автоматический выключатель и устройство защиты электрических коммуникаций

Формула изобретения

1. Автоматический выключатель, содержащий контактную систему и измерительный орган с пороговым элементом, выход которого подключен к исполнительному элементу - независимому электромагнитному расщепителю, - отличающийся тем, что измерительный орган выполнен в виде датчика температуры, время действия которого соизмеримо со временем срабатывания токовой защиты от короткого замыкания, и установлен на токопроводящей жиле отходящего фидера, при этом температура уставки ₁ порогового элемента выбрана из условия непревышения предельно допустимого значения температуры токопроводящей жилы при кратковременном воздействии токов короткого замыкания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен датчик температуры наружного слоя изоляции проводника отходящего фидера с пороговым и исполнительным элементами, формирующими сигнал на отключение выключателя при превышении температуры уставки ₂ порогового элемента, при этом ₂<₁.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что пороговый и исполнительный элементы датчика температуры выполнены в виде механически связанного с датчиком электрического переключателя, например микропереключателя, а в качестве датчика температуры выбран элемент из легкоплавкого материала.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что исполнительный элемент датчика температуры дополнительно соединен с соответствующей токопроводящей жилой контролируемого отходящего фидера.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры с пороговым элементом выполнен в виде делителя напряжения с терморезистором, например позистором в одном из плеч, причем один из выводов терморезистора соединен с контролируемой токопроводящей жилой.

6. Устройство по любому из пп.1, 3, 4, 5, отличающееся тем, что датчик температуры токопроводящей жилы отходящего фидера установлен в месте подключения к соответствующему выключателю, например в дополнительном кабельном наконечнике.

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что в него дополнительно введен датчик тока отходящего фидера с пороговым и исполнительным элементами.

8. Устройство защиты электрических коммуникаций, преимущественно устройство резервирования в случае отказа выключателя, содержащее вводной и отходящие выключатели секции, измерительные органы, установленные на отходящих фидерах, с пороговыми и исполнительными элементами, выходы которых подключены к отходящим выключателям, и реле времени, отличающееся тем, что в качестве измерительного органа выбран датчик температуры токопроводящих жил с пороговым и исполнительным элементами, формирующими сигнал на отключение выключателей при превышении температуры уставки, время действия датчика соизмеримо со временем срабатывания токовой защиты от короткого замыкания, один из выходов исполнительного элемента датчика соединен с соответствующим выключателем отходящего фидера, а второй выход через реле времени подключен к вводному выключателю, при этом температура уставки ₁ выбрана из условия непревышения предельно допустимых значений температуры токопроводящих жил при кратковременном воздействии токов короткого замыкания.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчики температуры наружных слоев изоляции проводников отходящих фидеров с пороговыми и исполнительными элементами, формирующими сигнал на отключение выключателя при превышении температуры уставки ₂ пороговых элементов, при этом ₂<₁.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что пороговый и исполнительный элементы датчика температуры выполнены в виде механически связанного с датчиком электрического переключателя, например микропереключателя, а в качестве датчика температуры выбран элемент из легкоплавкого материала.

11. Устройство по любому из пп.8, 9, 10, отличающееся тем, что исполнительный элемент датчика температуры дополнительно соединен с соответствующей токопроводящей жилой контролируемого отходящего фидера.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что датчик температуры с пороговым элементом выполнен в виде делителя напряжения с терморезистором, например позистором в одном из плеч, причем один из выводов терморезистора соединен с контролируемой токопроводящей жилой.

13. Устройство по любому из пп.8, 10, 11, 12, отличающееся тем, что датчик температуры токопроводящей жилы отходящего фидера установлен в месте подключения к соответствующему выключателю, например в дополнительном кабельном наконечнике.

14. Устройство по любому из пп.8, 9, 10, 11, 12, 13, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчики тока отходящих фидеров с пороговыми и исполнительными элементами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области релейной защиты электрооборудования и может использоваться для защиты электрических коммуникаций при перегрузе и коротких замыканиях на электроустановках потребителей.

