Устройство для защиты от перенапряжения выпрямительного агрегата

 

Использование: для защиты от перенапряжений силовых цепей выпрямительных агрегатов. Сущность изобретения: устройство содержит разрядник, токоограничивающие резисторы, диоды, конденсаторы, зарядный и разрядный резисторы, вольтметр, зарядный блок, блок регулирования напряжения, блок контроля разрядника, однофазный трансформатор и однофазный диодный мост. 1 ил.

Изобретение относится к электрическим железным дорогам и предназначено для защиты от перенапряжений силовых цепей полупроводниковых выпрямительных агрегатов тяговых подстанций.

Известно устройство защиты от перенапряжений, которое содержит разрядник с токоограничивающим резистором, конденсаторы, резисторы, диод, зарядный блок, блок регулирования напряжения, блок контроля разрядника, измеритель напряжения и обеспечивает измерение параметров разрядника непосредственно в схеме выпрямительного агрегата. Известное устройство имеет невысокие надежность и качество контроля.

Сущность изобретения заключается в том, что известное устройство защиты дополняют диодами, токоограничивающими резисторами, однофазными диодным мостом и трансформатором. Наличие дополнительных элементов позволяет уменьшить ток в цепи конденсатора и повысить точность измерения времени гашения разрядником сопровождающего тока. При этом достигается технический результат, который характеризуется повышением надежности и улучшением качества технического контроля разрядника.

На чертеже показаны принципиальные электрические схемы выпрямительного агрегата и устройство защиты его силовых цепей от перенапряжений.

Выпрямительный агрегат содержит подключенные к шинам 1 переменного напряжения (сети) через разъединитель 2 и масляный выключатель 3, преобразовательный трансформатор 4, полупроводниковый выпрямитель 5 и вольтметр 6. Выпрямитель 5 соединен также через быстродействующий выключатель 7 и разъединитель 8 с шинами 9 выпрямительного (постоянного) напряжения.

Устройство защиты имеет разрядник 10 с искровым промежутком 11 и токоограничивающим резистором 12, первый 13 второй 14 диоды, первый конденсатор 15 с разрядным резистором 16, измеритель напряжения вольтметр 17, токоограничивающий резистор 18 и третий диод 19, второй конденсатор 20 с зарядным 21 и разрядным 22 резисторами, зарядный блок 23, блок 24 регулирования напряжения и блок 25 контроля разрядника 10. Зарядный блок состоит из выпрямителя 26, зарядного резистора 27, повышающего 28 и понижающего 29 трансформаторов. Блок регулирования имеет переменный 30 и постоянный 31 резисторы, реле 32 напряжения с кнопками 33 и 34 управления. Блок контроля включает в себя трансформатор 35, выпрямитель 36, цепочку 37 стабилизации напряжения, содержащую резистор 38 и стабилитрон 39, разделительные диоды 40 и 41, реле 42 и 43 напряжения, накопительные конденсаторы 44 и 45, кнопку 46 для управления положением реле 43, световой индикатор 47. Устройство защиты также содержит однофазный трансформатор 48, токоограничивающий резистор 49, клеммы 50, однофазный диодный мост 51 и токоограничивающий резистор 52.

Реле 42 имеет контакты, которые не показаны на схеме и включены в цепи управления выключателей 3 и 7. На клеммы 60 от источника переменного напряжения, которым является трансформатор 29, поступает напряжение, питающее зарядный блок, блоки регулирования, контроля и трансформатор 48.

Работа устройства характеризуется двумя режимами: рабочим режимом, когда устройство находится в исходном состоянии, при появлении опасных перенапряжений в силовых цепях агрегата срабатывает и защищает его, и режимом, в котором осуществляется контроль технического состояния разрядника, выполняющего при этом свои защитные функции.

В первом режиме устройство работает следующим образом. При отключенных разъединителях 2 и 8 напряжение не поступает в силовую схему агрегата и в устройство защиты. После включения разъединителя 2 с шин 1 подается напряжение на первичную обмотку понижающего трансформатора 29 зарядного блока. С вторичной обмотки этого трансформатора пониженное напряжение поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора 28. Повышенное напряжение его вторичной обмотки выпрямляется выпрямителем 26. Выпрямленное напряжение заряжает конденсатор 15 через резистор 27, который ограничивает зарядный ток. Напряжение конденсатора 15 имеет показанную на схеме полярность. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 29 через клеммы 50 и резистор 49 также поступает к первичным обмоткам трансформаторов 49 и 35. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 48 выпрямляется мостом 51. Его выпрямленное напряжение имеет полярность, которая направлена встречно по отношению к полярности напряжения конденсатора 15. Так как напряжение конденсатора 15 больше выпрямленного напряжения моста 51, то ток в его цепи не протекает и цепь вторичной обмотки трансформатора 48 разомкнута. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 35 блока контроля выпрямляется выпрямителем 36. Выпрямленное напряжение стабилизируется цепочкой 37 и затем подается через разделительный диод 40 на реле 42 и на конденсатор 44. Этот конденсатор заряжается до порогового напряжения стабилитрона 39, реле 42 срабатывает, меняет положение своих контактов и снимает запрет на включение выключателей 3 и 7. При этом реле 43 обесточено и замыкает своим контактом цепь светового индикатора 47, который горит, указывая на наличие напряжения в блоках 23-25. Реле 32 блока регулирования обесточено, его контакты разомкнуты и резистор 31 введен в цепь питания зарядного блока.

