СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК H02H7/12 

Изобретение относится к области электрической очистки газов от пыли и тумана в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве и может быть использовано в системах автоматического регулирования высоковольтных преобразовательных агрегатов питания электрофильтров и других регулируемых выпрямителей для защиты от перенапряжений.

Известны способы защиты высоковольтных преобразовательных агрегатов питания электрофильтров и других регулируемых выпрямителей по превышению заданного значения среднего или амплитудного напряжения высоковольтного преобразователя при низких нагрузках или холостом ходе преобразователя.

Холостой ход возникает при обрыве высоковольтной цепи питания электрофильтра, например при обрыве защитного сопротивления - ЗСК.

Эти виды защиты воздействуют либо на уменьшение угла управления тиристорного ключа, либо на отключение автоматического выключателя в питающей сети преобразователя. Указанные виды защиты используются в преобразователях типа АТПОМ, ОПМД, ОПМДА, АПТД, выпускаемых серийно совместно с системами автоматического регулирования «ПВП», «ПВП м», «АРП», «АРПКУ», «САПФИР» и др., для питания электрофильтров, защищенных авторскими свидетельствами СССР №№355606, 12821000 и патентами РФ №№2147468, 2166999, 2168368.

Существенным недостатком этих способов защиты высоковольтных регулируемых преобразователей является то, что они не обеспечивают надежную быстродействующую защиту преобразователей от перенапряжений, величина которых, в результате переходных процессов при пробоях в осадительном пространстве электрофильтра или холостом ходе, может достигать двух кратных амплитудных номинальных значений.

Причиной этого является интегральное определение среднего и амплитудного значений напряжений, предшествующих переходному процессу. Это может привести при пробоях в высоковольтной цепи преобразователя к затяжному переходному процессу и длительным перенапряжениям и, как следствие, к повреждению высоковольтной обмотки трансформатора или диодов выпрямительного моста.

Другим недостатком этих способов защиты является то, что величина перенапряжения в установившемся режиме, после воздействия системы регулирования, не может быть меньше номинального амплитудного значения напряжения преобразователя, что особенно опасно при холостом ходе. Вероятность пробоев в этом случае наибольшая. И это, как правило, приводит к повторяющимся многократным перенапряжениям.

Целью настоящего изобретения является увеличение надежности работы комплекса - система регулирования, преобразовательный агрегат, электрофильтр - и, как следствие, увеличение количества улавливаемой пыли.

Технический результат достигается тем, что предлагаются новые способы защиты высоковольтных преобразователей от перенапряжений.

Особенностью высоковольтных преобразователей для питания электрофильтров является то, что они обладают довольно большой входной электрической емкостью, величина которой определяется емкостью обмоток трансформатора и выпрямительного моста.

Кроме того, нагрузка высоковольтного преобразователя имеет активно-емкостный характер, а вольтамперная характеристика по оси напряжения - правое смешение. Ток коронного разряда появляется при напряжении U₀, величина которого может быть 18 кВ и более, в зависимости от конструкции и состояния электрофильтра.

Вследствие этого фронт импульса тока нагрузки ϕ отстает от фронта импульса управления α, задаваемого системой автоматического регулирования. Т.е. в течение каждого полупериода сетевого напряжения в промежутке времени α-ϕ имеет место холостой ход высоковольтного преобразователя.

При нормальном режиме работы системы преобразовательный агрегат - электрофильтр разность фаз α-ϕ не должна превышать порядка сорока электрических градусов, что соответствует около шестидесяти пяти процентов номинального амплитудного значения напряжения преобразовательного агрегата. Согласно изобретению непрерывно измеряют фазу прохождения фронта импульса управления α тиристорным ключом преобразовательного агрегата, задаваемую системой автоматического регулирования, фазу фронта импульса тока нагрузки ϕ и вычисляют значение их разности. Если разность α-ϕ меньше или равна заданной предельно допустимой величины угла отставания тока нагрузки, следовательно, это нормальный режим работы, а если разность больше заданной предельно допустимой величины - холостой ход.

