УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВАРИЙНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ Российский патент 2001 года по МПК H02H9/02 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в электрических цепях и сетях для автоматического ограничения тока (например, тока короткого замыкания) и последующего отключения линии от источника питания.

Известны устройства защиты от аварийных токов [1], основанные на использовании в качестве токоограничивающего элемента дуги, образующейся между расходящимися контактами.

Главными недостатками таких устройств являются: ограничение тока за счет образующейся между расходящимися контактами дуги, что в свою очередь требует применения дугогасительных камер и вызывает перенапряжение в цепи; надежная работа устройств возможна лишь при больших (порядка 10⁴ А) значениях аварийного тока и при условии существенного превышения им номинального значения. При больших величинах токов, соответствующих условию F_э.к + F_э.п. ≈ F (начало расхождения контактов), где F - сила контактных пружин; F_э.к.- электродинамическая контактная сила; F_э.п. - электродинамическая петлевая сила, возникает "дребезг" контактов, приводящий к их нагреву и разрушению.

Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату является устройство ограничения тока короткого замыкания [2], содержащее реактивный элемент в виде индуктивности (реактора) и шунтирующую его контактную группу, в качестве привода которой используется включенный последовательно в рабочую цепь электродинамический механизм (ЭДМ). Недостатками этого устройства являются наличие дорогостоящего реактора, жесткие по дугогашению требования к контактной группе и недостаточная эффективность в области невысоких значений аварийных токов, что вызывает усложнение конструкции ЭДМ с целью компенсации снижения электродинамических усилий путем возрастания производной индуктивности при перемещении подвижной части ЭДМ.

Предлагаемое устройство для аварийного автоматического отключения электрической цепи выполняет задачу ограничения мгновенного значения тока в электрической цепи и отключения ее от источника напряжения при возникновении в ней короткого замыкания.

Устройство для аварийного автоматического отключения электрической цепи, содержащее реактивный элемент, электродинамический механизм, магнитоэлектрический механизм (МЭМ), состоящий из N магнитных секций, содержащих подвижную и неподвижную части, гибко связанные на одной стороне и с помощью пружины смещенные на фиксированное расстояние δ_н на другой стороне, при этом подвижные части секций жестко связаны со штангой, упругой связью соединенной с подвижным элементом контактной группы; а электродинамический механизм содержит N электродинамических секций, состоящих из подвижных и неподвижных частей, соединенных последовательно, причем подвижные части секций смещены на расстояние γ_н с внешней стороны воздушного зазора магнитной секции, при этом начало неподвижной части первой электродинамической секции соединено с выходом цепочки ускоряющих обмоток, каждая из которых размещена на неподвижной части соответствующей магнитной секции, вход цепочки соединен с входом устройства, начало неподвижной части первой электродинамической секции подключено через размыкающиеся контакты контактной группы и конденсатор к входу устройства.

Введение в устройство аварийного автоматического отключения магнитно-электрического механизма, использование его взаимодействия с электродинамическим механизмом позволяет значительно расширить диапазон применения устройства в области "малых" значений аварийных токов, т.к. уменьшение воздушных зазоров при движении подвижных частей магнитных секций, обусловленное движением подвижных частей электродинамических секций, приводит к резкому изменению магнитных потоков в них, что во много раз превосходит токоограничивающий эффект по сравнению с известными устройствами и обеспечивает отключение рабочей цепи в режиме малых токов, а коммутация электрического соединения ускоряющей обмотки в процессе отключения снижает возможность дугообразования. Обоснованием высказанных соображений служат следующие выкладки.

1. Оценка увеличения силового воздействия на подвижную часть контактной группы в МЭМ по сравнению с ЭДМ в прототипе. Для оценки воспользуемся простейшим случаем, когда ЭДМ состоит из двух параллельных проводников. В этом случае сила, действующая через упругий элемент на подвижную часть контактной группы (в статике) от ЭДМ (в прототипе равна)
F_эмд= μ_oi²l/d,
где μ_o= 4π•10^-7;
d - расстояние между подвижной и неподвижной частями ЭДМ в рассматриваемый момент времени (подвижная часть находится у входа в воздушный зазор магнитной секции);
l - длина подвижной части секции ЭДМ;
i - ток в рабочей цепи.

