CZ9902148A3 - Spínací zařízení s jiskřištěm pro spínání elektrického proudu - Google Patents

Abstract

Zařízení pro spínání elektrického proudu zahrnuje alespoň jedno elektrické spínací ústrojí (5). Toto spínací ústrojí zahrnuje alespoň jeden spínací prvek (10a) obsahující elektrodovou mezeru (24). Tuto mezeru lze převést z elektricky nevodivého stavu do elektricky vodivého stavu. Kromč toho spínací prvek zahrnuje prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery nebo alespoň části této mezery do vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení. Tento prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery nebo alespoň části této mezery do vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení je uzpůsoben k zavedení energie do elektrodové mezery ve formě radiační energie za účelem převedeni mezery nebo alespoň části této mezery do formy plazmy působením této radiační energie.

Description

Spínací zařízení s jiskřištěm pro spínání elektrického proudu

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení podle předvýznakové části patentového nároku 1. Zařízení podle vynálezu může být použito všude tam, kde je žádoucí spínací funkce. Zejména výhodné jsou aplikace, ve kterých mají být spínány vysoké elektrické výkony. Ve skutečnosti se jedná o aplikace v oblasti vysokonapětových spojení a přenosu elektrického výkonu. Výhodnou, avšak nikterak omezující, aplikací zařízení podle vynálezu je ochrana elektrických objektů v elektrárně před důsledkami poruch, zejména týkajících se elektrického proudu, avšak i elektrického napětí. Kromě toho se vynález rovněž týká způsobu ochrany uvedených objektů.

Uvedeným elektrickým objektem může byt Objekt o i

libovolných vlastnostech, pokud je součástí elektrická silové sítě a vyžaduje ochranu proti nadproudům vyvolanými poruchami, tj. ve skutečnosti zkratovými proudy. Příkladem tohoto elektrického objektu může být elektrické zařízení mající magnetický obvod, tj. generátor, transformátor nebo motor. Jako další příklad tohoto elektrického objektu může být uvedeno silové vedení nebo kabel, spínací přístroj, apod. Vynález je určen pro střední a vysoká napětí. Podle normy IEC střední napětí leží v rozmezí 1 až 72,5 kV, zatímco vysoké napětí je větší než 72,5 kV. Do těchto rozmezí tudíž spadají přenosová a distribuční napětí.

Dosavadní stav techniky

V konvenčních elektrárnách, která produkují uvedená napětí, se pro ochranu uvedených objektů používají konvenční přerušovače obvodu (vypínací zařízení, které pro přerušení poskytují galvanické oddělení). Poněvadž tento přerušovač obvodu musí být proveden tak, aby byl schopen přerušovat ··· ··· • · · ♦ · « ·· ··· ·« > »· ·· velmi vysoké proudy a napětí, tento přerušovač je rozměrný a vyznačuje se vysokou setrvačností, což má za následek dlouhou dobu přerušení. Je nutné upozornit, že se naproudem zejména rozumí zkratový proud, ke kterému dochází v souvislosti s ochranou uvedených objektů, např. v důsledku poruch v izolačním systému chráněného objektu. Těmito poruchami se myslí to, že poruchový proud (zkratový proud) vnější sítě/ vnějšího zařízení proudí ve formě oblouku. Je nutné uvést, že švédská energetická síť je dimenzována na zkratový proud/poruchový proud 63 kV. Ve skutečnosti zkratový proud může mít velikost až 40-50 kA.

Uvedený přerušovač obvodu má nedostatek, který spočívá v dlouhé době přerušení. Podle normy IEC má být doba přerušení, tj . doba, za kterou je přerušovač obvodu aktivován k provedení úplného přerušení, rovna 150 ms. V konkrétních případech je obtížné omezit tuto dobu přerušení na hodnotu nižší než 50-13 0 ms. V důsledku toho, v případě poruchy na chráněném objektu, po celou relativně dlouhou dobu prochází tímto chráněným objektem velmi vysoký proud. Tento poruchový proud představuje pro chráněný objekt během doby přerušení značnou zátěž. Za účelem zamezení poškození chráněného objektu jsou chráněné objekty podle dosavadního stavu techniky konstruovány tak, aby byly schopny odolat působení zkratového proudu/poruchového proudu během doby přerušení přerušovače obvodu bez toho, že by došlo ke zřejmému poškození chráněného objektu. Je nutné upozornit, že zkratový proud (poruchový proud) v chráněném objektu může být složen z vlastního příspěvku objektu k poruchovému proudu a proudového příspěvku ze sítě/vnějšího vybavení chráněného objektu. Vlastní příspěvek objektu k poruchovému proudu nezávisí na funkci přerušovače obvodu, avšak příspěvek k poruchovému proudu ze sítě/vnějšího vybavení chráněného objektu je ovlivněn provozem přerušovače obvodu. Jak to bylo výše uvedeno, chráněné objekty musí být konstruovány tak, aby odolaly zkratovým proudům/poruchovým proudům během relativně

0··0000 *000 0 000 000

0. 0 0 0 00 00 dlouhé doby, což je nevýhodné vzhledem k nákladnějšímu provedení těchto objektů a omezenému výkonu těchto objektů.

Jak to bylo výše uvedeno, vynález není omezen jen na ochranu elektrických objektů. V některých vypínacích situacích je nevýhodné použít nákladné a rozměrné vypínací zařízení pro vypínání vysokých výkonů, např. skupiny polovodičových komponent. Konvenční polovodičové komponenty, které jsou výhodně vyrobeny z křemíku nebo jiných materiálů, jsou z praktických důvodů dimenzovány na určitou maximální intenzitu elektrického pole, při které ještě nedochází k průrazu polovodičové komponenty. To způsobuje omezení, pokud jde o maximální elektrické napětí, které může být ke svorkám polovodičové komponenty přiloženo. V důsledku toho zejména ve vysokonapěčových aplikacích je nutné velký počet polovodičových komponent zapojit do série, aby k žádné komponentě v této .sérii nebylo přiloženo napětí, jehož hodnota je větší než bezpečná hodnota napětí stanovená pro tuto komponentu.

Kromě toho u polovodičových komponent dochází k dalším komplikacím, zejména pokud jde o jejich provedení. Polovodičový materiál jako takový je schopen odolat ve srovnání např. s atmosferickým vzduchem velmi vysoké intenzitě elektrického pole, avšak to neplatí pro izolační materiál, který musí obklopovat polovodičový materiál uspořádaný mezi elektrodami, ke kterým je přiloženo vysoké napětí. To rovněž způsobuje omezení, které spočívá v tom, že při návrhu provedení polovodičové komponenty pro vysokonapěčové aplikace je nutné učinit kompromis velikostí intenzity elektrického polovodičový materiál a mírou obklopujícího izolačního materiálu.

mezi pole stanovenou pro elektrické odolnosti

V některých aplikacích v elektrárnách je ke komponentám zahrnutým v těchto elektrárnách nejen přiloženo vysoké napětí, nýbrž i těmito komponentami protékají vysoké • φφφ «φφφ • φ φφ φφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φφφ · · • ΦΦ «φφφ φφ φ φφ φφ elektrická proudy. Jak je to známé, elektrický proud, který protéká skrze komponentu o určitém odporu, produkuje značné množství tepelné energie {tz. Joulovi ztráty), které je přímo úměrné uvedenému odporu a druhé mocnině proudu. Poněvadž každá polovodičová komponenta má malý, avšak nezanedbatelný odpor, maximální elektrický proud, který múze protékat skupinou polovodičových komponent, je omezen. V případě, že skrze polovodičové komponenty mají být vedeny velmi vysoké proudy, potom je nutné tyto proudy rozložit mezi několik identických paralelních proudových větví. To má za následek, že počet polovodičových komponent se mnohonásobně zvýší.

Jak to vyplývá z výše uvedeného, při'vysokých napětí a vysokých proudech, je nutné použít velké množství polovodičových komponent. V důsledku toho se . sníží spolehlivost provozu elektrárny, ve které je použito uvedené velké množství polovodičových komponent, poněvadž správná funkce této elektrárny závisí na správné funkci všech polovodičových komponent.

Kromě toho v důsledku toho, že je použito velké množství polovodičových komponent v určitém zapojení, musí být provoz individuálních komponent precizně časově sladěn. Chyba v časovém sladění provozu individuálních komponent vede např. k tomu, že k některé individuální komponentě je přiloženo příliš vysoké napětí, což způsobí její poruchu a následně vyřazení z provozu celé elektrárny. Problém související s uvedeným časovým sladěním se samozřejmě zvyšuje v případě, že v elektrárně musí být použito a synchronizováno několik paralelních proudových větví.

Hlavním cílem vynálezu je poskytnout spínací zařízení, které je vhodnější pro ryché spínámí vysokých elektrických výkonu než doposud používané spínací zařízení, a které je srovnatelně nákladné s doposud používanými spínacími zařízeními.

• 4

444 ····

4 4 4 4

444 444

4

44

Vedlejším cílem vynálezu je poskytnout lepší způsob ochrany libovolných elektrických objektů, a tudíž omezení zátěže těchto objektů, a zařízení k provádění tohoto způsobu. Lepší ochrana elektrických objektů má za následek to, že elektrické objekty jako takové nemusí být provedeny tak, aby odolaly působení maximálních zkratových proudů/poruchových proudů během relativně dlouhé doby.

Podstata vynálezu

Ve vynálezu je spínací ústrojí proveden podle význakove části nároku 1. Poněvadž médium vyplňující mezeru mezi elektrodami spínacího prostředku je uvedeno do elektricky vodivého stavu zavedením energie výhodně ve formě záření přímo do mezery mezi elektrodami za účelem ionizace tohoto média/převedení tohoto média do formy plazmy, jsou vytvořeny podmínky pro velmi rychlý provoz spínacího ústrojí podle vynálezu. Ionizace média/převedení média do formy plazmy v mezeře mezi elektrodami způsobuje vytvoření elektricky vodivého plazmového kanálku nebo spouští vytváření elektricky vodivého plazmového kanálku, který má velmi vysokou vodivost tak, aby mohly být přepravovány velmi vysoké proudy během relativně dlouhé doby, aniž by to mělo nežádoucí účinnek na spínací prostředek, což je v přímém protikladu se schopnostmi konvenčních polovodičových prvků.

Podle vynálezu je výše uvedený vedlejší cíl vynálezu dosažen tím, že spínací ústrojí ve formě ústrojí pro omezování nadproudů s pomocí ústrojí pro detekci podmínek nastávajících při přítomností naproudu, je spojeno s elektrárnou pro ochranu určitých elektrických objektů. Spínací ústrojí ve výhodném provedení může být tvořen nadproudovým svodičem pro svádění nadproudů do země nebo jiného prvku elektrárny mající relativně nízký potenciál.

Tudíž v rámci vynálezu je pro ochranu elektrického • 4« «44 «44« v v · · * · • 4 · *44 • 4 · · 4 444

4 4 4 4

4 44 44 objektu použito rychlé spínací ústrojí (v dalším textu bude označováno jako spínací prostředek}, které, aniž by provedlo jakékoliv skutečné přerušení vedení nadproudu, omezuje nadproud do té míry, že objekt, který má být chráněn, je podstatně méně proudově zatížen, v důsledku čehož dochází k nižšímu počtu poruch na tomto objektu. Snížení nadproudu/poruchového proudu znamená, že celkové množství energie zavedené do chráněného objektu je podstatně nižší než při absenci spínacího prostředku podle vynálezu.

Řešeni podle vynálezu založené na spínacím prostředku výhodně splňuje požadavky na dostatečnou ochranu objektu, který má být chráněn. Uvedený spínací prostředek může být velmi rychle spuštěn, v důsledku čehož poruchový proud muže být s velmi krátkým zpožděním sveden skrze spínačový prostředek, když v mezeře mezi elektrodami nastanou elektricky vodivé podmínky. Je nutné upozornit, že spuštěním spínacího prostředku se rozumí v této souvislosti uvedení spínacího prostředku do elektricky vodivého stavu. Vzhledem ke konstrukci spínacího prostředku může být tento spínací prostředek snadno dimenzován tak, aby byl schopen vést velmi vysoké proudy. Za účelem dosažení dostatečné ochranné funkce je zejména žádoucí, aby proud-vodící kanálek, který se vytvoří ve spínacím prostředku, měl velmi nízký odpor, a tudíž objekt, který má být chráněn, byl pokud možno co nejvíce odlehčen od zátěže způsobené poruchovými proudy. Kromě toho spínací prostředek podle nároku 1 může při vynaložení malého úsilí přinucen k činnosti s vysokou spouštěcí spolehlivostí. Spuštění spínacího prostředku tudíž za účelem svedení poruchových proudů pokud možno co nejdříve nesmí nenastat v rozhodující situaci. Kromě toho spínací prostředek může být dimenzován tak, aby měl velmi vysokou elektrickou pevnost v případě, že není spuštěn. V důsledku toho je minimální pravděpodobnost samovolného elektrického průrazu spínacího prostředku. Pro spuštění spínacího prostředku je výhodně použit alespoň jeden laser.

Φ·· φφφ φφφ φφφφ φφφ φ • φφφ · φφφ φ φ • Φ φ ·· φφ

V přiložených nárocích je rovněž v rámci výhodných provedení definován prostředek pro zavádění radiační energie do mezery mezi elektrodami. V jednom provedení za účelem dosažení nej vyšší možné jistoty, pokud jde o uvedení média vyplňujícího mezeru mezi elektrodami do elektricky vodivého stavu, radiační energie je zavedena do dvou nebo více bodu nebo oblastí této mezery. V jiném provedení vynálezu může být prostředek pro zavádění energie proveden tak, aby zaváděl radiační energii podél podlouhlé oblasti v předpokládané vodivé cestě mezi elektrodami. V optimálním provedení 'vynálezu tato podlouhlá oblast může zcela nebo v podstatě zcela přemostit mezeru mezi elektrodami. Ačkoliv je možně v případě zavádění radiační energie do dvou nebo více bodů nebo oblastí zavádět radiační energii do těchto bodů či oblastí, které jsou postupně uspořádány na zamýšlené elektricky vodivé cestě mezí elektrodami, postupně s jistým časovým zpožděním, je v rámci vynálezu obvykle výhodné zavaděč radiační energii do uvedených bodů či oblastí v podstatě současně za účelem okamžitéhu uvedení média vyplňující mezeru mezi elektrodami do vodivého stavu.

Kromě toho prostředek pro zavádění spouštěcí energie může být podle vynálezu uzpůsoben k tomu, aby zaváděl radiační energii do oblasti mezery s trubicovítým tvarem. To je zejména výhodné v případě, že jedna z elektrod zahrnuje otvor, skrze který je radiační energie zaváděna do mezery, a radiační energie je zaváděna od oblasti mezery s trubicovitým tvarem, která se nachází relativně blízko elektrody opatřené uvedeným otvorem.

