RU2167478C1

RU2167478C1 - Dc circuit breaker

Info

Publication number: RU2167478C1
Application number: RU2000124119A
Authority: RU
Inventors: М.Д. Белащенко; А.В. Ламанов; А.И. Савенков; С.Б. Резников; В.А. Станкевич; А.А. Куземин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Компания "Транс-Сервис"
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; protective gear for electrical equipment of vehicles. SUBSTANCE: circuit breaker has reactor one of whose coil leads is connected to positive bus of power supply and other lead, to positive terminal of load through power circuit of high-speed breaker; it also has break contacts, blowout coil mounted on one magnetic core and demagnetizing turns placed in gap of other magnetic core that incorporates holding coil connected to holding-current source, as well as capacitor, and resistor; first and second leads of backward-connected diode pile are connected to negative and positive terminals of load, respectively. Two additional diode piles are introduced and reactor coil is provided with intermediate lead. EFFECT: enhanced speed and extended service life of circuit breaker. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автоматическим выключателям постоянного тока и может быть использовано в качестве устройства защиты транспортного электрооборудования. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC circuit breakers and can be used as a protection device for transport electrical equipment.

Известен быстродействующий выключатель, содержащий электромагнит, неподвижный и подвижный контакты, катушку, тягу, якори электромагнита, пружины, рычаг с защелкой, зацеп, дополнительный рычаг с валиком, упоры, привод, короткозамкнутые кольца. (См. патент РФ N1725286, кл. H 01 H 75/02 от 13.07.89 г.). Known high-speed switch containing an electromagnet, fixed and movable contacts, coil, traction, electromagnet anchors, springs, latch lever, hook, additional lever with roller, stops, drive, squirrel-cage rings. (See RF patent N1725286, CL H 01 H 75/02 of 07/13/89).

Однако известное устройство не может обеспечить высокое быстродействие при КЗ в цепях питания транспортного электрооборудования. However, the known device cannot provide high performance when short circuit in the power circuits of transport electrical equipment.

Известно устройство для защиты от аварийных токов резисторов ослабления возбуждения тяговых электродвигателей тепловоза, содержащее для группы тяговых электродвигателей резистор и релейный элемент со снабженным механической защелкой размыкающим контактом, включенным в цепь катушек контакторов возбуждения тягового генератора, связанного через реверсор с последовательно включенными якорными обмотками тягового электродвигателя и их обмотками возбуждения, параллельно которым через замыкающие контакты соответствующих контакторов включены резисторы ослабления. (См. патент РФ N 2090387 кл. B 60 L 3/04 от 16.09.94 г.)
Однако известное устройство не может обеспечить быстродействующую защиту от КЗ цепей питания транспортного электрооборудования.A device is known for protecting against the accidental currents of the excitation attenuation resistors of a locomotive traction electric motors, comprising for a group of traction electric motors a resistor and a relay element equipped with a mechanical latch opening contact included in the chain of coils of the excitation contactors of the traction generator connected through the reverser with the traction motor armature windings connected in series and their field windings, parallel to which through the make contacts of the corresponding contactors Keys attenuation resistors. (See RF patent N 2090387 C. B 60 L 3/04 from 09/16/94)
However, the known device cannot provide high-speed protection against short-circuit power circuits of transport electrical equipment.