Статистика показывает, что при автоматическом отключении повреждений отмечаются случаи отказа в действии релейной защиты или выключателей, приводящие к серьезным авариям, связанным с длительным прохождением токов короткого замыкания, снижением напряжения в сети и, как следствие, нарушением электроснабжения потребителей.

Традиционно для выявления аварийных режимов электроустановок контролируются основные параметры электрической энергии: ток, напряжение, мощность, частота переменного тока, гармонический состав и т.д. Однако контроль указанных параметров не всегда гарантирует надежную защиту распределительной сети, в частности силовых кабелей, и основной массы потребителей. Наиболее опасным видом повреждений являются короткие замыкания. Значительное сокращение срока службы и выход из строя электрооборудования происходит также и при перегрузах недопустимой продолжительности.

Известен автоматический выключатель для защиты электрооборудования (см. кн.: "Электротехнический справочник". Т.2. Электротехнические изделия и устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с. 567-571), содержащий контактную и исполнительную систему с измерительным органом, фиксирующим количество тепла, выделяемого на известном сопротивлении при протекании тока присоединения, например, с использованием биметаллической пластины, нагреваемой теплом специального нагревателя, встроенного в автоматический выключатель. При нагревании биметаллическая пластина, изгибаясь, механически выбивает защелку расцепителя выключателя. Это устройство, достаточно простое по конструкции, нашло широкое применение в энергетике, но имеет следующие недостатки:

- требуются индивидуальный расчет, выбор и настройка измерительного органа под характеристики каждого присоединения;

- такая защита не может быть быстродействующей, как, например, токовая защита на электромеханических реле, и применяется в настоящее время как защита присоединения от перегруза.

Известны различные устройства защиты электрооборудования от перегруза и коротких замыканий электрокоммуникаций при повреждении электрооборудования отходящего фидера с отказом в отключении его выключателя: устройства максимальной токовой защиты, устройства максимальной токовой защиты с вольтметровыми блокировками, дистанционные защиты.

Известно специальное устройство дальнего резервирования [см. Пат. Германии 19741662, МПК Н 02 Н 3/027, 3/26, публ. 12.3.98], содержащее вводной выключатель секции, узел двухступенчатой токовой защиты и устройство блокировки при самозапуске электродвигателей секции. Это устройство обеспечивает отключение секции не только при ее повреждении, но и при коротком замыкании на отходящих фидерах, осуществляя так называемое дальнее резервирование. Однако увеличение чувствительности защиты вводного выключателя секции не позволяет полностью решить проблему дальнего резервирования во всем возможном диапазоне токов короткого замыкания и, тем более, при перегрузе отходящих фидеров секции, так как эти токи могут быть меньше номинального тока вводного выключателя.

Известен автоматический выключатель для защиты электрооборудования от коротких замыканий и перегруза, выбранный нами в качестве прототипа, (см. кн.: А.В. Беляева. "Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ". - Л.: Энергоатомиздат, 1988 г. , с.54-69), содержащий контактную систему и измерительный орган с пороговым элементом, выход которого подключен к независимому электромагнитному расцепителю. Измерительный орган автоматического выключателя фиксирует электрические параметры присоединения (ток, напряжение), логически обрабатывает их с учетом длительности воздействия и при достижении расчетной уставки формирует сигнал на отключение выключателя присоединения через независимый расцепитель. Это устройство недостаточно надежно из-за сложности в реализации, имеет невысокую помехоустойчивость и требует значительных материальных затрат, особенно при его комплектации полупроводниковой защитой. Все это затрудняет широкое использование данного устройства для защиты электрических коммуникаций.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству защиты электрических коммуникаций является устройство резервирования при отказе выключателей - УРОВ [см. кн.: Н.В. Чернобровова и В.А. Семенова. "Релейная защита энергетических систем". - М.: Энергоатомиздат, 1998 г., с.773-775], содержащее вводной и отходящие выключатели секции, измерительные органы, установленные на отходящих фидерах, с пороговыми и исполнительными элементами, выходы которых подключены к отходящим выключателям и через реле времени - к вводному выключателю. Принцип действия УРОВ основан на отключении вводного выключателя с задержкой, большей времени отключения выключателя отходящего фидера секции, в случае работы защиты и наличия тока короткого замыкания в этом фидере. Схема УРОВ достаточно сложная и применяется, как правило, в установках высокого напряжения.

