УСТРОЙСТВО ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА КОНТАКТНЫМ КОММУТАЦИОННЫМ АППАРАТОМ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к коммутационным электрическим аппаратам и может быть использовано для коммутации электрических цепей постоянного тока в нагрузочных режимах, режимах перегрузки и аварийных режимах короткого замыкания нагрузки.
Известно, что в электрических коммутационных аппаратах, особенно постоянного тока, эффективным устройством гашения электрической дуги является дугогасительная решетка, состоящая из изолированных друг от друга металлических пластин. При протекании тока дуги через изолированные пластины напряжение на дуге равно примерно сумме около электродных падений напряжений между отдельными пластинами, что существенно увеличивает напряжение на полной дуге между коммутирующими контактами и обеспечивает эффективное гашение этой дуги (Л.1, Приложение 1. Брон О.Б. Электрическая дуга в аппаратах управления. Москва, Ленинград, ГЭИ, 1954, стр.275, 276, 277, фиг.Х-2).
Для того чтобы сместить электрическую дугу с коммутирующих контактов в дугогасительную камеру с дугогасительной решеткой известно применение так называемого магнитного дутья, когда взаимодействие тока электрической дуги с магнитным полем обеспечивает движение дуги в заданном направлении. Если магнитное поле создается коммутируемым током при включении намагничивающей катушки в цепь коммутируемого тока нагрузки, магнитное дутье называется сериесным или последовательным. Если магнитное поле создается током катушки, подсоединенной к силовой питающей сети постоянного тока, магнитное дутье называется шунтовым или параллельным. Эффективность действия того и другого вида магнитного дутья и их сопоставление наглядно показаны в Л.1 (Приложение 2, стр.219, 220, фиг.VIII-3) откуда следует, что при параллельном магнитном дутье в области малых токов - меньше 150 А сила, действующая на дугу больше, а максимальное время гашения дуги меньше, чем при последовательном магнитном дутье, а при последовательном магнитном дутье в области больших токов - больше 150 А сила, действующая на дугу больше, чем при параллельном магнитном дутье, а время гашения дуги при больших токах уменьшается и примерно равно при обоих видах магнитного дутья. Отсюда следует, что в коммутационных аппаратах постоянного тока при малых токах целесообразно использовать параллельное магнитное дутье, а при больших токах - последовательное магнитное дутье. Однако в большинстве случаев коммутационному аппарату постоянного тока необходимо отключать и малые токи (неполная нагрузка) и большие токи
(перегрузка и короткое замыкание нагрузки). Следовательно, в коммутационном аппарате постоянного тока для повышения надежности целесообразно иметь две системы магнитного дутья - параллельную и последовательную. Кроме того, известно (Л.2 Устройство отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом, Патент на полезную модель №35923, авторы Мурадов Э.Ш., Шипицын В.В., Худояров А.Л., 2004, Бюлл. №4), что система параллельного магнитного дутья наряду с выше отмеченными преимуществами имеет недостатки, заключающиеся в том, что при изменении направления протекания постоянного тока, например при рекуперации энергии от нагрузки в питающую сеть постоянного тока, сила, действующая на дугу изменяет свое направление на противоположное, и тогда дуга перемещается не к дугогасительной камере, а от дугогасительной камеры; кроме того может упасть напряжение в питающей сети постоянного тока. Для устранения этих недостатков в известном устройстве отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом которое принято в качестве прототипа, катушка параллельного магнитного дутья подключена к независимому источнику питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения, а в главную цепь тока нагрузки включен датчик тока, который указывает направление протекания тока в этой главной цепи и подает сигнал для управления полярностью выходного напряжения независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения. Однако в прототипе не достигается заявленный технический результат, заключающийся в увеличении надежности работы. Это связано с тем, что при параллельном магнитном дутье отказ датчика тока или независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения приводит к полному исчезновению магнитного дутья, а это приводит к неотключению прежде всего малых постоянных токов и следовательно к аварии.
Предлагаемая полезная модель - устройство отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом решает задачу создания коммутационного аппарата, осуществление которой позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы этого устройства.