В этом случае формируют сигнал на уменьшение угла управления тиристорным ключом или на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя.

При этом величину угла управления α устанавливают такой, чтобы напряжение на электрофильтре в установившемся режиме не превышало шестидесяти пяти процентов амплитудного значения напряжения преобразовательного агрегата.

Другим отличием предлагаемого способа защиты является то, что непрерывно измеряют, в каждом полупериоде, текущее амплитудное значение напряжения на электрофильтре Uф и соответствующее амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф. Если при заданном значении уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф больше нуля, это нормальный режим работы электрофильтра. При этом ограничение амплитудного значения напряжения на электрофильтре осуществляется на уровне, максимально допустимом для данного типа преобразовательного агрегата. Если при заданной величине уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Ia равно нулю - это холостой ход.

В этом случае формируют сигнал на уменьшение уровня перенапряжения на электрофильтре до величины Ua, значительно меньшей допустимого, например порядка тридцати, сорока процентов максимального амплитудного значения напряжения преобразователя, или формируют сигнал на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя.

Сопоставительный анализ показывает, что отличия предлагаемых способов по сравнению с прототипом являются существенными.

Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1, 2 представлены возможные варианты блок-схем устройств для осуществления заявляемых способов.

Блок-схема (фиг.1) содержит автоматический выключатель1, тиристорный ключ 2, токоограничивающий дроссель 3, высоковольтный преобразовательный агрегат 4, защитный резистор 5, электрофильтр 6, датчик 7 напряжения электрофильтра, интегратор 8 напряжения электрофильтра, фазосдвигающее устройство 9, блок 10 синхронизации, блок 11 формирования импульсов управления тиристорным ключом 2, датчик 12 тока электрофильтра, блок 13 измерения фазы фронта импульса тока нагрузки ϕ, блок 14 измерения фазы фронта импульса управления α тиристорным ключом 2, блок 15 вычисления разности фаз α-ϕ, генератор 16 предельно допустимого значения угла отставания тока нагрузки, блок 17 сравнения, формирователь 18 сигнала отрицательной обратной связи, формирователь 19 сигнала аварийного отключения автоматического выключателя 1, селектор 20 пробоев в электрофильтре, блок 21 гашения дуговых пробоев в электрофильтре.

Работает схема следующим образом.

При включении автоматического выключателя 1 и подаче напряжения питающей сети на преобразовательный агрегат и регулятор и осуществлении операции «Пуск» на тиристорном ключе 2 появляются импульсы управления с формирователя 11, фазовое положение которых задается фазосдвигающим устройством 9. Начальный угол управления α_нач имеет минимальное значение. Тиристорный ключ 2 открывается. На электрофильтре 6 появляется напряжение, величина которого несколько ниже напряжения начала коронирования. Ток электрофильтра отсутствует.

Одновременно сигнал, пропорциональный напряжению электрофильтра, с датчика 7 подается на вход интегратора 8 и вход блока 20 гашения пробоев в электрофильтре. С выхода интегратора 8 и выхода блока 10 синхронизации на входы фазосдвигающего устройства 9 подаются сигналы управления. Фазосдвигающее устройство 9 формирует сигнал, синхронный с питающей сетью, фаза и длительность которого пропорциональны величине входного сигнала с интегратора 8, т.е. величине напряжения на электрофильтре. По мере роста напряжения на электрофильтре фаза и длительность сигнала на выходе блока 9 увеличиваются, что приводит к дальнейшему увеличению напряжения и росту тока электрофильтра. Сигнал с датчика 12 тока преобразовательного агрегата 4 подается на вход блока 13 измерения фазы фронта импульса тока, с выхода которого сигнал подается на вход устройства 15 вычитания. На другой вход блока 15 вычитания с выхода блока 14 измерения фронта импульса фазосдвигающего устройства 9 подается сигнал, содержащий информацию о фазовом положении фронта импульса управления тиристорным ключом 2. С выхода устройства 15 вычитания и выхода генератора 16 предельно допустимого значения угла отставания тока нагрузки на входы блока 17 сравнения подаются синфазные сигналы, где непрерывно сравнивают их длительности.

