Швидкодіючий короткозамикач

Изобретение относится к низковольтным аппаратам защиты, предназначенным преимущественно для тиристорних преобразователей станочных электроприводов. В данных преобразователях применяются силосые полупроводниковые приборы (оптронные модули, транзисторы) со сравнительно низкой перегрузочной способностью, что не позволяет выполнить их защиту от токов короткого замыкания быстродействующими выключателями без применения токоограничивающих реакторов, имеющих повышенные габариты, массу и потери энергии. Снижение этих величин и даже полное устранение реакторов может быть достигнуто путем совместного использования для защиты выключателя и быстродействующего короткозамыкателя [1]. Известны различные исполнения короткозамыкателей: 1) на базе тиристорних ключей [2]. 2) на базе индукционно-динамического привода [3.1], 3) на базе электродинамического привода с использованием взаимодействия токоведущих шин [4]. Недостатки первого исполнения повышенные габариты и стоимость, обусловленные необходимостью выбора тиристоров по максимальным напряжением и токам глухого короткого замыкания. Недостатки второго и третьего исполнений сложная конструкция и схема, необходимость применения постоянно заряженных импульсных конденсаторов, имеющих повышенные габариты и стоимость. Недостатки третьего варианта - сниженное быстродействие вследствие сравнительно малых значений сил между шинами, вибрации контактов при срабатывании вследствие подпружиненного состояния контактов, перемыкающих фазы, жесткая связь этих контактов, что завышает общую массу и, следовательно, уменьшает быстродействие при наиболее частых двухфазных коротких замыканиях. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является токовый расцепитель [5], широко применяющийся в большинстве автоматических выключателей переменного и постоянного тока, содержащий Побразный неподвижный шихтованный магнитопровод, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы, подвижный шихтованный якорь, укрепленный с возможностью вращения на неподвижной оси, расположенной на втором полюсе, регулируемую пружину, предназначенную для поворота якоря до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем, рычаг, укрепленный на якоре с возможностью воздействия через промежуточный механизм на силовые контакты выключателя, вызывай их размыкание или замыкание (в зависимости от исполнения). Существенным недостатком данного устройства является низкое быстродействие из-за повышенного времени замыкания контактов, обусловленного дополнительным временем срабатывания механизма свободного расцепления, имеющего в составе последовательность кинематических связей рычагов, имеющих определенную массу и перемещающихся под действием пружин с ограниченной величиной сил. Так, например, время срабатывания механизма свободного расцепления выключателей А 3700 составляет 8 10мс, что не позволяет обеспечить защиту силовых полупроводниковых приборов типа МТОТО и др., так как по данным их перегрузочной способности необходимо прекратить протекание через них тока короткого замыкания через время не более 1 - 3мс (Могилевский Г.В. Перспективы развития коммутационных аппаратов для защиты полупроводниковых приборов // Электротехника. 1991. - №10). Кроме того, недостатком этого устройства являются повышенные габариты магнитопровода, обусловленные необходимостью увеличения его сечения, чтобы устранить насыщение от магнитных потоков рассеяния между полюсами Побразного магнитопровода. Это также обуславливает увеличение массы якоря и, следовательно, времени срабатывания. В основу изобретения поставлена задача создания быстродействующего короткозамыкателя, в котором благодаря применению усовершенствованного электромагнитного привода обеспечивается уменьшение времени замыкания контактов и за счет этого обеспечивается повышение быстродействия и надежности защиты силовых полупроводниковых приборов в аварийных режимах, а также снижение габаритов устройства. Поставленная задача в быстродействующем короткозамыкателе, содержащем в каждой фазе П-образный неподвижный шихтованный магнитопровод, на первом полюсе которого расположена токовая катушка, включенная последовательно в цепь фазы, подвижный шихтованный якорь, укрепленный с возможностью вращения на неподвижной оси, расположенной на втором полюсе, регулируемую пружину, предназначенную для поворота якоря до упора в сторону увеличения воздушного зазора между первым полюсом и якорем, на котором жестко укреплен проводящий рычаг с подвижным контактом, неподвижный контакт, согласно изобретению, устройство снабжено изоляционной колодкой, на которой установлен неподвижный контакт, колодка жестко укреплена на магнитопроводе, рычаг