Устройство для защиты агрегата Советский патент 1988 года по МПК H02H7/06 H02H7/125 

71

(Л

4 ГС

:о

tso

сл

оптотиристора 28, В результате этого под действием напряжения источника, подключенного к клеммам 21 и 22, сра батывает реле 19. При поступлении на вход порогового элемента 18 напряжения такой же величины, но противоположной полярности, включаются оптотиристор 29 и реле 20. Реле 19 и 20 после их включения создают цепь для снятия возбуждения с синхронного ге- зератора 1. После прекращения возбуждения снимается напряжение с поврежденных цепей вьшрямителей 4 и 5 агрегата. 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение области, использования, обеспечение резервирования и надежности. При сквозном пробое диодов или при перекрытии изоляции плеча выпрямителя 4 и 5 агрегата на входе порогового элемента 18 напряжение превышает величину порога срабатывания элемента 18, что приводит к включению

1

Изобретение относится к устройствам защиты от сквозного пробоя плеча выпрямителя агрегата, состоящего из синхронного генератора с электрически разделенными трехфазными обмотками и выпрямителей, и может быть использовано в электропередаче переменно-постоянного тока тепловозов. |

Целью изобретения является расши- рение области использования, обеспечение резервирования и надежности.

На фиг.1 и 2 показаны схемы устройства для защиты агрегата при разных углах сдвига между системами трехфаз- ных напряжений обмоток синхронного генератора агрегата; на фиг.3 - диаграмма процесса формирования вьшрям- ленного напряжения мостов в нормальном рабочем режиме агрегата; на фиг .4-6 диаграммы процесса формирования напряжения на входе порогового элемента в различных аварийных режимах агрегата.

Защищаемый агрегат имеет синхрон- ный генератор 1 с,трехфазными обмотками 2 и 3, соединенными по схеме звезда, и выпрямители 4 и 5, выполненные по трехфазной мостовой схеме.Нагрузкой агрегата являются, например, тя- говые двигатели 6 и 7 тепловоза.

Устройство включает в себя трехфазные трансформаторы 8 и 9 с первичными обмотками 10 и II и вторичными обмотками 12 и 13, трехфазные выпрямительные мосты 14 и 15, регулируемые резисторы 16 и 17, пороговый эле- мейт 18, реле 19 и 20 и клеммы 21 и 22 для подключения источника постоянного напряжения с указанной полярно- стью. Пороговый элемент состоит из стабилитронов 23 - 26, резистора 27, оптотиристоров 28 и 29 и коммутирующих элементов 30 и 31. Стабилитроны

23 и 25, оптотиристор 28 и коммутирующий элемент 30 образуют один канал элемента 18, который имеет порог срабатывания по напряжению с показанной на схеме (фиг.1) полярностью и не реагирует на напряжение противоположной полярности. Второй канал порогового элемента 18 состоит из стабилитронов 24 и 26, оптотиристора 29 и коммутирующего элемента 31 и имеет .порог срабатывания по напряжению, полярность которого противоположна показанной на схеме полярности. Свободные вьгооды резистора 27 и стабилитрона 23 образуют вход элемент а 18, Этот элемент имеет два выхода с общей точкой, которая образует клемму 22 для подключения отрицательного полюса источника напряжения. Вторыми выводами выходов элемента 18 являются аноды оптотиристоров 28 и 29. К этим анодам подключены катушки реле 19 и 20 постоянного напряжения. Вторые вьшоды этих катушек имеют общую точку соединения, которая является клеммой 21 для подключения положительного полюса источника напряжения,

Обязательным признаком порогового элемента 18 является наличие в нем двух каналов, реагирующих на напряжение разной полярности, и возможность вьшодить из работы каждый канал при помощи коммутирующего устройства.

