RU2191455C2

RU2191455C2 - Device for limiting and switching-off of electric circuit current

Info

Publication number: RU2191455C2
Application number: RU2000120033/09A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Полтанов; А.П. Глинов; А.К. Кондратенко; В.Н. Рындин
Original assignee: Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2002-10-20

Abstract

FIELD: protection of power networks. SUBSTANCE: the device has two parallel electrodes made of resistive material interconnected at the input ends by an electric discharge initiation device. The novelty in the claimed device is in the fact that additional pairs of electrodes are introduced with the respective electric discharge initiation devices connected between the input ends of the pairs of electrodes. The main pair and the additional pairs of electrodes are combined in a common electric discharge unit, in which each pair of electrodes is separated from the others by an electric insulating partition. The unit of electric discharge channels may be coiled in a flat or cylindrical spiral, in which the last pair of electrodes of each turn of the spiral is installed to join the first pair of electrodes of the subsequent turn of the spiral via an electrolyzer. The output end at least of one channel has an electric insulating partition installed along the electrodes and covering the channel in the plane perpendicular to the plane of the electrodes of the given channel. EFFECT: enhanced efficiency of electric circuit current limiting in relatively low-power electric networks at a short-circuit fault. 4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к средствам защиты электрических сетей и предназначено для ограничения и отключения тока электрической цепи. Преимущественно данное изобретение может быть использовано в устройствах защиты электрических сетей и источников электрической энергии от перегрузок при коммутации электрической цепи, например, в результате коротких замыканий. The invention relates to the protection of electrical networks and is intended to limit and disable the current of the electrical circuit. Advantageously, this invention can be used in devices for protecting electric networks and sources of electric energy from overloads during switching of an electric circuit, for example, as a result of short circuits.

Известно устройство для ограничения и выключения тока электрической цепи, содержащее два параллельных электрода, соединенных между собой устройством для инициирования электрического разряда, которое подключено со стороны концов электродов, предназначенных для их включения в защищаемую электрическую цепь [1]. A device for limiting and turning off the current of an electric circuit is known, comprising two parallel electrodes interconnected by a device for initiating an electric discharge, which is connected from the ends of the electrodes intended for their inclusion in a protected electric circuit [1].

Данное устройство имеет относительно низкую эффективность, так как рассеяние энергии при ограничении тока короткого замыкания происходит преимущественно в электрической дуге, а при гашении дуги возникает перенапряжение в защищаемой цепи. This device has a relatively low efficiency, since energy dissipation when limiting the short circuit current occurs mainly in the electric arc, and when the arc is extinguished, an overvoltage occurs in the protected circuit.

Наиболее близким по конструкции и принципу действия устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство для ограничения и отключения тока электрической цепи, содержащее два параллельных электрода изготовленных из резистивного материала, входные концы которых, предназначенные для включения в защищаемую электрическую цепь, соединены между собой устройством для инициирования электрического разряда [2]. The closest device in design and operation principle, selected as a prototype, is a device for limiting and disconnecting the current of an electric circuit, containing two parallel electrodes made of resistive material, the input ends of which are intended to be included in a protected electric circuit, interconnected by a device for initiating an electric discharge [2].

Недостатком такого устройства является низкая эффективность при использовании его для защиты цепей относительно малой мощности. Это связано с тем, что электромагнитная сила, перемещающая дугу вдоль электродов, обратно пропорциональна квадрату тока цепи, а следовательно, при относительно малых токах затруднено плавное введение сопротивления электродов, ограничивающего этот ток. The disadvantage of this device is its low efficiency when used to protect circuits of relatively low power. This is due to the fact that the electromagnetic force moving the arc along the electrodes is inversely proportional to the square of the circuit current, and therefore, at relatively low currents, it is difficult to smoothly introduce the resistance of the electrodes, limiting this current.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности путем стабилизации дугового разряда общим магнитным полем нескольких пар электродов, при относительно малой мощности защищаемой цепи. The technical result of the present invention is to increase efficiency by stabilizing the arc discharge with a common magnetic field of several pairs of electrodes, with a relatively low power of the protected circuit.

