ПРИВОДНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК H01H47/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к приводному устройству для управления прибором электрического отключения, таким как выключатель среднего напряжения или высокого напряжения.

Уровень техники

Выключатель, например, на электрической подстанции с газовой изоляцией, называемой GIS от английского ''Газоизолированная подстанция'', оборудован приводом. Этот привод обеспечивает энергию и момент сил, необходимые для перемещения контактов выключателей.

Приводы могут быть гидравлическими, пневматическими или пружинными. В частности, настоящее изобретение описано для пружинного привода, но его можно применять и для других типов приводов.

Под действием приводного механизма пружинный привод действует механически для размыкания или замыкания контактов выключателя. Классический приводной механизм содержит катушку, которая управляет плунжером, когда через катушку проходит ток. Плунжер связан с подвижной собачкой таким образом, что катушка управляет механической работой пружинного двигателя, перемещая плунжер и, следовательно, собачку.

Катушка, через которую может проходить ток, необходимый для перемещения плунжера и собачки, содержит 1103 витков, намотанных вокруг магнитного сердечника. Это значит, что индуктивность катушки является большой, как и ее постоянная времени, поскольку она пропорциональна индуктивности. Таким образом, время действия в известных решениях обычно достигает 5,5 мс.

Это значение существенно влияет на время отключения выключателя. Поскольку высоковольтные выключатели в электрических сетях 60 Гц должны часто устранять дефект за два цикла, их время отключения ограничено значением 33.3 мс. Для достижения этого значения время действия приводного механизма должно быть максимально ограничено.

В документе US 5889645 описан механизм управления газовым вентилем в печи. Этот механизм содержит две катушки для управления газовым вентилем. Катушками управляет единый входной сигнал, выдаваемый микропроцессором и усиливаемый транзистором.

Это значит, что сбой в работе микропроцессора или транзистора помешает работе механизма управления. Таким образом, даже транспонируя сведения из этого документа на управление прибором электрического отключения, таким как выключатель, невозможно получить устройство управления с достаточным уровнем надежности.

Действительно, выключатель среднего напряжения или высокого напряжения имеет срок службы, который может составлять от 25 до 40 лет. Этот срок является очень длинным для приводной схемы и, в частности, для компонентов, таких как транзисторы, которые могут иметь более короткий срок службы. Следовательно, решение, при котором один компонент может поставить под угрозу работу выключателя, не является удовлетворительным.

В документе US 5159522 раскрыт привод управления электрическим сцеплением, тоже содержащий две катушки. Одна из них питает сцепление, а другая поддерживает его во включенном состоянии.

Согласно варианту выполнения, первый входной контакт и первый транзистор питают первую катушку, тогда как второй входной контакт и второй транзистор питают обе катушки.

Транспонируя сведения из этого документа на управление прибором электрического отключения, таким как выключатель, можно избежать недостатка, связанного с риском выхода из строя транзистора. Однако это решение является более сложным и требует, в частности, двух разных источников питания.

В документе JP 2009302358 раскрыта схема, в которой катушка получает питание через транзистор и конденсатор в первой фазе. Во второй фазе транзистор блокируется, и проходящий через катушку ток ограничивается резисторным элементом, последовательно соединенным с катушкой.

Этот тип схемы нельзя применить для управления выключателем. Действительно, для выключателя ток, который должен прерываться в схеме активации, должен быть меньше 4 А (постоянный) в соответствии с нормой CEI 622271-1, § 5.4.4.5.4. Это требует минимального значения сопротивления при данном напряжении. Например, при 110 В и 4 А сумма сопротивлений катушки и резисторного элемента составляет не менее 27,5 Ом.

Кроме того, время ожидания механизма должно быть небольшим, как правило, менее 300 мс, чтобы соблюдать цикл операции, детально описанный в норме CEI 62271.100, § 4.104.

Это предполагает, что собственное сопротивление катушки должно быть небольшим, как правило, 4 Ом. Таким образом, сопротивление резисторного элемента составляет не менее 23,5 Ом.

Эти значения приводят к двум последствиям: энергия, рассеиваемая резисторным элементом, может в шесть раз превышать энергию, рассеиваемую катушкой, что является нежелательным. Кроме того, катушка должна иметь очень небольшое число витков, чтобы иметь небольшое собственное сопротивление. Ток в 4 А, проходящий через эту катушку, не будет создавать достаточного магнитного потока для перемещения подвижных частей в их активированное положение.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на решение проблемы известных технических решений и предлагает приводную схему управления выключателем, характеризующуюся тем, что содержит две ветви, подключенные параллельно между двумя клеммами, при этом

первая ветвь содержит только первую катушку,

вторая ветвь содержит вторую катушку с меньшим сопротивлением, чем первая катушка, последовательно соединенную с переключателем, управляемым цепью переключения.

