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

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к защите сильноточных тиристорных преобразователей.

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 функции резервной защиты предполагает, что задаваемые величины токов отключения быстродействующего выключателя для любых режимов недопустимых перегрузок должны превышать уровни основной защиты. Для того, чтобы обеспечить правильную последовательность отключения основной и резервной защит при динамических перегрузках, величину тока отключения быстродействующего выключателя, при которой осуществляется его отключение при плавно нарастающих перегрузках, существенно (иногда многократно) завышают. Такое завышение ведет к неоправданным тепловым и электродинамическим воздействиям во внутренних и внешних цепях преобразователя в период аварийной коммутации быстродействующего выключателя.

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 и сигнал на шунтирование выхода преобразователя.

Недостатком такого способа является то, что при его реализации блокирование управляющих импульсов (срабатывание основной защиты) осуществляется лишь при превышении максимального допустимого значения входного тока преобразователя, независимо от того, с какой скоростью нарастает входной ток преобразователя, в связи с чем отсутствует ограничение величин отключаемых аварийных токов при нарастании скоростей их изменения и соответствующее этому ограничение вредных воздействий сверхтоков. В способе-аналоге также отсутствует резервное отключение выходного тока преобразователя в аварийных режимах при отказе основной защиты, в связи с чем при внешних коротких замыканиях отсутствует возможность предохранить от вредного воздействия сверхтоков внутренние и внешние элементы цепей преобразователя.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ, описанный в [Е.М.Глух, В.Е.Зеленов, Защита полупроводниковых преобразователей, М., Энергоиздат, 1982 г., стр.90-92], выбранный нами в качестве прототипа. В способе контролируют величину входного тока преобразователя и при превышении максимального допустимого значения этой величины блокируют управляющие импульсы, 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 быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом минимальному задаваемому значению величины тока отключения быстродействующего выключателя соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному задаваемому значению величины выходного тока отключения быстродействующего выключателя соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя. Задают максимальное допустимое значение приведенной величины входного тока* (*Под приведенной величиной входного тока мы понимаем величину I₂=k I_вх=I_вых, где I_вх, I_вых - величины входного и, соответственно, выходного токов преобразователя; k - коэффициент приведения; I₂ - приведенная величина входного тока) преобразователя по максимальному допустимому значению входного тока преобразователя. Далее это максимальное значение приведенной величины входного тока преобразователя мы будем именовать значением приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов. Диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя задают так, что минимальное значение величины тока отключения быстродействующего выключателя лежит выше значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов. При достижении выходным током преобразователя значений величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащих в заданном диапазоне, отключают быстродействующий выключатель.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся следующие. Во-первых, блокирование управляющих импульсов осуществляется в способе-прототипе при превышении максимального допустимого значения входного тока преобразователя, независимо от того, с какой скоростью он нарастает. В связи с этим отсутствует ограничение величин отключаемых аварийных токов при нарастании скоростей их изменения и соответствующее этому ограничение вредных воздействий сверхтоков. Второй причиной является следующая. В способе-прототипе присутствует резервное отключение выходного тока преобразователя в аварийных режимах при отказе основной защиты (под основной защитой в способе-прототипе подразумевается отключение тиристорного преобразователя путем блокирования управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения входного тока). Однако в случае быстрого нарастания входного тока преобразователя при отказе основной защиты, резервная система защиты, выполненная на базе быстродействующего выключателя, срабатывает при очень высоких значениях токов динамических перегрузок, а в случае медленного нарастания входного тока преобразователя при отказе основной защиты резервная система защиты 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 быстродействующего выключателя.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей изобретения является ускорение отключения тиристорного преобразователя при быстром нарастании входных и выходных токов преобразователя и предохранение от вредного воздействия сверхтоков силовых контактов быстродействующего выключателя и внутренних и внешних элементов цепей тиристорного преобразователя в случае аварийного отключения преобразователя.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы тиристорного преобразователя, обеспечение ускоренного отключения тиристорного преобразователя при быстронарастающих входных и выходных токах, исключение обгорания силовых контактов быстродействующего выключателя и снижение вредных тепловых и электродинамических воздействий сверхтоков на внутренние и внешние элементы цепей тиристорного преобразователя в случае его аварийного отключения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе защиты тиристорного преобразователя, включающем контроль величины входного тока преобразователя, блокирование управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения величины входного тока преобразователя, задание значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов по максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя, контроль величин выходного тока преобразователя и производной выходного тока преобразователя, задание диапазона значений величины тока отключения быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом минимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному значению выходного тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, отключение быстродействующего выключателя, в соответствии с заявляемым техническим решением диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя задают так, что значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов входит в этот диапазон, вводят сигнал на дополнительное блокирование управляющих импульсов при достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим ниже значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов, дополнительное блокирование управляющих импульсов осуществляют по вводимому сигналу, а отключение быстродействующего выключателя производят после дополнительного блокирования управляющих импульсов с задержкой во времени, не меньшей, чем время запирания тиристорного преобразователя.

