УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ УЧАСТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН Российский патент 2015 года по МПК H01H9/30 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для коммутации участков электрической цепи с включенным в нее источником питания, преимущественно предназначенным для использования во взрывоопасных зонах.

Разрыв или замыкание участка электрической цепи с включенным в нее источником питания постоянного или переменного тока преимущественно сопровождается возникновением искры или электрической дуги между движущимися контактными пластинами либо сходящимися навстречу друг другу, либо расходящимися из состояния соединения.

Возникновение дуги приводит к резкому повышению температуры, разогреву контактных пластин, оплавлению и свариванию между собой, что препятствует в дальнейшем выполнению контактом его основных функций: размыкания или замыкания электрической цепи в профилактических целях или в аварийной ситуации. Под контактными пластинами в данном случае будем понимать как поверхность соприкасающихся монолитных частей контакта, так и специально изготовленные элементы из более прочных или дугостойких материалов. Например: серебрение соприкасающихся поверхностей или изготовление контактных накладок из проводящей керамики.

Одним из способов борьбы с образующееся электрической дугой является использование дугогасительных камер в выключателях, снижающих опасные последствия образования дуги, как, например, в патенте на изобретение RU №2087973, H01H 1/20, 3/12, 13/14, 13/52, "Размыкающий узел для выключателя".

Другим способом является использование в дугогасительных камерах специальных газов, обладающих по сравнению с воздухом повышенными качествами, например применение элегаза (гексафторида серы), имеющего более высокую электрическую прочность, обладающего охлаждающей и дугогасящей способностью, как, например, в патенте на изобретение RU №2168787, H01H 31/00, "Газонаполненный разъединитель комплектного распределительного устройства высокого напряжения с элегазовой изоляцией".

В патенте на изобретение RU №2374716, H01H 1/58, "Соединительное устройство с охладителем" предлагается способ снижения негативных последствий дуги за счет понижения тепловой энергии, выделяющейся в контакте при коммутации.

В патенте на изобретение RU №2455720, H01H 1/22, "Контактный узел быстродействующего выключателя" предлагается устройство, в котором главный подвижный контакт в процессе коммутации участвует во вращательно-поступательном движении, обеспечивающем более плотную притирку к неподвижному контакту, имеет контактную серебряную напайку и съемный дугогасительный рог, при этом обеспечивается последовательное размыкание главного и дугогасительного контактов с защитой серебряной напайки от электродуговой эрозии.

В патенте на изобретение RU №2402091, H01H 1/48, "Контактная система автоматического выключателя" в подвижном элементе контакта предусмотрен Г-образный паз, так что в случае приваривания подвижного и неподвижного элементов контакта под воздействием оттягивающей пружины происходит перелом подвижного элемента в районе Г-образного паза и высвобождение контакта.

В патенте на изобретение RU №2417474, H01H 1/48, "Контактный узел быстродействующего выключателя" контактный узел содержит первый главный элемент контакта, закрепленный на первой оси, приводные механизмы с пружинами контактного нажатия, а между главными элементами расположен промежуточный элемент, закрепленный на тяге прямоходового действия, связанной с приводом и пружиной отключения. Все контактные пластины элементов выполнены из серебра с напайками из тугоплавкого токопроводящего материала.

При подаче сигнала на отключение в момент короткого замыкания или оперативного отключения промежуточный элемент контакта, закрепленный на тяге прямоходового действия, движется вертикально вверх под действием привода и усилий пружины отключения в сторону отключенного положения. При этом происходит последовательный переход с серебряных контактных пластин на тугоплавкий металлокерамический материал. Таким образом, дуга отключения образуется на тугоплавких напайках, а рабочая поверхность серебряного контакта защищена от обгара. Дуга гасится в дугогасительном устройстве выключателя.

Основным недостатком всех перечисленных изобретений является то, что они направлены не на предотвращение самой дуги, а на устранение последствий ее возникновения.

Известны решения по предотвращению образования дуги, заключающиеся в том, что один контакт разбивается на несколько контактов, устанавливаемых в нескольких параллельных ветвях.