При нормальной работе электрофильтра фаза фронта импульса тока нагрузки ϕ отстает от фазы фронта импульса управления тиристорным ключом α, а их разность α-ϕ меньше длительности импульса предельно допустимого значения отставания тока нагрузки, генерируемого блоком 16. В этом случае на выходе блока 17 и на входе формирователя 18, а также и на его выходе (формирователя 18) и, следовательно, на входах блоков 8 или 19 (в зависимости от произведенных переключений) сигнал отрицательной обратной связи отсутствует. Срабатывание системы ограничения перенапряжения или отключение автоматического выключателя 1 не происходит. При нормальной работе электрофильтра и пробоях в осадительном пространстве работа блока 18 блокируется подачей сигнала с выхода блока 21 гашения на вход блока 18.

При холостом ходе, например при обрыве защитного резистора 5, разность α-ϕ больше длительности импульса предельно допустимого значения отставания тока нагрузки, генерируемого блоком 16. В этом случае на выходе блока 18 появляется сигнал отрицательной обратной связи. Воздействуя на вход блока 8 в течение не более одного периода сети, напряжение снижается до уровня, не превышающего 60% амплитудного значения напряжения преобразователя. При воздействии на вход блока 19, с выдержкой времени, отключается автоматический выключатель 1.

Блок-схема (фиг.2) содержит автоматический выключатель 1, тиристорный ключ 2, токоограничивающий дроссель 3, высоковольтный преобразовательный агрегат 4, защитный резистор 5, электрофильтр 6, датчик 7 напряжения электрофильтра, интегратор 8 напряжения электрофильтра, фазосдвигающее устройство 9, блок 10 синхронизации, блок 11 формирования импульсов управления тиристорным ключом 2, датчик 12 тока электрофильтра, формирователь 18 сигнала отрицательной обратной связи, формирователь 19 сигнала аварийного отключения автоматического выключателя 1, селектор 20 пробоев в электрофильтре, блок 21 гашения дуговых пробоев в электрофильтре, блок 22 измерения амплитудного значения напряжения на электрофильтре, формирователь 23 предельного амплитудного значения напряжения на электрофильтре при холостом ходе, первый управляемый ключ 24, блок 25 измерения амплитудного значения тока электрофильтра, второй управляемый ключ 26, управляемый делитель 27 напряжения электрофильтра.

Работает схема следующим образом.

При включении автоматического выключателя 1 и подаче на преобразовательный агрегат и регулятор напряжения питающей сети и осуществлении операции «Пуск» на тиристорном ключе 2 появляются импульсы управления с формирователя 11, фазовое положение которых задается фазосдвигающим устройством 9. Начальный угол управления α_нач имеет минимальное значение. Тиристорный ключ 2 открывается. На электрофильтре 6 появляется напряжение, величина которого несколько ниже напряжения начала коронирования. Ток электрофильтра отсутствует.

Одновременно сигнал, пропорциональный напряжению электрофильтра, с датчика 7 подается на вход интегратора 8, на вход блока 22 измерения амплитудного значения напряжения электрофильтра, на вход селектора 20 пробоев в электрофильтре и вход управляемого делителя 27. С выхода интегратора 8 и выхода блока 10 синхронизации на входы фазосдвигающего устройства 9 подаются сигналы управления. Фазосдвигающее устройство 9 формирует сигнал, синхронный с питающей сетью, фаза и длительность которого пропорциональны величине входного сигнала с интегратора 8, т.е. величине напряжения на электрофильтре.

При нормальной работе по мере роста напряжения на электрофильтре фаза и длительность сигнала на выходе блока 9 увеличиваются, что приводит к дальнейшему увеличению напряжения и росту тока электрофильтра.

