ГИБРИДНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2024 года по МПК H01H89/08 

Предлагаемое изобретение относится к сфере электроэнергетики и может использоваться в качестве быстродействующего выключателя для включения и отключения электрооборудования, использующего постоянный ток, при нормальном режиме эксплуатации, а также для его защиты и автоматического отключения при возникновения недопустимой перегрузки или короткого замыкания. Устройство может быть использовано для защиты тяговых подстанций и фидеров контактной сети в установках магистрального, городского и промышленного электрифицированного транспорта, защиты полупроводниковых преобразователей, электрических машин, линий постоянного тока в промышленных установках.

Известны и широко применяются быстродействующие выключатели постоянного тока ВА 41-39 (Выключатель автоматический типа ВА41-39, М., Информэлектро, 1989 г.), БВП 105А, ВБ-11 (Электропоезда постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М, ЭР2Т, ЭД2Т, М.: Центр Коммерческих Разработок, 2003 г.), БВП-5 (Грищенко А.В., Стрекопытов В.В., Ролле И.А. Устройство и ремонт электровозов и электропоездов. М.: Академия, 2008г.).

Недостатки вышеуказанных устройств обусловлены используемым методом гашения дуги, возникающей на силовых контактах выключателя при размыкании цепи постоянного тока, а именно, использования принципа магнитного гашения дуги, посредством различного типа дугогасительных камер с деионной решеткой. Применение такого принципа гашения дуги имеет ряд недостатков, таких как: сильная эрозия силовых контактов выключателя при возгорании дуги, что приводит к необходимости частой их замены, подстройки хода движения и усилия поджатия подвижного силового контакта выключателя, необходимость частой замены прогоревших перегородок в дугогасительной камере, длительность времени полного размыкания цепи постоянного тока, достигающей нескольких десятков миллисекунд.

По вышеуказанным причинам, выключатели такого типа имеют большие размеры, требуют частого осмотра и дорогостоящего обслуживания. Проблема дуги становится очень острой для применений выключателей, где требуется высокая частота переключения, например, приводы конвейеров, промышленные нагреватели, испытательные стенды и т.д.

Развитие силовой полупроводниковой электроники привело к созданию твердотельных полупроводниковых элементов высокой мощности, способных прерывать электрическую цепь за несколько микросекунд без образования дуги и эрозии контактов. Однако, недостатком твердотельного выключателя являются высокие тепловые потери, создаваемые высоким постоянным током I2R.

Прогресс в силовой электронике позволил комбинировать обычный механический выключатель с полупроводниковым переключающим устройством в так называемый гибридный автоматический выключатель для отключения тока короткого замыкания в электрической цепи. Такой гибридный автоматический выключатель содержит механический выключатель для отключения цепи при обнаружении тока короткого замыкания, и твердотельное полупроводниковое устройство, соединенное параллельно с механическим выключателем для проведения тока короткого замыкания при размыкании механического выключателя. В зависимости от характеристик и условий использования, полупроводниковое устройство может включать набор последовательно или параллельно соединенных управляемых полупроводниковых блоков, например, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором, тиристоров со встроенным затвором).

В связи с этим, наиболее близким к заявленному, является решение по заявке США на изобретение № 20130021708 «Hybrid Circuit Breaker (Гибридный автоматический выключатель)» (МПК H02H3/023; H01H2009/543; H01H9/542, ABB RESEARCH LTD., Швейцария, заявка № 20130021708 от 26.09.2012, приоритет от 26.06.2010, публикация 24.01.2013). Согласно описанию технического решения, при достижении тока критического значения, одновременно происходит размыкание механического выключателя и замыкание параллельной ветви, содержащей один или набор последовательных или параллельных подключаемых управляемых полупроводниковых элементов, в целом работающих как один элемент, например, тиристоров, GTO (тиристор выключения), IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или IGCT (интегрированный тиристор с коммутируемым затвором) и т.д. Когда контакты механического выключателя разомкнулись на расстояние, исключающее пробой среды, в которой происходит размыкание механической составляющей выключателя, происходит отключение (размыкание) параллельной цепи с полупроводниковым элементом. При этом, размыкание силовых контактов происходит без возникновения дуги. Подавление возникающего напряжения в цепи производится в диссипативной схеме (FV), подключенной параллельно контактам механического выключателя, например, супрессоре, варисторе, разряднике и т.д.