Так, в изобретении по патенту RU №2154321, H01H 33/00, "Способ отключения электрической цепи" описан способ отключения электрической цепи коммутационным аппаратом, токоведущий контур которого состоит из двух параллельных ветвей с разной отключающей способностью, каждая из которых содержит по крайней мере по одному дугогасительному устройству.

В изобретении по патенту RU №2308780, H01H 31/24, "Многоамперный разъединитель" описан коммутационный аппарат, в котором входной ток разводится по нескольким параллельным токоподводам, оканчивающимися контактными элементами, в которых, собственно, и происходит коммутация цепи.

К недостаткам изобретений по патентам RU №2154321 и RU №2308780 относится то, что теоретически равноправные ветви токоподводов в процессе эксплуатации подгорают и становятся электрически неодинаковыми, что приводит к перераспределению протекающих по ним токов и появлению вероятности возникновения дуги.

Отметим общее свойство рассмотренных изобретений: они все рассчитаны на протекание по цепям рабочих токов, которые преимущественно имеют большие значения в силовых установках.

Существует область техники, в которой недопустимо не только образование дуги, но и образование искры. Это производства, в атмосфере которых длительно или краткосрочно присутствует газообразная взрывоопасная смесь, которая при возникновении искры с определенной энергией может взорваться и привести к разрушительным и даже трагическим последствиям.

С целью предотвращения возможного взрыва находящейся в атмосфере производства взрывоопасной смеси разработаны несколько видов взрывозащиты, таких как "взрывонепроницаемые оболочки d", "оболочки под избыточным давлением p", "искробезопасная электрическая цепь i" и другие. Причем для электрических цепей с переключающими устройствами наиболее приемлемым видом взрывозащиты является "искробезопасная электрическая цепь i".

По определению (ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010 "Взрывоопасные среды. Часть II. Искробезопасная электрическая цепь "i") искробезопасность "i" - это вид взрывозащиты, основанный на ограничении электрической энергии в электрооборудовании и соединительной проводке, которые подвергаются воздействию потенциально взрывоопасной среды, до значения ниже уровня, вызывающего воспламенение от искрения или нагрева.

Таким образом, возможность искрения отдельных элементов искробезопасных цепей является принципиально допустимой при условии, что выделяющаяся электрическая энергия не приводит к воспламенению взрывоопасной смеси, образующейся в атмосфере конкретного промышленного производства. Такие контакты называются нормально искрящими. Однако из этого следует, что схемы с подобными нормально искрящими контактами должны проходить обязательные сертификационные испытания на искробезопасность.

Испытания на искробезопасность проводят с применением искрообразующего механизма. Согласно ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010 для цепей уровня "ic" подключение искрообразующего механизма следует рассматривать (в числе прочих) вместо нормально искрящих контактов, например разъемов, выключателей кнопок, потенциометров, (стр.45 цитированного стандарта). А это требует значительной трудоемкости и является недостатком построения подобных схем взрывозащиты.

Известны также электрические устройства, позволяющие применять интенсивность систем освещения: светорегулятор или диммер (ступенчатый реостат, другими словами - переменное сопротивление), а также контактный электронный регулятор силы освещения, который может функционировать один, с периферийными устройствами или с нажимной кнопкой (Т. Галлозье, Д. Федулло. «Энциклопедия электрика. Практическое руководство». М., «Омега», 2009 г.).

В каждом из перечисленных устройств имеется переключатель положений (включено/выключено) собственный или сторонний (кнопка). Причем для каждого из них характерно то, что переключатель положений устанавливается первым по направлению к более высокому потенциалу (фазе источника питания).

Недостатком таких устройств является то, что на одной из контактных пластин переключателя оказывается потенциал фазы источника питания и образуется заряд.

При перемещении второй контактной пластины (сближении при включении или удалении при включении) на ней образуется заряд другого знака. При определенном расстоянии и скорости перемещения контактной пластины возможно образование искры, подпитываемой током от источника питания.

В качестве прототипа выберем диммер.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании устройства для коммутации участка электрической цепи преимущественно для взрывоопасных зон, препятствующего образованию искры в процессе коммутации.