Сигнал с датчика 12 тока преобразовательного агрегата 4 подается на вход блока 25 измерения амплитудного значения тока электрофильтра, с выхода которого далее на второй управляемый ключ 26 и на вход управляемого делителя 27 напряжения электрофильтра. В этом случае коэффициент деления управляемого делителя 27 напряжения устанавливается такой величины, при котором сигнал на его выходе появится при достижении амплитудного значения напряжения на входе управляемого делителя напряжения 27, превышающего значение предельно допустимой величины для данного типа преобразовательного агрегата 4. Сигнал в этом случае с выхода управляемого делителя напряжения 27 подается на вход формирователя 18 сигнала отрицательной обратной связи, а с его выхода на вход интегратора 8 напряжения электрофильтра.

В результате этого увеличение угла управления тиристорного ключа 2 прекращается и величина напряжения на выходе высоковольтного преобразовательного агрегата 4 устанавливается на уровне предельно допустимого значения. При наличии соединения с выхода формирователя 18 сигнал отрицательной обратной связи подается на вход формирователя 19, автоматический выключатель 1 отключается.

При включении высоковольтного преобразовательного агрегата 4 на холостой ход или при аварийном возникновении холостого хода, например при обрыве защитного резистора 5, сигнал на выходе датчика 12 мгновенного значения тока электрофильтра отсутствует и, следовательно, на входе управляемого делителя 27 напряжения электрофильтра, коэффициент деления управляемого делителя 27 изменяется таким образом, чтобы амплитудное значение напряжения на выходе высоковольтного преобразовательного агрегата 4 при холостом ходе не превышало 50% его номинального значения.

При дуговых пробоях в электрофильтре работа формирователя 18 сигнала отрицательной обратной связи блокируется воздействием на вход с блока 21 гашения.

Проведены лабораторные и промышленные испытания устройств, реализованных на основе блок-схем, приведенных на фиг.1 и 2, и получены положительные результаты.

Используется в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве в системах автоматического регулирования для защиты высоковольтных выпрямителей для питания электрофильтров газоочистки и других регулируемых выпрямителей. Непрерывно измеряют фазу прохождения фронта импульса управления α тиристорным ключом преобразовательного агрегата, задаваемую системой автоматического регулирования, фазу фронта импульса тока нагрузки ϕ и вычисляют значение их разности. Если разность α-ϕ меньше или равна предельно допустимой величины угла отставания тока нагрузки, это нормальный режим работы. Если разность α-ϕ больше предельно допустимой величины - холостой ход. В этом случае формируют сигнал на уменьшение угла управления тиристорным ключом или на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя. Другим отличием предлагаемого способа защиты является то, что непрерывно измеряют, в каждом полупериоде, текущее амплитудное значение напряжения на электрофильтре Uф и соответствующее амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф. Если при заданном значении уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Iа больше нуля, это нормальный режим работы электрофильтра. При этом ограничение амплитудного значения напряжения на электрофильтре осуществляется на уровне, максимально допустимом для данного типа преобразовательного агрегата. Если при заданном значении уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф равно нулю - холостой ход. В этом случае формируют сигнал на изменение уровня ограничения перенапряжения на электрофильтре до величины Ua, значительно меньшей допустимого, например порядка тридцати, сорока процентов максимального амплитудного значения напряжения преобразователя, или формируют сигнал на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя. Технический результат - повышение надежности. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты высоковольтных преобразовательных агрегатов питания электрофильтров и других регулируемых выпрямителей от перенапряжений, отличающийся тем, что непрерывно измеряют фазу прохождения фронта импульса управления α тиристорным ключом преобразовательного агрегата, задаваемую системой автоматического регулирования, и фазу фронта импульса тока нагрузки ϕ и вычисляют значение их разности, если α-ϕ больше заданной предельно допустимой величины отставания тока нагрузки, формируют сигнал на уменьшение угла управления тиристорным ключом или на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя.2. Способ защиты высоковольтных преобразовательных агрегатов питания электрофильтров и других регулируемых выпрямителей от перенапряжений, отличающийся тем, что непрерывно измеряют в каждом полупериоде текущее амплитудное значение напряжения на электрофильтре Uф и соответствующее амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф, если при заданном значении Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Ia равно нулю, формируют сигнал на изменение уровня ограничения напряжения на электрофильтре до величины Ua или на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя.