Устройство для коммутации сильно-ТОчНыХ цЕпЕй пОСТОяННОгО TOKA Советский патент 1981 года по МПК H01H9/30 

(54) УСТРОЙСТВО для КОММУТАЦИИ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЦЕПЕЙ постоянного ТОКА

I

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.

Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве выключателей на фидерах железных дорог 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, возникаюшей на контактах аппарата после их размыкания 1. Действием магнитного поля дуга загоняется в специальную дугогасительную камеру, растягивается до критической величины и гаснет.

Недостатки этого типа устройств при использовании их в сильноточных индуктивных цепях высокого напряжения заключаются в громоздкости самых устройств, необходимости, выделения под их монтаж специальных ячеек большого объема и в ненадежности отключения, обусловленной наличием внутри устройства мощной длительное время горящей дуги.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является устройство для коммутации сильноточных

5 депей постоянного тока, в котором силовые контакты устройства снабжены небольшой камерой, оборудованной направляющими рогами для движения дуги, между которыми включен коммутирующий конденсатор последовательно с тиристорным 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,

5 затем касается дополнительных рогов и на участке камеры между ними гаснет, а ток дуги переходит в диод 2.

Последующим разрядом коммутирующего конденсатора приводят ток в цепи диода и, следовательно, камеры, к нулю, в результате чего восстанавливается электрическая прочность на участках камеры между направляющими и дополнительными рогами и происходит окончательное гащение дуги. Недостаток известного устройства заключается в сло йости схемы управления и необходимости использования управляемых вентилей (тиристоров), рассчитанных нц большие токи и напряжения. Целью изобретения является повышение надежности устройства и улучшение его габаритно-стоимбстных показателей. Это достигается тем, что устройство снабжено управляюш,им электродом, который установлен в камере слева и справа от дополнительных рогов, между управляюшим электродом и дальним от него дополнительным рогом включен коммутирующий конденсатор, причем длина управляющего электрода выбрана такой чтобы время подъема дуги в камере от момента касания ею двух дополнительных рогов и до момента касания управляющего электрода было больше времени перехода дуги в диод и депонизации промежутка между двумя дополнительными рогами. Введение в камеру короткого управляющего электрода дает возможность автоматически, без помощи тиристорного ключа, ввести ток разряда конденсатора 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 суммарный ток на этом участке камеры привести к нулю и удерживать в этом состоянии до тех пор, пока не прочность восстановится электрическая этого участка камеры, обеспечивающая последующий разрыв цепи после перезаряда коммутирующего конденсатора. Возможны варианты устройства с упрощенными Камерами, имеющими один дополнительный рог и управляющий электрод. В этом случае диод включается между дополнительным рогом и ближним к нему направляющим рогом, а конденсатор с зарядным устройством - между этим же направляющим рогом и управляющим электродом. Для упрощения схемы устройства и уменьшения емкости коммутирующего конденсатора оно снабжено дополнительными резисторами, цепочкой из последовательно соединенных диода и варистора, индуктивным элементом и цепочкой из последовательно соединенных диода и резистора, причем обкладки коммутирующего конденсатора через дополнительные резисторы соединены с источником питания коммутируемой цепи, цепочка из диода и варистора включена параллельно коммутирующему конденсатору а диод этой цепочки включен согласно с направлением коммутируемого тока, индуктивный элемент включен между коммутирую щим конденсатором и управляющим электродом, а между минусом источника питания и коммутируемой линией включена цепочка из последовательно соединенных диоДа и резистора, при этом диод этой цепочки включен анодом к минусу источника питания коммутируемой цепи. На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - кривые токов и напряжений при работе устройства; на фиг. 3 - варианты принципиальных схем устройства; на фиг. 4 - пример исполнения схемы устройства. Устройство (фиг. 1) состоит из небольщой дугогасительной камеры 1, в нижней части которой размещены неподвижный 2 и подвижный 3 силовые контакты, соединенные соответственно с направляющими рогами 4 и 5 для движения дуги. В центральной части камеры смонтированы дополнительные рога 6 и 7, между которыми включен диод 8, и короткий управляющий электрод 9, между которьш и дальним от него дополнительным рогом 6 включен конденсатор 10. Короткий управляющий электрод 9 служит для автоматического введения с помощью дуги тока разряда конденсатора 10 встречно току коммутируемой цепи на участке камеры между управляющим электродом 9 и дальним от него дополнительным рогом 6. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор 10 с помощью зарядного устройства (на чертежах не показано) заряжен до некоторого напряжения с полярностью, указанной на фиг. 1 и 4 (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, под нимается вверх, занимая последовательно положения А, Б и В. При достижении дугой дополнительных рогов 6 и 7 часть дуги на участке а-б гаснет, а ток дуги переходит В ДИОД 8, поскольку падение напряжения на участке дуги такой длины много больше, чем падение напряжения на диоде 8. В момент, когда дуга занимает положение В в зоне а-б камеры восстанавливается электрическая прочность. В положение В дуга замыкает дополнительный рог 7 с электродом 9 и конденсатор 10 разряжается по цепи: конденсатор 10 - электрод 9 - участок в - г - рог 7 диод 8 - рог 6 - конденсатор 10 встречно коммутируемому току. При этом благодаря наличию диода суммарный ток на участке камеры: электрод 9 - участок г - в - рог 7 ДИОД 8 - рог 6. становится равным нулю и это состояние длится до тех пор, пока напряжение на конденсаторе сохраняет знак первоначального заряда. В это время происходит восстановление электрической прочности камеры на участке в-г, вследствие чего в дальнейшем на участке в-г камеры дуга уже не возникает. Поэтому, начиная с момента разряда конденсатора и до момента окончательного отключения тока, ток проходит п.