Устройство защиты от импульсных перенапряжений

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электроэнергетики и электротехники и может быть использована для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от импульсных перенапряжений большой энергии, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок в эксплуатационных и аварийных режимах и от атмосферных перенапряжений. Предложено устройство, осуществляющее защиту потребителей электроэнергии постоянного тока от коммутационных и атмосферных перенапряжений большой энергии. В устройстве защиты потребителей постоянного тока от импульсных перенапряжений, состоящем из параллельно включенных варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью дополнительно введены последовательно соединенные диод и второй варистор, причем диод включен встречно по отношению к напряжению питания, а последовательно соединенные диод и второй варистор включены параллельно симметричному защитному диоду. 1 п.ф., 2 ил.

Известно устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений [А.Ф.Дьяков, Б.К.Максимов, Р.К.Борисов, И.П.Кужекин, А.В.Жуков. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. - М.: Энергоатомиздат, 2003., с.241, табл. 6.2], содержащее последовательно включенные резистор и диод. Принцип действия устройства заключается в том, что для индуктированного напряжения, вызванного коммутацией защищаемой нагрузки, диод включен в прямом направлении. Поэтому ток в отключаемой цепи затухает с постоянной времени:

где L - индуктивность отключаемой цепи;

R - активное сопротивление отключаемой цепи.

Недостатком этого устройства является то, что оно практически неприменимо для мощных силовых цепей постоянного тока, т.к. время запирания диода должно быть меньше 100 не, иначе вибрационные процессы на контактах коммутационных аппаратов могут разрушить диод. Кроме того, это устройство не защищает от внешних, по отношению к защищаемой нагрузке, перенапряжений.

Известно устройство защиты от импульсных перенапряжений [Шваб А. Электромагнитная совместимость. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.172,

рис. 4.236], состоящее из последовательно включенных диода Зенера (стабилитрона) и малоемкостного диода. Данная схема применяется в высокочастотных цепях. Сущность защиты заключается в ограничении импульсов перенапряжений стабилитроном. Малоемкостный диод необходим для уменьшения емкости устройства защиты.

Недостатком этого устройства является то, что оно не может быть применено в мощных силовых цепях постоянного тока, т.к. стабилитроны имеют ограниченную энергоемкость, кроме того, устройство не ограничивает импульсы положительной полярности.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) [Э.Хабигер. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.136, рис. 5.31] является устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из параллельно включенных варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью.

Принцип защиты заключается в том, что импульс перенапряжения ограничивается ступенчато. При появлении на входе устройства импульса первым начинает работать симметричный защитный диод - ограничитель, имеющий наибольшее быстродействие, меньшие напряжение ограничения и энергоемкость по сравнению с варистором, что приводит к изменению тока в индуктивности. Под воздействием суммы падений напряжения на индуктивности и симметричном защитном диоде срабатывает варистор - ограничитель, имеющий более высокое напряжение ограничения, более высокую энергоемкость и меньшее быстродействие по сравнению с симметричным защитным диодом.

Недостатком этого устройства является то, что оно не всегда обеспечивает достаточный уровень ограничения импульсных перенапряжений. Это объясняется тем, что напряжение ограничения современных нелинейных ограничителей перенапряжений не может быть ниже 1,5-кратного длительно допустимого напряжения. Длительно допустимое напряжение ограничителей перенапряжений в устройстве ступенчатой защиты должно быть выше наибольшего

рабочего напряжения защищаемой цепи. Следует отметить, что надежность устройства относительно невысока, т.к. применяемые в данном устройстве ограничители постоянно находятся под напряжением сети и по этой причине имеют ограниченный срок службы.

Задачей полезной модели является защита потребителей электроэнергии постоянного тока от импульсных перенапряжений. Техническим результатом изобретения является понижение уровня ограничения перенапряжений отрицательной полярности.

Поставленная задача решается с помощью предложенного устройства защиты от импульсных перенапряжений, состоящего из параллельно включенных варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью, и последовательно соединенных диода и второго варистора, причем диод включен встречно по отношению к напряжению питания, а последовательно соединенные диод и второй варистор включены параллельно симметричному защитному диоду.

На фиг.1 приведена схема устройства защиты от импульсных перенапряжений. Устройство содержит варистор 1 (VI) включенный параллельно симметричному защитному диоду 2 (VD1) и параллельно последовательно соединенным второму варистору 3 (V2) и диоду 4 (VD2). Варистор 1 и симметричный защитный диод 2 разделены индуктивностью 5 (L1). Диод 4 включен так, чтобы через второй варистор 3 не протекал ток в установившемся режиме. Защищаемая нагрузка 6 (Zн) включена параллельно выходу устройства.