Сила, действующая на подвижную часть контактной группы, в устройстве состоит из двух составляющих:
F_эм - сила реакции со стороны проводника с током на подвижную часть магнитной секции (упругость магнитного поля)

где Φ - поток в воздушном зазоре;
Φ = i WG; G = μ_oS/δ,
где S - площадь поперечного сечения магнитной секции в воздушном зазоре; W - число витков в катушке.

Следовательно F_эм= μ_oi²Wl/δ;
где F_м - сила взаимного притяжения частей магнитной секции;

Коэффициент усиления по силовому воздействию

где K_эм= (d/δ)W.
Для предлагаемой конструкции, S = К_нI², где К_н ≅ 1,
K_у=K_эм(1+K_эмK_нW²I/d)
2. Оценка усиления токоограничивающих свойств предлагаемого устройства в основном определяется величиной противоЭДС (1) наводимой в ускоряющих обмотках магнитных секций при изменении воздушного зазора в магнитных секциях МЭДМ.

e = -ΔΦ/Δt.
Магнитный поток в воздушном зазоре, определяемый как
Φ = iW_yG = μ_oW_уS/(δ_н-x)i(t),
является функцией двух переменных x, t.

Поэтому, обозначая δ = (δ_н-x), выпишем

После выполнения преобразований с учетом приведенных формул для магнитного потока и проводимости воздушного зазора для ЭДС в обмотке магнитной секции получим результирующее выражение
e = 2μ_oW_s/δ((V/δ)i+di/dt) (^*).
Выражение (*) поясняет "физическую" суть повышения "чувствительности" обнаружения аварийного режима. Действительно, известно, что ударное значение тока короткого замыкания наступает приблизительно через 0.01 c от момента перехода тока через нуль, в то же время при нормальном режиме максимальное значение достигается через 0.005 (фиг. 1). Поэтому при выборе величин δ_н и γ_н по номинальному режиму в случае возникновения короткого замыкания именно в интервале от 0,005 - 0,001 c, составляющие в скобках выражения (*) совпадают по знаку и резко увеличиваются по величине (так как δ - убывает, di/dt - возрастает).

На фиг. 1 представлены графики изменения тока от времени в цепи в рабочем (I_р) и аварийном (I_кз) режимах.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства для аварийного отключения электрической цепи.

Устройство для аварийного отключения электрической цепи содержит магнито-электрический механизм 1, состоящий из N магнитных секций 2, содержащих подвижную и неподвижную части, упруго связанные на одной стороне и с помощью пружины 3 смещенные на расстояние δ_н на другой стороне. При этом подвижные части секции жестко связаны со штангой 4, в свою очередь упругой связью 5 соединенной с подвижным элементом 6 контактной группы 7; электродинамический механизм 8, содержащий N электродинамических секций 9, соединенных электрически последовательно, каждая секция состоит из подвижной и неподвижной части, причем подвижные части секций смещены на расстояние γ_н с внешней стороны воздушного зазора магнитной секции 2, при этом начало неподвижной части первой электродинамической секции 9 соединено с выходом цепочки ускоряющих обмоток 10, каждая из которых размещена на неподвижной части соответствующей магнитной секции 2, вход цепочки соединен с входом устройства 11, начало подвижной части первой электродинамической секции 8 подключено через размыкающиеся контакты контактной группы 7 к выходу устройства 12, а через замыкающиеся контакты (с d) контактной группы 7 и через конденсатор - к входу устройства 11; защелочный механизм 13, механически связанный со штангой 4 и управляемым электромагнитом 14.

На фиг. 2б представлено схематическое изображение сечения магнитной секции 2;
На фиг. 2в - упрощенная схема электрических соединений.

