Устройство для коммутации электрических цепей постоянного тока Советский патент 1980 года по МПК H01H33/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение отнорится к электротехнике, а именно к устройствам коммутации цепей постоянного тока, преимущественно сильноточных цепей высокого напряжения, в частности, к устройствам коммутации с использованием контактных и вентильных элементов, и может быть использовано в качестве выключателей на фидерах ж. д. постоянного тока (трамвай, метро, магистральные и пригородные ж. д. 3w3 и 6,6 кВ, карьерный транспорт), на фидерах подстанций электролизных цехов и прокатных станов. Ю

Известны устройства для коммутации цепей постоянного тока - электромагнитные выключатели постоянного тока, гашение тока в которых производится через посредство Дуги, возникающей на контактах аппарата после их размыканий. Действием маг- нитного поля дуга загоняется в специальную дугогасительную камеру, растягивается до критической величины и гаснет 1.

Недост атки этого типа устройств при использовании их в сильноточных цепях 20 высокого напряжения заключаются в громоздкости самих устр ойств, необходимости выделё ния под их монтаж специальных ячеекг большого объема и, в конечном итоге, в

ненадежности отключения, связанной с наличием внутри устройства мощной длительное время горбящей дуги. Поэтому на фидерах электрических ж. д., а также на фидерах карьерного транспорта 3,3 кВ для увеличения отключающей способности (увеличения длины дуги) соединяют по два выключателя последовательно.

Наиболее близким к нзобретениК техническим решением является дугогасительное устройство, в котором последовательно с: силовым контактом включен диод, а вся цепочка из контакта и шуйтйрбйаиа коммутирующей цепочкой, состоящей из емкости, индуктивности и ключа. При необходимости oтклю tить цепь замыкают ключ и разряжают предварительно заряженную емкость устройства на внешнюю цепь. На время, пока конденсатор устройства сохраняет первоначальный знак заряда, ток в цепи диода и контактов отсутствует. Это и дает возможность буз дуги разомкнуть силовой контакт 2J.

Недостаток устройства заключается в том, что для сильноточных цепей высокого напряжения практическое выполнение устройства оказывается технически нецелесообразным. Это объясняется тем, что для таких цепей диод схемы в действнтель ности вырождается в ряд параллельных цепочек с большим количеством диодов в каждой из них, что в целом приводит к большим габаритам, значительной стоимости устройства и большим потерям энергии в нем от рабочего тока. Кроме того, при таком исполнении устройство теряет двустороннюю проводимость устройства.

Цель изобретения - создание устройства для коммутации сильноточных цепей постоянного тока высокого напряжения, не требующего для гашения дуги мощной дугогаснтельной кймеры, обладающего малыми габаритами, умеренной стоимостью, незначительными потерями энергии от рабочего тока и двусторонней проводимостью.

Указанная цель достигается тем, что силовые контакты устройства снабжены небольшой камерой с двумя налравляющими рогами для движения дуги, и двумя дополнительными рогами в центральной части камеры, причем между направляющими рогами встречно к напряжению цепи включен управляемый шунтнрующий вентиль, между дополнительными рогами - упомянутый диод.

В связи с этим при нормальном рабочем режиме диод оказывается исключенным из схемы устройства и оно работает как обычный выклк)чатель, имея малые потери энергии и обладая двусторонней проводимостью. При отключении же тока между контактами устройства кратковременно возникает короткая дуга, которая, входя в , вводит в цепь тока диод, и далее, после включения коммутирующей цепочки и щунтнрующёго вентиля, гаснет.

При коротком времени протекания тока через диод может быть использована его перегрузочная способность (по величине тока 20-30 превосходящая номинальный ток), поэтому количество параллельных цепочек реальных диодов устройства существённо сокращается, по этой же причине очень компактным получается и шунтирующий управляемый вентиль. Устройство в целом получается малых габаритов и умеренной стоимости.

Возможны варианты устройства с упрощенными камерами, имеющими один дополнительный рог в центральной части камеры. В этом случае диод включается между дополнительным рогом и одним из направляющих рогов.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фнг. 2а и 26 - кривые токов и Иапряженнй при работе устройства, соответсФвенио; на фиг. 3 - пример исполнения схемы устройства; на фиг. 4 а и 4 б - два варианта исполнения упрощенных камер устройства.

Устройство состоит из небольшой дугогасительной камеры 1, у нижиего края которой размещены неподвижный 2 и подвижный 3 силовые контакты, соедииеиные с наЬравлякшими рогами 4 и 5 для движения дуги. В центральной части камеры смонтированы дополнительные рога 6 и 7, между которыми включен диод 8. К Иапраоляющим рогам присоединены коммутирующая цепочка, состоящая из последовательно включенных управляемого вентиля 9, емкости 10 и индуктивности 11, и шунтирующий управляемый вентиль 12.

Как и в обычном выключателе контакты 2 и 3 служат для возбуждения дуги, направляющие рога 4 и 5 -- для направления движения дуги вверх по камере, дополнительные рога б и 7- для перехвата дуги и введения диода в цепь тока. По этой причине расстояние между дополннтельными рогами выбрано таким, чтобы падеиие иапряжения иа длине дуги, равной этому расстоянию, было больше падения иапряжеиия иа диоде в проводящем направлении. Коммутирующая цепочка (9, 10 и 11) и шунтирующий 1веитиль 12 служат для гашеиия дуги и тока цепи после введения диода В цепь тока.

Устройство работает следующим образом.

В момент размыкания силовых контактов между ними возникает дуга (иа фиг. 1 показана пунктиром), которая под действием поперечного магнитного поля, создаваемого одним из известиых способов, поднимается bBepXi занимая последовательно положения I, И и 1П. При переходе дугИ из положения II в положение 111 часть ее на участке а-б отмирает, поскольку падение напряжения на участке дуги такой длины больше, чем падеиие напряжения на диоде 8, в зоиё камеры восстанавливается электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод. В момент, когда Дуга занимает положение 111, открывается управляемый вентиль 9, происходит разряд емкостИ 10, тем Или иным способом предварительно заряженной до высокого иапря}кения с полярностью, указаиИой иа фиг. 1 (без скобок). Ток разряда проходит по участкам дуги III и через диод в иаправленИи, обратном направлению отключаемого тока, так что суммарный ток через камеру становится равным нулю. В этот момент или непосредственно перед ним открывается щунтирующий диод 12 и напряжение между контактами 2 и 3, равно как н между иаправля19Щими рогами 4 и 5, становится равиым падению иапряжеиня на шуИтирующем вентиле. В связи с этим начинает интенсивно развиваться процесс д(ириизации остатков плазмы на месте участков III и восстановление электрической прочности межкоитактного промежутка и камеры в целом. Хотя с указанного момбита контакты . устройства уже обесто чены, отключения тока в цепи еще не произошло. Ои продолжает протекать по комsмутирующей цепи, сначала разряжая яо муля. а потом перезаряжая конденсатор (полярность в ), и, в конце концов. под действием напряжения на емкости y6t,iвает до нуля. В момент, когда напряжение на емкости меняет знак, закрывается шунтирующий веитиль 12.а в момент достижения нуля тока в цепи - вентиль коммутирующей цепочки 9. На фиг. 2 а показаны кривые тока в цепи и через диод (заштриховано): на фиг. 26 - кривые напряжений на контактах устройства, В указанные на фиг. 2 моменты времени происходит: t, -размыкание контактов, дуга занимает положение I; tj -дуга занимает положение II, ток начинает проходить через диоД; tj-ta-дуга на участке а-б отмирает, в зоне а-б восстанавливается электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод; tj -дуга занимает положение Hi, открывается коммутирующий вентиль 9; t - ток в цепи диода спадает до нуля, открывается щунтирующий вентиль 12; tj -ток в отключаемой цепи достигает максимума, напряжение в межконтактном промежутке меняет знак, закрывается шунтирующий вентиль 12; t, -ток в отключаемой цепи спадает до нуля, на перезаряженной емкости максимум напряжения, закрывается коммутирующий вентиль 9., Отрезок времени At t j - t есть время, отводимое на деионизацию камеры. В течение этого отрезка времени ток через диод равен нулю, на камере поддерживается незначительное напряжение, равное падению напряжения на шунтирующем вентиле. Пример исполнения устройства по фиг. 3 отличается.от принципиальной схемы (фиг. I) наличием разреза у рога 7, делящего его .на две секции 7и 7 наличием шунтирующего управляемого вентиля 12, включенного параллельно коммутирующе цепочке встречно напряжению сети, трансформатора 13 с обмотками смещения Wj., первичной W i, включенной между секциями вспомогательного рога 7 и 7, вторичными Wj. и Wj. подключенными между управляюЩ1 1ми электродами и катодами соответственно коммутирующего и шунтирующего вентилей через формирующие цепочки 14 соответственно из диода и стабилитрона, а также наличием варистора 15, включенного параллельно коммутирующей цепочке, и контакта 16 в цепи коммутирующей цепочки. Диод в этом случае подключен между э - омогательным рогом 6 и нижней секцией 7 рога 7. Трансформатор 13. предназначен для автоматического открывания коммутирующего 9 и шунгирукмцесо 12 .1ей, паристор 15 поставлен для умеиыпгиня шлнмини потребной емкости 10 и {Мрг1ничения nvpcнапряжений между контактами 2 и 3 в процессе отключения, а дополиитольмые контакты И) -- для полного отс{к /11И1епия источника питания коидеисятора и Жммутнрующей цепочки 10 от отключенной части цепи. Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. После размыкания силовых контактов, появления дуги и перехода ее в положение II через диод 8 начинает протекать ток. К моменту перемещения дуги в положение 111 дуга на участке а-б отмерла, в зоне а-б восстановилась электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод. При достижении дугой положения III она перемыкает разрез рога 7 и часть тока дуги начинает проходить через насыщающийся трансформатор 13 и он перемагничивается. На вторичных обмотках трансформатора Wj и Wj появляется напряжение. Полярность напряжения на обмотке такова, что оно открывает управляемый вентиль 9. Происходит разряд предварительно заряженной емкости 10 через участки дуги III, трансформатор и диод в направлении, обратном направлению отключаемого тока. Когда суммарный ток черездиод становится равным нулю, трансформатор 13 перемагничивается в обратном направлении, на вторичнь1х обмотках Wjj и Wj трансформатора вновь появляется напряжение. Полярность напряжения Fia обмотки Wj теперь такова, что оно отрывает щунтирующий вентиль 12, вследствие чего падает до малой величины напряжение между направляющими рогами 4 и 5 и начинает интенсивно развиваться процесс деионизации остатков плазмы на месте участков III и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка и камеры в целом. Таким образом, начиная с этого момента, контакты устройства уже обесточены. Однако в отключаемой цепи еще протекает ток, замыкающийся через коммутирующую цепочку. Вынуждаемый индуктивностью цепи, этот ток перезаряжает емкость 10, напряжение на ней растет и при достижении напряжения открытия варистора последний переключает ток цепи на себя. Управляемый вентиль 9 закрывается. По мере рассеяния энергии цепи в варисторе ток цепи уменьшается и, наконец, становится равным нулю. В заключение дополнительные контакты 16, сблокированные с контактом 3 и имеющие по отношению к нему выдержку времени на срабатывание, отключают источник питания и конденсатор коммутирующей цепочки от отключе1п«)й части цепи. На фиг. 4 показаны варианты упрощенных камер устройства, в которых в центральной части камеры размещен лишь один до полнительный рог, разрезанный на две секции 6 н причем диод включен между нижней секцией дополнительного рога и одним из направляющих рогов. На фиг. 4 а диод 8 включен между нижней секцией дополнительного рога 6 и направляющим рогом 5, соединенным с отрицательным полюсом источника напряжения. На фиг. 4 б диод включен между нижней секцией дополнительного рога D и направляющим рогом 4, соединенным с положительным полюсом источника напряжения. Работа устройства с такими упрощенными Камерами принципиально не отличается от работы устройства по фиг. 1, однако наличие гальванической связи диода с истрчникбм напряжения делает такие упрощенные камеры менее предпочтительными чем показанные на фиг. 1. Формула изобретения 1. Устройство, для коммутации электрических цепей постоянного трка, преимущественно высокого напряжения, содержащее силовые контакты, коммутирующую цепочку из последовательно соединенных емкости, индуктивности и управляемого коммутирующего вентиля,; а также диод в цепи гащения тока, отличающееся тем, что с целью сокращения габаритов устройства, его стоимости и потерь энергии, силовые контакты снабжены камерой с направляющими рогами для движения дуги и двумя дополнительными рогами в центральной части камеры, между направляющими- рогами встречно к напряжению цепи включен дополнительно введенный управляемый щунтирующий вентиль, а между дополнительными рогами - упомянутый диод, причем расстояние между дополнительными рогами выбраио таким, чтобы падеиие напряжения на длине дуги, равной этому расстоянию, было больще падения напряжения на диоде в проводящем направлении. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса управления устройством, одии из дополнительных рогов камеры выполнеИ разрезанным на две секции, причём диод присоединен к нижней из них, а между секциями включен дополнительно введенный насыщающийся транс форматор с обмоткой смещения и двумя разнополярными вторичными обмотками, одна из которых присоединена к управляющему электроду и катоду коммутирующего вентиля, а другая - к управляющему электроду и катоду щунтирующего вентиля. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Голубев А. И. Быстродействующие автоматические выключатели. сЭнергия, 1964. 2.Авторское свидетельство СССР №384866, кл. Н 01 Н 33/59. 1965 (прототип). ,

-h

о)

)

Ui