Устройство для коммутации сильноточныхцЕпЕй пОСТОяННОгО TOKA Советский патент 1981 года по МПК H01H33/04 H01H9/30 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для коммутации цепей постоянного тока, преимущественно сильноточных индуктивных цепей высокого напряжения, в частности к устройствам коммутации с использованием контактных и вентильных элементов и может быть использовано в качестве выкл ючателей на фидерах ж. д. постоянного тока 3,3 и 6,6 кВ, а также на фидерах промышленного и карьерного транспорта.

Известны устройства для коммутации цепей постоянного тока - электромагнитные выключатели постоянного тока, гашение тока в которых производится посредством дуги, возникающей на контактах аппарата после их размыкания. Действием магнитного поля дуга загоняется в специальную дугогасительную камеру, растягивается до критической величины и-гаснет 1.

Недостатки этих устройств при использовании их в сильноточных индуктивных цепях высокого напряжения заключаются вгромоздкости самих устройств, необходимости выделения под их монтаж специальных ячеек большого объема и, в конечном итоге, в ненадежности отключения, обусловленной наличием внутри устройства мощной, длительное время горящей дуги.

Для увеличения надежности отключения в последнее время на фидерах 3,3 кВ, электрических ж. Д. и карьерного транспорта соединяют по два выключателя последовательно. Это еще более увеличивает размеры фидерных ячеек и приводит к появлению мощных длительных перенапряжений при отключении выключателей, в 3-4 раза превыщающих номинальное напряжение сети.

10

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому являются дугогасительные устройства, в которых гашение то.ка производится путем наложения на ток в цепи встречного тока разряда коммутирующей емкости через тиристорный ключ. Для этого силовые контакты устройства снабжены небольшой камерой, оборудованной направляющими рогами для движения дуги, между которыми включена коммутирующая емкость последовательно с тиристорным

20 ключом, и двумя дополнительными рогами в центральной части камеры, между которыми включен диод. В момент отключения цепи между силовыми контактами возникает дуга,- которая вначале переходит на направляющие рога, затем касается дополнительных рогов и на участке камеры между ними отмирает, а ToR дуги переходит в диод. Последующим разрядом коммутирующей емкости приводят ток в цепи диода, а еледовательно, камеры к нулю, в результате чего восстанавливается электрическая прочность на участках камеры между направляющими и дополнительными рогами и происходит окончательное гашение тока 2. Недостатки известных устройств заключаются в сложности . схемы управления, необходимости использования управляемых вентилей (тиристоров), рассчитанных на большие токи и напряжения. Цель изобретения - создание устройства для коммутации электрических цепей постоянного тока, обладающего простейшей схемой управления и не требующего применения управляемых вентилей. Указанная цель достигается тем, что в камере известного устройства между упомянутыми дополнительными рогами, последовательно с диодом включена вакуумная камера, а слева или справа от дополнительных рогов помещен короткий управляющий электрод, между которым и дальним от дополнительным рогом включена емкость, причем длина управляющего электрода выбирается такой, чтобы время подъема дуги в камере от момента касания ею дополнительных рогов и до момента касания управляющего электрода было больше времени перехода дуги в вакуумную камеру и диод, и деионизации промежутка между дополнительными рогами. Введение в камеру короткого управляющего электрода дает возможность автоматнчески, без помощи тиристорного ключа добиться того же эффекта, что и в схеме известного устройства, а именно ввести ток разряда емкости в цепь отключаемого тока встречно ему (в данном случае это происходит на участке камеры между управляющим электродом и дальним от него дополнительным рогом), а затем, благодаря диоду, привести суммарный ток на этом участке камеры к нулю и удерживать в этом состоянии до тех пор, пока не восстановится электрическая прочность межконтактного промежутка вакуумной камеры, обеспечивающая разрыв цепи тока через камеру. Для упрощения и уменьщения потребной емкости, устройство снабжено резисторами, через которые обкладки емкости со стороны анода диода соединены с минусом источника, параллельно емкости включена дополнительно введенная цепочка из диода и варистора, причем диод включен согласно с направлением коммутируемого тока, между емкостью и управляющим электродом включена дополнительно введенная индуктивность, а между источником питания и коммутируемой линией включены диод И резистор, причем диод включен анодом со стороны минуса источника питания. Катушка привода -вакуумной камеры включена одним концом между емкостью и резистором, присоединенным к минусу источника питания коммутируемой цепи, а вторым концом - к емкости, другая обкладка которой присоединена к плюсу источника питания. На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - кривые токов и напряжений при работе устройства; на фиг. 3 дан пример исполнения схемы устройства. Устройство состоит из небольшой камеры 1, у нижнего края которой размещены неподвижный 2 и подвижный 3 силовые контакты, соединенные с направляющими рогами для движения дуги, соответственно 4 и 5. В центральной части камеры смонтированы дополнительные рога 6 и 7, между которыми включены вакуумная камера 8 и диод 9, а также короткий управляющий электрод 10, между которым и дальним от него дополнительным рогом 6 включена емкость 11. Короткий управляющий электрод 10 служит для автоматического введения с помощью дуги тока разряда емкости 11 встречно току коммутируемой цепи на участке камеры между управляющим электродом 10 и дальним от него дополнительным рогом 6. Вакуумная камера служит для быстрого восстановления электрической прочности на участке цепи камеры между дополнительными рогами 6 и 7. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии емкость 1I с помощью зарядного устройства (на фиг. 1 не показано) заряжена до некоторого напряжения с полярностью, указанной на фиг. 1 без скобок, контакты 2 и 3 замкнуты. При отключении тока нагрузки или аварийного режима силовые контакты 2 и 3 размыкаются, между ними появляется дуга (на фиг. 1 показана пунктиром), которая под действием поперечного магнитного поля, создаваемого одним из известных способов, поднимается вверх, занимая последовательно положения I, II, и III. При достижении дугой положения И часть дуги на участке а-б отмирает, а ток дуги переходит в вакуумную камеру 8 и диод 9, поскольку падение напряжения на участке дуги такой длины много больще, чем падение напряжения на диоде 9. За время перехода дуги из положения И в положение III на участке а-б камеры восстанавливается электрическая прочность и размыкаются контакты вакуумной камеры 8. В положении III дуга замыкает дополнительный рог 7 с электродом 10 и емкость 11 разряжается по цепи И -10 (г-в) -7-9- 8-6-11 встречно коммутируемому току. При этом, благодаря наличию диода, суммарный ток на участке камеры 10 (г-в)-7-9-8-6 становится равным нулю и это состояние длится до тех пор, пока напряжение на емкости сохраняет знак первоначального заряда. В это время происходит восстановление электрической прочности межконтактного промежутка вакуумной камеры 8, вследствие чего в дальнейшем на участке 7-6-(в-г) -10 камеры дуга уже не возникает. Поэтому, начиная с момента разряда емкости 1К и до момента окончательного гашения тока, он проходит п6 внешней цепи, т. е. через емкость 11. Этот ток перезаряжает емкость (полярность напряжения указана на фиг. 1 в скобках), а напряжение на емкости, в свою очередь, ограничивает ток и приводит его к нулю.

