Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к выключающим устройствам, в частности к выключающим устройствам для электрических сетей переменного или постоянного тока, а также к электрическим системам и оборудованию в целом. Выключатели, устанавливаемые в защищаемую электрическую цепь, содержат прерыватель, которым прерывается протекающий по этой цепи ток в анормальных рабочих условиях, например при коротком замыкании в защищаемой цепи.
Уровень техники
Традиционно выключающие устройства были механическими, т.е. отсечка тока обеспечивалась единственно размыканием механического прерывателя. Такой механический прерыватель содержит два электропроводящих контакта, которые находятся в механическом контакте в замкнутом положении прерывателя (нормальный режим) и которые механически разъединяются в разомкнутом положении прерывателя (анормальный режим при наличии сверхтока). Из указанных контактов один является, как правило, подвижным и, по меньшей мере, один контакт неподвижным. Такие механические выключающие устройства имеют несколько недостатков, проявляющихся, в частности, при протекании через них больших токов.
Механическое размыкание сопровождается образованием электрической дуги, вызванной накоплением значительного количества энергии в цепи, в которую выключающее устройство встроено и которую оно защищает.
Эта электрическая дуга гасится, с одной стороны, вследствие эрозии контактов и, с другой стороны, под действием окружающей прерыватель среды в результате ионизации. Следовательно, вследствие ионизации протекание тока прерывается на некоторое время. Поскольку электрическая дуга вызывает износ контактов, то требуются меры по их трудоемкому и дорогостоящему поддержанию.
Для снижения отрицательных воздействий неизбежно образующейся электрической дуги и упрощения технического ухода контакты размещают в дугогасительной камере, представляющей собой пространство, заполненное специальной средой, которой может служить воздух, вакуум, специальный газ, например гексафторид серы SF6, который в будущем, вероятно, будет запрещен по экологическим причинам. Такая специальная среда способна выдержать сверхдавление, создаваемое образующейся электрической дугой, и способствует ее гашению.
Такие выключающие устройства с механическим прерывателем характеризуются большим временем размыкания. Время размыкания механического прерывателя составляет порядка 1 миллисекунды, даже нескольких миллисекунд.
Другим недостатком выключающих устройств является их громоздкость, дугогасительная камера имеет тем больший размер, чем выше напряжение.
Последние достижения мощной электроники позволяют рассматривать возможность замены электромеханического размыкания электронных с применением мощных полупроводниковых компонентов. Так называемые статические выключающие устройства находятся на стадии исследования.
Первые системы с мощными тиристорами стали применяться для низких напряжений (<1 кВ).
Для напряжений переменного тока в несколько киловольт испытывались прототипы на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor), а еще раньше на основе тиристора с интегрированной коммутированной решеткой (IGCT: integrated gate-commutated thyristor).
Такие полностью статические выключающие устройства представляют большой интерес с точки зрения возросшей скорости размыкания (менее миллисекунды), однако они обладают недостатками, присущими полупроводниковым элементам. Максимальные ток и напряжение, которые они выдерживают, являются ограниченными. Выключающее устройство не может иметь временной задержки, так как электропроводящий полупроводниковый элемент не выдерживает разрушительный максимальный ток и, следовательно, необходимо отсекать ток до достижения такой разрушительной величины. Применительно к переменному току такая отсечка должна производиться в течение менее полупериода.
В переходном состоянии выключающие устройства характеризуются потерями из-за эффекта Джоуля, в связи с чем требуется применение охлаждающего устройства. Также необходимо применение системы, рассеивающей энергию в момент размыкания.
Однако применение "чисто статических" выключающих устройств, созданных на основе полупроводников и рассчитанных на напряжения в несколько киловольт и силу тока свыше 1000 А, остается по-прежнему проблематичным.
Для того чтобы обойти эти трудности, в настоящее время разрабатываются гибридные (электронно-механические) выключающие устройства, в которых одновременно используются полупроводники и механический прерыватель. Такое выключающее устройство описано, например, в заявке на патент WO 00/54292.
