Устройство для защитного отключенияКОНТАКТНОй СЕТи пОСТОяННОгО TOKA СциКличНыМ пРЕРыВАНиЕМ цЕпи НАгРузКи Советский патент 1981 года по МПК H02H3/16 

К недостаткам данного устройства следует отнести недостаточную надежность работы из-за повышенной нагрузки цепи онеративного источника в режиме электроснабжения контактной сети от тягового преобразователя. Особенно сильно это проявляется при стремлении повысить чувствительность схемы устройства при измерении сопротивления утечки, а также при стремлении уменьшить время переходного процесса тока в цепи оперативного источника, протекаюшего под влиянием заряда емкости сети. Для достижения этих целей необходимо принимать величину сопротивления оперативной цепи минимально-возможной. Однако уменьшение величины этого сопротивления ведет к увеличению тока, протекающего по этой цепи, а также к получению большой разницы сигналов датчика оперативного тока в режиме измерения сопротивления утечки и в режиме электроснабжения сети. Это объясняется тем, что с датчика оперативного тока на вход логического элемента И в режиме электроснабжения сети поступает сумма сигналов от последовательно включенных силового источника питания контактной сети и источника оперативного тока защиты. Причем этот поступающий сигнал соответствует замыканию этих источников на сопротивление оперативной цепи (это сопротивление состоит в основном из токоограничивающего сопротивления и сопротивления датчика тока) и не зависит от величины сопротивления утечки контактной сети.

Во время паузы в электроснабжении сети (режим измерения сопротивления утечки) когда силовой источник закрыт, на вход селектора оперативного тока (элемент И) поступает сигнал только от ЕО, который определяется величиной сопротивления утечки сети.

Этот сигнал гораздо меньше сигнала в режиме электроснабжения сети.

К недостаткам данного устройства также следует отнести то, что для получения необходимой точности измерения сопротивления утечки сети оно использует повышенную длительность паузы в силовом питании сети за счет повышенного влияния ее емкости при работе преобразователя на нагрузку с достаточно большим отношением индуктивности к активному сопротивлению, что приводит к использованию уменьшенного значения относительной продолжительности включения силового напряжения и к получению повышенных дополнительных потерь электроэнергии в двигателях электровоза.

Это связано с тем, что длительность паузы в силовом питании сети выбирается, исходя из самых тяжелых условий работы устройства, при которых емкость сети может оказать максимальное влияние на его уставку срабатывания. При этом следует отметить то, что влияние емкости будет различным в разных режимах работы контактной сети. Это происходит потому, что электровоз, перемещаясь вдоль сети, все время изменяет параметры нагрузки преобразователя, а также изменяет соотношение величины емкости рабочего и нерабочего участка сети. Так в одном из граничных режимов работы сети, когда электровоз находится вблизи тягового преобразователя, и в цепи его силового тока будет находиться минимальная индуктивность сети, а емкость сети зашунтирована цепью электровоза, то в момент запирания силового ключа остаточный заряд на ней будет минимальным. Во время паузы силового тока сети оперативный источник заряжает ее до значения своего напряжения, при этом зарядный ток емкости увеличивает полный ток оперативного источника и влияет на чувствительный элемент устройства в сторону повышения его уставки срабатывания. В этом случае .льфажение для определения длительности паузы силового питания и.меет вид

ПТ- t- ,ц+ tu.

где tf - время переходного процесса заряда, емкости оперативным током; t -время контроля сопротивления утечки.

При втором граничном режиме работы контактной сети, когда электровоз находится в самой удаленной ее точке от подстанции, при котором преобразователь работает на нагрузку с большим отношением индуктивности к активному сопротивлению цепи,

0 импульсы силового тока заходят в область отрицательных напряжений сети. Ток при этом поддерживается за счет ЭДС индуктивности контактной сети.

В этом случае при появлении отрицательного напряжения сети на силовом преобразователе емкость сети заряжается до этого значения напряжения, а после запирания силового преобразователя-разряжается через сопротивление утечки сети и оперативный источник с постоянной времени, зависяшей от

0 величины его напряжения и величины сопротивления утечки сети. При этом выражение для определения необходимой длительности паузы в силовом напряжении име-. ет вид

5tf, „ t, + t t,где tp,- время инверторного режима силового ключа;

tf, - время переходного процесса разряда е.мкости; время контроля сопротивления

утечки.

