Быстродействующий автоматический выключатель

СОЮЗ СО 8 ЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЯО 1365 б 1)4 Н О 1 Н 9/ ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ Ж Сл ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Харьковский институт инженеров коммунального строительства (72) К,К.Немитоков, И.А.Ильина и И.Г.Шкловский(56) Авторское свидетельство СССР Яф 743070, кл. Н 01 Н 77/00, 1980.Авторское свидетельство СССР В 920875, кл, Н 01 Н 9/30, 1980. (54) БЪСТРОДЕЙСТВУОЩИЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ(57) Изобретение относится к области низковольтного аппаратостроения, в частности к быстродействующим автоматическим выключателям. Цель изобретения - повышение эксплуатационных возможностей. Высоковольтный импульс. от импульсного трансформатора поджигает дугу между последней иГ предпоследней деионными пластинмщ 30, 31. Эта дуга переключается и,- средством остальных деионнлх п.а-с и дифференцирующего конлРнгат.";, 11 а первую деионную пластину " Э; .,;образуется шунтирующая и; с .дов; те: - ная цепь из коммутирующего конденсатора 3 и образованной дуги, подключенная параллельно контактам 1. 3 ярял коммутирующего конденсатора 3 образует импульс тока, направленный вс греч- но току нагрузки 24, и о достижении током через контакты 1 нулевого значения блок управления 10 воздействует на привод контактов 1, отключая последние. Наличие встречного тока через контакты 1, протекающего через дугу, существенно повышает токоограничивающие свойства быстродействующего автоматического выключателя, увеличивая его эксплуатационные вЬзможности, 3 з.п. ф-лы. 2 ил.У13651 50 Изобретение относится к области низковольтного аппаратостроеция, в частности к быстродействующим автоматическим выключателям,Целью изобретения является повышение эксплуатационных возможностей быстродействующего автоматического выключателя.На фиг. 1 схематически показан1 О предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель, ца фиг,2 время-токовая диаграмма его работы.Быстродействующий автоматический выключатель содержит механические15 контакты 1, деиоццую дугогасительцую камеру 2, коммутирующий конденсатор 3, полупроводниковый диод 4, импульсный трансформатор 5, содержащий первичную обмотку 6 и вторичную высоко 20 вольтную обмотку 7, первый и второй электроды 8 и 9, блок 10 управления, первый 11 и второй 12 датчики тока, высоковольтные разделительные конденсаторы 13-16, шунтированцые высокоомными резисторами 17-20, дифференцирующий конденсатор 21, блок 22 заряда конденсатора 21, блок 23 магнитного дутья, нагрузку 24, к которой через автоматический выключаЭО тель подается питзние от источника 25 питания. Деиоццая дугогасительная камера 2 быстродействующего автоматического выключателя содержит деионцые пластины 26-31, В вариантах предлагаемого автоматического выключате ля используется промежуточный третий электрод 32 и высокоомцый резистор 33.Деиоццая дугогасительцая камера 2 представляет гобой слегка модифицированную стацпартную деиоцную решет О ку автоматц 1 ог.кого выключателя, Промежуточные пластины 27-30 являются обычными пластинами из меди или стали. Крайняя пластина 31 также является стандартной и используется для 45 подсоединения к нагрузке 24 и непосредственного подсоединения к одному из выводов высоковольтной обмотки 7 импульсного трансформатора 5. Другая крайняя (свободная) пластина 26 отличается от стандартной линь несколько меньшей (на 8-12 мм) длиной и используется для подсоединения к коммутирующему конденсатору 3. Вблизи деионных пластин 26 и 27 на рас стоянии 2-4 мм расположены первый 8 и второй 9 электроды, которые крепятся в изоляционном корпусе дугогасительной камеры 2 (не показано). Каж 55 2дая из деиоццых пластин 27-30 подсоединеца к соответствующим цепочкам параллельно соединенных высоковольтного конденсатора и высокоомцого резистора, а именно: конденсатора 13 и резистора 17, конденсатора 14 и резистора 18, конденсатора 15 и резистора 19, конденсатора 16 и резистора 20 соответственно. Дифференцирующий конденсатор 21 одним своим выводом подключен к первому электроду 8, а вторым - к деионной пластине 27, Заряд этого конденсатора емкостью несколько микрофарад осуществляется от стандартного малогабаритного блока 22, от независимого источника или от источника 25, Базы магнитного дутья 23 содержат в качестве основной части несколько витков, собранных, например, в виде двух соленоидов, по которым протекает ток, например, из блока 10 управления. Это достигается тем, что, например, тиристор, используемый в блоке 10 в качестве ключевого элемента, включен последовательно с витками узла 23 (не показано) и при подаче сигнала от датчика тока ца управляющий электрод этого тиристора происходит разряд предварительно заряженного конденсатора в блоке 10 через тиристор, витки узла 23 и первичную обмотку Ь трансформатора 5В вариантах исполнения предлагаемого выключателя вместо полупроводникового диода 4 используется высокоомный резистор 33 и вводится вспомогательный электрод 32, расположенный между деионными пластинами 26 и 27 внутри дугогасительной камеры 2 в ее задней части и подключенный к общей точке коммутирующего конденсатора контакта и источника питания.