Выключающее устройство 10, аналогичное описанному в данной заявке, в упрощенном виде показано на фиг.1. Это устройство 10 предназначено для защиты электрической цепи, материализованной в виде электрической линии передачи L. Выключающее устройство 10 последовательно соединено с защищаемой электрической цепью L. Оно содержит главную ветвь 1, на которой установлен механический прерыватель 2, и вспомогательную ветвь 3, соединенную параллельно с главной ветвью 1. Вспомогательная ветвь 3 содержит полупроводниковую дугогасительную ячейку 4. Эта дугогасительная ячейка 4 содержит мост Греца 40 с четырьмя диодами D и подключена к клеммам диагонали моста Греца 40, по меньшей мере, один полупроводниковый дугогасительный элемент 41 соединен параллельно с варистором 42. Этим дугогасительным элементом может служить тиристор, приводимый в действие при размыкании, например тиристор типа IGCT.
Выражение "приводимый в действие при размыкании" означает, что полупроводниковый дугогасительный элемент размыкается после соответствующего управляющего воздействия на него.
Простой тиристор "приводимым в действие при размыкании" не является. После команды он размыкается только при нулевом токе.
Следовательно, дугогасительный полупроводниковый элемент 41 находится либо в переходном состоянии (замкнутый), либо в непереходном (разомкнутый), что делает полупроводниковую дугогасительную ячейку либо переходной (разомкнутой), либо непереходной (замкнутой).
Подключение полупроводниковой дугогасительной ячейки 4 к главной ветви 1 выполнено на уровне концов другой диагонали моста Греца 40.
В нормальном режиме работы механический прерыватель 2 замкнут. Его контакты находятся в механически сомкнутом состоянии. Полупроводниковый дугогасительный элемент 41 находится в непереходном состоянии. В защищаемой электрической цепи L электрический ток может протекать через главную ветвь 1 выключающего устройства, т.е. через механический прерыватель 2, при этом практически без потерь из-за эффекта Джоуля. В случае возникновения сверхтока в защищаемой цепи L и, следовательно, в главной ветви 1 выключающего устройства соответствующие средства (не показаны) подают команду на размыкание механического прерывателя 2 и одновременно приводят в переходное состояние полупроводниковый дугогасительный элемент 41. Незначительная электрическая дуга образуется на контактах механического прерывателя 2 в момент их разведения. Напряжение, соответствующее этой электрической дуге, позволяет протекающему по защищаемой цепи L току быстро переключиться на вспомогательную ветвь 3, в которой полупроводниковая дугогасительная ячейка 4 находится в переходном состоянии.
Как только расстояние между контактами механического прерывателя 2 становится достаточным для гашения электрической дуги, полупроводниковый дугогасительный элемент 41 дугогасительной ячейки 4 переводится в непереходное состояние, в результате чего достигается окончательная отсечка тока в защищаемой цепи L.
Принимаются меры для того, чтобы скорость размыкания механического прерывателя 2 была по возможности максимальной с тем, чтобы образовавшаяся электрическая дуга между контактами механического прерывателя 2 имела по возможности минимальную энергию и не вызывала разрушения этих контактов. Тем не менее, такая электрическая дуга играет существенную роль, поскольку именно благодаря низкому напряжению электрической дуги (порядка 10 В) поляризуется полупроводниковый дугогасительный элемент 41 свыше порогового напряжения, обеспечивающего таким образом приведение его в переходное состояние и отведение электротока во вспомогательную ветвь. Управляющий сигнал классически служит импульсом, приложенным к спуску тиристора 41 в момент размыкания механического прерывателя 2.
Следовательно, данное гибридное выключающее устройство 10 решает некоторые технические проблемы, присущие чисто статическим выключающим устройствам, однако их рабочие параметры зависят, в принципе, от скорости размыкания механического прерывателя 2. Исследованиями было установлено, что увеличение скорости размыкания механического прерывателя 2 имеет физический предел в том случае, когда ток и напряжение растут по гибридной топологии. Действительно, для того чтобы механический прерыватель мог выдержать ток повышенной силы, необходимо увеличить поверхность контактной зоны между контактами, что повышает массу подвижного контакта и снижает скорость размыкания. Последняя может оказаться недостаточной для быстрой коммутации тока в шунтированную ветвь и образования дуги слабой энергии. Повышенная сила тока в главной ветви создает проблему, при которой в выключающем устройстве происходит разрушение механического контакта механического выключателя 2.
До настоящего времени выключающие устройства, будь то статические или гибридные, не являются удовлетворительными, в частности, при использовании в условиях высокого напряжения и большой мощности.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание гибридного выключающего устройства, в котором отсутствуют приведенные выше недостатки.
