Устройство для коммутации электрических цепей постоянного тока

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 748546

Союз Советскнх

Соцналнстнческнх

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 06.06.78 (21) 2624891/24-07 (51) М. Кл,з

Н 01 Н 33/12 с присоединением заявки №вЂ”

Гееуднретеенньй комитет

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 15.07.80. Бюллетень № 26 (53) УДК 621.316..54 (088.8) пв делам изобретений н открытий Дата опубликования описания 25.07.80

A. М. Куссуль и В. Н. Пупынин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам коммутации цепей постоянного тока, преимущественно сильноточных цепей высокого напряжения, в частности, к устройствам коммутации с использованием контактных и вентильных элементов, я может быть использовано в качестве выключателей на фидерах ж. д. постоянного тока (трамвай, метро, магистральные и пригородные ж. д. 3 3 и 6,6 кВ, карьерный транспорт), на фидерах подстанций электролизных цехов и прокатных станов.

Известны устройства для ком мутации цепей постоя нного тока — электромагнитные выключатели постоянного тока, гашение тока в которых производится через посредство 11уги, возникающей на контактах аппарата после их размыкания. Действием магнитного поля дуга загоняется в специальную дугогасительную камеру., растягивается до критической величины и гаснет (1).

Недостатки этого типа устройств при использовании йх в сильноточных цепях высокого напряжения заключаются в громоздкости самих устройств, необходимости вйделейия под йх монтаж специальных ячеек большого объема и, в конечном итоге, в

2 . ненадежности отключения, связанной с наличием внутри устройства мощной длительное время горящей дуги. Поэтому на фидерах электрических ж. д. а также на фидерах карьерного трайспорта 3,3 кВ для увелйчения отключающей способности (увеличения длины луги) соединяют по два выключателя последовательно.

Наиболее блйзким к изобретению техническим решением является дугогасительное устройство, в котором последовательно

10 с силовым контактом включен диод, а вся цепочка из контакта и диода шунтирована коммутирующей цепочкой, состоящей из емкости, индуктивности и ключа. При не обходимости отключить цепь замыкают ключ и разряжают предварительно заряженную емкость устройства на внешнюю цепь. На время,. пока конденсатор устройства ñîõðàняет первоначальный знак заряда, ток в цепи . диода и контактов отсутствует. Это и дает возможность буз дуги разомкнуть силовой контакт 12).

Недостаток устройства заключается в том, что для сильноточных цепей высокого напряжения практическое выполнение устройства оказывается технически нецелесо748546

Ф@Ф образным. Это объясняется тем, что для таких цепей диод схемы в действительности вырождается в ряд параллельных цепочек с большим количеством диодов в каждой нз иих, что в целом приводит к большим габаритам, значительной стоимости устрой- э ства и большим потерям энергии в нем от рабочего тока. Кроме того, при таком исполнении устройство теряет двустороннюю проводимость устройства.

Цель изобретения — создание устройства для коммутации сильноточных цепей постоянного тока высокого напряжения, не требующего для гашения дуги мощной дуго-. гасительной камеры, обладающего малыми габаритами, умеренной стоимостью, неэначительнымн потерями энергии от рабочего тока и двусторонней проводимостью, Указанная цель достигается тем, что силовые контакты устройства снабжены небольшой камерой .с двумя направляющими рогами для движения дуги. и двумя дополнительными . рогами в центральной части И камеры, причем между направляющими рогами встречно к напряжению цепи включен управляемый шунтирующий вентиль, между дополнительными рогами — упомянутый диод, В связи с этим при нормальном рабочем ™ режиме диод оказывается исключенным из схемы устройства и оно работает как обычный выключатель, имея малые потери энергии и обладая двусторойней проводимостью.

При отключении же тока между контактами М устройства кратковременно возникает короткая дуга, которая, входя в камеру, вводит в цепь тока. диод, н далее после включения коммутирующей цепочки и шунтирующего вентиля; гаснет. .При коротком времени протекания тока через диод может быть использована его перегрузочная способность (по величине тока 20 — 30 превосходящая номинальный ток), поэтому количество параллельных цепочек реальных диодов устройства существенно сокращается, по.этой же причине очень компактным получается и шуитирую-.: щий управляемый вентиль. Устройство в целом получается малых габаритов и умеренной стоимости.

Возможны варианты. устройства с упро- > щениыми камерамн, имеющимн один дополнительный рог в центральной части камеры.

В этом случае диод включается между дополнительным рогом н одним из направляющих рогов. 59

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2а и 26 — кривые токов и напряжений при работе устройства, соответственно; на фиг. 3 — пример исполнения схемы устройства; на фиг. 4а и 46— два варианта исполнения. упрощенных камер Р устройства.

