СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ВАКУУМНОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ И ВАКУУМНЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК H01H33/666 

Изобретение относится к способу управления приводом вакуумного прерывателя в режиме размыкания, в котором перемещение при размыкании по меньшей мере одного подвижного контакта делится на последовательные фазы, фазу размыкания и фазу изоляции, выполняемые по меньшей мере с двумя различными скоростями, согласно ограничительной части пунктов 1 и 4 формулы изобретения.

Уровень техники

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ (CIRCUIT BREAKER) с вакуумными прерывателями (VI) обычно проектируется для замыкания и размыкания в условиях короткого замыкания. Что касается операции размыкания, увеличение расстояния между отдельными контактами прерывателя VI должно быть быстрым; в противном случае существует риск повторного зажигания дуги после первого нулевого тока, из-за малого расстояния между контактами и, соответственно, из-за низкой электрической прочности прерывателя VI. В условиях короткого замыкания эта дуга генерирует значительное количество тепла в контактах прерывателя VI, что может повредить контакты.

Не учитывая токи короткого замыкания, а учитывая лишь номинальные нагрузки, например, в случае двигателей или трансформаторов, имеющих в основном сопротивление R_Load и индуктивность L_Load, размыкание контактов прерывателя VI может вызывать повторные зажигания разряда. Этот эффект возникает после прерывания тока нагрузки прерывателем VI. Энергия, которая находится в цепи нагрузки и в паразитной емкости C_Cable кабеля между прерывателем VI и нагрузкой, начнет совершать «колебания». Это колебание будет генерировать синусоидальное напряжение на кабеле, обычно с более высокой частотой, чем частота сети. Величина напряжения из-за этого колебания обычно будет выше напряжение сети. Таким образом, результирующее напряжение на разомкнутых контактах прерывателя VI может достигать высоких значений, которые также могут быть выше, чем мгновенная электрическая прочность прерывателя VI, поскольку контакты VI все еще находятся в фазе, когда расстояние между ними увеличивается, и полная электрическая прочность еще не достигнута. Это может привести к электрическому пробою, который приведет к очень быстрому изменению напряжения на контактах прерывателя VI, а также к очень быстрому изменению напряжения на стороне кабеля, который подключен к автоматическому выключателю. Этот скачок напряжения будет проходить через кабель и может повредить изоляцию обмоток нагрузки.

Часто нагрузка защищается дополнительными средствами, такими как демпфирующие цепи или ограничители перенапряжения. Последние уменьшают величину и вероятность скачков напряжения.

В хорошо известном уровне техники (EP 1 292 960 B1) первая фаза размыкания приводится в действие с максимальной скоростью, а затем замедляется в фазе изоляции до тех пор, пока относительное положение контакта не достигнет конечного положения разомкнутого переключателя.

Задача изобретения

Таким образом, задачей изобретения является управление перемещением при размыкании вакуумного прерывателя таким образом, чтобы в случае номинального или меньшего тока нагрузки индуктивная энергия полной электрической цепи затухала бы более эффективно.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение предлагает размыкать прерыватель VI преднамеренно медленно в случае прерывания номинального тока нагрузки, чтобы уменьшить величину скачков напряжения при возможных повторных зажиганиях разряда.

Что касается вышеуказанного уровня техники, основным для изобретения является то, что в отличие от приведенного выше существующего уровня техники скорости будут использоваться, поменяв соотношение на обратное.

Это означает, что если будет обнаружена номинальная или меньшая нагрузка по току, замкнутые контакты размыкаются с более медленной скоростью во время фазы размыкания и с более высокой скоростью во время фазы изоляции.

Таким образом, это означает, что изобретение заключается в том, что в фазе размыкания скорость размыкающего перемещения ниже, чем в фазе изоляции.

Это определённо является «обратным» соотношением по отношению к хорошо известному процессу в указанном известном уровне техники.

В предпочтительном варианте осуществления способа указанное размыкающее перемещение будет инициироваться посредством привода, если в соответствующей электрической цепи посредством датчика тока фактически детектируется более низкая, не максимальная токовая нагрузка. Это относится к нормальным условиям эксплуатации, т.е. способ, представленный здесь, не предназначен для прерывания токов короткого замыкания. Во избежание высокого теплового напряжения на контактах в случае токов, превышающих номинальный ток нагрузки, для привода и управления автоматическим выключателем цепи следует различать прерывание при номинальном токе нагрузки и токе короткого замыкания. Токи, значительно превышающие номинальный ток нагрузки, или токи короткого замыкания, должны прерываться посредством высокоскоростного размыкающего перемещения контактов, сравнимого с автоматическим выключателем существующего уровня техники.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения измеряется колебание напряжения в кабеле коммутируемой цепи, и скорость размыкающего перемещения дополнительно регулируется вдоль пути размыкающего перемещения, путем фактического учета амплитуды указанного измеренного колебания напряжения.