V alternativním provedení vynálezu prostředek pro zavádění energie může být proveden tak, aby zaváděl radiační energii do množiny v podstatě paralelních podlouhlých oblastí probíhajících mezi elektrodami.

Radiační energie může být rovněž zaváděna do mezery mezi elektrodami příčně vzhledem k- ose elektrod do jednoho * · *·» · · · φ * 9 9 · · · · ··· ··· * · · * · 9 9

999 *··· ·» « ·· ·· nebo více bodů uspořádaných mezi elektrodami.

uvedené spínací ústrojí podle vynálezu může být výhodně použito pro realizaci různých spínacích funkcí, které jsou proveditelné konvenčními prvky z oblasti techniky týkající se polovodičů, to znamená, že pomocí vhodného počtu spínacích ústrojí podle vynálezu je možné sestrojit elektrickou komponentu, která má vlastnosti známé z oblasti techniky týkající se např. polovodičů.

Další výhody a znaky vynálezu, zejména pokud jde o způsob podle vynálezu, budou zřejmé z následujíčího popisu příkladů provedení vynálezu.

Stručný přehled obrázků na výkresech

V následujícím odstavci popisujícími příklady provedení vynálezu budou dělány odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje blokové schéma základního aspektu vynálezu, obr. 2a až 2d zobrazují diagramy vývoje poruchového proudu a energie v případě použití zařízení podle vynálezu a v případě absence zařízení podle vynýálezu, obr. 3 zobrazuje blokové schéma případného provedení zařízení podle vynálezu, obr. 4 zobrazuje možné provedení ustrojí pro omezování nadproudu, obr. 5 až 7 zobrazují modifikovaná provedení ústrojí pro omezování nadproudu, obr. 8 zobrazuje optický systém pro zavádění energie do mezery mezi elektrodami, obr. 9 zobrazuje alternativní optický systém • 9

9 9

9*9 999 * 9 9 9 9 9 ·*9 ···· *9 9 99 9# uspořádaný vedle jedné z elektrod, obr. 10 zobrazuje další modifikaci optického systému uspořádaného tak, aby zaváděl radiační energii kolem jedné z elektrod a souose vzhledem k této elektrodě, přičemž toto uspořádání nevyžaduje otvor v jedné z elektrod, obr. 11 zobrazuje optický systém založený na použití optických vláken, obr. 12 zobrazuje princip refrakce světla generovaného bodovým zdrojem, přičemž tento princip je demonstrován pomocí refrakčního axikonu, obr. 13 zobrazuje princip refrakce světla na refrakčním axikonu v případě kolimovaného laserového svazku, obr. 14 zobrazuje funkci refrakčního axikonu pro generaci podlouhlé ohniskové oblasti mezi elektrodami, obr. 15 zobrazuje graf, z kterého je zřejmé rozložení hustoty energie podél ohniskové oblasti na obr. 18, obr. 16 zobrazuje graf stejný jako graf na obr. 15/ avšak v případě použití difrakčního optického prvku, obr. 17 zobrazuje zaostřeni energie do podlouhlé oblasti pomocí reflexního axikonu, obr. 18 zobrazuje použití difrakčního axikonu (kinoformy) schopného generovat ohniskové oblastí mající různé geometrické tvary, obr. 19 zobrazuje použití zařízení podle vynálezu v elektrárně zahrnující generátor, transformátor a elektrickou silovou síf spojenou s tímto generátorem a transformátorem, obr. 20a a 20b zobrazují způsob zavádění energie do mezery mezi elektrodami příčně vzhledem k ose společné pro obě elektrody, přičemž obr. 20a zobrazuje případ, ve kterém je energie zaváděna do jediného bodu nebo oblasti, zatímco • » • 9 9 9 • 9 9 • 99 9999 99 * 9 * 9 9

9 999 999

9 9

99 99 obr. 20b zobrazuje případ, ve kterém je energie zaváděna do tří bodů nebo oblastí, obr. 21a a 21b zobrazují způsob zavádění radiační energie, při kterém je vytvořeno několik v podstatě paralelních a elektricky vodivých kanálku mezi elektrodami, obr. 22 zobrazují způsob zavádění radiační energie do mezery mezi elektrodami, který je podobný způsobu zobrazeném na obr. 10, obr. 23 zobrazují způsob zavádění radiační energie do mezery mezi elektrodami, při kterém je použita množina individuálních kinoformů (difrakčních optických členů) uspořádaných kolem jedné z elektrod, obr. 24 zobrazuje spínací ústrojí podle vynálezu, které působí jako dvousměrový triak, obr. 25 zobrazuje spínací ústrojí, která působí jako jednosměrný triak, obr. 26 až 28 zobrazují tři rozdílné příklady způsobu realizace funkce dvousměrného triaku pomocí spínacích ústrojí podle vynálezu, z nichž každé zahrnuje spínací prostředek, obr. 29a až 29d zobrazují příklady způsobu realizace funkce tyristoru pomocí spínacího ústrojí podle vynálezu zapojeného do série s jednou nebo více prvky působícími jako diody, obr. 30 a 31 zobrazují příklady způsobu realizace funkce triaku a tyristoru pomocí spínacích ústrojí podle vynálezu, a obr. 32 zobrazuje spínací ústrojí podle vynálezu zapojené do série se spínačem.

• 9 • 9

9 ·♦· 9999 • 9 9 >··

9

9· 99

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je zobrazena elektrárna zahrnují objekt 1, který má být chráněn před účinky poruch, které mohou nastat v této elektrálně. Tento objekt múze být např. tvořen generátorem. Tento objekt je skrze vedení 2 spojen s vnější distribuční sítí 2 nebo s jiným elektrickým prvkem této elektrárny. Je učiněn předpoklad, že elektrárna má takový charakter, že objekt 1 jako takový představuje objekt, který má být chráněn vůči poruchovým proudům ze sítě 3 nebo jiného elektrického prvku elektrárny v případě, že dojde v objektu l k poruše, která má za následek poruchový proud protékající ze sítě 3 nebo jiného elektrického prvku elektrárny směrem k objektu 1, a tudíž poruchový proud skrze objekt. Uvedená porucha může spočívat ve spojení nakrátko, ke kterému došlo v objektu 1. Spojením nakrátko se rozumí vodivé spojení dvou nebo více části, které nemají být spojeny vodivou elektrickou cestou. Spojení nakrátko může být tvořeno, např. elektrickým obloukem. Spojení nakrátko a z zněho rezultující zkratové proudy mohou mít za příčinu vážné poškození a nebo nevratné zničení objektu 1.

Jak to již bylo uvedeno, v případě přítomnosti alespoň některého z uvedeným chráněných elektrických objektů 1 zkratové proudy/poruchové proudy nebezpečné pro tento chráněný objekt mohou proudit od chráněného objektu směrem k síti 3/dalšímu prvku elektrárny. V rámci vynálezu se předpoládá, že uvedená ochrana objektu spočívá nejen v ochraně objektu před externě generovanými proudy proudícími směrem k chráněnému objektu, nýbrž i v ochraně před poruchovými proudy interně generovanými v chráněném objektu, které proudí opačným směrem. To bude podrobněji popsáno v následujícím textu.

2a účelem zjednodušení popisu bude v následujícím textu přijmut předpoklad, že vztahová značka 2 označuje externí elektrickou síč. Nicméně je nutné si uvědomit, že

- - ₉ « v « V 4 • · · · · «··· • · · · · · · ··· ·· • · · · · · · ··· *··· ♦· · ·« . · objekt označený touto vztahovou značkou, může být tvořen jiným prvkem elektrárny, pokud tento prvek způsobuje nadměrné proudy protékající skrze objekt 1, když dojde v tomto objektu 1 k poruše.

Ve vedení 2 mezi objektem i a sítí 2 je uspořádán konvenční přerušovač 4 obvodu. Tento přerušovač 4 obvodu zahrnuje alespoň jeden senzor pro snímání veličiny, která označuje přítomnost nadproudu protékajícího vedením 2. Touto veličinou může být proud/napětí, avšak i jiná veličina, která označuje, že došlo k poruše. Tudíž uvedený senzor může být tvořen např. senzorem pro snímání oblouku nebo senzorem pro snímání zvuku doprovázejícího zkratový proud. Když senzor zjistí, že nadproud přesáhl jistou'předem nastavenou hodnotu^ přerušovač 4 obvodu je aktivován tak, aby přerušil spojení mezi objektem 1 a sítí 3. Avšak tento přerušovač 4 obvodu musí přerušit úplný zkratový proud/poruchový proud. Tudíž tento přerušovač obvodu musí být proveden tak, aby splnil náročné požadavky, které při praktickém použití přerušovače způsobují jeho relativně pomalý provoz. Na obr. 2a je zobrazen diagram, ve kterém na vodorovnou osu je vynesen čas a na svislou osu proud a který znázorňuje situaci, ve které v čase tpor-uc^ došlo k poruše, např. ke spojení nakrátko, přičemž poruchový proud ve vedení 2 na obr. 1 si rychle přisvojí hodnotu ίχ. Tento poruchový proud i₂ se přeruší pomocí přerušovače obvodu 4 v čase t₂, který nastane alespoň v rozmezí 150 ms po čase tj. Obr. 2d zobrazuje diagram, ve kterém na vodorovnou osu je vynesen čas, a na svislou osu druhá mocnina proudu i², tudíž tento diagram znázorňuje množství energie, které se vytvoří v chráněném objektu 1 v důsledku zkratového proudu protékajícího tímto objektem i. Jak je to zřejmé z tohoto obrázku, celkové množství energie zavedené do objektu v důsledku přítomnosti zkratového proudu je znázorněno úplnou plochou vnějšího obdélníku.

V této souvislosti je nutné upozornit, že poruchový • 0 představují • · • · • · ··· ···· • · · · 9 000 000

0

00 proud na obr. 2a až 2c a proudy na obr. extrémní hodnoty. Kromě toho za účelem zachování přehlednosti uvedených obrázků jsou na těchto obrázcích znázorněny proudy pouze jedné polarity.

Uvedený přerušovač 4 obvodu je proveden tak, aby galvanické oddělení bylo ' uskutečněno separací kovových kontaktů. Přerušovač 4 obvodu tudíž obvykle zahrnuje pomocný prostředek pro zhášení oblouku.

V rámci vynálezu vedení 2 mezi objektem l a vypínacím zařízením 4 je spojeno s ústrojím 5.. Toto ústrojí může být označeno za spínací ústrojí. V zobrazené aplikaci funkce spínacího ústrojí spočívá v omezování nadproudů protékajících směrem k zařízení. Toto ústrojí je schopno aktivace pro omezení nadproudů pomocí ústrojí pro detekci okclnoscí doprovázejících přítomnost nadproudů uvnitř časové periody podstatně kratší, než je doba přerušení přerušovače £ obvodu. Uvedené ústrojí 5 je tudíž provedeno tak, aby nemuselo realizovat libovolnou galvanickou separaci. Jsou proto vytvořeny podmínky pro velmi rychlé proudové omezení bez toho, že by došlo k úplné eliminaci proudu protékajícího ze sítě 3 směrem ke chráněnému objektu 1. Oproti případu podle obr. 2a obrázek 2b zobrazuje případ, ve kterém je ústrojí 5 pro omezení nadproudu podle vynálezu aktivováno po výskytu zkratového proudu v čase t_porucha za účelem omezení nadproudu na hodnotu í₂ v čase . Časový interval t_porucha - t₂ tudíž představuje reakční dobu ústrojí 5. pro omezení nadproudu. Poněvadž funkce ústrojí 5. nespočívá v přerušení poruchového proudu, nýbrž pouze v omezení poruchového proudu, toto ústrojí může reagovat extrémně rychle, jak to bude podrobněji níže uvedeno. Jako příklad může být uvedeno, že proudové omezení z hodnoty íj na hodnotu i₂ je provedeno během jedné nebo několika ms potom, co byly zjištěny okolnosti doprovázející přítomnost nežádoucího nadproudu, přičemž další úsilí směřuje k tomu, aby proudové omezení bylo provedeno v • · · ··· ··· • ·' · · · · • · · · · · · • · · · · · ··· ···· ·· · ·· ·· čase kratším než l ms, výhodně kratším než 1 ps. Jak je to zřetelné z obr. i, zařízení dále zahrnuje další přerušovač 6, který je uspořádán ve vedení 2 mezi přerušovačem 4 obvodu a objektem 1. Tento další přerušovač je určen pro přerušení hodnot napětí a proudu nižších, než jsou hodnoty napětí a proudu přerušované uvedeným přerušovačem 4 obvodu, v důsledku čehož tento další přerušovač může být proveden tak, aby měl kratší doby přerušení než přerušovač 4, obvodu. Kromě toho další přerušovač 6 je proveden tak, aby přerušil až po omezení nadproudu protékajícího ze sítě 3. směrem k objektu 1 ústrojím 5. pro omezení nadproudu, avšak podstatně dříve než přerušovač 4 obvodu. Z výše uvedeného je zřejmé, že další přerušovač 6 je spojen s vedením 2 takovým způsobem, že proud omezený ústrojím 5 pro omezování nadproudu je právě ten proud, který protéká skrze další přerušovač a který tudíž má být přerušen tímto dalším přerušovačem.

Obr. 2b zobrazuje činnost dalšího přerušovače 6_. Tento přerušovač je proveden tak, aby přerušil v čase t₃, což znamená, že doba trvání proudu i, omezeněno ústrojím 5. pro omezování nadproudu je vymezena, zejména časovou periodou Vzhledem k tomu energie zavedená do chráněného objektu v důsledku přítomnosti poruchového proudu ze sítě 3 je na obr. 2d zastoupena povrchy vyšrafovanými šikmými liniemi. Z tohoto obrázku je zřejmé značné omezení energie zavedené do chráněného objektu. V této souvislosti je nutné poznamenat, že, poněvadž se podle specifického modelu energie zvyšuje s mocninou proudu, omezení proudu na polovinu vede k omezení energie zavedené do chráněného objektu 1 na čtvrtinu. Obr. 2c zobrazuje způsob proudění poruchového proudu skrze ústrojí 5.

Předpokládá se, že dimenzování ústrojí 5 a dalšího přerušovače 6 je provedeno tak, aby ústrojí 5 omezilo poruchový proud a napětí, které mají být přerušeny pomocí dalšího přerušovače 6, na podstatně nižší hodnoty. V praktickém použití doba přerušení dalšího přerušovače 6 činí

4

4 * »444

4 4

444 444 • 4 4 4 4

4 44 44 ms. Nicméně uvedené dimenzování by mělo být provedeno tak, aby přerušovač přerušil proud až potom, co ústrojí 5 omezilo proud protékající skrze přerušovač £ na alespoň podstatně nižší hodnotu.

