Устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений

Полезная модель относится к области электроэнергетики и электротехники и может быть использована для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от импульсных коммутационных перенапряжений большой энергии, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок в эксплуатационных и аварийных режимах. Предложено устройство, осуществляющее защиту потребителей электроэнергии от коммутационных перенапряжений большой энергии. В устройстве защиты потребителей от импульсных коммутационных перенапряжений, состоящем из варистора дополнительно введены бесконтактный ключ и система управления по напряжению бесконтактным ключом, причем бесконтактный ключ и варистор соединены последовательно друг другу.

Полезная модель относится к области электроэнергетики и электротехники и может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного и переменного токов от импульсных коммутационных перенапряжений большой энергии, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок в эксплуатационных и аварийных режимах.

Известно устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений [Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979, с.287. рис.4.20], обеспечивающее ограничение импульсных коммутационных перенапряжений и основанное на промежуточном преобразовании постоянного напряжения в импульсное напряжение прямоугольной формы с последующим его сглаживанием. Принцип действия устройства заключается в периодической коммутации цепи питания нагрузки бесконтактным ключом (транзистором) и сглаживании импульсного напряжения с помощью низкочастотного Г-образного фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, причем, коэффициент заполнения сигнала управления бесконтактного ключа изменяют таким образом, чтобы обеспечить заданное значение напряжения на нагрузке.

Недостатками этого устройства являются:

- низкий коэффициент полезного действия устройства, обусловленный влиянием динамических потерь мощности в элементах силовой цепи (бесконтактный ключ, демпферный диод, дроссель, сглаживающий конденсатор) из-за непрерывной работы в режиме широтно-импульсной модуляции;

- сложность системы управления, обеспечивающей высокочастотную коммутацию бесконтактного ключа;

- значительные массогабаритные показатели устройств, вызванные значениями емкости и индуктивности Г-образного фильтра.

- невозможность его применения для потребителей электроэнергии переменного тока.

Известно устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений [Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.128, рис.5.21], основанное на применении разрядников, заполненных инертным газом. Принцип действия устройства заключается в разряде между электродами разрядника при возникновении импульса перенапряжения, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков.

Недостатками этого устройства являются:

- зависимость напряжения пробоя разрядника от скорости изменения приложенного импульса перенапряжения;

- невозможность применения разрядников в низкоомных цепях, обусловленная высоким сопровождающим током через разрядник, термически разрушающим его;

- ограниченный срок службы разрядников.

Наиболее близким к заявленному устройству (прототипом) является устройство [Шваб А. Электромагнитная совместимость. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.с.165, рис.4.18], обеспечивающее ограничение импульсных перенапряжений за счет применения варистора постоянно включенного под напряжение сети. Принцип действия устройства заключается в ограничении импульса перенапряжения при его превышении значения остаточного напряжения варистора, определяемого из вольт-амперной характеристики варистора.

Недостатками этого устройства являются:

- не всегда достаточный уровень ограничения импульсных перенапряжений, так как остаточное напряжение варисторов, постоянно включенных под напряжение сети, не может быть ниже их 1,5-кратного длительно допустимого напряжения, которое в свою очередь должно быть выше наибольшего рабочего напряжения защищаемой цепи;

- относительно невысокая надежность устройства, так как применяемые в устройстве варисторы постоянно находятся под напряжением сети и по этой причине имеют ограниченный срок службы.

Задачей полезной модели является защита потребителей электроэнергии постоянного и переменного токов от импульсных коммутационных перенапряжений. Техническим результатом полезной модели является понижение уровня ограничения перенапряжений и повышение надежности устройств, осуществляющих ограничение импульсных перенапряжений.

Поставленная задача решается с помощью предложенного устройства защиты от импульсных коммутационных перенапряжений, состоящего из последовательно соединенных варистора и бесконтактного ключа и системы управления по напряжению бесконтактным ключом

На фиг. приведена схема устройства защиты от импульсных коммутационных перенапряжений. Устройство содержит бесконтактный ключ 1 (К), включенный последовательно с варистором 2 (V) и систему управления по напряжению бесконтактным ключом 3 (СУ). Устройство подключено параллельно защищаемой нагрузке 4 (Zн).

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 4) бесконтактный ключ 1 разомкнут и варистор 2 не подключен под напряжение сети. Варистор 2 может иметь максимальное длительно допустимое напряжение меньшее, чем напряжение сети, так как в нормальном режиме к нему не прикладывается напряжение сети.

При поступлении на вход устройства импульса перенапряжения система управления по напряжению бесконтактным ключом 3 подает сигнал на замыкание бесконтактного ключа 1, что обеспечит ограничение импульса варистором 2. Уставка напряжения, при которой система управления по напряжению бесконтактным ключом 3 подает сигнал на замыкание бесконтактного ключа, должна быть выше наибольшего допустимого рабочего напряжения сети. Соответствующим выбором длительно допустимого напряжения варистора 2 можно обеспечить напряжение ограничения импульсов коммутационных перенапряжений близкое к напряжению питания.

По окончании импульса перенапряжения система управления по напряжению бесконтактным ключом 3 подает сигнал на размыкание бесконтактного ключа 1. Схема переходит в описанное выше установившееся состояние с постоянными значениями напряжения питания U_пит и тока нагрузки 4. Размыкание бесконтактным ключом 1 тока варистора 2 не создаст перенапряжений, так как по окончанию импульса перенапряжения через варистор 2 будет течь ток порядка нескольких десятков миллиампер.

Таким образом, предложенное устройство осуществляет ограничение импульсов перенапряжения, возникающих в питающей сети, до значений близких к напряжению сети. Благодаря тому, что в установившемся режиме варистор 2 не включен под напряжение сети, он не подвергается старению, что повышает надежность предложенного устройства.

В качестве бесконтактного ключа 1 в данных устройствах защиты от импульсных коммутационных перенапряжений, предлагается использовать современные IGBT-транзисторы, позволяющие коммутировать напряжение до 4500 В, токи до 1800 А и имеющие прямое падение напряжение 1...1,5 В и время коммутации не более 200 нc. Система управления 3 представляет собой полупроводниковое реле максимального напряжения.

Устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений, состоящее из варистора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены бесконтактный ключ и система управления по напряжению бесконтактным ключом, причем бесконтактный ключ и варистор соединены последовательно друг с другом.