SU1721659A1 - Автоматический выключатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике . Целью изобретени   вл етс  повышение токоограничивающих характеристик. Устройство содержит изол ционный корпус 25, привод 18, механизм свободного расцеплени  22, размещенные в каждом полюсе подвижный 4 и неподвижный 2 контакты, дугогасительную камеру 5, токоограничмва- ющий элемент 9, расцепитель 10 максимального тока, установленный с возможностью взаимодействи  с механизмом 22, Элемент 9 выполнен б виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника 15, который помещен в теплоизол ционный корпус 12, наполненный жидким азотом 17. Величину сечени  проводника 15 и его длину выбирают исход  из определенных соотношений . 3 ил. СО

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к низковольтным автоматическим выключател м.

Известны автоматические выключате-. ли, в которых ограничение тока короткого замыкани  (КЗ) производитс  при помощи специального токоограничивающего эле- м ента, осуществл ющего сравнительно быстрое введение в цепь сопротивление электрической дуги.

В указанных выключател х введение в цепь сопротивлени , ограничивающего ток КЗ. производитс  не скачкообразно, а постепенно , по мере раст жени  дуги при расхождении контактов, а затем и при перемещении ее по дугогасительным рогам в дугогасительную камеру. Так как скорость нарастани  сопротивлени  дуги и скорость нарастани  тока КЗ в цепи соизмеримы, то

данный автоматический выключатель не позвол ет достигнуть высокой степени токоог- раничени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  автоматический выключатель, содержащий изол ционный корпус, привод и механизм свободного расцеплени , размещенные в каждом полюсе подвижный и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничивающий элемент и расцепитель максимального тока, В этом выключателе в качестве токоограничивающего элемента применен электродинамический узел быстрого разведени  контактов. Под действием электродинамических сил, обусловленных протеканием тока КЗ, происходит размыкание контактов и на них по вл етс  коротка  дуга..С этого момента в цепь вводитс  ограничивающее

4 ГО

О СП Ю

ток КЗ сопротивление. Пока рассто ние между контактами не достигнет определенной величины дуга находитс  в межконтактном промежутке и поэтому ее сопротивление на этом этапе отключени  тока измен етс  незначительно. Поэтому, несколько условно, инерционность в срабатывании токоограничивающего элемента на этом этапе можно назвать механической инерционностью. Снизить механическую инерционность можно за счет применени  дополнительных быстродействующих .приводов , развод щих контакты, работающих от посторонних источников мощности, например от конденсаторов.

После того, как зазор между контактами окажетс  достаточным дл  выхода дуги из межконтактного промежутка, начнетс  второй этап процесса ограничени  тока. На этом этапе скорость возрастани  сопротивлени  дуги, введенного в электрическую цепь, зависит от скорости движени  ее по дугогасительным рогам и входа в деионную решетку. Поэтому длительность этого этапа процесса токоограничени  определ етс  электрической инерционностью. Чтобы снизить электрическую инерционность процесса токоограничени  необходимо увеличить систему магнитного дуть , примен   дл  этого и посторонние источники.

Таким образом, в этом выключателе высокую степень токоограничени  нельз  достигнуть из-за имеющейс  инерционности (как механический, так и электрической) в срабатывании токоограничивающего элемента . Исключить указанную инерционность в срабатывании токоограничивающего элемента , принцип действи  которого основан на введении в цепь электрической дуги, фактически невозможно.

Цель изобретени  - повышение токоог- раничивающих характеристик.

Дл  этого предлагаемый автоматиче ский выключатель, содержащий изол ционный корпус, привод-, механизм свободного расцеплени  и размещенные в.каждом полюсе подвижный и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничиваю- щий элемент, рас целитель максимального тока, установленный с возможностью взаимодействи  с механизмом свободного расцеплени , снабжен теплоизол ционным корпусом, наполненным жидким азотом, а токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника , который помещен в теплоизол ционный корпус. При этом величина сечени  высокотемпературного сверхпроводника Snp равна

пр

, ер 3kp

где JCp - ток срабатывани  токоограничивающего элемента;

JKP - критическа  плотность протекающего через сверхпроводник тока, при которой исчезают сверхпровод щие свойства, а длина I высокотемпературного проводника равна

,R-SnP

Р где R - сопротивление, которое необходимо

включить в цепь с заданным напр жением, чтобы получить в цепи ток, равный величине

тока срабатывани  Ср токоограничивающего элемента;

/э-удельное сопротивление проводника

при потере им свойств сверхпроводимости,

За счет того, что в выключателе токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника , который помещен в теплоизол ционный корпус, наполненный жидким азотом, при этом сечение Snp и длина сверхпроводника I определ ютс  приведенными выше выражени ми, достигаетс  повышение токоограничивающих характеристик выключател .

