[go: up one dir, main page]

RU2831140C1 - Hybrid circuit breaker and method of its operation - Google Patents

Hybrid circuit breaker and method of its operation Download PDF

Info

Publication number
RU2831140C1
RU2831140C1 RU2023113309A RU2023113309A RU2831140C1 RU 2831140 C1 RU2831140 C1 RU 2831140C1 RU 2023113309 A RU2023113309 A RU 2023113309A RU 2023113309 A RU2023113309 A RU 2023113309A RU 2831140 C1 RU2831140 C1 RU 2831140C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
circuit
current
switch
mechanical switch
control unit
Prior art date
Application number
RU2023113309A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Васильевич Кочнев
Original Assignee
Дмитрий Васильевич Кочнев
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Васильевич Кочнев filed Critical Дмитрий Васильевич Кочнев
Application granted granted Critical
Publication of RU2831140C1 publication Critical patent/RU2831140C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical communication equipment.
SUBSTANCE: hybrid automatic circuit breaker is intended for switching on and off of electrical equipment using direct current in normal operation mode, as well as for its protection and automatic shutdown in case of unacceptable overload or short circuit. Hybrid switch comprises mechanical switch with parallel connected semiconductor device and dissipative element. To smooth current surges and reduce current rise rate, inductance L and RC-circuit are connected to load circuit, wherein the resistance R is introduced into the circuit when current is detected, and to limit the critical current and short-circuit current, a fast-acting fuse F with the corresponding rating is placed in front of the mechanical switch. For the use of the switch in the area of high currents without significant loss of its operation speed, it can be used as several semiconductor devices connected in parallel, and several parallel connected and synchronously actuated mechanical switches.
EFFECT: limitation of current in circuit breaker to maximum permissible value for used semiconductor device in short circuit mode in load circuit, as well as avoiding additional losses in operating mode under load without said short circuit.
4 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к сфере электроэнергетики и может использоваться в качестве быстродействующего выключателя для включения и отключения электрооборудования, использующего постоянный ток, при нормальном режиме эксплуатации, а также для его защиты и автоматического отключения при возникновения недопустимой перегрузки или короткого замыкания. Устройство может быть использовано для защиты тяговых подстанций и фидеров контактной сети в установках магистрального, городского и промышленного электрифицированного транспорта, защиты полупроводниковых преобразователей, электрических машин, линий постоянного тока в промышленных установках.The proposed invention relates to the field of electric power engineering and can be used as a high-speed switch for switching on and off electrical equipment using direct current during normal operation, as well as for its protection and automatic shutdown in the event of an unacceptable overload or short circuit. The device can be used to protect traction substations and contact network feeders in installations of main, urban and industrial electrified transport, to protect semiconductor converters, electrical machines, and direct current lines in industrial installations.

Известны и широко применяются быстродействующие выключатели постоянного тока ВА 41-39 (Выключатель автоматический типа ВА41-39, М., Информэлектро, 1989 г.), БВП 105А, ВБ-11 (Электропоезда постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М, ЭР2Т, ЭД2Т, М.: Центр Коммерческих Разработок, 2003 г.), БВП-5 (Грищенко А.В., Стрекопытов В.В., Ролле И.А. Устройство и ремонт электровозов и электропоездов. М.: Академия, 2008г.).The following high-speed direct current switches are well known and widely used: VA 41-39 (Automatic switch type VA41-39, Moscow, Informelectro, 1989), BVP 105A, VB-11 (DC electric trains ET2, ET2M, ER2T, ED2T, Moscow: Center for Commercial Developments, 2003), BVP-5 (Grishchenko A.V., Strekopytov V.V., Rolle I.A. Design and repair of electric locomotives and electric trains. Moscow: Academy, 2008).

Недостатки вышеуказанных устройств обусловлены используемым методом гашения дуги, возникающей на силовых контактах выключателя при размыкании цепи постоянного тока, а именно, использования принципа магнитного гашения дуги, посредством различного типа дугогасительных камер с деионной решеткой. Применение такого принципа гашения дуги имеет ряд недостатков, таких как: сильная эрозия силовых контактов выключателя при возгорании дуги, что приводит к необходимости частой их замены, подстройки хода движения и усилия поджатия подвижного силового контакта выключателя, необходимость частой замены прогоревших перегородок в дугогасительной камере, длительность времени полного размыкания цепи постоянного тока, достигающей нескольких десятков миллисекунд.The disadvantages of the above devices are caused by the method used to extinguish the arc that occurs on the circuit breaker power contacts when opening the DC circuit, namely, the use of the principle of magnetic arc extinguishing, by means of various types of arc extinguishing chambers with a deionic grid. The use of such an arc extinguishing principle has a number of disadvantages, such as: strong erosion of the circuit breaker power contacts when the arc ignites, which leads to the need for their frequent replacement, adjustment of the movement path and the pressing force of the movable power contact of the circuit breaker, the need for frequent replacement of burnt-out partitions in the arc extinguishing chamber, the duration of the time of complete opening of the DC circuit, reaching several tens of milliseconds.