Вариант устройства для защиты по фиг,1 предназначен для применения с синхронным генератором, у которого напряжения трехфазных обмоток находятся в фазе, В этом случае у трансформаторов 8 и 9 соединены по одинаковой схеме и напряжение обмоток синхронного генератора трансформируется без изменения фазы или с изменением фазы обоими трансформаторами на

;Д

одинаковую величину. Первичные обмотки 10 и II трансформаторов 8 и 9 соединены в звезду. Общая точка звезды первичной обмотки 10 (11) трансформатора 8 (9) соединена с общей точкой обмотки 2 (3) синхронного генератора 1, Такое соединение является обязательным для обоих вариантов устрой- ва, так как позволяет получить одина- ковую форму вьтрямленного напряжения мостов 14 и 15, обеспечивающую хорошую чувствительность защиты. Если у трансформаторов 8 и 9 соединить между собой одноименные выводы их обмо- ток, как это показано на схеме (точ- ками отмечены о дноименные вьшоды обмоток , то эти трансформаторы преобразуют величину напряжения, не меняя при этом его фазу. При питании тран- сформаторов 8 и 9 напряжениями, которые не имеют сдвига по фазе, напряжения вторичных обмоток 12 и 13 этих трансформаторов также находятся в фазе.

Если у трансформаторов 8 и 9 схему соединения первичных обмоток 10 и 11 оставить без изменения, отмеченные точками выводы вторичных обмоток 12 и 13 подключить к мостам 14 и 15, а выводы каждой из обмоток 12 и 13, оставшиеся свободными, соединить между собой, то в этом случае напряжения первичной и вторичной обмотки каждого трансформатора находятся в проти- вофазе (сдвинуты друг относительно друга на 180 эл.град). В случае питания таких трансформаторов находящимися в фазе напряжениями напряжения их йторичных обмоток также находятся в фазе.

Вариант устройства по фиг.2 предназначен для применения с синхронным генератором напряжения, трехфазные обмотки которого имеют сдвиг по фазе равньш, например 30 эл.град, как это имеет место в электропередаче переменно-постоянного тока тепловозов. В рассматриваемом варианте устройства первичные обмотки 10 и 11 трансформаторов 8 и 9 имеют одинаковые схемы соединения (звезда). Вторичная обмотка 12 трансформатора 8 соединена в звезду. Трансформатор 8 не меняет фазу трансформируемого напряжения. Соединение вторичной обмотки 13 трансформатора 9 в зигзаг позволяет получить сдвиг по фазе между фазными и линейными напряжениями его первичной 1 1 и

Q 5 0 5

0

с

5

0

0

5

15

вторичной 13 обмоток. При этом напря- жеиие вторичной обмотки 13 может опережать и может отставать от напряжения первичной обмотки в зависимости от схемы соединения частей вторичной обмотки. Если, например, напряжение обмотки 2 опережает напряжение обмотки 3 синхронного генератора 1 на 30 эл.град. и напряжение обмотки 13 опережает на такой же угол напряжение обмотки 11 трансформатора 9, то, подключив обмотки 10 и 11 трансформаторов 8 и 9 соответственно к обмоткам 2 и 3 синхронного генератора 1, как показано на фиг.2, получают совпадение по фазе линейных и фазных напряжений вторичных обмоток 12 и 13 трансформаторов 8 и 9. Это достигается за счет того, что трансформатор 8 трансформирует напряжение обмотки 2 синхронного генератора 1 без изменения фазы этого напряжения, а трансформатор 9 сдвигает в сторону опережения на 30 эл.град. трансформируемое напряжение обмотки 3 синхронного генератора 1, которое отстает на 30 зл.град, от напряжения его обмотки 2.

Совпадение по фазе напряжений вторичных обмоток 12 и 13 трансформаторов 8 и 9 можно получить при подключении трансформатора 8 к обмотке 3, а трансформатора 9 к обмотке 2 синхронного генератора 1. Для этого тре-. буется переключить схему зигзага обмотки 13 таким образом, чтобы ее напряжение не опережало, как это было в предыдущем случае, а отставало на 30 эл.град; от напряжения .обмотки 11,.

Специальные схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов могут обеспечить совпадение по фазе напряжений, питающих мосты 14 и 15, при любых углах сдвига между напряжениями обмоток 2 и 3 синхронного генератора 1. Эту же задачу можно вьшолнить и при помощи фазовращающего трансформатора (фазорегулятора) с вращающимися обмотками, который позволяет плавно изменять в любых пределах угол сдвига между двумя системами трехфазных напряжений.

Таким образом, величина угла и направление его сдвига (опережение или отставание), которые требуется получить при помощи трансформаторов 8 и 9, зависят от фазового угла между напряжениями обмоток синхронного генератора и от порядка подключения к ним

514292

трансформаторов 8 и 9. Но в любом случае должно вьшолняться условие совпадения по фазе линейных и фазных напряжений вторичных обмоток трансформаторов 8 и 9.