В частности, цель изобретения состоит в создании гибридного выключающего устройства, содержащего механический прерыватель и полупроводниковый дугогасительный элемент, пропускающий постоянный или переменный ток, в котором при размыкании механического прерывателя не образуется электрической дуги даже при значительной силе тока.
Другой целью изобретения является создание гибридного выключающего устройства, не требующего тщательного ухода.
Для достижения этих целей изобретением предусматривается, в частности, выключающее устройство, содержащее главную ветвь с механическим прерывателем и вспомогательную ветвь с полупроводниковой дугогасительной ячейкой, причем вспомогательная ветвь соединена с главной параллельно. Главная ветвь содержит последовательно соединенный с механическим прерывателем вспомогательный коммутационный модуль, включающий в себя полупроводниковую дугогасительную ячейку, приводимую в действие при размыкании и параллельно соединенную с полным сопротивлением. Вспомогательная ветвь содержит параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль с полным сопротивлением, причем это полное сопротивление содержит, по меньшей мере, один элемент конденсаторного типа.
Полным сопротивлением последовательно соединенного вспомогательного коммутационного модуля служит, предпочтительно, варистор.
Полупроводниковая дугогасительная ячейка, приводимая в действие при размыкании, может содержать, по меньшей мере, один последовательно соединенный блок с диодом и тиристором типа IGCT.
Если выключающее устройство двунаправленного действия, то полупроводниковая дугогасительная ячейка, приводимая в действие при размыкании, может содержать два последовательных блока, соединенных встречно-параллельно.
Дугогасительная полупроводниковая ячейка вспомогательной ветви может содержать, по меньшей мере, один тиристор.
Если выключающее устройство является устройством двунаправленного действия, то дугогасительная полупроводниковая ячейка вспомогательной ветви может содержать два тиристора, соединенных встречно-параллельно.
Согласно другому варианту выполнения дугогасительная ячейка вспомогательной ветви включает в себя один тиристор и мост Греца с двумя диагоналями, при этом тиристор образует диагональ моста Греца, а главная ветвь - другую диагональ моста Греца.
В этом варианте выполнения полное сопротивление параллельно соединенного вспомогательно коммутационного модуля может содержать конденсатор, последовательно соединенный с тиристором.
Полное сопротивление может быть последовательно соединено с конденсатором.
В еще одном варианте выполнения полное сопротивление параллельно соединенного вспомогательного коммутационного модуля может содержать блок, состоящий из конденсатора и первого сопротивления, соединенных между собой параллельно, причем этот блок соединен последовательно со вторым сопротивлением и с дугогасительной полупроводниковой ячейкой вспомогательной ветви.
Последовательно соединенная индуктивность может быть последовательно соединена с блоком и вторым сопротивлением.
В еще одном варианте выполнения параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль может содержать мост Греца с двумя диагоналями, блок, параллельно соединенный с конденсатором, и сопротивление, подключенное к клеммам первой диагонали моста Греца, вспомогательную индуктивность, подключенную к клеммам другой диагонали, причем одна из клемм второй диагонали соединена с дугогасительной полупроводниковой ячейкой вспомогательной ветви.
Последовательно соединенная индуктивность может быть подключена между мостом Греца и дугогасительной полупроводниковой камерой вспомогательной ветви.
Для достижения быстродействия механический прерыватель может содержать подвижный контакт с электромагнитным приводом типа Томсона.
Настоящее изобретение относится также к способу срабатывания описанного выключающего устройства. При наличии сверхтока в главной ветви этот способ обеспечивает:
перевод из переходного состояния в непереходное дугогасительной полупроводниковой, приводимой в действие при размыкании ячейки последовательно соединенного вспомогательного коммутационного модуля,
перевод из непереходного состояния в переходное дугогасительной полупроводниковой ячейки вспомогательной ветви,
размыкание механического прерывателя, начально занимавшего замкнутое положение,
при появлении нулевого тока перевод из переходного состояния в непереходное дугогасительной полупроводниковой ячейки вспомогательной ветви.
