Устройство для защиты электрической цепи от перенапряжений Советский патент 1979 года по МПК H02H3/20 

-, I Изобретение относится к технике защиты от перенапряжений, а точнее к быстродействутошим .разрядникам для зашиты электрических цепей низкого напря жения. Известны разрядники для защиты от перенапряжений, содержащие полупроводниковый ключевой элемент, соединенный последовательно с восстанавливающим- ся предохранителем {l. Недостатком известных устройств является способность рассеивать лишь незначительную энергию, что ограничивае область их применения. Когда энергия импульса перенапряжения превышает допустимую для устройства величину, оно выключается, а электрооборудование остается незашишенным. Прн этом уйтройс во зашиты согсраняет работоспособность и может осушествлять дальнейшую зашнту от импульсов перенапряжений с допустимой энергией. Известно также устройство для защит электрической цепи от перенапряжений являющееся по технической сущности наиболее близким к заявляемому устройству, где последовательно с плавким элементом, генерирующим плазму между двумя электродами (плавким предохранителем), включен диод с обратной.характеристикой, выполняющий функции датчика и ограничителя перенапряжений, включенный параллельно с переключающим элементом 2. Применение диода с обратной характеристикой (лавинного вентиля или.стабилитрона) для выполнения указанных функций имеет недостаток. Лавинные вентили и стабилитроны вследствие дискретного характера пробоя р-п перехода способны прсяускать в обратном направлении незначительные токи и имеют ограниченную энергию рассеяния в обратном направлении - порядка 5 Дж. Низкая пропускная способность .по току и непригодность для зашиты от импульсов перенапряжений с большой энергией ограничивают область применения этого устройства.

Целью изобретения является повышение пропускной способности устройства по току.

Это достигается тем, что в устройстве для защиты электрической цепи от перенапряжений, содержащем плавкий элемент, генерирующий плазму в пространстве, между двумя электродами, соединенный последовательно с датчиком перенапрЕСжений, подключенным к защищаемой цепи и включенным параллельно с переключающим элементом, датчик перенапряжений выполнен в виде полупроводникового симметричного ограничителя напряжений, а один из упомянутых электродов, между которыми генерируется плазма, изолирован от плавкого элемента и элект рически соединен с выводом датчика перенапряжений. Большое падение напряжения на ограничителе, равное заданному уровню огра ничения напряжения на защищаемом обо.рудовании, исключает возможность длительной работы ог раничителя в режиме пропускания больших токов. Эту функцию вьгарлняет включенный параллельно раничителем переключающий прибор, в к честве которого может быть использован симитор, пара тиристоров или Нинисторой и йругие переключающие приборы на крис таллических или аморфных полупроводниках, а также газоразрядные приборы. Повышение пропускной способности предлагаемого устройства по току достигается разделением во времени функций защиты между тремя элемент(ами. ПерВЬ1М берет на себя вьтолнение функций защиты ограничитель Напряжения, который не может быть поврежден большой скоростью нарастания тока или напряисе- ния.и имеет малое время включения. QPраничитёлЬ напряжения ограничивает пенапряжение на защищаемом оборудовании и на переключающем приборе до безопасной величины, равной напряжению стабили зации ограничителя. Под воздействием этого ограниченного перенапряжения включае-Еся переключающий прибор, который обладая малым прямым падением напряжения, способен в течение бсжее длительного времени пропускать через себя большой ток. После перегорания плавкого элемента и зажигания дугового разряда между электродами, функции защиты переходят к разрядному промежутку, способному длительно (десятые доли секунды) пропус кать ток величиной несколько килоампер.

Самостоятельное вьтполтюшю разрядным промежутком функций защиты возможно благодаря тому, что один из электродов устройства изолирован от плавкого элемен-

га и электрически соединен с выводом датчика перенапряжений, подключаемым к защищаемой цепи.

Ресурс работы предлагаемого устройства повышается за счет того, что при з щите от импульсов перенапряжений с больщими энергиями выходит из строя . и требует замены Глишь один плавкийэлемент, а не полностью все устройство. На фиг. 1 представлена принципиаль-

ная схема устройства, предназначенного для работы в цепях с током короткого замыкания до сотен ампер; на фиг. 2 показана принципиальная схема устройства для использования в цепях с током короткого замыкания сотни и тысячи ампёр. Устройство (см. фиг. l) содержит плавкий элемент 1, расположенный между электродами 2,3 и соединенный послёдовательно с датчиком перенапряжений 4. Датчик перенапряжений состоит из полупроводникового симметричного ограничи;геля напряжения 5, включенного паралЬельно с переключающим элементом 8, имеющим напряжение включения меньшее, чем напряжение стабилизации ограничителя напряжения, а время включения большее, чем время включения ограничителя .напряжения. Электрод 2 соединен с вь водом датчика перенапряжений, подклю чаемым к шине 7 защищаемого оборудования. Электрод 3 соединен с плавким элементом 1 и заземлителем или корпу;Сом оборудования. Плавкий элемент 1 .проходит сквозь отверстие в электроде 2 и электрически изолирован от элект- .рода. . При Использовании устройства в цепях с большими токами короткого замыкания, в него вводятся дополнительно (см. фиг. 2) обмотки магнитного дутья 8 и 9, а также деионнаядугогасительная камера, образс)ванная рядом металлических пластин ю, 11, 12, 13, 14, расположенных между электродами 2 и 3. Рабочее напряжение на шине 7 Ниже напряжения включения переключающего элемента 6 и напряжения стабилизации ограничителя напряжения 5, которые находятся в вы.ключенном состоянии. По устройству при отсутствии перенапряжения протекает незначительный гок утечки ограничителя напряжения 5 и переключающего элеменга 6. При появлении на шине 7 импульса перенапряжения с крутым передним фро№том, первым в проводящее состояние переходит ограничитель напряжения 5, имв ющий время отключения не более 1 мкс. Время включения переключающего эпемен га 6 превыщает несколько микросекунд. В течение времени, необходимого для включения элемента 6, функции защиты выполняет ограничитель 5, работающий в режиме стабилитрона. Напряжение стабилизации ограничителя 5 выше напряжения включения элемента 6, поэтому процесс включения последнего продолжается и после включения ограничителя 5, Если длительность импульса пере.напряжения меньше времени включения элемента 6, то включение последнего не происходит и для выполнения функций защиты оказывается достаточным срабатывания ограничителя 5, который самостоятельно выключается после исчезновения перенапряжения. Энергии, выделяющейся в этом случае на плавком элементе l недостаточно, чтобы вызвать его перегорание. При болеедлительных импульсах перенапряжения, переключающий элемент 6 пе реходит в состояние высокой проводимости, шунтируя ограничитель 5 и вызывая его выключение. Ток, вызванный перенапряжением, и сопровождающий ток короткого замыкания протекают по плавкому элементу 1 и вызывают его перегорание. При перегорании плавкого элемента 1 между электродами 2 и 3 образуется токопроводящая плазма, иницирующая развитие дугового разряда в межэлектродном пространстве. В течение времени, необходимого для перегорания плавкого элемента и развити разряда между электродами 2-3,функции защиты выполняет переключающий элемен 6, создающий режим короткого замыкани для источника, питающего защищаемое оборудование и для источника перенапряжения. Некоторое ограничение величины тока короткого замыкания происходит за счет внутреннего сопротивления переключающ го элемента 6, сопротивления плавкого элемента 1 и соединительных проводов. В процессе развития разряда между электродами 2 и 3 ток, протекающий через переключающий элемент 6,уменьшается до нуля и элемент 6 переходит В выключенное состояние. Дальнейшие функции защиты выполняются разрядным промежутком между электродами 2 и 3. Поочередное выполнение функций защиты тремя элементами и получаемый при этом эффект обеспечивается совокупностью отличительных признаков описываемого устройства. Дуговой разряд между электродами 2 и 3 не может погаснуть до исчезновения перенапряжения. Гашение дуги сопровождающего тока короткого замыкания при величине его до сотен ампер осуществляется за счет соответствующей конструкции и взаимного расположения электродов 2 и 3. При сопровождающих токах короткого замыканиясотни и тысячи ампер, для облегчения условий гашения, дуга с помощью обмоток магнитного дутья 8,9 (см. фиг. 2) выдувается в деионную дугогасительную камеру, образованную рядом металлических пластин 10, 11, 12, 13, 14, где происходит ее гашение. Обмотка 8 служит для создания начального дутья в момент перегорания плавкого элемента 1. Обмотка 9 создает магнит ное дутье во время горения дуги между электродами 2-3. После исчезновения перенапряжения разряд в дугогасительной камере гаснет, так как рабочее напряжение на шине 7 недостаточно для поддержания дугового разряда в камере. При появлении на шине 7 перенапряжения с пологим передним фронтом, переключающий элемент б может перейти в провоД5пцее состояние до включения ограничителя напряжения 5, в этом случае последний не срабатывает, а медленно нарастающее перенапряжение не успевает вызвать повреждений защищаемого оборудования до включения устройства защиты. Наличие в устройстве обмоток магнитного дутья 8,9 не является обязательным. Перемещение дуги с места ее по джига на ластины дугогасительной камеры может быть обеспечено конструкцией электродов 2,3 при которой создаются электродинаические усилия перемещающие дугу, и стройством камеры, при котором расшияющимся газам представляется только дин путь выхода - через деионную решету. Выбор плавкого элемента 1 ocymeci ляется из двух следующих соображений: н не должен перегореть до включения ереключающего элемента 6 и должен