Устройство для защиты от перенапряжений Советский патент 1992 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к технике защиты от перенапряжений, конкретнее - к средствам защиты низковольтной аппаратуры в цепях переменного тока, и может быть использовано для защиты устройств распределения электроэнергии и ее потребителей.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее тиристор, управляющий электрод которого через ограничитель напряжения, выполненный в виде двух встречно-последовательно включенных стабилитронов, соединен с анодом тиристора.

Недостатком указанного устройства является возможность ложных срабатываний за счет протекания емкостных токов запертого стабилитрона в цепи управления тиристора, когда скорость нарастания всплесков напряжения в цепи велика, а амплитуда недостаточна для отпирания стабилитрона.

Указанный недостаток устранен в выбранном в качестве прототипа устройстве защиты от перенапряжений, содержащем тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора. Устране со о

го

ние указанного недостатка достигнуто в прототипе путем уменьшения емкостных токов обратносмещенного p-n-перехода в цепи управляющего электрода тиристора за счет применения в качестве ограничителя напряжения малоемкостного кремниевого симметричного ограничителя напряжений.

Однако указанным устройствам присущ общий недостаток, существенно ограничивающий область их применения и состоящий в их неработоспособности в условиях воздействия токов и напряжений с высокими скоростями их нарастания, например в условиях воздействия атмосферных перенапряжений. Известно, что длительность фронта импульса атмосферного перенапряжения равна в среднем 1,2 мкс при амплитуде напряжения в миллионы киловольт и амплитуде тока до 200 кА. В то же время тиристоры способны выдерживать скорость нарастания прямого тока порядка 1 кА/мкс и прямого напряжения порядка 1 кВ/мкс, что несоизмеримо с параметрами атмосферных перенапряжений. По указанной причине известные тиристорные устройства защиты в условиях воздействия атмосферных перенапряжений неработоспособны и будут повреждаться передними фронтами импульсов тока и напряжения.

Целью изобретения является обеспечение работоспособности устройства при воздействии атмосферных перенапряжений.

Цель достигается тем, что в устройстве защиты от перенапряжений, содержащем тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь из соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора, в рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности, катод диода соединен с катодом тиристора, а анод диода соединен с ограничителем напряжения, а также тем, что для защиты от перенапряжений с различной полярностью, к выводам устройства встречно-параллельно подключено второе такое же устройство, причем в случае использования устройства для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений, имеющих невысокие скорости нарастания тока и напряжения, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства, имеющая два одинаковых комплекта аппаратуры, включенных встречно- параллельно для подавления перенапряжений различной полярности.

Устройство содержит тиристоры 1 и 2, параллельно рабочим цепям которых включены цепи из соединенных последовательно ограничителей напряжения 3 и 4, и

диодов 5 и 6 . К точкам соединения ограничителей напряжения и диодов подключены цепи управления тиристоров, содержащие резисторы 7 и 8. Между управляющими электродами и катодами тиристоров вклю0 чены нелинейные элементы 9 и 10, шунтированные конденсаторами 11 и 12.

В рабочие цепи тиристоров последовательно включены катушки индуктивности 13 и 14. При медленно нарастающих перенап5 ряжениях роль индуктивности могут играть монтажные соединительные провода.

В качестве нелинейных элементов, включенных между управляющими электродами и катодами тиристоров, могут быть ис0 пользованывысоконейлинейные,

например, оксидноцинковые варисторы, ограничительные диоды или стабилитроны. В качестве ограничителей напряжения

3и 4 целесообразно использовать переклю- 5 чающие элементы, например, искровые

промежутки или быстродействующие переключатели на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Устройство работает следующим обра0 зом, В нормальном режиме к тиристорам 1, 2 и к цепям 3-5, 4-6, состоящим из ограничителей напряжения и диодов, приложено переменное рабочее напряжение защищаемой цепи, недостаточное для отпирания ти5 ристоров по анодной цепи и недостаточное для перевода ограничителей напряжения 3,

4из состояния низкой в состояние высокой проводимости. Под действием рабочего напряжения защищаемой цепи по рабочим це0 пям тиристоров и через ограничители напряжения 3 и 4 по цепям управления тиристоров протекают токи утечки, неспособные отпереть тиристоры.

Катушки индуктивности 13 и 14, вклю5 ченные последовательно в рабочие цепи тиристоров 1 и 2 имеют малую индуктивность, их сопротивление на рабочей частоте защищаемой цепи мало, и они не оказывают существенного влияния на состояние

0 устройства защиты при отсутствии перенапряжений.

При появлении на выводах устройства защиты перенапряжения оно прикладывается к рабочим цепям тиристоров 1-13, 2-14

5 и включенным с ними параллельно цепям диод-ограничитель напряжения 3-5, 4-6.