Краткое описание чертежей
Подробнее изобретение поясняется ниже с помощью примеров выполнения, приведенных исключительно с целью пояснения и совершенно не являющихся ограничительными, со ссылками на приложенные чертежи. При этом изображено на:
фиг.1 - схема описанного выше гибридного выключающего устройства в качестве прототипа;
фиг.2 - схема выключающего устройства согласно изобретению;
фиг.3А, 3В - более детально два варианта выполнения выключающего устройства согласно изобретению;
фиг.4 - более детально другой вариант выполнения выключающего устройства согласно изобретению;
фиг.5А - пример выполнения механического прерывателя выключающего устройства;
фиг.5В - эквивалентная цепь;
фиг.6А, 6В - токи, протекающие по выключающему устройству согласно изобретению, механическому прерывателю и в дугогасительной полупроводниковой ячейке вспомогательной ветви, а также напряжение на клеммах механического прерывателя при наличии сверхтока в главной ветви.
Для идентичных, схожих или эквивалентных частей разных описываемых ниже чертежей использованы одинаковые позиции для упрощения перехода от одного чертежа к другому.
Разные изображенные на чертежах части не обязательно выдержаны в одинаковом масштабе, что необходимо для придания большей наглядности чертежам.
Осуществление изобретения
На фиг.2 схематически показано выключающее устройство согласно изобретению. Это устройство содержит - аналогично прототипу - главную ветвь 1 с механическим прерывателем 2 и вспомогательную ветвь 3, соединенную параллельно с главной ветвью 1 и содержащую дугогасительную полупроводниковую ячейку 4. Эта дугогасительная полупроводниковая ячейка находится либо в переходном состоянии, либо в непереходном. По сравнению со схемой на фиг.1 выключающее устройство согласно изобретению содержит на главной ветви 1 последовательно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М2, образованный другой дугогасительной полупроводниковой ячейкой, приводимой в действие при размыкании ячейкой 5, соединенной параллельно с полным сопротивлением Z1. Выражение "последовательно соединенный модуль" использовано для обозначения того, что этот модуль находится на главной ветви 1. Дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 может находиться либо в переходном состоянии, либо в непереходном. Вспомогательный коммутационный модуль М2 последовательно соединен с механическим прерывателем 2. Кроме того, вспомогательная ветвь 3 дополнительно содержит дугогасительную полупроводниковую ячейку 4, параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М4, образованный полным сопротивлением Z2 и, по меньшей мере, одним элементом типа конденсатора С. Выражение "параллельно подключенный модуль" используется для указания на то, что модуль находится на вспомогательной ветви 3 и параллельно соединен.
Выражение "полное сопротивление", используемое в данном тексте, означает участок цепи, оказывающий сопротивление протеканию любого тока (постоянного или переменного), такой участок цепи образуется элементами типа катушки индуктивности и/или конденсатора и/или сопротивления.
Предпочтительно, чтобы такое выключающее устройство было двунаправленного действия для возможности использования для переменного тока, однако это не является необходимым условием, оно может быть и однонаправленным.
На фиг.3А подробно показан первый вариант выполнения выключающего устройства согласно изобретению. Это устройство является двунаправленным и пригодно для сети переменного тока, оно может также использоваться и для сети постоянного тока. Отмеченные точками участки являются лишними в однонаправленном варианте выключающего устройства.
В последовательно соединенном вспомогательном коммутационном модуле М2 дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 содержит, по меньшей мере, один последовательно соединенный блок, образованный диодом D1 и полупроводниковым элементом IG2, приводимым в действие при размыкании. Таким элементом может служить тиристор типа IGCT, традиционный тиристор является непригодным, так как он открывается только при нулевом токе. Применяют два последовательно соединенных блока в том случае, когда выключающее устройство должно быть двунаправленным, в этом случае оба блока соединены встречно-параллельно. На фиг.3 соединение второго блока IG'2, D'l изображено точками для того, чтобы показать, что второй блок является дополнительным. Такая дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка соединена параллельно с полным сопротивлением Z1, представляющим собой варистор VI. Этот варистор, которым может служить металлооксидный варистор (MOV - metal oxide varistor), имеет размеры, необходимые для рассеивания энергии, которую ранее рассеивали при образовании электрической дуги. Блок 5, состоящий из дугогасительной полупроводниковой приводимой в действие при размыкании ячейки и из полного сопротивления Z1, последовательно соединен с механическим прерывателем 2. Варистор VI рассчитан на напряжение электрического тока, которое составляет лишь часть напряжения в сети, например половину.
