RU2236057C1

RU2236057C1 - Heavy-current vacuum circuit breaker

Info

Publication number: RU2236057C1
Application number: RU2003105797/09A
Authority: RU
Inventors: А.А. Перцев (RU); А.А. Перцев; Г.С. Белкин (RU); Г.С. Белкин; Л.А. Рыльска (RU); Л.А. Рыльская
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина"
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-10

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: heavy-current vacuum circuit breaker, primarily generator one, has at least two vacuum arc-control chambers in each pole. Connected in series with each vacuum arc-control chamber is resistor whose rating is found from expression L/0.3t_op ≤ R ≤ 20r, where L is current circuit inductance including inductance of vacuum arc-control chamber at closed contacts; r is active resistance of vacuum arc-control chamber at closed contacts; t_op is inherent operating time of vacuum circuit breaker.

EFFECT: enhanced short-circuit currents handled by circuit breaker during on- and off-operations.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к сильноточным вакуумным выключателям.The invention relates to electrical engineering, specifically to high-current vacuum circuit breakers.

Известен выключатель [1], в каждом полюсе которого содержатся параллельные токовые ветви. Одна из них является ветвью номинального тока с встроенным коммутирующим элементом, а другие ветви являются силовыми, содержащими вакуумные дугогасительные камеры (ВДК). ВДК при прохождении через полюс номинального тока шунтируются коммутирующим элементом в ветви номинального тока. Требуемое деление тока между параллельными ветвями достигается за счет соответствующего соотношения их полных сопротивлений с преобладанием в последних индуктивных составляющих.Known switch [1], in each pole of which contains parallel current branches. One of them is a rated current branch with a built-in switching element, and the other branches are power ones, containing vacuum interrupter chambers (VDC). When passing through the pole of the rated current, the VDKs are shunted by a switching element in the branch of the rated current. The required division of current between parallel branches is achieved due to the corresponding ratio of their total resistances with a predominance in the last inductive components.

Существенными недостатками выключателя [1] являются невозможность включить ток КЗ с наибольшим пиком более 160-180 кА по причине трудностей создания ВДК на более высокие значения включаемого тока, а также чрезвычайная сложность устройства, обусловленная применением двух типов принципиально различных коммутаторов - ВДК и элегазовый (воздушный) разъединитель - с независимыми приводными устройствами.Significant disadvantages of the circuit breaker [1] are the inability to turn on the short-circuit current with the highest peak of more than 160-180 kA due to the difficulties of creating a VDC for higher values of the switched current, as well as the extreme complexity of the device due to the use of two types of fundamentally different switches - VDK and SF6 (air ) disconnector - with independent drive devices.

Наиболее близким к изобретению является выключатель [2]. В каждом из трех полюсов этого выключателя применено по обычному трехполюсному вакуумному выключателю с соединенными параллельно полюсами. При этом в каждом полюсе выключателя [2] образуется по три параллельных токовых ветви, содержащих по одной ВДК. Токовая нагрузка полюса выключателя делится между тремя параллельными ветвями, чем достигается увеличение номинального тока и способность выключателя включать и отключать ток КЗ. Значение номинального тока увеличивается в три раза по отношению к номинальному току одной ВДК. Однако способность выключателя включать и отключать ток КЗ возросла не в три раза, как этого можно было бы ожидать, а лишь примерно на 25% относительно возможности одной ВДК [3]. Эти значения недостаточны, что исключает возможность применения решения [2] в выключателях для мощных энергосистем и генераторов.Closest to the invention is a switch [2]. In each of the three poles of this circuit breaker, a conventional three-pole vacuum circuit breaker is used with poles connected in parallel. Moreover, in each pole of the switch [2], three parallel current branches are formed, each containing one VDK. The current load of the circuit breaker pole is divided between three parallel branches, thereby increasing the rated current and the ability of the circuit breaker to turn on and off the short-circuit current. The value of the rated current increases three times in relation to the rated current of one VDK. However, the ability of the circuit breaker to turn on and off the short-circuit current did not increase three times, as might be expected, but only by about 25% relative to the possibility of one VDK [3]. These values are insufficient, which excludes the possibility of applying the solution [2] in circuit breakers for powerful power systems and generators.

