Быстродействующий автоматический выключатель Советский патент 1988 года по МПК H01H9/30 

со

О5 СП

Сл

сл

11

Изобретение относится к области низковольтного аппаратостроения, в частности к быстродействующим автоматическим выключателям.

Целью изобретения является новы- шение эксплуатационных возможностей быстродействующего автоматического выключателя.

На фиг. 1 схематически показан предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель; на фиг.2 - время-токовая диаграмма его работы. Быс тр од ей с ТВ ую1 Ц1й автоматический выключатель содержит механические контакты 1, деионную дугогасительную камеру 2, коммутирующий конденсатор 3, полупроводниковый диод А, импульсный трансформатор 5, содержащий первичную обмотку 6 и вторичную высоковольтную обмотку 7, первый и второй электроды 8 и 9, блок 10 управления, первый 11 и второй 12 датчики тока, высоковольтные разделительные конденсаторы 13-16, шунтированные высокоомными резисторами 17-20, диф- ференцируюш й конденсатор 21, блок 22 заряда конденсатора 21, блок 23 магнитного дутья, нагрузку 24, к которой через автоматический выключатель подается питание от источника

25питания. Деионная дугогасительная камера 2 быстродействующего автоматического выключателя содержит деион ные пластины 26-31, В вариантах предлагаемого аятомэтичсского выключателя используется промежуточный третий электрод 32 и яысокоомный резистор 33

Деионная дугогасительная камера 2 представляет собой слегка модифицированную станл.артную деионную решетку автоматического выключателя. Промежуточные пластины 27-30 являются обычЬыми пластинами из меди или стали. Крайняя пластина 31 также является стандартной и используется для подсоединения к нагрузке 24 и непосредственного подсоединения к одному из выводов высоковольтной обмотки 7 импульсного трансформатора 5. Другая крайняя (свободная) пластина

26отличается от стандартной лишь несколько меньшей (на 8-12 мм) длиной

и используется для подсоединения к коммутирующему конденсатору 3. Вблизи деионных пластин 26 и 27 на расстоянии 2-4 мм расположены первый 8 и второй 9 электроды, которые крепятся в изоляционном корпусе дугогаси- тельной камеры 2 (не показано). Каж

0

5

0

5

51

-

0

5

0

5

0

5

552

дан из деионных пластин 27-30 подсоединена к соответствующим цепочкам параллельно соединенных высоковольтного конденсатора и -высокоомного резистора, а именно: конденсатора 13 и резистора 17, конденсатора 14 и резистора 18, конденсатора 15 и резистора 19, конденсатора 16 и резистора 20 соответственно. Дифференцирующий конденсатор 21 одним своим выводом подключен к первому электроду В, а вторым - к деионной пластине 27. Заряд этого конденсатора емкостью несколько микрофарад осуществляется от стандартного малогабаритного блока 22, от независимого источника или от источника 25. Базы магнитного дутья 23 содержат в качестве основной части несколько витков, собранных, например, в виде двух соленоидов, по которым протекает ток, например, из блока 10 управления. Это достигается тем, что, например, тиристор, используемый в блоке 10 в качестве ключевого элемента, включен последовательно с витками узла 23

(не показано) и при подаче сигнала

I

от датчика тока на управляющий электрод этого тиристора происходит разряд предварительно заряженного конденсатора в блоке 10 через тиристор, витки узла 23 и первичную обмотку 6 трансформатора 5.

В вариантах исполнения предлагаемого выключателя вместо полупроводникового диода 4 используется высо- коомный резистор 33 и вводится вспомогательный электрод 32, расположенный между деионными пластинами 26 и 27 внутри дугогасительной камеры 2 в ее задней части и подключенный к общей точке коммутирующего конденсатора контакта и источника питания.

Быстродействующий автоматический выключатель работает следующим образом.

При протекании через выключатель номинального тока контакты 1 замкнуты и питание от источника 25 подается через эти контакты к нагрузке 24. При этом коммутирующий конденсатор 3 заряжен до требуемого напряжения от постоянного источника (не показан) в полярности, показанной на фиг. 1. Дифференцирующий конденсатор 21 также заряжают от источника 22 до относительно высокого напряжения 1500-2000 В, причем ни заряженные конденсаторы 3 и 21, ни все другие

10

15

20

25

513651

Применение диода 4 позволяет использовать в предлагаемом выключателе малогабаритные электролитические конденсаторы.