Технический результат достигается тем, что предлагается устройство для коммутации участка электрической цепи преимущественно для взрывоопасных зон, состоящее из двух коммутационных элементов, способных перемещаться навстречу друг другу, оборудованных контактными пластинами на встречных концах по направлению их перемещения и выводными проводниками, при этом в один проводник последовательно в направлении физического протекания тока включены переменное сопротивление, прибор для измерения тока и одна контактная пластина, второй проводник подсоединен ко второй контактной пластине, а переменное сопротивление снабжено регулятором и индикатором с указанием граничных значений. Причем перед осуществлением коммутации переменное сопротивление имеет максимальное значение.

Расчет электрической цепи производится при условии включения в нее последовательно с контактом переменного сопротивления в состоянии с минимальным значением. Таким образом, наличие сопротивления в цепи не повлияет на выполнение ее основной функции.

Перед размыканием цепи переменное сопротивление постепенно переводится в состояние с максимальным значением. При этом ток достигает такого значения (например, 10 мкА), что размыкание контактов не приведет к образованию искры вследствии малости энергии, выделяющейся при разрыве такой цепи. Резкое увеличение значения тока при разведении контактных пластин произойти не может, так как в проводнике, в направлении физического протекания тока, стоит очень большое сопротивление и появление искры между контактными пластинами невозможно. После размыкания цепи переменное сопротивление остается в том же состоянии, поэтому перед замыканием цепи оно имеет тоже максимальное значение сопротивления, а значит, при замыкании мы получим тот же минимальный ток (10 мкА) с поправкой на воздействие переходного процесса. Как и при размыкании цепи, резкое увеличение тока невозможно из-за наличия в проводнике в направлении физического протекания тока большого сопротивления. И, следовательно, при замыкании цепи искрообразование также не произойдет. А значит, будет наблюдаться достижение технического результата. Источником питания может служить как источник напряжения, так и источник тока. Данное решение преимущественно служит для цепей постоянного тока.

В коммутационных аппаратах, требующих участия человека (например, кнопка), измерительный прибор позволяет визуально оценить результат выведения регулятора в одно из предельных значений, а индикатор (например, лампочка) - достижение граничного значения. Регулятор может быть встроенным в конструкцию кнопки. Например, перед нажатием кнопки нужно повернуть верхнюю цилиндрическую часть кнопки на некоторый угол по часовой стрелке (иначе она не нажмется), при этом произойдет перевод переменного сопротивления в требуемое граничное значение.

В коммутационных аппаратах, не требующих участия человека, роль регулятора выполняет автоматическая схема, но наличие измерительного прибора и индикаторов граничных значений позволяет обслуживающему персоналу контролировать ход процессов.

Известно, что в цепях постоянного тока с относительно небольшими рабочими напряжениями и токами дугогашение может быть достигнуто включением параллельно разрывным контактам искрогасительных цепочек (контуров), обычно состоящих из соединенных последовательно емкости, индуктивности и активного сопротивления. (Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович. «Электрические контакты». Долгопрудный, Издательский дом «Интеллект», 2008 г. ). Такая схема искрогашения требует дополнительных контактов для разрыва самих цепочек и приводит к сложностям коммутации: при разрыве контактов цепочка должна включаться перед разрывом контактов и отключаться после этого, а при соединении - включаться перед соединением контактов, а затем отключаться.

Так как размыкаемые и замыкаемые электрические цепи могут находиться под напряжением в десятки киловольт, то для предупреждения искрообразования целесообразно, чтобы переменное сопротивление достигало значения 10¹⁵ Ом.

В случае необходимости отсутствия в замыкаемой цепи и/или размыкаемой цепи реактивного сопротивления целесообразно переменное сопротивление выполнить в виде реостата.

Для упрощения построения автоматических схем для замыкания и/или размыкания цепей целесообразно переменное сопротивление выполнить в виде запираемого тиристора.

Для обеспечения симметричности цепей переменного тока целесообразно переменное сопротивление выполнить в виде двух конструктивно независимых элементов, включенных в проводники с разных сторон контакта.

Предлагаемое изобретение поясняется примером выполнения в виде электрической схемы, представленной на чертеже. Коммутируемая предлагаемым устройством цепь с включенным в нее источником питания изображена в виде двухполюсника.

