ОДНОФАЗНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ДИНАМИЧЕСКИМ ОТКЛЮЧЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК H01H81/04 H02H3/08 B60M3/00 B60M3/04 

Однофазный автоматический выключатель переменного тока с динамическим отключением относится к коммутационным аппаратам, применяемым в системе тягового электроснабжения электрических железных дорог переменного тока, и предназначен для ускоренного отключения токов короткого замыкания и токов перегрузки электротяговой сети переменного тока.

В электротяговой сети переменного тока возможно возникновение короткого замыкания [1]. Токи коротких замыкании, особенно при близких коротких замыканиях, способны оказать самое негативное термическое и динамическое воздействие на электротяговое оборудование, в том числе и на силовые понизительные трансформаторы. Возникновение короткого замыкания сопровождается ударным током короткого замыкания, величина которого может превысить предельно допустимые значения для тягового оборудования. Поэтому токи короткого замыкания требуется отключать как можно быстрее, до возникновения ударного тока к.з., то есть быстрее 10 мс.

Существующие выключатели переменного тока, в том числе и вакуумные, не успевают отключать цепь короткого замыкания до возникновения ударного тока к. з., так как для их срабатывания на отключение требуется чтобы прошло время, необходимое на анализ изменения тока нагрузки - тока короткого замыкания, время нарастания магнитного потока в электромагнитном приводе выключателя, собственное время движения штока отключения выключателя - суммарное время составляет 40-100 мс [2].

Известны автоматические быстродействующие выключатели постоянного тока, которые анализируют режим изменения тока нагрузки уже в момент его резкого изменения от тока нагрузки до тока короткого замыкания или тока опасной перегрузки и автоматически посылают команду в привод выключателя для его отключения. Примером такого выключателя является ВАБ-43 (ВАБ-45, ВАБ-49) [3].

Автоматический быстродействующий выключатель постоянного тока включается сигналом, поступающим на его включающую катушку, удерживающая катушка выключателя запитана постоянно и создает необходимый магнитный поток для удержания выключателя во включенном положении. Электромагнитный поток включающей катушки складывается с электромагнитным потоком удерживающей катушки, выключатель включается и уменьшает магнитный зазор между контактами и основным магнитопроводом. Затем включающая катушка отключается, электромагнитного потока удерживающей катушки оказывается достаточно для удержания выключателя во включенном положении.

Во включенном положении выключателя ток нагрузки протекает через главный виток тока выключателя, который создает размагничивающий электромагнитный поток в основном магнитопроводе выключателя. В рабочем режиме электромагнитный поток тока нагрузки недостаточен для отключения быстродействующего выключателя. При увеличении тока нагрузки до тока короткого замыкания либо до тока опасной перегрузки увеличивается электромагнитный поток главного витка тока выключателя. Он оказывается больше электромагнитного потока удерживающей катушки, и выключатель отключается под воздействием механических пружин.

Однако автоматические быстродействующие выключатели постоянного тока, способные гасить электрическую дугу при разрыве тока короткого замыкания или перегрузки, способные осуществлять отключение рабочего тока нагрузки при необходимости в процессе эксплуатации, рассчитаны на применение на постоянном токе и поэтому не могут быть применены на переменном токе. Устройство-аналог - автоматический быстродействующий выключатель ВАБ-43 имеет электромагнитную схему удержания выключателя во включенном положении. Конструкция устройства-аналога и его принцип действия приведены в приложении 1.

На сегодняшний день известен вакуумный выключатель переменного тока типа BB-TEL [4] . Этот выключатель состоит из трех полюсов со встроенными электромагнитными приводами, которые расположены в общем основании выключателя. По команде "включить", поступающей из блока управления выключателем, ток включения протекает по катушке выключателя, якорь выключателя движется вверх, сжимая отключающие пружины выключателя. Вместе с якорем движется подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры. Подвижный и неподвижный контакты вакуумной дугогасительной камеры замыкаются. Катушка выключателя обесточивается. Привод выключателя удерживается во включенном положении за счет магнитной защелки, то есть за счет остаточной магнитной индукции постоянного кольцевого магнита механизма удержания выключателя во включенном положении.