По вышеуказанным причинам, выключатели такого типа имеют большие размеры, требуют частого осмотра и дорогостоящего обслуживания. Проблема дуги становится очень острой для применений выключателей, где требуется высокая частота переключения, например, приводы конвейеров, промышленные нагреватели, испытательные стенды и т.д.For the above reasons, switches of this type are large in size, require frequent inspection and are expensive to maintain. The arcing problem becomes very acute for switch applications that require high switching frequencies, such as conveyor drives, industrial heaters, test benches, etc.

Развитие силовой полупроводниковой электроники привело к созданию твердотельных полупроводниковых элементов высокой мощности, способных прерывать электрическую цепь за несколько микросекунд без образования дуги и эрозии контактов. Однако, недостатком твердотельного выключателя являются высокие тепловые потери, создаваемые высоким постоянным током I2R.The development of power semiconductor electronics has led to the creation of high-power solid-state semiconductor elements capable of interrupting an electric circuit in a few microseconds without arcing or eroding contacts. However, the disadvantage of a solid-state switch is the high thermal losses created by the high constant current I2R.

Прогресс в силовой электронике позволил комбинировать обычный механический выключатель с полупроводниковым переключающим устройством в так называемый гибридный автоматический выключатель для отключения тока короткого замыкания в электрической цепи. Такой гибридный автоматический выключатель содержит механический выключатель для отключения цепи при обнаружении тока короткого замыкания, и твердотельное полупроводниковое устройство, соединенное параллельно с механическим выключателем для проведения тока короткого замыкания при размыкании механического выключателя. В зависимости от характеристик и условий использования, полупроводниковое устройство может включать набор последовательно или параллельно соединенных управляемых полупроводниковых блоков, например, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором, тиристоров со встроенным затвором).Advances in power electronics have made it possible to combine a conventional mechanical switch with a semiconductor switching device into a so-called hybrid circuit breaker for interrupting short-circuit current in an electric circuit. Such a hybrid circuit breaker comprises a mechanical switch for interrupting the circuit upon detection of a short-circuit current, and a solid-state semiconductor device connected in parallel with the mechanical switch for conducting the short-circuit current when the mechanical switch opens. Depending on the characteristics and conditions of use, the semiconductor device may include a set of series- or parallel-connected controllable semiconductor units, such as thyristors, insulated-gate bipolar transistors, and gate-integrated thyristors.

В связи с этим, наиболее близким к заявленному, является решение по заявке США на изобретение № 20130021708 «Hybrid Circuit Breaker (Гибридный автоматический выключатель)» (МПК H02H3/023; H01H2009/543; H01H9/542, ABB RESEARCH LTD., Швейцария, заявка № 20130021708 от 26.09.2012, приоритет от 26.06.2010, публикация 24.01.2013). Согласно описанию технического решения, при достижении тока критического значения, одновременно происходит размыкание механического выключателя и замыкание параллельной ветви, содержащей один или набор последовательных или параллельных подключаемых управляемых полупроводниковых элементов, в целом работающих как один элемент, например, тиристоров, GTO (тиристор выключения), IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или IGCT (интегрированный тиристор с коммутируемым затвором) и т.д. Когда контакты механического выключателя разомкнулись на расстояние, исключающее пробой среды, в которой происходит размыкание механической составляющей выключателя, происходит отключение (размыкание) параллельной цепи с полупроводниковым элементом. При этом, размыкание силовых контактов происходит без возникновения дуги. Подавление возникающего напряжения в цепи производится в диссипативной схеме (FV), подключенной параллельно контактам механического выключателя, например, супрессоре, варисторе, разряднике и т.д.In this regard, the closest to the claimed solution is the solution for US application for invention No. 20130021708 “Hybrid Circuit Breaker” (IPC H02H3/023; H01H2009/543; H01H9/542, ABB RESEARCH LTD., Switzerland, application No. 20130021708 dated 09/26/2012, priority dated 06/26/2010, publication 01/24/2013). According to the description of the technical solution, when the current reaches a critical value, the mechanical switch opens and the parallel branch closes, containing one or a set of series or parallel connected controlled semiconductor elements, generally working as a single element, for example, thyristors, GTO (turn-off thyristor), IGBT (insulated gate bipolar transistor) or IGCT (integrated gate-commutated thyristor), etc. When the contacts of the mechanical switch open to a distance that excludes breakdown of the medium in which the mechanical component of the switch opens, the parallel circuit with the semiconductor element is disconnected (opened). In this case, the opening of the power contacts occurs without the occurrence of an arc. Suppression of the voltage arising in the circuit is performed in a dissipative circuit (FV) connected in parallel to the contacts of the mechanical switch, for example, a suppressor, varistor, arrester, etc.