Важной особенностью устройства является то, что конденсатор должен выдать только импульс разрядного тока, обеспечивающий лишь переброс тока из цепи контактов в цепь конденсатор - камера, а отключение цепи .осуществляется уже дугогасиТельной камерой, т.е. функции конденсатора И камеры разделены, вся энергия цепи рассеивается в дуге, благодаря чему конденсатор может быть выбран малой емкости. Поскольку и диод работает в кратковременном режиме, обеспечиваются малые габариты и высокая надежность устройства.

Высокое быстродействие блока 10 управления, построенного на стандартных электронных элементах, импульсного трансформатора 5, датчиков тока также способствует снижению емкости конденсатора 3, поскольку аварийный ток ограничивается на низком уровне фактически в самом начале аварии.

Алгоритм срабатывания отдельных элементов автоматического выключателя представлен на фиг. 2 время-токо- вой диаграммой, где I и - номинальный ток; IV - ток установки; I - ток ограничения; Tq - собственное время датчика тока; время срабатывания собственного блока управления; Т - 35 время вытеснения тока из цепи контактов в цепь дугогасительной камеры; Т р - время спадания тока к нулю в период токоограничивающего действия дугогасительной камеры; Т - полное вре- О мя отключения.

В некоторых случаях, например, при спользовании выключателя в цепях с алой индуктивностью (в цепях с элек- тролизными преобразователями) или при еобходимости исключения полупроводникового прибора из силовой части выключателя возможно применение варианта быстродействующего автомати- Q еского выключателя, в котором вместо диода 4 использован высокоомный езистор 33 (его подключение показано на фиг. 1 штрихпунктирной линией). В основном, принцип работы это- 55 о варианта выключателя подобен опианному. Отличие заключается в том, то после перехода тока в цепочку онденсатор 3 - дугогасительная ка0

5

0

5

51

35 О

Q 55

556

мера 2 и размыкания контактов происходит перезаряд конденсатора (в этом случае необходимо использовать неполярный конденсатор) аварийным током и его левая (по фиг. 1) обкладка становится положительной, а правая - отрицательной, и отключение цепи. На отключение цепи в результате перезаряда конденсатора не оказывает влияние наличие резистора 33, шунтирующего конденсатор, поскольку ток через резистор весьма мал (доли миллиампер) из-за очень большого сопротивления резистора и недостаточен для поддержания горения дуги в камере.

Отсутствие полупроводникового диода в данном варианте выключателя повышает надежность устройства, кроме того, дополнительно повышается токоограничивающая способность выключателя, так как напряжение перезаряженного конденсатора включено последовательно с напряжением на дугогасительной камере в цепи и суммируется с ним. Вместе с тем, наличие этого напряжения на конденсаторе не оказывает большого влияния на нагрузку, поскольку в последовательной цепи включено напряжение источника, направленное против напряжения на конденсаторе. Шунтирование конденсатора высокоомным резистором не влияет на работу выключателя: это большое сопротивление порядка 1-10 мОм и поэтому даже при напряжении на конденсаторе 1000 В потери мощности на таком резисторе весьма малы (0,1- 1,0 Вт). Кроме того, применение такого резистора не влияет на готовность выключателя к повторному отключению аварийного тока, поскольку основной перезаряд конденсатора для нового цикла осуществляется от сети его питания, а интервал следования аварий, которые должен отключать выключатель, значительно больше постоянной времени его разряда. Наконец, исключение из устройства электролитического конденсатора 3 и применение вместо него неполярного, например бумажного, конденсатора 3, повьппает надежность работы, особенно при высокой и низкой температуре окружающей среды.

В еще одном варианте быстродействующего автоматического выключателя обеспечивается возможность ограничения перенапряжений на гасящем конденсаторе без применения диода 4 и резистора 33, что актуально для защи31

элементы не оказывают влияния на работу выключателя. Если в цепи возникает аварийный режим, ток через контакты 1 растет и достигает величины уставки датчика 11 тока, который включен в цепи нагрузки и является стандартным (например, дифференциальный датчик, обеспечивающий любое требуемое быстродействие благодаря способности выдавать сигнал с упреж- дением, например, в зависимости от скорости роста аварийного тока).

Датчик 11 тока выдает сигнал в блок 10 управления. При появлении этого сигнала блок 10 управления обеспечивает подачу на вторичную обмотку 7 импульсного трансформатора высоковольтного импульса порядка 6- 10 кВ. В результате этого происходит электрический пробой промежутка меж- ду пластинами 31 и 30 деионной дуго- гасительной камеры, к которым через разделительный конденсатор 16 весьма малой емкости (несколько сот пико- фарад) прикладывается высокое напряжение. В результате пробоя конденсатор 16 оказывается заряженным в полярности, показанной на фиг. 1. Затем через несколько микросекунд происходит пробой промежутка между пла- стинами 30 и 29, к которым также прикладывается высокое напряжение (минус от одного вывода обмотки 7 транформатора через низковольтную дугу между пластинами 31-30 и плюс от другого вывода трансформатора через разделительный конденсатор 15).