Высокие токоограничивающие свойства в предлагаемом выключателе обеспечиваютс  за счет того, что характерное врем  процесса перехода сверхпроводника из сверхпровод щего состо ни  в обычное (т.е. характерное врем  ввода в цепь ограничительного сопротивлени ) на один-два пор дка меньше, чем процесс нарастани  тока КЗ. В выключател х, в которых ограничение тока достигаетс  за счет ввода в цепь с током КЗ сопротивлени  дуги, указанных

выше соотношений между скоростью ввода сопротивлени  и скоростью нарастани  тока КЗ обеспечить практически невозможно. На фиг. 1 показан предлагаемый автоматический выключатель; на фиг. 2 - структурна  электрическа  схема; на фиг. 3 - графики, отражающие характер изменени  тока в цепи, сопротивлени  токоограничивающего элемента и напр жени  дуги на контактах выключател .

В каждом полюсе выключател  имеютс  неподвижный контактодержатель 1 с неподвижным контактом 2. подвижный контактодержатель 3 с подвижным контактом 4 и

дугогасительна  камера 5. Неподвижный контактодержатель t гибким соединением 6 соединен с вводным зажимом 7, Контактные нажати  осуществл ютс  контактными пружинами 8. На токопроводе, соедин ющем

подвижный контактодержатель 3 с токоог- раничивающим элементом 9, установлен электромагнитный расцепитель 10 максимального тока, который выполнен с возможностью воздействи  на отключающую рейку 11. Токоограничивающий элемент состоит из теплоизол ционного корпуса 12, который п редста вл  ет собой сосуд с двум  стен ками. между которыми создан вакуум (наподобие сосуда Дьюара), вводного 13 и выводного 14 патрубков высокотемпературного сверхпроводника 15 изол ционных плит 16, к которым креп тс  элементы сверхпроводников 15. Внутрь корпуса 12 через патрубки 13 и 14 подаетс  жидкий азот 17 от компрессора или емкости (на фиг. не показаны).

Выключатель содержит общий дл  всех полюсов электропривод 18, обеспечивающий включени  и отключени , который включает в себ  руко тку 9, пружину 20, систему ломающихс  рычагов 21, а также имеет механизм свободного расцеплени 

22,включающий в себ  рычаг расцеплени 

23,сбоку 24 и отключающую рейку 11. Выключатель размещен в изол ционный корпус 25.

Структурна  схема выключател  (см. фиг. 2), содержит вводные зажимы 7, неподвижные 2 и подвижные 4 контакты, привод 18, механизм свободного расцеплени  22. раецепители максимального тока 10, токо- ограничивающий элемент 9с вводным 13 и выводными 14 патрубками и с высокотемпературным сверхпроводником 15.

Приведенные на фиг. 3 графики отражают изменени  следующих параметров:

i(t) - график изменени  протекающего через выключатель тока;

RT/O (t) - график сопротивлени  токоограничивающего элемента.

UR(T.) - график изменени  напр жени  на контактах выключател .

Выключатель работает следующим образом .

В исходном положении неподвижные 2 и подвижные 4 контакты выключател  разомкнуты (см. фиг. 2). При воздействии на привод 18 выключател  руко тка 19 выключател  переводитс  в положение Включено (см. фиг. 1). В результате, под действием пружины 2, за счет перемещени  системы ломающихс  рычагов 21 подвижный контактодержатель 3 подвижных контактов 4 занимает положение, соответствующее замыканию неподвижных 2 и подвижных 4 контактов. Через выключатель , в том числе и через токоограничиваю- щий элемент 9, начинает проте кать номинальный ток. Так как при протекании номинального тока плотность тока через

сверхпроводник 15 получаетс  меньше критической J«p, то сопротивление токоограни- чивающего элемента 9 близко к нулю.

При возникновении тока КЗ в цепи ток 5 через выключатель, в частности через токо- ограничивающий элемент 9, начинает возрастать (см. фиг. 3). При достижении током КЗ величины тока срабатывани  электромагнитного расцепител  10 максимального

0 тока (Icp.p) расцепитель 10 (см. фиг. 1) начинает воздействовать на отключающую рейку 11.