Для уменьшения времени реакции и обеспечения более короткого времени коммутации гибридного автоматического выключателя на критические токи, предусмотрена дополнительная электрическая цепь, соединяющая основную электрическую цепь и землю. В дополнительной электрической цепи предусмотрен блок импеданса и блок управления, настроенный для подключения блока импеданса к основной цепи в момент появления превышения критического тока. При этом единицей импеданса может быть, например, сопротивление, индуктивность, емкость, или их комбинация. По изобретению, основная задача введения дополнительной электрической цепи в момент, например, образования токов короткого замыкания в основной электрической цепи, заключается в уменьшении полного сопротивления и мгновенному увеличению силы тока в основной цепи, что приводит к более быстрой реакции механического выключателя и более быстрому отключению такого гибридного автоматического выключателя.In order to reduce the reaction time and ensure a shorter switching time of the hybrid circuit breaker to critical currents, an additional electric circuit is provided, connecting the main electric circuit and the ground. In the additional electric circuit, an impedance unit and a control unit are provided, configured to connect the impedance unit to the main circuit at the moment of occurrence of an excess of the critical current. In this case, the impedance unit can be, for example, resistance, inductance, capacitance, or a combination thereof. According to the invention, the main task of introducing an additional electric circuit at the moment, for example, of formation of short-circuit currents in the main electric circuit, consists in reducing the total resistance and instantly increasing the current in the main circuit, which leads to a faster response of the mechanical switch and a faster disconnection of such a hybrid circuit breaker.

Недостатком технического решения является тот факт, что за время, необходимое для гашения дуги, мгновенное увеличение силы тока, например, тока короткого замыкания, может привести к разрушению защищаемого оборудования и выходу из строя как полупроводниковой составляющей, так и всего заявленного гибридного автоматического выключателя.The disadvantage of the technical solution is the fact that during the time required to extinguish the arc, an instantaneous increase in current, for example, short-circuit current, can lead to the destruction of the protected equipment and the failure of both the semiconductor component and the entire declared hybrid circuit breaker.

Таким образом, устройства, раскрытые в уровне техники не обеспечивают решения ряда технических проблем, в частности, создания быстродействующего автоматического выключателя, способного без образования дуги размыкать постоянный ток, как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания, работающего в широком диапазоне, вплоть до десятков килоампер и киловольт, токов и напряжения, практически не требующего технического обслуживания.Thus, the devices disclosed in the prior art do not provide a solution to a number of technical problems, in particular, the creation of a high-speed automatic switch capable of breaking direct current without arcing, both in operating mode and in short-circuit mode, operating in a wide range, up to tens of kiloamperes and kilovolts, of currents and voltages, requiring virtually no maintenance.

Техническая проблема решается следующим образом. Настоящей изобретением предложен гибридный автоматический выключатель, который содержит механический выключатель, выполненный с возможностью прерывания цепи при обнаружении тока короткого замыкания, полупроводниковое устройство, подключенное параллельно с механическим автоматическим выключателем. В цепь нагрузки включена индуктивность L, размещенная последовательно за механическим выключателем, и RC-цепь, размещенная последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R вводится в электрическую цепь при обнаружении тока.The technical problem is solved as follows. The present invention proposes a hybrid circuit breaker, which comprises a mechanical switch, designed with the ability to interrupt a circuit upon detection of a short-circuit current, a semiconductor device connected in parallel with the mechanical circuit breaker. An inductance L, placed in series behind the mechanical switch, and an RC circuit, placed in series behind the inductance L, are included in the load circuit, such that a resistance R is introduced into the electric circuit upon detection of a current.

Признаками, общими с аналогом, являются наличие механического выключателя, выполненного с возможностью прерывания цепи при обнаружении тока короткого замыкания, и полупроводникового устройства, подключенного параллельно с механическим автоматическим выключателем.The features common to the analogue are the presence of a mechanical switch, designed with the ability to interrupt the circuit upon detection of a short-circuit current, and a semiconductor device connected in parallel with the mechanical circuit breaker.

Признаками, отличающими устройство от аналога, являются включение в цепь нагрузки индуктивности L, размещенной последовательно за механическим выключателем, RC-цепи, размещенной последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R вводится в электрическую цепь при обнаружении тока.The features that distinguish the device from its analogue are the inclusion in the load circuit of an inductance L, placed in series behind the mechanical switch, an RC circuit placed in series behind the inductance L, in such a way that the resistance R is introduced into the electrical circuit when current is detected.

В первом частном случае устройство характеризуется тем, что что перед механическим выключателем размещается плавкая вставка F.In the first particular case, the device is characterized by the fact that a fuse link F is placed in front of the mechanical switch.

Во втором частном случае устройство дополнительно характеризуется тем, что содержит несколько параллельно соединенных, синхронно срабатывающих блоков механических выключателей и полупроводниковых устройств.In the second particular case, the device is additionally characterized by the fact that it contains several parallel-connected, synchronously triggered blocks of mechanical switches and semiconductor devices.

В третьем частном случае устройство отличается тем, что в качестве механического выключателя используется вакуумный выключатель.In the third particular case, the device differs in that a vacuum switch is used as a mechanical switch.

