Устройство для защиты от перенапряжений

 

Использование: в технике защиты от перенапряжений низковольтной аппаратуры в цепях переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит тиристор, параллельно ему включены последовательно соединенные ограничитель напряжения и диод, к общей точке которых подключена цепьуправления тиристора. В рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности. Катод диода соединен с катодом тиристора, а анод диода - с ограничителем напряжения. При защите от перенапряжений с различной полярностью к выводам устройства встречно-параллельно подключают второе такое же устройство В случае использования устройства для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений , в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора . 2 з.п ф-лы, 1 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 Н 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

,1И о

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810472/07 (22) 28.02.90 (46) 30.05,92.Бюл, ¹ 20 (71) Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им. С,М.Кирова (72) К,К.Намитоков, П.П.Золочевский, Г,Д,Родин, Э.Н,Фоминич, В.В,Хромов, Л,П.Животиков и В.Л.Волков (53) 621,316.925 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 606184, кл. Н 02 Н 9/06, 1978, Крюкова Н.Н, Полупроводниковые приборы с контролируемым лавинообразованием в кн. "Полупроводниковые приборы и их применение", под ред. Фетодова Я,А., M,, Сов. радио, 1974, вып. 28, с. 57 — 76. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕ-

НАПРЯЖЕНИЙ

Изобретение относится к технике защиты от перенапряжений, конкретнее — к средствам защиты низковольтной аппаратуры в цепях переменного тока, и может быть использовано для защиты устройств распределения электроэнергии и ее потребителей.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее тиристор. управляющий электрод которого, через ограничитель напряжения, выполненный в виде двух встречно-последовательно включенных стабилитронов, соединен с анодом тиристора.

». Ж, 1737612 А1 (57) Использование: в технике защиты от перенапряжений низковольтной аппаратуры в цепях переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит тиристор, параллельно ему включены последовательно соединенные ограничитель напряжения и диод, к общей точке которых подключена цепьуправления тиристора. В рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности. Катод диода соединен с катодом тиристора, а анод диода — с ограничителем напряжения. При защите от перенапряжений с различной полярностью к выводам устройства встречно-параллельно подключают второе такое же устройство.

В случае использования устройства для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов B рабочей цепи тиристора, 2 з.п,ф-лы, 1 ил.

Недостатком указанного устройства является возможность ложных срабатываний за счет протекания емкостных токов запертого стабилитрона в цепи управления тиристора, когда скорость нарастания всплесков напряжения в цепи велика, а амплитуда недостаточна для отпирания стабилитрона.

Указанный недостаток устранен в выбранном в качестве прототипа устройстве защиты от перенапряжений, содержащем тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора. Устране1737612

10 ние указанного недостатка достигнуто в прототипе путем уменьшения емкостных токов обратносмещенного р-и-перехода в цепи управляющего электрода тиристора за счет применения в качестве ограничителя напряжения малоемкостного кремниевого симметричного ограничителя напряжений, Однако указанным устройствам присущ общий недостаток, существенно ограничивающий область их применения и состоящий в их неработоспособности в условиях воздействия токов и напряжений с высокими скоростями их нарастания, например в условиях воздействия атмосферных перенапряжений. Известно, что длительность фронта импульса атмосферного перенапряжения равна в среднем 1,2 мкс при амплитуде напряжения в миллионы киловольт и амплитуде тока до 200 кА. В то же время тиристоры способны выдерживать скорость нарастания прямого тока порядка 1 кА/мкс и прямого напряжения порядка 1 кВ/мкс, что несоизмеримо с параметрами атмосферных перенапряжений. По указанной причине известные тиристорные устройства защиты в условиях воздействия атмосферных перенапряжений неработоспособны и будут повреждаться передними фронтами импульсов тока и напряжения.

Целью изобретения является обеспечение работоспособности устройства при воздействии атмосферных перенапряжений, Цель достигается тем, что в устройстве защиты от перенапряжений, содержащем тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь из соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора, в рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности, катод диода соединен с катодом тиристора, а анод диода соединен с ограничителем напряжения, а также тем, что для защиты от перенапряжений с различной полярностью, к выводам устройства встречно-параллельно подключено второе такое же устройство, причем в случае использования устройства для защи-. ты от индуктированных атмосферных перенапряжений, имеющих невысокие скорости нарастания тока и напряжения, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства, имеющая два одинаковых комплекта аппаратуры, включенных встречнопараллельно для подавления перенапряжений различной полярности.

Устройство содержит тиристоры 1 и 2, параллельно рабочим цепям которых включены цепи из соединенных последовательно ограничителей напряжения 3 и 4, и диодов 5 и 6 . К точкам соединения ограничителей напряжения и диодов подключены цепи управления тиристоров, содержащие резисторы 7 и 8, Между управляющими электродами и катодами тиристоров включены нелинейные элементы 9 и 10, шунтированные конденсаторами 11 и 12.

В рабочие цепи тиристоров последовательно включены катушки индуктивности 13 и 14. При медленно нарастающих перенапряжениях роль индуктивности могут играть монтажные соединительные провода.

B качестве нелинейных элементов, включенных между управляющими электродами и катодами тиристоров, могут быть использованы . высоконейлинейные, например, оксидноцинковые варисторы, ограничительные диоды или стабилитроны.

В качестве ограничителей напряжения

3 и 4 целесообразно использовать переключающие элементы, например, искровые промежутки или быстродействующие переключатели на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Устройство работает следующим образом, В нормальном режиме к тиристорам 1, 2 и к цепям 3 — 5, 4 — 6, состоящим из ограничителей напряжения и диодов, приложено переменное рабочее напряжение защищаемой цепи, недостаточное для отпирания тиристоров по анодной цепи и недостаточное для перевода ограничителей напряжения 3, 4 из состояния низкой в состояние высокой проводимости. Под действием рабочего напряжения защищаемой цепи по рабочим цепям тиристоров и через ограничители напряжения 3 и 4 по цепям управления тиристоров протекают токи утечки, неспособные отпереть тиристоры.

