под величиной перемещения подвижных контактов при отбросе подразумевается кратчайшее расстояние между линиями контактирования на неподвижных 2, 3 и подвижных 6-9 контактах. Графики даны для оценки времен срабатывания механизма отключения пружин нажатия и отброса контактов при возникновении токов короткого замыкания различных величин.The current-limiting circuit breaker contains in the housing 1 (see Figure 1) a two-burst contact system consisting of fixed contacts 2, 3 at the terminals 4, 5 of the switch and movable contacts 6, 7, 8, 9 on the main 10 and additional 11 rotary bridges ( see in more detail in FIG. 4). The bridges 10, 11 are placed inside the groove 12 of the drum 13 (Figure 2) parallel to each other and rotate on the axis 14 with the possibility of reciprocating movement along the axis 14 towards each other under the action of electrodynamic forces of attraction F _p that occur when short currents flow through the bridges short circuit of one direction. To return the bridges 10, 11 to its original position after the termination of the short circuit current between the inner side walls of the bridges, return springs 15, 16 are installed (Figure 4). The bridges 10, 11, the return springs 15, 16, the axis 14 and the groove 12 of the drum 13 form a high-speed actuating electrodynamic device. The switch is equipped with cups 17 movable in the direction of pressing forces (see FIGS. 2, 4, 5 and 6) with coaxial holes 18 made on the side surface of these cups, the common axis of which is perpendicular to the cup axis, with support rollers 19, each of which has thrust flats 20, as well as inserts 21, 22, locking pins 23, 24 and restrictive rods 25, made not more than the width of the groove 12 of the drum with spherical pins 26 and with a spherical lip 27 symmetrically positioned relative to the pins with a radius groove 28 on its surface. To install parts 17, 19, 21-25 in the drum 13 (see Fig. 2 and 4), pockets 29, through holes 30 and ellipse 31, perpendicular to the axes of the pockets, and each arm of the main 10 and additional 11 rotary bridges are made compensating holes 32 are made against each other. Compensating holes 32 are designed to eliminate the influence of the connection by means of restriction rods 25 of two parallel bridges 10, 11 on the process of guaranteed contact of these bridges with fixed contacts 2, 3, regardless of electrical contact wear and technological tolerance for the manufacture of circuit breaker parts. Pressing springs 33 are placed inside the cups 17 between the cylindrical inserts 21 and 22 and are fixed on one side by locking pins 23, 24 fixed in the cylindrical holes 30 of the drum. The support rollers 19 are installed through ellipse holes 31 into the coaxial holes 18 of the movable cups 17, are fixed from axial movement by the inserts 21 and transmit pressing forces by means of persistent flats 20 to the shoulders of the bridges 10, 11. The ellipse holes 31 limit the travel of the movable cups and create the contact system dips, compensating for contact wear and manufacturing errors. Details and structural elements of these parts 17-24, 29-31, 33 form a mechanism for disabling the pressing force when exposed to a high-speed electrodynamic device. The restriction rods 25 are placed in the compensating holes 32 of the rotary bridges and are connected by means of radius grooves 28 of the spherical flanges 27 to the first hooks of the drop springs 34, 35, the second hooks of which are fixed to the locking pins 23, 24. The forces of the springs 34, 35 are directed towards the action of electrodynamic forces reject, accelerate the rejection of the bridges and do not allow after the rejection of the re-closure of the contacts. The switch has a drive rod 36, by means of which the drum 13 is connected to the free trip mechanism (the free trip mechanism is not shown in the drawings due to its well-known nature and in order to reduce the volume and complexity of graphic materials), as well as arcing chambers 37 and flame arresters 38. On the graphs Figure 9 shows the dependence of the translational movement of the bridges 10, 11 along the axis of rotation 14 under the action of electrodynamic forces of attraction F _p on time for short-circuit currents of 10-50 kA (curves with We have "attraction."). Curves with the designation “garbage” characterize the magnitude of the displacement of the movable contacts 6-9 under the influence of electrodynamic forces of the garbage in time at the same values of short-circuit currents of 10-50 kA. The magnitude of the displacement of the moving contacts during rejection means the shortest distance between the contact lines on fixed 2, 3 and moving 6-9 contacts. The graphs are given to evaluate the response times of the mechanism for disconnecting the spring pressing and rejection of contacts in the event of short-circuit currents of various sizes.