Цель изобретения состоит в достижении более высоких значений коммутируемых выключателем токов КЗ в операциях включения и отключения. Цель достигается тем, что в вакуумном сильноточном выключателе, преимущественно генераторном, содержащем в каждом полюсе, по крайней мере, две вакуумные дугогасительные камеры, последовательно с каждой вакуумной дугогасительной камерой введен резистор, значение которого R определяется из соотношения

The purpose of the invention is to achieve higher values of short-circuit currents switched by the switch in on and off operations. The goal is achieved by the fact that in a high-current vacuum circuit breaker, mainly a generator circuit breaker containing at least two vacuum interrupter chambers in each pole, a resistor is introduced in series with each vacuum arrester, the value of which R is determined from the relation

где L - индуктивность токовой ветви, включая индуктивность ВДК при замкнутых контактах;where L is the inductance of the current branch, including the inductance of the VDK with closed contacts;

r - активное сопротивление ВДК при замкнутых контактах;r is the active resistance of the VDK with closed contacts;

t_c - собственное время срабатывания вакуумного выключателя.t _c - intrinsic response time of the vacuum circuit breaker.

На чертеже представлена схема одного из трех полюсов вакуумного сильноточного выключателя с двумя ВДК. Полюс выключателя содержит токоподводы 1, 2, через которые осуществляется параллельное соединение токовых ветвей. Каждая из ветвей, помимо ВДК 3 и 4, содержит индуктивности 5 и 6, образованные соединительными шинами одной и другой ветвей, а также индуктивностями ВДК 3 и 4. В состав каждой ветви входит по резистору R 7 и 8. Полные электрические сопротивления ветвей в полюсе должны быть одинаковыми. Для управления подвижными контактами ВДК служит привод 9. При необходимости число параллельных токовых ветвей можно увеличить.The drawing shows a diagram of one of the three poles of a vacuum high-current circuit breaker with two VDK. The pole of the switch contains current leads 1, 2, through which parallel connection of current branches is carried out. Each of the branches, in addition to the VDK 3 and 4, contains inductors 5 and 6 formed by the connecting busbars of one and the other branches, as well as the inductors of the VDK 3 and 4. Each branch includes a resistor R 7 and 8. The total electrical resistance of the branches in the pole must be the same. To control the movable contacts of the VDK, drive 9 is used. If necessary, the number of parallel current branches can be increased.

Выключатель работает следующим образом.The switch operates as follows.

При поступлении команды на включение срабатывает привод 9 и происходит смыкание контактов ВДК 3 и 4. Однако процесс смыкания контактов в камерах обязательно различен. Различие обусловлено двумя обстоятельствами. Первое состоит в невозможности реализовать одновременность механического смыкания контактов в обеих ВДК по причинам чисто механическим (люфты в шарнирных соединениях, различная степень износа деталей и т.п.). За счет несовершенства механики выключателя разновременность механического смыкания контактов в ВДК параллельных токовых ветвей может достигать значений 1 мс и более. Второе обстоятельство обусловлено наличием рабочего напряжения на контактах ВДК и возникновением дуги между сближающимися контактами. Эта дуга случайно возникает в промежутке с минимальной электрической прочностью. За счет возникновения дуги возможно опережающее протекание тока по токовой ветви ранее механического смыкания контактов ВДК. Опытным путем найдено, что это опережение также может достигать значений 1 мс. Суммарная разновременность начала протекания тока в параллельных токовых ветвях может достигать 2 мс, а иногда и более. За счет разновременности возникает начальное искажение токораспределения между параллельными ветвями, несмотря на равенство полных сопротивлений ветвей. Искажение может быть весьма большим. С течением времени токи в ветвях выравниваются, причем время выравнивания обусловливается постоянной времени ветвей. Согласно теории переходных процессов, время выравнивания тока в параллельных ветвях приближенно отражается постоянной времени, равной

When a command to turn on is received, drive 9 is activated and the contacts of the VDK 3 and 4 are closed. However, the process of closing the contacts in the cameras is necessarily different. The difference is due to two circumstances. The first is the impossibility of realizing the simultaneous mechanical contact closure in both VDKs for purely mechanical reasons (backlash in articulated joints, varying degrees of wear of parts, etc.). Due to the imperfection of the circuit breaker mechanics, the difference in the mechanical closing of the contacts in the VDK of the parallel current branches can reach values of 1 ms or more. The second circumstance is due to the presence of operating voltage at the VDK contacts and the appearance of an arc between the converging contacts. This arc accidentally occurs in the gap with minimal electrical strength. Due to the occurrence of an arc, it is possible that the current flows ahead of the current branch before the mechanical closure of the VDK contacts. It was experimentally found that this lead can also reach 1 ms. The total difference in the onset of current flow in parallel current branches can reach 2 ms, and sometimes more. Due to the difference in time, the initial distortion of the current distribution between parallel branches occurs, despite the equality of the total resistance of the branches. Distortion can be quite large. Over time, the currents in the branches equalize, and the alignment time is determined by the time constant of the branches. According to the theory of transients, the current equalization time in parallel branches is approximately reflected by a time constant equal to

