Бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменного тока Советский патент 1980 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к области релейной защиты и предназначено для автоматического отключения выключателей в диапазоне токов короткого замыкания.

Известен бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей, осуществляющий отключение энергосистем переменного тока, содержащий трансформаторы тока, в каждой фазе, диодный мост, схему управления расцепителем с формирователем сигнала, пороговым устройством и схемами задержки на конденсаторах и транзисторных усилителях 1.

Устройство обеспечивает контроль тока в цепи нагрузки и его отключение в случае возникновения короткого замыкания в цепях нагрузки, однако оно не гарантирует надежного отключения энергосистемы при включении на существующее в ней короткое замыкание.

Наиболее близким по техническим средства и достигаемому результату является бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменного тока, содержащий

коммутирующий тиристор с подключенной на его выходе катушкой отключающего электромагнита, установлен5 ные в каждом полюсе выключателя трансформатора тока с выпрямителями на их выходе и накопительным конденсатором, ограничитель напряжения, подключенное к выходу накопительного конденсатора устройство переключения с регулируемым коэффициентом возврата с токозадающим резистором, измерительным конденсатором, линейным и нелинейным делителями

5 напряжения на входе, полупроводниковым реле короткого замыкания на выходе и блок включения с формирователем сигнала управления коммутирующим тиристором и с интегрирующей

2Q RC-цепыо 2.

Однако такое устройство имеет низкую надежность из-за того, что оно не обеспечивает предварительного контроля тока нагрузки и блокировки на включение коммутирующего тиристора, в результате оно не обеспечивает надежную работу расцепителя при включении выключателя на коJO ротко-замкнутую цепь нагрузки.

Целью изобретение является повышение надежности путем предварителного контроля тока нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменного тока, содержащий коммутирующий тиристор с подключенной н его выходе катушкой отключающего электромагнита, установленные в каждом полюсе выключателя трансформатора тока с выпрямителями на их выходе и накопительным кон,ценсатором, ограничитель напряжения, подключенное к выходу накопр тельного конденсатора устройство переключения с регулируемым коэффициентом возврата с токозадающим резистором, измерительным конденсатором, линейным и нелинейным делителями напряжения на входе, полупроводниковьп/ реле короткого замыкания на выходе, блок включения с формирователем сигнала управления коммутирующим тиристором и с интегрирующей RС-цепью, снабжен блоком контроля напряжения со стабилитроном на входе и транзисторным ключом на выходе, с отсекающим диодом в его коллекторной цепи, причем формирователь сигнала блока включения выполнен по схеме транзисторного ключа со стабилизатором напряжения на входе, а нелинейный делитель устройства переключения выполнен на обращенном диоде и стабилитроне, вход блока контроля напряжения подключен параллельно накопительному конденсатору, а выход - параллельно измерительному . конденсатору, вход блока включения подключен параллельно накопительноf-iy конденсатору, а выход - к управляющему электроду кoм 1yтирующего тиристора, вход устройства переключения подключен параллельно измерительному конденсатору, а выход параллельно входу блока включения, измерительный конденсатор подключен параллельно накопительному конденсатору через отсекающий диод блока контроля напряжения.

На чертеже приведена электрическая схема бесконтактного расцепителя для автоматических выключателе переменного тока.

Бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменйого тока содержит трансформа-. торы Toica 1, последовательно с которыми соединен выпрямитель 2, накопительный конденсатор 3, ограничитель напряжения из двух последовательно соединенных стабилитронов 4 и 5, к средней точке которого подключен вход блока контроля напряжения 6, состоящего из входного тразистора 7, его двух базовых резисторов 8 и 9, выходного транзистора 10, его базового резистора 11И коллекторного диода 12. Так же последовательно с выпрямителем 2 и параллельно конденсатору 3 подключен блок включения 13 коммутирующего тиристора 14, состоящий из элемента выдержки времени на резисторе 15 и конденсаторе 16 и формирователя сигнала включения 17, содержащего стабилизатор напряжения на резисторе 18 и стабилитроне 19, входной транзистор 20, шунтирующий его вход в

P обратном направлении диод 21, базовый резистор 22, промежуточный транзистор 23, коллекторный делитель из двух резисторов 24 и 25, выходной транзистор 26, базовые диод 27,

5 резистор 28 и эмиттерный резистор 29. Катушка 30 отключающего электромагнита соединена последовательно с коммутирующим тиристором 14, последовательно с трансформаторами

