Устройство для токовой защиты электровоза Советский патент 1978 года по МПК H02H3/08 

Изобретение от шслтся к тскозсй з:;ц;1Г2 злектроуста;103ок с силозым тргнсфг рмптсром, выпрямительно-инзерторным npcoSpasjEa гелем и электрическими машинами постоянного тока. К таким электроустановкам отнес; гея, например, электрозоз неременного тока тлна ВЛ80Р.

Известные устройства для токовой защиты на трансформаторах тока 1 насыщаются при свер.хтокозых переходных процессах л asapHiiных режимах, что снижает надежность и зффектив,ность защиты; сра батывают как при токах перегрузки, так и при сз рхтоках, что исключает четкое разделение на защиты от токов перегрузк,и и защиты от сзерхтокоз м, следовательно, достижение возможности учета сверхтокозых переходных про цессоз и авар: 1Йных режимов и улучшение обслуживания электроустановки; имеют знач;1тельную токовую установку, что снижает эффективность защиты

от СЗе-рХТОКОВ; не могут быть 1;СПОЛЬЗСВ2НЫ 3

цепях выпрямленного тока, что вызывает необходимость дополнения устройства, напримео, токовыми ре.те, автоматическими выключателями и приводит к снижению надежности системы защиты в целолк электроустановки г, устройством регулирования напряжения характеризуются значительной «мертвой зоной.

Наиболее близким к нзобретеннло техническ)М /эещением является устройство для токовой заигиты электровоза с силовым трансформатором, первичная обмотка которого подключена к питающей сети через силозые контакты главного выключателя, а выводы вторичной обмотки через зыпряммтельно-iiHBcpторный преобразователь и сглаживаюн.глй реактор - на выводы электрической мащины постоянного тока, содержащее импульсный трансформатор с обмотками смелдения и управления и выход;юй обмоткой, выводы которой включены на вход исполнительного оргаич Г9

,. а

Устройство выполнено на сердечнике из сплава с прямоугольной петлей намагничивания. На сердечнике имеются обмотка смещения, обеспечиваюнхая насыщенное состояние сердечника в рабочих режимах и определяющая величину уставки датчика; обмотка управления, ло которой протекает контролируемый ток, и выход:1ая обмотка, на выводах которой появляется импульсный сигнал при лрсвыщении током управления значения тока установки, т. е. в момент перемагничивания сердечника. Однако это устройство не обеспечивает защиту электрооборудован 1я от сверхтоков переходных процессов толчка напряжения и потери - восстановления в питающей

сетл и аватзийно о вежима короткого замыкания в цепи нагрузки. Это приводит к необходимости дополнять его другими Датчиками и тем самым снижать надежность и усложнять молта1Ж силовой цепи электроустановки. Кроме; того, устройство характеризуется в мощHbik электроустановках знач.ительньгми габаритами, весом и стоимостью.

Целью изобретения является повышение надежности и эффективности путем разделения функций защиты от сверхтоков и защиты от токов перепрузки. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для токовой защиты электровоза импульсный тра1НсфорМ1атор снабжен дополнительной обмоткой смещения и дополнительной обмоткой управления, причем цепь, содержащая последовательно включенные основную обмотку смещения и диод, шунтированный .резистором, соединенная параллельно с цепочкой : дроссель, резистор - через резистор и выпрямитель-переключатель, между анодными выводами двух противофазных плеч которого включен заагунтированный диодом резистор, соединена с выводами для подключения якоря электрической машины, дополнительная обмотка смещения через дроссель, емкость, .выпрямитель и понижающий трансфо,рматор подключена к выводам, предназняченным для подключения ко вторичной обмотке силового трансформатора, цепь, содержащая последовательно включенные основную обмотку управления и резистор, защунтирована конденсатором и через резистор и диод подключена к выводам, предназначенным для подключения на выводы выпрямительнои;Н1верторного преобразователя, цеиь, содержащая дополнительную обмотку управления и резистор, соединенные последовательно, соединена с выводами, предназначенными для подключения через нормально открытый блокколтакт главного выключателя электровоза к стабилизированному источнику постоянного тока.

