SU1365155A1 - Быстродействующий автоматический выключатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области низковольтного аппаратостроени , в частности к быстродействующим автоматическим выключател м. Цель изобретени  - повышение эксплуатационных возможностей. Высоковольтный импульс от импульсного трансформатора поджигает дугу между последней и предпоследней деионными nnacTnnavni 30, 31. Эта дуга переключаетс  пс-- средством остальных ii.ncMni и дифференцирующего кондеисатс.- г; нл первую деионную пластину 2п. Эгчм образуетс  шунтирующа  пос 1едов, на  цепь из коммутирующего конденсатора 3 и образованной дуги, подключенна  параллельно контактам 1 , коммутирующего конденсатора 3 образует импульс тока, направленный всг1)еч- но току нагрузки 24, и о достижении током через контакты 1 нулевого значени  блок управлени  10 воздействует на привод контактов 1, отключа  последние. Наличие встречного тока через контакты 1, протекающего через дугу, существенно повышает токоогра- ничивающие свойства быстродействующего автоматического выключател , увеличива  его эксплуатационные .возможности . 3 з.п. ф-лы. 2 ил. 1 (Л

Description

со

О5 СП

Сл

сл

11

Изобретение относитс  к области низковольтного аппаратостроени , в частности к быстродействующим автоматическим выключател м.

Целью изобретени   вл етс  новы- шение эксплуатационных возможностей быстродействующего автоматического выключател .

На фиг. 1 схематически показан предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель; на фиг.2 - врем -токова  диаграмма его работы. Быс тр од ей с ТВ ую1 Ц1й автоматический выключатель содержит механические контакты 1, деионную дугогасительную камеру 2, коммутирующий конденсатор 3, полупроводниковый диод А, импульсный трансформатор 5, содержащий первичную обмотку 6 и вторичную высоковольтную обмотку 7, первый и второй электроды 8 и 9, блок 10 управлени , первый 11 и второй 12 датчики тока, высоковольтные разделительные конденсаторы 13-16, шунтированные высокоомными резисторами 17-20, диф- ференцируюш й конденсатор 21, блок 22 зар да конденсатора 21, блок 23 магнитного дуть , нагрузку 24, к которой через автоматический выключатель подаетс  питание от источника

25питани . Деионна  дугогасительна  камера 2 быстродействующего автоматического выключател  содержит деион ные пластины 26-31, В вариантах предлагаемого а томэтичсского выключател  используетс  промежуточный третий электрод 32 и  ысокоомный резистор 33

Деионна  дугогасительна  камера 2 представл ет собой слегка модифицированную станл.артную деионную решетку автоматического выключател . Промежуточные пластины 27-30  вл ютс  обычЬыми пластинами из меди или стали . Крайн   пластина 31 также  вл етс  стандартной и используетс  дл  подсоединени  к нагрузке 24 и непосредственного подсоединени  к одному из выводов высоковольтной обмотки 7 импульсного трансформатора 5. Друга  крайн   (свободна ) пластина

26отличаетс  от стандартной лишь несколько меньшей (на 8-12 мм) длиной

и используетс  дл  подсоединени  к коммутирующему конденсатору 3. Вблизи деионных пластин 26 и 27 на рассто нии 2-4 мм расположены первый 8 и второй 9 электроды, которые креп тс  в изол ционном корпусе дугогаси- тельной камеры 2 (не показано). Каж

0

5

0

5

51

-

0

5

0

5

0

5

552

дан из деионных пластин 27-30 подсоединена к соответствующим цепочкам параллельно соединенных высоковольтного конденсатора и -высокоомного резистора , а именно: конденсатора 13 и резистора 17, конденсатора 14 и резистора 18, конденсатора 15 и резистора 19, конденсатора 16 и резистора 20 соответственно. Дифференцирующий конденсатор 21 одним своим выводом подключен к первому электроду В, а вторым - к деионной пластине 27. Зар д этого конденсатора емкостью несколько микрофарад осуществл етс  от стандартного малогабаритного блока 22, от независимого источника или от источника 25. Базы магнитного дуть  23 содержат в качестве основной части несколько витков, собранных , например, в виде двух соленоидов , по которым протекает ток, например , из блока 10 управлени . Это достигаетс  тем, что, например, тиристор , используемый в блоке 10 в качестве ключевого элемента, включен последовательно с витками узла 23

(не показано) и при подаче сигнала

I

от датчика тока на управл ющий электрод этого тиристора происходит разр д предварительно зар женного конденсатора в блоке 10 через тиристор , витки узла 23 и первичную обмотку 6 трансформатора 5.