Однако и это устройство имеет недостатки. Так, в случае отказа в работе собственной защиты фидера происходит отказ в работе УРОВ. В установках низкого напряжения (6 кВ и ниже), где особенно велика вероятность повреждений и отказов выключателей и защиты, эти устройства из-за их сложности и, как следствие, недостаточной надежности и помехоустойчивости не нашли широкого применения. Кроме того, и сама защита выключателя не охватывает все возможные аварийные режимы присоединения, в частности режим перегруза, "дальние" короткие замыкания и т.д.

Технический эффект предложенной группы изобретений "Автоматический выключатель и устройство защиты электрических коммуникаций" заключается в повышении надежности и помехоустойчивости путем упрощения конструкции, в частности путем резервирования отказа не только выключателя отходящего фидера, но и его защит во всем диапазоне токов короткого замыкания - токов большой кратности, которые могут привести к ускоренному старению и повреждению электрических коммуникаций, а также в удешевлении при реализации, что особенно важно для электрических сетей низкого напряжения, значительно преобладающих по объему среди всех электрических коммуникаций.

Для достижения вышеназванного эффекта нами созданы:

- автоматический выключатель, содержащий контактную систему и измерительный орган с пороговым элементом, выход которого подключен к исполнительному элементу - независимому электромагнитному расцепителю. Новым в устройстве является то, что измерительный орган выполнен в виде датчика температуры, время действия которого соизмеримо со временем срабатывания токовой защиты от короткого замыкания, и установлен на токопроводящей жиле отходящего фидера, при этом температура уставки ₁ порогового элемента выбрана из условия непревышения предельно допустимого значения температуры токопроводящей жилы при кратковременном воздействии токов короткого замыкания (см. п. 1 Формулы);

- устройство защиты электрических коммуникаций, преимущественно устройство резервирования в случае отказа выключателя, содержащее вводной и отходящие выключатели секции, измерительные органы, установленные на отходящих фидерах, с пороговыми и исполнительными элементами, выходы которых подключены к отходящим выключателям, и реле времени.

Новым в устройстве является то, что в качестве измерительного органа выбран датчик температуры токопроводящих жил с пороговым и исполнительным элементами, формирующими сигнал на отключение выключателей при превышении температуры уставки, время действия датчика соизмеримо со временем срабатывания токовой защиты от короткого замыкания, один из выходов исполнительного элемента датчика соединен с соответствующим выключателем отходящего фидера, а второй выход через реле времени подключен к вводному выключателю, при этом температура уставки ₁ выбрана из условия непревышения предельно допустимых значений температуры токопроводящих жил при кратковременном воздействии токов короткого замыкания (см. п.8 Формулы). Подходы к расчету предельно допустимых значений температуры токопроводящих жил при кратковременном воздействии токов короткого замыкания известны. Для электрической изоляции датчиков температуры от токопроводящих жил отходящих фидеров могут быть использованы диэлектрические материалы с высокой теплопроводностью, например нитрид алюминия. Подходы к конструктивным решениям по изоляции известны.

Предложенная группа изобретений связана единым изобретательским замыслом.