Техническое решение представляет собой комбинированный автоматический выключатель, в цепь нагрузки которого включается индуктивность L и RC-цепь, приводящих к сглаживанию скачков тока в основной цепи и существенному уменьшению скорости нарастания тока, что не позволяет за полное время выключения t (время с момента подачи сигнала на размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка) току в полупроводниковой цепи превысить предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства, тем самым оставляя его в работоспособном состоянии.The technical solution is a combined circuit breaker, in the load circuit of which an inductance L and an RC circuit are included, leading to smoothing of current surges in the main circuit and a significant decrease in the rate of current increase, which does not allow the current in the semiconductor circuit to exceed the maximum permissible current for the semiconductor device used during the full turn-off time t (the time from the moment of sending a signal to open the contacts until the moment of divergence of the contacts to the distance necessary to restore the electrical strength of its interelectrode gap), thereby leaving it in a working condition.

Введение в цепь индуктивности L и RC-цепи позволяет перевести режим «короткого замыкания» в цепи с мгновенным увеличением силы тока в цепи в режим контролированного режима «перегрузки», когда плавно нарастающий ток в цепи может быть корректно отключен без разрушения выключателя. Характеристики индуктивности L и RC цепи рассчитываются для каждой конкретной схемы подключения нагрузки и возникновения в ней тока короткого замыкания. При этом, сопротивление R находится в отключенном состоянии в нормальном режиме и вводится в цепь только в момент, когда ток в цепи достигает критического значения, что позволяет избежать дополнительных потерь при эксплуатации под нагрузкой.The introduction of the inductance L and RC circuit into the circuit allows to transfer the "short circuit" mode in the circuit with an instantaneous increase in current in the circuit to the controlled "overload" mode, when the smoothly increasing current in the circuit can be correctly switched off without destroying the switch. The characteristics of the inductance L and RC circuit are calculated for each specific load connection circuit and the occurrence of a short circuit current in it. In this case, the resistance R is in the off state in the normal mode and is introduced into the circuit only at the moment when the current in the circuit reaches a critical value, which allows to avoid additional losses during operation under load.

При добавлении в цепь плавкой вставки F, гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ производит отслеживание нарастания тока до критического уровня и скорость нарастания тока. При этом, в зависимости скорости нарастания тока, блок управления запрограммирован таким образом, что если скорость нарастания силы тока в цепи ниже пороговой величины, по которой, за время с момента начала размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, ток в полупроводниковой цепи не превысит предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства и возникает режим «перегрузки», то управление выключателя производится согласно принципу действия, описанному выше.When adding a fuse link F to the circuit, galvanically isolated from the main DC circuit, the hybrid switch control unit BU with the current sensor DT monitors the current increase to a critical level and the current increase rate. At the same time, depending on the current increase rate, the control unit is programmed in such a way that if the current increase rate in the circuit is below the threshold value, according to which, during the time from the moment the contacts begin to open until the moment the contacts diverge by the distance necessary to restore the electrical strength of its interelectrode gap, the current in the semiconductor circuit does not exceed the maximum permissible current for the semiconductor device used and the "overload" mode occurs, then the switch is controlled according to the operating principle described above.

Если же скорость нарастания силы тока выше пороговой величины, то блоком управления БУ не подается сигнал на размыкание контактов механического выключателя (SМех) и замыкание полупроводникового устройства, и ток в цепи прерывается быстродействующей плавкой вставкой F.If the rate of increase of the current strength is higher than the threshold value, then the control unit BU does not send a signal to open the contacts of the mechanical switch (SMex) and close the semiconductor device, and the current in the circuit is interrupted by the fast-acting fuse link F.

Для увеличения диапазона применения выключателя, а именно, при применении выключателя по изобретению для высокоскоростного отключения больших токов, может используется не только несколько полупроводниковых устройств, но и, согласно изобретению, несколько параллельно соединенных и синхронно открывающихся/закрывающихся механических выключателей. Известно, что быстродействие выключателя в сильной степени зависит от скорости открытия механической составляющей выключателя. С другой стороны, увеличение силы тока цепи приводит к необходимости увеличения площади контактной поверхности, увеличению массы и, соответственно, к уменьшению скорости открытия механического выключателя. Использование нескольких параллельно соединенных и синхронно открывающихся/закрывающихся механических выключателей позволяет существенно увеличить возможность применения выключателя в широком диапазоне силы тока в цепи без потери его быстродействия.In order to increase the range of application of the switch, namely, when using the switch according to the invention for high-speed switching off of large currents, not only several semiconductor devices can be used, but also, according to the invention, several parallel-connected and synchronously opening/closing mechanical switches. It is known that the speed of the switch depends to a large extent on the opening speed of the mechanical component of the switch. On the other hand, an increase in the current strength of the circuit leads to the need to increase the area of the contact surface, increase the mass and, accordingly, to a decrease in the opening speed of the mechanical switch. The use of several parallel-connected and synchronously opening/closing mechanical switches makes it possible to significantly increase the possibility of using the switch in a wide range of current strength in the circuit without losing its speed.