Obr. 3 zobrazuje provedení zařízení podle vynálezu. Je nutné uvést, že vynález je použitelný v zapojeních, ve kterých protéká stejnosměrný proud, a v zapojeních, ve kterých protéká střídavý proud. V případě zapojení se střídavým proudem se předpokládá, že vedení 2 tvoří jednu z fází vícefázového systému se střídavým proudem. Avšak je nutné pamatovat na to, že zařízení podle vynálezu může být provedeno tak, že buď všechny fáze jsou chráněny podle vynálezu v případě detekované poruchy nebo pouze ta fáze nebo ty fáze, ve kterých došlo ke vzniku poruchového proudu jsou proudově omezeny. Jak je to zřejmé z obr. 3, úst-rojí 5_ pro omezování nadproudu zahrnuje nadproudový svodič J_ pro svedení nadproudu do země 8 nebo jiného prvku majícího nižší potenciál než siř 3,. Předpokládá se, že uvedený nadproudový svodič 7 je tvořen proudovým svodičem, který rychle vytvoří spojení na krátko se zemí 8 nebo jiným prvkem o nízkém potenciálu, čímž alespoň podstatnou Část proudu protékajícího ve vedení 2 svede do země nebo jiného prvku o nízkém potenciálu, v důsledku čehož tato část proudu nedosáhne objekt 1, který má být chráněn. V případe, že v objektu 1 nastane vážná porucha, např. dojde ke zkratu, při kterém zkratový proud má stejnou velikost jako zkratový proud při spojení nakrátko, které je schopen provést nadproudový svodič 7, může být dosaženo omezení na jednu polovinu proudu protékajícího ze sítě 3. do objektu 1 v důsledku toho, že se nadproudový svodič 7 nachází při poruše v blízkosti objektu 2. Případ na obr. 2b, ve kterém hodnota proudu i₂ představuje přibližně polovinu proudu i_lt je považován za nejhorší případ, který může nastat. Za normálních podmínek nadproudový svodič 7 měl by být schopen vytvořit spojení nakrátko, které má lepší vodivost, než je vodivost *···*·*

příslušející spojení nakrátko, ke kterému došlo při poruše v objektu i, který má být chráněn, v důsledku čehož hlavní část poruchového proudu je svedena do země nebo jiného prvku s nižším potenciálem skrze nadproudový svodič 7. Z výše uvedeného vyplývá, že v případě normální poruchy energie zavedená do objektu X je podstatně menší než energie, která je vyznačena na obr. 2d, v důsledku nižší hodnoty proudu i₂, rovněž i kratší časového rozmezí Je rovněž zřejmé, že je dosaženo jisté ochrany rovněž i v případě, že spojení nakrátko vytvořené uvedeným svodičem má trochu nižší vodivost, než je vodivost příslušná poruchovému spojení nakrátko v objektu X, který má být chráněn.

.Je nutné upozornit, že vztahová značka χ neoznačuje pouze zemi, nýbrž i jiný prvek s potenciálem nižším než má siř 3/další prvek elektrárny. Je tudíž zřejmé, že prvek 8. může být tvořen jinou energetickou sítí nebo jiným, zařízením zahrnutým v elektrárně, přičemž uvedené zařízení má napětí nižší než napětí sítě X/dalšího prvku elektrárny, ke kterému je připojen objekt 1, který má být chráněn.

Uvedený naproudový svodič 7 zahrnuje spínací prostředek uspořádaný mezi zemí 8. nebo prvkem s nízkým potenciálem a vedením 2 mezi objektem X a sítí χ. Tento spínací prostředek zahrnuje řídicí prvek X a spínací prvek

10. Tento spínací prvek je proveden tak, aby byl rozepnut v normálním stavu, tj. ve stavu, při kterém síť X má být izolována vůči zemi. Tento spínací prvek 10 však může být uveden do vodivého stavu pomocí řídicího prvku 9 ve velmi krátké čase za účelem provedení omezení proudu jeho svedením do země.

Jak je to zřejmé z obr. 3, ústrojí pro detekci podmínek příznačných pro přítomnost nadproudú může zahrnovat alespoň jeden a výhodně množinu senzorů XX až XX, které jsou vhodné pro detekci nadproudových situací vyžadujících aktivaci ochranné funkce. Množina senzorů může zahrnovat senzor 13 umístěný v objektu 1 nebo v jeho blízkosti. Kromě toho množina senzorů zahrnuje senzor 11 pro snímání podmínek příznačných pro přítomnost nadproudů ve vedení 2 uspořádaným před spojením ústrojí 5 pro omezování nadproudů s vedením 2. Jak je to rovněž vysvětleno v následujícím textu, je výhodné, aby další senzor 12 snímal proud protékající vedením 2 směrem k objektu 1, který má být chráněn, to znamená proud, který byl omezen ústrojím 5 pro omezování nadproudů. Kromě toho je nutné upozornit, že senzor 12, případně i senzor 13 je schopen snímat proud protékající vedením 2. ve směru pryč od objektu 1, přičemž tento proud může být vyvolán např. energií magneticky uloženou v objektu 1.

Je nutné upozornit, že senzory 11 až 13 nemusí být tvořeny pouze proudovými a/nebo napěťovými senzory. Uvnitř rozsahu vynálezu tyto senzory mohou být tvořeny libovolnými senzory, které jsou schopny snímat libovolné podmínky příznačné pro výskyt poruchy vyžadující aktivaci ochranné funkce.

Zařízení dále zahrnuje řídicí jednotku 14, která v případě, že dojde k poruše, která má za následek vznik poruchového proudu protékajícího směrem od objektu i, vydá řídicí povel k uzavření dalšího přerušovače 6. v případě, že byl dosud otevřen, a k aktivaci ústrojí 5. pro omezování nadproudu, v důsledku čehož zkratový proud může být sveden tímto ústrojím 5 pro omezování nadproudu. V případě, že objekt 1 je například tvořen transformátorem, potom dojde-lí ke spojení nakrátko, které způsobí náhlý tok proudu do tohoto transformátoru, je tento proud detekován, načež je aktivováno ústrojí 5 za účelem svedení tohoto proudu. Když proud protékající směrem k transformátoru 1 byl omezen na žádoucí úroveň, řídicí jednotka 14 aktivuje přerušovač 6. za účelem provedení přerušení, avšak až potom, co se energie magneticky uložená v transformátoru vyjme z transformátoru 1 a svede se skrze ústrojí 5 pro omezování proudu.

! i • · • · • · • 9

9999999

9 9 9 • 9 9 9 ·«· 999 ♦ 9 • 9 99

Jak to již bylo uvedeno, zařízení zahrnuje řídicí jednotku 14. Tato řídicí jednotka je spojena se senzory 11 až 13, ústrojím 5 pro omezování nadproudu a dalším přerušovačem 6. V následujícím textu bude popsána funkce této řídicí jednotky. Když tato řídicí jednotka 14 přijme od jednoho nebo více senzorů 11 až 13 signály zastupující skutečnost, že jsou přítomny nežádoucí poruchové proudy protékající směrem k objektu 1, ústrojí 5 pro omezování nadproudu je bezprostředně aktivováno pro rychlé provedení žádoucího proudového omezení. Řídicí jednotka 14 múze být provedena tak, aby v případě, že senzor 12 vyšle signál zastupující skutečnost, ze proud nebo napětí byl omezen na dostatečnou hodnotu, řídí přerušovač 6 za účelem provedení přerušení tímto přerušovačem v případě, že hodnota nadproudu je pod předem stanovenou hodnotou. Takové provedení řídicí jednotky 14 zajišuje, aby přerušovač nebyl nucen provést přerušení, dokud proud nebyl skutečně omezen na hodnotu, pro kterou je přerušovač dimenzován. Nicméně provedení řídicí jednotky může být případně i takové, že přerušovač je nucen k přerušení v jistém předem stanoveném okamžiku potom, co ústrojí pro omezování nadproudu bylo nuceno k provedení proudového omezení.

Uvedený přerušovač 4 obvodu může zahrnovat detekční ústrojí pro detekci podmínek doprovázejících přítomnost nadproudu nebo tento přerušovač může být řízen řídicí jednotkou 14 na základě informace získané z uvedených senzorů 11 až 13., tudíž řídicí jednotkou, která rovněž řídí provoz ústrojí pro omezování nadproudu.

Jak je to zřejmé z obr. 3, další přerušovač 6 zahrnuje vypínač 15, který má kovové kontakty. Provoz tohoto vypínače 15 je řízen mezi vypnutou a zapnutou polohou akčním členem 16, který je zase řízen řídicí jednotkou 14. Paralelně s tímto vypínačem 15 je zapojeno bočníkové vedení 17, které zahrnuje jeden nebo více prvku 18 , které slouží pro zamezení tvorby oblouků na oddělených kontaktech vypínače 15

• · i · ··· ··· • · ·· ·» uskutečněné tím, že bočníkové vedení 17 je nuceno převzít vedení proudu od kontaktů. Tyto prvky jsou provedeny tak, aby mohly přerušit nebo omezit proud. To je kvůli tomu, aby za normálních okolností prvky 18 ponechaly vodivou cestu v bočníkovém vedení 17 přerušenou, avšak učinily bočníkové vedení 17 vodivým v případě, ze vypínač 15 má být vypnut, v důsledku čehož proud je veden mimo vypínač 15., což má za následek, že nedochází ke vzniku oblouků nebo oblouky případně vytvořené jsou účinně zhášeny. Prvky 18 zahrnují jeden nebo více sdružených, řídicích prvků 19 spojených s řídicí jednotkou 14 pro účely řízení těchto řídicích prvků. V jednom provedení vynálezu uvedené prvky 18 jsou tvořeny řiditelnými polovodičovými členy, např. tyristory GTO, majícími nutně přepěťové bleskojistky 30.

Do série s uvedeným jedním nebo více prvky 13 je zapojen odpojovač 20. pro galvanické oddělení v proudové vodivé cestě vytvořené boČníkovým vedením 17 k objektu 1, který má být chráněn. Tento odpojovač 20 je pres akční Člen 21 řízen řídicí jednotkou 14. Tento odpojovač 20 je na obr. 3 zobrazen tak, že je umístěn v samotném bočníkovém vedení 17. To ovsem není nutné. Uvedený odpojovač 20 může být rovněž umístěn ve vedení 2, pokud zajištuje skutečné galvanické oddělení, sériovým spojením s uvedeným jedním nebo více prvky 18, ve vodivé dráze vytvořené uvedeným sériovým spojením, v důsledku čehož neexistuje žádná možnost pro to, aby proud protékal uvedenými prvky 18.

Činnost výše popsaného zařízení probíhá následujícím způsobem. Při absenci poruchy přerušovač 4 obvodu stějně jako vypínač 15 dalšího přerušovače se nachází v zapnutém stavu. Prvky 18 v bočníkovém vedení 17 jsou v nevodivém stavu. Uvedený odpojovač je zapnut. Uvedený spínací prostředek 10 ústrojí 5 pro omezování nadproudu je vypnut, tj. nachází se v nevodivém stavu. Je samozřejmé, že za této situace spínací prostředek 10 musí mít přiměřenou elektrickou pevnost tak, « · • · • ·· ···· ··· ·♦« • · 9» ·· aby nemohl být samovolně uveden do vodivého stavu. Případné přepřetí, které ve vedení 2 může vzniknout v důsledku atmosferických okolností (úder blesku) nebo spojovacích opatření, tudíž nesmí porušit napštovou pevnost spínacího prostředku 10 v nevodivém stavu. 2a tímto účelem paralelně se spínacím prostředkem 10 je výhodně zapojena alespoň jedna přepěčová bleskojistka 22 . V příkladném provedení na obr. 3 je tato přepěfová bleskojistka uspořádána na obou stranách spínacího prostředku 10. Funkce těchto přepěťových bleskojistek spočívá ve svedení uvedených přepětí, které by jinak znamenaly riziko samovolného elektrického průrazu spínacího prostředku 10.

Jak je to zřejmé z obr. 3, přepěfové bleskojistky 22 jsou spojeny se samotným vedením 2 na obou stranách spojení spínacího prostředku 10 s tímto vedením. Je většinou žádoucí, aby alespoň jedna z uvedených přepěfových bleskojistek byla spojena s vedením pokud možno co nejblíže ke spínacímu prostředku 10 a před tímto spínacím prostředkem,. Jak je to na obr. 3 vyznačeno přerušovanou linií, uvedené přepěčové bleskojistky mohou být spojeny s odbočovacím vedením 26 tvořící elektrické spojení mezi spínacím prostředkem 10 a vedením 2. Tato konstrukce umožňuje integraci spínacího prostředku 10 a alespoň jedné přepěčové bleskojistky 22 do jednoho jediného elektrického zařízení, které může být uvedeno do elektricky vodivého spojení s vedením 2 skrze jedno jediné spojení.