Устройство состоит из небольшой дугогасительной камеры I„y нижнего края которой размещены неподвижный 2 и подвижный 3 силовые контакты, соединенные с направляющими рогами 4 и 5 для движения дуги. В центральной части камеры смонтированы дополнительные рога 6 и 7, между которыми включен диод 8. К направляющим рогам присоединены коммутирующая цепочка, состоящая из последовательно включейных управляемого вентиля 9, емкости IO и индуктивностн I l., и шунтирующий управляемый вентиль 12. . Как и в обычном выключателе контакты 2 и 3 служат для возбуждения дуги, направляющие рога 4 и 5 — для направления движения дуги вверх .по камере, дополнительные рога 6 и 7 — для перехвата дуги и. введения диода в цепь тока. По этой причине расстояние между дополнительными рогами выбрано таким, чтобы падение напряжения на длине дуги, равной этому расстоянию, было больше падения напряжения на диоде в проводящем направлении. Коммутирующая цепочка (9, 10 н ll) и шунтирующий вентиль 12 служат для гашения дуги. и тока цепи после введения диода в цепь тока, Устройство работает следующим образом.

В момент размыкания силовых контактов между кими возникает дуга (на фиг. I показана пунктиром), которая под действием поперечного магнитного поля, создаваемого . одним из известных способов, поднимается

Вверх; занимая последовательно положения 1, l1 и Ш. При переходе дуги иэ положения It в положение Ill часть ее на участке а — б отмирает, поскольку падение напряжения на участке дуги такой длины больше, чем падение напряжения иа диоде 8, в зоне а †камеры восстанавливается электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод. В момент, когда дуга занимает положение Ш, открывается управляемый вентиль 9, происходит разряд емкости 10, тем йли иным способом предварительно заряжейной до высокого напряжения с полярностью, укаэанной иа фиг. 1 (без скобок).

Ток разряда проходит по участкам дуги !И и через диод в направлении, обратном направлению отключаемого тока, так. что суммарный ток через камеру становится равным нулю. В этот момент или непосредственно перед ним открывается шунтирующий диод

12 и напряжение между контактами 2 и 3, равно как и между направляющими рогами 4 и 5,:становится равным падению напряжения на шуитирующем вентиле. В связи с этнм начинает интенсивно развиваться процесс деиоиизации остатков плазмы на месте участков III и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка и камеры в целом. Хотя с указанного момента контакты .устройства уже обесто. чеиы, отключения тока в цепи еще не произошло, Он продолжает протекать по комI

748546

3 мутирующей цепи, сначала разряжая до нуля, а потом перезаряжая конденсагор !по лярность в скобках), и, в конце концов, под действием напряжения иа емкости y6>,lвает до нуля. В момент, когда напряжение на емкости меняет знак, закрывается шунтирующий вентиль 12,à в моментдостижсния нуля тока в цепи -- вентиль коммутирующей цепочки 9.

Иа фиг. 2а показаны кривые тока в цепи и через диод (заштриховано): нз фнг, 2 б— кривые напряжений на контактах устройства

В укаэанные на фиг. 2 моменты времени происходит: — - размыкание контактов, дуга занимает положение 1; — дуга занимает положение II, ток начи нает проходить через диод;

t s — t g- — дуга на участке а — б отмирает, в зоне а †восстанавливается электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод; — дуга занимает положение III, открывается коммутирующий вентиль 9;

t — ток в цепи диода спадает до нуля, открывается щунтирующий вентиль 12;

15 ла — ток в отключаемой цепи достигает

S максимума, напряжение в межконтактном промежутке меняет знак, закрывается шунтируюший вентиль 12; — - ток в отключаемой цепи спадает до нуля, на перезаряженной емкости максимум напряжения, закрывается коммутирующий вентиль 9., Отрезок времени Ы )t q — t q есть время, отводимое на деионизацию камеры. В течение этого отрезка времени ток через диод равен нулю, на камере поддерживается незначительное напряжение, равное падению напряжения на шунтирующем вентиле.

Пример исполнения устройства по фнг. 3 отличается.от принципиальной схемы (фиг. !) наличием разреза у рога 7, делящего его .на две секции 7 и 7, наличием шунтируюшего управляемого вентиля 12, включенного параллельно коммутирующей цепочке встречно напряжению сети, трансформатора 13 с обмотками смешения W „, первичной % >, включенной между секциями вспомогательного рога 7 и 7, вторичными Ъ д и W3. подключенными между управляющими электродами и катодами соответственно коммутирующего и шунтируюшего вентилей через so формирующие цепочки 14 соответственно из диода и стабилитрона, а также наличием варистора 15, вклк>чениого параллельно коммутируюгцей цепочке, и контакта 16 в пепи коммутирующей цепочки. Диод в этом слуSS чае подключен между вспомогателы>ым ро1 гом 6 и нижней секцией 7 рога 7.

