Защита преобразовательных установок
Большинство преобразовательных установок, широко применяемых в различных отраслях народного хозяйства, выполняются на силовых кремниевых вентилях. Обеспечение высокой надежности, бесперебойной и долговременной работы выдвигает повышенные требования к их защите.
Во время эксплуатации преобразователей возникают как технологические перегрузки, так и аварийные режимы, которые сопровождаются прохождением токов короткого замыкания.
Переходные процессы в силовых цепях преобразователей (включение трансформатора, резкие изменения тока в индуктивностях и т. д.) сопровождаются перенапряжениями на вентилях.
Кремниевые силовые диоды и тиристоры ввиду малого объема, небольшой теплоемкости вентильного элемента и высокой плотности тока р-
n перехода обладают повышенной чувствительностью к токовым перегрузкам. Если постоянная времени нагрева обмоток трансформаторов или электродвигателей равна десяткам минут, то для кремниевого диска силового вентиля она составляет сотые доли секунды. Следовательно, защита преобразователя должна быть быстродействующей, т. е. быстро отключить электроустановку или ее часть и предотвратить повреждение вентилей.Полупроводниковые вентили чувствительны также к перенапряжениям. Обратные напряжения, превышающие допустимые значения, воздействующие на вентиль в течение 1 - 2 мкс, могут привести к электрическому пробою р-n перехода. Система защиты преобразователя должна обеспечить ограничение всех видов перенапряжений до допустимого уровня.
Основными причинами, обусловливающими выход из строя силовых вентилей в электроустановках, являются короткие замыкания, длительные токовые перегрузки, прорывы инвертора и электрические пробои вентилей. Применять для защиты силовых полупроводниковых вентилей электромагнитные и индукционные токовые реле нельзя, так как они имеют значительное собственное время срабатывания, подвижные части и контакты.
Здесь применяют быстродействующие системы защиты, для правильного построения которых необходимо знать:
1) перегрузочную способность силовых вентилей к технологическим (повторяющимся) перегрузкам длительностью до 1 - 5 с, обусловленным характером работы потребителя;
2) допустимый для вентиля ударный ток (амплитудное значение) длительностью 10 мс, А;
3) защитный показатель (тепловой эквивалент) вентиля
На рис. 35 приведены перегрузочные характеристики диодов типа ВК2-200 и тиристоров типа ТЛ-150 при
Vохл. возд = 12 м/с и tокр = 40°. Анализ кривых показывает, что диод и тиристор в течение 1 с выдерживают перегрузку по току, равную 100% номинальной. Аварийная перегрузка в течение 0,02 с составляет для диода 680% номинальной, для тиристоров 560%.
|
Рис. 35. Перегрузочные характеристики силовых вентилей. 1 — диод типа ВК2-200; 2 — тиристор типа ТЛ-150.
|
Для защиты силовых полупроводниковых преобразователей от токов короткого замыкания широко применяются специальные быстродействующие предохранители типов ПНБ и ПБВ, которые являются самыми простыми защитными аппаратами. Такие предохранители имеют закрытый фарфоровый патрон (ПНБ) или герметичный керамический корпус (ПБВ), заполняемый чистым и сухим кварцевым песком. Плавкая вставка изготовляется из серебряной ленты и имеет несколько участков с малым сечением и малой длиной, что позволяет получить предохранитель с малым тепловым эквивалентом отключения Wп = Iп2t0. При больших кратностях тока время срабатывания быстродействующего предохранителя (БП) составляет 10 - 15 мс.
На рис. 36 приведена принципиальная схема трехфазного мостового выпрямителя на силовых вентилях, защищаемого плавкими предохранителями, которые могут быть установлены: последовательно с каждым вентилем П
i для защиты от внутренних повреждений; в фазных (подводящих) проводах П2, обеспечивая отключение при внешних повреждениях; на выходе постоянного тока П3. В первом случае через предохранитель проходит действующий ток вентиля. При такой схеме включения БП необходимо учитывать, что при перегорании одного из предохранителей может появиться перенапряжение на остальных вентилях, включенных параллельно поврежденному.
|
Рис. 36. Схема защиты полупроводникового преобразователя быстродействующими плавкими предохранителями.
|
Во втором случае плавкие вставки предохранителей должны быть рассчитаны на ток, действующее значение которого для мостовых схем выпрямления в √2 раз больше
Iа. действ (см. табл. 3).Это несколько снижает защитное действие предохранителей. Однако такое включение имеет преимущество в том, что напряжение дуги,
возникающей при перегорании предохранителя, не создает опасных перенапряжений в вентилях схемы.Быстродействующие предохранители выбираются на напряжения, не меньшие номинального напряжения той выпрямительной установки, в которой они будут эксплуатироваться. В противном случае не будет обеспечено нормальное гашение дуги, что может привести к разрушению корпуса предохранителя и перебросу дуги на токоведущие части.