Быстродействующий автоматический выключатель работает следующим образом.При протекании через выключатель номинального тока контакты 1 замкнуты и питание от источника 25 подается через эти контакты к нагрузке 24. При этом коммутирующий конденсатор 3 заряжен до требуемого напряжения от постоянного источника (не показан) в полярности, показанной на фиг. 1, Дифференцирующий конденсатор 21 также заряжают от источника 22 до относительно высокого напряжения 1500-2000 В, причем ни заряженные конденсаторы 3 и 21, ни все другиеПрименение диода 4 позволяет использовать н предлагаемом выключателе малогабаритные электролитические конденсатори,Важной особенностью устройства является то, что конденсатор должен выдать только импульс разрядного тока, обеспечивающий лишь переброс тока из цепи контактов и цепь конденсатор - камера, а отключение цепи ,осуществляется уже дугогасительнай камерой, т.е. функции конденсатора и камеры разделены, вся энергия цепи рассеивается в дуге благодаря чеУ15 му конденсатор может быть выбран малой емкости. Поскольку и диод работает в кратковременном режиме, обеспечиваются малие габариты и высокая надежность устройства.20Высокое быстродействие блока 10 управления, построенного на стандартних электронных элементах, импульсного трансформатора 5, датчиков тока также способствует снижению емкости25 конденсатора 3, поскольку аварийный ток ограничивается на низком уровне фактически в самом начале аварии.Алгоритм срабатывания отдельныхэлементов автоматического ниключателя представлен на фиг. 2 время-токо 30 вой диаграммой, где Т- номинальный ток; 1, - так установки; Т- ток ограничения; Т 1 - собственное время датчика тока; Т, - время срабатывания собственного блока управления; Т, - 35 время вытеснения тока из цепи контактов в цепь дугагасительнай камеры; Т, - время спадания тока к нулю в период такааграничивающега действия дугогасительной камеры; Т- полное вре 40 мя отключения. В некоторых случаях, например, при использовании выключателя н цепях с малой индуктивностью (в цепях с элек тролизными преобразователями) или при необходимости исключения полупроводникового прибора из силовой части выключателя возможна применение варианта быстродействующего автоматического выключателя, н котором вместо диода 4 использован высокаомный резистор 33 (ега подключение показано на фиг. 1 штрихпунктирнай линией). В основном, принцип работы этога варианта выключателя подобен описанному. Отличие заключается в том, чта после перехода така в цепочку конденсатор 3 - дугагасительная камера 2 и размыкания контактов происходит перезаряд конденсатора (н этомслучае необходимо использовать неполярный конденсатор) аварийным токоми ега левая (па фиг1) обкладка становится положительной, а правая -отрицательной, и отключение цепи. Наотключение цепи в результате перезаряда конденсатора не оказывает влияние наличие резистора 33, шунтирующего конденсатор, поскольку ток черезрезистор весьма мал (доли миллиампер)из-за очень большого сопротивлениярезистора и недостаточен для поддержания горения дуги в камере,Отсутствие полупроводникового диода н данном варианте выключателяповышает надежность устройства, кроме того, дополнительно повьппаетсятакаограничинающая способность выключателя, так как напряжение переэаряженного конденсатора включено последовательно с напряжением на дугогасительной камере в цепи и суммируется с ним, Вместе с тем, наличие этого напряжения на конденсаторе неоказинает большого влияния на нагрузку, поскольку в последовательной цепи включено напряжение источника,направленное против напряжения наконденсатореШунтирование конденсатора высакоамным резистором не влияет на работу выключателя: это большое сопротивление порядка 1-10 мОми поэтому даже при напряжении на конденсаторе 1000 В потери мощности натаком резисторе весьма малы (0,11,0 Вт). Кроме того, применение такого резистора не влияет на готовностьвыключателя к повторному отключениюаварийного тока, поскольку основнойперезаряд конденсатора для нового цикла осуществляется от сети его питания, а интервал следования аварий,которые должен отключать выключатель,значительно больше постоянной времениего разряда. Наконец, исключение иэустройства электролитического конденсатора 3 и применение вместо негонеполярного, например бумажного, конденсатора 3, повьппает надежность работы, особенно при высокой и низкойтемпературе окружающей среды.