При отключенных выключателях 3 и 7 к искровому промежутку 11 разрядника 10 через диоды выпрямителя 5 и 13, 19 прикладывается напряжение конденсатора 15. После включения выключателей 3 и 7 конденсатор 20 заряжается через диод 13 до амплитудного значения выходного напряжения выпрямителя 5 (напряжения на шинах 9). Резистор 21 ограничивает зарядный ток этого конденсатора. Напряжение конденсатора 20 имеет полярность, которая показана на схеме.

При наличии напряжения на конденсаторах 15 и 20 к искровому промежутку 11 разрядника 10 прикладывается их суммарное напряжение. В нормальных рабочих режимах агрегата это напряжение не превышает величины пробивного напряжения искрового промежутка (разрядника) и в блоке контроля конденсатор 44 разряжен и реле 42 включено. Заряженное состояние конденсаторов 15 и 44 и включенное положение реле 42 напряжения обеспечивается питающим напряжением зарядного блока. Если по 5 каким-либо причинам, например при потере контакта, исчезает питающее напряжение в зарядном блоке, то конденсаторы 15 и 44 разряжаются соответственно через резистор 16, и обмотку реле напряжения 42. После прекращения заряда конденсатора 44 реле 42 за счет накопленной в этом конденсаторе энергии продолжает находиться в течение некоторого времени во включенном положении, затем отпадает и меняет положение своих контактов. Это приводит к отключению выключателей 3 и 7, которые снимают напряжение с силовой схемы агрегата. Таким образом исключается недопустимый для выпрямительного агрегата режим, когда отсутствует напряжение на конденсаторе 15.

При появлении в силовых цепях агрегата опасных перенапряжений сумма напряжений конденсаторов 15 и 20 достигает промежутка 11, последний пробивается и создает образованную разрядником 10 и диодами 13 и 14 цепь для протекания тока. Величина этого тока ограничивается сопротивлением резистора 12. Энергия перенапряжения рассеивается в этом резисторе и ограничивается величина перенапряжения. При протекании тока по диоду 14 конденсатор 15 разряжается по цепи: катод диода 14, анод диода 14, диод 19, резистор 18. Разрядный ток конденсатора 15 ограничивается сопротивлением резистора 18 и имеет величину, меньшую тока разрядника. Конденсатор 15 разряжается от исходного напряжения на диоде 14. Ограничение разрядного тока конденсатора 15 при помощи резистора 18 позволяет снизить динамические воздействия на элементы этого конденсатора.

После ограничения перенапряжения разрядник разрывает (гасит) сопровождающий его ток, который протекает в его цепи под действием выпрямленного напряжения агрегата. В момент разрыва разрядником этого тока напряжение конденсатора 15 имеет незначительную величину и поэтому к искровому промежутку 11 разрядника 10 прикладывается только амплитудное значение выпрямленного напряжения агрегата. Далее зарядный блок заряжает конденсатор 15. По мере его заряда растет напряжение искрового промежутка 11 разрядника 10 и достигает исходной величины, которая была до срабатывания разрядника.

Во время протекания тока по диоду 14 замыкается цепь вторичной обмотки трансформатора 48 через мост 51, резистор 52 и диод 14. В этой цепи появляется ток, величина которого ограничивается сопротивлением резистора 52. Этот ток имеет величину, меньшую тока разрядника и накладывается на этот ток, уменьшая ток диода 14. При сопротивлении резистора 52, меньшем сопротивления резистора 49 (сравниваемые сопротивления приведены к одному напряжению), замыканием указанной цепи после появления тока в цепи разрядника 11 сопровождается изменением перераспределения напряжений между трансформаторами 35 и 48 и резистором 49. До появления тока в цепи диода 14, когда цепь вторичной обмотки трансформатора 48 разомкнута и его входное сопротивление и входное сопротивление трансформатора 35 больше сопротивления резистора 49, значительная часть напряжения клемм 50 прикладывается к трансформаторам 35, 48 и в блок контроля поступает напряжение. После появления тока в цепи диода 14 и соответственно замыкания цепи вторичной обмотки трансформатора 48 его входное сопротивление существенно уменьшается и соответственно результирующее входное сопротивление трансформаторов 48 и 35 становится меньше сопротивления резистора 49. К нему прикладывается значительная часть напряжения клемм 50 и в блок контроля напряжение не поступает.