Работает токоограничивающий автоматический выключатель следующим образом. Во включенном состоянии основной 10 и дополнительный 11 мостики замыкают посредством подвижных двух пар контактов 6-9 и неподвижных контактов 2, 3 главную цепь выключателя. Необходимое усилие контактного нажатия создает механизм свободного расцепления, воздействуя через приводной стержень 36, барабан 13, стопорные штифты 23, 24, вставки 22, пружины нажатия 33, вставки 21, подвижные стаканы 17, опорные валики 19 с помощью лысок 20 на плечи мостиков 10, 11. Усилия пружин нажатия 33 выбраны исходя из требуемой электродинамической стойкости контактной системы. Усилия возвратных пружин 15, 16 подобраны таким образом, чтобы основной 10 и дополнительный 11 мостики начинали свое поступательное движение навстречу друг другу при токах короткого замыкания на 10-15% больше заданного тока электродинамической стойкости выключателя. При возникновении тока короткого замыкания, величина которого превышает значение тока электродинамической стойкости, мостики 10, 11 перемещаются навстречу друг другу под действием электродинамических сил притяжения F_п до упора в дистанционные буртики 27 на ограничительных штоках 25. При этом плечи мостиков освобождаются от контактирования с упорными лысками 20 опорных валиков 19 и, тем самым, с высоким быстродействием отключают действие пружин нажатия 33 на контакты выключателя. Как показывают результаты исследований конкретной конструкции, необходимое для отключения пружин нажатия перемещение мостиков величиной 1,5 мм достигается при токах короткого замыкания 20-30 кА за времена 2,1-1.6 мсек (см. соответствующие кривые с обозначением «притяж.» на Фиг.9). После полного отключения пружин нажатия 33 перемещение контактов под действием электродинамических сил отброса и усилий пружин отброса 34, 35 происходит значительно быстрее, чем у прототипа, быстрее вводится в электрическую цепь электрическая дуга, что способствует улучшению токоограничивающих свойств выключателя. Положение мостиков после электродинамического отброса показано на Фиг.7. Так как за время электродинамического отброса мостиков механизм свободного расцепления не успевает сработать в силу своей инерционности, то барабан 13 остается неподвижным, а мостики 10, 11 удерживаются пружинами отброса 34, 35 в крайнем положении, при котором мостики упираются во внутренние стенки корпуса 1. Пружины 34, 35 препятствуют обратному движению мостиков и повторному замыканию контактов, что исключает вероятность приварки контактов при отключении токов короткого замыкания. После отключения пружин нажатия возвратные пружины 15, 16 пытаются раздвинуть мостики вдоль оси вращения 14 до упора в стенки паза 12, но натыкаются на торцы опорных валиков 19 и остаются в таком положении (см. разрез В-В на Фиг.7). На ток короткого замыкания одновременно реагирует и максимальный расцепитель (не показан), который приводит в действие механизм свободного расцепления (не показан). Механизм свободного расцепления при срабатывании отводит за приводной стержень 36 барабан 13 в крайнее положение до упора в стенку корпуса 1 (см. Фиг.8). При этом вместе с барабаном перемещаются также опорные валики 19. Неподвижные мостики 10, 11, по которым перемещаются своими торцами опорные валики 19, в конце движения перед соприкосновением барабана 13 с корпусом 1, соскакивают под действием возвратных пружин 15, 16 с торцов валиков. В результате валики 19 своими упорными лысками 20 начинают контактировать с плечами мостиков и снова готовы передавать на них усилия пружин нажатия 33 (см. разрез Г-Г на Фиг.8). Так выключатель при срабатывании механизма свободного расцепления автоматически подготавливает себя к следующей операции включения и отключения цепи, в которой созданы условия для короткого замыкания. При оперировании за рукоятку механизма свободного расцеплении (ручном или с помощью электропривода) выключатель работает аналогично общеизвестным конструкциям.The current limiting circuit breaker operates as follows. In the on state, the main 10 and additional 11 bridges are closed by means of two movable pairs of contacts 6-9 and fixed contacts 2, 3 of the main circuit of the switch. The necessary contact pressing force is created by the free trip mechanism, acting through the drive rod 36, drum 13, locking pins 23, 24, inserts 22, pressing springs 33, inserts 21, movable cups 17, and support rollers 19 using the flats 20 on the shoulders of the bridges 10, 11. The efforts of the pressing springs 33 are selected based on the required electrodynamic resistance of the contact system. The efforts of the return springs 15, 16 are selected so that the main 10 and additional 11 bridges begin their forward motion towards each other at short-circuit currents 10-15% more than the specified current of the electrodynamic resistance of the circuit breaker. When a short circuit current occurs, the value of which exceeds the value of the current of electrodynamic resistance, the bridges 10, 11 move towards each other under the action of electrodynamic forces of attraction F _p against the stop in the distal flanges 27 on the limiting rods 25. In this case, the shoulders of the bridges are released from contact with the persistent flats 20 support rollers 19 and, thus, with high speed disable the action of the spring pressing 33 on the contacts of the switch. As the results of studies of a specific design show, the movement of bridges of 1.5 mm required to disconnect the pressing springs is achieved at short circuit currents of 20-30 kA for a time of 2.1-1.6 ms (see the corresponding curves with the designation “attraction.” In FIG. 9). After the spring of pressing 33 is completely turned off, the movement of the contacts under the influence of electrodynamic reject forces and the efforts of the drop springs 34, 35 occurs much faster than that of the prototype, an electric arc is introduced into the electric circuit faster, which improves the current-limiting properties of the switch. The position of the bridges after electrodynamic rejection is shown in Fig.7. Since during the electrodynamic rejection of the bridges the free tripping mechanism does not have time to work due to its inertia, the drum 13 remains stationary, and the bridges 10, 11 are held by the reject springs 34, 35 in the extreme position at which the bridges abut against the inner walls of the housing 1. Springs 34, 35 prevent the reverse movement of the bridges and the re-closure of the contacts, which eliminates the likelihood of welding the contacts when disconnecting short-circuit currents. After disconnecting the pressing springs, the return springs 15, 16 try to push the bridges along the axis of rotation 14 all the way into the walls of the groove 12, but stumble on the ends of the support rollers 19 and remain in this position (see section BB in FIG. 7). The maximum release (not shown) also responds to the short-circuit current, which drives the free trip mechanism (not shown). When triggered, the free release mechanism drives the drum 13 behind the drive shaft 36 to the extreme position against the stop in the wall of the housing 1 (see Fig. 8). At the same time, the support rollers 19 also move along with the drum. The fixed bridges 10, 11 along which the support rollers 19 move with their ends, at the end of the movement, before the drum 13 contacts the housing 1, jump off under the action of return springs 15, 16 from the ends of the rollers. As a result, the rollers 19, with their persistent flats 20, begin to contact the shoulders of the bridges and are again ready to transmit the forces of the pressing springs 33 to them (see section G-D in Fig. 8). So the circuit breaker, when the free tripping mechanism is triggered, automatically prepares itself for the next operation of switching the circuit on and off, in which the conditions for a short circuit are created. When operating the handle of the free trip mechanism (manually or using an electric drive), the circuit breaker works similarly to well-known designs.