Для уменьшения времени реакции и обеспечения более короткого времени коммутации гибридного автоматического выключателя на критические токи, предусмотрена дополнительная электрическая цепь, соединяющая основную электрическую цепь и землю. В дополнительной электрической цепи предусмотрен блок импеданса и блок управления, настроенный для подключения блока импеданса к основной цепи в момент появления превышения критического тока. При этом единицей импеданса может быть, например, сопротивление, индуктивность, емкость, или их комбинация. По изобретению, основная задача введения дополнительной электрической цепи в момент, например, образования токов короткого замыкания в основной электрической цепи, заключается в уменьшении полного сопротивления и мгновенному увеличению силы тока в основной цепи, что приводит к более быстрой реакции механического выключателя и более быстрому отключению такого гибридного автоматического выключателя.

Недостатком технического решения является тот факт, что за время, необходимое для гашения дуги, мгновенное увеличение силы тока, например, тока короткого замыкания, может привести к разрушению защищаемого оборудования и выходу из строя как полупроводниковой составляющей, так и всего заявленного гибридного автоматического выключателя.

Таким образом, устройства, раскрытые в уровне техники не обеспечивают решения ряда технических проблем, в частности, создания быстродействующего автоматического выключателя, способного без образования дуги размыкать постоянный ток, как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания, работающего в широком диапазоне, вплоть до десятков килоампер и киловольт, токов и напряжения, практически не требующего технического обслуживания.

Техническая проблема решается следующим образом. Настоящей изобретением предложен гибридный автоматический выключатель, который содержит механический выключатель, выполненный с возможностью прерывания цепи при обнаружении тока короткого замыкания, полупроводниковое устройство, подключенное параллельно с механическим автоматическим выключателем. В цепь нагрузки включена индуктивность L, размещенная последовательно за механическим выключателем, и RC-цепь, размещенная последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R вводится в электрическую цепь при обнаружении тока.

Признаками, общими с аналогом, являются наличие механического выключателя, выполненного с возможностью прерывания цепи при обнаружении тока короткого замыкания, и полупроводникового устройства, подключенного параллельно с механическим автоматическим выключателем.

Признаками, отличающими устройство от аналога, являются включение в цепь нагрузки индуктивности L, размещенной последовательно за механическим выключателем, RC-цепи, размещенной последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R вводится в электрическую цепь при обнаружении тока.

В первом частном случае устройство характеризуется тем, что что перед механическим выключателем размещается плавкая вставка F.

Во втором частном случае устройство дополнительно характеризуется тем, что содержит несколько параллельно соединенных, синхронно срабатывающих блоков механических выключателей и полупроводниковых устройств.

В третьем частном случае устройство отличается тем, что в качестве механического выключателя используется вакуумный выключатель.

Техническое решение представляет собой комбинированный автоматический выключатель, в цепь нагрузки которого включается индуктивность L и RC-цепь, приводящих к сглаживанию скачков тока в основной цепи и существенному уменьшению скорости нарастания тока, что не позволяет за полное время выключения t (время с момента подачи сигнала на размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка) току в полупроводниковой цепи превысить предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства, тем самым оставляя его в работоспособном состоянии.

Введение в цепь индуктивности L и RC-цепи позволяет перевести режим «короткого замыкания» в цепи с мгновенным увеличением силы тока в цепи в режим контролированного режима «перегрузки», когда плавно нарастающий ток в цепи может быть корректно отключен без разрушения выключателя. Характеристики индуктивности L и RC цепи рассчитываются для каждой конкретной схемы подключения нагрузки и возникновения в ней тока короткого замыкания. При этом, сопротивление R находится в отключенном состоянии в нормальном режиме и вводится в цепь только в момент, когда ток в цепи достигает критического значения, что позволяет избежать дополнительных потерь при эксплуатации под нагрузкой.

При добавлении в цепь плавкой вставки F, гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ производит отслеживание нарастания тока до критического уровня и скорость нарастания тока. При этом, в зависимости скорости нарастания тока, блок управления запрограммирован таким образом, что если скорость нарастания силы тока в цепи ниже пороговой величины, по которой, за время с момента начала размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, ток в полупроводниковой цепи не превысит предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства и возникает режим «перегрузки», то управление выключателя производится согласно принципу действия, описанному выше.

