СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ Российский патент 2008 года по МПК H02H7/10 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к защите сильноточных тиристорных преобразователей в аварийном режиме. Аварийным режимом является такой режим, при котором в процессе работы преобразователя не функционирует основная защита.

Тиристорные преобразователи, широко используемые для питания электроприводов, мощных нагревательных и осветительных установок различного назначения, непременно имеют в своем составе различные устройства, предотвращающие перегрузки, внутренние и внешние короткие замыкания. Последней, резервной, ступенью защиты мощного тиристорного преобразователя являются быстродействующие выключатели, обеспечивающие отключение сверхтоков при несрабатывании основных систем защиты. Однако само по себе придание быстродействующему выключателю (БВ) функции резервной защиты предполагает, что задаваемые величины токов отключения БВ для любых режимов недопустимых перегрузок должны превышать уровни основной защиты. Для того чтобы обеспечить правильную последовательность отключения основной и резервной защит при динамических перегрузках и, в частности, при перегрузках, возникающих при включении преобразователя толчком под полную нагрузку либо при резком увеличении выходного тока в результате его регулирования по требованиям эксплуатации величину тока отключения БВ существенно (иногда многократно) завышают. Такое завышение ведет к неоправданным тепловым и электродинамическим воздействиям во внутренних и внешних цепях преобразователя в период аварийной коммутации БВ.

Известен способ защиты тиристорного преобразователя [Патент РФ №2197051, Бюл. изобр. №2, стр.520, 2003], при котором контролируют величину входного тока преобразователя, и при превышении максимального допустимого значения этой величины формируют сигнал на блокирование управляющих импульсов (основная защита) и сигнал на шунтирование выхода преобразователя.

Недостатком такого способа является то, что при его реализации защита тиристорного преобразователя осуществляется только путем блокирования управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения входного тока преобразователя (т.е. действует только основная защита). В аварийном режиме при отказе основной защиты резервное отключение выходного тока преобразователя отсутствует. В этом случае отсутствует возможность предохранить от вредного воздействия сверхтоков внутренние и внешние элементы цепей преобразователя.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ, описанный в [Е.М.Глух, В.Е.Зеленев. Защита полупроводниковых преобразователей, М., Энергоиздат, 1982 г., стр.90-92], выбранный нами в качестве прототипа. В указанном способе осуществляют следующую совокупность действий для обеспечения защиты тиристорного преобразователя в аварийном режиме. Задают максимальное допустимое значение приведенной величины входного тока* (*Под приведенной величиной входного тока мы понимаем величину I₁=kI_вх=I_вых, где I_вх, I_вых - величины входного и соответственно выходного токов преобразователя; k - коэффициент приведения; I₁ - приведенная величина входного тока) преобразователя, соответствующее максимальному допустимому значению входного тока преобразователя. Контролируют величину выходного тока преобразователя и производную этой величины по времени (в дальнейшем для краткости изложения производную величины выходного тока преобразователя по времени мы будем называть просто производной выходного тока преобразователя), задают диапазон значений величины тока отключения БВ по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом минимальному задаваемому значению величины тока отключения БВ соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному задаваемому значению величины тока отключения БВ соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя. Диапазон значений величины тока отключения БВ задают так, что минимальное значение величины тока отключения БВ лежит выше максимального допустимого значения приведенной величины входного тока преобразователя. При достижении выходным током преобразователя значений величины тока отключения БВ, лежащих в заданном диапазоне, отключают БВ.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся следующие. Хотя в способе-прототипе и присутствует резервное отключение выходного тока преобразователя в аварийном режиме при отказе основной защиты, но резервная система защиты, выполненная на базе БВ, срабатывает при очень высоких значениях токов статических перегрузок, что приводит к высоким тепловым и электродинамическим нагрузкам во внутренних и внешних цепях преобразователя в период аварийной коммутации БВ.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей изобретения является предохранение от вредного воздействия сверхтоков внутренних и внешних элементов цепей тиристорного преобразователя в случае аварийного отключения * (* Под аварийным отключением БВ будем понимать такое его отключение, которое происходит в условиях неисправной основной защиты) быстродействующего выключателя.

Техническим результатом изобретения является поддержание работы тиристорного преобразователя в аварийном режиме, снижение вредных тепловых и электродинамических воздействий сверхтоков на внутренние и внешние элементы цепей тиристорного преобразователя в случае аварийного отключения быстродействующего выключателя.