В силу высокого быстродействия электродинамического исполнительного устройства предложенной конструкции, срабатывающего при токах, близких к токам электродинамической стойкости контактной системы, и несложной малоинерционной конструкции механизма отключения пружин нажатия достигаются малые времена отключения противодействующего усилия пружин нажатия, а значит более быстрое разведение контактов под действием электродинамических сил отброса, более быстрое, в течение 1-3 мсек, введение электрических дуг в межконтактные промежутки и сброс дуг в дугогасительные камеры и, как следствие, повышение токоограничивающих свойств автоматического выключателя.Due to the high speed of the electrodynamic actuator of the proposed design, which operates at currents close to the currents of the electrodynamic resistance of the contact system, and the simple low-inertia design of the mechanism for disconnecting pressing springs, short shutdown times of the opposing force of the pressing springs are achieved, which means faster contact separation under the action of electrodynamic rejection forces , faster, within 1-3 ms, the introduction of electric arcs in the contact gap and the discharge of arcs into the arcing chambers and, as a result, the increase of the current-limiting properties of the circuit breaker.

Таким образом, предложенное техническое решение с новыми существенными отличительными признаками позволяет практически реализовать конструкцию токоограничивающего автоматического выключателя с достижением технического результата в части повышения его токоограничивающих свойств при отключении токов короткого замыкания, начиная с токов, сравнимых с током электродинамической стойкости контактной системы.Thus, the proposed technical solution with new significant distinguishing features makes it possible to practically implement the design of the current-limiting circuit breaker with the achievement of a technical result in terms of increasing its current-limiting properties when disconnecting short-circuit currents, starting from currents comparable to the electrodynamic resistance current of the contact system.

Claims

A current-limiting circuit breaker containing a two-burst contact system in the housing, consisting of fixed contacts at the terminals of the switch and movable contacts on the primary and secondary rotary bridges made of the same shape and geometric dimensions and placed inside the groove of the drum parallel to each other on a common axis of rotation with the possibility of return - translational movement of the additional bridge along this axis, pressure springs installed between the drum and the bridges are returnable springs installed between the side surfaces of the main and additional bridges, as well as drop springs, a free trip mechanism and a drive rod, by means of which a free trip mechanism is connected to the drum, characterized in that it is equipped with cups movable in the direction of the pressing forces and having cups made on the side surface of these cups with coaxial holes, the common axis of which is perpendicular to the axis of the cup, with support rollers, each of which has persistent flats, as well as inserts, locking pins and restrictive rods made with a length not exceeding the width of the groove of the drum with spherical trunnions and with a spherically symmetrical spigot relative to the trunnions with a radius groove on its surface, while the drum has pockets made through cylindrical and ellipse holes perpendicular to the axes of the pockets in each shoulder compensating holes are made against the rotary bridges against each other, and the main bridge is also made with the possibility of reciprocating movement along the common axis of rotation the main and additional bridges, with the glasses mounted in the drum pockets movably, the support rollers mounted in the coaxial holes of the glasses and ellipse holes of the drum with the possibility of interaction with the flats with the shoulders of the rotary bridges, pressure springs are placed inside the glasses between the cylindrical inserts and fixed with locking pins installed in the cylindrical holes drum, and the limiting rods are placed in the compensating holes of the rotary bridges and are connected by means of radius channels wok of remote beads with the first hooks of the garbage springs, the second hooks of which are fixed on the locking pins.