0 тока 1 подключен узел управления 31 устройства переключения с регулируемым коэффициентом возврата, состоящий из токозадающего резистора 32, шунтирующего диода 33, цепи из ограничивающего резистора 34 и де5лителя на резисторах 35 и 36, к средней точке которого подключена цепь из стабилитрона 37 и резистора 38, средняя точка которой соединена с другой цепью из резистора 39

D и обращенного диода 40, к средней точке которой подключен резистор 41, полупроводниковое реле 42 указанного устройства переключения, состоящее из входного транзистора;

5 43, конденсатора 44, зарядного диода 45, промежуточного транзистора 46, коллекторного резистора 47, базового резистора 48, выходного транзистора 49, базового резистора 50,

0 разделительного диода 51 и резистора 52, разделительного диода 53. Бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменного тока работает следующим образом.

5

При включении бесконтактного расцепителя в сеть вторичный ток трансформаторов тока 1 в один из полупериодов, называемый зарядным, проходит через выпрямитель 2 и заряжает

0 накопительный конденсатор 3. Во второй полупериод, называемый измерительным, ток трансформаторов проходит через резистор 34, диод 45 и заряжает конденсатор 44 полупроводни5кового реле 42 устройства переключения с регулируемым коэфф.ициентом возврата, а также через диод 12 заряжает накопительный конденсатор 3. Так как емкость конденсатора 3 больше емкости конденсатора 44 более

0 чем на два порядка, то в этот момент практически весь ток трансформаторов- тока 1 идет на заряд конденсатора 3. При этом напряжение на конденсаторе 44 практически не пре5

вышает напряжения на конденсаторе 3. По мере увеличения напряжения на конденсаторе 3 открывается и входит в насыщение транзистор 10 блока контроля напряжения б по мере увеличения тока через базовый резистор 1 В этот момент диод 12 закрЕлвается и весь ток трансформаторов тока 1, протекающий в измерительный полупериод через резистор 34 и диод 45, о тветвляется в коллектор транзистора 10. Таким образом, с начала включения бесконтактного расцепителя в сеть конденсатор 44, входящий в устройство переключения с регулируемым коэффициентом возврата, шунтируется транзистором 10, находящимся в насыщении, что налагает запрет на срабатывание устройства переключения.

Одновременно с зарядом конденсатора 3 начинается заряд конденсатора 16. При некотором напряжении на конденсаторе 16 открывается транзистор 20 током, протекающим по цепи резистора 15, резистор 18, вход транзистора 20, резистор 22. Резистор 22 является пусковым и может иметь большую величину. Коллекторным током транзистора 20 открывается транзистор 23 и входит в насыщение, так как с его включением уменьшается базовое сопротивление транзистора 20 за счет шунтирования резистором 25, что способствует возрастанию коллекторного тока транзистора 20 и, следовательно, базового тока транзистора 23. Насыщенный транзистор 23 через диод 27 шунтирует вход транзистора 26 и он закрывается. Тиристор 14 находится в закрытом состоянии и катушка 30 обесточена. Одновременно с насыщением транзистора 23 открывается базовым током, протекающим через резисторы 15 и 50, транзистор 49, который затем входит в насыщениеf низкоомная коллекторная цепь транзистора 49 - диод 51 и резистор 52, шунтирует конденсатор 16, недопуская значительного увеличения напряжения на этом конденсаторе по мере заряда накопительного конденсатора 3. Это значит, что на элемент выдержки времени, состоящей из резистора 15 и конденсатора 16, наложен запрет. Таким образом, в начале заряда накопительного конденсатора 3, когда напр5скение на нем составляет единицы вольт, блок контроля напряжения 6 налагает запрет на срабатывание устройства переключения с регулируемым коэффициентом возврата, шунтируя насьпленным транзистором 10 конденсатор 44, с этого момента блок включения 13 обеспечивает закрытое состояние тиристора 14 запертым-транзистором 26 при насыщенном транзисторе 23. Кроме того, полупроволникопое реле 2 низкоомной коллекторной цепью ;:з.сыщенного транзистора 49 налагает запрет на элемент Бь;цержкп времс н блока включеь:ия 13. В таком режиме указанный бесконтактный расцепитель находится до тех пор, пока напряжение заря;каюЕ;егося накопительного конденсатора 3 не достигнет величины, обеспечивающей включение катушки 30 отключающего электрома-гнита. При достижении заданной величины напряжения на накопительном конденсаторе 3 пробивается стабилитрон 4 ограничителя напряжения и ток проходит через резистор 8 в ба5зу транзистора 7, который открывается, а затем входит в насыщение, закрывая транзистор 10. Закрытие транзистора 10 означает снятие запрета на срабатывание устройства

