Устройство для коммутации трехфазного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«н964 840

° (61) Дополнительное к авт. свид-ву Р 613438 (22) Заявлено 240381 (21) 3264635/24-07

t51)M Кл з

Н 02 Н 3/34

Н 02 Н 7/26 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР о делам изобретений н открытий (23) Приоритет— (53) УДК 621. 316.. 925 (088. 8) Опубликовано 07.10.82. Бюллетень ¹ 37

Дата опубликования описания 07.10.82. (72) Авторы изобретения

„, (4999ag

13 „" „,„". Н.И. Утегулов, М.Ж. Арстанов и A.Ê. Кадыр

6И. )(,, i. !

Алма-Атинский энергетический институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ ТРЕХФАЗНОГО

ТОКА

Изобретение. относится к электротехнике и электроэнергетике и может найти применение, например, при построении быстродействующих защит высоковольтных электропередач (от единиц до десятков киловольт) трехфазного тока, а также в высоковольтных регулирующих аппаратах, 1

По основ ному авт. св . 9 613 4 38 известно устройство для коммутации трехфазного тока, которое содержит соединенные в треугольник управляемые вентили с одинаковой полярностью их включения по обхсду треугольника и снабжено вспомогательными выпря.мителями, входами. подключенными че. рез трансформаторы к выводам источника переменного напряжения, а также реакторам с тремя электромагнитно связанными обмотками, причем каждая из этих обмоток совместно и последовательно соединенным с ней выходом одного из вспрмогательных выпрямителей включена в рассечку одной иэ сторон треугольника последовательно с одним из управляемых вентилей, обмотки реактора включены согласно по направлению обхода тре. угольника, а полярность включения. выходов выпрямителей. сЬвпадает с полярностью включения соответствующих управляемых вентилей (11.

Недостатком известного устрой5 ства является необходимость существенного увеличения установленной мощности управляемых вентилей при установке данного устройства в индуктивные цепи трехфазного тока, напри10 мер в цепи статорных обмоток мощных синхронных двигателей. Добротность контура статорных обмоток мощных синхронных электродвигателей составляет, как правило, величину

q = X/P = 100 и более, .что обуславливает слабозатухающий характер апериодических токов при к. з. на зажимах двигателя. Величина апериодической слагающей тока к.з. в статорных цепях синхронного двигателя, в зависимости от начальной фазы возникновения к.э., может достигать величины, равной амплитуде периодической слагающей тока к.з. )д„= 1лоср где I — действующее значение периодической слагающей тока к.з. с учетом токоограничивающего действия известного устройства. Токи к.з.. имеющие место в статорных цепях синхронного двигателя, протекают ,и по соединяющим статорные обмотки

964840

25 в звезду управляемым вентилям известного устройства. Однако наличие рабочего постоянного .смещения по току н контуре треугольника управляемых вентилей, обусловленного действием вспомогательных выпря- 5 мителей и равного амплитуде переменного тока, протекающего в нор.мальном режиме по вентилям, принодит к тому, что при наличии значи- тельных по величине и слабозатухаю- )Q щих во времени апериодических слагающих токов к.з. процесс полного отключения к.з. с помощью известного устройства имеет длительность не менее 2-3 периодов промышленной 15 частоты (Ь „„= 40-60 мс), так как аварийный ток н. оставшемся в. работе одном иэ трех управляемых вентилей в течение укаэанного отрезка времени не проходит через .нулевое значение.

Величина тепловой постоянной кремневой структуры управляемых вентилей весьма мала и понтому заводскими нормами регламентируется не только величина амплитуды тока аварийной перегрузки, но и длительность ее воздействия .на тиристор. Так, для тиристоров типа Т-320 при увеличении длительности тока к.з. до величины, равной 40-60 мс амплитуда допустимой токовой перегрузки сни- ЗО жается до величины 2200 A против величины 3100 А (длительность не более 20 мс). Указанное, обстоятельство требует увеличения установленной мощности каждого из трех управ- 35 ляемых вентилей известного устройства (так как приложение токовой перегрузки равновероятно для любого из трех вентилей) не менее чем на

30-40% для обеспечения их термо- 4() стойкости в режиме отключения индуктивных токов к.з. Кроме того, из- ° вестное устройство при его установке н индуктивные цепи трехфазного тока практически утрачивает одно из своих преимуществ перед контактной аппаратурой — быстродействие отключения токов к.з. 1

Целью изобретения является снижение установленной мощности основных управляемых вентилей при установке устройства в индуктивные цепи трехфазного тока.

Поставленная цель достигается нем, что в устройстве для коммутации

1)1ехфазного тока реактор снабжен 55 дополнительной обмоткой, вспомогательным управляемым нентилем и резистором, при этом дополнительная обмотка связана электромагнитно с. фазными обмотками реактора и замкну- 60 та на вспомогательный управляемый вентиль и последовательно включенный с ним резистор.

На фиг.1 изображены принципиальные схемы предлагаемого устройства; на фиг.2 — схема замещения при вклю чении данного устройства.в цепь статорных обмоток синхронной машины со стороны их соединения в . звезду ; на фиг.3 - процесс отключения токов трехфазного к,з. с помощью данного устройства, Устройство (фиг.1) содержит управляемые вентили 1-. 3, вспомогательные выпрямители 4-б,входами подключенные через трансформатор 7-9 к источнику переменного напря:кения,. реактор с электромагнитно связанными обмотками фаз 10-12, а также выключатель 13 (фиг.3) для имитации трехфазного к.з., кроме того, реактор содержит дополнительную обмотку 14„ связанную электромагнитно с фазными обмотками реактора и замкнутую на вспомогательный упранляемый вентиль .15 и включенный последовательно с ним .резистор 16. На фиг.1-3 приняты следующие обозначения: L, L, L, L ц. — собстненные индуктивности обмоток 10, 11, 12 и 14 реактора; М ь, Мь,. Мс . и Мс,, Мь.,4, М „— коэффициенты взаимоиндукции, между фа э ньми обмот ками 10-1 2 и фазными и дополнительной 1-4 обмотками реакторами 1. i 1., 5.„ — токи соответственно в основных 1-3 и вспомогательном 1.5 нентилях;

i u i, 1, i — линейные токи, ь Р статора синхронного двигателя и токи, протекающие по фазам треугольника управляемых вентилей; ееа е, е — фазные ЭДС питающей системы;

Хдд, ХаЬ,. Х3 — переходные сопротивления фаз синхронного двягателя;

R = 0 01 X - -активное сопротивле-: дЬ ние фаз цепи синхронного двигателя. и цепи ротора, приведенное к статору; Ес, Е 1, Š— фазные ЭДС сннхронного двигателя; Х о, Х сопротивления питающей сети (эквивалентного генератора системы);

0 — текущее время и начальная фаза возникновения к.з.; .1, у;, углы коммутации основных управляемых вентилей 2 и 3 в режиме к.з.;

R — - сопротивление резистора 1б,включенного последовательно со вспомогательным вентилем 15; д „ -,д (Р

= 0,2 Хр) — длительность полного отключения токов трехфазного к.з. с помощью предлагаемого устройства при величине сопротивления резистора 16, равной R = 0,2Хр,. ь и,„ (R = 0,5Хр) — то же, но при величине сопротивления резистора 16, равной

R = 0 5Хрр 1., (R = 0 2Хр) и з (В

= 0,5Хр) — ток вспомогательного вентиля при величинах сопротивления резистора, включенного последовательно с ним, соответственно, равных

R = 0,2Хр и R = 0,5 Хр.

Рассмотрим нормальный режим работы данного устройства.

964840

При отсутствии управляющих импульсов на вспомогательном вентиле

15 нормальный режим предлагаемого устройства полностью совпадает с аналогичным режимом известного устройства. После подачи импульсов управления на основные управляемые вентили 1-3 в трехфазной цепи с предлагаемым устройством под действием внешних ЭДС (геометрической разности напряжения питающей сети и внутренней ЭДС синхронного двигателя) и покрытия активных потерь в вентилях и фазных обмотках реактора от постороннего источника пере.менной ЭДС посредством поцключенных к этому источнику вспомогательных выпрямителей 4 устанавливается такой режим, когда основные вентили предлагаемого устройства находятся в непрерывно проводящем (в течение всего периода промышленной частоты) состоянии, что обеспечивает замыкание статорных обмоток синхронной машины по схеме звезда ., При этом по основным вентилям 1-3 устройства протекают токи i< i и i, содержащие постоянную составляющую о

Х . /- ГЗ, обусловленную действием в кОнтуре треугольника основных управляемых вентилей 1-3 и фазных обмоток ЬРО i Ьрь ° Ьрс выпрямленной 3

ЭДС вспомогательных выпрямителей

4-6, и синусоидальную составляющую

i = I, ./-P sin(u)t + g ), где амплитуда линейного тока трехфазной цепи статора синхронного двигателя (= А,В,С) . Устройство включено. Величина индуктивности рассеяния L5, вносимой реактором в цепь каждой из фаэ синхронного двигателя, при протекании по обмоткам трехфазного реактора одинаковых по модулю и сдвинутых на

120 эл. град синусоидальных токов вследствие наличия между обмотками реактора тесной К - 1 электромагнитной связи составляет величину, Равную Ьб -- -Ь - (1-К ), где К

1 коэффициент электромагнитной связи между обмотками реактора. При реальной величине Кс = 0,8-0,9 значение индуктивности L g весьма мало и устройство практически не оказывает влияние на нормальный режим работы трехфазной цепи статора синхронного двигателя, В нормальном режиме импульсы управления на вспомогательный управляемый вентиль 15 не подаются и дополнительная обмотка L><< реактора разомкнута. При этом к вспомогательному вентилю 15 за счет наличия электромагнитной c:âëçè между дополнительной обмоткой и фазными обмотками реактора прикладывается ЭДС, индуктируемая потоками рассеяния, величина которой весьма мала.

При. возникновении трехфазного к. з. на зажимах синхрониого двигате- . ля под действием сверхпереходной

ЭДС двигателя и резкого уменьшения индуктивного сопротивления синхрон-, 5 ной машины от величины Х,1 до величиI ны, равной Хд в начальный момент возникновения к.з., токи во всех фазах цепи статора двигателя. нарастают по косинусоиде к.з., амплиту10 да которой в начальный момент времени „ = 0 ограничивается суммой сопротивлений Х = Х 1 + Х<, где

Х(-,„.= ХО(1-К ) — сопротивление рассеяния j-той обмотки реактора. Эа время не более gt - 30 эл.град отключается один иэ,основных управляемых вентилей (в данном случае вентиль 2), так как в трехфазной цепи на -интервале повторяемости б0 эл.град один из токов находится на нисходящей ветви ампер-секундной характеристики и при к.з. быстро проходит через нулевое значение.

На интервале времени г + g в две из трех фаз цепи статора синхронного.двигателя вводятся эквивалентные сопротивления двух обмоток реактора (с.учетом. Раэмагничивающе.го действия за счет. наличия тесной электромагнитной связи между данными обмотками при протекании по ним сдвинутых под углом друг к другу токов соответствующих фаз), что обуславливает определенное токоограничивающее действие,. по сравнению с амплитудами токов в фазах статора

65 двигателя на первом после возникновения к.з. интервале времени t t ß

При этом за .счет изменения велйчины периодических слагающих токов к. з. процесс отключения вентиля 3 затягивается, так как ток данного вентиля 3 (ток в фазе C) проходит через нулевое значение в момент времени,, т .е. через 120125 эл. град после возникновения к.з. (t = 0) ° После отключения вентиля 3 трехфазное к.з. переходит в двухфазное (отключена фаза С в статорной цепи синхронного двигателя), и в цепь переменного тока через оставшийся в работе вентиль 1 вводится полное сопротивление одной из обмоток Х(реактора (прочие обмотки реактора отключены), что обеспечивает требуемое ограничение тока к.з. по условиям термостойкости вентиля в режимах однократной токовой перегрузки (величина сопротивления Х по условиям термостойкости выбирается на уровне Х

= 20-30%) . После достижения током к.з. своего максимального значения (производная тока изменяет свой знак c + на - ) подаются импульсы управления на вспомогательный вентиль 15, отпирани которого

964840

20

30

В. приводит к закорачиванию дополнительной обмотки реактора 14 (фиг.1) на резистор 16. Указанное приводит к резкому. снижению результирующего сопротивления обмотки реактора, включенной в цепь к.з., и как следствие этого. резко возрастает крутизна спада тока к.з., что обеспечивает его надежное прохождение через нулевое значение и отключение вентиля 1 и цепи к.з. Выбором величины сопротивления резистора 16. мощно добиться. требуемой по условиям надежного отключения цепи к.з. крутизны спада тока к.з. Как показывают выполненные на ЦВМ расчеты, величина сопротивления резистора. 16 должна лежать в пределах 0,2X R 0,5Хр.при этом обеспечивается надежное отключение цепи к.з, с помощью предлагаемого устройства и быстрое затухание тока в короткозамкнутой обмотке 14 реактора до вечины тока удержания 1уАрй(0.5 A.

Как показывают выполненные расчеты тепловыделений во вспомогательном управляемом вентиле 15 при температуре окружающей среды 40оС, его установленная мощность по условиям термостойкости при известной форме перегрузочного тока (фиг.З) не превышает 15-203 от установленной мощности основного управляемого вентиля, а при исчислении от установленной суммарной мощности основных управляемых вентилей указанная величина не превышает 5Ъ. Следовательно, установленная мощность дорогостоящей вентильной части в предлагаемом устройстве может быть снижена на

25-35%, по сравнению с известньм при обеспечении быстрого и надежного отключения токов к.з. в индуктивных цепях трехфазного тока.

Формула изобретения

Устройство для коммутации трехфазного тока по авт.св. 9 613438 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения установленной мощности основных управляемых вентилей при установке устройства в индуктивные цепи трехфазного тока, реактор снабжен дополнительной обмоткой, вспомогательным управляемым вентилем и резистором, при этом дополнительная ббмотка. связана электромагнитно с фазными обмотками реактора и замкнута на управляемый вентиль и последовательно включенный с ним резистор, Источники информа.сии, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

Р 613438, кл. Н 02 Н 3/34, 1977.