В качестве механического выключателя по настоящему изобретению, применяется вакуумный выключатель с различного рода приводом. Отсутствие носителей заряда и высокая электрическая прочность вакуума, например, пробивное напряжение длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ, (Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988г.) позволяют существенно увеличить быстродействие гибридного выключателя, которое будет ограничиваться только скоростью открытия механической составляющей выключателя. Вакуумные выключатели являются в настоящее время наиболее эффективными и долговечными. Их срок службы без ревизии достигает двадцати пяти лет.As a mechanical switch according to the present invention, a vacuum switch with various types of drive is used. The absence of charge carriers and high electric strength of vacuum, for example, the breakdown voltage of 1 mm in length in vacuum reaches 100 kV, (Chunikhin A.A. Electrical apparatus. Moscow: Energoatomizdat, 1988) allow to significantly increase the speed of the hybrid switch, which will be limited only by the speed of opening of the mechanical component of the switch. Vacuum switches are currently the most efficient and durable. Their service life without revision reaches twenty-five years.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами:The proposed invention is illustrated by the following figures:

Фиг. 1 - часть функциональной схемы, содержащей индуктивность L и RC-цепь;Fig. 1 - part of a functional diagram containing an inductance L and an RC circuit;

Фиг. 2 - часть функциональной схемы, дополнительно содержащей быстродействующую плавкую вставку L.Fig. 2 - part of the functional diagram, additionally containing a fast-acting fuse link L.

На фигурах обозначены следующие позиции:The following positions are indicated on the figures:

Sмех - механический выключатель;S mech - mechanical switch;

G1, G2 - один или набор последовательных, или параллельных подключаемых управляемых полупроводниковых элементов, в целом, работающих как один элемент, например, тиристоров, GTO (тиристор выключения), IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или IGCT (интегрированный тиристор с коммутируемым затвором);G1, G2 - one or a set of series or parallel connected controlled semiconductor elements, generally operating as a single element, such as thyristors, GTO (Gate Turn-Off Thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor);

V - диссипативная схема, например, супрессор, варистор, разрядник и т.д.;V - dissipative circuit, for example, suppressor, varistor, spark gap, etc.;

S - источник питания;S - power source;

N - нагрузка;N - load;

L - индуктивность;L - inductance;

С - конденсатор;C - capacitor;

R - резистор;R - resistor;

F - быстродействующая плавкая вставка.F - fast acting fuse link.

Блок управления БУ и датчик тока ДТ, гальванически развязанные с основной цепью, на схеме не отражаются. Последовательно со схемой включаются источник питания S и нагрузка N. Нагрузка может включать в себя комбинацию резистивных, индуктивных нагрузок и двигателей. Элементы схемы коммутируются в последовательности как указано в описании.The control unit BU and the current sensor DT, galvanically isolated from the main circuit, are not reflected in the diagram. The power source S and the load N are connected in series with the diagram. The load can include a combination of resistive, inductive loads and motors. The elements of the diagram are switched in the sequence as indicated in the description.

Для понимания принципов работы и особенностей различных изобретения, ниже приведено описание фигур технического решения. Хотя в тексте описания подробно объясняются предпочтительные варианты реализации технического решения, необходимо понимать, что возможны и иные варианты реализации изобретения. Соответственно, нет необходимости в ограничении объема правовой охраны технического решения исключительно представленными реализациями и перечнями подсистем, узлов и компонентов. Изобретение может быть реализовано и иными способами. Вместе с тем, при описании предпочтительных вариантов технического решения, для ясности понимания основных принципов изобретения специалистом, необходимо уточнить термины, применяемые в описании.To understand the principles of operation and features of various inventions, a description of the figures of the technical solution is given below. Although the text of the description explains in detail the preferred embodiments of the technical solution, it is necessary to understand that other embodiments of the invention are also possible. Accordingly, there is no need to limit the scope of legal protection of the technical solution exclusively to the presented implementations and lists of subsystems, units and components. The invention can be implemented in other ways. At the same time, when describing the preferred embodiments of the technical solution, for a specialist to clearly understand the basic principles of the invention, it is necessary to clarify the terms used in the description.

Необходимо отметить, что используемые в единственном числе в описании и формуле узлы и детали устройства, также представляют собой и множественные формы, если прямо не сказано обратное. Например, указание на составной элемент устройства также означает указание на совокупность (множество) таких элементов.It should be noted that the units and parts of the device used in the singular in the description and formula also represent plural forms, unless otherwise stated. For example, an indication of a component element of the device also means an indication of a set (multitude) of such elements.

Также, при описании предпочтительных вариантов выполнения, для обеспечения ясности понимания, используются специальные термины. Предполагается, что термин используется в самом широком смысле, в каком он может быть истолкован специалистами в данной области техники и включает все технические эквиваленты, используемые тем же образом и с той же целью. Так, в частности, термин «гибридный» относится к техническому решению, сочетающему в себе механический переключатель и набор полупроводниковых элементов. Под термином «цепью нагрузки» понимают часть электрической цепи, имеющей активный или мнимый импеданс. Под «индуктивностью» понимается, по существу, сосредоточенный элемент электрической цепи, в котором накапливается магнитная энергия. Под «RC-цепью» понимают участок полной цепи, состоящий из конденсатора и резистора. Термины «емкость» и «сопротивление» в контексте настоящего описания идентичны терминам «конденсатор» и «резистор», соответственно, если в описании не указано иное. Под термином «механический выключатель» понимают электрический коммутационный аппарат, предназначенный для непосредственного замыкания или размыкания электрической цепи. В описании к механическим выключателям отнесен также вакуумный выключатель, в котором вакуум выступает средой для гашения электрической дуги при размыкании или замыкании электрической цепи.Also, in describing the preferred embodiments, special terms are used to ensure clarity of understanding. It is assumed that the term is used in the broadest sense in which it can be interpreted by specialists in the given technical field and includes all technical equivalents used in the same way and for the same purpose. Thus, in particular, the term "hybrid" refers to a technical solution combining a mechanical switch and a set of semiconductor elements. The term "load circuit" is understood to be a part of an electric circuit having an active or imaginary impedance. "Inductance" is understood to be, in essence, a concentrated element of an electric circuit in which magnetic energy is accumulated. "RC circuit" is understood to be a section of a complete circuit consisting of a capacitor and a resistor. The terms "capacitance" and "resistance" in the context of the present description are identical to the terms "capacitor" and "resistor", respectively, unless otherwise specified in the description. The term "mechanical switch" is understood to be an electrical switching device intended for direct closing or opening of an electric circuit. In the description, a vacuum switch is also classified as a mechanical switch, in which vacuum acts as a medium for extinguishing an electric arc when opening or closing an electrical circuit.

Слова «состоящий», «содержащий», «включающий» означают, что, по меньшей мере указанный компонент, элемент, часть или шаг способа присутствует в устройстве, но не исключает присутствие иных компонентов, материалов, частей, даже если такой компонент, материал, часть, выполняет ту же функцию, что и указанный.The words “consisting”, “comprising”, “including” mean that at least the specified component, element, part or method step is present in the device, but do not exclude the presence of other components, materials, parts, even if such component, material, part performs the same function as the specified one.

Материалы, из которых изготовлены различные элементы настоящего изобретения, указанные ниже при описании примеров конкретного выполнения устройства, являются типичными, но не обязательными для применения. Указанные в настоящих примерах выполнения материалы, могут быть заменены многочисленными аналогами, выполняющими ту же функцию, что и приведенные в описании примеры материалов.The materials from which the various elements of the present invention are made, indicated below in the description of examples of a specific implementation of the device, are typical, but not mandatory for use. The materials indicated in the present examples of implementation can be replaced by numerous analogs that perform the same function as the examples of materials given in the description.

Обратимся к прилагаемым фигурам. На Фиг. 1 изображен часть функциональной схемы гибридного автоматического выключателя, состоящая из набора тиристоров (GTO, IGCT) и/или биполярных транзисторов IGCT G1…Gn и диссипативной схемы V, составляющих твердотельное полупроводниковое устройство, параллельно которому подключен механический автоматический выключатель Sмех, соединенный с гальванически развязанным блоком управления БУ и датчиком тока ДТ (на схеме не показаны). В цепь нагрузки введена индуктивность L и RC-цепь, расположенные последовательно за механическим автоматическим выключателем.Let us turn to the attached figures. Fig. 1 shows a part of the functional diagram of a hybrid circuit breaker, consisting of a set of thyristors (GTO, IGCT) and/or bipolar transistors IGCT G1…G n and a dissipative circuit V, constituting a solid-state semiconductor device, in parallel to which a mechanical circuit breaker S mech is connected, connected to a galvanically isolated control unit BU and a current sensor DT (not shown in the diagram). An inductance L and an RC circuit, located in series behind the mechanical circuit breaker, are introduced into the load circuit.

Альтернативный вариант изобретения, изображен на Фиг. 2, предусматривает дополнительную установку быстродействующей плавкой вставки F, размещаемой перед механическим выключателем за источником тока.An alternative embodiment of the invention, shown in Fig. 2, provides for the additional installation of a fast-acting fuse link F, placed in front of the mechanical switch behind the current source.

Устройство работает следующим образом. В рабочем режиме контакты механического выключателя Sмех замкнуты, твердотельного полупроводникового устройства разомкнуты, сопротивление R не введено в цепь нагрузки. При возникновении критического тока в цепи, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ, гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, подает сигнал на размыкание силовых контактов механического выключателя Sмех, замыкание контактов полупроводникового устройства и введение в силовую цепь сопротивления R. При расхождении контактов механического выключателя на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, блок управления подает сигнал на размыкание контактов полупроводникового устройства и выведения из цепи нагрузки сопротивления R. Энергия, оставшаяся в цепи, поглощается параллельно соединенным компонентом V твердотельного устройства, например, супрессором, варистором или разрядником.The device operates as follows. In the operating mode, the contacts of the mechanical switch S mech are closed, those of the solid-state semiconductor device are open, and the resistance R is not introduced into the load circuit. When a critical current occurs in the circuit, the control unit of the hybrid switch BU with the current sensor DT, galvanically isolated from the main DC circuit, sends a signal to open the power contacts of the mechanical switch S mech , close the contacts of the semiconductor device, and introduce resistance R into the power circuit. When the contacts of the mechanical switch diverge by a distance required to restore the electrical strength of its interelectrode gap, the control unit sends a signal to open the contacts of the semiconductor device and remove resistance R from the load circuit. The energy remaining in the circuit is absorbed by a parallel-connected component V of the solid-state device, for example, a suppressor, varistor, or arrester.