На фиг.2 приведена схема включения предложенных устройств защиты. Электроприемники 1...n представленные на схеме сопротивлениями Zн₁...Zнn, питаются через коммутационные аппараты Q₁...Q_n от источника G₁. Устройства защиты УЗ₁...УЗ_n включены перед соответствующими электроприемниками. Коммутационный аппарат Q₀ является головным и может отключить все электроприемники Zн₁...Zн_n.

В соответствии с предложенной схемой устройство работает следующим образом. В установившемся режиме работы (при отсутствии импульсов перенапряжения, постоянных значениях напряжения питания U_ПИТ и тока нагрузки 6), благодаря обратно включенному диоду 4, через второй варистор 3 не протекает ток. Напряжение ограничения и энергоемкость варистора 1 выбираются выше напряжения ограничения и энергоемкости симметричного защитного диода 2. Второй варистор 3 может иметь максимальное длительно допустимое напряжение меньшее, чем напряжение сети, так как в нормальном режиме практически все рабочее напряжение сети приложено к диоду 4. Варистор 1 включен на питающее напряжение, поэтому напряжение на выходе устройства равно напряжению сети.

Известно, что при отключении постоянного тока коммутационными аппаратами импульс перенапряжения в соответствии с законом электромагнитной индукции со стороны отключаемой нагрузки будет иметь отрицательную полярность. Для устройства защиты Y3₁ - это, например, случай отключения коммутационным аппаратом Q₁ нагрузки Zн₁. Диод 4 откроется при импульсе отрицательной полярности, и поэтому напряжение импульса будет ограничиваться варистором 3. Так как длительно допустимое напряжение второго варистора 3 при этом может быть выбрано ниже напряжения питания, напряжение ограничения варистора 3 будет значительно ниже напряжения ограничения варистора 1, длительно допустимое напряжение которого должно быть не меньше максимально возможного питающего напряжения. Соответствующим выбором длительно допустимого напряжения второго варистора 3 можно обеспечить напряжение ограничения импульсов коммутационных перенапряжений ниже напряжения питания. Другим характерным случаем появления импульса коммутационного перенапряжения отрицательной полярности на входе устройства защиты УЗ₁...УЗ_n будет отключение головного коммутационного аппарата Q₀.

По окончании импульса коммутационного перенапряжения отрицательной полярности диод 4 закроется, и устройство переходит в описанное выше установившееся состояние.

Импульсы коммутационных перенапряжений положительной полярности возникают со стороны источников питания по отношению к коммутационному аппарату. Для устройства защиты УЗ₁ - это случаи отключения нагрузки любым из коммутационных аппаратов Q₂ ...Q_n При поступлении на вход устройства импульсов коммутационных или атмосферных перенапряжений, имеющих положительную полярность, первым начнет работать наиболее быстродействующий элемент - симметричный защитный диод 2. Варистор 1 включится в работу тогда, когда сумма падений напряжений на индуктивности 5 и симметричном защитном диоде 2 достигнет напряжения ограничения указанного варистора 1. Диод 4 будет закрыт, поэтому напряжение на нагрузке будет ограничено до значения напряжения ограничения симметричного защитного диода 2. Как правило, индуктивности цепи со стороны источников питания значительно меньше индуктивности отключаемых потребителей электроэнергии. Поэтому коммутационные перенапряжения положительной полярности в сетях постоянного тока по сравнению с коммутационными перенапряжениями отрицательной полярности имеют меньшую энергию и их ограничение до уровня порядка 1,5 от номинального напряжения допустимо. Это объясняется тем, что стойкость потребителей электроэнергии к перенапряжениям определяется не только амплитудой, но и длительностью импульса, которая практически пропорциональна энергии импульса. Следовательно, если устройство предназначено только для защиты от импульсных коммутационных перенапряжений, варистор 1 может быть выбран с энергоемкостью в несколько раз меньшей, чем у второго варистора 3.

Ограничение грозовых импульсов отрицательной полярности, воздействующих на вход устройства, осуществляется вторым варистором 3, имеющим более низкое напряжение ограничения по сравнению с симметричным защитным диодом 2.

Таким образом, предложенное устройство обладает следующей совокупностью достоинств, которую не имеет ни одно из известных технических решений:

- ограничение до уровня ниже напряжения сети импульсов атмосферных и коммутационных перенапряжений отрицательной полярности;

- ограничение до приемлемого уровня защиты (порядка 1,5 напряжения питания) менее опасных импульсов перенапряжений положительной полярности;

- высокая аппаратная надежность, обусловленная простотой исполнения, а также тем, что варистор 1 и симметричный защитный диод 2, имеющие напряжение ограничения U_ОГР>U_ПИТ достаточно надежно длительно работают при нормальном напряжении питания, а по второму варистору 3, имеющему U_ОГР<U_ПИТ, ток при нормальном напряжении питания практически не проходит.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из параллельно включенных варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью и отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные диод и второй варистор, причем диод включен встречно по отношению к напряжению питания, а последовательно соединенные диод и второй варистор включены параллельно симметричному защитному диоду.