V případě, že byla některým ze sonzorů 11-13 nebo vlastním senzorem přerušovače 4. obvodu (je samozřemé, že informace z vlastního senzoru přerušovače 4 obvodu muže být brána za základ pro řízení ústrojí 5 pro omezení nadproudu podle vynálezu) byla zaznamenána přítomnost nadproudu, a tento nadproud má takovou velikost, že může dojít k vážné poruše objektu 1, přerušovač 4 obvodu je aktivován za účelem přerušení. Kromě toho řídicí jednotka 14 řídí přes řídicí • 99 • 9 ·

999 9999 • 9 ·

99«

9

9· ·· člen 9 ústrojí 5. pro omezení nadproudu za účelem provedení tohoto omezení, tj. uvedení spínacího prostředku 10 do elektricky vodivého stavu. Jak to bylo uvedeno dříve, k tomu muže dojít velmi rychle, tj. ve zlomku doby žádoucí pro provedení přerušení přerušovačem 4 obvodu, což má za následek, že objekt 1, který má být chráněn, je bezprostředně osvobozen od úplného zkratového proudu ze sítě 3 v důsledku toho, ze spínací prostředek 10 svede alespoň podstatnou část, v praktické aplikaci hlavní část, tohoto proudu do země nebo jiné prvku s nízkým potenciálem. V případe, že proud, který protéká směrem k objektu 1 skrze další přerušovač, byl omezen na žádoucí hodnotu, potom po uplynutí předem stanovené doby počítané od aktivace spínacího prostředku 10 nebo po odečtení tohoto proudu ve vedení 2 např. snímačem 12 je akční člen 15. vypínače 15 řídicí jednotkou 14 nucen k přerušení spojení mezi kontakty vypmace 15. Za účelem uhašeni. nebo zamezeni tvorby elektrických oblouků prvky 18, jakými jsou např. tyristory GTO nebo plynové spínače, jsou řídicími prvky 19 nuceny k uvedení boční kovem vedení 17 do vodivého stavu.. Potom, co vypínač 15 byl vypnut, a tudíž došlo ke galvanickému oddělení chráněného objektu l od vedení 2, prvky 18 jsou řídicími prvky 19 nuceny k uvedení bočníkového vedení 17 do nevodivého stavu. Tímto způsobem je proud protékající ze sítě i do objektu i účinně přerušen. Potom, co bočníkové vedení 17 bylo uvedeno do nevodivého stavu, může odpojovač 20 provést galvanické oddělení pomocí akčního členu 21 řízeného řídicí jednotkou 14. Potom, co proběhly výše uvedené oparace, dojde k přerušení provedené přerušovačem 4 obvodu. Je považováno za důležitou skutečnost, že ústrojí 5 pro omezování nadproudů, rovněž i další přerušovač 6 podle prvého provedení má reprodukovatelný provoz. To znamená, že když v důsledku činností senzorů 11-13 přerušovač A obvodu provedl přerušení proudu ze sítě 3., spínací prostředek 10. je opětovně navrácen do nevodivého stavu, přičemž vypínač 15 a odpojovač 20 jsou znovu zapnuty, v důsledku čehož v případě, že v fl flflflfl· fl fl flflfl flflfl flflfl· flfl · • flfl · • flfl flflfl • · • fl flfl následujícím čase přerušovač 4 obvodu obnoví přerušené spojení, potom chráněné zařízení je schopné plného provozu. Avšak je možné předpokládat, že v jiném provedení vynálezu, ústrojí 5 pro omezování nadproudu muže vyžadovat výměnu jedné nebo více části za účelem jeho opětovného uvedení do provozuschopného stavu.

Je nutné upozornit, že v alternativním provedení vynálezu prvek nebo prvky 18 mohou být uvedeny do vodivého stavu, když ústrojí 5 pro omezování nadproudu byl uveden do zapnutého stavu, a to nezávisle na tom, zda je případně potom vypnut vypínač 15. Řízení prvků 18 může být potom, jak to bylo výše uvedeno, provedeno řídicí jednotkou 14 nebo případně na základě řídicí funkce, která je automaticky uskutečněna po uvedení ústrojí 5. pro omezování nadproudu do vodivého stavu.

Obr. 4 zobrazuje prvé provedení ústroji 5. pro omezování nadproudu se spínacím prostředkem 10a. Tento spínací prostředek 10a má elektrody 23 a mezeru 24 mezi těmito elektrodami. Spínací prostředek fná prostředek 25a pro aktivaci mezery 24 mezi elektrodami 23 a pro vytvoření elektricky vodivé cesty mezi elektrodami. Ústrojí 5 pro omezování nadproudu zahrnuje řídicí prvek 9a, skrze který probíhá řízení provozu prostředku 25a řídicí jednotkou 14a. Uvedený prostředek 25a je proveden tak, aby byl schopen způsobit nebo alespoň spustit operaci, ve které se medium vyplňující mezeru 24 mezi elektrodami 23. nebo část této mezery 24 stává elektricky vodivým médiem převedením tohoto média do formy plazmy. Je tudíž podstatné, aby prostředek 25a byl· schopen realizovat velmi rychlou dodávku spouštěcí energie do mezery mezi elektrodami. Je tudíž výhodné, aby spouštěcí energie byla dodávána ve formě radiační energie, která je zase schopna provést ionizaci média/převod media do formy plazmy v mezeře mezi elektrodami.

Prostředek 25a zahrnuje v jednom výhodném provedení • φ φ

φ • Φφφφφφ φφ φ φ φ φ * «φφ φφφ φ φ φφ φφ vynálezu alespoň jeden laser, kterým je do mezery mezi elektrodami zavedena energie, která způsobí ionizaci média/převedení média do formy plazmy v alespoň části mezery mezi elektrodami.

V rámci vynálezu je výhodné, aby jeden nebo více laserů nebo jiný prostředek 25 zavedly energii do mezery 24 mezi elektrodami tak, aby okamžitě nastala ionizace média vyplňující celou mezeru a došlo k převedení tohoto média do formy plazmy, a tudíž aby ss médium vyplňující celou mezeru mezi elektrodami bezprostředně stalo elektricky vodivým. Za účelem úsporného a optimálního použití obvykle dostupných laserů s omezeným výkonem prostředek 25a může být v rámci použití vynálezu proveden tak, aby byl schopen provést ionizaci média/ převedení média do formy plazmy pouze v jedné nebo ve více částech mezery 24 mezi elektrodami. V provedení vynálezu íia obr. 4 prostředek 25a zavádí radiační energii do jednoho jediného bodu nebo oblastí 28. Jak to bude níže popsáno, do rozsahu vynálezu rovněž spadá zavádění radiační energie do množiny bodů nebo oblastí v mezeře . mezi elektrodami, přičemž se tyto body nebo oblasti nacházejí bud' na jedné nebo dvou elektrodách, nebo zavádění radiační energie do jedné nebo více tyčovitých oblastí probíhající nepřetržitě nebo v podstatě nepřetržitě mezi elektrodami.

V důsledku zapojeni spínacího prostředku 10a mezi vedení 2. a zemi 8. (nebo další prvek s nižším potenciálem) , jak je to schématicky zobrazeno na obr. 4, to znamená v důsledku spojení elektrody 23 s vedením 2 a spojením další elektrody se zemí 8, je mezi elektrodami vytvořen napěfový rozdíl, který způsobuje vznik elektrického pole. Toto elektrické pole v mezeře 24 je určeno k tomu, aby způsobilo elektrický průraz mezi elektrodami, potom, co byl prostředek 25a aktivován, tj. způsobil ionizaci média/převedení média do formy plazmy v jedné nebo více částech mezery mezi elektrodami. Na vytvořené ionizované médium/médium převedené

♦ • « • « • 4 ··· ···· do formy plazmy působí elektrické pole tak, aby toto médium přemostilo mezeru mezi elektrodami a tudíž vytvořilo elektricky vodivý kanál s nízkým odporem, tj . oblouk mezi elektrodami 23 . Je nutné upozornit, že vynález není omezen na použití ve spojení s výskytem uvedeného elektrického pole. Tudíž v rámci vynálezu je prostředek 25a schopen vytvořit elektricky vodivou cestu mezi elektrodami dokonce i v případě, že není vytvořeno elektrické pole mezi elektrodami.

Vzhledem k požadavku na velmi rychlé svedení proudu spínacím prostředkem 10a, je v případě, že je ionizováno médium pouze v omezené části, tj. bodové části mezery, žádoucí, aby spínací prostředek byl dimenzován tak, aby intenzita elektrického pole v mezeře 24 byla dostatečně vysoká pro bezpečné sepnutí spínacího prostředku. Na druhé straně však je žádoucí, aby spínací prostředek 10a měl velmi vysokou elektrickou pevnost vůči průrazu média mezi elektrodami v jeho izolovaném klidovém stavu. Intenzita elektrického pole v mezeře 24 by měla být tudíž přiměřeně nízká. To však na druhé straně omezuje rychlost, kterou je spínací prostředek schopen vytvořit mezi elektrodami elektrický oblouk pro svedení proudu. Za účelem dosažení výhodného vztahu mezi požadavkem na spolehlivé sepnutí spínacího prostředku a požadavkem na vysokou elektrickou pevnost vůči nežádoucímu sepnutí spínacího prostředku je v rámci vynálezu výhodné, aby spínací prostředek byl proveden tak, aby, pokud jde o jeho úplné provozní podmínky, elektrické pole v mezeře 24 mělo intenzitu pole ne vyšší než 30 % intenzity pole, při které dochází za normálních okolností k samovolnému průrazu média, které tvoří elektrickou izolaci. To vede k přiměřeně nízké pravděpodobnosti samovolného vytvoření průrazu.

Intenzita elektrického pole v mezeře 24 mezi elektrodami v izolovaném stavu média uvnitř této mezery není vyšší než 20 %, výhodně 10 %, intenzity elektrického pole, ·»· ··· • · * · · · ··· ···· ·· · ·· ·· při které obvykle dochází k samovolnému průrazu. Nicméně za účelem dosažení elektrického pole v mezeře 24 mezi elektrodami, která relativně rychle podpoří vznik elektrického oblouku při aktivaci ionizace média/převodu média do formy plazmy v určité části mezery mezi elektrodami, je výhodné, aby intenzita pole byla alespoň 0,1 %, vhodně alespoň 1 % a výhodně alespoň 5 % intenzity pole, při které obvykle dojde k samovolnému průrazu uvedeného média.

Jak je to zřejmé z obr. 4, mezera 24 mezi elektrodami je uzavřena ve vhodném krytu 32 . Za uvedeným účelem mezera 24 může být vyplněna vakuem, rovněž i vhodným médiem ve formě plynu nebo dokonce i tekutiny. V případě plynu/tekutiny by médium mělo být takové, aby mohlo být ionizováno a převedeno do formy plazmy uvedenou aktivací těchto procesů. V nomto případě by bylo vhodné aktivovat ionizaci média/převedení média do formy plazmy v mezeře 24 v některém miste mezi elektrodami 23 . Nicméně na obr. 4 je zobrazen případ, ve kterém uvedenou mezeru 24 vyplňuje vakuum, nebo, vhodné médium.

Je potom výhodné, aby se aktivace sepnutí spínacího prostředku provedla zaostřením radiační energie emitované z lasepu 25a na obr. 4 na alespoň jednu oblast 28 na jedné z elektrod nebo v blízkosti jedné z elektrod pomocí vhodného optického systému 27. To znamená, že uvedené elektrody působí jako zářič elektronů a iontů pro vytvoření ionizovaného média/média převedeného do formy plazmy v mezeře 24 mezi těmito elektrodami a tudíž pro vytvoření oblouku mezi těmtito elektrodami. Jedna z elektrod může mít, jak je to zřejmé z obr. 4, otvor 29, skrze který je laser 25 schopen pomocí optického systému 27 emitovat radiační energi k uvedené oblasti 28.

Obr. 5 zobrazuje modifikaci spínacího prostředku 10b, ve kterém laser 25 pomocí optického systému 27b zaostřuje radiační energii do aktivační oblasti 28b, která se nalézá mezi elektrodami a ve středu vzdálenosti mezi těmito

9 9«

9 ♦ 9 * · 9 ·

9999999 99

9 9 9 * f ·|· 999

9 9 • 99 ·9 elektrodami. V důsledku, toho je plazma po aktivaci rozvíjena z této oblasti za účelem přemostění elektrod.

Na obr. 6 je zobrazena další modifikace spínacího prostředku 10c, ve které narozdíl od spínacích prostředků zobrazených na obr. 4 jsou mezi elektrodami 23c uspořádány pomocné elektrody 31, které mají výhodně formu prstence, takže paprsek emitovaný laserem 25c může procházet skrze tyto pomocné elektrody 21- Funkce těchto elektrod 31 spočívá ve vyhlazení elektrického pole mezi elektrodami 23c, přičemž tyto elektrody mohou být vzájemně izolovány, tj. mohou mít volný potenciál. Tyto pomocné elektrody zlepšují bezpečnost spínacího prostředku vůči samovolnému průrazu média v mezeře mezí elektrodami, omezují rozměry spínacího prostředku a snižují citlivost vůči působení vnějších polí. Kromě toho na pomocné elektrody může působit laserový svazek paprsků/laserový impuls, přičemž pomocné elektrody mohou být provedeny tak, aby emitovaly volné náboje, které dále podporují aktivaci spínacího prostředku.

Obr. 7 zobrazuje další modifikaci spínacího prostředku lOd, ve které jsou rovněž uspořádány pomocné elektrody stejně, jako je tomu ve spínacím prostředku 10c s tím rozdílem, že laserová energie je laserem 25d pomocí optického systému zaostřena do oblasti, která se nachází mezi elektrodami a ve středu vzdálenosti mezi těmito elektrodami stejně, jako tomu je ve spínacím prostředku 10b.

Je samozřejmé, že za účelem dosažení výše uvedených intenzitu spínacího musí být pole mezi prostředku, přiměřeně žádoucích podmínek kladených na elektrodami 23 v izolovaným stavu vlastnosti spínacího prostředku přizpůsobeny k použití spínacího prostředku, tj. k napěťovým podmínkám, které nastanou mezi elektrodami 22- Mezí tyto vlastnosti patří provedení elektrod, vzdálenost mezi elektrodami, medium vyplňující prostor mezi elektrodami a přítomnost dalších konstrukčních prvků, které ovlivňují pole • · •

ftft φ ft • · ft * • ftft ft ftftft ftft ft • ftftft • * mezi elektrodami.

V rámci vynálezu mohou být použity difrakční optické prvky. Difrakční optické prvky jsou takové optické prvky, ve kterých čelo světelné vlny, které udává směr síření světelného záření, postupuje mechanismem difrakce a nikoliv refrakce. Specifický typ difrakčního optického prvku moduluje pouze fázi světla a nikoliv amplitudu, v důsledku čehož prvek tohoto typu má velký činitel prostupu.. Čistě fázová modulace může být dosažena poskytnutím povrchu optického prvku s reliéfní strukturou, přičemž výška reliéfu by měla být stejného řádu jako vlnová délka za účelem dosažení optimální funkce komponenty. Další způsob fázové modulace spočívá v modulaci indexu lomu optického prvku, avšak provedeni této modulace je obtížné. Uvedené difrakční optické prvky mohou být vyrobeny holografickými technikami, které však neumožňují realizovat libovolnou optickou funkci. Pružnější výrobou optických prvků je výroba pomocí počítačové techniky, ve které optické funkce mohou být vypočteny pomoci počítače. Tímto způsobem může být realizována v podstatě zcela libovolná optická funkce, avšak tyto optické funkce je často nemožné dosáhnout konvečními refrakčními .a reflexními optickými prvky. Tudíž výsledný Čelní povrch je převeden do reliéfu, např. litografií používající svazek elektronů nebo optickou litografií, přičemž obě tyto techniky jsou dobře známé v oblasti techniky týkající se polovodičů. Prvky s reliéfními povrchy, které jsou počítačově generovaný a regulují fázy světla, jsou často označovány jako kinoformy. Jako dobře známý příklad může být uvedena Fresnellova čočka. Tato čočka stejně jako všechny difrakční optické prvky muže být provedena jako binární struktura zahrnující pouze dvě reliéfní úrovně nebo jako víceúrovňový reliéf poskytující podstatně lepší difrakční účinnost (funkční účinnost optického prvku).