Предложенный нами способ защиты тиристорного преобразователя в случае возникновения аварийного режима значительно снижает вредное воздействие сверхтоков на внутренние и внешние элементы цепей преобразователя. В результате этого увеличивается ресурс силовых элементов преобразователя, ресурс БВ в системе резервной защиты.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе защиты тиристорного преобразователя, включающем задание максимального допустимого значения приведенной величины входного тока преобразователя по максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя, задание диапазона значений величины тока отключения БВ по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом максимальному значению величины тока отключения БВ в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, контроль величин выходного тока преобразователя и производной выходного тока преобразователя, отключение БВ при достижении выходным током преобразователя значений величины тока отключения БВ, лежащих в заданном диапазоне, в соответствии с заявляемым техническим решением диапазон значений величины тока отключения БВ задают так, что минимальное значение величины тока отключения БВ в этом диапазоне совпадает с максимальным допустимым значением приведенной величины входного тока преобразователя, при этом минимальному значению величины тока отключения БВ в этом диапазоне соответствует максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя.

В основе заявляемого технического решения лежит задание принципиально другого диапазона значений величины тока отключения БВ, связанного определенным образом с максимальным допустимым значением приведенной величины входного тока преобразователя (и, соответственно, с максимальным допустимым значением входного тока преобразователя), что создает условия для снижения токовых перегрузок преобразователя в режиме резервного аварийного отключения БВ.

На Фиг.1 изображена диаграмма, иллюстрирующая работу защиты преобразователя в аварийном режиме в предлагаемом способе. Вертикальными стрелками показаны оси токов I. Горизонтальными прямыми a, b, с, d, e показаны соответственно уровни токов I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, где I₁ - задаваемое максимальное допустимое значение величины приведенного входного тока преобразователя, с которым в соответствии с заявляемым способом совпадает минимальное значение величины тока отключения БВ; I₂ - максимальное значение величины тока отключения БВ, которому соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя согласно заявляемому способу; I₃ - минимальное значение величины тока отключения БВ, соответствующее максимальному значению величины производной выходного тока преобразователя, согласно способу-прототипу; I₄ - значение величины тока отключения БВ в способе-прототипе, которому соответствует задаваемое нами в заявляемом способе максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя; I₅ - максимальное значение величины тока отключения БВ, которому соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, согласно способу-прототипу. Минимальное значение величины тока отключения БВ согласно заявляемому способу, задают так, что оно совпадает с задаваемым максимальным допустимым значением величины приведенного входного тока преобразователя, при этом ему соответствует максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя. Таким образом, согласно заявляемому способу диапазон значений величины тока отключения БВ задают так, что он располагается между прямыми a и b на Фиг.1 и ему соответствуют значения величины производной выходного тока преобразователя, простирающиеся от нулевого значения (которое соответствует максимальному току отключения БВ I₂) до максимального допустимого значения (которое соответствует минимальному току отключения БВ, приравненного I₁). Этот диапазон обозначен на Фиг.1 штриховкой. Если обратиться к диапазону значений величины тока отключения БВ в способе-прототипе, то значение величины тока отключения БВ, которому соответствует задаваемое нами в заявляемом способе максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя, будет располагаться на уровне I₄.