Номинальный ток плавкой вставки БП следует выбирать так, чтобы значение
ln2t, необходимое для отключения предохранителя, было меньше допустимого значения IB2t защищаемого вентиля. В этом случае плавкий предохранитель прерывает аварийный ток до повреждения вентиля независимо от величины тока. Значение In2t предохранителя определяется по его ампер-секундной характеристике, выражающей зависимость времени срабатывания предохранителя от тока или от кратности тока, а значение IB2t вентиля - по его ампер-секундной характеристике (см. рис. 35).Предохранители, выбранные из условия Wn < WB, обеспечивают надежную защиту полупроводниковых вентилей лишь от токов короткого замыкания и не защищают их от длительных перегрузок по току.
В настоящее время серийно выпускаются два типа быстродействующих плавких предохранителей, предназначенных для защиты от токов короткого замыкания преобразователей с силовыми полупроводниковыми вентилями:
1. Предохранители типа ПНБ-5 предназначаются для работы в цепях с номинальным напряжением до 660 В постоянного и переменного тока и выпускаются на номинальные токи: 40, 63, 100, 160, 250, 315, 400, 500 и 630 А. Данные предохранители изготавливаются с различными видами сигнализационных устройств, в том числе с визуальным указателем и блок-контактом, которые позволяют быстро обнаружить сгоревший предохранитель, что упрощает эксплуатацию преобразователей.
а) типа ПБВ-1 на номинальные токи 160, 250, 400 и 630 А с жидкостным охлаждением для установки на водоохлаждающей шине аналогично силовому вентилю (см. рис. 43, г);
б) типа ПБВ-2 на токи 100, 160, 250 и 400 А с воздушным охлаждением для установки на стандартный радиатор силового вентиля;
в) типа ПБВ-3 на токи 63, 100, 160 и 250 А без специального охлаждения с установкой в пружинные губки контактных стоек или с винтовыми контактами.
Все предохранители серии ПБВ снабжены указателями срабатывания и блок-контактами для контроля за состоянием плавкого предохранителя и вентиля.
Защита силовых вентилей и преобразователей от токовых перегрузок осуществляется автоматическими выключателями (автоматами), которые имеют замыкающие главные контакты, снабженные механизмом расцепления, и реле защиты прямого действия (так называемые расцепители).
Автоматы выпускаются с электромагнитными, тепловыми или комбинированными расцепителями. Электромагнитный расцепитель предназначен для защиты от коротких замыканий, тепловой - предусматривается для защиты от длительных перегрузок током, больше номинального значения.
Автоматический выключатель позволяет производить ограниченное число включений и выключений преобразователя при нормальных режимах работы. При срабатывании электромагнитного расцепителя и размыкании главных контактов автомат можно включить повторно, после срабатывания теплового расцепителя автомат будет готов к включению после остывания теплового элемента через 1 - 1,5 мин. В этом состоит преимущество автоматов перед плавкими предохранителями.
Однако современные автоматы по быстродействию уступают предохранителям типа ПНБ и ПБВ. Поэтому в преобразователях с силовыми вентилями они используются как дополнительные (резервные) средства защиты, обеспечивающие отключение электроустановки от аварийных токов в случае отказа основных средств защиты и при перегрузках.
Автоматы переменного тока могут устанавливаться: в преобразователях, питающихся от сети 380 В, на первичной стороне трансформатора или до ограничивающих реакторов в бестрансформаторных схемах; при питании от сети 6 - 10 кВ на вторичной стороне трансформатора. В этом случае автомат отключает при авариях преобразователь и защищает вентили. Автоматы постоянного тока включаются на выходе преобразователя и в отходящих линиях нагрузки. Срабатывание такого автомата обеспечивает отключение нагрузки при недопустимых перегрузках, но не защищает преобразователь от аварийных режимов, возникающих при пробое вентилей или коротком замыкании токоведущих частей внутри выпрямителя. То или иное место включения автомата применяется с учетом схемы питания, мощности потребителя, а также характеристик и технических данных автоматического выключателя.
Автоматические выключатели характеризуются номинальными значениями тока и напряжения автомата, значением номинального тока и током срабатывания расцепителя, полным временем срабатывания.
Автоматические выключатели выбирают следующим образом: номинальный ток автомата должен быть не меньше действующего значения тока защищаемой цепи, который определяется по номинальному току нагрузки с учетом возможных эксплуатационных перегрузок; номинальное напряжение - не меньше номинального напряжения сети; ток срабатывания электромагнитного расцепителя не должен превышать
Iа. доп вентиля с учетом кратковременной перегрузки.В преобразователях с кремниевыми вентилями применяются автоматы типа АП50-ЗМ, АК50
-3М и А3100 при напряжении переменного тока до 380 - 500 В и постоянного тока до 220 В. Время срабатывания составляет 0,015 - 0,017 с для автоматов серий АП50 ,АК50 и 0,01 - 0,02 с для автоматов типа А3110 и АЗ120. Включают указанные автоматы непосредственно от руки.Для мощных полупроводниковых преобразователей можно использовать быстродействующие автоматические выключатели типа ВАБ, предназначенные для защиты ртутных преобразователей. Технические данные этих автоматов приведены в.