Obr. 8 zobrazuje provedení vynálezu, jehož základem * 4 4»

4 4 ** · 4 ·

444 4444 ··

4 4 4*

4 444 444

4 ·

44 ·« je optický systém 27e zahrnující čočkový - systém 35., skrze který jsou laserové impulsy dopadající na tento systém přenášeny na difrakční optický fázový prvek 36, t j . kinoform. Tento prvek je proveden tak, aby měl množinu ohniskových bodů 28e aktivovaných jediným dopadajícím laserovým impulsem. Tyto ohniskové body 28e jsou distribuovány podél osy symetrie mezi elektrodami 23e. V důsledku distribuce ohniskových bodů 28e podél linie mezi elektrodami 23e je spolehlivě vytvořena elektricky vodivá cesta mezi elektrodami, čímž se myslí, že je vysoká pravděpodobnost spuštění procesu vedoucího k vytvoření této elektricky vodivé cesty při pokud možno co nejnižší intenzitě napětí/elektrického pole a pokud možno co nej kratším časovém zpoždění.

Kinoform 36 má nízkou absorpci, a tudíž je odolný 'vůči extrémně vysokým optickým energetickým hustotám. Vzhledem k tomu je kinoform vyroben z dielektríckého materiálu tak, že do značné míry nenarušuje elektrické pole mezi elektrodami.

V provedení vynálezu na obr. 8 radiační energie je vedena skrze otvor 29e v jedné z elektrod, jak to bylo uvedeno dříve. Obr. 9 zobrazuje modifikaci vynálezu, která se liší od provedení vynálezu na obr. 8 tím, že difrakční optický prvek (kinoform 3Sf) je umístěn radiálně vně jedné z elektrod 23f. Optický prvek 36f je stejně jako v provedení na obr. 8 proveden tak, aby vychyloval laserové světelné paprsky a zaostřoval je do množiny bodů distribuovaných podél žádoucí elektrické vodivé cesty mezi elektrodami. Každý svazek paprsků tvořící bod 28f má vlastní úhel vychýlení. Tudíž svazky paprsků musí urazit různé vzdálenosti k příslušným bodům 28f. Výhodou umístěni kinoformu 36f podle obr. 9 na straně jedné z elektrod je to, že se kinoform nachází vně elektrického pole s nejsilnější intenzitou, v důsledku čehož k narušení pole dochází v minimální míře. Kromě toho provedení elektrod je zjednodušeno, poněvadž není žádoucí • 0 • 0 • 0 • ·

0·0 0000 • 0 0* 000 000

0 • 0 ·· otvor v jedné z elektrod pro průchod laserového světla.

Obr. 10 zobrazuje provedení vynálezu, ve kterém laser 25a vysílá laserové záření skrze optický systém 27q symetricky do množiny ohniskových bodů 23g distribuovaných podél délky mezery mezi elektrodami bez toho, že by byl žádoucí otvor v jedné z elektrod 23a. Optický systém 27g zahrnuje prisma nebo dělič 37 paprsků uspořádány tak, aby vychyloval laserové svazky paprsků kolem přilehlé elektrody 23q. Kolem této elektrody 23q je poskytnut jeden nebo výhodně více kiniformů 36g (difrakčních optických prvků) provedených tak, aby zaostřovaly, případně s pomocí dalších optických čoček, laserový svazek paprsků do žádoucích ohniskových bodů 28σ, v důsledku čehož je v těchto ohniskových bodech médium převedeno do formy plazmy.

Obr. 11 zobrazuje modifikaci vynálezu, xtere laserový svazek paprsků je veden optickým systémem 27h zahrnujícím optická vlákna 38 pro vytvoření ohniskových bodů 28h nacházejících se mezi elektrodami 23h. Optická vlákna 38 mohou být provedena tak, aby emitovaly svěclo skrze optické čočky 39.

Obr. 12 zobrazuje základní princip kónické čočky, tzv. axikonu. Axikonem se rozumí každý optický prvek, který je symetrický kolem osy otáčení a je schopen vychýlení světla mechanismem refrakce, reflexe, difrakce nebo kombinací těchto mechanismů z bodového zdroje na ose symetrie tohoto prvku tak, že světelné svazky se protínají s touto osou symetrie ne v jediném bodě, jak tomu je u konvenčních sférických čoček, nýbrž v bodech tvořících nepřetržitou linii ve značném rozsahu této osy.

Jak je to zřejmé z obr. 13, kolimované (nedivergující} světelné svazky jsou vychylovány axikonem pod stejným úhlem. V důsledku toho, že axikon je symetrický kolem osy otáčení, každý z těchto světelných svazků protíná osu • · · · ··· ··· • · · · · · · ··· ···· ·· · ·· ·· symetrie ve stejném bodě.

Jak je to zřejmé z obr. 14, pomocí axíkonu 36i může být světlo zaostřeno do podlouhlé ohniskové oblastí 28i nalézající se mezi elektrodami 23i. Tato podlouhlá ohnisková oblast v jednom provedení vynálezu nepřetržitě vybíhá všemi směry mezi elektrodami, avšak rovněž muže vyplňovat pouze část mezery mezi elektrodami. Obr. 15 zobrazuje závislost intenzity na vzdálenosti bodu v ohniskové oblasti od jedné z elektrod. Plná křivka zobrazuje distribuci intenzity v závislosti na osvětlení se světelnými paprsky, které originálně měly Gausovu distribucí intenzity, zatímco přerušovaná linie zobrazuje distribuci intenzity v závislosti na osvětlení s konstantní distribucí intenzity. Je nutné upozornit, že vynález není omezen pouze na uvedené axikony, které jsou čistě lineárně kónické. Tudíž axikony, jejíchž plášťové povrchy se odchylují od plášťů lineárního kužele a které mají přímý vliv na distribuci intenzity v ohniskových oblastech, rovněž spadají do rozsahu vynálezu.

Z obr. 16 je zřejmé, že stejnou ohniskovou oblast 28k jako ohniskovou oblast 29i na obr. 14 lze dosáhnout pomocí difrakčního optického prvku 36k, tj. kinoformů.

Z obr. 17 je zřejmé, že podlouhlá oblast 28m v mezeře mezi elektrodami může být dosažena pomocí axikonu, zejména reflexního axikonu.

Obr. 18 zobrazuje provedení vynálezu, ve kterém kinoform, zejména difrakční axikon 36n, je proveden tak, aby poskytoval ohniskové oblasti 28n a 28ri' mající různé tvary.

Jak je to zřejné ze zobrazeného příkladu, ohnisková oblast 28n má podlouhlou formu a nachází se na ose symetrie axikonu 36n a elektrod. Naproti tomu, ohnisková oblast 28n' má trubicovitý průřez. Tento trubicovitý průřez je výhodný v případě ohniskové oblasti nejbližší k elektrodě 23n s otvorem 29n, poněvadž obvod trubicovíté ohniskové oblasti 23n se • · · * · ·«·· • · · » · · · ··· ··· • · · · · · · ··· ··«· »· ·· ·· nalézá relativně blízko k okrajům otvoru 29n elektrody 23n.

Obě ohniskové oblasti 28n a 28n na obr. 18, mají v podstatě konstantní intenzitu podél osy symetrie, avšak ve směru kolmém k této ose symetrie distribuce intenzity, pokud jde o ohniskovou oblast 28n, má v podstatě průběh Gaussovi křivky nebo tvoří Besselovu funkci.

* Výhoda použití zcela nebo v podstatě kónických nebo difrakčních souose zaostřujících prvků, např. prvků na obr, * 8, 9, 10, 14, 16, 18, spočívá v tom, že podél účinného směru šíření radiační energie, který je tvořen přímou linií, médium nejdříve převedené do formy plazmy, ' tj . médium v oblasti nejbližší k elektrodě, ze které je vedena radiační energie, f

nestíní, neodráží nebo jinak vážně neovlivňuje radiační enegii zaostřenou do bodů nebo oblastí, které se nacházejí dále od elektrody, ze které je vedena radiační energie. Tento stínící účinnek média nejdříve převedeného do formy plazmy by jinak mohl být na překážku radiační- energii vedené do vzdálenějších ohniskových bodů nebo oblastí. To je v důsledku toho, že plasma má vysokou schopnost odrážet nebo absorbovat radiační energii.

Obr. 19 zobrazuje zapojení, ve kterém generátor lb je spojen s energetickou sítí 3a přes transformátor la. Objekty, které mají být chráněny, jsou tudíž tvořeny transformátorem la a generátorem lb. Jak je to zřejmé z obr. 19, ústrojí 5a ·> pro omezování nadproudu, další přerušovač 6a a obvyklý přerušovač 4a obvodu jsou vůči transformátoru la uspořádány * stejně, jako jsou tytéž prvky uspořádány vzhledem k chráněnému objektu la v zapojení na obr. 1. Za účelem pochopení tohoto uspořádání je tudíž pouze učiněn odkaz na popis obr. 1. To samé platí rovněž i pro provoz ústrojí 5c pro omezování nadproudu a dalšího přerušovače 6c vůči generátoru lb. -Generátor lb proto v tomto případě představuje objekt 1 na obr. 1, zatímco transformátor la představuje další prvek 3 v elektrárně na obr. 1. Ústrojí 5c pro

Β t ··· · Β · Β

Β Β Β Β · · Β ΒΒ· ΒΒΒ • « · Β Β Β Β

ΒΒΒ ΒΒΒΒ ΒΒ Β Ββ ·· omezování nadproudu a další přerušovač 6c tudíž v kombinaci s konvenčním přerušovačem 4b obvodu jsou schopny chránit generátor lb proti nadproudu z transformátoru la.

Zapojení na obr. 19 dále zahrnuje další ústrojí 5b pro omezování nadproudu sdružený s dalším přerušovačem 6b. Jak je to zřejmé z obr. 19, ústrojí 5a a 5b pro omezování nadproudu jsou tudíž uspořádány na obou stranách transformátoru la. Je nutné upozornit, že další přerušovače Sa a 6b jsou zapojeny mezi uvedené ústrojí 5a a 5b pro omezení nadproudu a transformátor la. Další ústrojí 5b pro omezování nadproudu slouží k ochraně transformátoru la před naproudem protékajícím do transformátoru z generátoru lb. Přerušovač 4b obvodu je schopen přerušit tok nadproudu protékajícího mezi objekty la a lb, a to nezávisle na tom, kterým směrem nadproud protéká.

Obr. 20 schématicky zobrazuje další způsob zavádění radiační energie do mezery mezi elektrodami 23o pomoci jednoho nebo více laserů 25o. Tento způsob spočívá v tom, že jeden nebo více laserů 25o zavádí příčně k ose sysmetrie mezi elektrodami 23o radiační energii do jednoho nebo více bodu či oblastí 28o. Použitím množiny rozdílných laserů 25o může být do mezery mezi elektrodami zavedeno velmi vysoké množství energie za účelem převedení média vyplňujícího tuto mezeru do formy plazmy.

Obr. 21b zobrazuje boční pohled na množinu paralelních elektricky vodivých kanálků vytvořených mezi elektrodami 23p. Z obr. 21a, který zobrazuje půdorysný pohled na uvedenou množinu elektricky vodivých kanálků, je zřejmé, že uvedené kanálky jsou uspořádány v jedné řadě. Nicméně je možné uspořádat elektrické vodivé kanálky z uvedené množiny nejen do řad, nýbrž i do zástupů mezi elektrodami. Současný výskyt množiny elektricky vodivých kanálků zvyšuje kapacitu spínacího prostředku, pokud jde o jeho vodivost.

• · · * · · · · · • · · * · 9 999 999

9 9 9 9 9 9

999 9999 99 · ·· ··

Obr. 22 zobrazuje modifikaci vynálezu, ve které optický systém 27q zahrnuje axikon (refrakční nebo difrakční), který rozděluje záření vyslané z laseru nebo z podobného zařízení na Části, které jsou vedeny do difrakčních prvku (kínoforem 36q). Tyto kinoformy jsou rozmístěny kolem jedné z elektrod, zejména kolem elektrody 23q na obr. 22. Na obr. 23 je perspektivně zobrazena konstrukce stejná jako na obr. 22. Jak je to zřejmé z obr. 23, kolem elektrody 23q jsou uspořádány např. čtyři kinoformy 3 6cr tak, aby zaměřily radiační' energii mechanismem difrakce do množiny bodu nebo oblastí 28c nacházejících se podél osy symetrie elektrod. Použití několika diskrétních kínoforem 36c se považuje za jednodušší a nenákladný způsob zavádění radiační energie do mezery mezi elektrodami, něž použití kontinuálních prstencových kínoforem.

Polovodičové prvky, např. tyristor, triak, GTO, IGBT, se v současné době obvykle vyskytují v silnoproudých systémech, ve kterých se používají zejména jako elektronické ventily pro regulaci, tj. vedení nebo přerušení, toku elektrického proudu.

Dokonce i v případě, že polovodičové prvky mají vysokou účinnost, dobrý výkon a nejsou relativně nákladné v důsledku moderních výrobních metod, se vyskytují při použití,zejména v silnoproudých systémech s velmi vysokým elektrickým napětím, problémy, které jsou odstraňovány komplikovaným a nákladným způsobem.

V následujícím textu budou uvedeny alternativy těchto polovodičových prvků, přičemž tyto alternativy mají jednodušší provedení se značně menším počtem dílčích prvků a jsou méně nákladné. Kromě toho tyto alternativy tvoří ventilové prvky, které jsou odolnější vůči značně vysokým napětím, než odpovídající polovodičové prvky. Mimoto tyto alternativy mohou snášet téměř neomezené elektrické proudy a proudové hustoty.

• · · • · · * • · · ······· • · · · · * • · · ··· ··· * · * ·

V oblasti silnoproudé elektroniky mají polovodičové prvky široké použití. V této oblasti se polovodičové prvky obvykle používají v konvertorech. Konvertorem se rozumí funkční jednotka zahrnující polovodičové jednotky (elektronické ventily) a nutné vnější zařízení pro změnu jednoho nebo více parametrů silnoproudého systému. Tudíž tento konvertor může měnit napětí, proud, frekvenci a počet fází. Rovněž elektronické spínače mohou být považovány za konvertory.

Za konvertor (proudový přesměrovač) může být rovněž považováno zařízení pro spojení stejnosměrného systému se střídavým systémem. V případě směru toku proudu ze střídavého systému do stějnosměrného systému konvertor působí jako usměrňovač. V případě směru toku proudu ze stejnosměrného systému do střídavého systému alternátor. Konvertor propojující druhým střídavým systémem je označován za měnič frekvence, který mění střídavý signál na jiný střídavý signál s libovolným vztahem mezi frekvencí, amplitudou, fází a fázovým posunem, rovněž i počtem fází napětí. Konvertor propojující jeden stejnosměrný systém s jiným stejnosměrným systémem přeměňuje jedno stejnosměrné napětí na jiné stejnosměrné napětí.