По технической сущности наиболее близким к предложенному является автоматический выключатель постоянного тока, содержащий дроссель, один вывод обмотки которого подключен к положительной шине источника питания, второй вывод подключен к положительному зажиму нагрузки через силовую цепь быстродействующего выключателя, выполненную в виде последовательно соединенных размыкающих контактов, дугогасительной катушки на одном магнитопроводе и размагничивающих витков, расположенных в зазоре другого магнитопровода, имеющего удерживающую катушку, подключенную к источнику тока удержания, конденсатор, резистор, одним выводом соединенный с общей шиной источника питания и с отрицательным зажимом нагрузки, к которой одним выводом подсоединен обратно включенный диодный столб, второй вывод которого подключен к положительному зажиму нагрузки. (См. Цукало П.В. и др. Эксплуатация электропоездов. Справочник. М.: Транспорт, 1994 г., стр. 31-35, 94,95.)
Однако известное устройство при значительных длинах проводов питания электрооборудования электропоездов не может обеспечить быстродействующую защиту и отключение при КЗ и больших перегрузках, что влияет на работоспособность и срок службы устройства.By technical nature, the closest to the proposed one is a DC circuit breaker containing a inductor, one winding of which is connected to the positive bus of the power supply, the second terminal is connected to the positive load terminal through the power circuit of a high-speed circuit breaker, made in the form of series-connected disconnecting contacts, an arcing coil on one magnetic circuit and demagnetizing coils located in the gap of another magnetic circuit having a holding to carcase connected to the holding current source, a capacitor, a resistor, one terminal connected to a common bus and power source with the negative terminal of the load, to which one terminal is connected back diode included pillar, a second terminal of which is connected to the positive terminal of the load. (See Tsukalo P.V. et al. Operation of Electric Trains. Handbook. M.: Transport, 1994, pp. 31-35, 94.95.)
However, the known device with significant lengths of the power supply wires of the electrical equipment of the electric trains cannot provide high-speed protection and shutdown during short-circuit and large overloads, which affects the performance and service life of the device.

Техническим результатом является увеличение быстродействия и срока службы устройства. The technical result is to increase the speed and service life of the device.

Достигается это тем, что в автоматический выключатель постоянного тока, содержащий дроссель, один вывод обмотки которого подключен к положительной шине источника питания, второй вывод подключен к положительному зажиму нагрузки через силовую цепь быстродействующего выключателя, выполненную в виде последовательно соединенных размыкающих контактов, дугогасительной катушки на одном магнитопроводе и размагничивающих витков, расположенных в зазоре другого магнитопровода, имеющего удерживающую катушку, подключенную к источнику тока удержания, конденсатор, резистор, одним выводом соединенный с общей шиной источника питания и с отрицательным зажимом нагрузки, к которой одним выводом подсоединен обратно включенный диодный столб, второй вывод которого подключен к положительному зажиму нагрузки, согласно изобретению введены два дополнительных диодных столба, а обмотка дросселя выполнена с промежуточным выводом, причем конденсатор включен между промежуточным выводом обмотки дросселя и вторым выводом резистора, параллельно которому подсоединен обратно включенный первый дополнительный диодный столб, а второй дополнительный диодный столб обратно включен между промежуточным выводом обмотки дросселя и первым из размыкающих контактов силовой цепи быстродействующего выключателя, второй размыкающий контакт которого соединен с положительным зажимом нагрузки, кроме того, введен третий дополнительный диодный столб, включенный в обратном направлении, параллельно последовательно соединенным дугогасительной катушке и размагничивающим виткам силовой цепи быстродействующего выключателя, а также введены дополнительный конденсатор, четвертый и пятый дополнительные диодные столбы, дополнительные дроссель и резистор, причем первый вывод обмотки дополнительного дросселя соединен со вторым выводом обмотки дросселя, второй вывод дополнительного дросселя через обратно включенный четвертый дополнительный столб подключен к первому размыкающему контакту силовой цепи быстродействующего выключателя, а через дополнительный конденсатор и обратно включенный пятый дополнительный диодный столб, зашунтированный дополнительным резистором, подсоединен ко второму выводу резистора, также введены второй дополнительный конденсатор, шестой дополнительный диодный столб и второй дополнительный резистор, причем последний подключен параллельно шестому дополнительному диодному столбу, обратно включенному между общей шиной источника питания и через второй дополнительный конденсатор - к положительной шине источника питания, кроме того, введена последовательная цепь из нелинейного резистора и контактора, включенная между положительным зажимом нагрузки и положительной шиной источника питания. This is achieved by the fact that in a DC circuit breaker containing a choke, one terminal of the winding of which is connected to the positive bus of the power source, the second terminal is connected to the positive terminal of the load through the power circuit of a high-speed circuit breaker, made in the form of series-connected disconnecting contacts, an arcing coil on one magnetic circuit and demagnetizing coils located in the gap of another magnetic circuit having a holding coil connected to a current source voltage, capacitor, resistor, connected to a common busbar of the power supply with one terminal and with a negative load terminal, to which a reverse-connected diode pole is connected with one terminal, the second terminal of which is connected to a positive load terminal, according to the invention two additional diode columns are introduced, and the inductor winding made with an intermediate terminal, the capacitor being connected between the intermediate terminal of the inductor winding and the second terminal of the resistor, in parallel with which the reverse connected first an additional diode pole, and a second additional diode pole is back connected between the intermediate terminal of the inductor winding and the first of the disconnect contacts of the power circuit of the high-speed switch, the second disconnect contact of which is connected to the positive terminal of the load, in addition, a third additional diode pole is inserted, turned on in the opposite direction, in parallel with the arrester coil and demagnetizing coils of the power circuit of the high-speed circuit breaker, as well as additional an additional capacitor, a fourth and fifth additional diode poles, an additional inductor and a resistor, the first output of the additional inductor winding being connected to the second output of the inductor winding, the second output of the additional inductor through the fourth inlet connected again, connected to the first disconnect terminal of the power circuit of the high-speed switch, and through an additional capacitor and a reverse connected fifth additional diode pole, shunted by an additional resistor, subconnects To the second output of the resistor, a second additional capacitor, a sixth additional diode pole and a second additional resistor are also introduced, the latter connected in parallel with the sixth additional diode column, which is back connected between the common bus of the power supply and through the second additional capacitor to the positive bus of the power supply, except In addition, a serial circuit of a non-linear resistor and a contactor is introduced, connected between the positive terminal of the load and the positive bus of the power supply Ania.