Аналогичным образом осуществляется быстрый последовательный пробой между пластинами 29-28, 28-27 и 29-28, 28-27, пластиной 27 и дополнительным электродом 9. Инициирующее действие дуги между пластиной 27 и дополнительным электродом 9 приводит к ионизации пространства между допол нительным электродом 8 и пластиной 27. Наличие достаточно высокого напряжения между электродом В и пластиной 27 в конечном счете приводит к электрическому пробою между ними и образованию дуги. Эта относительно мощная дуга между электродом 8 и пластиной 27 под действием магнитного поля, создаваемого узлом 23 магнитного дутья, перемещается в сторону пластины 26 и своим телом замыкает пластины 26 и 27, Этим моментом фиксируется образование серии последовательно горящих дуг между всеми пла554

стинами 26-31 деионной дугогаситель- ной камеры (фиг. 1). Таким образом, в течение нескольких десятков микросекунд цепь между пластинами 26-31 оказывается замкнутой и для гасящего конденсатора 3 образуется контур для разряда через последовательно соединенные дуги между пластинами 26-31 и замкнутые контакты 1

Ток разряда конденсатора 3 направлен против тока нагрузки, протекающего через контакты 1 от источни ка 25.В связи с этим результирующий ток через контакты 1 будет уменьшаться, фактически будет происходить вытеснение тока из цепи контактов 1 и в параллельно к ним подключенную цепочку, состоящую из последовательно соединенных конденсаторов 3 и камеры 2. В момент, близкий к нулю тока через контакты 1, срабатывает датчик 12 тока (фактически датчик нуля тока), который выдает сигнал на блок 10 управления. Простейшая схема И этого блока после получения сигнала от датчика 12 тока (а еще ранее от датчика 11 тока) выдает команду на размыкание контактов I фактически в бестоковом состоянии.. Быстрое размыкание контактов 1 может быть выполнено с помощью любого известного быстродействующего устройства. После размыкания контактов ток нагрузки еще некоторое время (в зависимости от величины индуктивности цепи, емкости конденсатора, аварийного тока и параметров нагрузки) будет протекать через конденсатор и камеру, а затем после спадания напряжения н конденсаторе к нулю - через диод и камеру.

Теоретически с момента, когда напряжение на конденсаторе 3 спало к нулю, а фактически даже еще раньше в цепи нагрузки, где произошла авария, оказывается включенной дуго- гасительная камера с полньп заданным напряжением на дуге, что обеспечивает быстрое ограничение тока и отключение цепи, близкое к теоретически достижимому. В связи с тем, что контур, включающий в себя контакт 1, камеру 2 и конденсатор 3, вьшолнен малоиндуктивным, разряд конденсатора 3 на этот контур происходит быстро (0,2-0,3 мс), и в целом токоог- раничение от действия полного напряжения на дуге начинается за время, менее 1 мс.

71

ты цепей с большой индуктивностью, например, преобразователей для металлургического электро11ри} одл. С этой целью в деионну}) ду го гасительную камеру 2 ввецен третий вспомогательный электрод 32, расположенный, например, между деиопнь ми пластинами 2Ь и 27 в задней части камеры. Вывод электрода 32 подсоединен к пеной обкладке гасящего конденсатора 3 (как это показано на фиг. 1 птрихпунктир- ной линией). ,ип паботы этого варианта нык.икшателя подобен описанному, отличие состоит в том, что к моменту, ко1 да дуга между деионными пластинами 26 и 27 уже на этапе то- коограничения достигает переднего конца BcnoMoraTej.,jHoro электрода 32 (до этого момента осушествовения электрода 32 гонерп .енно не влияет па работу выкл о ателя ), цепь между пластиной 26 и TjiexTponoM 32 оказывается закороченное этой дугой, В результате этого паоаллельно конденсатору 3 оказывается включенной дуга, горящая между пластиной 26 и электродом 32. Это означает, что напря- Жение на конденсаторе при отключении аварийно7 о тока пс пррвьпиает iie- скольких .гесяткоп воль , что особен эффективно при отключении цепей с большой индуктивностью и большим то- ком. При необходимости вспомогательный электрод мо1-г т ыть помещен меж- ДУ другими я,аио)ными пластинами или подключен к одной из них непосредственно.

Быстродействую дий автоматический выключатель может эф -йктив1 ; использоваться при любом числе деиониых пластин дуг огасг: т--.rrbh-oi i камр.ры, т е практически при любом тpeбye toм номинальном напряжении выключателя. Предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель предназначен прежде всего для защиты мощных полу- проводннковых (THpHCTODb bix и диодных преобразовательных агрегатов и других ответственных объектов, где требуется высокое быстродействие и до- статочная надежность работы, в том числе и при коммутации мощных высо- коиндуКтивных цепей.

Фор.мула изобретечия

1. Быстродействующий автоматический выключатель, содержащий контакты, привод контактов, выво-да для под0

5

5

- 0 , 35

4Q 45 50

gg

558

ключения нагрузки, деионнута дугога- ситепьную камеру с деионними пластинами, первый и второй электроды, высоковольтные резисторы, выводы для подключения источника питания постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных возможностей, в него введены блок магнитного дутья, коммутирующий конденсатор с шунти- руюшим элементом, дифференцирующий конденсатор, разделительные конденсаторы, блок заряда, первый и второй датчики тока, блок управления с двумя входами и тремя выходами, импульс- 1ный трансформатор, первый вывод контактов подключен через первый датчик тока к первому выводу для подключения нагрузки, второй вывод контактов соединен с плисовым выводом для подключения источника питания постоянного тока, выход привода контактов подключен к первому выходу блока управления, информационный выход первого датчика тока соединен с первым входом блока управления, информационный выход второго датчика тока соединен с вторым входом блока управления, минусовой вывод для подклю- че1П5я источника пита1шя постоянного тока через второй датчик тока подключен к второму выводу для подключения нагрузки, первая обкладка коммутирующего конденсатора соединена с плюсовым выводом для подключения источника питания постоянного тока, вторая обкладка коммутирующего конденсатора подключена к первой деионной пластине, параллельно дифференцирующему конденсатору включен блок заряда, первый электрод подключен через параллельную цепь блока заряда и дифференцирующего конденсатора к второй деионной пластине, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с вьшодами первичной обмотки импульсного трансформатора, каждый из разделительргых конденсаторов включен параллельно одному из высокоомных резисторов, первый вьгаод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с вторым электродом и через соответствующую параллельную цепь из высокоомного резистора и разделительного конденсатора с второй, третьей, четвертой и пятой деионными пластинами, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с шестой деионной

пластиной и с первым выводом для подключения нагрузки, причем первый электрод расположен на одной горизонтали с первой деионной пластиной и перед ней, второй электрод - между первым электродом и второй деионной пластиной.

2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве шунтирующего элемента использован полупроводниковый диод, анодом подключенный к первой обкладке коммутирующего конденсатора, а катодом - к второй обкладке коммутирующего конденсатора.

3.Выключатель , по п. 1, отличающийся тем, что в качестве шунтирующего элемента использован высокоомный резис - тор.

4.Выключатель по пп. 1 и 2 или 3, отличающийся тем,, что в него введен третий электрод, соединенный с первой обкладкой коммутирующего конденсатора, причем третий электрод расположен в задней части деионной дугогасительной камеры, между двумя какими либо деионны- ми пластинами.

Изобретение относится к области низковольтного аппаратостроения, в частности к быстродействующим автоматическим выключателям. Цель изобретения - повышение эксплуатационных возможностей. Высоковольтный импульс от импульсного трансформатора поджигает дугу между последней и предпоследней деионными nnacTnnavni 30, 31. Эта дуга переключается пс-- средством остальных ii.ncMni и дифференцирующего кондеисатс.- г; нл первую деионную пластину 2п. Эгчм образуется шунтирующая пос 1едов, ная цепь из коммутирующего конденсатора 3 и образованной дуги, подключенная параллельно контактам 1 , коммутирующего конденсатора 3 образует импульс тока, направленный всг1)еч- но току нагрузки 24, и о достижении током через контакты 1 нулевого значения блок управления 10 воздействует на привод контактов 1, отключая последние. Наличие встречного тока через контакты 1, протекающего через дугу, существенно повышает токоогра- ничивающие свойства быстродействующего автоматического выключателя, увеличивая его эксплуатационные .возможности. 3 з.п. ф-лы. 2 ил. 1 (Л

Try 7

Редактор Н.Егорова

раг.

Составитель Г.Корсаков Техред М.Ходанич

Те

Корректор М.Демчик