ТРЕХФАЗНЫЙ ВЗРЫВНОЙ КОММУТАТОР

Полезная модель относится к области электротехники и энергетики
и, в частности, к горной электротехнике и может быть использована для защитного сверхбыстрого отключения трехфазных цепей и закорачивания всех трех жил силового кабеля на землю на предприятиях с пожаро-взрывоопасной атмосферой, например в угольных шахтах, опасных по пыли и газу. Это устройство может быть использовано также в системах защиты человека от поражения электрическим током.
В угольных пожаро-взрывоопасных шахтах силовые трехфазные кабели подвергаются интенсивным механическим воздействиям (удар куском породы, топором, ломом и т.д.), под действием которых происходит нарушение изоляции и, как следствие, короткое замыкание фазное или межфазное, во время которого горит мощная электрическая дуга. Взаимодействие дуги с пожаро-взрывоопасной атмосферой очень опасно (смертельно опасно), поскольку сопровождается пожаром или объемным взрывом со всеми вытекающими из этого чрезвычайно негативными последствиями.
Известны устройства, коммутационные аппараты с электромагнитным приводом, выполняющие «опережающее защитное отключение (см. Электротехника и основы электроники Е.С.Траубе, В.Г.Миргородский М. Высшая школа. 1985 г. с-131), суть которого, заключается в максимально быстром обнаружении аварийной ситуации, отключении электрической цепи и соединении всех жил кабеля с землей. Тогда в месте аварии (разрушения кабеля) дуги не возникнет и взрывоопасная атмосфера не воспламенится. Аналогичным образом эта система работает и при защите человека от поражения электрическим током.
Качество работы системы опережающего отключения зависит в частности от быстродействия силовой коммутационной аппаратуры - замыкателей и выключателей, которые имея электромеханический привод не могут срабатывать быстрее чем за 1-3МС. (см. Электрические аппараты. А.А.Чунихин. Энергия - Москва 1975 с.243-256). Причем, уменьшения этого времени при электромеханическом приводе в принципе невозможно. Катушка электромагнита намагничивается во времени, инерционность контактов преодолевается во времени, провал контактов выбирается во времени, а фактор времени при опережающем отключении является определяющим. Чем быстрее обесточится сеть, тем меньше выделится энергии в электрической дуге и меньше вероятность инициирования пожара - взрыва во взрывоопасной атмосфере. То же самое и при поражении человека электрическим током - чем меньший ток пройдет по человеку, тем безопаснее для его здоровья. В этой связи фактор быстродействия становится определяющим.
Анализ коммутационной аппаратуры на предмет ее быстродействия показал, что наиболее полно качеством быстродействия отвечают взрывные коммутационные аппараты и в частности взрывной предохранитель защитного устройства тяговой ж.д. подстанции (вариант два), который выбран нами за прототип (см. патент на полезную модель №68194, приоритет от 06.06.07.).
Взрывной предохранитель (коммутатор) защитного устройства тяговой ж.д. подстанции состоит из прочного корпуса, в котором установлен токовод, выполненный из двух массивных торцевых частей (электродов), верхней и нижней, соединенных между собой облегченной частью - трубчатым, разрушаемым тоководом, внутри которого расположен заряд взрывчатого вещества (ВВ). В нижней массивной торцевой части токовода установлен замыкатель, выполненный в виде изолированной металлической трубки, в которой расположен удлиненный заряд ВВ, и который через герметичную пробку и проводник соединен с
системой управления взрывным коммутатором. Срабатывание предохранителя - подрыв заряда ВВ происходит по сигналу от системы управления, которая регистрирует аварийную ситуацию, поступающую от датчиков аварийного состояния и генерирует инициирующий электрический импульс. Взрыв заряда ВВ воздействует на замыкатель, соединяет его с нижней массивной частью электрода, и таким образом шунтирует индуктивный реактор, одновременно взрыв воздействует также на разрушаемый токовод с образованием межконтактного промежутка. Возникающая при этом электрическая дуга отключения гаснет под действием высокого давления от взрыва. Использование энергии взрыва в отключающем аппарате позволяет получить уникальное быстродействие, именно то качество, которое необходимо коммутационному аппарату, предназначенному для работы в системах опережающего отключения.