Сущность изобретения заключается в том, что введение двух дополнительных диодных столбов и выполнение обмотки дросселя с соответствующими связями позволило обеспечить форсированное срабатывание быстродействующего выключателя за счет тока разряда конденсатора через правую полуобмотку дросселя, силовую цепь быстродействующего выключателя, короткого замыкания цепи нагрузки и диодный столб. The essence of the invention lies in the fact that the introduction of two additional diode poles and the implementation of the winding of the inductor with the corresponding connections made it possible to force the operation of the high-speed switch due to the discharge current of the capacitor through the right half-winding of the inductor, the power circuit of the high-speed switch, the short circuit of the load circuit and the diode pole.

Сравнение предложенного устройства с прототипом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень". Comparison of the proposed device with the prototype allows us to claim compliance with the criterion of "novelty", and the absence of distinctive features in the analogues indicates compliance with the criterion of "inventive step".

Предварительные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования. Preliminary tests confirm the possibility of wide industrial use.

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема предложенного устройства, на фиг. 2 - схема прототипа. In FIG. 1 shows an electrical schematic diagram of the proposed device, in FIG. 2 is a diagram of a prototype.

Устройство содержит быстродействующий выключатель 1, выполненый в виде последовательно соединенных размыкающих контактов 2, дугогасительной катушки 3 на одном магнитопроводе и размагничивающих витков 4, расположенных в зазоре другого магнитопровода, имеющего удерживающую катушку 5, подключенную к источнику тока удержания. The device contains a high-speed switch 1, made in the form of series-connected opening contacts 2, an arrester coil 3 on one magnetic circuit and demagnetizing coils 4 located in the gap of another magnetic circuit having a holding coil 5 connected to a holding current source.

Кроме того, устройство содержит дроссель 6, конденсатор 7, резистор 8, диодный столб 9, шины 10 и 11 источника питания, положительная и отрицательная (общая), соответственно, положительный зажим 12 для подключения нагрузки и первый и второй дополнительные диодные столбы 13 и 14. In addition, the device contains a choke 6, a capacitor 7, a resistor 8, a diode pole 9, busbars 10 and 11 of the power supply, positive and negative (common), respectively, a positive terminal 12 for connecting the load and the first and second additional diode columns 13 and 14 .