Для достижения указанного технического результата предложено усовершенствовать устройство для ограничения и отключения тока электрической цепи, содержащее два параллельных электрода изготовленных из резистивного материала, входные концы которых, соединены между собой устройством для инициирования электрического разряда. Усовершенствование заключается в том, что введены дополнительные пары электродов с соответствующими устройствами для инициирования электрического разряда, причем входные концы всех электродов соединены токопроводными перемычками, образующими последовательное соединение всех устройств для инициирования электрического разряда. Пары основных и дополнительных электродов разделены изоляторами и образуют единый блок электроразрядных каналов, в котором электроды всех пар, имеющие одинаковую полярность, расположены друг над другом стопой. To achieve the technical result, it is proposed to improve the device for limiting and turning off the current of the electric circuit, containing two parallel electrodes made of resistive material, the input ends of which are interconnected by a device for initiating an electric discharge. The improvement lies in the fact that additional pairs of electrodes are introduced with corresponding devices for initiating an electric discharge, the input ends of all electrodes being connected by conductive jumpers forming a series connection of all devices for initiating an electric discharge. The pairs of primary and secondary electrodes are separated by insulators and form a single block of electric discharge channels, in which the electrodes of all pairs having the same polarity are stacked on top of each other.

Во втором варианте реализации предложенного устройства блок электроразрядных каналов свернут в плоскую спираль, при этом разнополярные электроды расположены в параллельных плоскостях, причем последняя пара электродов каждого витка спирали установлена примыкающей через электроизолятор к первой паре электродов последующего витка спирали. In the second embodiment of the proposed device, the block of electric discharge channels is folded into a flat spiral, while the bipolar electrodes are located in parallel planes, the last pair of electrodes of each coil being mounted adjacent to the first pair of electrodes of the subsequent coil through the electrical insulator.

В третьем варианте реализации предложенного устройства блок электроразрядных каналов свернут в цилиндрическую спираль, при этом разнополярные электроды расположены на разных коаксиальных цилиндрических поверхностях, причем последняя пара электродов каждого витка спирали установлена примыкающей через электроизолятор к первой паре электродов последующего витка спирали. In the third embodiment of the proposed device, the block of electric discharge channels is folded into a cylindrical spiral, with bipolar electrodes located on different coaxial cylindrical surfaces, the last pair of electrodes of each coil being installed adjacent to the first pair of electrodes of the subsequent coil of the spiral through an insulator.

В четвертом варианте реализации предложенного устройства на выходном конце, по крайней мере, одного канала содержится электроизоляционная перегородка, установленная вдоль электродов и перекрывающая канал в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов данного канала по высоте. In the fourth embodiment, the proposed device at the output end of at least one channel contains an insulating partition installed along the electrodes and overlapping the channel in a plane perpendicular to the plane of the electrodes of this channel in height.

Сущность предложенного изобретения поясняется прилагаемыми чертежами. На фиг. 1 показана электрическая схема предложенного устройства. На фиг.2 показано поперечное сечение предложенного устройства. На фиг.3 и фиг.4 показаны чертежи по второму варианту реализации предложенного устройства. На фиг.5, фиг. 6 и фиг.7 показаны чертежи третьего варианта реализации предложенного устройства. На фиг.8 и фиг.9 показана конструкция выходного конца каналов по четвертому варианту реализации предложенного устройства. The essence of the proposed invention is illustrated by the accompanying drawings. In FIG. 1 shows an electrical diagram of the proposed device. Figure 2 shows a cross section of the proposed device. Figure 3 and figure 4 shows the drawings according to the second embodiment of the proposed device. 5; FIG. 6 and 7 show drawings of a third embodiment of the proposed device. On Fig and Fig.9 shows the design of the output end of the channels according to the fourth embodiment of the proposed device.

На фиг.1 устройство для ограничения и отключения тока электрической цепи содержит три канала, образованные парами электродов 1 и 2, изготовленных из резистивного материала с повышенным электрическим удельным сопротивлением. Входы каналов, образованные начальными концами электродов 1 и 2 шунтированы устройствами для инициирования электрического разряда 3, например предохранительными плавкими вставками. Кроме того, входы каналов соединены электропроводными перемычками 4 так, что устройства для инициирования электрического разряда 3 соединены последовательно. При этом начальный конец электрода 2 i-го канала соединен с началом электрода 1 i+1-го канала токопроводной перемычкой 4. Входной конец электрода 1 первого канала и входной конец электрода 2 последнего канала, подключены к внешней защищаемой цепи, содержащей источник электрической энергии 5 и нагрузку 6, ток которой необходимо ограничить и отключить. In Fig. 1, a device for limiting and turning off the current of an electric circuit contains three channels formed by pairs of electrodes 1 and 2 made of resistive material with a high electrical resistivity. The channel inputs formed by the initial ends of the electrodes 1 and 2 are shunted by devices for initiating an electric discharge 3, for example, fuse inserts. In addition, the channel inputs are connected by conductive jumpers 4 so that the devices for initiating electric discharge 3 are connected in series. In this case, the initial end of the electrode 2 of the i-th channel is connected to the beginning of the electrode 1 i + 1 of the channel by a jumper 4. The input end of the electrode 1 of the first channel and the input end of the electrode 2 of the last channel are connected to an external protected circuit containing an electric energy source 5 and load 6, the current of which must be limited and disconnected.

