РАЗМЫКАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ЗАЩИТНЫЙ УЗЕЛ С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
ROCKING DEVICE FOR ELECTRIC CIRCUIT AND PROTECTIVE UNIT WITH SUCH DEVICE

Настоящее изобретение относится к размыкающему устройству, предназначенному для защиты от аномальных повышений силы тока и, в частности, от короткого замыкания устройства для защиты электрической установки от грозового разряда.
Известно использование имеющихся в продаже плавких предохранителей или стандартных автоматических выключателей для защиты от короткого замыкания устройств для защиты электрических установок, таких как грозозащитные разрядники. Однако эти плавкие предохранители или автоматические выключатели непригодны для защиты грозозащитных разрядников. Они не предназначены специально для противостояния ударным электрическим нагрузкам и для размыкания электрической цепи в достаточно короткое время для эффективной защиты грозозащитного разрядника. В результате в грозозащитном разряднике требуются внутренние соединения повышенных размеров, чтобы компенсировать недостаточную реакцию размыкающего устройства, что повышает стоимость устройств и затраты времени на изготовление.
Задачей настоящего изобретения является решение всех или части указанных проблем.
Настоящее изобретение относится к размыкающему устройству, предназначенному для встраивания в электрическую цепь, содержащую устройство для защиты электрической установки от грозового разряда, причем размыкающее устройство установлено последовательно по отношению к устройству для защиты электрической установки и содержит:
- первый проводящий якорь, электрически соединенный с первым контактным выводом для соединения с электрической цепью, и второй проводящий якорь, электрически соединенный со вторым контактным выводом для соединения с электрической цепью;
- по меньшей мере один плавкий элемент, расположенный между первой проводящим якорем и вторым проводящим якорем и электрически соединенный с первым проводящим якорем и вторым проводящим якорем, причем, по меньшей мере один плавкий элемент выполнен с возможностью плавления по истечении порогового периода времени в случае прохождения по нему тока пороговой силы;
- устройство для увеличения максимального напряжения дуги между первым проводящим якорем и вторым проводящим якорем при расплавлении по меньшей мере одного плавкого элемента.
Благодаря признакам согласно изобретению данное размыкающее устройство подходит, в частности, для защиты электрических установок от грозового разряда. Комбинация устройства для увеличения максимального напряжения дуги и плавкого элемента позволяет одновременно улучшать способность прерывать ток короткого замыкания и ускорять реагирование в случае короткого замыкания грозозащитного разрядника.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения размыкающее устройство присоединено к электрической установке, защищаемой от грозового разряда.
Согласно одному из аспектов размыкающего устройства в соответствии с изобретением, по меньшей мере один плавкий элемент выполнен с возможностью плавления по истечении порогового периода времени в случае прохождения по нему силы тока, способной повредить устройство для защиты электрической установки.
Согласно одному из аспектов размыкающего устройства в соответствии с изобретением, по меньшей мере один плавкий элемент выполнен с возможностью плавления, когда по нему проходит ток пороговой силы тока в течение периода времени, способного вызвать повреждение устройства для защиты электрической установки.
Согласно одному из аспектов размыкающего устройства в соответствии с изобретением пороговый период времени меньше секунды и больше нескольких микросекунд.
Согласно одному из аспектов изобретения пороговый период времени имеет порядок нескольких десятков миллисекунд.
Согласно одному из аспектов изобретения пороговый период времени составляет от пятидесяти миллисекунд до двухсот миллисекунд.
Согласно одному из аспектов изобретения пороговый период времени имеет порядок ста двадцати миллисекунд.
Согласно одному из аспектов изобретения образующий плавкий элемент материал характеризуется электрическим удельным сопротивлением от тридцати до трехсот микроом на миллиметр.
Согласно одному из аспектов изобретения образующий плавкий элемент материал характеризуется электрическим удельным сопротивлением от пятидесяти до ста пятидесяти микроом на миллиметр.
Согласно одному из аспектов изобретения образующий плавкий элемент материал характеризуется электрическим удельным сопротивлением порядка ста микроом на миллиметр.
Согласно одному из аспектов изобретения сечение плавкого элемента составляет от одного до трех квадратных миллиметров.