Если же скорость нарастания силы тока выше пороговой величины, то блоком управления БУ не подается сигнал на размыкание контактов механического выключателя (SМех) и замыкание полупроводникового устройства, и ток в цепи прерывается быстродействующей плавкой вставкой F.

Для увеличения диапазона применения выключателя, а именно, при применении выключателя по изобретению для высокоскоростного отключения больших токов, может используется не только несколько полупроводниковых устройств, но и, согласно изобретению, несколько параллельно соединенных и синхронно открывающихся/закрывающихся механических выключателей. Известно, что быстродействие выключателя в сильной степени зависит от скорости открытия механической составляющей выключателя. С другой стороны, увеличение силы тока цепи приводит к необходимости увеличения площади контактной поверхности, увеличению массы и, соответственно, к уменьшению скорости открытия механического выключателя. Использование нескольких параллельно соединенных и синхронно открывающихся/закрывающихся механических выключателей позволяет существенно увеличить возможность применения выключателя в широком диапазоне силы тока в цепи без потери его быстродействия.

В качестве механического выключателя по настоящему изобретению, применяется вакуумный выключатель с различного рода приводом. Отсутствие носителей заряда и высокая электрическая прочность вакуума, например, пробивное напряжение длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ, (Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988г.) позволяют существенно увеличить быстродействие гибридного выключателя, которое будет ограничиваться только скоростью открытия механической составляющей выключателя. Вакуумные выключатели являются в настоящее время наиболее эффективными и долговечными. Их срок службы без ревизии достигает двадцати пяти лет.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами:

Фиг. 1 - часть функциональной схемы, содержащей индуктивность L и RC-цепь;

Фиг. 2 - часть функциональной схемы, дополнительно содержащей быстродействующую плавкую вставку L.

На фигурах обозначены следующие позиции:

S_мех - механический выключатель;

G1, G2 - один или набор последовательных, или параллельных подключаемых управляемых полупроводниковых элементов, в целом, работающих как один элемент, например, тиристоров, GTO (тиристор выключения), IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или IGCT (интегрированный тиристор с коммутируемым затвором);

V - диссипативная схема, например, супрессор, варистор, разрядник и т.д.;

S - источник питания;

N - нагрузка;

L - индуктивность;

С - конденсатор;

R - резистор;

F - быстродействующая плавкая вставка.

Блок управления БУ и датчик тока ДТ, гальванически развязанные с основной цепью, на схеме не отражаются. Последовательно со схемой включаются источник питания S и нагрузка N. Нагрузка может включать в себя комбинацию резистивных, индуктивных нагрузок и двигателей. Элементы схемы коммутируются в последовательности как указано в описании.

Для понимания принципов работы и особенностей различных изобретения, ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями подсистем, узлов и компонентов. Изобретение может быть реализовано и иными способами. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.

Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.

Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «гибридный» относится к техническому решению, сочетающему в себе механический переключатель и набор полупроводниковых элементов. Под термином «цепью нагрузки» понимают часть электрической цепи, имеющей активный или мнимый импеданс. Под «индуктивностью» понимается, по существу, сосредоточенный элемент электрической цепи, в котором накапливается магнитная энергия. Под «RC-цепью» понимают участок полной цепи, состоящий из конденсатора и резистора. Термины «емкость» и «сопротивление» в контексте настоящего описания идентичны терминам «конденсатор» и «резистор», соответственно, если в описании не указано иное. Под термином «механический выключатель» понимают электрический коммутационный аппарат, предназначенный для непосредственного замыкания или размыкания электрической цепи. В описании к механическим выключателям отнесен также вакуумный выключатель, в котором вакуум выступает средой для гашения электрической дуги при размыкании или замыкании электрической цепи.

Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в устройстве, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, даже если такой компонент, материал, часть, выполняет ту же функцию, что и указанный.

Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящего изобретения, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.

Обратимся к прилагаемым фигурам. На Фиг. 1 изображен часть функциональной схемы гибридного автоматического выключателя, состоящая из набора тиристоров (GTO, IGCT) и/или биполярных транзисторов IGCT G1…G_n и диссипативной схемы V, составляющих твердотельное полупроводниковое устройство, параллельно которому подключен механический автоматический выключатель S_мех, соединенный с гальванически развязанным блоком управления БУ и датчиком тока ДТ (на схеме не показаны). В цепь нагрузки введена индуктивность L и RC-цепь, расположенные последовательно за механическим автоматическим выключателем.