Один вывод обмотки дросселя 6 подключен к положительной шине 10 источника питания, второй вывод подключен к положительному зажиму 12 нагрузки через силовую цепь быстродействующего выключателя 1. One terminal of the inductor winding 6 is connected to the positive bus 10 of the power source, the second terminal is connected to the positive terminal 12 of the load through the power circuit of the high-speed switch 1.

Резистор 8 одним выводом соединен с общей шиной 11 источника питания и с отрицательным зажимом нагрузки, к которому одним выводом подсоединен обратно включенный диодный столб 9, второй вывод которого подключен к положительному зажиму 12 нагрузки. One resistor 8 is connected to a common bus 11 of the power source and with a negative load terminal, to which a reverse-connected diode pole 9 is connected with one terminal, the second terminal of which is connected to the positive terminal 12 of the load.

Обмотка дросселя 6 выполнена с промежуточным выводом, причем конденсатор 7 включен между промежуточным выводом обмотки дросселя 6 и вторым выводом резистора 8, параллельно которому подсоединен обратно включенный первый дополнительный диодный столб 13. Второй дополнительный диодный столб 14 обратно включен между промежуточным выводом обмотки дросселя 6 и первым из размыкающих контактов 2 силовой цепи быстродействующего выключателя 1, второй размыкающий контакт которого соединен с положительным зажимом 12 нагрузки. The winding of the inductor 6 is made with an intermediate output, and a capacitor 7 is connected between the intermediate output of the winding of the inductor 6 and the second output of the resistor 8, in parallel with which is connected the reverse connected first additional diode pole 13. The second additional diode column 14 is back connected between the intermediate output of the winding of the inductor 6 and the first from the opening contacts 2 of the power circuit of the high-speed switch 1, the second opening contact of which is connected to the positive terminal 12 of the load.

Для улучшения переходных процессов при размыкании контактов 2 устройство может содержать третий дополнительный диодный столб 15, включенный в обратном направлении параллельно последовательно соединенным дугогасительной катушки 3 и размагничивающим виткам 4 силовой цепи быстродействующего выключателя 1. To improve the transient processes when opening the contacts 2, the device may contain a third additional diode pole 15, connected in the opposite direction in parallel with the serially connected arc suppressor coil 3 and demagnetizing coils 4 of the power circuit of the high-speed switch 1.

Для улучшения процесса дугогашения устройство может содержать дополнительный конденсатор 16, четвертый и пятый дополнительные диодные столбы 17 и 18, дополнительные резистор 19 и дроссель 20, а также дополнительный конденсатор 21, шестой дополнительный диодный столб 22 и второй дополнительный резистр 23. To improve the suppression process, the device may include an additional capacitor 16, a fourth and fifth additional diode columns 17 and 18, an additional resistor 19 and an inductor 20, as well as an additional capacitor 21, a sixth additional diode pole 22 and a second additional resistor 23.

Для снижения перенапряжения в сети при размыкании контактов 2 устройство может содержать последовательную цепь из нелинейного резистора 24 и контактора 25. To reduce overvoltage in the network when opening the contacts 2, the device may contain a serial circuit of a non-linear resistor 24 and a contactor 25.

Автоматический выключатель постоянного тока работает следующим образом. A DC circuit breaker operates as follows.

В нормальном рабочем режиме нагрузка, подключенная к общей шине 11 и зажиму 12, обеспечивается постоянным током от источника питания. При этом контакты 2 замкнуты и удерживаются электромагнитом, образуемым удерживающей обмоткой катушки 5, питаемой от вспомогательного источника по цепи управления. In normal operating mode, the load connected to the common bus 11 and terminal 12 is provided by direct current from the power source. When this contact 2 is closed and held by an electromagnet formed by the holding winding of the coil 5, powered from an auxiliary source through the control circuit.

При этом конденсатор 7 заряжен через резистр 8 и левую полуобмотку дросселя 6 до напряжения источника питания. In this case, the capacitor 7 is charged through the resistor 8 and the left half-winding of the inductor 6 to the voltage of the power source.

