Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Шевчик Николай Евгеньевич Протосовицкий Дмитрий Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений,содержащее последовательно соединенные нелинейные резисторы, подключенные одним выводом в фазу сети, а другим - к земле, отличающееся тем, что между фазой сети и землей подключены три нелинейных резистора, к которым присоединены два полупроводниковых ограничительных диода, при этом первый полупроводниковый ограничительный диод подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему нелинейным резисторам, а второй полупроводниковый ограничительный диод подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему нелинейным резисторам. 69912011.02.28 Заявляемая полезная модель предназначена для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений и может быть использована в электроэнергетике. Известно устройство для защиты от коммутационных перенапряжений, содержащее подключенные между защищаемым объектом и землей последовательно соединенные высоконелинейные резисторы, параллельно части, которых подключены пары последовательно включенных блоков искровых промежутков, параллельно одному из которых в каждой паре подключена цепочка из последовательно соединенных коммутатора и первого резистора, общая точка которых соединена через второй резистор с высоконелинейными резисторами, причем отношение сопротивлений высоконелинейных резисторов пропорционально отношению пробивных напряжений шунтирующих их искровых промежутков, которые параллельно коммутаторам подключены конденсаторы 1. Недостатками этого изобретения являются недостаточно высокое быстродействие,низкая экономическая эффективность для защиты бытового и электронного оборудования и неэффективное использование нелинейных резисторов. Следует учитывать, что при кратковременных импульсах перенапряжений в линии защищаемое электронное оборудование может выйти из строя до того, как сработает данный вид защиты. Известен также ограничитель внутренних перенапряжений в трехфазных сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, содержащей первые три оксидноцинковых резистора, подключенные первыми выводами к соответствующим фазам сети, вторые выводы соединены в первую звезду. При этом в него введены вторые три оксидноцинковых резистора, первые выводы которых подключены к фазам сети, вторые выводы соединены во вторую звезду, нейтрали первой и второй звезд заземлены соответственно через третий и четвертый оксидноцинковые резисторы, шесть диодов, причем второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к аноду первого диода, второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к катоду первого диода и аноду второго диода, второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к катоду второго диода и аноду третьего диода, катод которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого заземлен, второй вывод фазывторой звезды подключен к катоду четвертого диода,второй вывод резистора фазывторой звезды подключен к аноду четвертого диода и катоду пятого диода, второй вывод резистора фазывторой звезды подключен к аноду пятого диода и катоду шестого диода, анод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен 2. Недостатками данного изобретения являются недостаточно эффективное использование входящих в его состав нелинейных резисторов, что обусловлено принципом действия устройства, и относительная сложность монтажа схемы защитного устройства. Прототипом заявляемого устройства для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений является устройство для защиты от перенапряжений, содержащее подключенные между защищаемым объектом и землей, соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов, которые объединены в нечетное количество модулей, к каждым соединенным последовательно трем модулям подключены два искровых промежутка, при этом в каждой тройке модулей первый искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему модулям, а второй искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему модулям 3. Недостатки прототипа состоят в следующем. В известной схеме достаточно высокий уровень ограничения напряжения и значительная величина остаточного напряжения, обусловленные количеством последовательно включенных резисторов и делающие данное устройство неэффективным для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений. Также нецелесообразно использование искровых промежутков для шунтирования нелинейных резисторов, поскольку они обладают целым рядом недостатков, а именно вольт 2 69912011.02.28 секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, большой статический разброс пробивных напряжений, все это может привести к повреждению нелинейных резисторов вследствие позднего шунтирования их искровыми промежутками. Таким образом, в случае отсутствия пробоя искровых промежутков через каждый последовательно соединенный резистор будет протекать один и тот же общий ток, что негативным образом сказывается не только на нелинейных резисторах, через которые будут протекать значительные импульсные токи при коммутационных или грозовых перенапряжениях, но и на изоляции защищаемого электрооборудования. Задачей заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик рассматриваемого устройства защиты от перенапряжения, а именно уменьшение времени срабатывания, сокращение величины остающегося