Принципиальная схема предлагаемого устройства для токовой защиты электровоза показана на чертеже.

Устройство токовой защиты содержит трансформатор J, который снабжен основной 2 и дополнительной 3 обмотками смещения, основной 4 и дополнительной 5 обмотками управления и выходной обмоткой 6. Цепь дополнительной обмотки смещения содержит дроссель 7, резистор 8, диоды 9, 10 .вьтпрямителя и понижающий трансформатор //. первичная обмотка которого имеет выводы а и Ь. В этой цепи дроссель предназначен для сглаживания, а резгистор - для установления необходимой величины тока. Резистор зашунтироВ:ан цепью, содержащей последовательно включенные конденсатор 12, резистор 13, диод 14. Общий вывод конденсатора 12 и резистора 13 Включен через резистор 15 и диод 16 на общий катодный вывод диодов 9. 10 выпрямителя. Катод диода 14 подключен к а общий вывод резистора 8 и обмотки 3 импульсного трансформатора /. Элементы 12-16 совместно с резистором 8 представляют собой устройство .авторегулируемой (в зависимости от величины напряжения в питающей электроустановку сети) 1противо-ЭДС цепи обмотки 3. Это устройство необходимо для обеспечения быстрого затухания МДС обмотки 3 при исчезновении напряжения на выводах а, Ь ее цепи и, следовательно, для обеспечения быстродействия предлагаемого устройства.

Цепь основной обмотки смещения 2 содержит последовательно включенные резистор 17, выпрямитель (диоды 18-21), зашунтнрованный диодом 32 резистор 23 и зашунтированный диодом 24 .резистор 25. В этой депи общий катодный вывод диодов -8, 20 и 22 включен на общий анодный вывод диодов 19 ,и 24 через последовательно включенные резистор 26 и дроссель 27. В этой цепи диад 24 и резистор 25 предназначены для установления необхоДИМОЙ величины тока в обмотке с.мещения 2 в зависимости от режима работы электроустановки; дроссель 27 предназначен для реверсирования тока в основной обмотке смещения 2 и ускоренного срабатывания датчика

при исчезновении напряжения на входных выводах с, d ее цепи; диоды 22 и 24 предназначены для уменьшения активного сопротивлек.ИЯ в Цели разряда дросселя 27 на основную ОбМотку смешения 2; аноды 18-.2/(Предназначены для реверсирования - выпрямления Ехадного напряжения.

Цепь дополнительной обмотки управления 5 содержит резистор 28 и и.меет вызоды f, е. Резистор 25 предназначен для установления

необходимой величины тока в об .мотке управления 6.

Цепь основной обмотки управления 4 содержит резисторы 29, 30, диод 31 и конденсатор 32. Конденсатор 32 шунтирует цепь, содержащую последовательно включенные резистор 29 и основную обмотку управления 4. Цепь основной обмотки управления имеет выводы g, h. Диод 31 предназначен для исключения зависимости направления тока в обмотке 4 от .режима работы электроустановки; конденсатор 32 предназначен для сглаживания тока в цепи обмотки 4 и, кроме того, служит в качестве источника .энергии. Цепь выходной обмотки 6 содержит диод 33 и снабжена вывода-ми к, I.