Аварийные режимы в энергосетях характерны, прежде всего, увеличением тока. Для предотвращения аварий большое значение имеет не только быстродействие защиты, но и ее селективность, обеспечивающая надежное отключение аварийного участка во всем диапазоне токов короткого замыкания и перегруза недопустимой продолжительности (токов большой и малой кратности). Однако токовая защита, характеризуемая высоким быстродействием, не всегда обеспечивает надежную селективную защиту присоединения, о чем свидетельствуют и многочисленные статистические данные об авариях в электросетях.

Многочисленные экспериментальные результаты, полученные при эксплуатации электрических сетей низкого напряжения, а также путем моделирования различных аварийных режимов показали, что вопреки устоявшемуся мнению в области релейной защиты кроме основанной на контроле тока и времени его протекания защиты есть другой параметр, при контроле которого можно достаточно просто решить обе эти задачи, т.е. обеспечить требуемую селективность защиты при сохранении необходимого быстродействия. Таким показателем является конечный (результирующий) параметр, непосредственно характеризующий состояние защищаемой кабельной коммуникации, - температура. В условиях сильных электромагнитных наводок, характерных для силовых цепей с частыми коммутационными переключениями и, как следствие, сложными переходными процессами (бросками тока, напряжения и т.д.), контроль температуры (а не тока) позволит обеспечить и значительно более высокую помехозащищенность устройств защиты электрических коммуникаций.

Если мы в предложенные устройства дополнительно введем датчики температуры наружных слоев изоляции проводников отходящих фидеров с пороговыми и исполнительными элементами, формирующими сигнал на отключение выключателей при превышении температуры уставки ₂ пороговых элементов, при этом ₂<₁, то повысим эффективность защиты, так как она будет работать даже при перегрузе электрических коммуникаций токами малой кратности, вызывающими ускоренное старение изоляции (см. пп.2 и 9 Формулы).

Выполнив пороговый и исполнительный элементы в виде механически связанного с датчиком электрического переключателя, например микропереключателя, а в качестве датчика температуры выбрав элемент из легкоплавкого материала, мы обеспечим при простоте исполнения необходимое быстродействие отключения вводного и отходящего выключателей (см. пп.3 и 10 Формулы). Выбор легкоплавкого материала датчика температуры и его размеры осуществляют на основании тепловых расчетов, подходы к этим решениям известны.

Дополнительно соединив исполнительный элемент датчика температуры с соответствующей токопроводящей жилой контролируемого отходящего фидера, мы обеспечим при простоте исполнения необходимую селективность отключения вводного и отходящего выключателей (см. пп.4 и 11 Формулы).

Если мы выполним датчик температуры с пороговым элементом в виде делителя напряжения с терморезистором, например позистором в одном из плеч, причем один из выводов терморезистора соединим с контролируемой токопроводящей жилой, то обеспечим при простоте исполнения и многоразовости функционирования необходимые селективность и быстродействие отключения вводного и отходящего выключателей (см. пп.5 и 12 Формулы).

Установив датчик температуры токопроводящей жилы отходящего фидера в месте подключения к соответствующему выключателю, например в дополнительном кабельном наконечнике, мы одновременно сможем осуществить контроль температуры силового контактного соединения отходящего фидера с выключателем (см. пп.6 и 13 Формулы).

Если мы в предложенные устройства дополнительно введем датчики тока отходящих фидеров с пороговыми и исполнительными элементами, то обеспечим защиту при коротких замыканиях на выводах выключателей и повысим быстродействие защиты при "дальних" коротких замыканиях (см. пп.7 и 14 Формулы).