Постоянная τ должна быть не более одной трети собственного времени срабатывания выключателя, т.е. τ ≤0,3 t_с, поскольку лишь при этом условии произойдет практически полное выравнивание тока между параллельными ветвями к моменту возможной экстренной операции отключения. Следовательно, требуемое значение R должно удовлетворять условию

При значениях R менее найденного токи в параллельных ветвях не будут выровнены к моменту экстренного отключения тока КЗ, что приведет к токовой перегрузке той ВДК, включение которой случилось ранее других, и произойдет отказ в работе выключателя.The constant τ must be no more than one third of the intrinsic time of the circuit breaker, i.e. τ ≤0.3 t _s , since only under this condition the current will almost completely equalize between parallel branches at the time of a possible emergency shutdown operation. Therefore, the required value of R must satisfy the condition

With R values less than the found, the currents in the parallel branches will not be aligned by the time of the emergency short-circuit current, which will lead to current overload of that VDK, the inclusion of which happened earlier than others, and the circuit breaker will fail.

Верхний предел увеличению R устанавливается трудностями теплоотвода от резистора выделяющейся в нем энергии. Опыт показал, что значение R целесообразно ограничить уровнем R≤20r. Изложенное позволяет сформулировать полное выражение для R:

The upper limit to the increase in R is set by the difficulties of heat removal from the resistor of the energy released in it. Experience has shown that it is advisable to limit the value of R to the level of R≤20r. The above allows us to formulate the full expression for R:

Оценим возможные значения R. Обычно значения индуктивностей L токовых ветвей находятся в пределах от 1 до 5 мкГн и определяются в основном длиной ошиновки. Собственное время срабатывания t_c вакуумных выключателей общепромышленного назначения редко бывает менее 50 мс. Возьмем t_c=50 мс. Следовательно, значения R должны находиться в пределах

Let us evaluate the possible values of R. Typically, the values of the inductances L of the current branches are in the range from 1 to 5 μH and are mainly determined by the busbar length. The intrinsic response time t _{c of} general-purpose vacuum circuit breakers is rarely less than 50 ms. Take t _c = 50 ms. Therefore, the values of R must be within

т.е. от 60 до 300 мкОм в зависимости от длины ошиновки. Такие значения для R представляются вполне реализуемыми как по конструкции, так и по выделяющейся в них энергии и ее отводу. Из приведенного примера также следует, что активным сопротивлением ВДК, которое существенно меньше значений R, в расчетах можно пренебречь.those. from 60 to 300 μOhm depending on the length of the busbar. Such values for R seem to be quite feasible both in design and in the energy released in them and its removal. From the above example it also follows that the active resistance of the VDK, which is significantly less than the values of R, can be neglected in the calculations.

Отметим, что кроме функции уменьшения значения τ, наличие резистора последовательно с ВДК дает возможность контроля электрического режима токовой ветви.Note that in addition to the function of decreasing the value of τ, the presence of a resistor in series with the VDK makes it possible to control the electric mode of the current branch.

Источники информацииSources of information

1. Патент СССР №1542428, кл. Н 01 Н 33/66, опубл. 07.02.90 г., Бюл. №5.1. USSR patent No. 1542428, cl. H 01 H 33/66, publ. 02/07/90, Bull. No. 5.

2. Заявка Германии №4005532, кл. Н 01 Н 33/59, 9/56; Н 02 Н 11/12, опубл. 22.08.91 (прототип).2. German application No. 4005532, cl. H 01 H 33/59, 9/56; H 02 H 11/12, publ. 08/22/91 (prototype).

3. Katalog HG 11.11/1996 г, Simens 1996.3. Katalog HG 11.11 / 1996, Simens 1996.

Claims

A high-current vacuum switch, mainly a generator circuit breaker, containing at least two vacuum interrupter chambers (VDC) in each pole, characterized in that a resistor R is introduced in series with each vacuum arrester, the value of which is determined from the relation

where L is the inductance of the current branch, including the inductance of the VDK with closed contacts;

r is the active resistance of the VDK with closed contacts;

t _s - intrinsic response time of the vacuum circuit breaker.