0 переключения с регулируемым коэффициентом возврата, при этом конденсатор 44 начинает заряжаться вторичным током трансформаторов тока 1, протекающим в измерительный полупериод через ограничивающий резистор

5 34 и зарядный диод 45. В зарядный полупериод ток трансформаторов тока 1, подзаряжающий накопительный конденсатор 3, проходит через диод 33, шунтирующий устройство переклю0чения с регулируемым коэффициентом возврата. Если в системе короткого замыкания нет, то конденсатор 44 зарядится до напряжения, определяемого соотношением сопротивлений

5 ограничивающего резистора 34 и делителя на резисторах 35 и 36, а так же величиной сопротивления резистора 32. При этом транзистор 46 закрыт, так как его вход шунтирует

0 насыщенный транзистор 49 через диод 53, т.е. конденсатор 44 не имеет цепи разряда и следит за величиной тока трансформаторов тока 1. Транзистор 43 закрыт, так как ток утечки стабилитрона 37 шунтируется по

5 цепи резистора 38 и ответвляется в обращенный диод 40, потому что рабочая точка диода 40, положение которой задается резистором 39, будет находиться на начальном участ0ке его вольтамперной характеристики. Начальный участок указанной характеристики характерен тем, что напряжение на обращенном диоде 40 в этом режиме будет значительно

5 меньше напряжения пробоя базоэмиттерного перехода транзистора 43, поэтом ток через резистор 41 в ба3 транзистора 43 не открывает последний. Верхний уровень напряжения

0 накопительного конденсатора 3 контролируется стабилитроном 5 ограничителя напряжения. В случае короткого замыкания вторичный ток трансформаторов тока 1 увеличивается, подзаряжая конденсатор 44. Б резуль5

тате будет увеличиваться напряжение на резисторе 36 и при его увеличении выше порога срабатывания пробивается стабилитрон 37. Это вызывает резкое увеличение тока через резистор 38 и обргиценный диод 40. При достижении вторичным током трансформаторов тока 1 величины тока устаки на срабатывание устройства переключения, определяемой резистором 32, ток через обршденный диод 40 станет равен пиковому току этого диода. При дальнейшем незначительном увеличении тока через обращенный диод 40 напряжение на нем резко возрастает и ток через резистор 41 в базу транзистора 43 увеличивается. Транзистор 43 открывается, закрывая транзистор 49. В. результате открывается транзистор 46,, часть коллекторного тока которого через стабилитрон 37, резисторы 39 и 41 течет, в базу транзистора 43. За. счет указанной положительной обратной связи ускоряется насы1иение транзисторов 43 и 46 и.закрытие транзистора 49. Закрытие транзистора 39 означает снятие запрета на запуск элемента выдержки времени блока включения 13, так как разрывается низкоом.ная коллекторная цепь транзистора 49, состоящая из диода 51 и резистора 52, и ток, протекающий ранее по этой коллекторной цепи теперь начинает заряжатьконденсатор 16. По мере заряда конденсатора 16 напряжение на резисторах 24 и 25 возрастает пропорционально их сопротивлениям, следовательно потенциал базы транзистора 20 увеличивается, в то время как потенциал эмиттера этого транзистора постоянен и определяется напряжением пробоя стабилитрона 19. При заданном напряжении на конденсаторе 16 транзистор 20 запирается, а транзистор 23 выходит из иасыще-т ния ускоренно, благодаря положительной обратной связи, по которой коллекторный ток транзистора 23 полностью ответвляется в базу транзистора 20. Диод 21 защищает базоэмиттерный переход транзистора 20 от пробоя. Закрытие транзистора 23 приводит к запир.анию диода 27 и открыванию током через резисторы 28 н 29 транзистора 26, .коллекторный токкоторого включит тиристор 14. В рез.ультэ рге катушка 30 отключающего электромагнита получает питание и автоматический выключатель срабатывает и отключает систему. Все конденсаторы 3, 16 и 44 разряжаются на катушку 30. Бесконтактный расцепитель возвращается в исходное состояние.