На чертеже, кроме принципиальной схемы, устройства, приведена принципиальная схема силовой цепи электроустановки 34, например,

электровоза переменного тока типа ВЛ80Р. Электроустановка содержит последовательно включенные якорь 35 электрической машины лостоянного тока, сглаживающий реакгор 36, тиристоры 37-42выпрямительно-инверторного

преобразователя и регулятора напряжэкия, силовой трансформатор 43 с сек/ционированиой вторичной обмоткой, исполнительный орган 44 :1щить, главный выключатель 45 электроустановки и его .нормально открытий блок-контакт

46. Устройство включено выводами а, b на полное напряжение вторичной сбмоткл силового трансформатора 43; вызолами с, d - на выводы якоря 35 электрической машины постоянкого тока; выводами g, h - на выводы цепи нагрузки вынрямительно-инверторного преобразователя, -содержащей последовательно включенные сглаживающий реактор 36 и якорь 35; выводами f-е через нормально открытый блок-контакт 46 - на выводы источника стабилизированного напряжения, например аккумуляторной батар;; электроустановки; выводами k, I - на вызолы исполнительного органа 44. Предлагаемое устройство токовой защиты работает следующим образом. Включение электроустановки 34 на питающее напряжение сети осуществляется включением главного выключателя 45. Блок-контакты главного выключателя 45 электровозов переменного тока типа ВЛ80Р ком.мутируют спустя 0,,04 с после замыкания силовых контактов его разъединителя. Это озна-чает, что напряжение на дополнительную обмотку смещения 3 подается на 0,03-0,04 с раньще подачи напряжения на дополнительную обмотку управления 5, что обеспечивает подготовку датчика к действию. Предварительно принято, ЧТО амнер-витки дополнитгльион обмотки смеа1ения 5 количественно превосходят ампер-Витки дополнительной обмотки управления 5. Питающее напряжение на основную обмотку управления 4 и основную обм.отку смещения 2 подается одновременно в момент начала работы 1выпрямительно-инзерторного преобразователя электроустановки. Ампер-витки основной обмотки смещения 2 количественно равны ампер-виткам основной обмотки управления 4, суммарная МДС, согласно действующих Л1ДС основной ; .дополнительной обмоток Смещения напрггзлепа встречно и количественно превыщает суммарную МДС согласно действующи. МДС основной и дополнительной обмоток управления. МДС дополнительной обмотки смещения 3 количественно превышает МДС, дополнительной обмотки управления на величину, соответствующую величине допустимого колебания напряжения в питающей сети и превышающую возникающее по причине регулирования напряжения несоответствие между величиной напряжения на выходе выпряМ1 тельно-инверторного преобразователя и якоря 35 электроустановки, т. е. превышающую возможное в рабочих режимах электроустановки превыщение МДС основной обмотки управления над МДС основной обмотки смещения. МДС дополнительных обмоток по отношению к МДС основных обмоток состазляет незначительную, но достатг чную для исключения лажных срабатыванп : .датчик часть. Таким 0:бразом, МДС дополнительной обмотки смещения обеспечивает насыщение сердечника трансформатора /, а результ-грующая МДС дополнительных об.моток смещен;-:л и улрдзленин определяет величину уставк;: датчика, удержание в насыщенном состоян:п сердечника трансформатора / и исключ, ложных срабатываний датчика ири рабЭтих режимах и переходных процессах сил-овой цепи электроустановки. Диод 33 цепи зыходноГ: обмотки 7 необходим для исключения полачг, на вход исполнительного органа 44 сигнала обратной по отношению к рабочему сигналу датчика полярности и, следовательно, исключения ложных срабатываний защиты при выполнении входного устройства исполнительного органа 44 на наполяризозанных элементах. Отключение электроустановки от сети питающего напряжения осуществляется служебным выключением глазного выключателя 45. При этом дополнительная обмотка смещения теряет питание на 0,03-0,04 с раньше момента снятия напряжения с дополнительной обмотки управления. Это означает, что .при предварительно принятой незначительной величине постоянной .времени цепи дополнительной обмотки смещения устройство выдаст за счет перемагничивания сердечника трансформатора / сигнал рабочей полярности, и защита сработает. Таким образом, срабатывает при служебном выключении главного выключателя 45 электроустановки. Это свойстзо устройства нельзя рассматривать как отр.идательное. Эт объяс яется тем, что именно это свойство обеспечивает защиту электрооборудозания от сверхтока режима олоокидывания инвертора, возникающего по пр.ичине служеб1:ого : автоматического выключения главного выключателя и исчезнопенчя напряжения в питающей сети при работе электроустановк : 3 режиме рекупераии . Предлагаемое устройство токовой защиты при возникновении з силовой цепи этектроустановки сверхтскозых переходных процессов и аварийных режимов работает следующим образом. Толчок напряжения в питающей сети UDH электроустановки в режиме потребителя энергии вызывает в ее силовой сети возникновение сверхтокового переходного процесса толчка напряжения. Это в сочетании с невозможностью мгновенного возрастания чтгс.ла оборотов и магнитного потока электрической машины 55 приводит в начальный момент ,к увеличению напряжения на входе цепи основной об.мотки управления и сохранению величины на1пряжения на входе цепи основной обмотки смещения. Величина тюстоянной времени цепи заряда конденсатора 32 предварительно принята весьма малой. Кроме того, выше было показано, что величина МДС дополнительной обмотки смещения 4 в несколько, например в десять раз, меньше МДС основной обмотки управления 4 или сновной обмотки смепения. Поэтому наблюаемое увеличение МДС дополнительной обмотки смещения не может компенсировать

