Устройство для защиты электрической цепи от перенапряжений

 

Союз Советскии

Социалистических

Республик

t

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 14.03,77 {21) 2462224/24-07 с присоединением заявки М— (23) Приоритет °

Опублмкована25.12.79 Бюллетень М47

{51)М. Кл.

Н 02 Н 3/20

Йкударстнанный камнтет

СССР ао делам изобретений н еткрытнй

{53) УДК 621.316..925,{088,8) Дата опубликования описания 25 12.79

Н. ф, Котляренко, К.К, Намитоков, А. С. Капуста и П, П. Золочевский (72) Авторы изобретения

Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им. С. М. Кирова (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

БЕПИ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

2 являющееся по технической сущности наиболее близким к заявляемому устройству, где последовательно с пдавким элементом, генерируюшим плазму между двумя электродами (ппавким предохранителем), включен диод с обратной характеристикой, выполняющий функции датчика и ограничители перенапряжений, включенный паралпедьно с переключаийцим апементом (21.

Изобретение относится к технике зашиты or перенапряжений, а точнее к быстродействуюшим .разрядникам для зашиты электрических цепей низкого напряжения.

Известны разрядники для защиты от перенапряжений, содержащие полупроводниковый ключевой энемент, соединенный последовательно с восстанавливакицим ся предохранителем (1).

Недостатком известных устройств является способность рассеивать лишь незначительную энергию, что ограничивает область их применения. Когда энергия импульса перенапряжения превышает до- 1 пустимую для устройства величину, оно выключается, а электрооборудование остается неэащишенным. При этом уотройст во зашиты сохраняет работоспособность и может осушествлять дапьнейшую заши- зп ту or импульсов перенапряжений с допустимой анергией.

Известно также устройство для зашиты электрической цепи от перенапряжений, Применение диода с обратной характ ристикой {лавинного вентиля или,стабилитрона) дпя выпопнения указанных функпий имеет недостаток. Лавинные вентили и стабидитроны вследствие дискретного характера пробоя р-п перехода способны пропускать в обратном направлении неэначитепьные токи и имеют ограниченную энергию рассеяния в обратном направпении — порядка 5 Дж. Низкая пропускная способность по току и непригодность для зашиты or импульсов перенапряжений с бопьшой энергией ограничивают область применения агого устройства, 3 7055

Белью изобретения является повышение пропускной способности устройства по току.

Это достигается тем, что в устройст, ве для защиты электрической цепи от перенапряжений, содержащем плавкий алемент, генерирующий плазму в пространст. ве между двумя электродами, соединенный последовательно с датчиком перенапряжений, подключенным к защищаемой t0 цепи и включенным параллельно с переключающим элементом, датчик перенапряжений выполнен в виде полупроводникового симметричного ограничителя напряжений, а один иэ упомянутых алектродов, !5 между которыми генерируется плазма, изолирован от плавкого алемента и алектрически соединен с выводом датчика перенапряжений.

Большое падение напряжения на огра- 20 ничителе, равное заданному уровню ограничения напряжения на защищаемом обо.рудовании, исключает возможность длительной работы ограничителя в режиме пропускания больших токов. Эту функцию выполняет включенный параллельно cor раничителем переключающий прибор, в качестве которого может быть использован симитор, пара- тиристоров или динисторов и другие переключающие приборы на крис-З0 таллических или аморфных полупроводниках, а также газоразрядные приборы.

Повышение пропускной способности предлагаемого устройства по току достигается разделением во времени функций защиты между тремя алементами. Первым берет на себя выполнение функций защиты ограничитель напряжения, который не может быть поврежден большой скоростью нарастания тока или напряже40 ния и имеет малое время включения. Ограничитель напряжения ограничивает пенапряжение на защищаемом оборудовании и на переключающем приборе до безопасной величины, равной напряжению стабили-.

45 эации ограничителя.