Тотчас восстанавливается Электрическая прочность на участке камеры 4-6 и 10-5 и происходит окончательное отсоединение и источника питания, и емкости от коммутируемой цепи.

После перезарядки емкости 11 до начального напряжения с указанной на ,фиг. 1 полярностью (без скобок) и замыканий контактов 2 и 3, устройство вновь готово к действию.

Предлагаемый процесс отключения цепи иллюстрируется кривыми изменения токов и напряжений фиг. 2, где i, in, ic-соответственно токи в коммутируемой цепи, через диод 8 и через емкость 10; Ug-io -напряжение между электродами 6 и 10, камеры; Uco - начальное напряжение на емкости 11; напряжение источника питания коммутируемой цепи; О - начало короткого замыкания; tn - начало расхождения контактов 2 и 3; 1г - момент касания дугой дополнительных рогов 6 и 7; переход тока дуги на участке а-б ч вакуумную камеру 8 и диод 9; t,3 - лзмент размыкания контактов вакуумно камеры 8; 14 - момент касания дугой лравляющего электрода 10; прекращение протекания прямого тока через вакуумиую камеру 8 и диод 9; tj-14 - время протекания обратного тока диода 9 через вакуумную камеру 8; tg - момент изменения знака напряжения на емкости 11; (it-ts) -время, предоставляемое вакуумной камере 8 для восстановления электрической прочности межконтактного промежутка; if - момент отключения цепи.

Пример выполнения устройства по схеме фиг. 3 отличается от принципиальной схемы фиг. 1 прежде всего тем, что с целью упрощения схемы и автоматизации заряда емкости 11,пос.г1едняя присоединена к «плюс и «минус источника коммутируемой цепи через резисторы 12 и 13.

С той же целью катушка привода вакуумной камеры 8 присоединена одним концом к проводу, соединяющему резистор 13 с емкостью И, а другим к емкости 14, другой конец которой присоединен к направляющему рогу 4.

Для уменьшения габаритов и стоимости устройства в качестве элементов, рассеивающих энергию запасенную в индук тивностях подстанции и коммутируемой цепи, использованы соответственно цепочка и; варистора 15 и диода 16, включенная па раллельно емкости 11 схемы 13, причем диод включен согласно с направлением ки-и мутируемого тока, и цепочка из pe3ncTOp;j 7 и диода 18, включенная между «мину.ом/ источника питания и коммутируемой линией, причем к линии диод подключен катодом. Кроме того, для улучшения переходного режима Диода по обратному току в провод, соединяющий емкость 11 схемы с управляющим электродом 10, включена индуктивность 19.

Устройство по фиг. 3 работает следующим образом.

В исходном состоянии емкости схемы 11 и 14 заряжены до напряжения источника коммутируемой цепи с полярностью, указанной на фиг. 3 (без скобок). Контакты 2 и 3 замкнуты. При отключении тока нагрузки или аварийного режима, например, при коротком замыкании в цепи в точке К, размыкаются силовые контакты 2 и 3 и на них появляется дуга.