Elektronický spínač může být proveden jako střídavý spínač nebo stejnosměrný spínač. Tento spínač může být použit pro spojení nebo odpojení zařízení nebo pro regulaci nebo kontrolu činného nebo jalového výkonu.

konvertor působí jako jeden střídavý systém z

Elektronický ventil je regulovatelný v případě, že může z blokovacího stavu (vypnutého stavu), který se vyznačuje vysokým napětím a nízkým proudem, přejít do vodivého stavu (zapnutého), který se vyznačuje nízkým napětím a vysokým proudem. Vysoká účinnost elektronických konvertorů závisí na této bistabilní funkci ventilů. Ventil může být buď stabilní, přičemž jako příklad může být uveden tyristor, nebo • ···· ···· · * · * * · ·· ··« · · · · · · ··» ···· ·· « ·· ·· regulovatelný tak, aby působil bistabilně, přičemž jako příklad může být uveden tranzistor.

Terminologie polovodičů není bohužel zcela jednotná. Velké množství různý polovodičových prvků, které mohou být úplně nebo částečně nahrazeny prvkami, které jsou předmětem vynálezu, je možné nalézt v kompilaci IEC: International * Electrotechnlcal Dictionary a v publikaci 60050-551 IEV: Power Electrotechnik. Jako příklady dosavadního stavu • techniky je možné uvést publikaci Modern Electronics”, Bose et al, IEEE Industrial Electronics Society, ISBN:0-87942-282-3, a publikaci Power Electronics- in Theory and Practice of K. Thorborg, Charterwell-Brat, ISBN: 0-86238-341-2. 2 dostupných polovodičových prvků popsaných v uvedených publikacích mohou být uvedeny následující prvky: tyristor, dioda, triak, tyristor vypínaný hradlem, bipolární tranzistor, tranzistor s impulsovou šířkou modulace, tranzistor MOSFET, tj. polem řízený tranzistor s hradlem izolovaným oxidem, bipolární tranzistor s .izolovaným hradlem, statický indukční tranzistor, statický indukční tyristor, regulovaný tyristor MOS, apod..

Tyristor je vypnut (převeden do blokovacího stavu), když jeho proud dosáhne nulové hodnoty působením externího prostředku. V alternátorech s vlastní komutací jsou ventily vypínány vypínacími obvody zahrnujícími kondenzátory, induktory a odpory. Tyristor je převládajícím polovodičovým prvkem pro silnoproudé a vysokonapěťové aplikace.

Tyristor je definován jako polovodičový prvek mající bistabilní funkci. Tyristor zahrnuje tři tranzistory typu pn. Tyristor může být sepnut z vypnutéhp stavu do zapnutého stavu a naopak v jednom nebo ve dvou směrech. Nejběžněji používaný tyristor je tzv. triodový zpětně závěrný tyristor. Tento tyristor má tři vývody, a to anodu, katodu a hradlo. Při absenci řídicího impulsu na hradle, tyristor blokuje proudový tok v obou směrech. Při přiložení napětí k tyristoru tak, že • * • lil·· • · · · ι • 11 1111 44 * • 4 4 ·

444 444

4 ·· kladný potenciál je na anodě a záporný potenciál na katodě, je tyristor ve vypnutém stavu a blokuje napětí. V případě, že přiložené napětí má opačnou polaritu, potom se tyristor nachází v závěrném stavu a zpětně blokuje napětí.

Svodové proudy v reverzním a blokovacím stavu se zvyšují s velikostí tyristoru a teplotou, přičemž pro velmi rozměrné tyristory mohou dosahovat až k několika stovkám mA.

Když tyristor je aktivován zavedením proudového nebo napěťového impulsu s přiměřenou amplitudou a dobou trvání do hradla, tyristor se sepne z vypnutého stavu do zapnutého stavu, v důsledku čehož může proud téci v dopředném směru z anody do katody.

Napětový úbytek (napětí na tyristoru), tj . napětí v propustném stavu, je typicky 1 až 2 v pro normální hodnoty proudu v propustném stavu.

V případě, že blokovací (v dopředném směru anoda ke katodě) napětí překročí průrazné napětí specifikované pro daný tyristor, potom tyristor samovolně přechází z blokovacího stavu do propustného stavu. Toto samospouštěcí napětí může vážně poškodit tyristor a tudíž nemělo by nikdy překročit hodnotu průrazného napětí.

Ve vysokonapěťových aplikacích, ve kterých systémové napětí podstatně překračuje maximální hodnotu, kterou může snášet individuální tyristorový prvek, musí být několik tyristorů spojeno do série nebo do kaskády. Za účelem dosažení přiměřeného rozložení napětí mezi tyristory spojené do série, každý z těchto tyristorů musí být opatřen individuálním RC-obvodem a odporovým děličem napětí. Uvedený RC obvod působí jako přechodný napěťový dělič a odpor rozděluje blokovací resp. závěrná napětí na přibližně stejné napěťové rozdíly na jednotlivých tyristorech nehledě na skutečnost, že rozdílné tyristory mají rozdílné svodové proudy. Kromě toho odpory vytvářejí stejně veliká napětí na « · · · ··· »· konder.zátorech v RC-obvodech. Pro tyristory spojené do série je velmi důležité, aby spouštěcí impulsy všech tyristorů byly současně přivedeny k těmto tyristorům a měly identické amplitudy. Odchýlení od současného spouštění tyristorů vede k předpětí na tyristorů, který je spuštěn (stává se vodivým) jako poslední v důsledku proudu, který protéká skrze RC-obvod tohoto tyristorů a skrze ostatní tyristory. Je často žádoucí, aby v některých aplikacích, zejména ve vysokofrekvenčních aplikacích, byly použity pouze tyristory, které jsou vzájemně uzpůsobeny, zejména co se týče výkonu těchto tyristotů. Tato skutečnost komplikuje konstrukci a zvyšuje náklady na tuto konstrukci.

Triak je dvoj směrný tyristor, to znamená, že má dva blokovací směry nebo propustné směry. Triak je ekvivalentní s dvěma tyristory zapojenými antiparalelně a majícími společné hradlo. Triak je na začátku v blokovacím stavu. Přechod do propustného stavu je však řízen negativním, rovněž i pozitivním impulsem na hradlu a tohoto přechodu může být dosaženo pro obě polarity triaku. Technické výkony' triaku odpovídají nej častěji výkonům tyristorů, který má odpovídající velikost a výkon. Triak má vůči tyristorů určitá omezení, která jsou způsobena tím, že triak nemá stejně krátký náběh a doběh jako tyristor a rovněž nemá stejnou odolnost vůči přechodovým napětím (dU/dt). Tudíž triaky jsou nejvíce používány v napěéových regulátorech, které mají odporové zatížení, a pro síbové frekvence, u kterých nedochází k rychlému kolísání proudů a napětí. V důsledku toho, že triak je dvousměrný prvek a že vyžaduje pouze jeden jediný chladící prvek, rovněž i jednu jedinou jednotku pro spouštění impulsem, triak poskytuje, zejména pro silnoproudé aplikace s nízkými hodnotami, jednoduchou a relativně málo nákladnou konstrukci. Tyristory spuštěné světlem přirozeně mají velký význam pro vysokonapěúové aplikace, např. pro použití ve vysokonapěfových systémech se stejnosměrnými proudy a v systémech, ve kterých jsou tyristory spínány fází

» » « 4 • 4·4 ·4·

4

4« 4· kompenzačních systému. Hlavním důvodem je vysoký požadavek na elektrickou izolaci. Kromě toho je omezeno riziko výbojů v tyristorech, tj. spontální převedení tyristorů do propustného stavu v důsledku šumu spojeného s hradlem tyristorů. Světelné impulsy jsou do tyristorů přivedeny skrze světelný vodič z řídicí jednotky se zemním potenciálem. Poněvadž světelný vodič je vyroben z dielektrického materiálu, může být dosažena dostateční izolace vůči vysokému napětí.

Nicméně světelná energie, která může být převedena světelnými vodiči, je omezena a existuje riziko, že tyristorový systém dosáhne velkého zpoždění, co se týče řídicího signálu, a tudíž nízkého přírůstků rychlosti proudu v propustném směru, pokud tyristor není opatřen mnohem komplikovanější řídicí strukturou mající zesilovací funkci pro signál finálně přivedený na hradlo tyristorů. Avšak taková struktura má za následek -opět vyšší citlivost tyristorů vůči šumu, který může být spojen s hradlem a vede k nežádoucím sepnutím tyristorů. Laserem aktivované plazmové spínače mohou splňovat stejné funkce jako množina silových polovodičů a v některých případech mají vůči těmto polovodičům velké technické a ekonomické výhody. V následujícím textu bude popsána funkce laserem-aktivovaného plasmového spínače podle vynálezu působícího jako triak. Laserem-aktivovaný plasmový spínač, který je založen na krátkodobém zkratování plynem-naplněné mezery mezi elektrodami podlouhlým ionizovaným a elektricky vodivým kanálkem generovaným laserovým světlem, má zejména následující velké výhody:

Vzdálenost mezi elektrodami zahrnutými v systému elektrod může být učiněna tak velká, aby nenastaly problémy s rozměrováním a provedením externích elektrických izolačních systémů. V důsledku toho je konstrukce spínače značně zjednodušena a náklady na výrobu spínače jsou sníženy.

Další výhoda, která je podstatně významnější, spočívá • * · * * v « v v • φ · · · · · ··· ··· • · ♦ · ♦ · · ··· ···· ·» * ·· ·* v tom, že v podstatě neexistují žádná omezení, pokud jde o maximální proud, který může být veden plazmovým spínačem, když byl uveden do vodivého stavu laserovou aktivací. K

-J v laserovým který rychle dochází kanálku,

Tento elektrický oblouk vedení elektrického proudu světlem-generovaném ionizovaném přechází do elektrického oblouku nemá žádná podstatná omezení, pokud jde o maximální proud, který protéká obloukem, a tudíž neexistuje žádná maximální hranice pro proudovou hustotu, jaká existuje u polovodičových prvků. Když se velikost proudu zvýší, elektrický oblouk si udržuje energeticky výhodnou proudovou hustotu radiální expanzí. Žádnou podobnou samoregulující funkci nemají polovodičové komponenty.

Třetí základní výhoda spočívá ve skutečnosti, že plazmový spínač může být dimenzován pro velmi vysoká napětí a tudíž může být tvořen' pouze jedním jediným prvkem. Ve srovnání se zapojením množiny polovodičových prvků, které má stejnou funkci a je určeno pro stejně vysoká napětí, to vede ke značnému snížení složitosti nejen konstrukce samotné, která menusí zahrnovat velké množství přesně zapojených polovodičových prvků, nýbrž i k drastickému omezení požadavku na vzájemné časování těchto prvků.

Podstatné snížení počtu aktivních prvků v aplikaci ve srovnání s odpovídající aplikací dosaženou polovodičovými prvky vede ke zvýšení spolehlivosti. Kromě toho jsou dosaženy nižší elektrické ztráty, omezené náklady na zařízení a méně komplikovaný řídicí systém.

Další významnou výhodou je to, že sepnutí může být provedeno velmi rychle, tj. během několika stovek mikrosekund, což zvyšuje možnost přesné modulace.

Plazmový spínač ve funkci triaku • 9 9 9

999 9·· «999 · 9 9 9 9

9 «99

999999 99 9 * 9 9« 99

Spuštění laserem v podlouhlé ohniskové oblasti umožňuje sepnutí spínače z vypnutého stavu do zapnutého stavu v libovolném časovém okamžiku. Při vhodné kombinaci konstrukce spínače, vzdálenosti elektrod, tlaku plynu, složení plynu, dílčích tlaků dílcích plynů a celkové konfigurace krycí nádoby má plazmový spínač podle vynálezu vlastnosti identické s vlastnostmi triaku. V případě, že spínač není dosud aktivován, nachází se v blokovacím nepropustném vypnutém stavu. Tato blokovací vlastnost je dvousměrná, tj. prvek elektricky izoluje napětí o obou polaritách přiložené k plazmovému spínači. V případě spuštění je plazmový spínač téměř okamžitě převeden do vodivého propustného stavu, ve kterém zůstává, pokud proud v elektrickém oblouku je udržován r.a jisté předem stanovené specifické hodnotě, a pokud napětí na elektrodách plazmového spínače jsou udržovány nad jistou, rovněž předem stanovenou specifickou hodnotou. Rovněž zenzo propustný stav je dvousměrný, tj. plazmový spínač může být učiněn vodivým prc obě polarity aktivací laserem. Provedení spínače se spouštěním radiační energií je schématicky zobrazeno na obr.

24. Pro spouštění spínače 5 v tomto zobrazeném provedení je možné použít laser. Tento spínač je schopný aktivace při obou polaritách, což poskytuje dvojrozměrnou funkci.

Plazmový spínač ve funkci triaku s vypínacím obvodem

V některých aplikacích činnost spínače musí být ukončena tak, aby byla ponechána možnost vypnout spínač, tj. převést ho do vypnutého stavu. To je dosaženo buď (1) spínačem, který je automaticky samoshášecí v důsledku své konstrukce s přiměřenou kombinací vzdálenosti elektrod, tlaku plynu, složení plynu a dílčích tlaků dílčích plynů nebo (2) spínačem, který má vlastnosti umožňující vnější vypnutí. V případě (1) časová perioda, po jejíž uplynutí dojde k samočinnému vypnutí, může být kontrolována a stanovena ··· ···« ftft · · · · * • ft « · ftftft ftft* * · ft · · ftft « ftft ·· provedením konstrukce. Tato samočinná vypínací funkce múze být realizována pro systémy se stejnosměrným proudem, rovněž i systémy se střídavým proudem. Realizace této funkce v systému se střídavým proudem je jednodušší, poněvadž samočinnému vypnutí automaticky napomáhá proud protékající vodivým obloukem měnícím polaritu, a tudíž procházející nulovou proudovou hodnotou. V souladu s ním, co bylo výše uvedeno, jsou vytvořeny podmínky pro účinné vypnutí plazmového spínače způsobem, který je zcela rovnocenný se způsoby použitými pro vypnutí tyristoru. Tudíž v případě systému se střídavým proudem jsou na konstrukci plazmového spínače kladeny méně přísné požadavky. V případě (2) plazmový spínač může být opatřen vnějšími impedančními prvky, které zajišťují to, že proud v propustném stavu je omezen na nulovou hodnotu, čímž je plazmový spínač rozepnut a přijímá vypnutý stav. Stejného účinku může být dosaženo použitím operačních obvodů v systému se střídavým proudem. V tomto případě právě před tím, než proud změní polaritu při jeho průchodu nulovou hodnotou, plazmový spínač se sám od sebe vypne v důsledku nedostatečné ionizace plynu podél kanálku výboje. V průběhu času, kdy dojde ke změně polarity proudu a k dosažení napětí této nové polarity, při které by měl být kanálek s ionizovanou plazmou opět zcela elektricky vodivý, má dostatečně velké množství složek plazmy čas k rekombinaci tak vysokou měrou, že se vodivost kanálku stane příliš nízká k tomu, aby podporovala opětovné zapojení oblouku. Je tudíž zamezeno opětovnému vytvoření elektrického oblouku a plazmový spínač je uveden do vypnutého stavu.