Механический прерыватель 2 может иметь в своей основе использование электромагнитных сил при приведении в действие подвижного контакта 2.1 для резкого приращения усилия. Пример механического прерывателя 2 показан на фиг.5А. Механический прерыватель 2 выполнен типа Томсона без применения ферромагнитного материала. Известный принцип покоится на законе Ленца.
Подвижный контакт 2.1 жестко соединен с подвижной деталью 2.2 из токопроводящего немагнитного материала. Деталь 2.2 взаимодействует с цепью смещения, состоящей из предпочтительно плоской катушки 2.3 и цепи питания 2.4. Выбор плоской катушки 2.3 позволяет получать вертикальное магнитное поле вблизи подвижной детали 2.2. В том случае, когда катушка 2.3 возбуждается сильным импульсным током, поступающим от цепи 2.4 питания, в подвижной детали 2.2 образуется противоток с обратным направлением, и вследствие взаимодействия между этими обоими токами возникает сила отталкивания F между плоской катушкой 2.3 и подвижной деталью 2.2. Эта сила отталкивания F вызывает смещение подвижной детали 2.2, занимавшей исходное положение покоя. В таком исходном положении покоя подвижный контакт 2.1 электрически контактирует, по меньшей мере, с одним неподвижным контактом 2.0 (подключенным к защищаемой цепи L), механический прерыватель 2 остается замкнутым. Сила отталкивания F, воздействующая на подвижную деталь 2.2, стремится отделить подвижный контакт 2.1 от неподвижного контакта 2.0 и, следовательно, разомкнуть механический прерыватель 2. Благодаря своей полой форме в виде кольца подвижная деталь 2.2 приводится в вертикальное поступательное движение. Таким образом, уменьшают движущуюся массу по сравнению со сплошной деталью и энергию, необходимую для толкания, и/или повышают скорость перемещения. Возможны также другие геометрии выполнения подвижной детали, например сплошной диск. Как только катушка 2.3 более не возбуждается, подвижная деталь 2.2 занимает свое положение покоя, и механический прерыватель 2 снова оказывается замкнутым.
Возможно, чтобы подвижная деталь 2.2 и подвижный контакт 2.1 были выполнены за одно целое. При таком выполнении подвижная деталь могла бы состоять, например, из алюминия с серебряным покрытием для обеспечения также функции электрического контакта.
На фиг.5В изображена цепь, аналогичная цепи смещения, взаимодействующей с подвижной деталью 2.2, и цепи 2.4 питания. L1 означает индуктивность плоской катушки 2.3, R10 ее сопротивление. L2 означает индуктивность подвижной детали 2.2 и R11 ее сопротивление. М означает взаимную индуктивность между плоской катушкой 2.3 и подвижной деталью 2.3.
Такая эквивалентная цепь соединена с цепью 2.4 питания, состоящей, по меньшей мере, из одного конденсатора С10 для зарядки напряжением Uo перед разрядкой, диода D10, соединенного параллельно с конденсатором С10, и тиристора ТН10, включенного между параллельно соединенным блоком С10, D10 и эквивалентной цепью.
Обратимся снова к фиг.3А. Дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 образована двумя тиристорами ТН1, ТН'1, соединенными встречно-параллельно. Один из тиристоров ТН'1 может не применяться при однонаправленной схеме включения.
Параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М4 соединен последовательно с дугогасительной полупроводниковой камерой 4 вспомогательной ветви 3. Он содержит сопротивление R2, соединенное последовательно с параллельно включенным блоком, состоящим из сопротивления R1, параллельно соединенного с конденсатором С1. Параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М4 может также содержать индуктивность LS1, последовательно соединенную с сопротивлением R2 и параллельно соединенную с блоком R1, С1. Эта последовательно соединенная индуктивность LS1 служит для ограничения скорости роста тока при обеспечении проводимости дугогасительной полупроводниковой ячейки 4 для надлежащего срабатывания даже при постоянном токе. Полное сопротивление Z2 содержит конденсатор С1, сопротивления R1 и R2, а также последовательно соединенную индуктивность LS1.
На фиг.3В показан другой вариант выполнения выключающего устройства согласно изобретению, являющегося развитием варианта выполнения на фиг.3А.
