10.10. Защита преобразователя.

Защита преобразователя осуществляется от внутренних и внеш­них аварийных режимов (17).Причиной возникновения внутренних ава­рий являются всевозможные неисправности элементов самой силовой схемы тиристорного преобразователя. К ним относятся: пробой тиристо­ров силового моста, одновременное включение встречно-параллельных мостов реверсивного тиристорного преобразователя с раздельным управ­лением группами. К внешним авариям, которые характеризуются внеш­ними причинами, относятся: недопустимые перегрузки; короткие замыка­ния на шинах постоянного и переменного тока; однофазное и двухфазное опрокидывание инвертора.

10.10.1. Защита плавкими предохранителями.

Для защиты силовых вентилей полупроводниковых преобразова­телей средней и большой мощности при внешних и внутренних коротких замыканиях широко применяются быстродействующие предохранители плавкие, которые являются самыми дешевыми средствами защиты. Они состоят из контактных ножей и плавкой вставки из серебряной фольги, помещенный в закрытый фарфоровый патрон. Плавкая вставка имеет узкие калиброванные перешейки, которые снабжены радиаторами из хорошо проводящего тепло керамического материала, посредством которых тепло отводится к корпусу предохранителя. Эти радиаторы слу­жат также дугогасительными камерами с узкой щелью, что значительно улучшает гашение дуги, возникающей в области перешейка. Параллельно плавкой вставке установлен сигнальный патрон, блинкер которого сигна­лизирует о расплавлении плавкой вставки, и, воздействуя на микровы­ключатель, замыкает сигнальные контакты.

Основными показателями предохранителя, характеризующими его защитные свойства, являются номинальное напряжение U_п.ном., номинальный ток I_п.ном. плавкой вставки, тепловые эквиваленты плавления I_п² t_пл. и отключения I_п² t_откл..

Длительное время промышленностью выпускались два типа быстро­действующих плавких предохранителей, предназначенных для защиты от токов короткого замыкания преобразователей с силовыми полупровод­никовыми вентилями:

1. предохранители типа ПНБ-5 для работы в цепях с номинальным на­пряжением до 660В постоянного и переменного тока на номиналь­ные токи 40,63,100,160,250,315,400,500 и 630А;

2. предохранители типа ПБВ для работы в цепях переменного тока с частотой 50Гц и номинальным напряжением 380В на номинальные токи от 63 до 630А.

В настоящее время полупроводниковые преобразователи оснаща­ются предохранителями серии ПП57,предназначенные для защиты пре­образовательных агрегатов при внутренних коротких замыканиях пере­менного и постоянного тока при напряжениях 220 – 2000В на токи 100,250,400,630 и 800А.

Предохранители могут устанавливаться последовательно в цепи ка­ждого вентиля, а в реверсивных преобразователях с раздельным управле­нием одним предохранителем защищаются вентили группы «Вперед» и группы «Назад» (см. рис. 10.4.). При параллельном соединении вентилей в плече предохранители могут устанавливаться последовательно с каж­дым вентилем или один предохранитель на все вентили.

Предохранитель плавкий характеризуется действующими значе­ниями напряжения и тока и выбор его производится из следующих усло­вий:

1. Номинальное напряжение применяемого предохранителя должно быть не меньше номинального напряжения преобразовательной ус­тановки. В противном случае не будет обеспечено нормальное гаше­ние дуги, что может привести к разрушению корпуса предохранителя и перебросу дуги на токоведущие части. Время срабатывания предо­хранителя 10 – 15мс.

В рассматриваемом примере U_{d ном}=460В, следовательно должно быть U_пр.ном. U_{d ном}.

2. Номинальный ток основания предохранителя при установке предо­хранителя последовательно с вентилем

где n – число параллельно включенных вентилей.

Этим условиям удовлетворяет предохранитель плавкий ПП57-39-6-7-1- -У3.В структурном условном обозначении предохранителя буквы и цифры означают:

ПП – предохранитель плавкий;

57 – номер серии;

39 – номинальный ток основания предохранителя (I_пр.ном.=630А);

6 – номинальное напряжение основания предохранителя

(U_пр.ном.= 660В);

7 – способ монтажа (7 – болтовое с уголковыми выводами);

1 – с указателем срабатывания, со свободным контактом;

У3 – климатическое исполнение и категория размещения.

Номинальный ток плавкой вставки

где _зап.- коэффициент запаса по току, не менее 1,2.

2. Защита автоматическими выключателями.

Автоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты вентильных пре­образователей от внешних коротких замыканий, опрокидывания инвер­тора и перегрузок по току. Выключатели устанавливаются на стороне переменного и выпрямленного тока.

Место включения автоматических выключателей в схемах вен­тильных преобразователей определяется теми наиболее вероятными ава­рийными режимами, от которых предусматривается защита. При этом должна учитываться специфика работы преобразователя, требования за­щиты вентилей и селективности отключения поврежденной цепи.

Автоматические выключатели переменного тока устанавлива­ются в преобразователях, питающихся от сети 380В, на первичной сто­роне трансформатора или до токоограничивающих реакторов в бес­трансформаторном варианте. При питании преобразователя от сети 6,10кВ защита трансформатора осуществляется масляным выключателем, подключаемый к преобразователю через разъединитель, находящийся в шкафу высоковольтного ввода (ШВВ).

Выключатели на стороне переменного напряжения защищают преобразователь как от внутренних, так и от внешних аварийных режи­мов в выпрямительном режиме. В инверторном режиме при прорыве ин­вертора аварийный ток замыкается через вентили одной фазы, минуя цепь переменного тока (однофазное опрокидывание инвертора), и в этом случае не разрывается автоматическим выключателем. В связи с этим такие схемы могут применяться для преобразователей, где режим инвер­тирования не применяется, и для возбудителей, поскольку обмотку воз­буждения двигателей нежелательно отключать от источника питания («разнос»).

Защита вентильного преобразователя, а также якоря двигателя от аварийных режимов на стороне постоянного тока (короткое замыкание, круговой огонь на коллекторе, перегрузка) осуществляется быстродейст­вующими автоматическими выключателями серий А3700,ВАТ-42,46,48 /4/.

В рассматриваемом примере (силовая схема приведена на рис.10.14) при питании преобразователя от сети 10кВ подключение трансформатора к сети осуществляется разъединителем, установленного в ШВВ, а защита от коротких замыканий в трансформаторе и на шинах переменного тока двухфазного опрокидывания инвертора и от включения группы на группу реверсивного преобразователя осуществляется масля­ным выключателем серии ВММ-10.

На стороне постоянного тока устанавливаются автоматические выключатели А3795 Н У3 SF1,SF2 на выпрямленное напряжение 440В /4/, два полюса которых соединены параллельно, обеспечивающие проте­кание номинального тока 2х630=1260А; тепловой расщепитель на 2х400=800А; электромагнитный расцепитель на 2х630=1260А; установка по току срабатывания: теплового расцепителя 2х460=920А, электромаг­нитного расцепителя не менее

(выбирается 2400А). Собственное время отключения А3700 с дистанци­онным расцепителем полупроводникового типа не более 10мс.

Для коммутации якорной цепи при кратковременных остановках электропривода предусматриваются контакты линейных контакторов КМ1, КМ2.

2. Защита от перенапряжений.

Процессы, протекающие в вентильных преобразователях, часто сопровождаются перенапряжениями, которые, воздействуя на вентили, могут привести к их пробою, вызывающему, как правило, короткое замыкание.

Основными видами перенапряжений являются:

1. Сетевые перенапряжения, обусловленные действием сетевой коммутационной аппаратуры или атмосферных явлений.

2. Схемные перенапряжения неповторяющегося характера, связанные с действием коммутационной аппаратуры вентильного преобразователя. Это перенапряжения, связанные с включением питающего трансформатора, подключением вентильного преобразователя к источнику переменного напряжения, отключением питающего трансформатора, а также отключением тока нагрузки при помощи автоматического выключателя.

3. Схемные повторяющиеся перенапряжения – они обусловлены работой вентилей в силовой схеме и являются либо резонансными, либо коммутационными.

Резонансные перенапряжения связаны с потреблением из сети несинусоидального тока и прерывистым режимом работы преобразователя.

Коммутационные схемные перенапряжения вызываются периодическим переходом вентилей из закрытого состояния в открытое и обратно. Они характеризуются (при отсутствии ограничительных устройств) крутым фронтом (до 1000 В/мкс) и значительной амплитудой (до 10 – кратного значения по отношению к рабочему напряжению).

Для ограничения перенапряжений широко применяются накопители энергии - конденсаторы, входящие в состав RC – цепочек. В целях защиты от коммутационных перенапряжений, поступающих из питающей сети, при коммутациях трансформатора и цепей нагрузки RC – цепочки включают на вторичной стороне трансформатора по одной из схем, приведенных на рис.10.5.

а) б)

Рис.10.15. Схемы включения RC - цепочек

С учетом параметров питающего трансформатора емкость демпфирующего конденсатора С3 (С4, С5) в защитных цепях трехфазных схем выпрямления (см. рис.10.15,а) определится по формуле

где S – мощность питающего трансформатора, кВА;

U_{обр.мах} – амплитудное значение обратного (прямого) напряжения на тиристоре, В;

U_н.т. – максимально-допустимое напряжение для защищаемых тиристоров, В;

I₀ – ток холостого хода трансформатора, А.

Для рассматриваемого примера:

S_ном = 581 кВА, I₀ =0,0165I_1н =0,016533,5=0,55 А; U_н.т. =1000 В; U_{обр.мах} =578 В.

При заряде конденсатора в результате перенапряжений в контуре LC происходит колебательный процесс перехода электромагнитной энергии в электростатическую и обратно. Для настройки колебательного контура на апериодический процесс последовательно с конденсатором устанавливается резистор R3, сопротивление которого должно быть больше двухкратного волнового сопротивления этого контура

При больших мощностях преобразователей целесообразно устанавливать RC – цепочки на стороне выпрямленного тока вспомогательного выпрямителя “В” (см. рис.10.15,б). В этом случае используются электролитические конденсаторы с емкостью C1, увеличенной в 1,5 раза по сравнению со схемой рис. 9.15,а, а гасящий резистор R1 уменьшается на 33,3%. Можно установить вместо R1 резистор R’1, при этом он будет также ограничивать ток короткого замыкания при пробое одного из диодов выпрямительного моста.

Разрядное сопротивление R2 выбирается из условий разряда C1 на 10% за один полупериод частоты питающей сети

где С1 – емкость конденсатора, Ф.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяются RC – цепочки, включенные параллельно тиристорам (см. рис.10.16).

Рис.10.16. Схема включения RC – цепочки

Емкость конденсатора определяется по формуле /18/

Сопротивление R выбирается равным