-5
Согласно одному из аспектов изобретения плавкий элемент изготовлен из латуни. Латунь имеет электрическое удельное сопротивление 3,91⋅10 Ом/мм.
Согласно одному из аспектов изобретения сечение плавкого элемента из латуни составляет один квадратный миллиметр.
-4
Согласно одному из аспектов изобретения плавкий элемент изготовлен из мягкой стали. Мягкая сталь имеет электрическое удельное сопротивление 1,1⋅10 Ом/мм.
2
Согласно одному из аспектов изобретения сечение плавкого элемента из мягкой стали составляет 1,5 мм.
Согласно опциональным признакам размыкающего устройства в соответствии с изобретением:
- устройство для увеличения максимального напряжения дуги содержит множество деионизационных пластин, обращенных к зазору, образованному между первым проводящим якорем и вторым проводящим якорем;
- геометрия первого и второго проводящих якорей допускает смещение дуги к деионизационным пластинам;
- при приближении к деионизационным пластинам длина электрической дуги увеличивается. При этом максимальное напряжение дуги между первым и вторым проводящими якорями повышается, и образовавшаяся электрическая дуга гасится;
- электрическая дуга может также расширяться до тех пор, пока не достигнет деионизационных пластин, при этом электрическая дуга может разбиваться на несколько малых дуг, образующихся, каждая, между двумя последовательными деионизационными пластинами. При этом максимальное напряжение дуги между первым и вторым проводящими якорями эквивалентно сумме максимальных напряжений образовавшихся малых дуг;
- деионизационные пластины являются проводящими;
- деионизационные пластины ограничивают между собой пространство, открытое к зазору между первым проводящим якорем и вторым проводящим якорем;
- первый проводящий якорь проходит между первым соединительным участком с первым контактным выводом к электрической цепи и первым концевым участком.
- второй проводящий якорь проходит между вторым соединительным участком со вторым контактным выводом к электрической цепи и вторым концевым участком.
- плавкий элемент расположен между первым и вторым проводящими якорями на первом концевом участке и втором концевом участке.
- согласно первому возможному варианту, устройство для увеличения максимального напряжения дуги содержит по меньшей мере один дополнительный проводящий якорь, электрически соединенный с первым проводящим якорем посредством первого плавкого элемента и со вторым проводящим якорем посредством второго плавкого элемента;
- согласно второму возможному варианту устройство для увеличения максимального напряжения дуги содержит по меньшей мере два дополнительных проводящих якоря, электрически соединенные друг с другом посредством плавкого элемента. Несколько плавких элементов установлены последовательно. Когда плавкие элементы плавятся, максимальное напряжение дуги между основными проводящими якорями эквивалентно сумме максимальных напряжений дуг между проводящими якорями;
- дополнительные проводящие якоря, по существу, параллельны друг другу.
Настоящее изобретение относится также к узлу, содержащему:
- устройство для защиты электрической установки от грозового разряда;
- размыкающее устройство в соответствии с любым из вышеуказанных признаков, установленный последовательно по отношению к защитному устройству.
Согласно опциональным признакам узла в соответствии с изобретением:
- размыкающее устройство выполнено съемным с электрической цепи, так что легко выполняется замена и техническое обслуживание размыкающего устройства;
- контактные выводы для соединения с электрической цепью образованы штырями, что позволяет легко устанавливать размыкающее устройство и извлекать его из электрической цепи.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут ясны из последующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
- фиг. 1 изображает размыкающее устройство согласно первому варианту осуществления изобретения,
- фиг. 2 изображает размыкающее устройство согласно второму варианту осуществления изобретения,
- фиг. 3 изображает размыкающее устройство согласно третьему варианту осуществления.
На всех чертежах одинаковые или подобные элементы и узлы обозначены одними и теми же номерами позиций.
Размыкающее устройство 1 показано на фиг. 1. Оно содержит первый контактный вывод 3 и второй контактный вывод 5 для соединения с электрической цепью. Электрическая цепь содержит устройство для защиты электрической установки от грозового разряда, здесь - грозозащитный разрядник. Размыкающее устройство 1 предназначено для последовательного соединения с грозозащитным разрядником для его защиты от короткого замыкания. Для этого размыкающее устройство 1 в электрической цепи расположено по току перед грозозащитным разрядником. Электрическая цепь содержит также электрическую установку, присоединенную к размыкающему устройству 1 и грозозащитному разряднику. Грозозащитный разрядник предназначен для защиты электрической установки от броска напряжения, вызванного грозовым разрядом.