При этом следует отметить, что разряд емкости сети через оперативный источник будет влиять в сторону снижения уставки срабатывания защитного устройства (поскольку эта емкость, заряженная значительно большим напряжением чем величина напряжения оперативного источника одинаковой полярности с ним, разряжается черезнего и меняет знак тока в его цепи на обратный).

Анализ выражений для определения необходимой длительности паузы напряжения в первом и во втором граничном режиме работы преобразователя показывает, что для обеспечения необходимой точности контроля сопротивления утечки, длительность паузы во втором случае должна быть больше чем в первом. Разница в выборе необходимой длительности паузы силового напряжения объясняется тем, что при втором граничном режиме работы преобразователя длительность паузы в силовом токе сети меньше, чем в первом (при одинаковой длительности паузы напряжения на его выходе), а постоянная цепи разряда (заряда) емкости остается неизменной. Кроме того, величина напряжения оперативного источника и величина отрицательного напряжения на преобразователе, вызванная действием ЭДС индуктивности сети, различны и чем больше их разница, тем сильнее .проявляется влияние емкости на уставку срабатывания устройства. При этом напряжение оперативного источника принимается минимальновозможным, а величина обратного напряжения на преобразователе может достигать амплитудного значения питающего линейного напряжения сети переменного тока для схемы преобразователя, используюшего при запирании естественную коммутацию силовых вентилей (если в схеме преобразователя для запирания используется искусственная коммутация вентилей, то величина обратного напряжения, возникающая на нем, может достигать значительно большого значения).

Кроме того, к недостаткам данного устройства следует отнести то, что формирователь селекторных импульсов, выполненный в виде последовательно соединенных дифференцирующей цепи с детектором однополярных импульсов и блоком задержки, для получения необходимой устойчивости работы устройства требует использования дополнительного запаса (увеличения) длительности паузы силового питания сети. Это связано с тем, что момент формирования селекторного импульса по отношению к моменту формирования импульса силового напряжения сети преобразователем (ключом) может изменяться в зависимости от целого ряда факторов (например, от колебания напряжения и частоты питающей сети переменного тока, от старения элементов схемы устройства и др.). Если сформированный селекторный импульс по времени совпадает с импульсом силового напряжения, то произойдет ложное отключение сети, поскольку даже при отсутствии сопротивления утечки сети в цепи оперативного источника будет npojeKaTb большой ток, так как в этом случае последовательно включенные силовой и оперативный источники, в основном.

нагружены на величину сопротивления оперативной цепи. Для исключения этого и вводится необходимый запас во времени между моментом формирования селекторного импульса и моментом формирования импульса силового напряжения сети, что требует дополнительного увеличения длительности паузы силового питания сети. Все это снижает надежность работы защитного устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства.

Для этого устройство для защитного отключения контактной сети постоянного тока с цикличным прерыванием цепи нагрузки, содержащее источник оперативного тока, подключенный к сети с полярностью, обратной силовому источнику, и последовательно к датчику оперативного тока, датчик наличия паузы силового напряжения сети, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами чувствительного органа, выполненного на дополнительном источнике постоянного тока, к выходу которого подключены входы питания последовательно соединенных формирователя селекторных импульсов, селектора оперативного