Под воздействием атого ограниченного перенапряжения включается переключающий прибор, который, обладая малым прямым падением напряжения, способен в те-50 чение более длительного времени пропускать через себя большой ток.

После перегорания плавкого алемен-, I та и зажигания дугового разряда между алектродами, функции защиты переходят к разрядному промежутку, способному длительно (десятые доли секунды) пропус кать ток величиной несколько килоампер.

Самостоятельное выполнение разрядным промежутком функций зашиты возможно благодаря тому, что один нз электродов устройства изолирован от плавкого алемента и алектрически соединен с выводом датчика перенапряжений, подключаемым к защищаемой цепи.

Ресурс работы предлагаемого устройства повышается за счет того, что при защите от импульсов перенапряжений с большими энергиями выходит иэ строя и требует замены "лишь один йлавкий алемент, а не полностью все устройство.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства, предназначенного для работы в цепях с током короткого замыкания до сотен ампер; на фиг. 2 показана принципиальная схема устройства для использования в цепях с током короткого замыкания сотни и тысячи ампер.

Устройство (см. фиг. 1) содержит плавкий алемент 1 расположенный между электродами 2,3 и соединенный последовательно с датчиком перенапряжений 4.

Датчик перенапряжений состоит из полупроводникового симметричного ограничи теля напряжения 5, включенного парал лельно с переключающим элементом 8, имеющим напряжение включения меньшее,. чем напряжение стабилизации ограничителя напряжения, а время включения большее, чем время включения ограничителя .напряжения. Электрод 2 соединен с выводом датчика перенапряжений, подклк чаемым к шине 7 защищаемого оборудования. Электрод 3 соединен с плавким алементом 1 и заземлителем или корпу1 сом оборудования. Плавкий элемент 1 проходит сквозь отверстие в электроде

2 и электрическй изолирован от элект, рода, При использовании устройства в цепях с большими токами короткого замыкания, в него вводятся дополнительно (см. фиг.

2) обмотки магнитного дутья 8 и 9, а также деионная дугогасительная камера, образованная рядом металлических пластин

10, 11, 12, 13, 14, расположенных между алектрсдами 2 и 3.

Рабочее напряжение на шине 7 ниже напряжения включения переключающего элемента би напряжения стабилизации ограничителя напряжения 5, которые находится в выключенном состоянии, По устройству при отсутствии перенапряжения протекает незначительный ток утечНаличие в устройстве обмоток магнитного дутья 8,9 не является обязательным.

Перемещение дуги с места ее поджига на пластины дугогаситепьной камеры может быть обеспечено конструкцией апектродов

2,3 при которой создаются алектродинамические усилия перемещающие дугу, и устройством камеры, при котором расширяющимся газам представляется только

1 один путь выхода - через деионную решетку.

Выбор плавкого алемента 1 осушес впяется из двух следующих соображений: он не должен перегореть до включения переключающего алемента 6 и должен

5 70 55 ки ограничителя напряжения 5 и переключающего элемента 6.

При появлении на шине 7 импульса перенапряжения с крутым передним фронтом, первым в проводящее состояние переходит ограничитель напряжения 5, имеющий время отключения не более 1 мкс.

Время включения переключающего алемента 6 превышает несколько микросекунд.

В течение времени, необходимого для включения алемента 6, функции защиты выполняет ограничитель 5, работающий в режиме стабилитрона. Напряжение стабилизации ограничителя 5 выше напряж ния включения элемента 6, поэтому процесс включения последнего продолжается . и после включения ограничителя 5.

Если длительность импульса перенапряжения меньше времени включении алемента 6, то включение последнего не происходит и для выполнения функций защиты оказывается достаточным срабатывания ограничителя. 5, который самостоятельно выключается после исчезновения перенапряжения. Энергии, выделяющейся

25 в атом случае на плавком алементе 1, недостаточно, чтобы вызвать его перегорание.

