УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Разработчик (Авторы)	Качесов В.Е., Лебедев И.А.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2478216
Дата регистрации	10.08.2011
Правообладатель	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения скорости нарастания (К) и снижения (К_сн) электрической прочности вакуумных выключателей (ВВ), которые определяют вероятности возникновения повторных зажиганий (ПЗ) в межконтактном промежутке выключателя и опасных для изоляции перенапряжений при отключении и включении индуктивной нагрузки - трансформаторов и вращающихся электрических машин.

Известно устройство для определения характеристик ВВ [Y.Matsui, T.Yokoyama, E.Umeya. Reignition current interruption characteristics of the vacuum interrupter. - IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.3, No.4, October 1988], состоящее из конденсаторных батарей для накопления заряда, разрядного контура, включающего три индуктивности и одну емкость, измерительного шунта, делителя напряжения, испытуемого и испытательного выключателей, зарядного устройства. Инициирование повторных зажиганий в устройстве происходит при отключении испытуемым выключателем тока 50 или 100 Гц, протекающего от накопительного конденсатора через разрядную схему, причем в момент повторного зажигания формируется высокочастотный ток, протекающий через выключатель за счет наличия в разрядной схеме высокочастотного колебательного контура.

Недостатками этого технического решения являются большие габариты установки, значительная емкость используемой конденсаторной батареи для накопления электрической энергии, сложность синхронизации начала отключения испытуемого выключателя после включения вспомогательного выключателя из-за низкой частоты колебаний основной частоты, а также отсутствие возможности определения скорости снижения (К_сн) электрической прочности межконтактного промежутка испытуемого ВВ при включении нагрузки, высокие требования к точности работы устройств управления и синхронизации выключателями, невысокая вероятность возникновения повторных зажиганий.

Известно также устройство для определения характеристик ВВ [Roguski A.T. Experimental investigation of the dielectric recovery strength between the separating contacts of vacuum circuit breakers. - IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.4, No. 2, April 1989], состоящее из зарядного устройства, накопителя энергии (конденсаторной батареи), испытуемого выключателя, схемы управления выключателем, делителей напряжения, измерительного шунта. В этом устройстве для определения характеристик ВВ скорость восстановления электрической прочности ВВ измеряется путем измерения напряжения и времени повторных зажиганий, возникающих при отключении ВВ от конденсаторной батареи.

Недостатками этого устройства являются высокие требования к работе устройств управления и синхронизации выключателя, большие габариты установки из-за большой емкости конденсаторных батарей, низкая вероятность возникновения ПЗ, отсутствие высокочастотных свободных колебаний в отключаемом токе выключателя, которые типичны для многих схем электропитания, когда нагрузка подключается через питающую кабельную/воздушную линию, отсутствие возможности измерения скорости снижения электрической прочности выключателя при включении нагрузки.

Наиболее близким техническим решением является устройство для определения характеристик ВВ [Y.H.Fu, R.P.P.Smeets. An experimental investigation on high-frequency vacuum arc interruption at small gap length. - IEEE Transactions on Plasma Science, Vol.19, No. 5, October 1991] (прототип), состоящее из батареи конденсаторов большой емкости, вспомогательного выключателя, включенного между батареей конденсаторов и двухчастотным разрядным контуром, испытуемого выключателя, включенного в цепь генерирования высокой частоты двухчастотного разрядного контура, измерительного шунта. Прототип позволяет осуществлять измерение скорости восстановления электрической прочности вакуумного выключателя и максимальную скорость изменения обрываемого тока di/dt при отключении ВВ.

