RU194140U1 - Устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений - Google Patents

Abstract

Устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений относится к силовой коммутационной аппаратуре. Технический результат, заключающийся в повышении надежности, достигается в устройстве, содержащем варистор, управляемый искровой разрядник, выполненный с возможностью управления параллельно подключенным к нему блоком управления, и датчик тока, причем первый вывод варистора и потенциальный вывод разрядника присоединены к входной клемме защищаемого оборудования, не потенциальный вывод разрядника, выполненный с возможностью соединения с датчиком тока, и второй вывод варистора присоединены к проводу рабочего заземления, а выход датчика тока через блок управления соединен с управляющим электродом разрядника, при этом варистор выполнен в виде двух идентичных параллельно соединенных колонок из дисков нелинейных резисторов, в каждой из которых диски нелинейных резисторов соединены параллельно и прижаты друг к другу резьбовыми стяжками с помощью электроизоляционных планок. 2 з.п. ф-лы, 3 фиг., 2 табл.

Description

Заявленное техническое решение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений (помех) большой энергии, возникающих в сетях питания переменного тока с номинальным напряжением 220/380 В, в которых, из-за переходных процессов от грозовых и коммутационных воздействий, а также электромагнитных импульсов техногенного и природного характера (ЭМИ ТИПХ), уровень напряжения защиты (уровень остаточного напряжения) не превышает 2,5 кВ. Заявленное устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИЛ) по принципу действия относится к устройствам комбинированного типа.

Известно устройство защиты от перенапряжений комбинированного типа [RU 2304835 C1, Н02Н 9/06, 20.08.2007], содержащее управляемый разрядный промежуток, в качестве которого используется вакуумный управляемый разрядник, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением, выполненным в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления R и линейного сопротивления Z, содержащего активную и реактивную составляющую, причем, используется нелинейное сопротивление с U_защ/KU_m, где 1<К<1,8, К - коэффициент кратности перенапряжения, U_защ - остающееся напряжение ограничения; U_m - амплитуда номинального напряжения сети, а величина линейного сопротивления должна удовлетворять неравенству U_пер/I_пер>Z>U_защ/I_защ, где I_max - ток через R при U=U_защ, I_пер - значение тока в R, при котором его вольтамперная характеристика переходит из области проводимости в область сопровождающего тока, U_пер - напряжение на R при токе I=I_пер.

Такое устройство подключается к параллельно защищаемому объекту в каждой фазе напряжения сети и работает следующим образом.

При подаче импульса перенапряжений включение вакуумного разрядника осуществляется с помощью блока запуска. После включения разрядника через него начинает протекать импульсный ток. Нелинейное сопротивление (варистор) служит для ограничения уровня перенапряжений при включении разрядника. Параллельное соединение с нелинейным сопротивлением линейного сопротивления позволяет уменьшить выделяемую в нелинейном сопротивлении энергию. При подходе тока к нулю разрядник отключает ток, и на нем восстанавливается сетевое напряжение.

Недостатком этого устройства является низкая надежность защиты оборудования из-за относительно большого времени срабатывания вакуумного разрядника, что не обеспечивает защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности.

Известно также устройство защиты от импульсных перенапряжений [RU 43109, U1, Н02Н 9/04, 27.12.2004], состоящее из параллельно включенных первого варистора и разрядника, а также второго варистора, включенного последовательно с разрядником.

В этом устройстве первым импульс перенапряжений будет ограничивать варистор, не соединенный последовательно с разрядником. Затем под воздействием остаточного напряжения, по истечении статистического времени запаздывания, пробивается разрядник, и напряжение снижается приблизительно до уровня напряжения ограничения второго варистора, который и поглощает основную часть энергии импульса перенапряжений. После прекращения воздействия импульса перенапряжений ток, протекающий через разрядник и второй варистор, будет составлять несколько миллиампер. Этот ток разрядник способен погасить самостоятельно.