В еще одном варианте быстродействующего автоматического выключателяобеспечивается возможность ограничения перенапряжений на гасящем конденсаторе без применения диода 4 ирезистора 33, что актуально для защи40 3 13651 элементы не оказывают влияния на работу выключателя. Если в цепи возникает аварийный режим, ток через контакты 1 растет и достигает величины уставки датчика 11 тока, который5 включен в цепи нагрузки и является стандартным (например, дифференциальный датчик, обеспечивающий любое требуемое быстродействие благодаря способности выдавать сигнал с упреж 10 дением, например, в зависимости от скорости роста аварийного тока).Датчик 11 тока выДает сигнал в блок 10 управления. При появлении этого сигнала блок 1 О управления15 обеспечивает подачу на вторичную обмотку 7 импульсного трансформатора высоковольтного импульса порядка 6- 10 кВ, В результате этого происходит электрический пробой промежутка между пластинами 31 и 30 деионной дугогасительной камеры, к которым через разделительный конденсатор 16 весьма малой емкости (несколько сот пико 25 фарад) прикладывается высокое напряжение. В результате пробоя конденсатор 16 оказывается заряженным в полярности, показанной на фиг. 1, Затем через несколько микросекунд происходит пробой промежутка между пластинами 30 и 29, к которым также при/ н кладывается высокое напряжениеминус" от одного вывода обмотки 7 трансформатора через низковольтную дугу между пластинами 31-30 и "плюс" от 35 другого вывода трансформатора через разделительный конденсатор 15).Аналогичным образом осуществляется быстрый последовательный пробой между пластинами 29-28, 28-27 и 29-28, 28-27, пластиной 27 и дополнительным электродом 9. Инициирующее действие дуги между пластиной 27 и дополнительным электродом 9 приводит к ионизации пространства между допол нительным электродом 8 и пластиной 27. Наличие достаточно высокого напряжения между электродом 8 и пластиной 27 в конечном счете приводит к электрическому пробою между ними и 50 образованию дуги, Эта относительно мощная дуга между электродом 8 и пластиной 27 под действием магнитного поля, создаваемого узлом 23 магнитного дутья, перемещается в сторону 55 пластины 26 и своим телом замыкает пластины 26 и 27, Этим моментом фиксируется образование серии последовательно горящих дуг между всеми пла 55 4стинами 26-31 деионной дугогасительной камеры (фиг. 1). Таким образом,в течение нескольких десятков микросекунд цепь между пластинами 26-31оказывается замкнутой и для гасящегоконденсатора 3 образуется контур дляразряда через последовательно соединенные дуги между пластинами 26-31и замкнутые контакты 1,Ток разряда конденсатора 3 направлен против тока нагрузки, протекающего через контакты 1 от источника 25.В связи с этим результирующийток через контакты 1 будет уменьшаться, фактически будет происходить вытеснение тока из цепи контактов 1 и в параллельно к ним подключенную цепочку, состоящую из последовательносоединенных конденсаторов 3 и камеры2. В момент, близкий к нулю тока через контакты 1, срабатывает датчик12 тока (фактически датчик нуля тока), который выдает сигнал на блок10 управления. Простейшая схема Иэтого блока после получения сигналаот датчика 12 тока (а еще ранее отдатчика 11 тока) выдает команду наразмыкание контактов 1 фактическив бестоковом состоянии,. Быстрое размыкание контактов 1 может быть выполнено с помощью любого известного быстродействующего устройства. Послеразмыкания контактов ток нагрузкиеще некоторое время (в зависимостиот величины индуктивности цепи, емкости конденсатора, аварийного токаи параметров нагрузки) будет протекать через конденсатор и камеру, азатем после спадания напряжения наконденсаторе к нулю - через диод и камеру.Теоретически с момента, когданапряжение на конденсаторе 3 спалок нулю, а фактически даже еще раньше в цепи нагрузки, где произошлаавария, оказывается включенной дугогасительная камера с полным заданнымнапряжением на дуге, что обеспечивает быстрое ограничение тока и отключение цепи, близкое к теоретическидостижимому, В связи с тем, что контур, включающий в себя контакт 1,камеру 2 и конденсатор 3, выполненмалоиндуктивным, разряд конденсатора 3 на этот контур происходит быстро (0,2-0,3 мс), и в целом токоограничение от действия полного напряжения на дуге начинается за время,менее 1 мс,1365155 ключения нагрузки, деионную дугогаситепьную камеру с деионными пластинами, первый и второй электроды,высоковольтные резисторы, выводь 1для подключения источника питания 10 постоянного тока, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повыше ния эксплуатационных возможностей,в него введены блок магнитного дутья,коммутирующий конденсатор с шунтируюшим элементом, дифференцирующийконденсатор, разделительные конденсаторы, блок