В трехфазной силовой цепи, например угольных шахт, для обеспечения опережающего отключения необходимы три взрывных предохранителя по прототипу, каждый из которых установлен в одной фазе. Такое решение задачи опережающего отключения содержит следующие недостатки:
1. Сложность и высокая стоимость, поскольку нужны три предохранителя, три схемы управления, и после срабатывания необходимо заменять все три предохранителя.
2. Низкая надежность.
В трех предохранителях в три раза большая вероятность отказа одного из них и следовательно возникновения неполнофазного режима. Кроме того, срабатывание трех предохранителей не бывает строго синхронным, что вносит некоторый дисбаланс в работу системы. Задача полезной модели состоит в повышении надежности работы взрывного предохранителя (коммутатора) и уменьшения стоимости защитного оборудования.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель заключается в надежном и сверхбыстром отключении аварийного тока в трехфазной цепи одним взрывным коммутатором и закорачивании всех трех отключенных фаз на землю.
Технический результат достигается следующим образом.
Заявляемый трехфазный взрывной коммутатор как и прототип содержит прочный цилиндрический корпус, в котором установлен цилиндрический токовод, состоящий из массивных торцевых электродов, верхнего и нижнего, и соединяющего их разрушаемого трубчатого элемента с зарядом взрывчатого вещества, систему управления. Причем, в нижний массивный торцевой электрод встроен взрывной замыкатель, выполненный в виде изолированной металлической трубки, внутри которой размещен удлиненный заряд взрывчатого вещества, являющийся продолжением заряда разрушаемого трубчатого элемента и соединенный проводником через герметичную пробку с системой управления.
В отличие от прототипа токовод заявляемого трехфазного взрывного коммутатора (нижняя, верхняя массивные его части -электроды, соединенные разрушаемым трубчатым элементом, причем нижняя массивная часть содержит замыкатель) выполнен разделенным вдоль на электрически изолированные сегменты, верхняя и нижняя массивные части каждого из которых укреплены в корпусе токопроводящими шпильками, а металлическая трубка взрывного замыкателя заземлена. По торцам электродов установлены затворы, выполненные в виде эластичных прокладок и дисков, закрепленных в корпусе коммутатора, а корпус выполнен из стеклоэпоксидного цилиндра. Токовод разделен на три электрически изолированных сегмента.
Отличия заявляемого трехфазного коммутатора от прототипа подтверждает новизну заявляемого устройства.
Взрывной трехфазный коммутатор за счет имеющихся у него преимуществ, т.е. выполнения токовода из электрически изолированных
сегментов, позволяет установить его в рассечку трехфазной цепи таким образом, чтобы каждая из фаз была соединена через две токопроводящие шпильки и далее через массивные и разрушаемую трубчатую части изолированного сегмента. Причем нижняя массивная часть токовода выполнена с замыкателем соединенным с землей. Следовательно, один взрывной коммутатор соединяет все три фазы и он один обеспечивает надежное отключение аварийного тока во всех трех фазах одновременно и одновременно же замыкателем соединяет все три отключенные фазы между собой и землей, что обеспечивает близкое к идеальному опережающее отключение. Реактивная энергия, запасенная в кабеле, не может выделится в месте возникновения аварии. Это уменьшает затраты (после отключения нужно заменить только один взрывной коммутатор, а не три) и увеличивает надежность. У трех предохранителей в три раза больше вероятность отказа и следовательно возникновения неполнофазного режима.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1. представлен трехфазный взрывной коммутатор (общий вид в разрезе), а на фиг.2, фиг.3, фиг.4 - его сечения, соответственно - АА, ВВ, СС.