Благодаря изобретению, время действия приводной схемы уменьшается и остается совместимым с требованиями быстроты срабатывания выключателя.

Кроме того, первая ветвь имеет функцию избыточности. Если вторая ветвь выходит из строя, например, по причине неисправности компонента, тогда первая ветвь обеспечивает функцию приведения в действие привода. Таким образом, выход из строя компонента не препятствует работе устройства. Поскольку первая катушка имеет более высокое сопротивление, чем первая, то ток, проходящий через первую катушку, остается относительно небольшим по сравнению с током во второй катушке и может прерываться вспомогательным переключателем.

Согласно предпочтительному признаку, цепь переключения выполнена с возможностью ограничения тока, проходящего через вторую катушку, и размыкания второй ветви по истечении заранее определенного времени после приложения к клеммам разности потенциалов.

Таким образом, прерываемый ток остается в значении менее 4 А (постоянный) и соответствует условиям нормы CEI 622271-1.

Согласно предпочтительному признаку, переключатель содержит компонент, выбираемый из группы, в которую входят полевой транзистор, транзистор с n-p-n-переходом, тиристор или механическое реле.

Эти компоненты позволяют получить меньшее время действия для приводной схемы.

Согласно предпочтительному признаку, первую и вторую катушки наматывают вокруг одного и того же сердечника. Таким образом, создаются индуцируемые токи, в частности, ток в первой катушке, когда во второй катушке ток прерывается, что позволяет обеспечить полное перемещение плунжера.

Объектом изобретения является также привод выключателя, содержащий описанную выше приводную схему. Речь может идти о пружинном приводе.

Объектом изобретения является также выключатель, содержащий привод, оснащенный описанной выше приводной схемой.

Привод и выключатель имеют преимущества, аналогичные описанным выше преимуществам.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схема выключателя, оборудованного пружинным приводом, оснащенным приводной схемой в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 - приводная схема в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, выключатель 20 среднего или высокого напряжения содержит пружинный привод 21, который обеспечивает энергию и момент сил, необходимые для перемещения контактов выключателя.

Выключатель 20 и привод 21 являются классическими за исключением приводной схемы 22, которая управляет приводом 11. Подробное описание выключателя и привода опускается. В дальнейшем подробно будет описана только приводная схема.

Как показано на фиг. 2, приводная схема в соответствии с изобретением содержит две параллельные ветви между двумя клеммами 5 и 6, к которым можно приложить разность потенциалов для приведения в действие приводной схемы.

Первая ветвь содержит только катушку 1. Например, катушка 1 содержит 1000 витков и имеет сопротивление 35 Ом. Эта ветвь имеет функцию избыточности. Если вторая ветвь перестает работать, например, по причине выхода из строя компонента, то первая ветвь обеспечивает функцию приведения в действие пружинного привода. В этом случае речь идет о так называемом аварийном режиме работы.

Вторая ветвь содержит катушку 2, а также другие компоненты, которые будут подробно описаны ниже. Например, катушка 2 содержит 363 витка и имеет сопротивление 3,55 Ом. Разумеется, можно выбрать и другие значения сопротивления катушек 1 и 2, лишь бы сопротивление катушки 1 превышало сопротивление катушки 2. Вторая ветвь обеспечивает так называемый нормальный режим работы.

Учитывая разные сопротивления, работа в аварийном режиме (первая ветвь) будет немного медленнее, чем в нормальном режиме (вторая ветвь). Например, значения, измеренные на прототипе, равны 3,2 мс в нормальном режиме и 5,5 мс в аварийном режиме.

Согласно варианту выполнения, катушки 1 и 2 выполнены посредством наматывания вокруг одного и того же сердечника.

Далее следует описание второй ветви. Начиная от клеммы 5, катушка 2 последовательно соединена с переключателем, который может размыкать вторую ветвь. Переключатель соединен с клеммой 6. В предпочтительном варианте выполнения переключатель в основном содержит транзистор 3. Транзистор 3 является полевым транзистором, например, типа полевого МОП-транзистора. Сток транзистора 3 соединен с катушкой 2, и исток транзистора 3 соединен с клеммой 6. В качестве переключателя можно использовать и другие компоненты, в частности, транзистор с n-p-n-переходом, тиристор или механическое реле.

Транзистор 3 позволяет ограничивать силу тока, проходящего в катушке 2, значением, которое делает возможным прерывание тока вспомогательным переключателем. Как было указано выше, способность отключения вспомогательного переключателя ограничена током максимальной силы 4 А. При катушке 2 с сопротивлением 3,55 Ом и в отсутствие ограничения тока транзистором 3, если подать напряжение на клеммы 5 и 6, соответственно находящиеся на концах двух ветвей, это приведет к появлению тока 31 А в катушке 2. Поскольку это значение намного превышает максимально допустимое значение 4 А, транзистор 3 ограничивает ток, проходящий через катушку 2.