Работа устройства аварийного автоматического отключения электрической цепи происходит следующим образом. При нарастании тока до значения i_тр = К I_АН, где К - коэффициент запаса, учитывающий диапазон превышений рабочего режима; I_АН - амплитудное значение номинального режима, подвижная часть электродинамической секции 9 начинает перемещаться по направлению к магнитной секции 2 и входит в зону магнитных потоков рассеивания секции. Выбором величин d, δ_н, γ_н достигается такая динамика движения подвижной части секции 9, при которой скорость ее близка к 0 для мгновенных значений тока порядка I_тр. С учетом того, что при t = t_тр (фиг.1) и поток рассеивания мал, величина втягивающей силы незначительна и подвижная часть секции 9 возвращается в исходное состояние. В случае режима короткого замыкания (фиг. 1), скорость изменения тока в окрестности точки t_тр приобретает существенные значения, что вызывает значительное повышение втягивающей силы, что приводит к ускорению перемещения подвижной части магнитной секции 2, а следовательно, увеличению магнитного потока Φ (Φ ~ S/(δ_н-x)) и ускорению движения подвижных частей электродинамических и магнитных секции. В силу нелинейного характера зависимостей F_м(Φ) и F₂(Φ) происходит скачкообразное замыкание частей магнитных секций, что приводит к резкому повышению реактивного сопротивления обмоток 10 и подвижных частей электродинамических секций, что эквивалентно введению в цепь реактивного сопротивления, величина которого приблизительно в μ/μ_o раз выше начального (μ - магнитная проницаемость магнитопровода магнитных секций) и последующему размыканию цепи размыкающимися контактами (а, б) контактной группы 7. При этом происходит защелкивание механизма 13 и фиксация МЭДМ в состоянии отключения цепи. С целью предотвращения дугообразования при переключении контактов контактной группы 7 происходит замыкание обмотки 10 на конденсатор, что создает падения напряжения на нем, существенно снижающее напряжение между контактами а и б. Для возвращения устройства в исходное состояние от системы дистанционного управления поступает сигнал на электромагнит 14, осуществляющий сброс защелки в устройстве 13.

Заявляемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами;
отсутствует дорогостоящий реактивный элемент - реактор;
повышение токоограничивающей способности (за счет расширения диапазона использования в сторону "малых" аварийных значений тока и увеличения коэффициента приращения реактивного сопротивления), уменьшение стоимости за счет уменьшения габаритных размеров и расхода цветных металлов;
улучшение разрешающей способности обнаружения аварийного режима;
модульность конструкции, допускающая различные конфигурации токоограничения.

Литература
1. С. Джездицки, Е.Вальгун "Токоограничивающие выключатели переменного тока". Ленинград. Энергоиздат. 1982 г.

2. А.Я.Вязовик, Д.А.Сергеев, В.И.Мрыхин. Способ ограничения тока короткого замыкания и устройство для его осуществления. АС N 2016459. БИ N 13, 1994.

Использование: для аварийного автоматического отключения электрической цепи. Технический результат заключается в отсутствии выключающих и дугогасящих устройств, что повышает надежность. Устройство состоит из магнитоэлектрического механизма (МЭМ) с использованием ускоряющих свойств электродинамического механизма (ЭДМ). МЭМ выполнен в виде N последовательно соединенных секций, содержащих подвижную и неподвижную части, гибко связанные на одной стороне и с помощью пружины смещенные на заданное расстояние на другой стороне. При этом подвижные части секций жестко связаны со штангой, соединенной с подвижным элементом контактной группы. ЭДМ состоит из N электродинамических секций, соединенных электрически последовательно, каждая секция состоит из подвижной и неподвижной части. Подвижные части смещены на заданное расстояние от внешней стороны воздушного зазора магнитной секции. Начало неподвижной части первой электродинамической части соединено с выходом цепочки ускоряющих обмоток, каждая из которых размещена на неподвижной части соответствующей магнитной секции. Вход цепочки соединен с входом устройства. Начало подвижной части электродинамической секции подключено через размыкающиеся контакты контактной группы к выходу устройства, а через замыкающиеся контакты контактной группы и через конденсатор - к входу устройства. 2 ил.

Устройство для аварийного автоматического отключения электрической цепи, содержащее реактивный элемент и электродинамический механизм, отличающееся тем, что в качестве реактивного элемента используется магнитоэлектрический механизм, состоящий из N магнитных секций, содержащих подвижную и неподвижную части, гибко связанные на одной стороне и с помощью пружины смещенные на фиксированное расстояние δ_н на другой стороне, при этом подвижные части секций жестко связаны со штангой, упругой связью соединенной с подвижным элементом контактной группы, а электродинамический механизм содержит N электродинамических секций, состоящих из подвижных и неподвижных частей, соединенных последовательно, причем подвижные части секций смещены на расстояние γ_н с внешней стороны воздушного зазора магнитной секции, при этом начало неподвижной части первой электродинамической секции соединено с выходом цепочки ускоряющих обмоток, каждая из которых размещена на неподвижной части соответствующей магнитной секции, вход цепочки соединен с входом устройства, начало неподвижной части первой электродинамической секции подключено через размыкающиеся контакты контактной группы и конденсатор ко входу устройства.