При наличии быстродействующей плавкой вставки, устройство работает следующим образом. Гальванически развязанный с основной цепью постоянного тока, блок управления гибридного выключателя БУ с датчиком тока ДТ производит отслеживание нарастания тока до критического уровня и скорость нарастания тока. При этом, в зависимости скорости нарастания тока, блок управления запрограммирован таким образом, что если: di/dt < diпорог/dt пороговой величины, по которой, за время с момента начала размыкания контактов до момента расхождения контактов на расстояние, необходимое для восстановления электрической прочности его межэлектродного промежутка, ток в полупроводниковой цепи не превысит предельно допустимый ток для используемого полупроводникового устройства и возникает режим «перегрузки», то управление выключателя производится согласно принципу действия выключателя, указанному выше; если di/dt >= diпорог/dt пороговой величины, блок управления БУ не подает сигнал на размыкание контактов механического выключателя Sмех и замыкание полупроводникового устройства. Возникает режим «короткого замыкания» и ток прерывается быстродействующей плавкой вставкой F.In the presence of a fast-acting fuse link, the device operates as follows. Galvanically isolated from the main DC circuit, the control unit of the hybrid switch BU with the current sensor DT monitors the current increase to a critical level and the rate of current increase. In this case, depending on the rate of current increase, the control unit is programmed in such a way that if: di/dt < di threshold /dt threshold value, according to which, during the time from the moment of the start of opening of the contacts until the moment of divergence of the contacts by the distance necessary for restoring the electrical strength of its interelectrode gap, the current in the semiconductor circuit will not exceed the maximum permissible current for the semiconductor device used and the "overload" mode occurs, then the switch is controlled according to the operating principle of the switch specified above; if di/dt >= di threshold /dt threshold value, the control unit BU does not send a signal to open the contacts of the mechanical switch S mech and close the semiconductor device. A "short circuit" mode occurs and the current is interrupted by the fast-acting fuse link F.

Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами конкретного выполнения. Могут быть предложены и иные формы реализации технического решения, не отдаляясь от смысла изобретения.The embodiments of the present invention are not limited to the above examples of specific implementation. Other forms of implementation of the technical solution may be proposed without departing from the meaning of the invention.

Раскрытые выше примеры выполнения приведены с целью показать промышленную применимость устройства и дать общее впечатление об устройстве. Объем правовой охраны технического решения определяется формулой изобретения, а не представленным описанием.The above examples of implementation are given to demonstrate the industrial applicability of the device and to give a general impression of the device. The scope of legal protection of the technical solution is determined by the invention formula, and not by the description provided.

Claims (4)

1. Гибридный автоматический выключатель, содержащий блок управления, механический выключатель Sмех, выполненный с возможностью прерывания электрической цепи при обнаружении блоком управления (БУ) тока короткого замыкания di/dt, полупроводниковое устройство, подключенное параллельно с механическим автоматическим выключателем, выполненные с возможностью приема команд от блока управления (БУ), отличающийся тем, что в цепь нагрузки включена индуктивность L, размещенная последовательно за механическим выключателем, и RC-цепь, размещенная последовательно за индуктивностью L, таким образом, что сопротивление R выполнено с возможностью ввода в электрическую цепь при обнаружении критического тока в цепи, а перед механическим выключателем размещается плавкая вставка F.1. A hybrid circuit breaker comprising a control unit, a mechanical switch S mech , configured to interrupt an electrical circuit upon detection by the control unit (CU) of a short-circuit current di/dt, a semiconductor device connected in parallel with the mechanical circuit breaker, configured to receive commands from the control unit (CU), characterized in that an inductance L, placed in series behind the mechanical switch, and an RC circuit placed in series behind the inductance L are included in the load circuit in such a way that the resistance R is configured to be introduced into the electrical circuit upon detection of a critical current in the circuit, and a fuse link F is placed in front of the mechanical switch. 2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит несколько параллельно соединенных синхронно срабатывающих блоков механических выключателей и полупроводниковых устройств.2. The switch according to item 1, characterized in that it contains several parallel-connected synchronously operating blocks of mechanical switches and semiconductor devices. 3. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве механического выключателя используется вакуумный выключатель.3. The switch according to item 1, characterized in that a vacuum switch is used as a mechanical switch. 4. Способ управления работой гибридного автоматического выключателя по п. 1, при котором с помощью блока управления (БУ) отслеживается параметр di/dt в электрической цепи, и в случае, если указанный параметр не превышает порогового значения diпорог/dt, при возникновении критического тока в цепи блок управления (БУ) подает сигнал на размыкание силовых контактов механического выключателя Sмех, замыкание контактов полупроводникового устройства и введение в силовую цепь сопротивления R, в ином случае блок управления (БУ) не подает сигнал на размыкание контактов механического выключателя Sмех и замыкание полупроводникового устройства, и для прерывания тока в цепи задействуется плавкая вставка F.4. A method for controlling the operation of a hybrid circuit breaker according to claim 1, wherein the di/dt parameter in the electric circuit is monitored using a control unit (CU), and if said parameter does not exceed the threshold value di threshold /dt, when a critical current occurs in the circuit, the control unit (CU) sends a signal to open the power contacts of the mechanical switch S mech , close the contacts of the semiconductor device and introduce resistance R into the power circuit; otherwise, the control unit (CU) does not send a signal to open the contacts of the mechanical switch S mech and close the semiconductor device, and the fuse link F is activated to interrupt the current in the circuit.
RU2023113309A 2023-05-23 Hybrid circuit breaker and method of its operation RU2831140C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2831140C1 true RU2831140C1 (en) 2024-12-02