Для более наглядного описания, в дальнейшем, принципа действия дополнительно стрелкой В отмечено общее суммарное магнитное поле всех каналов, а стрелками V показан вектор скорости движения электрических дуг 7 после перегорания плавких вставок 3. For a more descriptive description, in the future, of the principle of operation, arrow B additionally indicates the total total magnetic field of all channels, and arrow V shows the velocity vector of the electric arcs 7 after burning fusible inserts 3.

На фиг. 2 показано поперечное сечение каналов предлагаемого устройства имеющего блок из трех электроразрядных каналов, образованных парами электродов 1 и 2, размещенных в электроизоляционном корпусе 8. При этом электроды 1 одной полярности, так же как и электроды 2 другой полярности расположены соответственно друг над другом (отдельными стопами). Каналы разделены друг от друга слоем электроизолятора корпуса 8. In FIG. 2 shows a cross section of the channels of the proposed device having a block of three electric discharge channels formed by pairs of electrodes 1 and 2, placed in an electrical insulating casing 8. In this case, the electrodes 1 of one polarity, as well as the electrodes 2 of the other polarity, are located one above the other (separate feet ) The channels are separated from each other by a layer of electrical insulator of the housing 8.

На фиг.3 в другом варианте реализации предложенного устройства, показана форма блока каналов 8 в виде плоской спирали. Позициями 9 и 10 отмечены соответственно, входной и выходной конец блока каналов. На фиг.4 показано поперечное сечение двух витков плоской спирали. При этом электроды 1 одной полярности, также как и электроды 2 другой полярности, но разных витков спирали, расположены рядом друг с другом стопами через слой электроизолятора корпуса 8. Figure 3 in another embodiment of the proposed device, shows the shape of the channel block 8 in the form of a flat spiral. Positions 9 and 10 marked respectively, the input and output end of the channel block. Figure 4 shows a cross section of two turns of a flat spiral. In this case, the electrodes 1 of one polarity, as well as the electrodes 2 of a different polarity, but of different turns of the spiral, are located next to each other in feet through a layer of electrical insulator of the housing 8.

На фиг.5 и 6 показаны две проекции конструкции предложенного устройства по третьему варианту реализации, а на фиг.7 поперечное сечение трех витков спирали, в которой блоки электроразрядных каналов свернуты в цилиндрические спирали. При этом электроды 1 одной полярности, также как и электроды 2 другой полярности, но разных витков спирали, расположены рядом друг с другом стопами через слой электроизолятора корпуса 8. Позициями 9 и 10 отмечены соответственно, входной и выходной конец блока каналов. Figures 5 and 6 show two projections of the design of the proposed device according to the third embodiment, and Fig. 7 is a cross section of three turns of a spiral in which the blocks of electric discharge channels are rolled into cylindrical spirals. In this case, the electrodes 1 of one polarity, as well as the electrodes 2 of the other polarity, but of different turns of the spiral, are located next to each other in feet through the layer of electrical insulator of the housing 8. Positions 9 and 10 mark the input and output ends of the channel block, respectively.

На фиг. 7 стрелками В показано суммарное магнитное поле всех каналов в результате протекания электрического тока по двум виткам спирали при указанном расположении электродов. In FIG. 7 arrows B show the total magnetic field of all channels as a result of the flow of electric current through two turns of the spiral at the indicated location of the electrodes.

На фиг. 8 и фиг.9 показана конструкция выходного конца блока электроразрядных каналов в двух проекциях по четвертому варианту реализации предложенного устройства. На чертеже фиг.8 обозначены концы разнополярных рельсов 1 и 2, электроизолятор 8 и электроизоляционные перегородки 11, установленные, в данном случае, в первом и последнем канале блока. На продольном сечении Д-Д фиг.9 видны электроды 2, электроизолятор 8 и электроизоляционные перегородки 11. In FIG. 8 and 9 show the construction of the output end of the block of electric discharge channels in two projections according to the fourth embodiment of the proposed device. In the drawing of Fig. 8, the ends of bipolar rails 1 and 2, the insulator 8 and the insulating partitions 11 are installed, installed, in this case, in the first and last channel of the block. On the longitudinal section DD DD of figure 9, the electrodes 2, the electrical insulator 8 and the electrical insulating partitions 11 are visible.