При дальнейшем нарастании тока КЗ в момент достижени  им величины тока сра5 батывани  токоограничивающего элемента 9 0 ср т/о) происходит быстрый переход высокотемпературного сверхпроводника 15 токоограничивающего элемента 9 из сверхпровод щего состо ни  в обычное (см,

0 фиг. 3). Тем самым в электрическую цепь быстро вводитс  сопротивление Rep- Следует отметить, что удельное сопротивление токоограничивающего элемента 9 при утере им своих сверхпровод щих свойств по

5 своей величине получаетс  одного пор дка с удельным сопротивлением такого высоко- омного материала, как нихром. При этом после достижени  критической плотности тока JKp в токоограничивающем элементе 9

0 его удельное сопротивление быстро увеличиваетс  до величины, несколько меньшей своего наибольшего значени . При дальнейшем увеличении тока, а значит и плотности тока в токоограничивающем элементе 9,

5 удельное сопротивление последнего возрастает до своего наибольшего значени . В соответствии с изменением удельного сопротивлени  измен етс  и величина сопротивлени  токоограничивающего элемента 9

0 RT/O (см. фиг. 3).

Параллельно процессу изменени  сопротивлени  токоограничивающего элемента 9 -происходит процесс срабатывани  механизма свободного расцеплени  22.

5 После поворота отключающей рейки 11 скоба 24 выходит из зацеплени  с ней и освобождает рычаг расцеплени  23. Под действием пружины 20 механизма свободного расцеплени  22 через ломающиес  ры0 чаги 21 подвижные контактодержатели 3 подвижных контактов 4 начинают движение в сторону размыкани  контактов. Врем  от начала тока КЗ до момента расхождени  контактов 2 и 4 от срабатывани  механизма

5 свободного расцеплени  22 называетс  собственным временем выключател  tcoB. С момента времени Хсоб (см. фиг. 3) в цепь начинает вводитьс  сопротивление электрической дуги. Сопротивление электрической дуги при достижении ее в процессе

движени  по дугогзсительным рогам и входа в дугогасительную камеру 5 возрастает, увеличиваетс , как это видно на кривой L)R(t) (см. фиг. 3), и напр жение на дуге. В результате этого ток в цепи уменьшаетс  вплоть до нул  и происходит отключение цепи. Так как при протекании тока через высокотемпературный сверхпроводник 15 токоограничива- ющего элемента 9 происходит его нагревание, то его сопротивление, даже по- еле уменьшени  тока до величины ниже тока срабатывани  токоограничивающего элемента 9 Icp т/о, остаётс  достаточно высоким до тех пор, пока температура высокотемпературного сверхпроводника 15токоограни- чивающего элемента 9 не достигнет температуры перехода в сверхпровод щее состо ние. Этот эффект сохранени  высокого сопротивлени  после прохождени  через токоограничивающий элемент 9 тока повы- шает эффективность отключени  тока на заключительном этапе.

Claims (1)

1. Таким образом, по сравнению с прототипом скорость перехода из сверхпровод щего состо ни  в обычное, присуща  токоогранмчителю. выполненному на базе высокотемпературного сверхпроводника, обеспечивает эффективность начального процесса токоограничени  предлагаемым выключателем. В совокупности с эффектив- ной заключительной стадией отключени  тока КЗ применение предлагаемого выключател  обеспечивает повышение токоогра- ничивающих характеристик. I Формула изобретени 

   Автоматический выключатель, содержащий изол ционный корпус, привод, механизм свободного расцеплени , размещенные в каждом полюсе подвижный

   Snp.-

   и неподвижный контакты, дугогасительную камеру, токоограничивающий элемент, рас- цепитель максимального тока, установленный с возможностью взаимодействи  с механизмом свободного расцеплени , о т- личающийс  тем, что, с целью повышени  токоограничивающих характеристик, он снабжен теплоизол ционным корпусом, наполненным жидким азотом, а токоограничивающий элемент выполнен в виде отрезка высокотемпературного сверхпроводника, который помещен в теплоизол ционный корпус, при этом величина сечени  высокотемпературного сверхпроводника равна

   4.. Jkp

   где Snp - величина сечени  высокотемпературного сверхпроводника;

   Icp - ток срабатывани  токоограничивающего элемента;

   JKP - критическа  плотность протекающего через высокотемпературный сверхпроводник тока, при которой исчезают сверхпровод щие свойства, а длина высокотемпературного сверхпроводника равна

   где I - длина высокотемпературного сверхпроводника;

   R - сопротивление, которое необходимо включить в цепь с заданным напр жением, чтобы получить в цепи ток, равный величине тока срабатывани  Ср токоограничивающего элемента;

   р- удельное сопротивление высокотемпературного сверхпроводника при потере им свойств сверхпроводимости.

   SWMiMJiH ili.

   Ч | |1 II .

   .l.

   «wlW liWiffi ii t

    

   ffifflp

   - -«.-у i ч 1

   Д.. v i ..у 1.

   го

   IV)

   %Wo fyp

   Ua

   Фиг 5