5 тока и релейного органа, выход которого соединен с цепью отключения сети, дополнительно снабжено ограничивающим и разрядным резисторами и тремя диодами, один из которых включен 11араллельно датчику оперативного тока, а ограничивающий резистор, зашунтированный вторым диодом, и соединенный последовательно разрядный резистор включены между зажимом источника оперативного тока и зажимом силового источника, причем цепь, состоящая из последовательно соединенных датчика оперативного тока и источника оперативного тока, зашунтирована третьим диодом, включенным в проводяшем направлении для тока силового источника, а диоды, шунтирующие датчик тока и ограничивающий резистор, включены встречно для тока силового источника, а также тем, что формирователь селекторных импульсов выполнен из последовательно соединенных нуль-органа и логического элемента И, первый вход которого соединен с датчиком наличия паузы силового напряжения сети, в качестве которого используют систему управления силового выпрямителя, вход которой соединен с первой фазой питающей сети переменного тока, а второй вход элемента И соединен с второй фазой питающей сети переменного тока через упомянутый нуль-орган.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Управляющие электроды вентилей силового выпрямителя (прерывателя) 1 подключены к системе 2 управления. Нагрузка 3 подключается к тяговой сети с помощью вентильного заградителя 4, в качестве которого использован обычный неуправляемый в нтиль. Источник 5 оперативного тока подключен через датчик б оперативного тока, зашунтированный диодом 7, а также через последовательно соединенные ограничивающий резистор 8, зашунтированный диодом 9, и разрядный резистор 10 между прямым и обратным проводом контактной сети. Причем цепь, состоящая из последовательно соединенных источника 5 и датчика 6 зашунтирована диодом 11, включенным в проводящем направлении для тока силового источника, а диоды 7 и 9 включены встречно для тока силового источника. Чувствительный брган 12 защитного устройства состоит из источника 13 питания, выход которого соединен с входами питания формирователя 14 селекторных импульсов, селектора 15 оперативного тока и релейного элемента 16. Первый вход селектора 15 соединен с датчиком 6, второй его вход соединен через формирователь 14 с датчиком наличия паузы в силовом питании сети, в качестве которого используется система 2 выпрямителя 1, который помимо своей основной функции источника питания используется в качестве выключателя. Сопротивление утечки контактной сети (сниженное сопротивление изоляции или сопротивление тела, прикоснувшегося к контактному проводу человека) показано в виде сопротивления 17. Распределенная емкость контактной сети показана в виде емкости 18. Формирователь 14 выполнен из последовательно соединенных нульоргана и логического элемента И, причем вход нуль-органа связан с фазой напряжения переменного тока, а выход его подключен к первому входу элемента И, второй вход которого связан с выходом системы 2 преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

Система 2 выпрямителя 1 осуш,ествляет прерывистое питание управляющих электродов его вентилей, в моменты отсутствия тока в цепях управления этих вентилей они запираются и, следовательно, источник рабочего постоянного тока также оказывается запертым. При этом, с целью получения высокой стабильности параметров цикличного питания сети, частота этого прерывистого питания жестко синхронизирована с частотой напряжения питающей сети переменного тока (это достигается, например путем применения в системе управления коммутирующего блока, выполненного из последовательно соединенных ключа и делителя частоты, вход которого связан с одной из фаз напряжения питающей сети переменного тока). В момент паузы силового питания сети ток от источника 5 протекает через сопротивление 17 и параллельно ему через емкость 18 (во время ее заряда, т. е. в том случае, когда электровоз находится вблизи подстанции и отсутствует инверторный режим работы преобразователя), через датчик б и через резисторы 8 и 10. В случае работы преобразователя в инверторном режиме, когда преобразователь работает на нагрузку с большим отношением индуктивности к активному сопротивлению (например при работе нагрузки (электровоза) в удаленной от подстанции точке (при котором импульсы силового тока заходят в область отрицательного напряжения сети), емкость сети заряжается до этого значения напряжения, а после запирания силового преобразователя разряжается через сопротивление 17 и через цепь, состоящую из разрядного резистора 10, диода 9, источника 5 и диода 7 (поскольку эта емкость, заряженная значительно больщим напряжением, чем величина напряжения оперативного источника одинаковой полярности с ним, разряжается через него и меняет знак тока в его цепи на обратный). Величина сопротивления разрядного резистора 10 выбирается минимальной и ограничивается параметрами термической устойчивости элементов разрядной цепи при протекании через нее обратного тока (во время паузы силового питания), вызванного действием индуктивности и емкости сети. При этом емкость разряжается за о.чень короткий промежуток времени до величины напряжения источника оперативного тока и не оказывает влияния на уставку срабатывания устройства. Кроме того, необходимо отметить то, что поскольку в первом случае при отсутствии инверторного режима работы преобразователя и нахождении электровоза вблизи подстанции величина тока от оперативного источника, который заряжает емкость контактной сети, ограничивается правилами безопасности, а величина разрядного тока емкости через оперативный источник, в случае инверторного режима работы преобразователя в начале паузы силового питания при нахождении электровоза в удаленной от преобразователя точке контактной сети, ограничивается только термической устойчивостью элементов разрядной цепи, то, следовательно, время разряда емкости можно получить значительно меньше времени заряда ее от оперативного источника (на несколько порядков).