При более длительных импульсах переЗ0 напряжения, переключающий алемент 6 переходит в состояние высокой проводимости, шунтируя ограничитель 5 и вызывая его выключение. Ток, вызванный перенапряжением, и сопровождающий ток короткого замыкания протекают по плавко35 му алементу 1 и вызывают его перегорание. При перегорании плавкого элемента

1 между электродами 2 и 3 образуется токопроводяшая плазма, иницируюшая раэ40 витие дугового разряда в межэлектродном пространстве.

В течение времени, необходимого для перегорания плавкого элемента и развития разряда между алектродами 2-3,функции

45 защиты выполняет переключающий алемент

6, создающий режим короткого замыкания для источника, питающего защищаемое оборудование и для источника перенапряжения.

Некоторое ограничение величины тока короткого замыкания происходит.за счет внутреннего сопротивления переключающего алемента 6, сопротивления ппавкого элемента 1 и соединительных проводов.

В процессе развития разряда между алектродами 2 и 3 ток, протекающий через переключающий элемент б,уменьшается до нуля и элемент 6 переходит

89 6 в выключенное состояние. Дальнейиие функции защиты выполняются разрядным промежутком между электродами 2 и 3.

Поочередное выполнение функций защиты тремя алементами и -получаемый при этом эффект обеспечивается совокупностью отличительных ппизнаков описываемого ус тройс тва.

Дуговой разряд между электродами 2 и 3 не может погаснуть до исчезновения перенапряжения. Гашение дуги сопровождающего тока короткого замыкания при величине его до сотен ампер осуществляется за счет соответствующей конструкции и взаимного расположения алектродов 2 и 3.

При сопровождающих токах короткого замыкания сотни и тысячи ампер, дпя облегчения условий гашения, дуга с помощью обмоток магнитного дутья 8,9 (cM. фиг. 2) выдувается в деионную дугогасительную камеру, образованную рядом металлических пластин 10, 11, 12, 13, 14, где происходит ее гашение. Обмотка 8 служит для создания начального дутья в момент перегорания плавкого элемента 1. Обмотка 9 создает магнитное дутье во время горения дуги между электродами 2-3, После исчезйовения перенапряжения разряд в дугогасительной камере гаснет, так как рабочее напряжение на шине 7 недостаточно для поддержания дугового разряда в камере.

При появлении на шине 7 перенапряжения с пологим передним фронтом, переключающий элемент 6 может перейти в проводящее состояние до включения ограничителя. напряжения 5, в атом случае последний не срабатывает, а медленно нарастающее перенапряжение не успевает вызвать повреждений защищаемого оборудования до включения устройства защиты.

7 7055 перегореть до того, как элемент 6 будет поврежден протекающим по нему током.

Для автоматической подготовки уст ройства защиты к новому срабатыванию, в нем применяется предохранитель с asтоматической заменой плавкой вставки, например, барабанный предохранитель, используемый в регистраторах срабаты вайии разрядников.

Использование предлагаемого устройст- 10 ва позволит повысить надежность работы электрических установок за счет улучше» мия качества защиты, достигаемого благодаря увеличению, пропускной способнос-, ти и рабочего ресурса устройства зашиты.

Формула изобретения

Устройство для защиты электрической цепи от перенапряжений,,содержащее плав7

89 8 кий элемент, генерирующий плазму в пространстве между двумя электродами, соединенный последовательно с датчиком перенапряжений, подключенным к защищаемой цепи и включенным параллельно с переключающим элементом, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения пропускной способности устройства по току, датчик перенапряжений выполнен в виде полупроводникового симметричного or раничителя напряжения, а один из упомянутых электродов, между которыми генерируется плазма, изолирован от плавкого элемента и электрически соединен с выводом датчика перенапряжений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

M 443438, класс Н 02 Н 3/20, 1974, 2. Патент США № 3651378, класс

317-31, 1972.

4@а! ФиаГ

Составитель Т. Щеголькова

Редактор О. Волков Texpeg Н, Бабурка Корректор Ю. Макаренко

Заказ 8048/59 Тираж 857 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул, Проектная, 4