Устройство (фиг.1 и 2) работает следующим образом,

В нормальных рабочих режимах агрегата трехфазное напряжение обмотки 2 Q (3) генератора 1 поступает на выпрямитель 4 (5), который выпрямляет это напряжение и питает нагрузку 6 (7). При этом трансформаторы 8 и 9 трансформируют напряжение обмоток 2 и 3 : синхронного генератора 1 и питают мосты 14 и 15, нагруженные соответственно на резисторы 16 и 17. Сопротивление этих резисторов имеет такую ве- личину, что рассеиваемая в них мощ- 20 ность значительно меньше установленной мощности трансформаторов 8 и 9. Поэтому мосты 14 и 15 работают в режиме холостого хода с углами коммутации, близкими к нулю, и процесс ком-25 мутации этих мостов не влияет на форму их выпрямленного напряжения. Благодаря этому и совпадению по фазе линейных и фазных напряжений обмоток 12 и 13 трансформаторов 8 и 9 вьшрям- ,Q ленное напряжение мостов 14 и 15 име- ет одинаковую форму и одинаковые мгновенные значения.

На диаграмме (фиг.З) процесса формирования вьшрямленного напряжения мостов 14 и 15 в нормальном рабочем режиме агрегата показаны изменяющиеся во времени wt синусоиды фазных напряжений (сплошные линии) обмоток 12 и 13 трансформаторов 8 и 9 и синусоиды полусумм этих напряжений (штриховые линии). Первые синусоиды характеризуют мгновенное значение напряжения указанных обмоток, в интервалы времени, когда нет коммутации в выпрямителях 4 и 5 агрегата. Вторые синусоиды характеризуют эти напряжения в интервалы времени, равные wt )j в которые происходит коммутация тока в плечах выпрямителей 4 и 5. Ограниченная этими синусоидами область, ко-- торая на диаграмме заштрихована, характеризует мгновенное значение напряжения положительным (общий катод диодов) и отрицательным (общий анод диодов) полюсами мостов 14 и 15. - S

Резисторы 16 и 17 соединены между собой таким образом, что напряжения их частей (у резистора 16 между его

40

45

Q 0 5 Q

S

0

5

подвижным контактом и отрицательным полюсом моста 14, у резистора 17 между его подвижным контактом и отрицательным полюсом моста 15) вычитаются (сравниваются), а разность сравниваемых напряжений поступает на вход порогового элемента 18. Перемещением подвижных контактов резисторов 16 и 17 можно менять величину и полярность напряжения на входе элемента 18 и таким образом устранять влияние разброса параметров элементов агрегата и защиты на ее чувствительность. Вследствие, например, технологических причин напряжения обмоток 2 и 3 синхронного генератора 1 или коэффициенты трансформации трансформаторов 8 и 9 могут несколько отличаться. Такое отличие может привести к тому, что в нормальных рабочих режимах агрегата на входе элемента 18 появляется напряжение, превышающее уровень его порога срабатывания, и защита срабатьшает. Чтобы устранить такие срабатывания, которые являются ложными, приходится повьшать напряжение порога срабатьша- ния. В результате ухудшается чувствительность защиты, что является нежелательным. Переменные резисторы 16 и 17 позволяют регулировать величину сравниваемых напряжений и таким образом обеспечить отсутствие напряжения на входе порогового элемента 18 в нормальных рабочих режимах агрегата, и, соответственно, устранить ухудшение чувствительности защиты вследствие разброса параметров ее элементов.

При наличии на входе порогового элемента 18 напряжения, меньшего напряжения стабилизации стабилитронов 23 и 24, это напряжение прикладывается к ним и при замкнутых коммутирующих элементах 30 и 31 к цепям, образованным стабилитронами 25 и 26 и заправляющими электродами оптотириеторов 28 и 29. Если входное напряжение порогового элемента 18 имеет полярность, указанную на схеме (фиг.), то оно прикладывается к стабилитронам 23 и 25 и к управляющему электроду оптоти- ристора 28, при противоположной поляр нести - к стабилитронам 24 и 26 и к оптотиристору 29. Если входное напряжение элемента 18 его порсго- вого напряжения, которое определяете;- суммой напряжения стабилизации стабилитрона 25 (26) и напряжения управляющего электрода оптотиристора 28

. 7.14

(29), обеспечивающего его включение, то оптотиристоры 23 и 29 находятся в выключенном состоянии и катушки реле 19 и 20 обесточены. Такое состояние защиты соответствует нормальному рабочему режиму агрегата.