На этой схеме можно видеть ту же конфигурацию главной ветви 1 и ту же конфигурацию дугогасительной полупроводниковой ячейки 4 вспомогательной ветви 3. Разница присутствует на уровне параллельно соединенного вспомогательного коммутационного модуля М4. Этот параллельно соединенный модуль М4 содержит мост Греца Pb с четырьмя диодами D21-D24. На первой диагонали моста Греца Pb расположен блок, параллельно соединенный с конденсатором С11 и сопротивлением R11. Вспомогательная индуктивность LA1 параллельно соединена с клеммами другой диагонали моста Греца Pb.
Один из концов второй диагонали подключен к главной ветви 1. Другой конец соединен с дугогасительной полупроводниковой ячейкой 4 через последовательно соединенную индуктивность LS1 (при условии ее наличия).
Полное сопротивление Z2 включает в себя конденсатор С11, сопротивление R11, вспомогательную индуктивность LA1 и последовательно соединенную индуктивность LS1.
На фиг.4 показан другой вариант выполнения выключающего устройства согласно изобретению. Как и на фигурах 3А, 3В, здесь приведена та же конфигурация главной ветви 1, т.е. механический прерыватель 2 соединен последовательно с последовательно соединенным вспомогательным коммутационным модулем М2.
На вспомогательной ветви 3 дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 содержит мост Греца Ра с четырьмя диодами D11-D14, с диагональю моста Греца Ра соединен тиристор ТНа. Мост Греца подключен к клеммам последовательно соединенного блока, состоящего из последовательно соединенного вспомогательного коммутационного модуля М2 и механического прерывателя 2. Это соединение выполнено на уровне концов другой диагонали моста Греца Ра. Параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М4 содержит конденсатор Са, который соединен на диагонали последовательно с тиристором ТНа. Как указывалось выше, последовательно соединенная индуктивность LS1 может быть подключена между тиристором ТНа и конденсатором Са. Полное сопротивление Z2 включает в себя конденсатор Са и последовательно соединенную индуктивность LS1.
В описанных выше вариантах выполнения полупроводниковыми приводимыми в действие при размыкании элементами главной ветви 1 могут служить тиристоры типа IGCT, простые тиристоры для этого не пригодны, так как необходимо приводить в действие размыкание, не дожидаясь снижения тока до 0.
Рассмотрим теперь принцип действия такого выключающего устройства, обратившись к фиг.2. В нормальном состоянии, т.е. в том случае, когда сила протекающего по защищаемой цепи L тока является нормальной, механический прерыватель 2 замкнут и последовательно соединенный вспомогательный коммутационный модуль М2 находится в проводящем состоянии, т.е. дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 находится в проводящем состоянии. Дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 находится в непроводящем состоянии. Весь ток защищаемой цепи L течет по главной ветви 1 выключающего устройства.
При наличии сверхтока в защищаемой цепи L и, следовательно, в главной ветви 1 выключающего устройства согласно изобретению дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 последовательно соединенного вспомогательного коммутационного модуля М2 переходит в непроводящее состояние. Напряжение на клеммах полного сопротивления Z1 (варистора VI) возрастает до порогового значения. Напряжение на клеммах последовательно включенного вспомогательного коммутационного модуля М2 растет, при этом полное сопротивление Z1 препятствует протеканию тока по главной ветви 1.
Дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 становится проходной. Ток, протекающий по защищаемой цепи L, направляется во вспомогательную ветвь 3, что отводит энергию, которая в противном случае была бы рассеяна в дугогасительной полупроводниковой приводимой в действие при размыкании ячейке 5 главной ветви 1 с возникновением риска ее разрушения.
Ток в механическом прерывателе 2 стремится к нулевому значению и напряжение на его клеммах нулевое. Таким образом, механический прерыватель 2 размыкается без образования электрической дуги.
После размыкания механического прерывателя 2 напряжение на его клеммах сразу выравнивается с напряжением на клеммах полного сопротивления Z2, так как ток в полном сопротивлении Z1 исчезает и напряжение на его клеммах становится равным нулю. Все напряжение с вспомогательной ветви 3 переходит на механический прерыватель 2, который разомкнут.