В режиме перегрузки или короткого замыкания конденсатор 7 при своем разряде через правую полуобмотку дросселя 6, силовую цепь выключателя 1 и диодный столб 13 обеспечивает дополнительный ток в цепи выключателя 1, благодаря чему ток в размагничивающих витках 4 быстро достигает больших значений, приводя к размыканию контактов 2 путем нейтрализации магнитного потока удерживающей обмотки катушки 5, тогда как ток от источника питания не успевает достичь большой величины, ввиду противоЭДС на правой полуобмотке дросселя 6 и существенной величины паразитной индуктивности проводов источника питания. После полной разрядки конденсатора 7 токи правой полуобмотки дросселя 6, витков 4 и дугогасительной катушки 3 не выключаются, а продолжают протекать через диодный столб 14, при этом дугогасительная катушка 3 создает существенное магнитное поле, которое воздействует на дугу размыкающих контактов 2, вытягивая ее в лабиринтную область дугогасительной камеры, где энергия дуги выделяется на стенках и перегородках этой области. После полного выключения заряд на конденсаторе 7 плавно восстанавливается от источника питания через резистор 8 и левую полуобмотку дросселя 6. In the overload or short circuit mode, the capacitor 7 during its discharge through the right half-winding of the inductor 6, the power circuit of the circuit breaker 1 and the diode pole 13 provides additional current in the circuit of the circuit breaker 1, so that the current in the demagnetizing turns 4 quickly reaches large values, leading to the opening of contacts 2 by neutralizing the magnetic flux of the holding winding of the coil 5, while the current from the power source does not have time to reach a large value, due to the counter-EMF on the right half-winding of the inductor 6 and a significant value arazitnoy inductance of the power supply wires. After the capacitor 7 is completely discharged, the currents of the right half-winding of the inductor 6, turns 4 and the arcing coil 3 do not turn off, but continue to flow through the diode column 14, while the arcing coil 3 creates a significant magnetic field that acts on the arc of the opening contacts 2, pulling it into the labyrinth the area of the arcing chamber, where the energy of the arc is released on the walls and partitions of this area. After a complete shutdown, the charge on the capacitor 7 is smoothly restored from the power source through the resistor 8 and the left half-winding of the inductor 6.

Таким образом, во-первых, благодаря разряду конденсатора 7 ускоряется гашение магнитного поля удерживающей обмотки катушки 5, то есть снижается время размыкания контактов 2 с момента короткого замыкания или перегрузки, а следовательно, и уменьшается энергия, накапливаемая за это время в паразитной индуктивности проводов источника питания и выделяемая затем в дугогасительной камере быстродействующего выключателя 1. Thus, firstly, due to the discharge of the capacitor 7, the magnetic field damping of the holding winding of the coil 5 is accelerated, that is, the opening time of contacts 2 is reduced from the moment of short circuit or overload, and consequently, the energy accumulated during this time in the parasitic inductance of the source wires decreases power and then allocated in the arcing chamber of the high-speed switch 1.

Во-вторых, наличие диодного столба 14 обеспечивает протекание тока через дугогасительную катушку 3 после выключения размыкающих контактов 2, что приводит к увеличению магнитного потока в катушке 3 и дополнительно снижает энергию дуги. Secondly, the presence of the diode column 14 ensures the flow of current through the arcing coil 3 after turning off the opening contacts 2, which leads to an increase in magnetic flux in the coil 3 and further reduces the energy of the arc.

В-третьих, указанное сокращение времени размыкания и дугогашения снижает потребление за это время энергии источника питания. Thirdly, the specified reduction of the opening and suppression time reduces the consumption of power source energy during this time.

Третий дополнительный диодный столб 15 помогает работе дополнительного диодного столба 14, ускоряя нарастание дополнительного тока через дугогасительную катушку 3 после размыкания контактов 2. The third additional diode column 15 helps the operation of the additional diode column 14, accelerating the growth of additional current through the arcing coil 3 after opening the contacts 2.