Сущность полезной модели заключается в том, что дополнительно вводятся блок диагностики и блок информации, при этом катушка магнитного дутья, подсоединенная к выходным выводам независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения, включается последовательно в цепь коммутируемого тока нагрузки, а блок диагностики своими входными выводами соединяется с датчиком тока, независимым источником питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения и нагрузкой, а своими
выходными выводами соединяется с электромагнитным приводом и блоком информации.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Необходимо отметить, что на основании статистических данных оперативные отключения нагрузки коммутационным электрическим аппаратом происходят гораздо чаще, чем отключения при перегрузке или при коротком замыкании нагрузки. При оперативном отключении нагрузки исправным коммутационным аппаратом, выполненным в соответствии с предлагаемой полезной моделью, работают две системы магнитного дутья -параллельная и последовательная, при этом число витков катушки магнитного дутья выбирается таким, чтобы обеспечить минимальное время гашения дуги, т.к. это обеспечивает наименьший износ коммутирующих контактов, а это приводит к увеличению коммутационной стойкости аппарата, следовательно, к увеличению надежности его работы. При отказе датчика тока или независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения или того и другого вместе исчезает параллельное магнитное дутье, однако остается последовательное магнитное дутье. Это обеспечивает надежное очередное отключение постоянного тока вполне возможно не за самое малое время отключения, но при этом блок диагностики обнаружив неисправность датчика тока или независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения или нагрузки, во-первых, формирует для электромагнитного привода сигнал на отключение нагрузки, которое обеспечивается только последовательным магнитным дутьем, во-вторых, не разрешает электромагнитному приводу очередное включение аппарата и, в-третьих, через блок информации информирует оператора о неисправности датчика тока, независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения или нагрузки. Следовательно, такие режимы не могут быть частыми, т.е. коммутационная стойкость аппарата не снизится. Таким образом, при использовании предлагаемой полезной модели, во-первых, постоянно обеспечивается коммутация малых постоянных токов при минимальном времени гашения дуги, что уменьшает износ коммутирующих контактов и увеличивает надежность коммутационного аппарата, а во-вторых при возможных редких отказах датчика тока, независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения или нагрузки обеспечивается надежная коммутация всех возможных постоянных токов, на которые рассчитан коммутационный аппарат, т.к. остается в работе последовательное магнитное дутье, что также повышает надежность работы коммутационного аппарата.
Следовательно, заявленное устройство отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом при осуществлении обеспечивает
заявленный технический результат, т.е. обеспечивает увеличение надежности работы коммутационного аппарата постоянного тока.
На фиг. изображена схема предлагаемого устройства отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом. Устройство содержит главные коммутирующие контакты 1, механически связанные с электромагнитным приводом 2, имеющим три пары входных выводов 3, 4, 5 и одну пару выходных выводов 6, дугогасительную камеру 7 с двумя выводами, подсоединенными параллельно главным контактам 1, катушку магнитного дутья 8 с двумя выводами, независимый источник питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения, имеющий две пары входных выводов 10, 11 и две пары выходных выводов 12, 13, датчик тока 14 для определения величины и направления протекания главного тока нагрузки 18, имеющий два входных вывода для включения в цепь главного тока нагрузки и три пары выходных выводов 15, 16, 17, блок диагностики 22, имеющий три пары входных выводов 23, 24, 25 и две пары выходных выводов 26, 27, и блок информации 28 с одной парой входных выводов 29. Главные контакты 1, катушка магнитного дутья 8 и датчик тока 14 соединены последовательно между собой и с нагрузкой 18 и подсоединены к зажимам силовой питающей сети 19, 20 постоянного тока. Первые выходные выводы 12 независимого источника питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения подсоединены к выводам катушки магнитного дутья 8, первые выходные выводы 15 датчика тока 14 соединены с первыми входными выводами 10 независимого источника питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения, вторые входные выводы которого 11 соединены с выходными выводами 6 электромагнитного привода 2, первые входные выводы 3 которого соединены с управляющей кнопкой 21 оператора, а вторые входные выводы 4 электромагнитного привода 2 соединены с вторыми выходными выводами 16 датчика тока 14, при этом первые входные выводы 23 блока диагностики 22 соединены с третьими выходными выводами 17 датчика тока 14, вторые входные выводы 24 блока диагностики 22 соединены с вторыми выходными выводами 13 независимого источника питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения, третьи входные выводы 25 блока диагностики 22 соединены с нагрузкой 18, первые выходные выводы 26 блока диагностики 22 соединены с третьими входными выводами 5 электромагнитного привода 2, а вторые выходные выводы 27 блока диагностики 22 соединены с входными выводами 29 блока информации 28.
Блок диагностики может быть реализован известными средствами в виде электрической схемы на логических элементах или реле.
Блок информации может быть выполнен в виде устройства со звуковыми или световым индикатором, например зуммер или световое табло.
Устройство работает следующим образом. Направление движения сигналов между блоками на фиг. показано стрелками.
Режим включения нагрузки. Если нагрузка 18 исправна, элементы системы параллельного магнитного дутья - независимый источник питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения и датчик тока 14 также исправны, процесс включения происходит следующим образом. При подаче оператором через управляющую кнопку 21 сигнала на включение устройства электромагнитный привод 2 обеспечивает замыкание главных контактов 1 и через нагрузку 18 при полярности напряжения питающей силовой сети, обозначенной знаками +, - начинает протекать силовой постоянный ток по контуру 19-1-8-14-18-20. Датчик тока 14 по каналу 15, 10 передает информацию о направлении протекания постоянного тока через нагрузку 18, при котором независимый источник питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения должен сформировать для питания катушки магнитного дутья 8 постоянное напряжение, полярность которого обозначена знаками +, -. Однако это напряжение не формируется, т.к. по каналу 6, 11 от электромагнитного привода 2 не поступает сигнала о размыкании главных контактов 1.