заряда, первый и второй датчики тока, блок управления с двумя входами и тремя выходами, импульс 1 ный трансформатор, первый вывод контактов подключен через первый датчик тока к первому выводу для подключения нагрузки, второй вывод контактов соединен с плисовым выводом для подключения источника питания постоянного тока, выход привода контактовподключен к первому выходу блока управления, информационный выход первого датчика тока соединен с первым входом блока управления, информационный выход второго датчика тока соединен с вторым входом блока управления, минусовой вывод для подключения источника питания постоянного тока через второй датчик тока подключен к второму выводу для подключения нагрузки, первая обкладка коммутирующего конденсатора соединена с плюсовым выводом для подключения источника питания постоянного тока, втораяобкладка коммутирующего конденсатора подключена к первой деионной пластине, параллельно дифференцирующему 50 Ф о р,м у л а и з о б р е т е ч и я 55 разделительного конденсатора с второй, третьей, четвертой и пятой де 1, Быстродействующий автоматический выключатель, содержащий контакты, привод контактов, выводы для подионными пластинами, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с шестой деионной ты цепей с болгшой инду:тивностью,например, преобразователей для металлургического электроприиода, С этойцелью в деионную дугогасительную камеру 2 введен третий спомогательныйэлектрод 32, расположенный, например, между деионньми пластинами 26и 27 в задней части камеры. Выводэлектрода 32 подсоединен к левой обкладке гасящего конденсатора 3 (какэто показано на фиг. 1 штрихпунктирной линией). Принцип ваботы этоговарианта выключателя подобен описанному, отличие состоит в том, что кмоменту, когда дуга между деионнымипластинами 2 Ь и 27 уже на этапе токоограничения достигает переднего конца вспомогате.,ного электрода 32 (до этого момента осушествовения электрода 32 сонер.ценно не влияет на работу выклк атолл), цепь мекду пластиной 26 и электродом 32 оказывается закороченной этой дугой. В результате этого паоалпельно конденса 21) тору 3 оказывается вкцюченной дуга, горящая между пластиной 26 и электродом 32, что означает, что напряжение на конденсаторе при откпючении аварийного тока не превышает оескольких есятков вольв что особен но 3 б эффективно при отключении цепей с большой индуктивн стьк и большим током. При необходч.ости вспомогательный электрод мо .т нь,ть помещеч между другимиионными влас.тинами иттиподключен к однои из них непосредственноБыстродействующий автоматическийвыключатель мокет эф 1 ективно использоваться при любо"н ле перонныхпластин дуго.-асс т ,.ьной ка ."зы т е,практически при любом требуе ом номинальном напряжении выключателя,Предлагаемый быстродействующий автоматический выключатель предназначенпрежде всего для защиты мок 1 ных полупроводниковых (тиристов ых и диодных)преобразовательных агрегатов и других ответственных объектов, где требуется высокое быстродействие и достаточная надежность работы, в томчисле и при коммутации мощных высокоиндуктивных цепей,конденсатору включен блок заряда,первый электрод подключен через параллельную цепь блока заряда и дифференцирующего конденсатора к второйдеионной пластине, второй и третийвыходы блока управления соединенысоответственно с выводами первичнойобмотки импульсного трансформатора,каждый из разделительных конденсаторов включен параллельно одному извысокоомных резисторов, первый выводвторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с вторым электродом и через соответствующую параллельную цепь из высокоомного резистора и1365155 3, Выключатель , по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве шунтирующего элемента использован высокоомный резис тор,1 р 1 д 1 ф Составитель Г.Корсаков Редактор Н,Егорова Техред М.Ходанич Корректор М немчикТираж 746 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 6619/46 Производственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул, Проектная, 4 пластиной и с первым выводом для подключения нагрузки, причем первый электрод расположен на одной горизонтали с первой деионной пластиной и5 перед ней, второй электрод - между первым электродом и второй деионной пластиной.2. Выключатель по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в качестве шунтирующего элемента использован полупроводниковый диод, анодом подключенный к первой обкладке коммутирующего конденсатора, а катодом - к второй обкладке коммутирующего конденсатора,4. Выключатель по пп. 1 и 2 или 3, о т л и ч а ю щ и й с я тем что в него введен третий электрод, соединенный с первой обкладкой коммутирующего конденсатора, причем третий электрод расположен в задней части деионной дугогасительной камеры, между двумя какими либо деионными пластинами.