Эксперименты, выполненные в лабораторных и производственных условиях, однозначно показывают, что протекание через жилу кабеля импульса тока короткого замыкания амплитудой в несколько кА может привести к нагреву жилы кабеля за доли секунды. Вместе с тем, как следует из выполненных нами в качестве примера расчетов, постоянная времени нагрева пластины из олова толщиной ~ 1 мм составляет ~0,03 с, что позволит в результате ее плавления обеспечить срабатывание порогового устройства датчика температуры с запаздыванием ~ 0,1-0,15 с от момента нагрева жилы кабеля до температуры, равной температуре плавления олова. Таким образом, быстродействие защиты на основе контроля температуры токопроводящих жил сравнимо со временем срабатывания широко распространенной токовой защиты, причем необходимые эффективность и селективность действия обеспечит только защита, основанная на контроле этого обобщенного, фактически определяющего предаварийный режим состояния кабельной коммуникации параметра, а не тока и времени его протекания.

В этой связи использование в автоматических выключателях и в различных устройствах защиты электрических коммуникаций, в частности в качестве устройства резервирования в случае отказа выключателя быстродействующих датчиков, контролирующих температуру находящейся под напряжением жилы кабеля, позволит создать принципиально новый высоконадежный и простой класс аппаратуры защиты кабельных коммуникаций от токов короткого замыкания. Одновременный контроль температуры изоляции (оболочки) кабеля позволит осуществить защиту во всем диапазоне возможных режимов, опасных для электрических коммуникаций, включая не только режим короткого замыкания, но и режим несанкционированного по длительности перегруза.

На фиг. 1 изображен заявленный автоматический выключатель, содержащий контактную систему 1 и измерительный орган 2 с пороговым элементом, выполненный в виде датчика температуры, расположенного на токопроводящей жиле отходящего фидера 3 вблизи от места установки автоматического выключателя присоединения. Выход порогового элемента подключен к исполнительному элементу 4 - независимому электромагнитному расцепителю.

На фиг. 2 показана схема устройства резервирования отказа выключателя. Устройство содержит вводной выключатель 5 секции, выключатели 6 отходящих фидеров 3, датчики 7 тока отходящих фидеров 3 с пороговыми и исполнительными элементами, датчики 2 температуры токопроводящих жил отходящих фидеров 3 с пороговыми и исполнительными элементами и реле 8 времени. Выходы датчиков 7 тока с пороговыми и исполнительными элементами подключены к отходящим выключателям 6. Одни из выходов датчиков 2 температуры с пороговыми и исполнительными элементами соединены с соответствующими выключателями 6 отходящих фидеров 3, а вторые выходы через реле 8 времени подключены к вводному выключателю 5.

На фиг.3 представлен вариант выполнения датчика температуры с пороговым элементом в виде делителя 9 напряжения с позистором 10 в одном из плеч, использованного при создании устройства резервирования отказа выключателя (на примере конкретного исполнения). Один из выводов 11 позистора 10 соединен с контролируемой токопроводящей жилой отходящего фидера 3, а другой 12 подключен к исполнительному элементу (устройству) 4.

Описываем работу устройства резервирования в случае отказа выключателя (п.8 Формулы) с автоматическим выключателем по п.1 Формулы. Устройство работает следующим образом. При нормальном режиме функционирования токовой релейной защиты 7 и выключателей 6 в случае возникновения короткого замыкания на присоединении происходит штатное отключение соответствующего отходящего выключателя 6. В случае отказа основной токовой защиты сигнал на отключение выключателей 6 формируется резервной защитой - датчиками 2 температуры токопроводящих жил отходящих фидеров 3 с пороговым и исполнительным элементами, время действия которых соизмеримо со временем срабатывания токовых защит от короткого замыкания. При этом верхний порог срабатывания резервной защиты (температура уставки ₁) устанавливается ниже предельно допустимых значений температуры токопроводящих жил при кратковременном воздействии токов короткого замыкания. При отказе одного из выключателей 6 быстродействующие датчики 2 температуры токопроводящих жил отходящих фидеров 3 с пороговым и исполнительным элементами, связанными через реле 8 времени с вводным выключателем 5, по истечении определенного промежутка времени формируют сигнал на отключение выключателя 5, через который продолжается питание повреждения. Необходимый для срабатывания защиты временной интервал, достаточный для прекращения короткого замыкания при нормальной работе выключателя 6 и защиты 7 поврежденного присоединения, задается реле 8 времени.