В основе заявляемого технического решения лежит совмещение функций основной (блокирование управляющих импульсов) и резервной (отключение быстродействующего выключателя) защит тиристорного преобразователя в динамическом интервале перегрузок при условии опережающего действия основной защиты, выбор необходимого соотношения между значениями величины тока отключения быстродействующего выключателя и приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов, создание условий для снижения токовых перегрузок преобразователя в режиме резервного аварийного отключения быстродействующего выключателя. Под основной защитой тиристорного преобразователя в заявляемом способе подразумевается отключение тиристорного преобразователя путем блокирования управляющих импульсов не только при превышении величины входного тока преобразователя выше максимального допустимого значения (как и в прототипе), но и за счет осуществления дополнительного блокирования. Случаю блокирования управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения величины входного тока преобразователя соответствует в заявляемом способе достижение тех значений производной выходного тока преобразователя, которые, в свою очередь, соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим выше значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов. Дополнительное же блокирование осуществляется в заявляемом способе при достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим ниже значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов.

Предложенный нами способ защиты тиристорного преобразователя ускоряет отключение преобразователя при быстром нарастании входных и выходных токов, осуществляет отключение преобразователя при значительно меньших токовых перегрузках, чем в способе-прототипе, в случае отказа основной защиты значительно снижает вредное воздействие сверхтоков на внутренние и внешние элементы цепей преобразователя. В результате этого увеличивается ресурс силовых элементов преобразователя, ресурс быстродействующего выключателя в системе резервной защиты, и в целом повышается надежность работы тиристорного преобразователя.

На фиг.1 изображена диаграмма, иллюстрирующая соотношение входных и выходных токов при работе заявляемого способа и способа-прототипа. Горизонтальными прямыми а, b, с, d, е показаны, соответственно, уровни токов I₁, I₂, I₃, I₄, I₅, где I₁ - минимальное задаваемое значение величины тока отключения быстродействующего выключателя, которому соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, согласно заявляемому способу; I₂ - задаваемое значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов; I₃ - максимальное задаваемое значение величины тока отключения быстродействующего выключателя, которому соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, согласно заявляемому способу; I₄ - минимальное значение величины тока отключения быстродействующего выключателя, которому соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, согласно способу-прототипу; I₅ - максимальное задаваемое значение величины тока отключения быстродействующего выключателя, которому соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, согласно способу-прототипу. Величины диапазонов (I₁-I₃) между прямыми (а-с), и, соответственно, (I₄-I₅) между прямыми (d-e), равны. Штриховкой обозначена зона, соответствующая задаваемым значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, находящимся ниже задаваемой приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов (зона «высоких» производных).

Работа предлагаемого способа защиты тиристорного преобразователя осуществляется следующим образом. Задают значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов I₂ по максимальному допустимому значению входного тока. На чертеже прямая b на уровне I₂ соответствует этому значению. Ниже этой прямой на диаграмме реализуется рабочий режим тиристорного преобразователя. Контролируют величины входного тока преобразователя, выходного тока преобразователя и производной выходного тока преобразователя. Для контроля величин выходного тока преобразователя и его производной можно использовать реле дифференциального шунта (РДШ), входящего в состав быстродействующего выключателя. 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 быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом минимальному задаваемому значению величины тока отключения быстродействующего выключателя (прямая а, на чертеже) в этом диапазоне соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному задаваемому значению величины тока отключения быстродействующего выключателя (прямая с, на чертеже) в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя. На чертеже указанный диапазон соответствует зоне между прямыми а и с. В соответствии с заявляемым техническим решением диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя задают так, что значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов (прямая b на чертеже) входит этот диапазон.

При работе тиристорного преобразователя, как уже упоминалось, контролируют величины входного тока преобразователя, выходного тока преобразователя и его производной. Если при работе тиристорного преобразователя величина производной выходного тока преобразователя нарастает так, что достигаются значения производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим выше значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов (зона «низких» производных между прямыми b и с на чертеже), то тиристорный преобразователь отключается обычным путем. Этот обычный путь заключается в блокировании управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения величины входного тока. При быстром нарастании величины производной выходного тока преобразователя и достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим ниже значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов (заштрихованная зона между прямыми а и b на чертеже), вводят сигнал на дополнительное блокирование управляющих импульсов, по которому осуществляется блокирование управляющих импульсов. После введения сигнала на дополнительное блокирование управляющих импульсов с задержкой во времени, не меньшей, чем время запирания тиристорного преобразователя, производят отключение быстродействующего выключателя. Отключение быстродействующего выключателя в заявляемом способе в случае осуществления дополнительного блокирования управляющих импульсов осуществляется в бестоковом режиме.

При возникновении аварийного режима, в том случае, если основная защита не сработала, отключение аварийного тока производится быстродействующим выключателем, но при существенно меньших значениях аварийных токов, чем в способе-прототипе. Это справедливо как в случае блокирования управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения величины входного тока, так и в случае дополнительного блокирования управляющих импульсов по вводимому сигналу.