Ограничители напряжения имеют напряжение перехода из состояния низкой в состояние высокой проводимости меньшее, чем напряжение включения тиристоров по

анодной цепи и меньшее, чем напряжение пробоя тиристоров обратным напряжением.

Если полярность приложенного перенапряжения совпадает с направлением проводимости диода 5, то ограничитель 3 переходит в состояние высокой проводимости при достижении перенапряжением величины, равной сумме напряжения перехода диода 5 в проводящее состояние по прямой ветви вольт-амперной характеристики и напряжения перехода ограничителя 3 в состояние высокой проводимости. Ограничитель 4 при этом напряжении перейти в состояние высокой проводимости не может, так как напряжение обратного пробоя диода 6 во много раз больше, чем напряжение отпирания диода в прямом направлении, а ограничители 3 и 4 имеют одинаковый класс по напряжению.

При переходе ограничителя 3 в состояние высокой проводимости по устройству защиты начинает протекать ток, ограниченный лишь сопротивлением соединительных проводов и внутренним сопротивлением ограничителя 3 и диода 5.

В качестве ограничителей напряжения 3 и 4 в устройстве используются переключающие элементы, например газонаполненные разрядники или халькогенидные переключатели. Их внутреннее сопротивление, так же как и внутреннее сопротивление диода в прямом направлении чрезвычайно мало, поэтому при срабатывании ограничителя 3 устройство защиты начинает выполнять свои защитные функции, пропуская большой ток при малом падении напряжения на устройстве, а вместе с ним и на тиристорах 1,2.

Ограничитель 3 и диод 5 должны быть способны пропускать ток, вызванный перенапряжением втечение времени, необходимого для отпирания тиристора 1.

При протекании по диоду 5 значительного тока, падение напряжения на нем превышает напряжение отпирания прямосмещенного перехода управляющий электрод-катод тиристора. Это падение напряжения, будучи приложено через резистор 7 к указанному управляющему переходу тиристора 1, вызывает заряд конденсатора 11 и начало развития процесса отпирания тиристора .1.

Напряжение перехода ограничителя напряжения в состояние высокой проводимости выбирается равным необходимому напряжению срабатывания устройства защиты. Напряжение тиристора выбирается таким, чтобы при максимальном токе, допустимом для устройства защиты, сумма падений напряжения на ограничителе напряжения и диоде не превышала рекомендуемой величины рабочего напряжения на тиристоре.

Соблюдение указанных соотношений

создает благоприятные условия для отпирания тиристора по цепи управления,

К цепи управляющий электрод-катод тиристора 1 приложено напряжение, равное

прямому падению напряжения на диоде 5. Цепью, состоящей из резистора 7 и нелинейного элемента 9, в качестве которого может быть использован варистор, ограничительный диод, стабилитрон, напряжение на цепи управления ограничивается на уровне, обеспечивающем нормальный режим работы тиристора. Для ограничения скорости нарастания тока в рабочих цепях тиристоров служат катушки индуктивности

13 и 14. После отпирания тиристора 1 происходит перераспределение тока, вызванного перенапряжением, между цепями 3-5 и 1-13. Так как прямое падение напряжения на тиристоре 1 ниже, чем напряжение, необходимое для поддержания тока в ограничителе напряжения 3 (искровом промежутке или халькогенидном переключателе), то тиристор 1 берет на себя весь ток, вызванный перенапряжением, а ограничитель напряжения 3 переходит в непроводящее состояние.

До окончания воздействия перенапряжения функции защиты выполняет тиристор, параметры которого выбираются

исходя из требований, предьявляемых к устройству защиты. Если полярность перенапряжения совпадает с полярностью полуволны переменного рабочего напряжения, то после окончания импульса тока, вызванного перенапряжением, по тиристору продолжает протекать сопровождающий ток. После перехода сопровождающего тока через ноль и изменения его направления, тиристор 1 переходит в закрытое состояние.

Ток в устройстве прекращается и оно возвращается в исходное состояние.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь из соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора, отличающееся тем, что, с целью обеспечения его работоспособности при воздействии атмосферных перенапряжений, в рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности, катод диода соединен с катодом тиристора.

а анод диода соединен с ограничителем напряжения.

2. Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что для защиты от перенапряжений с различной полярностью к выводам устройства встречно-параллельно подключено второе такое же устройство.

3. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что в случае его использования для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений, имеющих невысокие скорости нарастания тока и напряжения, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора.

Использование: в технике защиты от перенапряжений низковольтной аппаратуры в цепях переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит тиристор, параллельно ему включены последовательно соединенные ограничитель напряжения и диод, к общей точке которых подключена цепьуправления тиристора. В рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности. Катод диода соединен с катодом тиристора, а анод диода - с ограничителем напряжения. При защите от перенапряжений с различной полярностью к выводам устройства встречно-параллельно подключают второе такое же устройство В случае использования устройства для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора. 2 з.п ф-лы, 1 ил. сл с

№

У

/г

5