через гибкое соединение связан с выводом катушки, предназначенным для подключения к цепи нагрузки, неподвижные контакты трех фаз соединены между собой проводами, воздушный зазор между якорем и первым полюсом превышает зазор между подвижным и неподвижным контактами. Возможны варианты выполнения быстродействующего короткозамыкателя. Один из вариантов: катушка намотана проводящей сплошной лентой с изоляционной лентой между слоями. Другой вариант - неподвижные контакты трех фаз также соединены землей или нулевым проводом. Кроме того, возможно исполнение, когда магнитопроводы с катушками, якорями и контактами установлены только в двух фазах, а их неподвижные контакты присоединены к цепи третьей фазы. Именно совокупность указанных существенных признаков изобретения обеспечивает: - повышенное быстродействие за счет непосредственного замыкания контактов при протекании аварийного тока без дополнительных промежуточных механизмов; закорачивание цепи нагрузки (полупроводникового преобразователя) при превышении тока уставки короткозамыкателя (существенно, что не обязательно всех трех фаз, так как это повышает нагрузку на источник питания, а избирательно, т.е. при двухфазных коротких замыканиях срабатывают только два полюса короткозамыкателя), что повышает надежность работы устройства, - надежное замыкание контактов без вибраций и возможности сваривания, а также уменьшение нагрузки на источник питания за счет включения катушки каждого полюса между источником питания и контактами (сопротивление катушки участвует в ограничении тока короткого замыкания). В случае, когда катушка каждого полюса намотана проводящей сплошной лентой с изоляционной лентой между слоями, за Счет возникновения в части лент между полюсами вихревых токов с направлением общих ампервитков встречно ампервиткам катушки (т.е. ленты выполняют функции экрана) обеспечивается снижение магнитных потоков рассеивания между полюсами, что уменьшает магнитную индукцию в магнитопроводе и позволяет уменьшить его сечение без увеличения магнитной напряженности в нем, что ведет к уменьшению габаритов устройства. Соединение неподвижных контактов трех фаз также с землей или с нулевым проводом обеспечивает при необходимости защиту от однофазных коротких замыканий. В случае, когда магнитопроводы с катушками, якорями и контактами установлены только в двух фазах, а их неподвижные контакты присоединены к цепи третьей фазы, обеспечивается снижение габаритов короткозамыкателя на 30% при использовании его для защиты преобразователей с малой вероятностью однофазных коротких замыканий, На фиг.1 показана схема короткозамыкателя; на фиг.2 и 3 - две проекции конструкции в отключенном состоянии, причем на фиг.3 разрез на полюсе между зажимами 3 и 6. Короткозамыкатель содержит: вводные зажимы 1, 2, 3 (со стороны питающей сети); выводные зажимы 4, 5, 6 (для подключения преобразователя); токовые катушки 7, 8, 9, подвижные контакты 10, 11, 12; неподвижные контакты 13, 14, 15; П-образный шихтованный магнитопровод 16; подвижный шихтованный якорь 17; ось вращения якоря 18; пружину 19, винт 20 регулирования силы натяжения пружины; рычаг 21, выводы 22 и 23 катушки 9, шину 24, связывающую неподвижные контакты 13, 14, 15, упор 25, изоляционную колодку 26, гибкое соединение 27, шину 28, связывающую вывод катушки и гибкие соединения с выводным зажимом, корпус 29. На фиг.1 также показаны: 30 - автоматический выключатель, 31 - преобразователь. Все три полюса короткозамыкателя имеют одинаковую конструкцию. На основании корпуса 29 жестко закреплен магнитопровод 16, на котором расположены токовая катушка 9, намотанная медной лентой с изолирующей межслоевой лентой, якорь 17, изоляционная колодка 26, На якоре 17 жестко установлен проводящий рычаг 21, на котором приварен подвижный контакт 12. Якорь 17 расположен на оси 18, закрепленной на боковых пластинах магнитопровода 16. Якорь 17 оттягивается до упора 25 пружиной 19, сила натяжения которой регулируется винтом 20, проходящим через отверстие в колодке 26. На колодке 26 жестко укреплена часть шины 24 с приваренным неподвижным контактом 15, Внутренний вывод катушки 23 соединен с шиной 28, подключенной к выводному зажиму 6. Рычаг 21 и, соответственно; подвижный контакт 12 подключены через гибкое соединение 27 и шине 28 и далее к выводному зажиму 6. На фиг.2 и 3 не показаны винты крепления узлов и деталей между собой. В обесточенном состоянии якорь 17 прижат пружиной 19 к упору 25 и контакты 12 и 15 разомкнуты. В номинальном режиме при включенных выключателе 30 и преобразователе токи проходят по крышкам 7, 8 и 9, но момент от силы притяжения якорей (17 и др.) к полюсам магнитопровода (16 и др.) меньше момента от силы