В настоящее время электропромышленность начала выпуск автоматических выключателей типа АЗ700, предназначенных для защиты электрических установок от перегрузок и коротких замыканий в цепях постоянного тока напряжением до 440 В и переменного тока до 600 В, на номинальный ток от 160 до 630 А. Автоматы этой серии могут быть использованы для защиты полупроводниковых преобразователей, время отключения их составляет 10
- 15 мс.
Импульсы обратного напряжения, превышающие нормальную величину периодически прикладываемых допустимых обратных напряжений, могут разрушить вентиль, поэтому необходимо принимать специальные меры для защиты силовых вентилей от перенапряжений. Причинами перенапряжений могут быть отключение или включение силового трансформатора на холостом ходу, отключение в цепи постоянного тока, перегорание плавких вставок, а также перенапряжения, вызываемые коммутацией тока с одного вентиля на другой.
Коммутационные перенапряжения обусловлены тем, что при закрытии полупроводникового вентиля прямой анодный ток резко спадает к нулю, и когда напряжение становится обратным, накопившиеся в р-
n переходе положительные носители тока (дырки) создают обратный ток, который ограничивается только сопротивлением трансформатора. С окончанием рекомбинации "дырок"' обратный ток "обрывается", что вызывает в кривой обратного напряжения появление начального скачка, превышающего расчетное значение U0бр. макс, который может привести к пробою вентиля.Для защиты от внутренних перенапряжений, возникающих в момент закрывания вентилей, применяют демпфирующие
RC-цепочки из последовательно соединенных конденсатора С и резистора R, включаемые параллельно вентилям. В момент закрытия диода или тиристора обратный ток коммутируется из цепи вентиля в RC-цепочку.Заряд емкости при этом носит колебательный характер, что способствует более быстрому рассеиванию основных носителей зарядов р-
n переходов, поэтому ускоряется процесс запирания вентилей, что приводит к уменьшению коммутационных перенапряжений.Для диодов типа ВК2-200 и тиристоров Т-150 рекомендуется принимать предварительные значения емкости и сопротивления
RC-цепочки в пределах С = 0,25÷2 мкФ; R = 5 ÷ 40 Ом.Особое внимание следует обращать на перенапряжения, вызванные включениями и отключениями первичной обмотки ненагруженного трансформатора преобразователя. Возникновение таких - перенапряжений, называемых внешними, связано с наличием в цепях трансформатора индуктивностей (намагничивания
L0 и рассеяния Ls ) и емкостей между секциями обмоток.Для уменьшения внешних перенапряжений применяют защитные
RC-цепочки, включаемые на стороне переменного или постоянного тока преобразователя. При подключении R1C1-цепочек ко вторичным обмоткам трансформатора (рис. 37, а) получаются относительно большие потери энергии, которые вызывают дополнительный нагрев преобразователя. Кроме того, габариты защитного устройства становятся значительными, так как необходимо применять в качестве емкости C1 громоздкие металлобумажные конденсаторы на Upa6 ≥ U2л. макс и резисторы R1 на большую мощность рассеяния.Для уменьшения потерь в элементах защитных
RС-цепочек неуправляемых преобразователей конденсатор Ср можно включить на выходе постоянного тока (рис. 37, а). Это позволяет использовать в устройствах защиты менее громоздкие электрические конденсаторы. В преобразователях на тиристорах защитный конденсатор Ср включают на стороне переменного тока (рис. 37, б) через вспомогательный выпрямитель на маломощных полупроводниковых диодах.
|
Рис. 37. Защита вентилей преобразователя от внешних перенапряжений. а — неуправляемого; б — полностью управляемого.
|
При возникновении перенапряжений их энергия будет поглощаться конденсатором Ср, преобразуясь в энергию электрического поля, которая затем рассеивается на резисторе
Rp.Резистор
Rд ограничивает ток через вентили диодного моста при включении трансформатора на незаряженный конденсатор Ср.Параметры защитной цепи определяются из наиболее опасного режима - отключения трансформатора на холостом ходу, когда перенапряжения могут во много раз превышать рабочее напряжение на вентилях преобразователя - по формулам:
емкость конденсатора, мкФ,
|
Cр ≈ 10 |
Ix. xI2н |
; (59) |
| U2ф |
сопротивление, Ом,
|
Rд ≈ 170 |
U2ф |
, (60) |
| Ix. xI2н |
где
Ix. x - ток холостого хода трансформатора, % номинального;I2н и U2ф — номинальный ток и фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Разрядное сопротивление
Rp, подключаемое параллельно конденсатору Ср, выбирается из условия, чтобы постоянная контура разряда Тр = CpRp составляла 1 - 8 с.Номинальное напряжение конденсатора Ср должно быть больше амплитуды выпрямленного напряжения защитной цепочки, т. е.
Uрaб ≥ 2,б U2ф
. (61)Формулы (59) и (60) могут служить только для предварительного расчета значений емкости Ср и сопротивления Rд . При наладке схемы преобразователя необходимо производить корректировку параметров защитных цепочек.
|
|
|
|
|
|