увеличение МДС основной обмотки управления, что приводит к перемагничиванию сердечника трансфор-матора I и, следовательно, к выдаче устройством сигнала рабочей полярности и срабатыванию защиты.

Толчок напряжения в питающей сети лрм раюоте электроустановки в режиме рекуперации не вызывает возникновения сверхтокоБого переходного процесса, но приводит к срабатыванию предлагаемого усгройства. Это о бъясняется тем, что толчок напряжения з этом обеспечивает прежде всего увеличение МДС дополнительной обмотки смещения и основной обмотки управления, но не обеспечивает в первый момент соответствующего увеличения МДС основной обмотки смещения. Задержка соответствующего увеличения МДС обмотки 2 лронсходит по Прйчине невозможности мгновенного изменения числа оборотов якоря 35 и магнитного потока электрической машины. Поэтому предлагаемое устройство сработает в случае, если приращение МДС Обмотки 4 превысит приращение МДС о-бмотки 3. Это имеет -место в случае значительной величины толчка напряжения, т. е. когда этот толчок напряжения приводит к значительному снижению эффективности режима рекуперации.

Исчезновение напряжения на выводах первичной оймотки силового трансформатора при работе электроустановки в режиме потребителя энергии не приводит к возникновению в силовой цепи сверхтокового переходного процесса, но вызывает срабатывание предлагаемого устройства. Сра-батывание устройства в этом случае исключает возникновение сверхтокового переходного процесса восстановления напряжения в питающей сети. Для обеспечения этого катущка отключающего электромагнита главного выключателя введена в исполнительный орган 44 в качестве составной части. Сра:батьшание устройства при исчезновении напряжения на первичной обмотке силового трансформатора 43 вызывается быстрым затуханием МДС дополнительной обмотки смещения и сохранением в первый момент величин МДС обмоток 2, 4 и 5. Сохранение МДС основной обмотки смещения обеспечивается запасом энергии в электрической машине, сохранение МДС основной обмотки управления запасом энергии в конденсаторе 32, и сохранение МДС дополнительной обмотки управления - за счет источника питания, например аккумуляторной батареи. Следовательно, срабатывание предлагаемого устройства при исчезновении напряжения в питающей среде обеспечивает автоматическое выключение главного выключателя и тем самым исключает вознлкнозе:гие сверхтокового режима восстановления налряжения, т. е. придает токовой защите упреждающее свойство.

Исчезновение напряжений на выводах первичной об.мотки силового трансформатора

43 гфи работе электровоза в режиме рекуперации приводит к возникновению сверхтокового переходного процесса опрокидыван} Я инвертора и к срабатыванию предлагаемого устройства. Устройство срабатывает аналогично его срабатыванию при работе электроустановки в режиме потребителя энергии.