Появление на входе порогового элемента 18 напряжения, которое имеет показанную на фиг.1 полярность и пре- вышает величину порога срабатывания элемента 18, приводит к включению оп- тотиристора 28. В результате зтого под действием напряжения источника, подключенного к клеммам 21 и 22, сра батьшает реле 19. При поступлении на вход порогового элемента 18 напряжения такой же величины, но противоположной полярности, включаются оп- тртиристор 29 и реле 20. Если входное напряжение имеет величину, большую напряжения стабилизации стабилитронов 23 и 24, то входное напряжение распределяется между резистором 27 и стабилитронами 23 или 24 (в зависимости от полярности входного напряжения). Стабилитроны 23 и 24 выбраны таким образом, что их напряжение стабилизации всегда больше порогового -напряжения элемента 18. В этом случае огра- ничение напряжения при помощи стабилитронов 23 и 24 не влияет на работу порогового элемента 18, но позволяет защитить его цепи от недопустимого напряжения.

Рассмотренная последовательность работы порогового элемента 18 и реле 19 и 20 имеет место при сквозном пробое диодов или при перекрытии изоляции плеча выпрямителей 4 и 5 агрега- та. Поэтому контакты (на фиг.1 и 2 не показаны) реле 19 и 20 после их включения создают цепь для снятия возбуждения с синхронного генератора 1. После прекращения возбуждения снимает- ся напряжение с поврежденных цепей выпрямителей 4 и 5 агрегата.

Рассмотрим процесс формирования напряжения на входе порогового элемента 18 при сквозном пробое одного плеча, например, в вьшрямителе 4. Такой режим работы агрегата сопровождается тем, что обмотка 2 в определенные интервалы времени оказьшается коротко- замкнутой. В результате этого изменяется форма выпрямленного напряжения вьшрямителя 4, моста 14 и используемого для сравнения напряжения, которое снимается с части резистора в,

5 0 5 о

,

5

0

При этом выпрямленное напряжение вьш- рямителя 5, моста 15 и сравниваемое напряжение резистора 17 не меняют своей формы. В определенные интервалы времени напряжение резистора 16 становится меньше напряжения резистора

17и на входе порогового элемента 18 появляется разность этих напряжений, которая имеет показанную на фиг.1 полярность. Это приводит к тому, что включаются оптотиристор 28, реле 19

и агрегат с повре.жденным выпрямителем 4 выводится из работы.

На диаграмме (фиг.4) процесса фор- миров ания напряжения на входе порогового элемента 18 в рассматриваемом аварийном режиме агрегата заштрихованные вертикальными линиями области характеризуют форму выпрямленного напряжения моста 14 и используемого для сравнения напряжения на части резистора 16. Второе сравниваемое напряжение, которое берется с .моста 15, характеризуется всей заштрихованной областью диаграммы, кроме площади, заштрихованной горизонтальными и вертикальными линиями. К пороговому элементу 18 прикладьгоается напряжение, определяемое разностью указанных областей. Эта разность показана (фиг.4) несколькими вольт-секундными площадями, которые имеют горизонтальную штриховку, и одной вольт-секундной: площадью, заштрихованной вертикальными и горизонтальными линиями. Первые (вторая) площади формируются в те ин- тервалы времени, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения моста 14 меньше (больше), чем у моста 15, и при этом создают на входе элемента

18напряжение с показанной на фиг.1 (противоположной) полярностью. Так как первые площади значительно больше второй площади, то входное напряжение порогового элемента 18-в определенные интервалы всегда имеет .показанную на фиг.1 полярность и всегда вызывает срабатывание оптотиристора 28 одного канала и одного реле 19. Напряжение требуемой полярности на входе элемента 18 имеет величину, со- соизмеримую с амплитудой напряжения втрричных обмоток трансформатора 9,

и длительность, измеряемую единицами миллисекунд при частоте 50 Гц напря : жения синхронного генератора.