Представленный на чертеже двухполюсник 1 имеет два вывода (потенциал φ₁ и потенциал φ₂ с направлением протекания тока от φ₁ к φ₂), к которым подключена в требуемом порядке последовательная цепь из переменного сопротивления 2, измерительного прибора 3 и контакта 4 (контакт замкнут, рабочий режим).

Технология изготовления устройства для коммутации участка электрической цепи преимущественно для взрывоопасных зон по данному изобретению составляет следующее.

Как правило, переменные сопротивления устанавливают на одной плате с коммутационными приборами (кнопки, реле). Для этого применяют стандартные методы печатного монтажа. Реостаты, запираемые тиристоры, кнопки, реле, индикаторные лампочки, потенциометры, амперметры подбирают из серийно выпускаемой продукции.

После монтажа печатная плата устанавливается в серийно выпускаемой коробке, при необходимости заливается компаундом. Впоследствии коробка устанавливается на монтажной панели оборудования.

Для подтверждения технического результата была собрана схема цепи постоянного тока, изображенная на чертеже, в которой переменное сопротивление 2 выполнено в виде реостата с максимальным сопротивлением 10¹⁰ Ом, с кнопкой включения/выключения с контактом 4. Последовательно с переменным сопротивлением 2 в ветвь включен амперметр 3. На выходе двухполюсника 1 между точками φ₁ и φ₂ разность потенциалов составляет 100 В. Ток, текущий в ветви при замкнутом контакте, составляет примерно 10 A. Минимальное сопротивление реостата примерно составляет 10 Ом.

Эксперимент проводили следующим образом. Контролировали значение тока при текущем состоянии при замкнутом контакте. Убедившись, что оно составляет примерно 10 A, выводили в течение одной минуты реостат в максимальное положение и фиксировали максимальное значение тока.

После чего нажатием кнопки размыкали контакт. Спустя одну минуту нажатием кнопки замыкали контакт и опять фиксировали максимальное значение тока. При замыкании и размыкании контакта визуально наблюдали возможность образования искры. Данный цикл повторяли пятьдесят раз.

За время испытаний образование искры не наблюдалось ни одного раза. Максимальное значение тока при размыкании и замыкании контакта лежало в диапазоне от 5×10^-7 А до 3×10^-8 А. Разброс значений тока в текущем состоянии заключался в пределах ±1,7% от номинального значения.

Результаты испытаний подтверждают достижение технического результата.

Устройство для коммутации участков электрической цепи с включенным в нее источником питания состоит из двух коммутационных элементов, способных перемещаться навстречу друг другу, оборудованных контактными пластинами на встречных концах элементов по направлению их перемещения и выводными проводниками. В один проводник последовательно в направлении физического протекания тока включены переменное сопротивление, прибор для измерения тока и одна контактная пластина указанного контакта. При этом второй проводник подсоединен ко второй контактной пластине контакта, а переменное сопротивление снабжено регулятором и индикатором с указанием граничных значений. Переменное сопротивление может быть выполнено в виде реостата или запираемого тиристора и перед осуществлением коммутации выводится на максимальное значение сопротивления до 10¹⁵ Ом. Технический результат - повышение безопасности работы во взрывоопасных зонах за счет создания препятствия образованию искры в процессе коммутации. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для коммутации участка электрической цепи преимущественно для взрывоопасных зон, состоящее из двух коммутационных элементов, способных перемещаться навстречу друг другу, оборудованных контактными пластинами на встречных концах элементов по направлению перемещения и выводными проводниками, отличающееся тем, что в один проводник последовательно в направлении физического протекания тока включены переменное сопротивление, прибор для измерения тока и одна контактная пластина, второй проводник подсоединен ко второй контактной пластине, а переменное сопротивление снабжено регулятором и индикатором с указанием граничных значений, причем перед осуществлением коммутации переменное сопротивление имеет максимальное значение.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что максимальное значение переменного сопротивления достигает 10¹⁵ Ом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что переменное сопротивление выполнено в виде реостата.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что переменное сопротивление выполнено в виде запираемого тиристора.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что переменное сопротивление выполнено в виде двух конструктивно независимых элементов, включенных в проводники с разных сторон контакта.