Работа предлагаемого устройства (фиг.1, фиг.2) осуществляется следующим образом. В исходом состоянии электрический ток от источника электрической энергии 5 протекает по нагрузке 6 и по последовательно соединенным перемычками 4 устройствам для инициирования электрического разряда 3, в данном примере по плавким вставкам предохранителя, подключенным к электродам на входе соответствующих электроразрядных каналов. При одновременном разрушении плавких вставок, например, плавлении и обрыве в результате токовой перегрузки и воздействия общего суммарного магнитного поля В всех каналов, на входе каналов между электродами 1 и 2 возникают электрические дуги 7, которые под действием суммарного магнитного поля В электродов всех каналов перемещаются вдоль электродов со скоростью V. По мере движения дуг, в цепь последовательно с нагрузкой включаются участки электродов 1 и 2, изготовленных из резистивного материала с повышенным удельным сопротивлением, от точек подключения внешней цепи до дуги. В результате падения напряжения на указанных участках электродов, а также на сопротивлениях электрических дуг, ограничивается и уменьшается ток внешней цепи. Электрическая дуга гаснет в результате уменьшения тока. При этом отключается ток нагрузки 4. Плавное введение возрастающего активного сопротивления последовательно во внешнюю цепь позволяет рассеять энергию, накопленную в индуктивности внешней цепи и снизить коммутационные перенапряжения. Воздействие на электрический разряд каждого канала суммарного магнитного поля всех каналов позволяет получить устойчивый компактный по длине дуговой разряд и одновременное движение всех дуг к выходным концам каналов. Это способствует восстановлению электрической прочности на участках каналов, близких ко входу и, тем самым, предотвращает повторные электрические разряды на входных концах каналов, возможные в результате падения напряжения на вводимых, по мере движения дуг, сопротивлениях электродов. Величина общего сопротивления электродов выбирается из условий требуемой кратности ограничения (снижения) тока. Например, для защиты от короткого замыкания электрическое сопротивление электродов может быть соизмеримым с номинальным сопротивлением нагрузки. The operation of the proposed device (figure 1, figure 2) is as follows. In the initial state, the electric current from the electric energy source 5 flows through the load 6 and through the devices connected in series by jumpers 4 to initiate electric discharge 3, in this example, through fuse links connected to the electrodes at the input of the corresponding electric discharge channels. With the simultaneous destruction of fusible inserts, for example, melting and breaking as a result of current overload and the influence of the total total magnetic field In all channels, at the input of the channels between the electrodes 1 and 2, electric arcs 7 arise, which under the action of the total magnetic field B of the electrodes of all channels move along electrodes with speed V. As the arcs move, sections of electrodes 1 and 2 made of resistive material with a high resistivity are connected in series with the load in series to connect an external circuit to the arc. As a result of the voltage drop in the indicated sections of the electrodes, as well as in the resistances of the electric arcs, the current of the external circuit is limited and reduced. The electric arc goes out as a result of a decrease in current. This turns off the load current 4. The smooth introduction of increasing active resistance in series in the external circuit allows you to dissipate the energy stored in the inductance of the external circuit and reduce switching overvoltage. The impact on the electric discharge of each channel of the total magnetic field of all channels allows you to get a stable compact along the length of the arc discharge and the simultaneous movement of all arcs to the output ends of the channels. This helps to restore the electric strength in the sections of the channels close to the entrance and, thereby, prevents repeated electrical discharges at the input ends of the channels, which are possible as a result of a voltage drop on the resistance of the electrodes introduced as the arc moves. The value of the total resistance of the electrodes is selected from the conditions of the required multiplicity of current limitation (decrease). For example, to protect against short circuit, the electrical resistance of the electrodes can be commensurate with the nominal load resistance.

Устройство с конфигурацией каналов, показанных на фиг.3 и фиг.5, работает аналогично устройству с прямыми электродами и позволяет уменьшить габариты. Кроме того, в устройствах фиг.3 и фиг.5 после прохождения дугами первого витка спирали каналов, на дуги действует суммарное магнитное поле В от токов рельсов всех пройденных витков. На фиг.4 показано магнитное поле В при движении дуг по второму витку двухвитковой плоской спирали блока каналов. На фиг. 7 показано магнитное поле В при движении дуг по второму витку трехвитковой цилиндрической спирали блока каналов. В этих случаях общее магнитное поле в районе дуг повышено за счет магнитного поля других витков. Следовательно, электрическая дуга будет эффективнее перемещаться при меньших токах. Кроме того, в таких устройствах более высокое значение величины индуктивной составляющей вводимого сопротивления, что повышает эффективность ограничения тока внешней цепи. The device with the configuration of the channels shown in figure 3 and figure 5, works similarly to the device with direct electrodes and can reduce the size. In addition, in the devices of FIG. 3 and FIG. 5, after the arcs pass the first turn of the channel spiral, the total magnetic field B acts on the arcs from the rail currents of all the passed turns. Figure 4 shows the magnetic field B when the arcs move along the second turn of a two-turn flat spiral channel block. In FIG. Figure 7 shows the magnetic field B when the arcs move along the second turn of a three-turn cylindrical spiral of a channel block. In these cases, the total magnetic field in the region of the arcs is increased due to the magnetic field of other turns. Consequently, the electric arc will move more efficiently at lower currents. In addition, in such devices a higher value of the inductive component of the input resistance, which increases the efficiency of limiting the current of the external circuit.