Naproti tomu v případě systému se stejnosměrným proudem jsou na konstrukci plazmového spínače kladeny přísnější požadavky. Nicméně, přesnou vyváženou volbou konstručních parametrů, mezi které patří, např. vzdálenost elektrod a zejména celkový tlak plynu odvozený ze složek plynu a dílčích tlaků těchto složek, je možné tyto požadavky splnit, takže samočinné vypnutí může být dosaženo. Přirozenou • · · · «·· ♦·· ··· ···· • v * · · ·· · ·· ♦ · alternativou je způsob, při kterém je proudu umožněno, aby komutoval s ostatními vedeními nebo komponentami, a tudíž proud v plazmovém spínači poklesl na nulovou hodnotu a plazmový spínač byl vypnut. Avšak, nejjednodušší řešení vedoucí ke splnění uvedených požadavku spočívá v poskytnutí komponenty na střídavý proud s externím prvkem pro omezení proudu. Velmi prostým, avšak účinným, řešením je vhodné spojení plazmového spínače s mechanickým přerušovačem obvodu, pomocí kterého je plazmový spínač úplně oddělen od sítě pod napětím.

Plazmový spínač ve funkci jednosměrného triaku

Triak v propustném směru může .být vodivý ve dvou směrech. Jak to bylo výše uvedeno, plazmový spínač je zejména dvousměrný, poněvadž nemá žádnou funkci diody. Avšak, když aktivace laserem je provedena pouze během jedné ze dvou polarit systému se střídavým proudem, plazmový spínač působí prakticky jednosměrně za předpokladu, že případně zbytky plazmy zbylé od předchozí aktivace po rekombinaci mají dostatečně nízkou vodivost k zamezení samovolného spuštění během polarity (poloviny periody střídavého napětí), která není laserem aktivována.

Obr. 25 zobrazuje plazmový spínač podle vynálezu, který působí jako jednosměrný triak.

Dva plazmové spínače ve funkci dvousměrného triaku

Jako alternativa výše uvedených provedení může být uvedeno provedení se dvěma plazmovými spínači, které mají vypínací funkci (samočinně vypínající nebo externí vypínající funkci), přičemž tyto dva spínače jsou zapojeny antiparalelně mezi vyšší a nižší potenciál. Kromě toho tyto dva plazmové spínače, které jsou konstrukčně provedeny a zapojeny k • · * * · • * · * * * · ··· ··· • · · · · · · ·· ··· ·· · ·· ·· systému se střídavým proudem tak, aby tvořily dvě výše popsané jednosměrné jednotky, jsou připojeny k síti a vzájemně zapojeny takovým způsobem, při kterém směry proudů v propustném směru těchto dvou spínačů jsou opačné. Poněvadž plazmový spínač jako takový je dvousměrný, uvedené dva spínače jsou provedeny tak, aby byly spouštěny laserem během jejich příslušných polarit střídavého napětí, tj. během jejich polovičních period. Uvedené dva plazmové spínače mohou být aktivovány jedním a týž laserem, což vyžaduje poskytnutí «

optického systému s clonou pro regulaci světelného toku. Laser je aktivován alespoň dvakrát za periodu a jednou za polovinu periody, přičemž uvedená clona může být v jednom provedení provedena tak, aby úplné množství emitovaného světla bylo střídavě směrováno k jenomu nebo druhému ze dvou plazmových spínačů. Uvedená clona pro. směrování světelného toku muže být např. tvořena otočným vysoce rexlexivním zrcadlem, které reflexí z jeho dvou koncových poloh směruje laserové světlo ke každému ze dvou světelných kanálků vedoucích k příslušným plazmovým spínačům. V jiném provedení je laserové světlo rozděleno do dvou kanálků se stejnou velikostí laserového účinku. Každý kanálek vede k jednomu ze dvou plazmových spínačů. Clona pro regulaci světelného toku je zahrnuta v každém kanálku, přičemž regulovanou činností při každé spouštěcí operaci zajišťuje to, že pouze jeden ze dvou plazmových spínačů je spuštěn laserovým světlem. Každý z < uvedených plazmových spínačů může být rovněž velmi dobře spouštěn samostatným laserem, přičemž činnost laserů je regulována, kontrolována a synchronizována externí elektronickou jednotkou. Obr. 26, 27 a 28 zobrazují zapojení výše popsaných dvou plazmových spínačů působících jako dvousměrný triak.

Je samozřejmé, že uvedené dvousměrné funkce je možné rovněž dosáhnout odpovídajícím spojením dvou plazmových spínačů, které nemají samočinně vypínající funkci nebo nejsou opatřeny externím prostředkem pro vypnutí plaznového spínače.

• · « ·

Plazmový spínač ve funkci tyristoru a·· ·«·· * 4 4 4

444 444 propustný stav, ve směru tyristoru, a

Jak je to popsáno ve stavu techniky, tyristor má rozepnutý stav, tzv. blokovací stav, pro napětí a proudy v obou směrech. V případě, že tyristor je spuštěn na jeho hradle, potom přijímá sepnutý stav, tj kterém proud může protékat v přímém nikoliv v opačném směru. Ve výhodném způsobu provedení funkce tyristoru pomocí plazmového spínače aktivovaného laserem je tento plazmový spínač zapojen do série spolu s prvkem působícím jako dioda, který může být polovodičového typu. Počet diod je zcela určen maximálním napětím, které v dané aplikaci může být přiloženo na tyto diody. Existují dva odlišné způsoby orientování diod vůči plazmovým spínačům. V prvém způsobu přímý směr diod směřuje k plazmovému spínači a v druhém způsobu přímý směr těchto diod směřuje pryč od plazmového spínače. Tudíž mohou být. realizovány dvě odlišné funkce tyristoru, přičemž výsledná tyristorová jednotka zahrnující plazmový spínač zapojený do série spolu s množinou diod má rozdílnou směrovost nebo polaritu. Za účelem účinného dosažení vyrovnání napěťového rozdělení je výhodné, aby diody v uvedeném zapojení byly opatřeny individuálním RC-článkem nebo jinými impedančními články a odporovým napěťovým děličem. Na diody tudíž nepůsobí různá napětí, která by překročila jejich specifickou elektrickou pevnost vůči napětí. Z obr. 29a až 29d je zřejmé, že pomocí jedné nebo více diod plazmový spínač může mít rozdílnou směrovost nebo polaritu.

Jako příklad použití výše popsaného plazmového spínače pro realizaci funkce triaku nebo spíše tyristoru může být uvedeno zapojení zobrazené na obr. 30 a 31. Zobrazené obvody působí jako přepínače. V následujícím textu je popsána funkce obvodu na obr. 30. Vrchní vodič LI je spojen se zdrojem střídavého napětí, zatímco spodní vodič L2 je spojen se zemí nebo prvkem obvodu s nižším potenciálem. Pokud napětí

9 ·

9 • 9 • 9 99 9 9999

9 9 9

9·9 999 ve vrchním vodiči LI má kladnou polaritu a žádný z plazmových spínačů PSI a PS2 nebyl dosud aktivován, obvodem neprotéká žádný proud. Avšak v případě, že plazmový spínač PS2 je aktivován pro uvedení do propustného stavu, potom z vrchního vodiče LI skrze diodu Dl a tento plazmový spínač P52 protéká proud do země. Tento proud protéká pokud napětí má kladnou polaritu. Po změně polarity na zápornou ve vrchním vodiči LI, by proud protékal opačným směrem. Avšak tento proud může protékat pouze potom, co byl spuštěn plazmový spínač PSI. Po spuštění plazmového spínače PSI proud protéká z vrchního vodiče skrze diodu D2 a spínač PSI a ze spodního vodiče skrze diodu D2 a PSI k vrchnímu vodiči. Poněvadž úbytek napětí na diodě D2 může být nižší než úbytek napětí v elektrickém oblouku ve spínači PS2 ve směru ze spodního vodiče L2 k vrchnímu vodiči LI, proud bude výhodně protékat skrze diodu D2 po výše uvedené změně polarity namísto skrze spínač PS2. Nato spínač PS2 nemůže být opětovně samovolně uveden do propustného stavu v nežádoucím směru, a je tudíž ponechán v klidovém stavu během doby trvání poloviční periody se zápornou periodou.

Ve výše popsaném obvodě je plazmový spínač použit jako unipolární triak, tj. obvykle tyristor. Obvod na obr. 31 je opatřen dvěma dalšími diodami zapojenými do série spolu s příslušnými plazmovými spínači, přičemž tyto dodatečné diody zaručují to, že proud, který se po změně polarity snaží protéci skrze plazmový spínač, který má být vypnut, není chybným proudem. Tudíž další dioda zamezuje, jako např. vnější prvek, tomu, aby u plazmového spínače došlo k opětovnému zažehnutí (zpětnému zažehnutí).

Je tudíž považováno za samozřejmé, že pomocí plazmových spínačů mohou být realizovány i jiné funkce než výše popsané funkce v případě, že tyto laserem-aktivované plazmového spínače jsou použity jako prvky, kterými se začíná realizovat daná funkce.· ··· ···· • · · * ··* ··· • · ·· ·· když tento spínací V případě, že je to

Obr. 32 zobrazuje zapojení, ve kterém spínací ústrojí 5r je zapojen do série spolu s výše popsaným vedením 2r mezi sítí 3r a objektem lr. Uvedený spínací ústrojí 5r výhodně zahrnuje spínací prostředek lOr o výše popsaných vlastnostech, tj . spínací prostředek, který má mezeru mezi elektrodami uzpůsobenou k tomu, aby byla uvedena do elektricky vodivého stavu zavedením radiační energie. Avšak to není podrobně zobrazeno na obr. 32. Jak je to zřejmé z obr. 32, spínací ústrojí 5r má čistě spínací funkci, to znamená, že k napájení objektu lr elektrickým proudem nebo k případnému vedení elektrického proudu opačným směrem může dojít skrze spínací prostředek lQr, prostředek se nachází ve vodivém stavu, žádoucí, spínací prostředek lOr může být přinucen k zamezení průchodu proudu relativně rychle, např. za účelem ochrany objektu lr nebo dokonce i ochrany sítě 3r před proudovými tokem z objektu lr. Za účelem dosažení vypnuní spínacím prostředkem lOr v zapojení se střídavým proudem, považuje se za dostatečné, aby prostředek pro dodávku energie do mezery mezi elektrodami byl nucen k zastavení dodávky energie. Pří následujícím průchodu elektrického proudu nulovou hodnotou se uskuteční zhášení elektrického oblouku ve spínacím prostředku lOr, v důsledku čehož přívod elektrického proudu je přerušen. V aplikacích se stejnosměrným proudem, je nepochybně nutné podpořit vypínací funkci provedením určitých opatřeni pro omezení či eliminaci napětsového rozdílu na spínacím prostředkem 10r. V tomto případě spínací prostředek může opatřen spínačem 31 zapojeným paralelně se spínacím prostředkem. Sepnutí spínače 31 způsobí vodivé přemostění spínacího prostředku 10r, a tudíž zhášení elektrického oblouku ve spínacím prostředku 10r. V případě, že by uvedené opatření nebylo dostatečné, mohl by být na obou stranách spínacího prostředku lOr ve vedení 2r uspořádán další spínač pro úplné odpojení spínacího prostředku lOr od vedení 2r.

Zapojení na obr. 32 je zde uvedeno z důvodu toho, aby • * · · • ··* ··* ··»···· t * · « · » · • · * · · ·· ·· bylo více zřejmé, že spínací ústrojí 5r podle vynálezu může najít uplatnění v libovolné spínací aplikaci, ve které je žádoucí ochrana různých zařízení, avšak rovněž i spínání elektrických výkonů při různých zatíženích.

Je nutné upozornit, že výše uvedená provedení vynálezu představují pouze příkladná provedení vynálezu. Tudíž pro odborníka v daném oboru jsou zřejmé další modifikace vynálezu, které spadají do rozsahu ochrany tohoto vynálezu, definovaného přiloženými patentovými nároky. Tak např. není nutné použít laser pro ionizaci média vyplňujícího mezeru 24 nebo převedení tohoto média do formy plazmy. Místo laseru mohou být použity i jiné zdroje záření, mezi které patří např. elektronová tryska. Rovněž mohou být použity i jiné způsoby zavádění energie do mezery mezi elektrodami, pckuď tyto způsoby zavádění jsou dostatečně rychlé a spolehlivé. Mimoto je nutné uvést, že spínací prostředek 1.0 podle vynálezu může být použic pro ochranu elektrických objektů před poruchami souvisejícími s nadproudy rovněž i v provozních případech jiných, než jsou případy zobrazené na obr. 1,3 a 19, ve kterých zařízení podle vynálezu je uspořádáno tak, aby omezilo negativní účinky relativně dlouhé přerušovací doby přerušovače 4 obvodu. Tudíž činnost spínacího prostředku podle vynálezu nemusí být nutně odkázán na provozu tohto přerušovače 4. obvodu. Na závěr je nutné připomenout, že vynález může být použit jak v systémech se střídavým proudem, tak i v systémech se stejnosměrným proudem.

Claims (47)

1. Zařízení pro spínání elektrického proudu zahrnující alespoň elektrické spínací ústrojí (5), vyznačené tím, že spínací ústrojí (5) zahrnuje alespoň jeden spínací prostředek (10), který zahrnuje elektrodovou mezeru (24) , která je převoditelná z elektricky nevodivého stavu do elektricky vodivého stavu, a prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery nebo alespoň části této mezery do elektricky vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení, přičemž prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery nebo alespoň její části do elektricky vodivého stavu nebo alespoň záhájení tohoto uvedení je uzpůsoben k zavedeni radiační energie do elektrodové mezery pro převedení elektrodové mezery nebo alespoň její části do formy plazmy.

2. Zařízení podle předcházejícího nároku, vyznačené t í m, že prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery nebo alespoň její části do elektricky vodivého stavu nébo alespoň záhájení tohoto uvedení zahrnuje alespoň jeden Laser (25) .