Параллельно с катушкой 2 соединен диод 4. Анод диода 4 соединен со стоком транзистора 3, и катод диода 4 соединен с клеммой 5. Диод 4 ограничивает влияние перенапряжения, появляющегося при размыкании второй ветви транзистором 3.

Транзистором управляет цепь управления или переключения, которая содержит биполярный транзистор 8, коллектор которого соединен с затвором транзистора 3.

Коллектор транзистора 8 соединен также с клеммой резистора 12, другая клемма которого соединена с клеммой 5. Эмиттер транзистора 8 соединен с клеммой 6. Сопротивление резистора 12 равно, например, 56 кОм.

База транзистора 8 соединена с анодом диода Зенера 9, катод которого соединен с одной стороны с конденсатором 10, параллельно соединенным с резистором 11. Конденсатор 10 и резистор 11 соединены с клеммой 6. Конденсатор 10 имеет емкость, например, 0,1 мкФ, и резистор 11 имеет сопротивление 56 кОм.

С другой стороны катод диода Зенера 9 соединен с резистором 13, который, в свою очередь, соединен с клеммой 5. Резистор 13 имеет сопротивление, например, 200 кОм.

Приводная схема работает следующим образом.

Как только на клеммы 5 и 6 подают разность потенциалов, ток проходит через вторую ветвь и, следовательно, через катушку 2, и конденсатор 10 заряжается через резистор 13. Когда напряжение на клеммах конденсатора достигает определенного значения, например, 10,7 В при ранее указанных параметрах, ток проходит через транзистор 8 от его эмиттера к его базе.

По причине наличия резистора 12 электрический потенциал коллектора транзистора 8 и затвора транзистора 3 снижается.

Транзистор 3 размыкает при этом вторую ветвь, поэтому ток, проходящий через катушку 2, прерывается примерно через 2 мс.

Следует отметить, что по причине сопротивления катушки 1, которое превышает сопротивление катушки 2, ток, проходящий через катушку 1, остается достаточно слабым, чтобы его мог прервать вспомогательный переключатель.

Как было указано выше, катушки 1 и 2 предпочтительно намотаны вокруг одного сердечника. Это создает наведенные токи. Когда транзистор 3 прерывает прохождение тока в катушке 2, она индуцирует ток в катушке 1. Этот наведенный ток может служить для поддержания магнитного поля, необходимого для перемещения плунжера механизма. Действительно, ток в катушке 2 прерывается, например, после 2 мс. Это время может быть слишком малым, чтобы плунжер достиг своего конечного активированного положения. В этом случае ток, индуцируемый в катушке 1, позволяет плунжеру завершить свой ход.

В варианте цепь управления транзистором 3 является резистивно-емкостной цепью RC. В этом случае между клеммой 5 и затвором транзистора 3 подключен конденсатор, а между клеммой 6 и затвором транзистора 3 подключен резистор. Значения сопротивления и емкости выбирают таким образом, чтобы постоянная времени цепи RC была равна определенному значению, например 2 мс.

Следует отметить, что изобретение находит свое применение не только для электрической подстанции с газовой изоляцией, называемой GIS от английского ''Gas Insulated Substation'', но также для других типов приборов соединения, например, с воздушной изоляцией, выключателей с масляной изоляцией как изнутри, так и снаружи.

Изобретение относится к области электротехники. Объектом изобретения является приводная схема управления выключателем, отличающаяся тем, что содержит две ветви, подключенные параллельно между двумя клеммами (5, 6), и тем, что первая ветвь содержит только первую катушку (1), вторая ветвь содержит вторую катушку (2) с меньшим сопротивлением, чем первая катушка, последовательно соединенную с переключателем, управляемым цепью (3) переключения. 3н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приводная схема управления выключателем, характеризующаяся тем, что содержит две ветви, подключенные параллельно между двумя клеммами (5, 6), причем

первая ветвь содержит только первую катушку (1),

вторая ветвь содержит вторую катушку (2) с меньшим сопротивлением, чем первая катушка, последовательно соединенную с переключателем, управляемым цепью (3) переключения.

2. Приводная схема по п. 1, в которой цепь переключения выполнена с возможностью ограничения тока, проходящего через вторую катушку (2), и размыкания второй ветви по истечении заранее определенного времени после приложения к клеммам (5, 6) разности потенциалов.

3. Приводная схема по п. 1 или 2, в которой переключатель (3) содержит компонент, выбранный из группы, в которую входят полевой транзистор, транзистор с n-p-n-переходом, тиристор и механическое реле.

4. Приводная схема по п. 1 или 2, в которой первая и вторая катушки (1, 2) намотаны вокруг одного и того же сердечника.

5. Привод (21) выключателя, содержащий приводную схему по любому из пп. 1-4.

6. Выключатель (20), содержащий привод, оснащенный приводной схемой по п. 5.