Недостатком устройства является низкая надежность защиты оборудования из-за относительно низкой эффективности и надежности работы устройства, т.к. варисторы не защищаются от воздействия импульса перенапряжений, когда энергия, выделяемая в них, достигает некоторого определенного значения, превышающего порог для выбранного типа приборов.

Кроме того, известно устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений [DE 19838776, Н02Н 9/063, 09.03.2000], содержащее параллельно соединенные варистор и управляемый искровой разрядник с параллельно включенным блоком управления, причем, в цепи варистора установлен измерительный элемент (датчик тока), выход которого через блок управления связан с управляющим электродом разрядника.

При появлении на входе устройства импульса перенапряжений первым начинает работать варистор, а блок управления действует на включение управляемого искрового разрядника только после того, как энергия, поглощенная варистором, достигает некоторого предельного значения.

Недостатком устройства является низкая надежность защиты оборудования, так как действие элементов, ограничивающих импульс перенапряжений, не обеспечивает защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности из-за относительно низкого быстродействия варисторов и, соответственно, разрядников.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений [RU 2459333, C1, Н02Н 9/00, 20.08.2012], содержащее варистор, управляемый искровой разрядник с параллельно включенным блоком управления и датчик тока, причем, первый вывод варистора и потенциальный вывод разрядника присоединены к входной клемме защищаемого оборудования, непотенциальный вывод разрядника присоединен к проводу рабочего заземления, а второй вывод варистора через датчик тока присоединен к проводу рабочего заземления, при этом, выход датчика тока через блок управления соединен с управляющим электродом разрядника, потенциальный вывод управляемого искрового разрядника присоединен к клемме провода фазного напряжения через фильтр нижних частот, величина частоты среза которого не превышает величины, обратной от значения времени срабатывания варистора.

Особенностью этого технического решения является то, что, в качестве управляемого искрового разрядника может быть использован управляемый вакуумный разрядник, а блок управления в частном виде его выполнения, содержит датчик напряжения, таймер, интегратор, устройство сравнения, источник опорного напряжения с падающей внешней характеристикой и блок поджига, причем первый, второй и третий входы интегратора соединены соответственно с выходом датчика тока, первым выходом датчика напряжения и выходом таймера, вход которого соединен со вторым выходом датчика напряжения, а выход интегратора соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, имеющего падающую внешнюю характеристику, выход устройства сравнения соединен со входом блока поджига, выход которого соединен с управляющим электродом разрядника.

При появлении на входе устройства импульса перенапряжений первым начинает работать варистор. Блок управления управляемого искрового разрядника действует на включение разрядника только после того, как энергия, поглощенная варистором, достигает некоторого предельного значения. При наличии на входе устройства периодически поступающих импульсов относительно большой мощности и длительности, элементы устройства, в частности, варистор подвергается мощному воздействию помех, что снижает его износоустойчивость, ресурс наработки на отказ (время надежной работы).

Таким образом, недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая надежность защиты оборудования, что обусловлено, в частности, относительно низкой надежностью варистора, работающего в схеме с управляемым искровым разрядником и при наличии внешних механических воздействий, например, на подвижных средства размещения оборудования.

Кроме того, относительно низкая надежность известного устройства обусловлена отсутствием в устройстве средств контроля количества срабатываний устройства и средств обеспечения повышенной механической прочности устройства. Это связано с тем, что регламентные работы по замене устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) выполняются, обычно, без учета их ресурса работы, что увеличивает общую стоимость как УЗИЛ, так и электрооборудования, и не обеспечивает надежность защиты в случае превышения ресурса работы, который определяется ресурсом работы управляемого искрового разрядника, что, в свою очередь, зависит от количества электромагнитных импульсов техногенного и природного характера (ЭМИ ТИПХ), выдерживаемых устройством без нарушения функциональных способностей.

Задачей полезной модели является создание устройства защиты от перенапряжений и одновременно действующих механических воздействий, обладающего повышенной надежностью и, тем самым, обеспечивающим более высокую надежность защиты оборудования.