Размыкающее устройство 1 содержит два основных проводящих якоря: первый проводящий якорь 7, электрически соединенный с первым контактным выводом 3, и второй проводящий якорь 9, электрически соединенный со вторым контактным выводом 5. Плавкий элемент 11 электрически соединен с одной стороны с первым проводящим якорем 7 и с другой стороны - со вторым проводящим якорем 9.
Плавкий элемент 11 способен плавиться, когда сила тока, проходящего через размыкающее устройство 1, достигает пороговой величины в течение порогового периода времени.
Пороговым периодом времени является период времени, по истечении которого повреждается защитное устройство электрической установки. Пороговый период времени меньше секунды и больше нескольких десятков миллисекунд, предпочтительно, он имеет порядок нескольких десятков миллисекунд. В качестве примера пороговый период времени может иметь порядок ста двадцати миллисекунд.
Плавкий элемент 11 способен выдерживать перенапряжение от грозового разряда. Фактически, такое перенапряжение действует только в течение периода времени, который меньше порогового периода, необходимого для разрушения плавкого элемента 11. Перенапряжение создается на несколько десятков микросекунд, например, на период времени в пятьдесят микросекунд.
Когда грозозащитный разрядник закорачивается, и плавкий элемент 11 плавится, проводящие якоря 7, 9 уже не соединены электрически и определяют между собой зазор 13.
Устройство для увеличения максимального напряжения дуги между проводящими якорями 7, 9 здесь является устройством 15 управления дугой и обращено к зазору 13. Устройство 15 управления дугой образовано множеством деионизационных пластин 17. Деионизационные пластины 17 ограничивают между собой пространства 19, открытые к зазору 13. Деионизационные пластины 17, по существу, параллельны друг другу.
В случае короткого замыкания в грозозащитном разряднике через размыкающее устройство 1 проходит ток, сила которого выше пороговой силы тока. Плавкий элемент разрушается, и между проводящими якорями 7, 9, разделенными только зазором 13, устанавливается разность потенциалов. Начиная от пороговой разности потенциалов, называемой максимальным напряжением дуги, между проводящими якорями 7, 9 возникает электрическая дуга. Возникновение электрической дуги позволяет току продолжить прохождение по электрической цепи, дойти до грозозащитного разрядника и разрушить его.
Устройство 15 управления дугой позволяет погасить электрическую дугу путем повышения максимального напряжения дуги между проводящими якорями 7, 9. Фактически, деионизационные пластины 17 обеспечивают удлинение электрической дуги притягивая ее к себе. Когда электрическая дуга доходит до них, она разделяется на несколько участков, причем каждый из участков возникает между двумя последовательными деионизационными пластинами 17. При этом максимальное напряжение дуги между проводящими якорями 7, 9 повышается, и электрическая дуга гасится.
Плавкий элемент 11 имеет следующую формулу повышения температуры:
где
Δθ - повышение температуры; ρ - электрическое удельное сопротивление материала; I - сила тока; t - продолжительность; s - сечение; ω - массовая плотность материала и С - теплоемкость материала.
Предпочтительно, материал плавкого элемента характеризуется электрическим удельным сопротивлением от тридцати до трехсот микроом на миллиметр и, предпочтительно, порядка ста микроом на миллиметр, как, например, сталь.
Предпочтительно, сечение плавкого элемента 11 составляет от одного до трех квадратных миллиметров.
-5
-6
3
2
2
Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения плавкий элемент 11 изготовлен из латуни, имеющей электрическое удельное сопротивление 3,91⋅10 Ом/мм, удельную теплоемкость 376 Дж/(кг⋅°K), массовую плотность 8,5⋅10 кг/мм, температуру плавления 1300°C и модуль упругости 200 Н/мм. Для теплового сопротивления грозовому разряду, то есть повышению температуры примерно до 200°C для волны 8/20 и под током примерно 40 кА плавкий элемент 11 должен иметь сечение 1 мм. Время плавления такого плавкого элемента 11 под током 1000 А составляет 0,12 с. Механическое сопротивление на растяжение такого плавкого элемента 11 составляет 200 Н.