Трехфазный взрывной предохранитель состоит: из прочного цилиндрического корпуса 1, выполненного из стеклоэпоксидного цилиндра, внутри которого встроен токовод 2, выполненный из трех изолированных электрически сегментов с верхними массивными торцевыми частями 3, 4, 5 (фиг.2), разделенными изоляцией 6, и нижними массивными торцевыми частями 7, 8, 9 (фиг.4) (торцевые электроды). Верхние и нижние массивные торцевые части торцевых электродов соединены между собой соответственно частями разрушаемого трубчатого элемента 10, 11, 12 (фиг.3), которые также отделены друг от друга изоляцией 6 и представляют собой разрушаемую часть токовода 2. Верхняя и нижняя массивные части сегментов токовода крепятся в корпусе
1 токопроводящими шпильками соответственно 13, 14, 15 (фиг.2), и 16, 17, 18 (фиг.4). Внутри разрушаемого трубчатого элемента, облегченной части токовода, расположен заряд взрывчатого вещества 19 с электропроводами 20, соединенный с системой управления (на Фиг.1 не показана). По торцам токовода 2 установлены герметичные затворы, укрепленные шпильками 21 (снизу) и состоящие из эластичной прокладки 22 и прочного диска 23. Нижние массивные торцевые части выполнены с пазами 24, которые упираются в замыкатель, состоящий из металлической трубки 25, которая выполняет роль трубчатого металлического электрода, закрепленного с помощью выступа 26 и гайки 27 и отделенного от массивных торцевых частей 7, 8, 9 (фиг.4) изоляцией 28. Заряд 19 выполняется удлиненным и размещенным не только внутри разрушаемого трубчатого элемента 10, 11, 12 (фиг.3), но и в трубчатом металлическом электроде 25, и закрепленным в нем пробкой 29, причем электрод 25 имеет контактное соединение 30 для крепления силового проводника 31.
Трехфазный взрывной коммутатор срабатывает по сигналу системы управления, соединенной с датчиком или датчиками аварийного состояния. Датчики аварийного состояния могут быть установлены непосредственно в силовую цепь, например, совместно с шунтом, либо около силового шинопровода, используя электромагнитную связь и т.п.
Трехфазный взрывной коммутатор работает следующим образом: В исходном состоянии он включен в рассечку трехфазной цепи через шпильки 13, 14, 15 и 16, 17, 18, в нем находится заряд взрывчатого вещества 19, соединенный с системой управления, и на нее подано напряжение.
В случае возникновения аварийной ситуации срабатывает система управления трехфазного взрывного коммутатора по сигналу датчика аварийного состояния. Система управления запускается и формирует инициирующий импульс для подрыва заряда взрывчатого вещества 19.
Взрыв заряда 19 создает в трубчатом разрушаемом тоководе, состоящем из облегченных сегментов 10, 11, 12 (фиг.3), разделенных изоляцией, высокое давление, под действием которого происходит электрическое разъединение их с верхними массивными частями 3, 4, 5 (фиг.2) с нижними соответственно 7, 8, 9 (фиг.4). Возникающая при этом электрическая дуга отключения гаснет под действием высокого давления от взрыва. Одновременно с этим от взрыва того же заряда 19, расположенного также в трубчатом металлическом электроде 25 замыкателя, происходит его деформация, в результате которой диаметр трубчатого металлического электрода увеличивается при этом разрушается изоляция 28, части которой размещаются в пазах 24 фиг.1, а увеличенный в диаметре трубчатый металлический электрод 25 соединяется механически и электрически со всеми нижними массивными сегментами 7, 8, 9 (фиг.4), и через силовой проводник 31 с землей. Таким образом, происходит разъединение всех трех фаз электрической цепи, отключение тока и закорачивание всех трех жил отключенной сети на землю. Аварийный режим ликвидируется без выделения реактивной энергии в месте аварии, и следовательно без воспламенения взрывоопасной атмосферы. Аналогичным образом система работает при защите человека от поражения электрическим током и в других подобных случаях.