Введение дополнительного конденсатора 16, четвертого и пятого дополнительных диодных столбов 17 и 18, дополнительных резистора 19 и дросселя 20 обеспечивает плавность спадания тока дугогасительной катушки 3 после того, как произошел полный разряд конденсатора 7. The introduction of an additional capacitor 16, a fourth and fifth additional diode poles 17 and 18, an additional resistor 19 and an inductor 20 ensures a smooth decrease in the current of the arrester coil 3 after a complete discharge of the capacitor 7.

Введение дополнительного конденсатора 21, шестого дополнительного диодного столба 22 и второго дополнительного резистора 23 снижает обратный выброс напряжения на шине 10. The introduction of an additional capacitor 21, a sixth additional diode column 22 and a second additional resistor 23 reduces the reverse voltage surge on the bus 10.

Введение нелинейного резистора 24 и конденсатора 25 защищает источник питания от чрезмерного напряжения дуги. При этом часть энергии дуги рассеивается на нелинейном резисторе 24, а после дугогашения контактор 25 размыкается, обеспечивая гальваническую развязку источника питания и нагрузки. The introduction of a non-linear resistor 24 and a capacitor 25 protects the power source from excessive arc voltage. In this case, part of the arc energy is dissipated by the non-linear resistor 24, and after the suppression, the contactor 25 opens, providing galvanic isolation of the power source and load.

Таким образом, достигается поставленный технический результат - повышение быстродействия и срока службы устройства. Thus, the delivered technical result is achieved - increasing the speed and service life of the device.

Дополнительным техническим эффектом является меньшая пожароопасность применяемого электрооборудования при перегрузках и коротком замыкании, а также исключение перенапряжений в питающей сети при отключении цепи нагрузки. An additional technical effect is the lower fire hazard of the electrical equipment used during overloads and short circuits, as well as the elimination of overvoltages in the supply network when the load circuit is disconnected.

Claims

1. A DC circuit breaker containing a choke, one terminal of the winding of which is connected to the positive bus of the power source, the second terminal is connected to the positive terminal of the load through the power circuit of a high-speed circuit breaker, made in the form of series-connected disconnecting contacts, an arcing coil on one magnetic circuit and demagnetizing coils located in the gap of another magnetic circuit having a holding coil connected to a holding current source, capacitor, res side, with one terminal connected to the common bus of the power source and with a negative load terminal, to which a reverse diode pole is connected with one terminal, the second terminal of which is connected to the positive terminal of the load, characterized in that two additional diode columns are introduced, and the inductor winding is made with an intermediate terminal, and a capacitor is connected between the intermediate terminal of the inductor winding and the second terminal of the resistor, in parallel with which is connected the reverse connected first additional diode pole and the second pole back to the additional diode is connected between the intermediate terminal and the first inductor winding of the isolating contacts fast power circuit breaker, the second break contact of which is connected to the positive load terminal.

2. The circuit breaker according to claim 1, characterized in that a third additional diode pole is introduced, connected in the opposite direction in parallel with the arrester coil and the demagnetizing coils of the power circuit of the high-speed circuit breaker.

3. The circuit breaker according to claim 1 or 2, characterized in that an additional capacitor, a fourth and fifth additional diode poles, an additional inductor and a resistor are introduced, the first output of the additional inductor winding connected to the second output of the inductor winding, the second output of the additional inductor through back the fourth additional diode pole connected is connected to the first NC contact of the power circuit of the high-speed switch, and through the additional capacitor and the fifth additionally diode pillar shunted by an additional resistor connected to the second terminal of the resistor.

4. The circuit breaker according to claim 1, characterized in that a second additional capacitor, a sixth additional diode pole and a second additional resistor are introduced, the latter being connected in parallel with the sixth additional diode column, back connected between the common bus of the power source and through the second additional capacitor to positive power supply bus.

5. The circuit breaker according to claim 1, characterized in that a series circuit of a non-linear resistor and a contactor is introduced, connected between the positive load clamp and the positive bus of the power source.