Альтернативный вариант изобретения, изображен на Фиг. 2, предусматривает дополнительную установку быстродействующей плавкой вставки F, размещаемой перед механическим выключателем за источником тока.

Устройство работает следующим образом. В рабочем режиме контакты механического выключателя S_мех замкнуты, твердотельного полупроводникового устройства разомкнуты, сопротивление R не введено в цепь нагрузки. При возникновении критического тока в цепи, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ, гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, подает сигнал на размыкание силовых контактов механического выключателя S_мех, замыкание контактов полупроводникового устройства и введение в силовую цепь сопротивления R. При расхождении контактов механического выключателя на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, блок управления подает сигнал на размыкание контактов полупроводникового устройства и выведения из цепи нагрузки сопротивления R. Энергия, оставшаяся в цепи, поглощается параллельно соединенным компонентом V твердотельного устройства, например, супрессором, варистором или разрядником.

При наличии быстродействующей плавкой вставки, устройство работает следующим образом. Гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ производит отслеживание нарастания тока до критического уровня и скорость нарастания тока. При этом, в зависимости скорости нарастания тока, блок управления запрограммирован таким образом, что если: di/dt < di_порог/dt пороговой величины, по которой, за время с момента начала размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, ток в полупроводниковой цепи не превысит предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства и возникает режим «перегрузки», то управление выключателя производится согласно принципу действия выключателя, указанному выше; если di/dt >= di_порог/dt пороговой величины, блок управления БУ не подает сигнал на размыкание контактов механического выключателя S_мех и замыкание полупроводникового устройства. Возникает режим «короткого замыкания» и ток прерывается быстродействующей плавкой вставкой F.

Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения.

Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью показать промышленную применимость устройства и дать общее впечатление об устройстве. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием.

Гибридный автоматический выключатель предназначен для включения и отключения электрооборудования, использующего постоянный ток, при нормальном режиме эксплуатации, а также для его защиты и автоматического отключения при возникновении недопустимой перегрузки или короткого замыкания. Технический результат заключается в ограничении тока в цепи выключателя предельно допустимым значением для используемого полупроводникового устройства в режиме короткого замыкания в цепи нагрузки, а также в избегании дополнительных потерь в режиме эксплуатации под нагрузкой без упомянутого короткого замыкания. Гибридный выключатель содержит механический выключатель с параллельно подключенным полупроводниковым устройством и диссипативным элементом. Для сглаживания скачков тока и уменьшения скорости нарастания тока в цепь нагрузки включается индуктивность L и RC-цепь, причем сопротивление R вводится в цепь при обнаружении тока, а для ограничения критического тока и тока короткого замыкания перед механическим выключателем ставится быстродействующая плавкая вставка F с соответствующим номиналом. Для применения выключателя в области больших токов без существенной потери его быстродействия может использоваться как несколько параллельно соединенных полупроводниковых устройств, так и несколько параллельно соединенных и синхронно срабатывающих механических выключателей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гибридный автоматический выключатель, содержащий блок управления, механический выключатель S_мех, выполненный с возможностью прерывания электрической цепи при обнаружении блоком управления (БУ) тока короткого замыкания di/dt, полупроводниковое устройство, подключенное параллельно с механическим автоматическим выключателем, выполненные с возможностью приема команд от блока управления (БУ), отличающийся тем, что в цепь нагрузки включена индуктивность L, размещенная последовательно за механическим выключателем, и RC-цепь, размещенная последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R выполнено с возможностью ввода в электрическую цепь при обнаружении критического тока в цепи, а перед механическим выключателем размещается плавкая вставка F.

2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит несколько параллельно соединенных синхронно срабатывающих блоков механических выключателей и полупроводниковых устройств.

3. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве механического выключателя используется вакуумный выключатель.

4. Способ управления работой гибридного автоматического выключателя по п. 1, при котором с помощью блока управления (БУ) отслеживается параметр di/dt в электрической цепи, и в случае, если указанный параметр не превышает порогового значения di_порог/dt, при возникновении критического тока в цепи блок управления (БУ) подает сигнал на размыкание силовых контактов механического выключателя S_мех, замыкание контактов полупроводникового устройства и введение в силовую цепь сопротивления R, в ином случае блок управления (БУ) не подает сигнал на размыкание контактов механического выключателя S_мех и замыкание полупроводникового устройства, и для прерывания тока в цепи задействуется плавкая вставка F.