Толчкоо.бразное снижение напряжения з питающей сети при работе электроустановки в режиме потребителя энергии не приводит ч возникновению сверхтокового переходного процесса в силовой цепи, но может при значительном снижении вызывать опрокидывание электрических машин переменного тока- привода вспомогательных мащин. Срабатывание устройства происходит аналогично его срабатыванию при исчезновении напряжения в питающей сети в момент, когда отнощение .МДС дополнительной обмотки смещения к МДС дополнительной об.мотки управления станет меньше «единицы. Рабочая величина этого отнощения находится в пределах 1,4- 1,5. Эта величина выбрана с учетом исключения ложных срабатываний датчика при рабочих режимах электроустановки.

Толчкообразное значительное снижение напряжения в питающей сети при работе электроустановки в режи.ме рекуперации прлводит к возникновению сверхтокового переходного процесса опрокидывания инвертора, опрокидыванию вспомогательного привода - электрических .машин переменного тока. Срабатывание устройства происходит аналогично его срабатыванию при исчезновении напряжения в пнтаю1щей сети или при толчкообразном снижении напряжения и работе электроустановки в режиме потребителя энергии.

;ПрОбой цлеча выпрямительно-инверторного преобразователя при работе электроустановки в режиме потребителя энергии приводит к возникновению аварийного режима пробоя плеча. Этот режим равноценен режиму короткого замыкания части или всей вторичной обмотки силового трансформатора 43 и режиму выдачи части или полного снятия налряжения с первичной об.мотки понижающего трансформатора . Таким образом, в этом случае предлагаемое устройство срабатывает аналогично его срабатыванию при толчкообразнам снижении или исчезновении напряжения в питающей сети электроустановки.