Требуемый технический результат заключается в повышении надежности.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем варистор, управляемый искровой разрядник, выполненный с возможностью управления параллельно подключенным к нему блоком управления, и датчик тока, причем, первый вывод варистора и потенциальный вывод разрядника присоединены к входной клемме защищаемого оборудования, не потенциальный вывод разрядника, выполненный с возможностью соединения с датчиком тока, и второй вывод варистора присоединены к проводу рабочего заземления, а выход датчика тока через блок управления соединен с управляющим электродом разрядника, согласно полезной модели, варистор выполнен в виде двух идентичных параллельно соединенных колонок из дисков нелинейных резисторов, в каждой из которых диски нелинейных резисторов соединены параллельно и сжаты между собой резьбовыми стяжками с помощью электроизоляционных планок, а варистор, управляемый разрядник и датчик тока конструктивно объединены в блок ограничения, который установлен на металлической пластине, соединенной с проводом рабочего заземления, и залит электроизоляционным компаундом.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, датчик тока снабжен индикатором количества срабатывания искрового разрядника.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, устройство выполнено с возможностью включения в трехфазную сеть, путем соединения трех блоков ограничения для работы в фазах своими металлическими пластинами на общем металлическом основании, соединенным с проводом рабочего заземления.

Заявленная полезная модель поясняется графическими материалами:

на фиг. 1 - структурная электрическая схема устройства защиты от импульсных перенапряжений совместно с индикатором срабатывания и блоком управления;

на фиг. 2 - вид сверху управляемого разрядника и двух колонок из дисков нелинейных резисторов в блоке ограничения;

на фиг. 3 - конструкция устройства защиты от импульсных перенапряжений совместно с индикатором срабатывания и блоком управления.

На чертеже обозначены варистор 1, управляемый искровой разрядник 2, блок 3 управления, датчик 4 тока, индикатор 5 срабатывания.

В устройстве управляемый искровой разрядник 2, выполненный с возможностью управления параллельно подключенным к нему блоком 3 управления, первый вывод варистора 1 и потенциальный вывод разрядника 2 присоединены к входной клемме 6 защищаемого оборудования, не потенциальный вывод разрядника 2, выполненный с возможностью соединения с датчиком тока 4, и второй вывод варистора 2 присоединены к проводу 7 рабочего заземления, а выход датчика 4 тока через блок 3 управления соединен с управляющим электродом разрядника 2.

Варистор 1 выполнен в виде двух идентичных параллельно соединенных колонок 8 и 9 из дисков нелинейных резисторов 10. Диски нелинейных резисторов 10 в колонках 8 и 9 электрически и механически соединены параллельно и прижаты друг к другу резьбовыми стяжками с помощью электроизоляционных планок 11.

Варистор 1, управляемый разрядник 2 и датчик 5 тока конструктивно объединены в блок 12 ограничения (фиг. 3), который в собранном виде установлен на металлической пластине 13 и залит электроизоляционным компаундом 14. Блок управления 3 в собранном виде также залит электроизоляционным компаундом 14 и жестко прикреплен к блоку 12 ограничения.

Для трехфазной сети три однофазных устройства защиты оборудования от импульсных перенапряжений своими металлическими прямоугольными пластинами 13 установлены параллельно на общем металлическом основании 15, которое заземлено.

Индикатор 5 количества срабатываний подсоединен кабелем 16 к датчику тока 4 (фиг. 1), установленному в цепи управляемого искрового разрядника 2. Блок ограничения 12 оборудован входной клеммой 17.

Принципиальная электрическая схема и алгоритм работы блока 3 управления не имеют никаких особенностей, и блок 3 управления может быть выполнен, например как в прототипе.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На первом этапе входной импульс перенапряжения ограничивается индуктивностью соединительных проводов и ошиновки, которые выполняют роль фильтра нижних частот.

На втором этапе импульс перенапряжения ограничивается параллельными колонками 8 и 9 из нелинейных резисторов 10, которые соединены параллельно. Время срабатывания нелинейных резисторов 10 составляет около 25 не при общей величине разрядного тока до 150 кА. Нагрев варисторов в целом определяет активная составляющая тока проводимости. Варисторы в течение срока службы выдерживают без повреждений воздействия, определяемые зависимостью максимальной энергии коммутационных перенапряжений от времени приложения этих перенапряжений. Максимальная суммарная энергоемкость варисторов выбирается на основе инженерного расчета, задачей которого является определение приемлемых габаритных и стоимостных характеристик с учетом ресурса работы управляемого искрового разрядника 2. Предложенное конструктивное выполнение варистора существенно увеличивает надежность работы устройства, особенно в условиях одновременного воздействия помех и механических воздействий.

На третьем этапе происходит включение управляемого искрового разрядника 2, управляющий электрод которого связан с блоком 3 управления. Момент срабатывания блока 3 управления определяется импульсом перенапряжения, поступающим на входную клемму 17 фазного провода.

При включении управляемого искрового разрядника 2 импульс от датчика 4 тока (фиг. 1) по кабелю 16 поступает на индикатор 5 количества срабатываний. Контроль количества срабатываний, определяемых по индикатору 5, позволяет контролировать ресурс работы устройства.

Кроме того, варистор 1, управляемый разрядник 2 и датчик 4 тока конструктивно объединены в блок 12 ограничения, который установлен на металлической пластине, соединенной с проводом рабочего заземления, и залит электроизоляционным компаундом.

Датчик 4 тока снабжен индикатором 5 количества срабатывания искрового разрядника.

Само устройство выполнено с возможностью включения в трехфазную сеть, путем соединения трех блоков ограничения для работы в фазах своими металлическими пластинами на общем металлическом основании, соединенным с проводом рабочего заземления.

В устройстве в качестве управляемого искрового разрядника 2 возможно применение управляемого вакуумного разрядника, который способен надежно включаться в широком диапазоне рабочих напряжений со временем включения порядка 100 не и длительно пропускать разрядный ток до 200 кА при величине заряда до 250 Кл. При подходе тока к нулю управляемый вакуумный разрядник способен отключать импульс тока перенапряжения, и на нем восстанавливается сетевое напряжение за время менее чем 100 мкс.

Практическая реализация устройства выполнена с использованием управляемого вакуумного разрядника типа РВУ-27-УХЛЗ.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений было изготовлено и испытано. Параметры испытаний заявленной полезной модели приведены в таблице 1.

Параметры заявленной полезной модели по сравнению с известным аналогом защитного устройства, а именно - УЗА 15Р169 приведены в таблице 2.

Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям существенно повышается надежность устройств в условиях воздействий мощных помех и механического воздействий.

Claims (3)

1. Устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений, содержащее варистор, управляемый искровой разрядник, выполненный с возможностью управления параллельно подключенным к нему блоком управления, и датчик тока, причем первый вывод варистора и потенциальный вывод разрядника присоединены к входной клемме защищаемого оборудования, не потенциальный вывод разрядника, выполненный с возможностью соединения с датчиком тока, и второй вывод варистора присоединены к проводу рабочего заземления, а выход датчика тока через блок управления соединен с управляющим электродом разрядника, отличающееся тем, что варистор выполнен в виде двух идентичных параллельно соединенных колонок из дисков нелинейных резисторов, в каждой из которых диски нелинейных резисторов соединены параллельно и прижаты друг к другу резьбовыми стяжками с помощью электроизоляционных планок, а управляемый разрядник и датчик тока конструктивно объединены в блок ограничения, который установлен на металлической пластине, соединенной с проводом рабочего заземления, и залит электроизоляционным компаундом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик тока снабжен индикатором количества срабатывания искрового разрядника.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью включения в трехфазную сеть, путем соединения трех блоков ограничения для работы в фазах своими металлическими пластинами на общем металлическом основании, соединенным с проводом рабочего заземления.

Images