В вариантах исполнени  предлагаемого выключател  вместо полупроводникового диода 4 используетс  высо- коомный резистор 33 и вводитс  вспомогательный электрод 32, расположенный между деионными пластинами 26 и 27 внутри дугогасительной камеры 2 в ее задней части и подключенный к общей точке коммутирующего конденсатора контакта и источника питани .

Быстродействующий автоматический выключатель работает следующим образом .

При протекании через выключатель номинального тока контакты 1 замкнуты и питание от источника 25 подаетс  через эти контакты к нагрузке 24. При этом коммутирующий конденсатор 3 зар жен до требуемого напр жени  от посто нного источника (не показан ) в пол рности, показанной на фиг. 1. Дифференцирующий конденсатор 21 также зар жают от источника 22 до относительно высокого напр жени  1500-2000 В, причем ни зар женные конденсаторы 3 и 21, ни все другие

10

15

20

25

513651

Применение диода 4 позвол ет использовать в предлагаемом выключателе малогабаритные электролитические конденсаторы.

Важной особенностью устройства  вл етс  то, что конденсатор должен выдать только импульс разр дного тока , обеспечивающий лишь переброс тока из цепи контактов в цепь конденсатор - камера, а отключение цепи .осуществл етс  уже дугогасиТельной камерой, т.е. функции конденсатора И камеры разделены, вс  энерги  цепи рассеиваетс  в дуге, благодар  чему конденсатор может быть выбран малой емкости. Поскольку и диод работает в кратковременном режиме, обеспечиваютс  малые габариты и высока  надежность устройства.

Высокое быстродействие блока 10 управлени , построенного на стандартных электронных элементах, импульсного трансформатора 5, датчиков тока также способствует снижению емкости конденсатора 3, поскольку аварийный ток ограничиваетс  на низком уровне фактически в самом начале аварии.

Алгоритм срабатывани  отдельных элементов автоматического выключател  представлен на фиг. 2 врем -токо- вой диаграммой, где I и - номинальный ток; IV - ток установки; I - ток ограничени ; Tq - собственное врем  датчика тока; врем  срабатывани  собственного блока управлени ; Т - 35 врем  вытеснени  тока из цепи контактов в цепь дугогасительной камеры; Т р - врем  спадани  тока к нулю в период токоограничивающего действи  дугогасительной камеры; Т - полное вре- О м  отключени .

В некоторых случа х, например, при спользовании выключател  в цеп х с алой индуктивностью (в цеп х с элек- тролизными преобразовател ми) или при еобходимости исключени  полупроводникового прибора из силовой части выключател  возможно применение варианта быстродействующего автомати- Q еского выключател , в котором вместо диода 4 использован высокоомный езистор 33 (его подключение показано на фиг. 1 штрихпунктирной линией ). В основном, принцип работы это- 55 о варианта выключател  подобен опианному . Отличие заключаетс  в том, то после перехода тока в цепочку онденсатор 3 - дугогасительна  ка0

5

0

5

51

35 О

Q 55

556

мера 2 и размыкани  контактов происходит перезар д конденсатора (в этом случае необходимо использовать непол рный конденсатор) аварийным током и его лева  (по фиг. 1) обкладка становитс  положительной, а права  - отрицательной, и отключение цепи. На отключение цепи в результате перезар да конденсатора не оказывает вли ние наличие резистора 33, шунтирующего конденсатор, поскольку ток через резистор весьма мал (доли миллиампер) из-за очень большого сопротивлени  резистора и недостаточен дл  поддержани  горени  дуги в камере.

Отсутствие полупроводникового диода в данном варианте выключател  повышает надежность устройства, кроме того, дополнительно повышаетс  токоограничивающа  способность выключател , так как напр жение перезар женного конденсатора включено последовательно с напр жением на дугогасительной камере в цепи и суммируетс  с ним. Вместе с тем, наличие этого напр жени  на конденсаторе не оказывает большого вли ни  на нагрузку , поскольку в последовательной цепи включено напр жение источника, направленное против напр жени  на конденсаторе. Шунтирование конденсатора высокоомным резистором не вли ет на работу выключател : это большое сопротивление пор дка 1-10 мОм и поэтому даже при напр жении на конденсаторе 1000 В потери мощности на таком резисторе весьма малы (0,1- 1,0 Вт). Кроме того, применение такого резистора не вли ет на готовность выключател  к повторному отключению аварийного тока, поскольку основной перезар д конденсатора дл  нового цикла осуществл етс  от сети его питани , а интервал следовани  аварий, которые должен отключать выключатель, значительно больше посто нной времени его разр да. Наконец, исключение из устройства электролитического конденсатора 3 и применение вместо него непол рного, например бумажного, конденсатора 3, повьппает надежность работы , особенно при высокой и низкой температуре окружающей среды.