1 рансформ втор 13 предназначен для автоматического открывания коммутирующеп> 9 н шу>ггирующего 12 ве»гилей, варистор !5 поставлен длн уменьнн нии величины потребной ем кос >! 10 и огр>! >>ич IIHH >ц l; напряжений между конгзктзми 2 и 3 и процессе <>тклю !ения, 3 дополнительные контакты 16 -- для пол>к>го отсоединения исто !Ника питания конденс<>т!>!>н! и ком МI>ти ру>оп!ей цепочки !0 от !>тключенно>! части цепи.

Ул ройство (фиг. 3) работает следующим образом.

После размыкания силовых контактов, появления дуги и перехода ее в положение ll через диод 8 начинает протекать ток. К моменту перемещения дуги в положение 111 дуга ва участке а — б отмерла, в зоне а — б восстановилась электрическая прочность и ток цепи протекает только через диод.

При достижении дугой положения 111 она перемыкает разрез рога 7 н часть тока дуги начинает проходить через насыщаюшийся трансформатор !3 и он перемагничивается.

На вторичных обмотках трансформатора

W z H W л появляется напряжение. Полярность напряжения на обмотке такова, что оно открывает управляемый вентиль 9. Происходит разряд предварительно заряженной емкости 10 через участки дуги 111, трансформатор и диод в направлении, обратном направлению отключаемого тока. Когда суммарный ток через диод становится равным нулю, трансформатор 13 перемзг>н! >ивается в обратном направлении, на вторичных обмотках Ъ д H Ю з трансформатора вновь появляется напряжение. Полярность напряжегп>я на обмотки W д теперь такова, что оно отрывает шунтирующий вентиль 12, вследствие чего падает до малой величины напряжение между направляющими рогами 4 и 5 н начинает интенсивно развиваться процесс денонизации остатков плазмы на месте участков 111 и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка и камеры в целом. Таким образом, начиная с этого момента, контакты устройства уже обесточены. Однако в отключаемой цепи еше протекает ток, замыкающийся через коммутирую>цую цепочку. Вынуждаемый индуктивностью цепи, этот ток перезаряжает емкость 10, напряжение на ней растет и при достижении напряжения открытия варистора последний переключает ток цепи на себя. Управляемый вентиль 9 закрывается. По мере рассеяния энергии цепи в варисторе ток цепи уменьшается и, наконец, становится равным нулю. В заключение дополнительные контакты 16, сблокированные с контактом 3 и имеющие по отношению к нел>у выдержку времени на срабатывание, отключают источник питания и конденсатор коммутирующей цепочки от отклк>ченной части цепи.

Нз фиг. 4 показаны варианты упрощенных камер устройства, в которых в централь748546 ной части камеры размещен лишь один дополнительный рог, разрезанный на две секции 6 и 6", причем диод включен между нижней секцией дополнительного рога и одним из направляющих рогов. На фиг. 4 а диод 8 включен между нижней секцией дополнительного рога 6 и направляющим рогом 5, соединенным с отрицательным полюсом источника напряжения. На фиг. 46 диод включен между нижней секцией. дополнительного рога 6 и направляющим рогом 4, соединенным с положительным полюсом источника напряжения.

Работа устройства с такими упрощенными %амерами принципиально не отличается от работы устройства но фиг. 1, однако наличие гальванической связи диода с источником напряжения делает такие упрощенные камеры менее предпочтительными, чем показанные на фиг. l.

Формула изобретения

1. Устройство для коммутации электрических цепей постоянного тока, преимущественно BbfcoKofo напряжения, содержащее силовые контакты; коммутирующую цепочку из последовательно. соединенных емкости, индуктивности и управляемого коммутирующего вентиля, а также диод в цепи гашения тока, отличающееся тем, что с целью сокращения габаритов устройства, его стоимости и потерь энергии, силовые контакты снабжены камерой с направляющими рогами для движения дуги и двумя дополнительными рогами в центральной части камеры, между направляющими рогами встречно к напряжению цепи включен дополнительно введенный управляемый щунтирующий вентиль, а между дополнительными рогами —. упомянутый диод, причем расстояние между дополнительными рогами выбрано таким, чтобы падение напряжения на длине дуги, равной этому расстоянию, было больше падения напряжения на диоде в проводящем направлении..

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса управления устройством, один из дополнительных рогов камеры выполнен разрезанным на две секции, причем диод присоединен к нижней из них, а между секциями включен дополнительно введенный насыщающийся трансформатор с обмоткой смещения и двумя

20 разнополярными вторичными обмотками, одна из которых присоединена к управляющему электроду и катоду коммутирующего. вентиля, а другая — к управляющему электроду и катоду шунтирующего вентиля.

2$

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Голубев А. И. Быстродействующие автоматические выключатели. «Энергия», 1964.

2. Авторское свидетельство СССР

3o № 384866, кл. Н 01 H 33 59, 1965 (прототип).

748546

7

Составитель В.Попова

Редактор С. Лыжова Техред К. Шуфрич Корректор М. Коста

Заказ 4374/I 5 Тираж 844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

I I 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

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