Поэтому моменты появления напряжения в блоке контроля и снятия с него напряжения строго соответствуют моментам окончания тока (окончания гашения разрядником сопровождающего тока) и начала тока (срабатывания разрядника) в цепи диода 14. Такое соответствие достигнуто благодаря включения между диодом 14 и конденсатором 15 цепи, образованной диодом 19 и резистором 18. При наличии этой цепи состояние (замкнута, разомкнута) цепи вторичной обмотки трансформатора 48 определяется состоянием (проводящее, непроводящее) диода 14 и не зависит от изменения во времени напряжения конденсатора 15. Поэтому такое соответствие обеспечивает точное равенство интервала, на который снимается напряжение с трансформатора 35 блока контроля, времени гашения разрядником сопровождающего тока.

В интервале времени, когда трансформатор 35 блока контроля не получает напряжения, конденсатор 44 разряжается через обмотку реле 42. Разделительный диод 40 устраняет влияние цепи светового индикатора 47 на время разряда конденсатора 44. При наличии диода 40 время разряда конденсатора 44 определяется его емкостью и параметрами (сопротивление, индуктивность) обмотки реле 42. Это позволяет контролировать время разряда конденсатора 44 и соответственно время протекания сопровождающего тока в цепи разрядника 10 следующим образом. Если за время протекания сопровождающего тока конденсатор 44 не успевает разрядиться до напряжения, при котором реле 42 отпадает, то после ограничения перенапряжения и окончания сопровождающего тока агрегат продолжает работать и зарядный блок заряжает конденсатор 44 до напряжения, соответствующего исходному состоянию устройства защиты. Когда процесс гашения разрядником сопровождающего тока затягивается и, соответственно, время протекания тока в цепи разрядника увеличивается, то напряжение конденсатора 44 уменьшается до такой величины, при которой реле 42 отпадает и изменяет положение своих контактов. В результате этого выключатели 3 и 7 снимают напряжение с силовой схемы агрегата. После этого сопровождающий ток в цепи разрядника прекращается, зарядный блок заряжает конденсаторы 15 и 44 до напряжения, которое соответствует исходному состоянию устройства защиты, срабатывает реле напряжения 42 и снимает запрет на включение выключателей 3 и 7.

Режим, в котором контролируют техническое состояние разрядника, осуществляют путем выполнения следующих операций.

Отключая быстродействующий выключатель 7, работающий на нагрузку агрегат переводят в режим холостого хода. В этом режиме работы агрегата его выпрямленное напряжение имеет стабильную амплитуду, которую запоминает конденсатор 20. Располагая показаниями вольтметра 6, который измеряет среднее значение выпрямленного напряжения агрегата, путем несложных перерасчетов находят амплитуду напряжения, которое запоминается конденсатором 20 и является составляющей частью напряжения искрового промежутка 11 разрядника 10. Далее, нажав кнопку 46, вызывают срабатывание реле 43 и погасание светового индикатора 47 в блоке контроля. В результате этого конденсатор 45 заряжается до порогового напряжения стабилитрона 39. Емкость конденсатора 45 выбрана такой, что при наличии разделительного диода 41, устраняющего влияние параллельной цепи 47 у реле 43 выдержка времени на отпадание соответствует характерной величине времени гашения разрядника, например средней, максимальной или минимальной величине этого времени. После этого нажатием кнопки 34 вызывают срабатывание реле 32, которое в результате изменения положения своих контактов, шунтирует резистор 31 блока регулирования. Это приводит к увеличению напряжения на выходе выпрямителя 26, конденсатор 15 запоминает новую увеличенную амплитуду этого напряжения и вольтметр 17 увеличивает свои показания. Выполнив перечисленные операции, уменьшают сопротивление резистора 30 до тех пор, пока не пробьется искровой промежуток 11 контролируемого разрядника 10 и наблюдают за показаниями вольтметров 6 и 17. Показания первого вольтметра не меняются, второго увеличиваются. В момент пробоя искрового промежутка 11 фиксируют показания обоих вольтметров. Сложив пересчитанные из средних значений в амплитудные значения показания вольтметра 6 с показаниями вольтметра 17, находят пробивное напряжение контролируемого разрядника.

После пробоя искрового промежутка 11 устройство защиты работает таким же образом, как и при ограничении перенапряжения. В момент пробоя искрового промежутка 11, являющейся началом отсчета времени гашения, появляется ток в цепи диода 14, начинается разряд конденсатора 15, замыкается цепь вторичной обмотки трансформатора 48 и снимается напряжение с блоков контроля и регулирования. После этого в блоке контроля конденсаторы 44 и 45 разряжаются через обмотки реле 42 и 43, в блоке регулирования отпадает реле 32 и размыкает контакт, шунтирующий резистор 31. По истечению определенного времени (времени гашения) разрядник 10 гасит сопровождающий ток. После этого конденсатор 15 заряжается зарядным блоком. В момент окончания заряда конденсатора 15 его напряжение имеет величину, меньшую той, которая была перед пробоем искрового промежутка 11, так как после пробоя в цепь обмоток трансформаторов 28 и 29 вводится сопротивление резистора 31. Поэтому после окончания заряда конденсатора 15 искровой промежуток 11 не пробивается повторно. Таким путем устраняются нежелательные многократные пробои искрового промежутка 11.

Разряд конденсаторов 44 и 45 продолжается до момента появления напряжения на первичной обмотке трансформатора 35 блока контроля и, соответственно, до момента окончания тока в цепи контролируемого разрядника, являющегося концом отсчета его времени гашения. Если время гашения разрядника превышает создаваемую конденсатором 45 у реле 43 выдержку времени на отпадание, то это реле отпадает, находится в таком состоянии после восстановления напряжения в блоке контроля и загорается световой индикатор 47. Это указывает на то, что у контролируемого разрядника время гашения, то при пробое искрового промежутка имитированным перенапряжением в блоке контроля отпадает реле напряжения 42 и отключаются выключатели 3 и 7.

После окончания контроля реле 43 может находиться в любом положении, реле 32 должно быть отключено. Если по каким-либо причинам, например в результате ошибочного нажатия кнопки 34, это реле включено, то нажатием кнопки 33 его выключают. Это вызвано тем, что если выставить уставку срабатывания устройства защиты при включенном реле 32, то после первого срабатывания защиты его реле отпадает, размыкает свой контакт, шунтирующий резистор 31, и увеличивает таким образом уставку срабатывания устройства защиты. Далее выставляют уставку срабатывания устройства защиты. Для этого из измеренного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника вычитают требуемое значение уставки и разность этих напряжений принимают в качестве требуемого напряжения конденсатора 15. Изменением сопротивления резистора 30 блока регулирования добиваются того, чтобы показания вольтметра 17 соответствовали полученному значению напряжения. Затем, включая выключатель 7, переводят работающий на холостом ходу агрегат в рабочий режим питания нагрузки.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА, состоящего из преобразовательного трансформатора и полупроводникового выпрямителя, и подключенного входом через коммутационные аппараты к сети переменного напряжения, а выходом к сборным шинам постоянного напряжения, содержащее соединенные между собой параллельно первый конденсатор с разрядным резистором и измеритель напряжения, подключенные к выходу полупроводникового выпрямителя через первый диод параллельно соединенные второй конденсатор с зарядным и разрядным резисторами и разрядник с искровым промежутком и токоограничивающим резистором, источник переменного напряжения, подключенный входом к коммутационным аппаратам, а выходом к входам зарядного блока и блока регулирования напряжения, цепи управления которого соединены с цепью стабилизации напряжения блока контроля разрядника, подключенного через выпрямитель к вторичной обмотке изолирующего трансформатора, к стабилитрону упомянутой цепи стабилизации подключены две параллельно соединенные цепи, включающие в себя разделительный диод, реле напряжения и накопительный конденсатор, при этом контакты одного реле напряжения включены в цепи управления коммутационными аппаратами, а контакты другого реле напряжения в цепь светового индикатора блока контроля разрядника, выводы первого конденсатора подключены к выходу зарядного блока, отличающееся тем, что оно снабжено вторым и третьим диодами, вторым, третьим и четвертым токоограничивающими резисторами, однофазным диодным мостом и дополнительным трансформатором, причем второй диод включен последовательно с разрядником и через последовательно соединенные третий диод и второй токоограничивающий резистор подключен к выводам первого конденсатора, первичная обмотка изолирующего трансформатора блока контроля разрядника соединена с первичной обмоткой дополнительного трансформатора и через третий токоограничивающий резистор подключена к выходу источника переменного напряжения, при этом вторичная обмотка дополнительного трансформатора через последовательно соединенные однофазный мост и четвертый токоограничивающий резистор подключена к выводам второго диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1