ТОКООГРАНИЧИТЕЛЬ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02H9/02 H02H3/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, может быть использовано для автоматической защиты электрических цепей от токовых перегрузок.

Известны устройства для отключения электрических цепей, содержащие нормально-замкнутую контактную группу и управляющий электромагнит, который включают в аварийных ситуациях, разрывая цепь, электромагнитные реле, пускатели [1] . Недостатком указанных устройств является то, что они работают в ручном режиме, а также при отключении больших токов (более 1 кА) у них разрушаются электрические контакты под действием электрической дуги.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство - реле максимального тока, содержащее нормальнозамкнутую контактную группу и последовательно соединенную катушку электромагнита, управляющего контактной группой. Критический для цепи ток является током срабатывания электромагнита и отключения цепи [2].

Недостатком известного устройства является то, что при отключении больших токов (более 1 кA), возникающая электрическая дуга разрушает контакты и их приходится периодически заменять, в случае частых срабатываний устройства.

Техническим решением изобретения является увеличение эксплуатационной стойкости устройства отключения за счет предварительного автоматического снижения размыкаемого тока и уменьшения числа срабатываний контактов.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство автоматического отключения тока при достижении им критической величины, содержащее контактную группу и последовательно соединенную катушку управляющего электромагнита, снабжено дополнительным, соединенным с катушкой, пороговым ограничительным сверхпроводниковым элементом (СП ограничитель), критический ток которого равен критическому току электрической цепи. Ток срабатывания электромагнита больше номинального для цепи тока на некоторую величину, выбираемую с учетом жесткости условий эксплуатации устройства.

Сопоставительный анализ признаков, изложенных в предложенном техническом решении, с признаками прототипа, показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием соединенного параллельно катушке электромагнита СП ограничителя, критический ток которого равен критическому току цепи, что в данной совокупности признаков в известном техническом решении отсутствует, обуславливая тем самым структурную новизну технического решения. Кроме того, применение СП ограничителя позволяет уменьшить размыкаемый ток в степени, определяемой конструкцией СП ограничителя, что обуславливает функциональную новизну предложенного технического решения.

Анализ известных авторам технических решений в области защитных электрических устройств и сравнение их с предложенным техническим решением показало, что сверхпроводниковые ограничители тока известны. Однако при введении СП ограничителя в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для увеличения его эксплуатационной стойкости, появляются новые свойства:
- в случае нарастания тока в цепи после переключения СП ограничителя мощность, выделенная на нем в составе заявляемого устройства, значительно меньше, чем на автономном СП ограничителе, поскольку в первом случае он нагружен до срабатывания электромагнита, а во втором - постоянно;
- размыкание контактов предлагаемого устройства происходит при условии дальнейшего после переключения СП ограничителя увеличения тока в цепи, в противном случае электромагнит не срабатывает и отключения цепи не происходит, устройство работает как ограничитель тока, контакты дугой не разрушаются;
- устройство имеет диапазон установки тока срабатывания от I_н до I_пр. Величина тока срабатывания определяет ток размыкания и, следовательно, жесткость режима эксплуатации устройства.

Таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенной конструкции токоограничителя-выключателя, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение поставленной цели изобретения.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства токоограничителя-выключателя. На фиг. 2 представлены графики временной зависимости тока СП ограничителя (кривая а), катушка электромагнита (в) и полного тока в цепи (с).

Токоограничитель-выключатель (фиг. 1) содержит последовательно соединенные контактную группу 1 и катушку электромагнита 2. Параллельно катушке электромагнита включен сверхпроводниковый токоограничитель 3, представляющий собой высоко- или низкотемпературный сверхпроводник. Критический ток СП ограничителя (I_кр) и его сопротивление в нормальном состоянии (R_нс) задаются и определяются по известным формулам:
I_кр = j_кр•S (1)

где j_кр - плотность критического тока, зависит от материала;
S - площадь поперечного сечения сверхпроводника;
l - длина сверхпроводника;
ρ_нс - удельное сопротивление материала сверхпроводника.

Критический ток СП ограничителя подбирается равным критическому току защищаемой цепи.

Величина сопротивления R_нc определяется из выражения

где U - напряжение на устройстве.

Сопротивление СП ограничителя также определяет скорость измерения тока

где I_н - номинальный ток в цепи:
t - время фазового перехода сверхпроводника.

Устройство работает следующим образом.

Пока ток в цепи не превышает I_кр (фиг.2) сопротивление СП ограничителя 3 равно нулю и весь ток протекает через него. При достижении током величины, равной критическому току (например, в случае короткого замыкания), сверхпроводимость начинает разрушаться и ток через ограничитель 3 падает до I_нс. В этот момент (t3) ток через соленоид 2 возрастает до I_нм. Таким образом в цепи протекает ток
I_н = I_нс + I_нм (5)
Если ток в цепи остается постоянным, устройство работает как ограничитель тока и размыкания контактов не происходит (фиг.2, график 1). Если мощность источника не исчерпана и ток в цепи продолжает возрастать, то при достижении тока через катушку электромагнита 2 I_ср он срабатывает и контактная группа 1 отключает цепь (фиг.2, граф.2).

Использование предложенного технического решения позволит снизить размыкаемый ток в несколько раз (определяется параметрами СП ограничителя) при том же критическом токе, а так же сократить число срабатываний контактной группы и следовательно увеличить эксплуатационную стойкость устройства.

Литература
1. И.С. Таев. Электрические аппараты управления. М.: Высшая школа, 1969. - 444 с.

2. А. С. Жданов, В.В. Овчинников. Электромагнитные реле тока и напряжения. - М.: Энергоиздат, 1981.

Изобретение может быть использовано для автоматической защиты электрических цепей от токовых перегрузок. Технический результат - повышение эксплуатационной стойкости путем предварительного снижения критического тока в цепи. Токоограничитель-выключатель содержит последовательно соединенные контактную группу и катушку управляющего электромагнита, который при заданном токе размыкает контактную группу. Сверхпроводящий токоограничитель, который включен параллельно катушке электромагнита, при достижении током в цепи критической величины теряет сверхпроводимость и уменьшает ток. Если ток в цепи продолжает возрастать, срабатывает электромагнит, отключающий цепь. 2 ил.

Токоограничитель-выключатель, содержащий нормально замкнутую контактную группу, последовательно соединенную с катушкой управляющего электромагнита, отличающийся тем, что он снабжен соединенным параллельно с катушкой управляющего электромагнита сверхпроводящим токоограничителем, имеющим ток переключения, при котором сверхпроводимость начинает разрушаться, равный критическому току цепи, а катушка управляющего электромагнита имеет ток срабатывания, больший критического тока цепи.