В еще одном варианте быстродействующего автоматического выключател  обеспечиваетс  возможность ограничени  перенапр жений на гас щем конденсаторе без применени  диода 4 и резистора 33, что актуально дл  защи31

элементы не оказывают вли ни  на работу выключател . Если в цепи возникает аварийный режим, ток через контакты 1 растет и достигает величины уставки датчика 11 тока, который включен в цепи нагрузки и  вл етс  стандартным (например, дифференциальный датчик, обеспечивающий любое требуемое быстродействие благодар  способности выдавать сигнал с упреж- дением, например, в зависимости от скорости роста аварийного тока).

Датчик 11 тока выдает сигнал в блок 10 управлени . При по влении этого сигнала блок 10 управлени  обеспечивает подачу на вторичную обмотку 7 импульсного трансформатора высоковольтного импульса пор дка 6- 10 кВ. В результате этого происходит электрический пробой промежутка меж- ду пластинами 31 и 30 деионной дуго- гасительной камеры, к которым через разделительный конденсатор 16 весьма малой емкости (несколько сот пико- фарад) прикладываетс  высокое напр жение . В результате пробо  конденсатор 16 оказываетс  зар женным в пол рности, показанной на фиг. 1. Затем через несколько микросекунд происходит пробой промежутка между пла- стинами 30 и 29, к которым также прикладываетс  высокое напр жение (минус от одного вывода обмотки 7 транформатора через низковольтную дугу между пластинами 31-30 и плюс от другого вывода трансформатора через разделительный конденсатор 15).

Аналогичным образом осуществл етс  быстрый последовательный пробой между пластинами 29-28, 28-27 и 29-28, 28-27, пластиной 27 и дополнительным электродом 9. Инициирующее действие дуги между пластиной 27 и дополнительным электродом 9 приводит к ионизации пространства между допол нительным электродом 8 и пластиной 27. Наличие достаточно высокого напр жени  между электродом В и пластиной 27 в конечном счете приводит к электрическому пробою между ними и образованию дуги. Эта относительно мощна  дуга между электродом 8 и пластиной 27 под действием магнитного пол , создаваемого узлом 23 магнитного дуть , перемещаетс  в сторону пластины 26 и своим телом замыкает пластины 26 и 27, Этим моментом фиксируетс  образование серии последовательно гор щих дуг между всеми пла554

стинами 26-31 деионной дугогаситель- ной камеры (фиг. 1). Таким образом, в течение нескольких дес тков микросекунд цепь между пластинами 26-31 оказываетс  замкнутой и дл  гас щего конденсатора 3 образуетс  контур дл  разр да через последовательно соединенные дуги между пластинами 26-31 и замкнутые контакты 1

Ток разр да конденсатора 3 направлен против тока нагрузки, протекающего через контакты 1 от источни ка 25.В св зи с этим результирующий ток через контакты 1 будет уменьшатьс , фактически будет происходить вытеснение тока из цепи контактов 1 и в параллельно к ним подключенную цепочку , состо щую из последовательно соединенных конденсаторов 3 и камеры 2. В момент, близкий к нулю тока через контакты 1, срабатывает датчик 12 тока (фактически датчик нул  тока ), который выдает сигнал на блок 10 управлени . Простейша  схема И этого блока после получени  сигнала от датчика 12 тока (а еще ранее от датчика 11 тока) выдает команду на размыкание контактов I фактически в бестоковом состо нии.. Быстрое размыкание контактов 1 может быть выполнено с помощью любого известного быстродействующего устройства. После размыкани  контактов ток нагрузки еще некоторое врем  (в зависимости от величины индуктивности цепи, емкости конденсатора, аварийного тока и параметров нагрузки) будет протекать через конденсатор и камеру, а затем после спадани  напр жени  н конденсаторе к нулю - через диод и камеру.

Теоретически с момента, когда напр жение на конденсаторе 3 спало к нулю, а фактически даже еще раньше в цепи нагрузки, где произошла авари , оказываетс  включенной дуго- гасительна  камера с полньп заданным напр жением на дуге, что обеспечивает быстрое ограничение тока и отключение цепи, близкое к теоретически достижимому. В св зи с тем, что контур , включающий в себ  контакт 1, камеру 2 и конденсатор 3, вьшолнен малоиндуктивным, разр д конденсатора 3 на этот контур происходит быстро (0,2-0,3 мс), и в целом токоог- раничение от действи  полного напр жени  на дуге начинаетс  за врем , менее 1 мс.