Пройой плеча вьшрямительно-инверторного преобразователя при ра-боте электроустановки в режиме рекуперации приводит к одновременному возникновению двух сверхтоковых режи-мов: про.боя цлеча и опрокидывания инвертора. Эти режимы по причине яевоз,можности одновременного пробоя двух плеч преобразователя возникают в момелт начала процесса коммутации. Их характер различен. Если режи.м про.боя цлеча носит однополупериодный характер, то режим опрокидывания инвертора постоянный. Эти режимы сопровождаются те.м, что в полупериод отсутствия аварийного режима пробоя плеча на выводы цепи основной обмотки управления подается напряжение, величина которого равна ампл/гтудному напряжению вторипнз ; о.бмотки силового трансформатора 44 и примерно Б два раза превышает исходную. Кроме того, 3 полупериод наличия режима лробоя на выводы а, b цепи дополнительной обмотки смещения 4 .напряженке не подается по причине их короткого замы сания. Так как величины МДС основной обмотки смещения и дополнительной обмотки управления остаются практически неизменными, МДС основной обмотки управления возрастает в два раза в сравнении с исходной, МДС дополнительной обмотки смещения уменьщается практически более, чем в дза раза, в сравнении с исходной величиной, то в результате обеспечивается четкое перемагничивание сердечника трансфор.матора I и, следовательно, сра)батывание датчика. Срыв работы системы управления выпрямите тьно-.инверторнаго преобразозателя при работе электроустановки в режиме потребителя энергии не приводит к возникновению сверхтокового переходного процесса и не вызывает Срабатывания предлагаемого устройства. Это объясняется тем, что срыз рабо7Ь системы управления вызывает отключен 1:е нагрузки посредством снятия импульсов управлен.ия с тиристоров 57-42 выпрямителя. В этом случае МДС обмотки 4 существенно уменьшается за счет переключения ее питания па якорь .35, МДС обмоток 2 и 4 затухают согласно затуханию магнитного потока и, следовательно, ЗДС якоря 55, а МДС обмоток 5 и 5 остаются неиз.меннымн. Срыв работы систе.мы управления выарямительно-инверторпого преобразователя при работе электроустановки в режиме рекуперац.ии приводит к возникновению сверхтокового режима опрокидывания инвертора. В этом случае предлагаемое устройство ср абатывает по причине подачи на выводы g, h депи основной .обмотки управления напряжения в два раза больще исходного и сохранением величин МДС обмоток 2, 3 -я 5 неизменными. Закорачивание выводов обмоток силового трансформатора 43 приводит к возникновению сверхтокового аварийного режима короткого замыкания, т. е. к полному или частичному снятию напряжения с первичной обмотки трансформатора // и, следовательно, к срабатываяию предлагаемого устройства за счет соответствующего уменьшению МДС дополнительной обмотки смещения. Закорачивание выводов якоря 35 приводит к возникновению сверхтокового аварийного режима кругового огня. Это независимо от режима работы электроустановки приводит к исчезновению напряжения на выводах с, с и к разряду энергии дросселя 27 на основную обмотку смещения, т. е. к резкому уменьшению МДС обмотки 2. Так как при этом величины МДС обмоток 5-5 остаются неизменными, то срабатывание устройства обеспечивается. Аналогичный результат получится и в случае возникновения режима юза, т. е. когдаЭДС якоря за счет резкого уменьщения числа его оборотов становится равной нулю. Режим юза опасен тем, что приводит к выходу из строя оборудования электроустановки. Поэтому срабатывание устройства при возникновении режлма юза полезно и необходимо. Выще рассмотрена работа предлагаемого устройства при всех возможных в силовой иепи электровозов переменного тока типа ВЛ80Р сверхтоковых переходных процессах и аварийных режимах, при возникновении режима опоокидывания электрических машин переменного тока вспомогательного привода и возникновения режима юза или заклинивания якоря электрической м ащины цепи нагрузки электроустановки. Лри использовании предложенного устройства упрощена система датчиков токовой защиты и монтажа силовой цепи электроустановки, повышена надежность и эффективность токовой Защиты, четко разделены функции защиты от сверхтоков и защиты от токов перегрузки, облегчено обслуживание электроустановки. Формула изобретения Устройство для токовой защиты электровоза с силовым трансформатором, первичная обмотка которого подключена к питающей сети через силовые контакты главного выключателя, а выводы вторичной обмотки через выпрямительно-инверторный преобразователь и сглаживающий реактор - к выводам электрической машины постоянного тока, содержащее импульсный трансформатор с обмотками смещения и управления и выходной обмоткой, выводы которой включены на вход исполнительного органа, отличающееся тем, что, (С целью повышения надежности и эффективности защиты путем разделения функций защиты от сверхтоков и защиты от токов перегрузки, импульсный трансформатор снабжен дополнительной обмоткой смещения и дополнительной обмоткой управления, причем цепь, содержаща.я последовательно включенные основную обмотку смещения и диод, шунтированный резистором, соединенная параллельно с цепочкой: дроссель, резистор, через резистор п выпрямитель-переключатель, между анодными выводами двух противофазных плеч которого включен зашунтирова-- ный диодом резистор, соед)нена с выводами для подключения якоря электрической машины, дополнительная обмотка смещения через дроссель, е.мкость, выпрям.итель и понижающий трансформатор подсоединена к выводам, предназначенным для подключения ко вторичной обмотке силового трансформатора, цепь, содерж ащая последовательно включенные основную обмотку управления и .резшстор, зашунтирована конден-сатором и через резистор и диод подсоединена к вызода1М, предназначенным для подключения на выводы вылрям 1тельно-.инверторного преобразователя, цепь, содержащая дрполиительную обмотку управления н резистор, соединенные последовательно, соединена с выводами, предназначенными для подключения через нормально открытый блок-контакт главного выключателя электровоза к

источнику постоянного

стаоилизированному тока.

Источники .информации, принятые во внимал-ие при экспертизе:

1.Глух Е. М. и Зеленов В. Е. Защита полупроводниковых пр-еобразователей. М., «Энергия, 1970, с. 113-148.

2.Глух Е. М. и Зеленов В. Е. Защита полупро&одниковых преобразователей, М., «Энергия, 1970, с. 114-118.

J

I