Работа предлагаемого способа защиты тиристорного преобразователя в аварийном режиме осуществляется следующим образом. Задают максимальное допустимое значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов по максимальному допустимому значению входного тока преобразователя. На Фиг.1 прямая α на уровне I₁ соответствует этому значению, ниже которого реализуется рабочий режим тиристорного преобразователя. Для контроля величин выходного тока преобразователя и его производной можно использовать реле дифференциального шунта (РДШ), входящего в состав БВ. Как известно, особенностью работы РДШ является то, что значение тока, при котором оно срабатывает (выходной ток преобразователя), не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от скорости его изменения (зависит от производной тока), причем, чем выше производная тока, тем меньше величина тока, при которой срабатывает РДШ. Задают диапазон значений величины тока отключения БВ по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя. Задают этот диапазон так, что минимальному значению величины тока отключения БВ в этом диапазоне соответствует максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя. Это минимальное значение величины тока отключения БВ задают равным максимальному допустимому значению приведенной величины входного тока преобразователя. Максимальное же значение величины тока отключения БВ в этом диапазоне устанавливают по нулевому значению величины производной выходного тока преобразователя. Смысл такого задания диапазона значений величины тока отключения БВ заключается в следующем. При наступлении аварийного режима, т.е. в тех случаях, когда неисправна основная защита преобразователя, включение преобразователя под нагрузку и регулирование выходного тока в процессе работы преобразователя можно осуществлять при низких (малых) значениях величины производной выходного тока преобразователя и таким образом обеспечивать рабочий режим преобразователя. Этот диапазон низких значений величины производной выходного тока преобразователя простирается от нулевого значения величины производной до максимального допустимого значения величины производной, выше которого нарушаются условия плавного включения под нагрузку и плавного регулирования тока нагрузки. В заявляемом способе задают такой диапазон значений токов отключения БВ, который будет соответствовать диапазону низких (малых) значений величины производной выходного тока преобразователя. Осуществляя плавное включение под нагрузку и плавное регулирование тока нагрузки и таким образом поддерживая преобразователь в рабочем режиме даже в условиях аварийного состояния основной защиты, контролируют величину выходного тока преобразователя. При достижении выходным током преобразователя значения, соответствующего заданному значению величины тока отключения БВ (диапазон между прямыми a и b на Фиг.1), производят отключение БВ. Таким образом, при возникновении аварийных недопустимых значений величины выходного тока преобразователя его отключение производится быстродействующим выключателем, но при существенно меньших значениях аварийных токов, чем в способе-прототипе.

При реализации способа-прототипа сигнал отключения БВ формируют при недопустимом превышении минимального значения величины выходного тока отключения быстродействующего выключателя I₃ (прямая с). Как видно из Фиг.1, минимальное значение величины тока отключения БВ находится выше задаваемого максимального допустимого значения величины приведенного входного тока преобразователя I₃>I₁. Диапазону низких значений величины производной выходного тока в способе-прототипе будет соответствовать диапазон (I₄-I₅). При работе преобразователя при низких (малых) значениях величины производной выходного тока в способе-прототипе в случае возникновения аварийных недопустимых значений величины выходного тока преобразователя отключение БВ будет осуществляться при существенно более высоких значениях величины тока отключения (I₄-I₅), чем в заявляемом способе (I₁-I₂). Вследствие этого и негативные последствия возникающих в аварийных режимах сверхтоков в способе-прототипе будут существенно выше, чем в заявляемом способе.

На предприятии ФГУП НИИКИ ОЭП предлагаемый способ защиты тиристорного преобразователя был реализован на базе серийного тиристорного агрегата КТЭУ-4000, снабженного быстродействующим выключателем ВАТ-42 с датчиком выходного тока РДШ. Задание диапазона значений величины тока отключения БВ осуществляли путем регулировки натяжения пружины РДШ в сторону ослабления натяжения этой пружины так, чтобы минимальное значение величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне совпадало с максимальным допустимым значением приведенной величины входного тока преобразователя. Проведенные испытания при низких производных тока тиристорного агрегата продемонстрировали надежную аварийную коммутацию силовых цепей при неисправной основной защите за счет отключения БВ при пониженных уровнях отключаемого тока.

Использование: для защиты сильноточных тиристорных преобразователей. Технический результат заключается в поддержании работы тиристорного преобразователя в аварийном режиме. Способ заключается в том, что задают максимальное допустимое значение приведенной величины входного тока преобразователя по максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя, задают диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом максимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, а минимальному значению - максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя, задают диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя так, что минимальное значение величины тока отключения в этом диапазоне совпадает с максимальным допустимым значением приведенной величины входного тока преобразователя, контролируют величины выходного тока преобразователя и его производной, отключают быстродействующий выключатель при достижении выходным током преобразователя значений величины тока отключения, лежащих в заданном диапазоне. 1 ил.

Способ защиты тиристорного преобразователя в аварийном режиме, включающий задание максимального допустимого значения приведенной величины входного тока преобразователя по максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя, задание диапазона значений величины тока отключения быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом максимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, контроль величин выходного тока преобразователя и производной выходного тока преобразователя, отключение быстродействующего выключателя при достижении выходным током преобразователя значений величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащих в заданном диапазоне, отличающийся тем, что диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя задают так, что минимальное значение величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне совпадает с максимальным допустимым значением приведенной величины входного тока преобразователя, при этом минимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует максимальное допустимое значение величины производной выходного тока преобразователя.