При реализации способа-прототипа отключение быстродействующего выключателя (резервная защита) осуществляется при достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим в диапазоне I₄-I₅ (зона между прямыми d и е на чертеже), т.е. в зоне значений, лежащих выше значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов I₂ (прямая b на чертеже). Сигнал же блокирования управляющих импульсов формируют при превышении максимального допустимого значения величины входного тока преобразователя (этому максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя соответствует значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов I₂ (это основная защита в прототипе) (прямая b на чертеже), причем I₄>I₂. Как видно из чертежа, здесь отсутствует зона, в которой значения величины тока отключения быстродействующего выключателя находятся ниже задаваемого значения величины приведенного входного тока блокирования управляющих импульсов. В способе - прототипе это является необходимым условием, поскольку в противном случае это привело бы к возможности аварийной ситуации, в которой отключение быстродействующего выключателя происходило бы раньше срабатывания основной защиты, несмотря на ее исправное состояние, а это в свою очередь вело бы к неоправданной коммутации выключателем аварийных токов, сопровождающейся снижением ресурса выключателя. При несрабатывании основной защиты негативные последствия возникающих в аварийных режимах сверхтоков будут существенно выше, чем в заявляемом способе, ввиду их более высоких значений. В заявляемом способе сигнал дополнительного блокирования управляющих импульсов вводят при существенно меньшем значении тока отключения быстродействующего выключателя (лежащем в заштрихованной зоне между прямыми а и b на чертеже), чем значения токов отключения быстродействующего выключателя в способе-прототипе (зона между прямыми d и е на чертеже). За время запирания тиристорного преобразователя выходной ток не успеет превысить значения, при котором отключается быстродействующий выключатель в способе-прототипе (известно, что время срабатывания быстродействующих выключателей составляет единицы миллисекунд).

На предприятии ФГУП НИНКИ 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, путем регулировки натяжения пружины РДШ в сторону ослабления натяжения этой пружины для снижения выходного тока отключения быстродействующего выключателя ниже приведенного входного тока блокирования управляющих импульсов. Введение сигнала дополнительного блокирования управляющих импульсов было обеспечено посредством регистрации момента начала перемещения якоря РДШ и формирования в этот момент указанного сигнала. Задержка отключения быстродействующего выключателя относительно введения сигнала блокирования управляющих импульсов формировалась за счет подпружинивания исполнительных контактов РДШ. Проведенные испытания при повышенных производных тока тиристорного агрегата продемонстрировали надежную аварийную коммутацию силовых цепей за счет блокирования управляющих импульсов силовых тиристоров и последующего за ним бестокового отключения быстродействующего выключателя.

Использование: для защиты сильноточных тиристорных преобразователей. Техническим результатом является повышение надежности работы тиристорного преобразователя, обеспечение его ускоренного отключения, исключение обгорания силовых контактов быстродействующего выключателя и снижение вредных тепловых и электродинамических воздействий сверхтоков в случае аварийного отключения. Способ заключается в том, что задают значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов по максимальному допустимому значению входного тока преобразователя, контролируют величины входного и выходного тока преобразователя, а также производной выходного тока преобразователя, задают диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной так, что вышеуказанное значение приведенной величины входит в этот диапазон, при этом минимальному значению величины выходного тока отключения в этом диапазоне соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному значению - нулевое значение величины производной, вводят сигнал на дополнительное блокирование управляющих импульсов при достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины вышеуказанного тока отключения, лежащим ниже вышеуказанного значения приведенной величины, блокирование управляющих импульсов осуществляют при превышении допустимого значения входного тока преобразователя или по вводимому сигналу, после введения сигнала на дополнительное блокирование управляющих импульсов производят отключение быстродействующего выключателя с задержкой во времени, не меньшей, чем время запирания тиристорного преобразователя. 1 ил.

Способ защиты тиристорного преобразователя, включающий контроль величины входного тока преобразователя, блокирование управляющих импульсов при превышении максимального допустимого значения величины входного тока преобразователя, задание значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов по максимальному допустимому значению величины входного тока преобразователя, контроль величин выходного тока преобразователя и производной выходного тока преобразователя, задание диапазона значений величины тока отключения быстродействующего выключателя по диапазону значений величины производной выходного тока преобразователя, при этом минимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует максимальное значение величины производной выходного тока преобразователя, а максимальному значению величины тока отключения быстродействующего выключателя в этом диапазоне соответствует нулевое значение величины производной выходного тока преобразователя, отключение быстродействующего выключателя, отличающийся тем, что диапазон значений величины тока отключения быстродействующего выключателя задают так, что значение приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов входит в этот диапазон, вводят сигнал на дополнительное блокирование управляющих импульсов при достижении тех значений производной выходного тока преобразователя, которые соответствуют значениям величины тока отключения быстродействующего выключателя, лежащим ниже значения приведенной величины входного тока блокирования управляющих импульсов, дополнительное блокирование управляющих импульсов осуществляют по вводимому сигналу, а отключение быстродействующего выключателя производят после введения сигнала на дополнительное блокирование управляющих импульсов с задержкой во времени, не меньшей, чем время запирания тиристорного преобразователя.