В качестве бесконтактных датчиков температуры могут быть использованы различные тепловые приемники, например:

- радиационные термоэлементы, представляющие собой термопару, один из спаев которой нагревается падающим излучением;

- болометры, основанные на зависимости электрического сопротивления от температуры;

- приемники, основанные на пироэлектрическом эффекте, свойственном сегнетоэлектрикам.

Датчиками, регистрирующими изменения температуры, могут служить оптические волноводы, одновременно выполняя пассивную роль каналов для передачи света, интенсивность которого модулируется датчиком, в котором проявляется термооптический эффект.

Нами подробно рассмотрен пример выполнения заявленного устройства по п.8 и 12 Формулы изобретения, где датчик 2 температуры с пороговым элементом выполнен в виде делителя 9 напряжения с позистором 10 в одном из плеч. Температура уставки ₁, выбранная из условия непревышения предельно допустимых значений температуры токопроводящих жил при кратковременном воздействии токов короткого замыкания, равнялась ~140^oС (паспортная характеристика позистора). Использование делителя 9 напряжения, непосредственно подключенного к контролируемой токопроводящей жиле отходящего фидера 3, находящейся под фазным напряжением относительно "земли", дало возможность исключить диэлектрические изолирующие шайбы между датчиком температуры (позистор 10) и токопроводящей жилой 3 и, таким образом, обеспечить между ними надежный гальванический и тепловой контакт. Когда происходит отказ основной токовой защиты, то протекание через жилу отходящего фидера 3 тока короткого замыкания, многократно (~ на порядок) превышающего по амплитуде номинальный ток, приводит к ее импульсному нагреву. Поскольку позистор 10, выполненный в виде металлизированной с торцов шайбы (в нашем случае диаметром ~3 мм), имеет прямой тепловой контакт с жилой 3, то его сопротивление скачком, за доли секунды увеличивается на несколько порядков (со ~100 Ом при температуре номинального режима до ~ 1 МОм при температуре ~140^oС). Соответственно практически мгновенно изменяется коэффициент деления делителя 9 и формируется электрический сигнал на запуск исполнительного устройства 4, отключающего соответствующий отходящий выключатель 6. Если и в этом случае произойдет отказ одного из выключателей 6, то резервная защита по температуре 2 через временной интервал, заданный реле 8 времени, сформирует сигнал на отключение выключателя 5.

Нами также рассмотрен пример использования заявленного устройства как самостоятельной защиты автоматического выключателя в схемах, где отсутствует вводной выключатель (по пп.1 и 3 Формулы). В качестве датчика 2 температуры токоведущей жилы отходящего от выключателя кабеля 3 использован элемент из легкоплавкого материала - сплава Роуза с температурой плавления 100^oС, а пороговый элемент выполнен в виде электрического микропереключателя, механически связанного с датчиком 2 температуры. Сплав механически закреплен на токоведущей жиле 3 и при его плавлении возвратной пружиной микропереключатель замыкает свой контакт, создавая цепь на отключение контактной системы 1 выключателя через независимый электромагнитный расцепитель 4.

Быстродействие устройства определяется материалом и толщиной сплава. В нашем случае время срабатывания защиты при прохождении тока короткого замыкания через отходящий от выключателя кабель составило ~0,1-0,15 с. Такое время соизмеримо со временем работы быстродействующих электромеханических токовых реле, на которых в настоящий момент выполняется защита от коротких замыканий электрических сетей.

Таким образом, предложенное устройство защиты электрических коммуникаций и его модификации обладают высоким быстродействием. Они предельно просты по конструкции и, следовательно, надежны в эксплуатации, имеют высокую помехоустойчивость и по своим функциональным параметрам могут найти широкое применение в области релейной защиты энергетических сетей.