пружин (19 и др.), которые отрегулированы на притяжения якорей только при максимальном допустимом токе перегрузки, равным току уставки обычно выбираемым в пределах 2 - 6 от номинального тока преобразователя. Защита от токов перегрузки обычно выполняется выключателем или преобразователем. При возникновении аварийного режима в преобразователе 31 и росте тока короткого замыкания выше тока уставки якорь 17 начинает двигаться и через время, определяемое силой, действующей на якорь и воздушным зазором между контактами, происходит их замыкание. При двухфазном коротком замыкании происходит почти одновременное замыкание контактов в двух полюсах, что приводит к закорачиванию входных зажимов преобразователя и прекращению прохождения тока короткого замыкания в преобразователе. После этого в преобразователе проходит лишь неопасный ток, определяемый соотношением сопротивлений преобразователя и цепи закорачивания: контакты 12 и 15, гибкие соединения 27, шина 28. При трехфазном коротком замыкании все три пары контактов в полюсах включаются с различным временем в зависимости от скоростей роста токов короткого замыкания. При необходимости защиты от однофазных замыканий шина 24 может быть соединена с землей или нулевым проводам, как показано пунктиром на фиг.1. Поскольку силы притяжения якоря 17 к полюсу магнитопровода 16 обратно пропорциональна квадрату воздушного зазора между якорем и полюсом, то при замыкании контактов на них действует повышенная сила, препятствующая их вибрация и свариванию. Ток короткого замыкания, ограниченный только сопротивлениями цепи источников питания и катушек, отключается автоматически выключателем 30, после чего якорь возвращается в начальное положение и контакты короткозамыкателя размыкаются. Поскольку электрический износ контактов практически отсутствует и имеет место лишь небольшой механический износ при их соударении, но при редких аварийных режимах (практически не более 100 за весь срок службы), то остаточный воздушный зазор в электромагните при замыкании контактов выбирается достаточно малым (порядка 0,5мм). Это обеспечивает повышенный коэффициент возврата электромагнитной системы и вследствие этого отсутствие размыкания контактов и образований на них дуги при снижении тока под действием выключателя. Для обеспечения номинального времени замыкания контактов зазор между ними выбирается по условию обеспечения электрической прочности двух последовательно включенных зазоров. Практически размеры магнитопровода и якоря и число витков катушки выбираются по условию минимума времени замыкания при заданных: скорости роста и максимальной величине тока короткого замыкания, мощности потерь в катушке и габаритах. Как показал анализ при указанных ограничениях наиболее оптимальным является электромагнитный привод по сравнению с индукционно-динамическим и электродинамическим приводами. Данные испытаний опытных образцов короткозамыкателя на и показали, что при амплитудах токов короткого замыкания в пределах 4 ¸ 10кА время замыкания контактов находится в пределах (1,16 ¸ 0,88)мс, что обеспечивает надежную защиту оптронных модулей МТОТО при существенно сниженных габаритах токоограничивающих реакторов. Как известно из анализа электромагнитных приводов с поворотным якорем быстродействие их повышается при уменьшении длины якоря поскольку при заданной магнитной индукции электромагнитный момент пропорционален а момент инерции якоря пропорционален Поэтому целесообразно при постоянном сечении катушки, определяемом заданной мощностью рассеивания, уменьшать ширину и увеличивать высоту катушки. Однако при этом вследствие повышения магнитных потоков рассеивания и насыщения основания магнитопровода при нарастающем токе быстродействие не повышается вследствие уменьшения электромагнитной силы. Поэтому необходимо увеличивать сечение магнитопровода и, соответственно, габариты короткозамыкателя. В существующих электромагнитах токовые катушки выполняются либо круглым проводом, либо шинами, намотанными на ребро. В предлагаемой конструкции катушка выполняется из медной ленты. Поэтому увеличению потоков рассеивания препятствуют вихревые токи, наводимые в лентах. Экспериментальные данные показывают, что магнитные потоки в основании полюса и вблизи воздушного зазора практически равны. Поэтому нет необходимости увеличивать сечение магнитопровода. Для защиты преобразователей с малой вероятностью однофазных коротких замыканий возможна установка магнитопроводов с катушками, якорями и контактами только в двух фазах, а их неподвижные контакты соединяются с третьей фазой. Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый короткозамыкатель имеет повышенные быстродействие, надежность и меньшие габариты.