При достижении дугой положения II часть дуги на участке а-б отмирает, а ток дуги переходит в вакуумную камеру 8 и диод 9. Одновременно с этим при достижении дугой положения II емкости 14 разряжается по цепи 14-4-а-6-8-14, где 8 - катущка привода вакуумной камеры, и приводит камеру 8 в действие.

За время перехода дуги из положения II в положение III на участке а-б камеры восстанавливается электрическая прочность и размыкаются контакты вакуумной камеры (момент tj на фиг. 2.).

В положении III дуга замыкает дополнительный рог 7 с электродом 10 и емкость 11

разряжается по цепи 11 -12-10-(в-г)-7

8-8-6-11 встречно коммутируемому току.

Благодаря наличию диода суммарный ток на участке камеры 10-(г-в)-7-9-8-6

становится равным нулю и это состояние длится до тех пор, пока напряжение на емкости сохраняет знак первоначального заряда. Б это время и происходит восстановление электрической прочности межконтактного промежутка вакуумной камеры 8, вследствие чего в дальнейшем на участке 6-10 камеры дуга уже не возникает и ток проходит только по внешним участкам цепи.

В момент разряда 11 ток коммутируемой

цепи целиком проходит по ней и перезаряжает ее. После перезаряда напряжение на емкости приобретает полярность, обратную напряжению источника питание цеli.i (па фиг. 3 показана в скобках), ток коммутируемой начинает уменьшаться. На индуктивности коммутируемой цепи (на фиг. 3 показана пунктиром) появляется напряжение, стремящееся поддержать уменьшающийся ток i (полярность напряжения на индуктивности показана в скобках), вследствие чего открывается диод 18 и ток коммутируемой цепи if замыкается по контуру LJ-R-J.-К (место к.з)18-17. а энергия, накопленная в индуктивпости L-J-, рассеивается в сопротивлениях RT и резисторе 17.

Ток , протекающий по емкости схемы, фож)лжает перезаряжать ее. Однако как только напряжение на емкости станет равно напряжению открытия варистора 16, рост напряжения на емкости прекращается, ток из емкости переключается в цепочку 15-16 (); ограничивается ею, приводится к нулю п прерывается. При этом в варисторе 15 рассеивается энергия, накопленная в индуктивности подстанции Ln на фиг. 3 показана пунктиоом).

После погасания тока восстанавливается электрическая прочность на участках, камеры 4-6 и 10-5, а источник напряжения коммутируемой цепи Vdo кость 1 оказываются отсоединенными от коммутируемой цени. Далее в течение некоторого времени через резисторы 12 и 13 происходит перезаряд емкостей схемы 11 и 14 до напряжения Vc((, с полярностью, указанной на фиг. 3 (без скобок), после чего .могут быть замкнугы контакты 2 и 3 и устройство вновь готово к действию.

Введение в камеру управляющего электрода и подключение между дополнительными рогами пос.Ндовательно с диодом вакуумной камеры выгодно отличает предлагаемое устройство от известного.

Этим достигается полный автоматизм действия устроксгва, исключается необходимость использования в нем управляе.мых вентилей (тиристоров) со сложной схемой управления и, тем самым, существенно повышается надежность действия устройства и улучшаются его габаритностоимостные показатели.

Формула, изобретения

I. Устройство для коммутации сильноточных цепей постояпного тока, преимущественно цепей высокого напряжения, содержащее силовые контакты, камеру с двумя направляющими рогами в центральной части камеры, между которыми включен диод в направлении, совпадающем с направлением тока в коммутируемой цепи, отличающееся тем, что, с целью повыщения надежности действия устройства и улучшения его габаритостоимостных показателей, оно снабжено вакуумной камерой, которая включена между упомянутыми дополнительными рогами последовательно с диодом, а слева или справа от упомянутых дополнительных рогов введен короткий управляющий электрод, между которым и дальним от него дополнительным рогом включена емкость, причем длина управляющего электрода выбирается такой, чтобы

5 время подъема дуги в камере от момента касания ею дополнительных рогов и до момента касания управляющего электрода было больще времени перехода дуги в диод и деионизации промежутка между дополнительными рогами.

5 причем обкладки емкости со стороны анода диода соединены с минусом источника, параллельно емкости включена дополнительно введенная цепочка из диода и варистора, причем диод включен согласно с направлением . коммутируемого тока, между емкостью и управляющим электродом включена дополнительно введенная индуктивность, а между минусом источника питания и коммутируемой линией включена цепочка из последовательно соединенных диода и резистора, причем диод включен анодом со стороны минуса источника питания коммутируемой цепи.

камеры включена одним концом между емкостью и резистором, присоединенным к минусу источника питания коммутируемой цепи, а вторым концом к дополнительно введенной емкости, другая обкладка кото. рой присоединена к плюсу источника пита ния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

«Энергия, 1964, г. 238.

R

/ f /tOHffy/ 7l/ y емоа tfgnu

Ul.i -