о внешней цепи, т.е. через конденсатор 10. Этот ток перезаряжает конденсатор (полярность напряжения указана на фиг. 1 в скобках), а напряжение на конденсаторе ограничивает ток и приводит его к нулю. При этом восстанавливается электрическая прочность на участках камеры: рог 4 - рог 6 - электрод 9 - рог 5 и происходит окончательное отсоединение источника питания и конденсатора от коммутируемой цепи. После перезаряда конденсатора 10 до начального напряжения с указанной на фиг. 1 полярностью (без скобок) и замыкания контактов 2 и 3 устройство вновь готово к действию. Описанный процесс отключения цепи иллюстрируется кривыми изменениями токов и напряжений на фиг. 2, где i, ia, ic - соответственно токрГ в коммутируемой цепи через диод 8 и конденсатор 10; -напряжение между рогом 6 и электродом 9 камеры; -начальное напряжение на конденс торе;-напряжение источника питания коммутируемой цепи; -начало короткого замыкания; -начало расхождения контактов 2 и 3; -момент касания дугой дополнительных рогов 6 и 7, переход тока дуги на участке а-б в диод 8; -момент касания дугой управляю щего электрода 9, прекращение тока через диод 8 и горения дуги на участке в-г;. -момент изменения знака напряжения на конденсаторе 10; ( ) - время, предоставляемое для восстановления электрической прочности на участке в-г камеры;tj-момент отключения цепи. На фиг. 3 показаны варианты устройства отличающиеся тем, что его камеры имеют один дополнительный рог и управляющий электрод. На фиг. За диод включен между дополнительным рогом 6 и ближайшим к нему направляющим рогом 5, связанным с коммутируемой линией, а конденсатор - между этим же рогом 6 и управляющим электродом 9. На фиг. 36 диод включен между дополнительным рогом 7 и ближайшим к нему направляющим рогом 4, связанным с источником питания, а конденсатор - между этим же рогом 7 и управляющим электродом 9. Устройство, изображенное на фиг. 4, отличается от принципиальной схемы, показанной на фиг. 1, тем, что для упрощения схемы и автоматизации заряда конденсатора 10 последний присоединен к клеммам «-ь и «- источника коммутируемой цепи через резисторы 11 и 12. Для уменьшения габаритов и стоимости устройства в качестве элементов, рассеивающих энергию, накопленную в индуктивностях подстанции и коммутируемой цепи, использованы соответственно цепочка из варистора 13 и диода 14, включенная параллельно конденсатору 10, причем диод включен согласно с направлением коммутируемого тока, и цепочка из резистора 15 и диода 16, включенная между минусом источника питания и коммутируемой линией, причем к линии диод подключен катодом. Кроме того, для улучшения переходного режима диода по обратному току в провод, соединяющий конденсатор 10 с управляющим электродом 9, включен индуктивный элемент 17. Устройство работает следующим образом В исходном состоянии конденсатор 10 заряжен до напряжения источника коммутируемой цепи с полярностью, указанной на фиг. 4 (без скобок). Контакты 2 и 3 замкнуты. При отключении тока нагрузки или аварийном режиме, например при коротком замыкании в цепи (в точке К), размыкаются силовые контакты и на них появляется дуга. При достижении дугой положения Б часть дуги на участке а-б гаснет, а ток дуги переходит в диод 8. За время перехода дуги из положения Б в положение В на участке а-б восстанавливается электрическая прочность. В положении В дуга замыкает Дополнительный рог 7 с электродом 9 и конденсатор 10 разряжается до цепи: конденсатор 10- электрод 9-участок г-в-рог 7-диод 8-рог 6-конденсатор 10 встречно коммутируемому току. Благодаря наличию диода суммарный ток на участке камеры: электрод 9-участок г-в-рог 7-диод S-рог б становится равным нулю и это состояние длится до тех пор, пока напряжение на конденсаторе сохраняет знак первоначального заряда. В это время и происходит восстановление электрической прочности в камере на участке в-г, вследствие чего в дальнейшем на участке в-г камеры дуга уже не возникает и ток может проходить только по внешним участкам цепи. Вначале в момент разряда конденсатора ток коммутируемой цепи целиком проходит по конденсатору 10 и перезаряжает его. После перезаряда напряжение на конденсаторе приобретает полярность, обратную напряжению источника питания цепи (на фиг. 4 показана в скобках), ток коммутируемой цепи начинает уменьшаться. На индуктивности коммутируемой цепи (на фиг. 4 показано пунктиром) появляется напряжение, стремящееся поддержать уменьшающийся ток IT (полярность напряжения на индуктивности показана в скобках), вследствие чего открывается диод 16 и ток коммутируемой цепи ip замыкается по контуру: место к.з. - резистор 15- диод 16, а энергия накопленная в индуктивности коммутируемой цепи, рассеивается в сопротивлениях цепи и резисторе 15. Ток i it, протекающий через конденсатор, продолжает перезаряжать его. Однако как только напряжение на конденсаторе станет равно напряжению открытия варистора 13, рост напряжения на конденсаторе прекращается, ток из конденсатора переключается в цепочку: варистор 13 - диод 14, ограничивается ею, приводится к нулю и прерывается. При этом в варистаторе 13 рассеивается энергия, накопленная в индуктивности подстанции (на фиг. 4 показана пунктиром). После погасания тока i i,. восстанавливается электрическая прочность на участках камеры: рог 4-рог 6 и электрод 9- рог 5, а источник напряжения коммутируемой цепи Udo и конденсатор 10 оказываются отсоединенными от коммутируемой цепи. Далее в течение некоторого времени через резисторы 11 и 12 происходит перезаряды конденсатора 10 до напряжения Uj, с полярностью, указанной на фиг. 4 (без скобок) после чего могут быть замкнуты контакты 2 и 3 и устройство вновь готово к действию. Формула изобретения 1. Устройство для коммутации сильноточных цепей постоянного тока, преимущественно цепей высокого напряжения, содержащее силовые контакты, коммутирующий конденсатор, камеру с двумя направляющими рогами для движения дуги и с двумя дополнительными рогами в центральной части камеры, между которыми включен диод в направлении, совпадающем с направлением тока в коммутируемой цепи, отличающееся тем, что, с целью повышения надежR