Family

ID=

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU526029A1 (en) * 1972-08-01 1976-08-25 Предприятие П/Я А-7147 DC contactor with arcless switching
SU843017A1 (en) * 1979-05-22 1981-06-30 Предприятие П/Я А-7147 Method of protecting heavy-duty circuits with aid of current-limiting switches
SU943881A1 (en) * 1980-12-16 1982-07-15 Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт низковольтного аппаратостроения Hybrid dc switch
EP1014403A1 (en) * 1998-12-21 2000-06-28 Asea Brown Boveri AG Current-limiting switch
US20130021708A1 (en) * 2010-03-26 2013-01-24 Georgios Demetriades Hybrid Circuit Breaker
US8891209B2 (en) * 2011-11-18 2014-11-18 Abb Technology Ag HVDC hybrid circuit breaker with snubber circuit
CN109873407B (en) * 2019-03-28 2020-01-17 北京交通大学 A ring bridge type multi-port hybrid DC circuit breaker
CN111509682A (en) * 2020-05-18 2020-08-07 广东电网有限责任公司东莞供电局 Hybrid DC circuit breaker sharing main current branch and protection device and method thereof
US20220293354A1 (en) * 2019-07-16 2022-09-15 Eaton Intelligent Power Limited Hybrid circuit breaker with improved current capacity per device size

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU526029A1 (en) * 1972-08-01 1976-08-25 Предприятие П/Я А-7147 DC contactor with arcless switching
SU843017A1 (en) * 1979-05-22 1981-06-30 Предприятие П/Я А-7147 Method of protecting heavy-duty circuits with aid of current-limiting switches
SU943881A1 (en) * 1980-12-16 1982-07-15 Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт низковольтного аппаратостроения Hybrid dc switch
EP1014403A1 (en) * 1998-12-21 2000-06-28 Asea Brown Boveri AG Current-limiting switch
US20130021708A1 (en) * 2010-03-26 2013-01-24 Georgios Demetriades Hybrid Circuit Breaker
US8891209B2 (en) * 2011-11-18 2014-11-18 Abb Technology Ag HVDC hybrid circuit breaker with snubber circuit
CN109873407B (en) * 2019-03-28 2020-01-17 北京交通大学 A ring bridge type multi-port hybrid DC circuit breaker
US20220293354A1 (en) * 2019-07-16 2022-09-15 Eaton Intelligent Power Limited Hybrid circuit breaker with improved current capacity per device size
CN111509682A (en) * 2020-05-18 2020-08-07 广东电网有限责任公司东莞供电局 Hybrid DC circuit breaker sharing main current branch and protection device and method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20150131189A1 (en) Composite high voltage dc circuit breaker
EP2701255B1 (en) Circuit interruption device
US8503138B2 (en) Hybrid circuit breaker
KR101521545B1 (en) Device and method to interrupt high voltage direct current
US7542250B2 (en) Micro-electromechanical system based electric motor starter
US10483072B2 (en) Interrupter device for interrupting a direct current
US20150116881A1 (en) High voltage dc circuit breaker apparatus
CN109997208B (en) Low-voltage circuit breaker device
WO2012084693A1 (en) Method, circuit breaker and switching unit for switching off high-voltage dc currents
EP2669921A1 (en) Circuit breaker apparatus
US9893057B2 (en) Monolithically integrated semiconductor switch, particularly circuit breaker
CA3000574C (en) Mechatronic circuit-breaker device
US6239514B1 (en) Electric switching device and a method for performing electric disconnection of a load
EP4160843A1 (en) Solid insulated switch
RU2831140C1 (en) Hybrid circuit breaker and method of its operation
US10325984B2 (en) Monolithically integrated semiconductor switch, in particular a power circuit breaker
US7245031B2 (en) Generator with integrated powerswitch
JP3581219B2 (en) Composite switching device
EP3594980B1 (en) Apparatus to switch a led
WO1999031693A1 (en) An electric switching device and a method for performing electric disconnection of a load
KR20010064622A (en) Apparatus for contactorless direct current circuit breaking by semiconductor element in electrical power transmission system