Электроизоляционные перегородки 11, установленные в выходных концах первого и третьего каналов, показанные на фиг.8 и фиг.9, гасят дуги до выхода из каналов, тем самым предотвращают замыкание дуги между электродами первого и последнего каналов, а следовательно повторное нарастание тока. The insulating partitions 11 installed in the output ends of the first and third channels, shown in Fig. 8 and Fig. 9, extinguish the arcs before exiting the channels, thereby preventing the arc from closing between the electrodes of the first and last channels, and therefore the repeated increase in current.

Изобретение позволяет упростить конструкцию устройства для ограничения и отключения тока электрической цепи и повысить быстродействие коммутации при малых коммутационных перенапряжениях, благодаря рассеянию энергии индуктивностей коммутируемой цепи на вводимом активном сопротивлении рельсов. На опытном образце предложенного устройства, содержащем шесть каналов, получено снижение аварийного тока более чем в сорок раз (с 8000 А в момент перегорания плавких вставок, до величины менее чем 200 А в момент погасания дуги) в течение 7-8 миллисекунд. The invention allows to simplify the design of the device for limiting and turning off the current of the electric circuit and to increase the switching speed at low switching overvoltages, due to the dispersion of the energy of the inductances of the switched circuit on the input active resistance of the rails. On the prototype of the proposed device, containing six channels, the emergency current was reduced by more than forty times (from 8000 A at the moment of fusion insert burnout, to less than 200 A at the time of arc extinction) within 7-8 milliseconds.

Источники информации
1. С.Н. Захаров, Я.Н. Шерман, И.Б. Болотин. Устройство для осуществления движения электрической дуги но замкнутому контуру. Авторское свидетельство СССР 112017, кл. МКИ С 01 R 31/02, H 01 Т 1/02 от 02.08.1958.Sources of information
1. S.N. Zakharov, Y.N. Sherman, I.B. Bolotin. A device for implementing the movement of an electric arc but a closed circuit. USSR copyright certificate 112017, cl. MKI C 01 R 31/02, H 01 T 1/02 from 08/02/1958.

2. А.Е. Полтанов, А.П. Глинов, А.К. Кондратенко, В.Н. Рындин. Устройство для ограничения и отключения тока электрической цепи. Заявка на выдачу патента РФ 98110232/09 (011288) от 26.05.1998. 2. A.E. Poltanov, A.P. Glinov, A.K. Kondratenko, V.N. Ryndin. Device for limiting and turning off the current of an electric circuit Application for the grant of a patent of the Russian Federation 98110232/09 (011288) dated 05/26/1998.

Claims

1. A device for limiting and turning off the current of an electric circuit, comprising two parallel electrodes made of resistive material, the input ends of which are interconnected by a device for initiating an electric discharge, characterized in that additional pairs of electrodes are introduced with corresponding devices for initiating an electric discharge, the input ends of two parallel electrodes and additional electrodes are connected by conductive jumpers forming a series connection of all devices to initiate an electrical discharge, wherein two parallel electrodes and a pair of additional electrical insulator and the electrodes are separated to form a single unit of electric channel, wherein all the pairs of electrodes having the same polarity are arranged one above the other foot.

2. The device according to claim 1, characterized in that the block of electric discharge channels is folded into a flat spiral, wherein the bipolar electrodes are located in parallel planes, and the last pair of electrodes of each coil is installed adjacent to the first pair of electrodes of the subsequent coil of the coil.

3. The device according to claim 1, characterized in that the block of electric discharge channels is folded into a cylindrical spiral, while the bipolar electrodes are located on different coaxial cylindrical surfaces, the last pair of electrodes of each coil being mounted adjacent to the first pair of electrodes of the subsequent coil of the coil.

4. The device according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that at least one channel contains an insulating partition installed along the electrodes and overlapping the channel in a plane perpendicular to the plane of the electrodes of this channel.