При полярности напряжения питающей сети, обозначенной знаками (-), (+) ток через нагрузку 18 протекает в обратном направлении: 20-18-14-8-1-19, (то же самое будет происходить и при рекуперации избыточной электромагнитной энергии от нагрузки 18 в питающую сеть), при этом полярность выходного напряжения независимого источника постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения должна измениться на противоположную, обозначенную знаками (-), (+), однако это напряжение также не формируется, т.к. по каналу 6, 11 не поступает сигнала о размыкании главных контактов 1.
Если неисправны нагрузка 18 или независимый источник питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения или датчик тока 14, блок диагностики 22 формирует и по каналу 26, 5 для электромагнитного привода 2 передает сигнал либо об отключении коммутационного аппарата, т.е. о размыкании главных контактов 1, если аппарат включен, либо сигнал о запрете включения коммутационного аппарата, т.е. о запрете замыкания главных контактов 1, если аппарат выключен, а по каналу 27, 29 передает информацию о неисправности тех или иных элементов в блок информации 28 для оператора.
Режим отключения нагрузки.
При отключении цепи питания нагрузки электромагнитным приводом 2, т.е. при размыкании главных контактов 1 может иметь место 3 режима:
A) отключение нагрузки оператором с помощью управляющей кнопки 21;
Б) отключение при перегрузке от сигнала, поступающего от датчика тока 14 по каналу 16, 4;
B) отключение при коротком замыкании нагрузки 18 от сигнала, также поступающего от датчика 14 по каналу 16, 4.
Режим А). При поступлении сигнала на отключение от оператора через управляющую кнопку 21 электромагнитным приводом 2 обеспечивается размыкание главных контактов 1, между ними возникает электрическая дуга и одновременно от электромагнитного привода 2 формируется сигнал о размыкании главных контактов 1, который передается по каналу 6, 11 на независимый источник питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения, который начинает формировать выходное напряжение питания для катушки магнитного дутья 8 с полярностью, соответствующей направлению протекания силового тока нагрузки, как это описано выше. При этом напряженность магнитного поля в области главных коммутирующих контактов 1 будет равна сумме напряженностей от тока силовой цепи (последовательное магнитное дутье) и тока от независимого источника питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения (параллельное магнитное дутье), что обеспечит быстрое втягивание электрической дуги в дугогасительную камеру 7 и эффективное гашение этой дуги при токах нагрузки 18 в диапазоне от долей ампера до номинального значения. После отключения тока нагрузки независимый источник питания постоянного тока с изменяемой полярностью выходного напряжения прекращает работу.
Режимы Б), В). Оба эти режима отключения начинаются от сигнала, поступающего с датчика тока 14 по каналу 16, 4 при превышении током нагрузки тока уставки устройства как при перегрузке, так и при коротком замыкании нагрузки 18. Необходимо заметить, что при размыкании главных контактов 1 в рассматриваемых режимах Б) и В) сигнал о размыкании главных контактов 1 от электромагнитного привода можно формировать и посылать по каналу 6, 11 для независимого источника питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения так же, как и в режиме А). В то же время этот сигнал в режимах Б) и В) можно не формировать, т.к. при токах нагрузки, больших номинальных значений этого тока, как правило, для успешного гашения электрической дуги хватает одного последовательного магнитного дутья. Поэтому в том и другом случаях в режимах Б) и В) обеспечивается эффективное гашение электрической дуги без параллельного магнитного дутья.
Рассмотрим режим отключения малых токов нагрузки 18, т.е. меньших номинальных значений этих токов при неисправной системе параллельного магнитного дутья. В этом случае независимый источник питания постоянного
тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения не формирует выходное напряжение и гашение электрической дуги происходит при меньшей напряженности магнитного поля вблизи главных контактов 1, что увеличивает время гашения дуги и обгорание главных коммутирующих контактов. Однако частота появления таких режимов мала, т.к. уже при очередном включении устройства блок диагностики 22 предотвратит включение неисправного устройства и информирует оператора о виде неисправности, т.е. этот режим будет исключен.
Таким образом, предложенное устройство и описание его работы подтверждают, что его реализация обеспечивает достижение заявленного технического результата, т.е. увеличение надежности коммутационного аппарата постоянного тока.
Для достижения заявленного технического результата в известное устройство отключения постоянного тока контактным коммутационным аппаратом дополнительно будет введен блок диагностики 22 и блок информации 28, а соединенная с выходными выводами 12 независимого источника питания постоянного тока 9 с изменяемой полярностью выходного напряжения катушка 8 магнитного дутья будет включена последовательно в цепь силового коммутируемого тока нагрузки 18.