По команде "отключить" ток отключения выключателя поступает из блока управления на катушку выключателя. Полярность приложения тока отключения противоположна току включения выключателя. Ток отключения, протекая по катушке выключателя, создает электромагнитный поток, направленный противоположно направлению магнитного потока постоянного кольцевого магнита магнитной защелки выключателя. Выключатель сбрасывается с магнитной защелки. Отключающие пружины вызывают движение якоря выключателя вниз. Подвижный и неподвижный контакты вакуумной дугогасительной камеры размыкаются. Выключатель отключается. Возможно отключение выключателя вручную, поворотом вала привода выключателя. Конструкция вакуумного выключателя BB-TEL приведена в приложении 2.

Указанный выключатель наиболее близок по схемному и конструктивному исполнению к заявляемому, и он выбран в качестве прототипа.

Заявляемый выключатель предназначен для ускоренного отключения токов короткого замыкания или токов перегрузки при достижении ими порога уставки датчика тока выключателя до достижения этими токами своих максимальных значений - ударного тока, тока короткого замыкания установившегося режима, максимального тока опасной перегрузки. Выключатель призван быстро отключать ток нагрузки динамически - в зависимости от величины тока, протекающего по цепи нагрузки.

Для этого в однофазный автоматический выключатель переменного тока с динамическим отключением, содержащий вакуумную дугогасительную камеру, неподвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры, подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры, пружины поджатия, отключающие пружины, катушку выключателя, магнитный механизм удержания выключателя во включенном состоянии - магнитную защелку, привод выключателя, блок управления выключателем, согласно изобретению дополнительно включены датчик тока, выпрямительное устройство, блок памяти среднего значения тока.

Датчик тока (ДТ) 10 своим входом подключен к подвижному контакту вакуумной дугогасительной камеры 3, то есть к контролируемой электрической цепи, по которой протекает ток нагрузки. Электрическая цепь, ток нагрузки которой контролируется датчиком тока 10, получает питание от неподвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры 2 и от подвижного контакта вакуумной дугогасительной камеры 3. Выводы датчика тока 10 включены на вход выпрямительного устройства 11 (ВУ). Выпрямительное устройство 11 осуществляет выпрямление переменного тока, протекающего в цепи нагрузки, в постоянный ток, протекающий по цепям управления выключателем. На выходе выпрямительного устройства 11 включен блок памяти среднего значения тока 12 (БП). Выходы выпрямительного устройства 11 с включенным в них блоком памяти среднего значения тока 12 включены непосредственно на катушку выключателя 6.

Включается однофазный автоматический выключатель переменного тока с динамическим отключением по команде, поступающей из блока управления выключателем 9 (БУВ). Ток включения протекает из блока управления выключателем 9 на катушку выключателя 6 в полярности включения (см. фиг. 1). Ток включения выключателя создает электромагнитный поток в катушке выключателя 6, суммирующийся с магнитным потоком постоянного кольцевого магнита магнитной защелки выключателя. Якорь выключателя движется вверх. При этом сжимаются отключающие пружины выключателя 5. Вместе с якорем движется подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры 3. Контакты подвижный 3 и неподвижный 2 вакуумной дугогасительной камеры 1 замыкаются. Катушка выключателя 6 обесточивается. Привод выключателя удерживается во включенном положении за счет остаточной магнитной индукции постоянного кольцевого магнита магнитного механизма удержания выключателя во включенном положении 7.

В нормальном режиме работы электротяговой сети выключатель включен, ток нагрузки не превышает уставки датчика тока 10. При этом ток нагрузки преобразуется в соответствующий ток цепей управления выключателем, который не превышает уставку датчика тока 10. Этот ток протекает через выпрямительное устройство 11, которое осуществляет выпрямление переменного тока в постоянный. Стоящий в выходе выпрямительного устройства 11 блок памяти среднего значения тока 12 осуществляет сглаживание пульсирующего постоянного тока и осуществляет запоминание среднего значения тока. Сглаженный выпрямленный ток протекает по катушке выключателя 6, причем электромагнитный поток этого тока противоположен магнитному потоку постоянного кольцевого магнита магнитной защелки выключателя 7. Но величины тока нормального режима работы электротяговой сети недостаточно для преодоления магнитного потока кольцевого магнита 7 (см. фиг. 2). Выключатель не сбрасывается с магнитной защелки и остается во включенном положении.