-4
-6
3
2
2
Согласно другому примерному варианту осуществления изобретения плавкий элемент 11 изготовлен из мягкой стали, имеющей электрическое удельное сопротивление 1,1⋅10 Ом/мм, удельную теплоемкость 480 Дж/(кг⋅°K), массовую плотность 7,8⋅10 кг/мм, температуру плавления 1300°C и модуль упругости 240 Н/мм. Для теплового сопротивления грозовому разряду, то есть повышению температуры примерно до 200°C для волны 8/20 и под током примерно 40 кА плавкий элемент 11 должен иметь сечение 1,5 мм. Время плавления такого плавкого элемента 11 под током 1000 А составляет 0,12 с. Механическое сопротивление на растяжение такого плавкого элемента 11 составляет 360 Н.
Использование материала более низкого электрического удельного сопротивления, например, меди, означало бы меньшее сечение плавкого элемента 11, а следовательно и более низкую механическую прочность.
Использование материала с более высоким электрическим удельным сопротивлением, например, нержавеющей стали, означало бы большее сечение плавкого элемента 11, а следовательно значительный объем плавкого материала, способного засорять внутренние части размыкающего устройства.
Использование таких материалов как латунь и мягкая сталь позволяет получать значительную механическую прочность при ограничении сечения и следовательно ограниченный объем плавкого материала.
Согласно второму варианту осуществления, показанному на фиг. 2, размыкающее устройство 1 расположено в съемном картридже. Контактные выводы 7, 9 образованы штырями 3, 5, что позволяет легко устанавливать картридж в электрической цепи и снимать его в случае замены или технического обслуживания размыкающего устройства 1.
Согласно одному из аспектов изобретения в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления деионизационные пластины 17 расположены по звездообразной схеме. В такой конфигурации пространство между двумя последовательными деионизационными пластинами 17 уменьшается в направлении к плавкому элементу 11.
Согласно третьему варианту осуществления, представленному на фиг. 3, устройство 15 для увеличения максимального напряжения дуги образовано множеством дополнительных проводящих якорей, расположенных между проводящими якорями 7, 9. Здесь показаны четыре, по существу, параллельных проводящих якоря 31, 33, 35, 37. Дополнительные проводящие якоря 31, 33, 35, 37 расположены между проводящими якорями 7, 9. Плавкий элемент 39 электрически соединяет проводящий якорь 7 с дополнительным проводящим якорем 31; плавкий элемент 41 электрически соединяет дополнительный проводящий якорь 31 с дополнительным проводящим якорем 33; плавкий элемент 42 электрически соединяет дополнительный проводящий якорь 33 с дополнительным проводящим якорем 35; плавкий элемент 45 электрически соединяет дополнительный проводящий якорь 35 с дополнительным проводящим якорем 37; плавкий элемент 47 электрически соединяет дополнительный проводящий якорь 37 с проводящим якорем 9. Во время короткого замыкания грозозащитного разрядника плавкие элементы 39, 41, 43, 45, 47 плавятся и разрушаются. Проводящие якоря 7, 9 и дополнительные проводящие якоря 31, 33, 35, 37 разделены проходами 49. Максимальное напряжение дуги между проводящими якорями 7 и 9 эквивалентно сумме максимальных напряжений дуги между двумя проводящими якорями 7, 9 и/или дополнительными проводящими якорями 31, 33, 35, 37. Таким образом, введение дополнительных проводящих якорей 31, 33, 35, 37 позволяет повысить максимальное напряжение дуги между проводящими якорями 7 и 9.
Использованные в этом варианте осуществления плавкие элементы имеют те же свойства, что в первом варианте осуществления.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство 15 для увеличения максимального напряжения дуги включает в себя около двенадцати дополнительных проводящих якорей, расположенных, по существу, параллельно между проводящими якорями 7 и 9.
Решение в соответствии с изобретением позволяет использовать имеющиеся в продаже стандартные плавкие элементы или прерыватели. Так например, цилиндрический плавкий элемент 125 A gG марки 22*58 пригоден для использования в размыкающем устройстве согласно изобретению.
Очевидно, что изобретение не ограничивается описанными и показанными примерами выполнения, которые приведены для целей иллюстрации и не носят ограничительного характера.