Таким образом, выбор длительности паузы силового питания сети необходимо производить с учетом самого тяжелого режима работы устройства с точки зрения наибольшего влияния емкости на уставку его срабатывания, которым в этом случае является режим, когда емкость сети заряжается от источника оперативного тока от минимального значения до величины его напряжения.

В конце ттаузы силового питания, когда переходной процесс заряда (разряда) емкости заканчивается, оперативный ток имеет только принужденную составляющую и протекает только через сопротивление 17. Через нагрузку 3 оперативный ток не протекает, так как в ее цепи находится вентильный заградитель 4, также он не протекает через диоды 7, 9 и 11, поскольку они включены для него встречно. Выделение и измерение оперативного тока производятся чувствительным органом 12. При появлении оперативного тока выше уставки этого органа, что соответствует возникновению в контактной сети сопротивления утечки ниже допустимого уровня, элемент 11 срабатывает и воздействует на цепь отключения выключателя, который производит отключение питающей сети. В процессе выделения оперативного тока элемент 16, селектор 15 и формирователь 14, получая питание от источника 13, реагирует на поступающие сигналы.

Селектор 15, выполненный на логическом элементе И, подает на вход элемента 16 сигнал управления только при наличии открывающих сигналов на обоих его входах. При этом на один его вход подается открывающий Qигнaл с формирователя 14, выполненный на последовательно соединенных нуль-органе и логическом элементе И, только лищь в момент окончания паузы силового питания контактной сети, поскольку этот элемент преобразует поступающие на него сигналы с датчика наличия паузы в силовом питании, в качестве которого используется система 2, и напряжение сети питающего переменного тока, поданное на вход нуль-органа, причем фаза этого напряжения выбирается такой, что нулевое значение этого напряжения совпадает с моментом окончания силового питания сети. Поскольку система 2 и формирователь 14 имеют жесткую синхронизацию, с частотой питающей сети переменного тока (а следовательно друг с другом), то смещение их сигналов между собой во времени практически исключено, а следовательно, исключена из-за этого и вероятность ложного отключения сети при колебаниях напряжения, старения элементов. Таким образом, формирователь селекторных импульсов вырабатывает короткий импульс в конце паузы силового питания, обеспечивая минимальную длительность паузы за счет исключения необходимого запаса по длительности между селекторным импульсом и моментом формирования импульса силового питания сети, а также обеспечивает измерение оперативного тока в конце паузы, когда переходный процесс заряда (разряда) емкости заканчивается и она не влияет на уставку срабатывания устройства.

На второй вход селектора 15 поступают сигналы с датчика 6. При этом сигналы с датчика оперативного тока имеют различную величину в режиме электроснабжения сети и в режиме измерения сопротивления утечки во время паузы силового питания сети.

Так в режиме электроснабжения сети сигнал с измерительной части датчика оперативного тока будет соответствовать току замыкания источника оперативного тока на сопротивление датчика оперативного тока, выражение для которого Аложно представить в виде SJ

1о-„ (ЕОП+ ди)/(Кв„+Яэ);

5 где AU - падение напряжения на диоде 11 при протекании через него тока от силового источника, Rgy-внутреннее сопротивление источника оперативного тока; R -сопротивление датчика оперативного тока.

Поскольку падение напряжения на диоде 11 при протекании через него тока от силового источника сети значительно меньще напряжения источника 5 (не превышает 1 В), 5 то для расчета элементов схемы устройства его величиной можно пренебречь и считать, что ток, протекающий через датчик оперативного тока в режиме электроснабжения сети, определяется только величиной напряжения источника оперативного тока и не

0 зависит от величины напряжения источника силового тока сети.