Ь )

/ rff/f fa7Vjry ewif yeffff ности устройства в работе и улучшения его габаритно-стоимостных показателей, оно снабжено управляюшим электродом, который установлен слева или справа от дополнительных рогов, между управляющим электродом и дальним от него дополнительным рогом включен коммутирующий конденсатор, причем длина управляющего электрода выбрана 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 диод и деионизации промежутка между дополнительными рогами. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощения схемы устройства и уменьшения емкости коммутирующего конденсатора, оно снабжено дополнительными резисторами, цепочкой из последовательно соединенных диода и варистора, индуктивным элементом и цепочкой из последовательно соединенных диода и резистора, причем обкладки коммутирующего конденсатора через дополнительные резисторы соединены с источником питания коммутируемой цепи, цепочка из диода и варистора включена параллельно коммутирующему конденсатору, а диод этой цепочки включен согласно с направлением коммутируемого тока, индуктивный элемент включен между коммутирующим конденсатором и управляющим электродом, а между минусом источника питания и коммутируемой линией включена цепочка из последовательно соединенных диода и резистора, при этом диод этой цепочки включён анодом к минусу источника питания коммутируемой цепи. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Голубев А. И. Быстродействующие автоматические выключатели. М.-Л. Энергия, с. 138, 1964. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2624892/24-07, кл. Н 01 Н 33/12, 1978. /

/