71

ты цепей с большой индуктивностью, например, преобразователей дл  металлургического электро11ри} одл. С этой целью в деионну}) ду го гасительную камеру 2 ввецен третий вспомогательный электрод 32, расположенный, например , между деиопнь ми пластинами 2Ь и 27 в задней части камеры. Вывод электрода 32 подсоединен к пеной обкладке гас щего конденсатора 3 (как это показано на фиг. 1 птрихпунктир- ной линией). ,ип паботы этого варианта нык.икшател  подобен описанному , отличие состоит в том, что к моменту, ко1 да дуга между деионными пластинами 26 и 27 уже на этапе то- коограничени  достигает переднего конца BcnoMoraTej.,jHoro электрода 32 (до этого момента осушествовени  электрода 32 гонерп .енно не вли ет па работу выкл о ател  ), цепь между пластиной 26 и TjiexTponoM 32 оказываетс  закороченное этой дугой, В результате этого паоаллельно конденсатору 3 оказываетс  включенной дуга, гор ща  между пластиной 26 и электродом 32. Это означает, что напр - Жение на конденсаторе при отключении аварийно7 о тока пс пррвьпиает iie- скольких .гес ткоп воль , что особен эффективно при отключении цепей с большой индуктивностью и большим то- ком. При необходимости вспомогательный электрод мо1-г т ыть помещен меж- ДУ другими  ,аио)ными пластинами или подключен к одной из них непосредственно .

Быстродействую дий автоматический выключатель может эф -йктив1 ; использоватьс  при любом числе деиониых пластин дуг огасг: т--.rrbh-oi i камр.ры, т е практически при любом тpeбye toм номинальном напр жении выключател . Предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель предназначен прежде всего дл  защиты мощных полу- проводннковых (THpHCTODb bix и диодных преобразовательных агрегатов и других ответственных объектов, где требуетс  высокое быстродействие и до- статочна  надежность работы, в том числе и при коммутации мощных высо- коиндуКтивных цепей.

Фор.мула изобретечи 

Claims (4)

1. Быстродействующий автоматический выключатель, содержащий контакты , привод контактов, выво-да дл  под0

5

5

- 0 , 35

4Q 45 50

gg

558

ключени  нагрузки, деионнута дугога- ситепьную камеру с деионними пластинами , первый и второй электроды, высоковольтные резисторы, выводы дл  подключени  источника питани  посто нного тока, отличающийс  тем, что, с целью повышени  эксплуатационных возможностей, в него введены блок магнитного дуть , коммутирующий конденсатор с шунти- руюшим элементом, дифференцирующий конденсатор, разделительные конденсаторы , блок зар да, первый и второй датчики тока, блок управлени  с двум  входами и трем  выходами, импульс- 1ный трансформатор, первый вывод контактов подключен через первый датчик тока к первому выводу дл  подключени  нагрузки, второй вывод контактов соединен с плисовым выводом дл  подключени  источника питани  посто нного тока, выход привода контактов подключен к первому выходу блока управлени , информационный выход первого датчика тока соединен с первым входом блока управлени , информационный выход второго датчика тока соединен с вторым входом блока управлени , минусовой вывод дл  подклю- че1П5  источника пита1ш  посто нного тока через второй датчик тока подключен к второму выводу дл  подключени  нагрузки, перва  обкладка коммутирующего конденсатора соединена с плюсовым выводом дл  подключени  источника питани  посто нного тока, втора  обкладка коммутирующего конденсатора подключена к первой деионной пластине , параллельно дифференцирующему конденсатору включен блок зар да, первый электрод подключен через параллельную цепь блока зар да и дифференцирующего конденсатора к второй деионной пластине, второй и третий выходы блока управлени  соединены соответственно с вьшодами первичной обмотки импульсного трансформатора, каждый из разделительргых конденсаторов включен параллельно одному из высокоомных резисторов, первый вьгаод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с вторым электродом и через соответствующую параллельную цепь из высокоомного резистора и разделительного конденсатора с второй , третьей, четвертой и п той деионными пластинами, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с шестой деионной

пластиной и с первым выводом дл  подключени  нагрузки, причем первый электрод расположен на одной горизонтали с первой деионной пластиной и перед ней, второй электрод - между первым электродом и второй деионной пластиной.

2. Выключатель по п. 1, отличающийс  тем, что в качестве шунтирующего элемента использован полупроводниковый диод, анодом подключенный к первой обкладке коммутирующего конденсатора, а катодом - к второй обкладке коммутирующего конденсатора .

3.Выключатель , по п. 1, отличающийс  тем, что в качестве шунтирующего элемента использован высокоомный резис - тор.

4.Выключатель по пп. 1 и 2 или 3, отличающийс  тем,, что в него введен третий электрод, соединенный с первой обкладкой коммутирующего конденсатора, причем третий электрод расположен в задней части деионной дугогасительной камеры , между двум  какими либо деионны- ми пластинами.

Try 7

Редактор Н.Егорова

раг.

Составитель Г.Корсаков Техред М.Ходанич

Те

Корректор М.Демчик