Катушки индуктивности 13 и 14, включенные последовательно в рабочие цепи тиристоров 1 и 2 имеют малую индуктивность, их сопротивление на рабочей частоте защищаемой цепи мало, и они не оказывают существенного влияния на состояние устройства защиты при отсутствии перенапряжений.

При появлении на выводах устройства защиты перенапряжения оно прикладывается к рабочим цепям тиристоров 1 — 13, 2 — 14 и включенным с ними параллельно цепям диод-ограничитель напряжения.3 — 5, 4 — 6.

Ограничители напряжения имеют напряжение перехода из состояния низкой в состояние высокой проводимости меньшее, чем напряжение включения тиристоров по

1737612

55 анодной цепи и меньшее, чем напряжение пробоя тиристоров обратным напряжением.

Если полярность приложенного перенапряжения совпадает с направлением проводимости диода 5, то ограничитель 3 переходит в состояние высокой проводимости при достижении перенапряжением величины, равной сумме напряжения перехода диода 5 в проводящее состояние по прямой ветви вольт-амперной характеристики и напряжения перехода ограничителя 3 в состояние высокой проводимости.

Ограничитель 4 при этом напряжении перейти в состояние высокой проводимости не может, так как напряжение обратного пробоя диода 6 во много раз больше, чем напряжение отпирания диода в прямом направлении, а ограничители 3 и 4 имеют одинаковый класс по напряжению.

При переходе ограничителя 3 в состояние высокой проводимости по устройству защиты начинает протекать ток, ограниченный лишь сопротивлением соединительных проводов и внутренним сопротивлением ограничителя 3 и диода 5.

В качестве ограничителей напряжения

3 и 4 в устройстве используются переключающие элементы, например газонаполненные разрядники или халькогенидные переключателй. Их внутреннее сопротивление, так же как и внутреннее сопротивление диода в прямом направлении черезвычайно мало, поэтому при срабатывании ограничителя 3 устройство защиты начинает выполнять свои защитные функции, пропуская большой ток при малом падении напряжения на устройстве, а вместе с ним и на тиристорах 1, 2.

Ограничитель 3 и диод 5 должны быть способны пропускать ток, вызванный перенапряжением втечение времени, необходимого для отпирания тиристора 1.

При протекании по диоду 5 значительного тока, падение напряжения на нем превышает напряжение отпирания прямосмещенного перехода управляющий электрод-катод тиристора. Это падение напряжения, будучи приложено через резистор 7 к указанному управляющему переходу тиристора 1, вызывает заряд конденсатора 11 и начало развития процесса отпирания тиристора 1.

Напряжение перехода ограничителя напряжения в состояние высокой проводимости выбирается равным необходимому напряжению срабатывания устройства защиты. Напряжение тиристора выбирается таким, чтобы при максимальном токе, допустимом для устройства защиты, сумма паде5

40 ний напряжения на ограничителе напряжения и диоде не превышала рекомендуемой величины рабочего напряжения на тиристоре.

Соблюдение указанных соотношений создает благоприятные условия для отпирания тиристора по цепи управления.

К цепи управляющий электрод-катод тиристора 1 приложено напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде 5.

Цепью, состоящей из резистора 7 и нелинейного элемента 9, в качестве которого может быть использован варистор, ограничительный диод, стабилитрон, напряжение на цепи управления ограничивается на уровне, обеспечивающем нормальный режим работы тиристора, Для ограничения скорости нарастания тока в рабочих цепях тиристоров служат катушки индуктивности

13 и 14. После отпирания тиристора 1 происходит перераспределение тока, вызванного перенапряжением, между цепями 3 — 5 и 1 — 13. Так как прямое падение напряжения на тиристоре 1 ниже, чем напряжение, необходимое для поддержания тока в ограничителе напряжения 3 (искровом промежутке или халькогенидном переключателе), то тиристор 1 берет на себя весь ток, вызванный перенапряжением, а ограничитель напряжения 3 переходит в непроводящее состояние, До окончания воздействия перенапряжения функции защиты выполняет тиристор, параметры которого выбираются исходя из требований, предьявляемых к устройству защиты. Если полярность перенапряжения совпадает с полярностью полуволны переменного рабочего напряжения, то после окончания импульса тока, вызванного перенапряжением, по тиристору продолжает протекать сопровождающий ток. После перехода сопровождающего тока через ноль и изменения его направления, тиристор 1 переходит в закрытое состояние.

Ток в устройстве прекращается и оно возвращается в исходное состояние, Формула изобретения

1. Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее тиристор, параллельно рабочей цепи которого включена цепь из соединенных последовательно ограничителя напряжения и диода, к точке соединения которых подключена цепь управления тиристора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения его работоспособности при воздействии атмосферных перенапряжений, в рабочую цепь тиристора последовательно включена катушка индуктивности, катод диода соединен с катодом тиристора, 1737612 а анод диода соединен с ограничителем нап ряжения.

45

Составитель П.Золочевский

Редактор Е.Зубиетова Техред М.Моргентал Корректор Н,Король

Заказ 1900 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4(5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что для защиты от перенапряжений с различной полярностью к выводам устройства встречно-параллельно подключено второе такое же устройство.

3. Устройство по и, 1, о тл и ч а ю ще ес я тем, что в случае его использования для защиты от индуктированных атмосферных перенапряжений, имеющих невысокие ско5 рости нарастания тока и напряжения, в качестве индуктивного элемента используется индуктивность соединительных проводов в рабочей цепи тиристора,