В режиме измерения сопротивления утечки, когда диод I1 закрыт для оперативного тока, выражение для тока, протекающего че5 рез датчик оперативного тока, определяется выражением

Ion Eon/().

где R - суммарное сопротивление оперативной цепи, состоящей, из внутрен0него сопротивления источника опетивного тока, сопротивления датчика тока, а также ограничивающего и разрядного сопротивлений. При этом разность в сигналах для значений напряжения источника оперативного тока и сопротивления оперативной цепи, соответствующих случаю выбора максимальной чувствительности устройства и удовлетворяющих требованиям электробезопасности не превышает 2,8 раз, т. е. для этого 0 примера разница в сигналах по сравнению с прототипом уменьшена более чем в 5 раз и не превышает номинальных параметров большинства полупроводниковых приборов. К этому следует добавить, что величину разницы сигналов датчика тока можно изменять 5 и выбирать минимальной в зависимости от соотношения сопротивления датчика 6 и суммарного, состояшего из сопротивлений ограничивающего 8 и разрядного 10 резисторов.

Таким образом, на вход чувствительного органа поступает открывающий сигнал с датчика оперативного тока на протяжении импульса силового питания сети, а во время его прерывания этот сигнал отсутствует при условии, что в сети нет утечки. При появлении же сопротивления утечки на этот вход будет поступать открывающий сигнал в момент прерывания силового питания сети (так как через датчик 6 будет протекать оперативный ток). Следовательно, при отсутствии утечки на оба входа селектора 15 открывающие сигналы поступают поочередно (несовпадая во времени) и на выходе его сигнал отсутствует. При появлении же утечки на оба его выхода (в момент прерывания силового питания) открывающие сигналы поступают одновременно и он подает сигнал управления на элемент 16, который срабатывает и воздействует на цепь отключения выключателя контактной сети. Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества: повышение надежности работы защитного устройства за счет устранения перегрузки цепи оперативного источника в режиме электроснабжения контактной сети от источника силового тока; повышение надежности работы защитного устройства за счет повышения его чувствительности при обеспечении Требуемой точности измерения сопротивления утечки; повышение надежности работы защитного устройства за счет использования цепи заряда емкости сети, позволяющей уменьшить паузу силового питания сети при обеспечении требуемой точности измерения сопротивления утечки; повышение надежности работы защитного устройства за счет устранения запаса во времени между моментом контроля сопротивления утечки и моментом формирования импульса силового напряжения сети и устранения при этом ложных отключений при колебаниях напряжения, частоты, а также при старении элементов схемы устройства. Формула изобретения 1. Устройство для защитного отключения контактной сети постоянного тока с цикличным прерыванием цепи нагрузки, содержащее источник оперативного тока, подключенный к сети с полярностью, обратной силовому источнику, и последовательно к датчику оперативного тока, датчик наличия паузы силового напряжения сети, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами чувствительного органа, выполненного на дополнительном источнике постоянного тока, к выходу которого подключены входы питания последовательно соединенных формирователя селекторных импульсов, селектора оперативного тока и релейного органа, выход которого соединен с цепью отключения сети, отличающееся тем, что, с целью повыщения его надежности, оно дополнительно снабжено ограничивающим и разрядным резисторами и тремя диодами, один из которых включен параллельно датчику оперативного тока, а ограничивающий резистор, зашунтированный вторым диодом, и соединенный последовательно разрядный резистор включены между зажимом источника оперативного тока и зажимом силового источника, причем цепь, состоящая из последовательно соединенных датчика оперативного тока и источника оперативного тока, зашунтирована третьим диодом, включенным в проводящем направлении для тока силового ис гочника, а диоды, шунтирующие датчик тока и ограничивающий резистор, включены встречно для тока силового источника. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь селекторных импульсов выполнен на последовательно соединенных нуль-органе и логическом элементе И, первый вход которого соединен с датчиком наличия паузы силового напряжения сети, в качестве которого используют систему управления силового выпрямителя, вход которой соединен с первой фазой питающей сети переменного тока, а второй вход элемента И соединен с второй фазой питающей сети переменного тока через упомянутый нуль-орган. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 600646, кл. Н 02 Н 3/16, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР № 647143, кл. Н 02 Н 3/16, 1976.