Протекающий по вспомогательной ветви 3 ток ограничен наличием полного сопротивления Z2, которое препятствует его протеканию, и максимальное значение этого тока существенно снижается. Элемент в виде конденсатора С при этом заряжается. Как только на клеммах полного сопротивления Z2 установится достаточное напряжение, дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 перейдет в непроводящее состояние. Переход в непроводящее состояние вызывается снижением тока до нулевого значения в дугогасительной полупроводниковой ячейке 4 вспомогательной ветви 3. При двунаправленном режиме можно ожидать несколько полупериодов колебания цепи LC, состоящей из параллельно соединенного вспомогательного коммутационного модуля М4 и индуктивности защищаемой цепи L, до того, как поступит команда на открытие тиристора ТН1 или ТН'1, что вызывает временную задержку. Срабатывает ограничитель тока перед отсечкой.
В конечном состоянии механический прерыватель 2 разомкнут, дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 и дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 последовательно соединенного вспомогательного коммутационного модуля М2 находятся в непереходном состоянии. По защищаемой цепи L ток более не протекает, выключающее устройство выполнило свою защитную функцию.
Назначение варианта на фиг.3В состоит в обеспечении функции ограничения тока частично с помощью полного сопротивления вспомогательной индуктивности LA1. После срабатывания на главной ветви 1 и отведения тока в параллельно соединенную ветвь 3 часть тока протекает через вспомогательную индуктивность LA1 до окончательной отсечки дугогасительной полупроводниковой ячейки 4 тиристорами ТН1 и ТН'1. Это позволяет уменьшить установочные нагрузки на конденсатор С11, который в данном случае используется преимущественно для отвода тока от главной ветви 1 в параллельно подключенную ветвь 3.
Благодаря такой конструкции становится, кроме того, возможным воздействовать на угол зажигания тиристоров ТН1, ТН'1. Действительно, на стадии проводимости вспомогательной индуктивности LA1 задержка команды на установку угла зажигания тиристоров позволяет ограничить разрушительный ток до требуемой величины. Этим повышается функция ограничения тока выключателя перед размыканием.
Поясним кривые на фиг.6А и 6В, характеризующие полный ток А в выключающем устройстве, при этом ток В течет через механический прерыватель 2, а ток D - через дугогасительную полупроводниковую ячейку 4 вспомогательной ветви 3 в момент срабатывания выключающего устройства при наличии сверхтока в защищаемой цепи L. Ток В в механическом прерывателе 2 из-за этого сверхтока возрастает к моменту времени t0, в который дугогасительная полупроводниковая приводимая в действие при размыкании ячейка 5 последовательно включенного вспомогательного коммутационного модуля М2 переходит в непроводящее состояние. Его величина достигает приблизительно 2 500 А. Интервал времени между моментом времени t0 и началом возрастания тока В составляет около 100 микросекунд.
Ток В в механическом прерывателе 2 принимает нулевое значение. Этот переход к нулевому значению занимает некоторое время при наличии последовательно включенной индуктивности LS1 в параллельно включенном вспомогательным коммутационном модуле М4. В момент времени t0 ток D, протекающий через дугогасительную полупроводниковую ячейку 4 вспомогательной ветви 3, является током цепи L, отведенным от главной ветви 1. Этот ток D достигает своего максимального значения (около 5 000 А), затем падает из-за наличия в полном сопротивлении Z2 конденсатора С, который заряжается. Ток D принимает нулевое значение в момент времени t1, и дугогасительная полупроводниковая ячейка 4 вспомогательной ветви 3 принудительно приводится в непереходное состояние. Интервал времени между t0 и t1 составляет около 450 микросекунд.
На фиг.6В, представляющей собой крупный план фиг.6А на участке, соответствующем моменту времени t0, показана характеристика напряжения Е на клеммах механического прерывателя 2. Это напряжение Е принимает нулевое значение в то же самое время, что и ток В после t0, что позволяет размыкать механический прерыватель 2 без образование электрической дуги. Такое размыкание происходит в момент времени t2. Интервал времени между t0 и t2 составляет около 20 микросекунд. Затем напряжение Е на клеммах механического прерывателя 2 начинает возрастать и достигает напряжения, присутствовавшего на клеммах полного сопротивления Z2.
Преимущества выключающего устройства согласно изобретению являются существенными.
Такое выключающее устройство способно работать успешно как при низком напряжении А или В, так и при высоком напряжении А и В. Это напряжение может быть постоянным или переменным.
Указанное выключающее устройство содержит механический прерыватель, способный функционировать в нормальных условиях окружающей среды. Это означает, что отпадает необходимость его размещения в дугогасительной камере с атмосферой из соответствующего газа или с вакуумом.