3. Zařízení podle některého z předcházejících nároku, vyznačené tím, že spínací prostředek (10) je vytvořen tak, aby v jeho nevodivém stavu mezi jeho elektrodami (23) existovalo elektrické pole, které podporuje nebo generuje elektrický přeskok mezi elektrodami po uvedení elektrodové mezery do elektricky vodivého stavu nebo zahájení uvedení elektrodové mezery do elektricky vodivého stavu.

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačené tím, že při nevodivém stavu elektrodové mezery (24) má elektrické pole podstatně nižší intenzitu, než je intenzita pole, při které dochází k samovolnému elektrickému průrazu elektrodové mezery.

5. Zařízení podle nároku 3 nebo 4, vyznačené tím, že při nevodivém stavu elektrodové mezery (24) má elektrické pole intenzitu, která není vyšší než 30 %, vhodně není vyšší než 20 % a výhodně není vyšší než 10 % intenzity pole, při .které dochází k elektrickému průrazu elektrodové mezery.

Zanzf /·,,·*] 1 r-K V» +- Λ Λ Ιλ r· >

xG 14.SK L· cx naruiíu o až y z n ač e n é t í m, že při nevodivém stavu elektrické mezery (24) má elektrické pole intenzitu, která je alespoň 0,1 k, vhodně alespoň 1 % a výhodně alespoň 5 % intenzity pole, při -které dochází k elektrickému průrazu elektrodové mezery.

7. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery (24) do elektricky vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení je uspořádán tak, aby zaváděl radiační energii tak, aby nejnižší intenzita elektrického pole, při které je zahájeno uvedení elektrodové mezery do vodivého stavu, byla minimální.

8. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery (24) do elektricky vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení je uspořádán tak, aby zaváděl * · · · · • · · · * · • · » · « ··· ·*·· ·· · • · · · • ··· ··* • · ·· ·· radiační energii do elektrodové mezery tak, aby časové zpoždění mezi dopadem radiační energie do elektrodové mezery a vznikem schopnosti elektrodové mezery elektricky vodit, bylo minimální.

3.

Zařízení podle některého z předcházejících nároku, vyznačené tím, že spínací prostředek (10) a prostředek (25) pro uvedení elektrodové mezery (24) do elektricky vodivého stavu nebo alespoň zahájení tohoto uvedení jsou uspořádány tak, aby vytvoření elektrické vodivosti elektrodové mezery bylo v podstatě nezávislé na intenzitě elektrického pole působícího mezi elektrodami spínacího prostředku při nevodivém stavu spínacího prostředku.

10. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uspořádán tak, aby zaváděl radiační energii na alespoň jednu z elektrod (23) nebo alespoň do oblasti v blízkosti alespoň jedné z elektrod (23) .

11. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uspořádán tak, aby zaváděl radiační enegii do jednoho bodu nebo oblasti v elektrodové mezeře (24) mezi elektrodami (23).

12. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25,27) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uspořádán tak, aby

4 ·

4 *

4 · • · * 4· • 4 • 44 4444 «'· • •4 44

4>4 zaváděl radiační energii do dvou nebo více bodu nebo oblastí (28) mezi elektrodami.

13. Zařízení podle nároku 12, vyznačené tím, že prostředek pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uspořádán tak, aby zaváděl radiační energii do dvou nebo více bodu nebo oblastí podél linie probíhající mezi elektrodami, přičemž délka této linie odpovídá rozsahu žádoucí elektricky vodivé dráhy mezi elektrodami.

14. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek (25) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uspořádán tak, aby

..Z__ ____3 Ί___1-1 vx^ — putuuuui y oblastí (28i,k,m,n), jejichž podélné osy probíhají v podstatě podél směru žádoucí elektricky vodivé dráhy mezi elektrodami.

15. Zařízení podle nároku 14, vyznačené tím, že prostředek (27) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uzpůsoben k vytvoření podlouhlé ohniskové oblasti o trubicovitém tvaru.

16. Zařízení podle nároku 14 nebo 15, vyznačené tím, že prostředek pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uzpůsoben k vytvoření podlouhlé oblasti přemosťující zcela nebo v podstatě zcela prostor mezi elektrodami.

17. Zařízení podle nároku 14 nebo 15, vyznačené tím, že prostředek (27) pro zavádění spouštěcí energie do « »<'· · • ··· ·«· • · ·· «· • · · * · • · · ♦ · • · · · · ··· ···· ·« · elektrodové mezery je uzpůsoben k vytvoření dvou nebo více podlouhlých ohniskových oblastí (28) v elektrodové mezeře, přičemž tyto ohniskové oblasti jsou uspořádány podélně jedna za druhou podél Žádoucí elektricky vodivé dráhy mezi elektrodami.

18. Zařízení podle některého z nároků i a 10, vyznačené t í m, že prostředek pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uzpůsoben k zavedení radiační energie na alespoň jednu z elektrod, rovněž i mezi elektrody.

13. Zařízení podle některého z nároků 10 až 18, v y z načené tím, že alespoň jedna z elektrod v elektrodové ,-S Γ Vři V f O Ů »-* »-» v·»’ /*· Vi /“s/J V--1 rl -1 η¹ Ο'Ό ! O ΟΓΤΊ ** £ o j- \ Λ» / £7 χ pr u_ σ. Ομ. _L, GL i 1X CX.CÍ to C.UX -'J v GL117 prostředkem (25) pro zavádění spouštěcí energie.

20. Zařízení podle některého nároku 15 a 19, vyznačené t í m, Že prostředek (27) pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uzpůsoben k umístění trubicovité oblasti (28) radiační energie v blízkosti elektrody, která má otvor (23) , přičemž osa trubicovité oblasti radiační energie je v podstatě koncentrická s osou otvoru v elektrodě.

21. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že v mezeře (24) mezi elektrodami jsou uspořádány pomocné elektrody (31,31d) pro vyrovnání elektrického pole a/nebo pro účinné participování na spouštěcím procesu, přičemž na tyto pomocné elektrody působí radiační energie, v důsledku čehož jsou schopny emitovat volné náboje.

• · · · ί ϊ • « · * · ··· ···· ·· · • ·' · * • ··· ··· • · ·· ··

22. Zařízení podle některého z nároku 10 až 21, vyznačené tím, že prostředek pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery zahrnuje systém pro regulaci elektromagnetické vlnové energie.

23. Zařízení podle nároku 22, vyznačené tím, že regulační systém zahrnuje alespoň jeden refrakČní, reflexní a/nebo difrakční prvek.

24. Zařízení podle nároku 23, v y' z n a č e n é tím, že uvedený prvek je tvořen axikonem.

25. Zařízení podle nároku 24, v y z n a že uvedený prvek je tvořen kinoformou.

ΡΊ

26. Zařízení podle nároku 23, vyznačené tím, že prvky zahrnují optická vlákna (38) .

27. Zařízení podle některého z nároku 23 až 26, v y z načené tím, že řídící systém (27f, h) je umístěn radiálně vně elektrod a uzpůsoben pro vedení svazku paprsků směrem k mezeře mezi elektrodami.

28. Zařízení podle některého z nároků 23 až 27, v y z načené tím, že řídicí systém (27g) je uzpůsoben k rozdělení laserových impulsů do prstencovité konfigurace kolem jedné z elektrod.

29.

Zařízení podle některého z předcházejících nároků, • » • · • * ··· ··«· ··«' t ·, * • ··» »· ·· ·· vyznačené tím, že paralelně se spínacím prostředkem (10) je zapojen alespoň jeden svodič (22) přepětí.

30. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, kdy elektrický objekt (1) je spojen s elektrickou silovou sítí (3) nebo dalším prvkem elektrárny a uvedené zařízení zahrnuje vypínací zařízení (4) ve vedení (2) mezi objektem (1) a elektrickou silovou sítí (3) nebo dalším prvkem elektrárny, vyznačené tím, še spínací prostředek (10) je spojen s vedením (2) mezi objektem (1) a vypínacím zařízením (4) , přičemž spínací prostředek (10) je tvořen prostředkem pro svedení nadproudů za dobu podstatně kratší, než je doba, za kterou vypínací zařízení (4) realizuje přerušení.

31. Zařízení podle nároku 30, vyznačené tím, že vypínací zařízení (4) je tvořeno přerušovačem obvodu.

32. Zařízení podle nároku 21 nebo 31, vyznačené tím, že dále zahrnuje další přerušovač (6) zapojený v uvedeném vedení mezi vypínacím zařízením (4) a objektem (1), přičemž tento další přerušovač je zapojen mezi spínací prostředek (10) a objekt (l) a je uzpůsoben pro přerušení napětí a proudů nižších, než jsou napětí a proudy přerušované vypínacím zařízením (4), a tudíž je schopen dosáhnout přerušení za kratší dobu, než je doba, za kterou provede přerušení vypínací zařízení (4), přičemž další přerušovač je uzpůsoben k přerušení v okamžiku, kdy nadproud protékající směrem k objektu (1) nebo směrem pryč od objektu (1) byl snížen spínacím prostředkem (10), avšak za dobu podstatně kratší, než je doba, za kterou provede přerušení vypínací *

» * ’ϊ ’ ί » · * · ···«»·· • ftt t • ··> ··» • · *« 49 zařízení (4).

33. Zařízení podle nároku 32, vyznačené tím, že zahrnuje řídicí jednotku (14) spojenou s detekčním ústrojím (11,12,13) a dalším přerušovačem (6), přičemž tato řídicí jednotka je určena pro spuštění dalšího přerušovače (6) v okamžiku, kdy detekčním ústrojím (11,12,13) byla zjištěna hodnota naproudu protékající směrem k objektu (1) nebo pryč od objektu (1) nižší, než je předem stanovená hodnota.

34. Zařízení podle některého z nároku 32 a 33, vyznačené t í m, že další přerušovač (S) zahrnuje vypínač (15), který je přemostěn bočníkovým vedením (17) majícím jeden nebo více prvků (13) pro zamezení tvorby oblouků na oddělených kontaktech vypínače (15) přinucením bočníkového vedení (17) k převzetí nadproudových podmínek z oddělených kontaktů.

35. Zařízení podle nároku 34, vyznačené tím, že uvedený jeden prvek nebo více prvků (18) v bočníkovém vedení (17) je schopno uvedení do vodivého stavu řídicí jednotkou (14).

36. Zařízení podle nároku 34 nebo 35, vyznačené tím, že uvedený jeden prvek (18) nebo více prvků (18) je tvořeno regulovatelnými polovodičovými prvkami.

37. Zařízení podle některého z nároků nároku 34 až 36, vyznačené tím, že uvedený jeden prvek (18) nebo * * φφ··

Φ Μ Φ

ΦΦΦ ΦΦ* Φ ·

ΦΦ «Φ více prvků (18) je opatřeno přepěťovou bleskojistkou (30).

38. Zařízení podle některého z nároků 34 až 37, vyznačené tím, že v sériovém zapojení s jedním prvkem (18) nebo více prvky (18) je uspořádán odpojovač (20) pro galvanické oddělení.

39. Zařízení podle nároku 38, vyznačené tím, že odpojovač (20) je spojen s řídicí jednotkou (14), kterou je odpojovač (20) řízen k uvedení do vypnutého stavu potom, co vypínač (15) byl řízen k uvedení do vypnutého stavu a jednomu prvku (18) nebo více prvkům (18) byly přiděleny podmínky pro přerušení bočníkového vedení (17).

40. Zařízení podle některého z předeházejících nároků, vyznačené tím, že chráněný objekt (1) je tvořen elektrickým zařízením s magnetickým obvodem.

41. Zařízení podle nároku 40, vyznačené tím, že uvedený objekt je. tvořen generátorem, transformátorem nebo motorem.

42. Zařízení podle některého z nároků 1 až 41, vyznačené tím, že uvedený objekt je tvořen silovým vedením, např. kabelem.

43. - Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že spínací prostředek (10) je uspořádán na obou stranách objektu pro ochranu objektu z obou stran.

* · . * • · ·· • · ·*· ·.·· * · · · • ··· ·*· • · ·· ··

44. Zařízení podle nároku 1, vyznačený tím, že zahrnuje řídicí jednotku (14) spojenou se spínacím prostředkem (10) a ústrojím (11-13) pro detekci nadproudových podmínek, přičemž řídicí jednotka (14) je uspořádána tak, aby řídila spínací prostředek k uvedení do sepnutého stavu na základě informace z ústrojí pro detekci nadproudových podmínek, když je to žádoucí z ochranných důvodů.

45. Zařízení podle nároku 44 a některého z nároků 34, 36 a 40, vyznačené tím, že jedna a tatáž řídicí jednotka (14) je uspořádána tak, aby řídila na základě informace z ústrojí (11-13) pro detekci nadproudových podmínek spínací prostředek (10) a další přerušovač (6).

46. Použití zařízení podle některého z předcházejících nároků pro ochranu objektu vůči poruchovým nadproudům.

47. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že prostředek pro zavádění spouštěcí energie do elektrodové mezery je uzpůsoben k zaostření radiační energie do množiny v podstatě paralelních podlouhlých ohniskových oblastí, jejichž podélné osy se nacházejí v podstatě podél směru elektricky vodivé dráhy mezi elektrodami.

48. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, jeden nebo více spínacích prostředků (10), případně v kombinaci s komplementárními diodami nebo ostatními prvky, jsou uspořádány tak, aby vytvořily spínací nebo převáděcí funkce.

« · · · » »··· * » · · · · · ··· »·· * · · · · · · ··* «··« * · ·· ··

49. Zařízení podle nároku 48, vyznačené tím, že uvedenými funkcemi jsou funkce triaku a tyristoru.

50. Způsob ochrany elektrických objektů (1) před poruchou-způsobenými nadproudy v elektrárně, vyznače n ý tím, že spočívá ve svedení nadproudů 'spínacím prostředkem (10), když ústrojím (11-13) pro detekci nadproudových podmínek byly detekovány nadproudové podmínky, přičemž uvedený spínací prostředek (10), který je uspořádán tak, aby sváděl nadproudy do země (8) nebo jiného prvku o relativně nízkém potenciálu, je sepnut pro svedení nadproudu uvedením elektrodové mezery (24), která se nachází ve spínacím prostředku, do vodivého stavu zavedením radiační energie do elektrodové mezery pomocí spouštěcího prostředku < -i — *

J 51. Způsob podle nároku 50, vyzná četný tím, že další přerušovač (6) , který je uspořádán ve vedeni (2) mezi vypínacím zařízením (4) a objektem (1) a mezi spínacím prostředkem (10) a objektem (1) , se uvede v činnost pro přerušení vedení (2) po omezení nadproudu protékajícího k objektu nebo pryč od objektu provedené spínacím prostředkem (10) ·