В случае же возникновения близкого короткого замыкания либо режима опасной перегрузки ток нагрузки выключателя превышает уставку датчика тока 10. Датчик тока 10 преобразует ток нагрузки в ток управляющих цепей. Выпрямительное устройство 11 выпрямляет этот преобразованный переменный ток в постоянный, а блок памяти среднего значения тока 12 сглаживает пульсации этого тока. Выпрямленный сглаженный ток протекает по катушке выключателя 6 (см. фиг.3). При этом электромагнитный поток выпрямленного сглаженного тока, протекающего по катушке выключателя 6, противоположен магнитному потоку постоянного кольцевого магнита 7 магнитной защелки выключателя. При близком коротком замыкании или при опасной перегрузке величины тока, преобразованного датчиком тока 10, выпрямительным устройством 11 и блоком памяти среднего значения тока 12, оказывается достаточно для преодоления остаточной магнитной индукции постоянного магнита 7 механизма удержания. Привод выключателя сбрасывается с магнитной защелки, выключатель отключается.

При штатном отключении выключателя от блока управления выключателем 9 в случае возникновения необходимости в процессе эксплуатации ток отключения протекает от блока управления выключателем 9 (см. фиг.4). Электромагнитный поток тока, протекающего по катушке выключателя 6 от блока управления выключателем 9, достаточен для преодоления силы постоянного магнита, удерживающего выключатель во включенном положении.

Список литературы
1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрических железных дорог. Учебник для вузов. М., Транспорт, 1965. - 464 с.

2. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. Баумштейна И.А., Бажанова С.А. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 768 с.

3. Прохорский А. А. Тяговые и трансформаторные подстанции. Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1983. - 496 с.

4. Данные завода-изготовителя вакуумного выключателя типа BB-TEL "Таврида - Электрик" за 1997 год.

Изобретение относится к коммутационным аппаратам, применяемым в системе тягового электроснабжения электрических железных дорог переменного тока и предназначен для ускоренного отключения токов короткого замыкания и токов перегрузки электротяговой сети переменного тока. Технический результат - наиболее быстрое отключение тока нагрузки динамически - в зависимости от величины тока, протекающего по цепи нагрузки. Выключатель содержит датчик тока 10, который своим входом подключен к подвижному контакту вакуумной дугогасительной камеры 3; выводы датчика тока 10 подключены на вход выпрямительного устройства 11; на выходе выпрямительного устройства 11 включен блок памяти среднего значения тока 12; выход блока памяти среднего значения тока 12 подключен непосредственно к катушке выключателя 6, при этом соблюдена та же полярность сигнала, что и у сигнала отключения выключателя из блока управления выключателем 9. 4 ил.

Однофазный автоматический выключатель переменного тока с динамическим отключением, содержащий вакуумную дугогасительную камеру, неподвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры, подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры, пружины поджатия, отключающие пружины, катушку выключателя, магнитную защелку выключателя с постоянным кольцевым магнитом, привод выключателя, блок управления выключателем, отличающийся тем, что в состав выключателя дополнительно включены датчик тока, выпрямительное устройство, блок памяти среднего значения тока, причем датчик тока своим входом подключен к подвижному контакту вакуумной дугогасительной камеры, выводы датчика тока включены на вход выпрямительного устройства, на выходе выпрямительного устройства включен блок памяти среднего значения тока, выход выпрямительного устройства подключен непосредственно к катушке выключателя, при отключении выключателя электромагнитный поток тока, протекающего по катушке выключателя, противоположен магнитному потоку постоянного кольцевого магнита магнитной защелки выключателя.