Напряжение срабатывания порогового элемента.18 должно быть намного мень9142

ше напряжения обмоток 12 и 13 трансформаторов 8 и 9, чтобы обеспечить срабатывание защиты, например, при перекрытии изоляции плеча выпрямите- лей агрегата, которое сопровозкдает- ся выпрямлением на входе порогового элемента не такой большой ра зности сравниваемьк напряжений, как при сквозном пробое. Поэтому, чтобы обес- печить хорошую чувствительность защиты и не повредить при этом ее элементов, нужно поступающее на вход порог гового элемента напряжение ограничивать. Уровень такого ограничения до жен быть больше напряжения, обеспечивающего включение оптотиристоров 28 я 29, а, с другой стороны, не должен превышать напряжения, допустимого для компонентов схемы порогового элемен- та. Такое ограничение необходимо для агрегатов с синхронными генераторами, напряжение которых изменяется в широких пределах. Примером такого агрегата является электропередача переменно- постоянного тока тепловозов. В предлагаемом устройстве функции указанног го ограничения выполняет цепочка из стабилитронов 23 и 24 и резистора 27.

Если пробой плеча происходит в вы- прямителе 5, то в этом случае на входе порогового элемента 18 появляется напряжение противоположной полярности по отношению к показанной на фиг.1 и при этом включаются оптотиристор 29 и реле 20, т.е. не те элементы, которые включались при повреждении выпрямителя 4. Поэтому устройство позволяет получить информацию о том, в каком из выпрямителей агрегата произошло : повреждение (таким свойством не обладает известное устройство).

При пробое двух подключенных к одной фазе синхронного ренератора плеч выпрямителя (на который не реагирует известное устройство) и при пробое двух плеч, соединенных с разными фазами, в предлагаемом устройстве создаются более благоприятные условия для его срабатывания, так как по сравнению с пробоем одного плеча возрастает время приложения напряжения к входу порогового элемента.

Агрегат с предлагаемым устройством (фиг.1 и 2) состоит из двух электрически несвязанных блоков (один блок - обмотка 2, выпрямитель 4 и нагрузка ; другой блок - обмотка 3, выпрями- :гель 5 и нагрузка 7), которые могут

- 0 5

0 д

,

5

0

10

работать самостоятельно. Этим обеспечивается резервирование выпрямителей, которого нет в известном устройстве. Применительно к электропередаче тепловоза резервирование обеспечивается следующим образом. При повреждении, например, выпрямителя 4 его отключают от обмотки 2 синхронного генератора 1. Тяговые двигатели 6, которые питал выпрямитель 4, соединяют последовательно с тяговыми двигателями 7 и подключают обе группы двигателей к исправному выпрямителю. При этом . трансформатор 8 остается подключенным к обмотке 2 синхронного генератора 1. Во время работы выпрямителя 5 форматоры 8 и 9 трансформируют напряжения разной формы: напряжение трансформатора 8 имеет синусоидальную форму, напряжение трансформатора 9 имеет искажения, обусловленные коммутацией тока в плечах выпрямителя 5 (диаграмма фиг.З). Поэтому при работе агрегата в рассматриваемом режиме разность сравниваемых напряжений резисторов 16 и 17 не равна нулю и к входу порогового элемента 18 прикладьшается напряжение с полярностью, обратной по- : лярности, показанной на фиг.1. Это приводит к тому, что в рабочем режиме выпрямителя 5 включаются оптотиристор 29 и реле 20 и происходит ложное срабатьшание защиты.

Для устранения ложных срабатьшаний увеличивают сравниваемое напряжение резистора 17 до такой величины, при которой оно становится больше сравниваемого напряжения резистора 16, и выключают коммутирующий элемент 30. В этом случае в нормальных рабочих режимах вьптрямителя 5 напряжение на входе элемента 18 имеет полярность, показанную на фиг.1, и оптотиристоры 28 и 29 не включаются.

При пробое плеча вьтрямителя 5 сравниваемое напряжение резистора 17 изменяет форму. Так как при этом , сравниваемое напряжение резистора 16 не меняется, то полярность входного напряжения элемента 18 меняется и становится противоположной, показанной на фиг.I. В результате изменения поляр ности включаются оптотиристор 29 и реле 20 и с агрегата снимается напряжение .