После момента насыщения транзисторов 43 и 46 параллельно резистору 35 подключается цепь из диода 45, резистора 47 и насыщенного транзис тора 46. Пренебрегая сопротивлением

диода 45 и насыщенного транзистора 46, можно считать, что параллельно резистору 35 подключен резистор 47. Это означает, что уставка тока на возврат устройства переключения будет отличаться от уставки тока на срабатывание этого устройства переключения ...При этом чем меньгие отношение -- , тем меньше уставка тока на возврат, приусловии постоянной уставки тока-на срабатывание устройства переключения. Таким образом, изменяя сопротивление резистора 47 при постоянном сопротивлении резистора 32, можно осуществить возврат устройства перключения при любом токе в системе вплоть до номинального. При этом уставка тока на срабатывание, т.е. на ток короткого замыкания в системе, при котором происходит срабатывание указанного устройства переключения, остается постоянной. Если ток короткого замыкания после момента запуска элемента выдержки времени блока включения 13 стал меньше тока уставки на срабатывание устройства переключения, но не достиг уставки тока на возврат этого устройства, то бесконтактный расцепитель сработает и автоматический выключатель отключит систему. Если же ток короткого замыкания станет меньше уставки тока на возврат устройства переключения, то ток, протекающий через обращенный диод 40, станет меньше пикового тока этого диода и рабочая точка обращенного диода 40 перейдет на начальный участок его вольтамперной характеристики. В результате транзистор 43 закроется, а транзистор 49 откроется, базовым током через- резистор-50. Транзистор 46 закроет.ся, так как. е-го база зашунтируется через диод 53 транзистором 49. Конденсатор 16 разрядится через низкоомную коллекторную цепь из -резистора 52 и диода 51, т.е. будет наложен на элемент вьщержки времени блока включения 13 вышеуказанный запрет. Цедь из диода 45, резистора 47 и транзистора 46 будет разорвана закрытым транзистором 46. Для того, чтобы устройство переключения вновь сработалои бьш снят запрет с элемента выдержки времени блока вклчения 13, необходимо чтобы ток короткого, замыкания вновь вырос до уставки тока.на срабатывание Устройства переключения, которая была устновлена- резистором 3.2. Конденсатор 44 обеспечивает подцер)жан.не транзистора 43 в насыщенном состоянии при мгновенньк значениях вторичного тока трансформаторов - тока 1 меньше уставки тока на возврат устройства переключения.

Резистор 41 ограничивает базовый ток транзистора 43, а резистор 9

пропускает ток утечки стабилитрона 4 и не допускает преждевременного открывания транзистора 7. Резистор 48 выбирается для обеспечения насыщения транзистора 46. Ток, протекающий через этот резистор, не должен открывать транзистор 43, который открывается током, протекающим через резистор 35, а поддерживается в насыщении коллекторным током транзистора 46. Диоды 51, 53 и 27 предназначены для предотвращения влияния на элемент выдержки времени блока включения 13 других цепей. Диод 12 позволяет использовать ограничитель напряжения также для конденса тора 44..

Таким образом, использование бесконтактного расцепителя позволяет повысить надежность автоматического отключения выключателя в диапазоне токов короткого замыкания в энер госистемах переменного тока.

Формула 1 зобретения

Бесконтактный расцепитель для автоматических выключателей переменного тока, содержащий коммутирующий тиристор с подключенной на его выходе катушкой отключающего электромагнита, установленные в каждом полюсе выключа.теля трансформаторы тока с выпрямителями на их выходе и накопительным конденсатором, ограничитель напряжения, подключенное к выходу накопительного конденсатора устройство переключения с регулируемым коэффициентом возврата с токозадающим резистором, измерительным конденсатором, линейным и нелинейным делителями напряжения на входе, полупроводниковым реле короткого замыкания на выходе, блок включения с формирователем сигнала управления коммутирующим TUpJiCTOpOM и с интегрирующей RC-цепью, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности, он снабжен блоком контроля напряжения со стабр литроном на входе и транзисторным ключом на выходе, с отсекающим диодом в его коллекторной цепи причем формирователь сигнала блока включения выполнен по схеме транзисторного ключа со стабилизатором напряжения на входе, а нелинейный делитель устройства переключения выполнен на обраи;енном диоде и стабилитроне, вход блока контроля напряжения подключен параллельно накопительном конденсатору, а выход параллельно измерительному конденсатору, вход блока включения подключен параллельно накопительному конденсатору, а выход -к управляю-, щему электроду комг-тутирующего -тиристора, вход устройства переключения подключен параллельно измерительном конденсатору, а выход - параллельно входу блока включения, измерительны конденсатор подключен параллельно накопительному конденсатору через отсекающий диод блока контроля напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3689801, кл. 317-26, 05.09.72.

2.Могилевский Г.В. и др. Бесконтактный расцепитель максимального тока для селективных автоматических выключателей переменного тока. Труды ВНИИэлехтроаппарат, вып. 2. Низковольтное электроаппаратостроение. М. , Энергия, 1970, с. 1722, рис. 1.,