Недостатками этого устройства являются большие габариты устройства из-за применения батареи конденсаторов большой емкости для формирования основной частоты свободных колебаний f₀=50 Гц, высокие требования к точности синхронизации работы вспомогательного и испытуемого выключателей, недостаточно широкие функциональные возможности, а именно отсутствие возможности определения скорости снижения (К_сн) электрической прочности испытуемого ВВ при его включении из-за особенностей подключения испытуемого выключателя, низкая вероятность возникновения повторных зажиганий из-за основной частоты свободных колебаний тока, равной f₀=50 Гц. Для инициирования повторных зажиганий в вакуумной дугогасительной камере промежуток времени между моментом размыкания контактов до момента первичного обрыва тока (t₀) должен быть минимальным (десятые доли миллисекунды). Оценка максимального времени t₀ (без учета того факта, что повторное зажигание межконтактного промежутка происходит не на максимуме колебаний межконтактного напряжения, а несколько раньше [Качесов В.Е. Оценка вероятности эскалации перенапряжений при отключении заторможенных электродвигателей. - Электротехника, №4, 2006]) выполняется по выражению:

t_0,max=2U^* ₀/K-T_НЧ/2,

где U^* ₀ - напряжение на батарее конденсаторов в момент первичного прерывания тока,

Т_НЧ - период свободных низкочастотных колебаний после размыкания контактов испытуемого выключателя.

Для предполагаемого диапазона К=20…60 кВ/мс, U^* ₀=10 кВ и T_НЧ=0,2…0,5 мкс (f_НЧ=2…5 кГц) t₀,_max=0,75 мс. Поэтому длительность протекания тока в испытуемом выключателе (после включения вспомогательного выключателя) должна находиться в диапазоне

t_протек=n·T₀/2-t₀,_max…n·Т₀/2,

где T₀=1/f₀,

n - количество полупериодов колебаний Т₀/2.

В связи с отмеченным при отключении тока частотой 50 Гц (T₀=20 мс) требуется сложная система управления с высокими требованиями к точности задержки между срабатыванием испытуемого и вспомогательного выключателей. Ввиду технической сложности создания устройств управления и точной синхронизации выключателями, имеющими разбросы собственных времен включения/отключения, вероятность повторных зажиганий (Р_пз) при отключении ВВ низка. Ее оценка составляет

Задача изобретения - снижение габаритов устройства для определения характеристик ВВ, повышение вероятности возникновения повторных зажиганий при работе установки, снижение требований к точности синхронизации работы вспомогательного и испытуемого выключателей, расширение функциональных возможностей установки для определения характеристик вакуумных выключателей, а именно обеспечение измерения скорости снижения электрической прочности.

Задача изобретения достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем зарядное устройство, батарею конденсаторов, вспомогательный и испытуемый выключатель, разрядный контур, измерительный шунт, делитель напряжения, причем зарядное устройство соединено последовательно с батареей конденсаторов, вспомогательный и испытуемый выключатели включены последовательно между батареей конденсаторов и разрядным контуром, батарея конденсаторов заземлена через измерительный шунт, делитель напряжения включен на входе разрядного контура, причем разрядный контур выполнен двухчастотным, состоящим из двух катушек индуктивностей и одного конденсатора, основная частота свободных колебаний в котором после включения вспомогательного выключателя на порядок превышает промышленную частоту, а после отключения испытуемого выключателя низкочастотные колебания в разрядном контуре составляют 2…5 кГц, устройства управления испытуемым и вспомогательным выключателем подключены к блоку синхронизации.

На фиг.1 показана электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - напряжение на контакте испытуемого выключателя при его включении; на фиг.3 - напряжение на контакте испытуемого выключателя при его отключении; на фиг.4 - осциллограмма тока в испытуемом выключателе.

Устройство для определения характеристик вакуумных выключателей (фиг.1) состоит из зарядного устройства 1, разрядного контура 2, емкостного накопителя энергии 3 (батарея конденсаторов C_БК), обладающего малой собственной индуктивностью, последовательно включенных испытуемого выключателя 4 (В_и) и вспомогательного выключателя 5 (B₁), устройств управления 6 и 7 (УУ₁ и УУ_И) вспомогательным выключателем 5 и испытуемым выключателем 4, блока синхронизации 8 (БС), делителя напряжения 9 (ДН) и измерительного шунта 10 (R_Ш), включенного последовательно с батареей конденсаторов 3 (С_БК).

В состав зарядного устройства 1 (ЗУ) входит источник напряжения 11, повышающий регулируемый трансформатор 12 (Т), выпрямительное устройство 13 (D), соединяющее через защитный резистор 14 повышающий трансформатор 12 и батарею конденсаторов 3 (С_БК).

В разрядный контур 2 входят элементы L (15), С (16), L₁ (17). Параметры параллельной цепи 16-15 (C-L) рассчитывают так, чтобы после размыкания контактов испытуемого выключателя 4 (В_и) свободные колебания напряжения на выводе катушки 15 (L) имели частоту f_НЧ=2…5 кГц. Значение индуктивности 17 (L₁) разрядного контура определяют из условия существования свободных высокочастотных (ВЧ) колебаний тока с частотой - f_ВЧ=(2π(L₁С)⁰⁵)^-1=100…500 кГц после повторных зажиганий в межконтактном промежутке испытуемого выключателя 4 (В_И).

Значение индуктивности 15 (L) определяется из условия:

I_макс.L>>I₀,

где I₀ - максимальное значение тока среза испытуемого ВВ.

Значение I₀ может быть принято равным 5 А,

. Для обеспечения высокой вероятности повторных зажиганий емкость конденсаторной батареи 3 (С_БК) определяют из условия формирования основной частоты свободных колебаний, возникающих после включения вспомогательного выключателя 5 (B₁), в 10 раз превышающей промышленную С_БК=1/((50·10)²·4π²L). При этом одновременно обеспечивается условие для поддержания многократных зажиганий в межконтактном промежутке выключателя благодаря условию С_БК>>С.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при определении закона и скорости восстановления электрической прочности К и максимальной скорости изменения отключаемого тока di/dt контакты вакуумного выключателя 4 (В_И) находятся в замкнутом состоянии. При включении источника напряжения 11 батарея конденсаторов 3 (С_БК) заряжается через сопротивление 14 (R3) и выпрямитель 13 (D) от трансформатора 12 (Т) до испытательного напряжения U₀.

При поступлении сигнала выполнения коммутации на блок синхронизации 8 (БС) происходит формирование команд включения вспомогательного выключателя 5 (B₁) и отключения испытуемого выключателя 4 (В_И) с временной задержкой t_зд. Время задержки t_зд программируется в блоке синхронизации 8, исходя из выражения t_зд=t_вклВ1-t_отклВи+t_протек, где t_вклВ1 - время включения вспомогательного выключателя 5 (B₁), t_отклВи - время отключения испытуемого выключателя (В_И), t_протек - требуемое время протекания тока частотой f₀ по разрядной цепи. Команды от блока синхронизации 8 поступают на устройства управления 6 и 7 (УУ₁ и УУ_и) с учетом t_зд, после этого включается вспомогательный выключатель 5 (B₁), a через время t_протек отключается испытуемый выключатель 4 (В_и). Отключение испытуемого выключателя 4 (В_И) сопровождается наличием многочисленных повторных зажиганий, позволяющее определить скорость восстановления электрической прочности и максимальную скорость отключения тока di/dt.

При этом высшая частота свободных колебаний тока в двухчастотном контуре при повторных зажиганиях дуги составляет 100…500 кГц, варьирование которой позволяет определять максимальную отключаемую скорость di/dt.

Использование основной частоты свободных колебаний f₀≅500 Гц позволяет применять батарею конденсаторов 3 (С_БК) небольшой емкости и катушку индуктивности 15 (L) малой индуктивности, что приводит к существенному снижению габаритов устройства для определения характеристик вакуумных выключателей. Благодаря снижению времени горения дуги с момента размыкания контактов испытуемого выключателя 4 (В_и) до первичного прерывания тока (t₀), которое ограничивается полупериодом основной свободной частоты (T₀/2), существенно (в соответствии с (1) - приблизительно в 10 раз) повышается вероятность возникновения повторных зажиганий и сокращается требуемое время получения необходимых измерительных данных.

Прерывание испытуемым выключателем 4 тока повышенной частоты (~500 Гц) не изменяет механизма возникновения повторных зажиганий (эскалации напряжения), поскольку выключатель 4 (В_и) способен обрывать токи несоизмеримо более высоких частот (сотни кГц). Поэтому измерительные данные, полученные с применением предлагаемого устройства, будут соответствовать данным, полученным при отключении тока промышленной частоты.