Диаграмма (фиг.З) поясняет процесс формирования напряжения на входе порогового элемента 18 в рассматривави142

MOM режиме агрегата, когда работает вьшрямитель 5, и соответствует таким положениям подвижных контактов резис.торов 16 и 17, в которых при отключенном коммутирующем элементе 30 за- щита ложно не срабатьшает. Синусоиды большей амплитуды (показаны сплошными линиями) пропорциональны фазным напряжениям обмотки 13, синусоиды меньшей амплитуды (показаны штриховыми линиями) пропорциональны полусумме этих напряжений, синусоиды меньшей амплитуды (показаны сплошными линиями) пропорциональны фазным напряже- киям,обмотки 12. Заштрихованная вертикальными линиями область характеризует изменения выпрямленного напряжения моста 14 и, соответственно, сравниваемого напряжения резистора 16. Сумма этой области и областей, заштрихованных горизонтальными и вертикальными линиями, дает представление о мгновенных значениях выпрямленного напряжения моста 15 и сравниваемого напряжения резистора 17.

К пороговому элементу 18 прикладывается напряжение, величина и полярность которого определяются в,ольт-се- кундными площадями, заштрихованными вертикальными и горизонтальными линиями. Так как эти площади формируются только в интервалы времени, когда сравниваемое напряжение резистора 17 больше, чем резистора 16, то входное напряжение элемента 18 всегда име ет одну полярность. Это позволяет отстроится от ложных срабатываний защиты при работе агрегата с одним выпрямителем.

На диаграмме (фиг.6) процесса формирования входного напряжения порогового элемента, когда в рассматриваемом режиме работы агрегата с одним выпрямителем. 5 имеет место сквозной .пробой его плеча, показаны синусоиды, аналогичные синусоидам диаграммы по фиг.5. Вольт-секундные площади с горизонтальной и вертикальной штриховками характеризуют изменения выпрямленного напряжения моста 14 и, соот- ветственно, сравниваемого напряжения резистора 16. Вторые площади совместно с площадями, заштрихованными горизонтальными и вертикальными линиями, -дают представление об изменениях вьтрямленного напряжения моста 15 и сравниваемого напряжения резистора 17. Величина и полярность входного напря-

- Q , 0 5

5

0

0

5

512

жения порого-зого элемента 18 опреде.- ляются областями с горизонтальной штриховкой и областями, заштрихованными одновременно горизонтальными и вертикальными линиями. Первые (вторые) области формируются в такие промежутки времени, когда сравниваемое напряжение у резистора 16 больше (меньше), чем у резистора 17. Первым (вторым) областям -соответствует полярность, противоположная (аналогичная) полярности нормального рабочего режима агрегата.

Судя по сопоставлению диаграмм (фиг.4 и 6) напряжение противоположной полярности имеет величину и длительность , соизмеримые с такими же параметрами аналогичного напряжения при пробое плеча одного из двух работающих выпрямителей 4 и 5. Поэтому в аварийном режиме, которому соответ- ствует диаграмма по фиг.6, включаются оптотиристор 29 и реле 20, от- ключается при этом ток возбуждения синхронного генератора 1 и снимается напряжение с поврежденного выпрямителя 5.

Формула изобретения

Устройство для защиты агрегата, состоящего из шестифазного синхронного генератора с двумя трехфазными обмотками и двух трехфазных мостовых выпрямителей, содержащее блок идентификации аварийных режимов, отлит чающееся тем, что, -с целью расширения области использования, обеспечения резервирования и надежности, блок идентификации аварийных режимов снабжен трехфазными трансформаторами, трехфазными выпрямительными мостами, регулируемыми резисторами, пороговым элементом с двумя каналами, имеющими пороги срабатывания на напряжение разной полярности, и клеммами для подключения источника постоянного напряжения, причем в каждом - трехфазном трансформаторе каждая первичная обмотка предназначена для подключения к общей точке и к вьшодам одной из трехфазных обмоток синхронного генератора агрегата, а каждая вторичная обмотка подключена к входу соответствующего выпрямительного моста, при этом вторичные обмотки трехфазных трансформаторов соединены так .

(ри.г.2

ue.

(ffue.if

фие.б