Согласно вакуумному прерывателю, управляемому в соответствии с указанным способом, изобретение заключается в том, что во время фазы размыкания скорость размыкающего перемещения регулируется посредством контроллера привода таким образом, что она более низкая, чем в фазе изоляции.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения контроллер привода соединен с датчиком тока, размещенным в электрической цепи вакуумного прерывателя, так что указанное размыкающее перемещение будет инициировано с помощью привода, если в рассматриваемой электрической цепи с помощью датчика тока измеряется фактически более низкая, а не максимальная, токовая нагрузка.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения контроллер привода соединен с датчиком напряжения, размещенным в электрической цепи вакуумного прерывателя, так что измеряется колебание напряжения в кабеле коммутируемой цепи, при этом скорость размыкающего перемещения дополнительно регулируется вдоль пути размыкающего перемещения с учетом фактической амплитуды указанного измеренного колебания напряжения.

В последнем предпочтительном варианте осуществления изобретения вакуумный прерыватель является вакуумным прерывателем, используемым для среднего напряжения.

Таким образом, в изобретении соотношение между скоростями меняется на обратное по сравнению с хорошо известными характеристиками переключения.

Во время размыкания контактов прерывателя VI электрическая прочность увеличивается, пока происходит колебательный процесс в цепи нагрузки.

При быстром размыкании контактов прерывателя VI электрическая прочность быстро увеличивается, и до следующего пробоя требуется относительно много времени. В этом случае напряжение пробоя будет иметь относительно высокое значение вследствие высокого электрического напряжения нагрузки.

При медленном размыкании контактов прерывателя VI электрическая прочность увеличивается медленно, и до следующего пробоя требуется сравнительно короткое время. Тогда напряжение пробоя будет иметь относительно низкое значение вследствие относительно низкого электрического напряжения нагрузки, так как величина скачка напряжения уменьшается.

Вариант осуществления изобретения показан на чертежах:

Фиг. 1: Рассматриваемая электрическая схема.

Фиг. 2: Принцип размыкания контактов прерывателя VI: сначала медленный во время фазы размыкания, а затем более быстрый, чтобы достичь конечной позиции.

Фиг. 3: Моделирование, показывающее эффект демпфирования на повторных зажиганиях разряда.

Фиг. 4: Вариант по фиг. 2, с первым быстрым этапом в фазе размыкания.

На фиг. 1 показана рассматриваемая электрическая цепь, содержащая источник переменного напряжения, прерыватель VI в качестве переключателя, кабель, представленный посредством его емкости C_Cable, и нагрузка, представленная сопротивлением R_Load и индуктивностью L_Load.

На фиг. 2 показан переход подвижного контакта прерывателя VI из замкнутого положения в разомкнутое положение с течением времени. В начале контакты прерывателя VI замкнуты. Во время фазы размыкания подвижный контакт медленно отводится от неподвижного контакта. Во время фазы изоляции подвижный контакт приводится в движение быстрее, пока он не достигнет полностью разомкнутого положения.

На фиг. 3 показано принципиальное различие в моделях операции размыкания с высокой скоростью (верхние кривые) и с низкой скоростью (нижние кривые) с использованием схемы, показанной на фиг. 1. Кривые 1 и 3 представляют собой сетевое напряжение, а кривые 2 и 4 – напряжение C_Cable. При медленном размыкании скачки напряжения кривой 4 явно ниже скачков напряжения кривой 2.

При использовании этого эффекта дополнительные средства защиты нагрузки, такие как демпфирующие цепи или разрядники напряжения, могут морально устаревать в зависимости от фактического применения.

Датчик тока или токопробник и защитное устройство могут определить, является ли предполагаемая операция по размыканию размыканием тока короткого замыкания или размыканием тока номинальной нагрузки. В случае размыкания тока короткого замыкания операция должна выполняться с нормальной скоростью прерывателя VI, а в случае размыкания тока номинальной нагрузки операция должна выполняться с пониженной скоростью.

Конструкция привода автоматического выключателя (CIRCUIT BREAKER), безусловно, должна поддерживать этот подход, например, с помощью введения дополнительного демпфирующего устройства для операции размыкания на медленной скорости, или посредством применения серводвигателя с управлением скоростью и/или управлением положением для приведения в действие автоматического выключателя.

Размыкание на медленной скорости также включает в себя идею изменения скорости во время операции размыкания, например, чтобы быстро получить определенное расстояние между контактами прерывателя VI, затем уменьшить скорость, чтобы практически поддерживать это расстояние в течение более длительного времени, пока энергия колебаний цепи нагрузки не станет ниже предела, где может произойти повторное зажигание разряда, а затем снова увеличить скорость, чтобы достичь полностью разомкнутого положения, как показано на фиг. 4.

Предлагаемый способ также выгоден для коммутации конденсаторов. В традиционном автоматическом выключателе ток конденсатора будет прерываться при нулевом токе, то есть при максимуме сетевого напряжения. В случае медленного размыкания, в течение первых 5 мс после нулевого тока произойдет несколько повторных зажиганий, в результате чего оставшееся напряжение на конденсаторе может быть намного ближе к нулю.

Изобретение относится к способу управления привода вакуумного прерывателя в режиме размыкания, в котором размыкающее перемещение по меньшей мере одного подвижного контакта делится на последовательные фазы, фазу размыкания и фазу изоляции, выполняемые по меньшей мере с двумя различными скоростями. Для того, чтобы управлять размыкающим перемещением вакуумного прерывателя таким образом, чтобы в случае низкой нагрузки индуктивная энергия полной электрической цепи затухала более эффективно, согласно изобретению, в фазе размыкания и/или фазе разъединения скорость размыкающего перемещения ниже, чем в фазе изоляции. Техническим результатом является уменьшение величины скачков напряжения при возможных повторных зажиганиях разряда. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления приводом вакуумного прерывателя в режиме размыкания, включающий разделение размыкающего перемещения по меньшей мере одного подвижного контакта на последовательные фазы, фазу размыкания и фазу изоляции, которые выполняют по меньшей мере с двумя различными скоростями,

отличающийся тем, что в фазе размыкания скорость размыкающего перемещения ниже, чем в фазе изоляции, при этом с помощью привода инициируют указанное размыкающее перемещение, если с помощью датчика тока выявляют, что фактический ток в электрической цепи не выше номинального тока нагрузки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для токов, превышающих номинальный ток нагрузки, размыкающее перемещение не разделяют на две фазы и указанная относительно медленная фаза размыкания опускается, при этом всю операцию размыкания выполняют с высокой скоростью.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют колебание напряжения в кабеле коммутируемой цепи и дополнительно управляют скоростью коммутирующего перемещения вдоль указанного коммутирующего перемещения посредством фактического учета амплитуды указанного измеренного колебания напряжения.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что фазу размыкания начинают с первого быстрого этапа.

5. Вакуумный прерыватель с управляемым приводом для переключения контактов вакуумного прерывателя, в котором размыкающее перемещение по меньшей мере одного подвижного контакта разделено на последовательные фазы, фазу размыкания, фазу разъединения и фазу изоляции, выполняемые по меньшей мере с двумя разными скоростями, работающий по способу, согласно по меньшей мере по одному из пп. 1-3,

отличающийся тем, что в фазе размыкания и/или фазе разъединения скорость указанного размыкающего перемещения управляется посредством контроллера привода таким образом, чтобы указанная скорость была ниже, чем в фазе изоляции,

при этом контроллер привода связан с датчиком тока, размещенным в электрической цепи указанного вакуумного прерывателя, так чтобы указанное размыкающее перемещение инициировалось с помощью привода, если в рассматриваемой электрической цепи датчиком тока выявляется фактически более низкая, а не максимальная, токовая нагрузка.

6. Вакуумный прерыватель по п. 5, отличающийся тем, что контроллер привода соединен с датчиком напряжения, размещенным в электрической цепи вакуумного прерывателя таким образом, чтобы измерялось колебание напряжения в кабеле коммутируемой цепи, при этом скорость коммутирующего перемещения дополнительно регулируется вдоль указанного коммутирующего перемещения с учетом амплитуды указанного измеренного колебания напряжения.

7. Вакуумный прерыватель по п.5 или 6, отличающийся тем, что он является вакуумным прерывателем, используемым при среднем напряжении.