напряжения и расширение арсенала устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении уровня защищенности электрооборудования от коммутационных перенапряжений и уменьшении величины остающегося в изоляции импульсного напряжения за счет снижения уровня пробивного напряжения, а также сокращения времени срабатывания устройства благодаря применению устройств, у которых напряжение пробоя ниже напряжения ограничения. Для достижения поставленной задачи устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений содержит последовательно соединенные нелинейные резисторы, подключенные одним выводом в фазу сети, а другим - к земле, причем между фазой сети и землей подключаются три нелинейных резистора, к которым подключены два полупроводниковых ограничительных диода, при этом первый полупроводниковый ограничительный диод подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему нелинейному резистору, а второй полупроводниковый ограничительный диод подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему нелинейному резисторам. Признаки, отличающие предлагаемое устройство от известного, заключаются в соединении последовательно трех нелинейных резисторов и подключении к ним двух полупроводниковых ограничительных диодов. В результате даже при незначительных импульсах перенапряжения из-за того, что напряжение открытия трех последовательно соединенных нелинейных резисторов выше напряжения открытия последовательно соединенного диода и нелинейного резистора, происходит попарное шунтирование колонки нелинейных резисторов полупроводниковыми диодами, и ток начинает протекать через две цепочки последовательно соединенных диодов и нелинейных резисторов. При этом величина тока,проходящего через колонку нелинейных резисторов, будет незначительна, так как величина коммутационного перенапряжения недостаточна для открытия трех последовательно соединенных нелинейных резисторов. В итоге благодаря снижению значения импульса напряжения, необходимого для открытия устройства, достигается снижение уровня ограничения напряжения и, как следствие, уменьшение уровня остаточного заряда в изоляции защищаемого оборудования, а отсутствие элементов со значительным временем срабатывания, таких как искровые промежутки, позволяет сократить время срабатывания устройства. В случаях возникновения значительных импульсов перенапряжения вместе с диодами открывается и колонка последовательно соединенных нелинейных резисторов, в результате чего ток начинает протекать по всей совокупности нелинейных резисторов. При этом после шунтирования диодами нелинейные резисторы соединяются параллельно, что позволяет снизить токовую нагрузку на каждый в отдельности взятый нелинейный резистор,так как при параллельном соединении ток равномерно распределяется между всеми ветвями цепи, в результате чего и достигается достаточный уровень защиты по току при атмосферных перенапряжениях. 3 69912011.02.28 При выходе из строя одного или всех диодов, наименее надежных элементов схемы,защищаемое электрооборудование остается защищенным колонкой последовательно соединенных нелинейных резисторов, что гарантирует работоспособность защиты. Устройство для защитыэлектрооборудования от коммутационных перенапряжений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, а на фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. В общем виде на фиг. 1 устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений содержит три последовательно соединенных нелинейных резистора 1, 2, 3 и шунтирующие их попарно два полупроводниковых ограничительных диода 4, 5. На фиг. 2 изображена принципиальная электрическая схема, наиболее наглядно иллюстрирующая принцип действия устройства. Соединенные последовательно верхний 1,средний 2, нижний 3 нелинейные резисторы, имеющие одинаковые характеристики, подключены одним выводом в фазу сети, питающей защищаемое оборудование 6, а другим к земле. Параллельно верхнему 1 и среднему 2 нелинейным резисторам подключен полупроводниковый ограничительный диод 4. Параллельно среднему 2 и нижнему 3 нелинейным резисторам подключен полупроводниковый ограничительный диод 5. Устройство работает следующим образом. В рабочем режиме, когда напряжение в фазах сети равно номинальному или незначительно превышает его, сопровождающие токи через резисторы 1, 2, 3 не протекают и диоды 4, 5 заперты, так как к нелинейным резисторам и диодам не приложено достаточного для их открытия напряжения. При проявлении повышенного напряжения внутреннего происхождения в фазе относительно земли открываются диоды 4, 5 и через резисторы 1, 3, гасится возникшее перенапряжение относительно земли. После снижения напряжения до номинального значения ток в диодах 4, 5 вследствие нелинейных характеристик резисторов 1, 3 протекать не будет. В режиме протекания больших импульсных токов, свойственных перенапряжениям атмосферного происхождения, вместе с диодами открывается колонка нелинейных резисторов и ток начинает протекать по всей совокупности параллельно соединенных резисторов и ограничительных диодов. В данном случае достаточный уровень защиты по току достигается благодаря одновременному запараллеливанию нелинейных резисторов, в результате заряд одновременно начинает проходить через все резисторы, что снижает нагрузку на каждую отдельно взятую группу нелинейных резисторов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4