Поскольку в момент размыкания механического прерывателя электрическая дуга не образуется, то не происходит и разрушения механического контакта и, следовательно, отсутствует существенный износ контактирующих электропроводящих деталей. Содержание упрощается, затраты снижаются. Воспроизводимость операций размыкания механического прерывателя гарантирована.
Прерыватель обладает большой скоростью размыкания благодаря наличию дугогасительных полупроводниковых ячеек, при этом не требуется применения быстродействующего механического прерывателя. Таким образом, отпадает необходимость в разработке новой технологии изготовления механических прерывателей.
Благодаря присутствию полупроводникового приводимого в действие при размыкании элемента на главной ветви, снижаются потери проводимости вследствие эффекта Джоуля. Может также применяться устройство для пассивного охлаждения.
Такое выключающее устройство является компактным. Его габариты значительно меньше по сравнению с компоновкой, содержащей дугогасительную камеру.
При двунаправленном режиме возможна задержка времени, так как гибридное выключающее устройство может работать в течение некоторого времени за счет проводимости своей вспомогательной ветви 3, при этом оно приводит в колебания цепь LC (состоящую из конденсатора С, последовательно включенной индуктивности LS1 параллельно включенного вспомогательного коммутационного модуля М4 и индуктивности защищаемой цепи L) до того, как она будет разомкнута дугогасительной полупроводниковой ячейкой 4. В течение этого периода ток остается ограниченным полными сопротивлениями вспомогательной ветви 3.
Если размыкание имеет место в момент нулевого значения тока, то накопившаяся энергия в защищаемой цепи будет равна нулю и ее рассеяние будет минимизировано.
Несмотря на подробное изображение и описание нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения очевидно, что возможно привнести разные изменения и модификации, не выходя за рамки изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| АКТИВНЫЙ ДЕМПФЕР | 2015 |
|
RU2703717C2 |
| ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ И ПРЕРЫВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ | 2014 |
|
RU2668986C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОЛЮСЕ СЕТИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ | 2017 |
|
RU2695800C1 |
| Высоковольтный выключатель переменного тока | 1981 |
|
SU997116A1 |
| Выключатель постоянного тока | 1982 |
|
SU1111211A1 |
| ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА | 1991 |
|
RU2030061C1 |
| РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРЕРЫВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА | 2010 |
|
RU2482565C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ УЧАСТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН | 2013 |
|
RU2557008C2 |
| Быстродействующий коммутационный аппарат | 1980 |
|
SU943895A1 |
| Способ отключения аварийного тока | 1982 |
|
SU1132311A1 |
Использование: для выключающих устройств электрических сетей. Технический результат заключается в повышении быстродействия, упрощении устройства и снижении отрицательного воздействия электрической дуги. Выключающее устройство содержит главную ветвь (1) с механическим прерывателем (2) и вспомогательную ветвь (3) с дугогасительной полупроводниковой ячейкой (4), причем вспомогательная ветвь (3) соединена параллельно с главной ветвью (1). Главная ветвь (1) соединена последовательно с механическим прерывателем (2) и содержит последовательно соединенный вспомогательный коммутационный модуль (М2) с дугогасительной полупроводниковой ячейкой (5), приводимой в действие при размыкании и соединенной параллельно с полным сопротивлением (Z1). Вспомогательная ветвь (3) содержит параллельно соединенный вспомогательный коммутационный модуль (М4) с полным сопротивлением (Z2), причем полное сопротивление (Z2) включает в себя, по меньшей мере, один элемент типа конденсатора (С). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.
перевод дугогасительной полупроводниковой приводимой в действие при размыкании ячейки (5) из переходного состояния в непереходное, перевод дугогасительной полупроводниковой ячейки (4) вспомогательной ветви (3) из непереходного состояния в переходное, размыкание механического прерывателя (2), находившегося начально в замкнутом положении, перевод дугогасительной полупроводниковой ячейки (4) вспомогательной ветви (3) с момента появления нулевого тока из переходного состояния в непереходное.
| ЕР 1014403 А, 28.06.2000 | |||
| Гибридный выключатель постоянного тока | 1980 |
|
SU943881A1 |
| Способ защиты мощных цепей токоограничи-ВАющиМи ВыКлючАТЕляМи | 1979 |
|
SU843017A1 |
| DE 10002870 A, 23.08.2001. | |||