При определении закона и скорости снижения (К_СН) электрической прочности в исходном состоянии выключатель 5 (B₁) находится в замкнутом состоянии, батарея конденсаторов 3 (С_БК) заряжена от зарядного устройства 1 (ЗУ) до испытательного напряжения U₀. При поступлении команды на устройство управления 4 происходит включение выключателя 4 (В_и). Сближение контактов в вакуумной камере приводит к пробою межконтактного промежутка и формированию в контуре 3-15-16 (С_БК-L₁-С) высокочастотного колебания тока, который обрывается при прохождении им нулевого значения. Заряд, оставшийся на обкладках конденсатора 15 (С) после прерывания высокочастотного тока, в колебательном процессе стекает через индуктивность 15 (L), и снижает напряжение со стороны одного из контактов выключателя, увеличивая восстанавливающееся напряжение на сокращающемся межконтактном промежутке, которое при достижении электрической прочности вызывает повторный пробой и зажигание дуги. Таким образом, включение выключателя 4 (В_и) в схеме, приведенной на фиг.1, сопровождается многочисленными предпробоями, позволяющими определять закон и скорость снижения электрической прочности испытуемого выключателя.

На фиг.2 показана осциллограмма напряжения на катушке 17 (L₁). По осциллограмме напряжения, с помощью аппроксимации напряжений предпробоев, применяя, например, метод Лагранжа [Хемминг Р.Х. Численные методы. 2-е изд. - М: Наука, 1972], определяется средняя скорость снижения электрической прочности межконтактного промежутка (на фиг.2 - К_СН=60 кВ/мс).

На фиг.3 приведены осциллограммы напряжения (u) на катушке 17 (L₁) и тока (i) в испытуемом выключателе (конденсаторе 3 (С_БК)). Выполняя аппроксимацию напряжений повторных зажиганий по измерительной осциллограмме, определяется средняя скорость нарастания электрической прочности межконтактного промежутка испытуемого выключателя (на фиг.3 - К=45 кВ/мс). По осциллограмме тока (фиг.4) определена скорость его изменения (di/dt) перед прерыванием. Она составила 100 А/мкс.

Таким образом, снижены габариты устройства для определения характеристик вакуумных выключателей за счет использования двухчастотного колебательного контура, с повышенной основной частотой колебаний и за счет использования меньшей емкости батареи конденсаторов и индуктивности катушки индуктивности, расширены функциональные возможности установки для определения характеристик вакуумных выключателей, а именно обеспечено измерение скорости снижения электрической прочности за счет последовательного включения испытуемого выключателя с батареей конденсаторов и разрядным контуром, повышена вероятность возникновения повторных зажиганий и снижены требования к синхронизации работы вспомогательного и испытуемого выключателей за счет применения повышенной основной частоты свободных колебаний f₀.

Формула изобретения

Устройство для определения характеристик вакуумных выключателей, содержащее зарядное устройство, батарею конденсаторов, вспомогательный и испытуемый выключатель, разрядный контур, измерительный шунт, делитель напряжения, отличающееся тем, что зарядное устройство соединено последовательно с батареей конденсаторов, разрядный контур выполнен двухчастотным, состоящим из двух катушек индуктивностей и одного конденсатора, причем одна из катушек индуктивностей включена последовательно с соединенными параллельно второй катушкой индуктивности и конденсатором, общий провод которых заземлен, вспомогательный и испытуемый выключатели включены последовательно между батареей конденсаторов и разрядным контуром, батарея конденсаторов заземлена через измерительный шунт, делитель напряжения подключен ко входу разрядного контура, разрядный контур выполнен двухчастотным, основная частота свободных колебаний протекающего тока в котором после включения вспомогательного выключателя на порядок превышает промышленную частоту, которая формируется за счет батареи конденсаторов и катушки индуктивности, подключенной параллельно конденсатору в разрядном контуре, а после отключения испытуемого выключателя низкочастотные колебания в разрядном контуре составляют 2…5 кГц, которые формируются за счет колебаний между конденсатором и индуктивностью в разрядном контуре, подключенные параллельно друг другу, устройства управления испытуемым и вспомогательным выключателем подключены к блоку синхронизации.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ" (Качесов В.Е., Лебедев И.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога