Требования к защите

Защита преобразователей должна действовать при внешних и внутренних к.з., при возникновении аварийных токов между тиристорными группами и при опрокидывании инвертора. При внешних к.з. и опрокидываниях инвертора защита должна отключать преоб­разователь со стороны постоянного тока.

Кроме того, при внешних к.з. желательна легализация ава­рийного тока по месту (предотвращение перехода аварийного тока на следующие по порядку коммутации в схеме вентили) и по времени (ограничение тока. к.з. первой полуволны), что должно обес­печиваться устройством защиты по управляющему электроду, ко­торое снимает или сдвигает к границе инверторного режима управ­ляющие импульсы. При опрокидываниях инвертора эта защита неэффективна.

При внутренних к.з. защита должна отключать весь преобразователь или повреждённый тиристор (защита по управляющему электроду при этом должна снять или сдвинуть к границе инверторного режима управляющие импульсы).

При появлении аварийных токов между тиристорными груп­пами защита должна разомкнуть цепь аварийного тока или отклю­чить преобразователь от сети.

Основные требования, предъявляемые к аппаратам уст­ройствам защиты, заключаются в следующем:

1. Максимальное быстродействие. С ростом продолжитель­ности протекания аварийного тока увеличиваются размеры повре­ждений преобразователя, а при опрокидываниях инвертора воз­растает абсолютное, значение аварийного тока. Малая теплоём­кость кремниевого элемента и обусловленная ею высокая чувстви­тельность тиристоров к значению и продолжительности протекания аварийных токов определяют высокие требования к быстродейст­вию защиты тиристорных преобразователей.

2. Селективность. Отключение только повреждённых венти­лей без нарушения работы исправных вентилей и преобразователя в целом. В то же время, при срабатывании защиты, отключающей преобразователь в целом, не должна срабатывать защита, отключающая вентили.

3. Чувствительность. Обеспечение срабатывания защиты при возможно меньших значениях аварийных токов.

4. Надёжность, помехоустойчивость, простота настройки и обслуживания.

Выбор защитных аппаратов

Защита плавкими предохранителями

Защита от внутренних коротких замыканий, возникающих в случае пробоя тиристоров или потери тиристором запирающих свойств, осуществляется быстродействующими плавкими предохранителями, включенными последовательно с тиристорами. В схеме преобразователя предусмотрено параллельное соединение тиристоров (3 тиристора в плече). При пробое одного из работающих тиристоров преобразователь может продолжать работу, но длительность такой работы ограничена во времени. Поврежденный тиристор при этом выключается из работы предохранителем, а в схему индикации подается сигнал о перегорании предохранителя.

Номинальный ток основания предохранителя при установке предохранителя последовательно с вентилем

где n – число параллельно включенных вентилей.

Этим условиям удовлетворяет плавкий предохранитель ПП57–3467-У3 c , время отключения 10 мс.

Номинальный ток плавкой вставки:

,

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

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 токов.

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

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»).

Преобразователь питается от сети 6 кВ и подключение трансформатора к сети осуществляется разъединителем, установленном в ШВВ, а защита от коротких замыканий в трансформаторе, двухфазного опрокидывания инвертора, от включения группы на группу реверсивного преобразователя осуществляется масляным выключателем ВММ-10.

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 А3796 П (Q2, Q3 смотреть рисунок 11.) на выпрямленное напряжение 440 В (два полюса выключателя соединены последовательно), а между собой соединены параллельно, обеспечивая протекание номинального тока ; тепловой расцепитель на 2^. 500=1000 А; электромагнитный расцепитель на 2^. 630=1260 А; уставка по току срабатывания: теплового расцепителя 2^. 575=1150 А, электромагнитного расцепителя не менее 2.75^. 650=1787,5 А (выбирается 2000 А).

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 схеме, приведенной на рисунке 2.11.

С учетом параметров питающего трансформатора емкость демпфирующего конденсатора СЗ (С4, С5) в защитных цепях трех­фазных схем выпрямления (рисунок 2.11) определится по формуле

, мкФ , (2.29)

где - мощность питающего трансформатора, кВА;

U_o6p.max — амплитудное значение обратного (прямого) напря­жения на тиристоре, В;

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

I₀ - ток холостого хода трансформатора, А.

Рисунок 2.11 - Схемы включения RC-цепочек

Для рассматриваемого трансформатора:

Значение емкости принимаем из стандартного ряда Е24 равной 1,6 мкФ.

При заряде конденсатора, в результате перенапряжений в контуре RC 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 двукратного волнового со­противления этого контура.

Из стандартного ряда Е24 значение сопротивления принимаем равным 27 Ом.

Разрядное сопротивление R2 выбирается из условий разряда С1 на 10% за один полупериод частоты питающей сети.

(2.30)

где С1 – ёмкость конденсатора, Ф.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяют­ся RC-цепочки, включенные параллельно тиристорам (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема включения RC-цепочки

Емкость конденсатора определяется по формуле

(2.31)

где е_к = 0,061 - напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах;

I_TRM-1570 A - максимально действующее значение тока тиристо­ров в открытом состоянии;

U_DRM=U_н.m.=1000 В - повторяющееся импульсное напряжение тиристоров в закрытом состоянии;

I_Rmax- максимальное значение обратного тока.

где τ = 20 мкс - время восстановления вентиля Т16-320.

Значение емкости принимаем из стандартного ряда Е24 равной 115 нФ.

Сопротивление R выбирается равным

Из стандартного ряда Е24 значение сопротивления принимаем равным 44,2 Ом.

Контроль питающего напряжения, выпрямленного напряжения и тока

Наличие и уровень напряжения питающей сети контролиру­ются с помощью трехфазного реле. При исчезновении фазы или при снижении на 48% напряжения одной из фаз реле подает команду на отключение автоматических выключателей. Световое табло сигнализирует о включенном и выключенном состоянии масляного выключателя.

Для визуального контроля величины выпрямленного тока и напряжения предусмотрены амперметр, подключенный к шунту, и вольтметр, в цепи которого имеются предохранители.

На стороне переменного тока преобразователя установлены трансформаторы тока, сигналы которых через разде­лительный трансформатор поступают в систему импульсно-фазового управления и систему защиты от токов короткого замыкания.

При помощи указанных трансформаторов, измеряющих ток преобразователя, а также блока датчиков состояния тиристоров (БДС), контролирующих закрытое состояние тиристоров, формиру­ется логический сигнал на переключение выпрямительных групп реверсивного преобразователя.

Контроль изоляции

На стороне постоянного тока преобразователя установлен узел контроля изоляции цепи выпрямленного тока на землю. Кон­троль осуществляется при помощи двухобмоточного реле типа РН 55/200, катушки которого включены между собой встречно и последовательно с сопротивлениями на напряжение моста, а средняя точка катушек подключена, к "земле" через показываю­щий миллиамперметр.

При одинаковом уровне изоляции полюсов преобразователя относительно "земли" через включенные встречно обмотки реле протекает одинаковый ток и ампервитки катушек реле уравновешивают друг друга. При снижении уровня изоляции одного из полюсов относительно "земли" реле срабатывает и подает в схему преду­преждающий сигнал "снижение уровня изоляции силовой цепи". Уставка срабатывания реле определяется величиной сопро­тивлений. Для исключения влияния переменной состав­ляющей выпрямленного напряжения на уставку срабатывания реле катушки зашунтированы конденсаторами. Миллиамперметр позволяет визуально оценить снижение изоляции между "зем­лей" и одним из полюсов преобразователя по отношению к уровню изоляции между "землей" и другим полюсом. Схема контроля изоляции представлена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Силовая схема электропривода серии КТЭ