ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЕНТИЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области высоковольтной преобразовательной техники.
Известны высоковольтные тиристорные вентили (модули), содержащие N последовательно соединенных тиристоров с элементами защиты от коммутационных перенапряжений, подключенных к тиристорам вентиля, и выполненных с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений или защитных RC-цепей и выравнивающих резисторов. Данные устройства обладают не высокой защищенностью от коммутационных перенапряжений по причине отсутствия полного комплекта элементов защиты [1, 2].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому за прототип является высоковольтный тиристорный вентиль (ВТВ) с тремя выходными цепями (+Ud); (-Ud) и (~Uсети), содержащий 2N последовательно соединенных тиристоров, зашунтированных нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН) и защитными RC-цепями [3, 4]. Наличие полного комплекта элементов защиты (ОПН и RC-цепей) существенно повышает защищенность ВТВ от внутренних коммутационных перенапряжений при использовании его по назначению, - в составе высоковольтного трехфазного выпрямителя или инвертора.
В штатном режиме работы вышеуказанные коммутационные перенапряжения снимаются защитными RC-цепями, а при аварийном увеличении тока выпрямителя, например при перегрузке, вступают в работу защитные ОПН. При этом защитное напряжение между выходными цепями (~Uсети), (+Ud) и (~Uсети), (-Ud) равно Uогр, а между цепями (+Ud), (-Ud) равно 2Uогр, здесь: Uогр - защитное напряжение последовательно соединенных ОПН между указанными цепями. Соответственно, конструктивное исполнение ВТВ должно быть выполнено с учетом удвоенного защитного напряжения 2Uогр между указанными цепями (+Ud, -Ud), а именно, с увеличенными защитными расстояниями по «воздуху» и поверхности изоляции. Кроме того, в нем отсутствуют элементы защиты выходных цепей от внешних коммутационных перенапряжений, возникающих относительно контура заземления устройства при оперативных переключениях (коммутациях) в питающей сети или нагрузке [5]. В целом, данный ВТВ при использовании по назначению имеет недостаточно высокую надежность, а именно, защищенность от внешних коммутационных перенапряжений и завышенные массогабаритными показатели.
Технический результат заявляемого устройства - повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей.
Технический результат достигается тем, что в ВТВ с тремя выходными цепями «+Ud», «-Ud» и «~Uсети», содержащем 2N последовательно соединенных тиристоров, зашунтированных ОПН и защитными RC-цепями выполнены новые оригинальные связи и подключения, а именно, ОПН соединены в симметричную четырехлучевую звезду и тремя выводами подключены к выходным цепям ВТВ, а четвертым выводом к контуру заземления.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей за счет соединения ОПН в четырехлучевую звезду и подключения ее выходов к выходным цепям ВТВ и контуру заземления. В результате реализуется симметричная защитная цепь ВТВ от любых коммутационных перенапряжений с защитным напряжением Uогр на тиристорах, а именно, между выводами «+Ud», «-Ud» и «~Uсети», а также между выводами «+Ud», «-Ud», «~Uсети» и контуром заземления. Соответственно, обеспечивается полноцельная надежная защита тиристоров ВТВ от внутренних и внешних коммутационных перенапряжений. При этом конструктивное исполнение ВТВ, выполняемое с учетом требований по электрической прочности изоляции с защитным напряжением не превышающем Uогр, будет обладать меньшими массогабаритными показателями в сравнении с известными техническими решениями [1..4].
На фиг.1 приведена схема заявляемого ВТВ, на которой приняты следующие обозначения:
1…N, N+1…2N - последовательно соединенные тиристоры, зашунтированные защитными RC-цепями;
2…5 - нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН);
«+Ud», «-Ud» и «~Uсети» - выходные цепи ВТВ;
РЕ - цепь контура заземления.
Предлагаемый ВТВ с тремя выходными цепями «+Ud», «-Ud» и «~Uсети», содержит 2N последовательно соединенных тиристоров 1…N, N+1…2N, зашунтированных ОПН 2…5 и защитными RC-цепями. При этом ОПН 2…5 соединены в симметричную четырехлучевую звезду и тремя выводами подключены к выходным цепям «+Ud», «-Ud» и «~Uсети», а четвертым выводом к контуру заземления РЕ. Работа ВТВ происходит следующим образом:
RRM
DRM
Будем считать, что ВТВ используется по назначению в составе общеизвестного высоковольтного трехфазного выпрямителя (инвертора) [4]. Количество последовательно соединенных тиристоров ВТВ выбрано из условия не превышения на них напряжения в закрытом состоянии величины максимально-допустимого значения напряжения тиристора U(U):
, где:
З
к - коэффициент запаса тиристора по напряжению;
П
К - коэффициент допустимого повышения напряжения питающей сети;
СЕТИ
U - действующее значение линейного напряжения питающей сети.
В составе ВТВ используются тиристоры, предназначенные для последовательного включения, изготавливаемые с одинаковым зарядом обратного восстановления Qrr, гарантирующим одновременный процесс закрывания всех тиристоров в последовательной цепи, а возможный технологический разброс параметров тиристоров по заряду Qrr и величине токов утечки устраняется защитными RC-цепями.
Защитные ОПН 2…5 выбраны из условий надежной защиты тиристоров ВТВ от коммутационных перенапряжений, возникающих при аварийных ситуациях выпрямителя:
ОГР
З
RRM
U<k·N·U;
, где:
Uогр - напряжение ограничения симметричной четырехлучевой звезды из ОПН 2…5, а именно, между ее выводами. При этом напряжение ограничения каждого ОПН равно .
В штатном режиме работы ВТВ тиристоры 1…N и N+1…2N периодически открываются и закрываются, а внутренние коммутационные перенапряжения на тиристорах ВТВ выпрямителя устраняются защитными RC-цепями.
ОГР
З
RRM
ОГР
З
RRM
В аварийных режимах выпрямителя, например при возникновении короткого замыкания в цепи нагрузки, происходит нештатное увеличение тока тиристоров и заряда обратного восстановления Qrr и, соответственно, коммутационных перенапряжений на тиристорах. В этом случае в работу вступают ОПН, ограничивая максимальное на тиристорах на безопасном уровне равном U<k·N·U,. В данном случае защитное ограничение перенапряжений совместно с RC-цепями обеспечивают ОПН 2 и 3 или 2 и 4. При возникновении внешних коммутационных перенапряжений в режиме аварийных отключений в питающей сети или нагрузки защитное ограничение перенапряжений обеспечивают ОПН 2,5 или 3,5 (4,5), на безопасном уровне U≤k·N·U, на тиристорах ВТВ, его выходных цепях «+Ud», «-Ud», «~Uсети» и относительно контура заземления РЕ. В известных устройствах указанные защитные ограничения от внешних перенапряжений не выполнены.
З
RRM
ОГР
В целом предлагаемое устройство обладает повышенными защитными свойствами при аварийных внутренних и внешних коммутационных перенапряжениях и оптимальными массогабаритными показателями, достигнутыми за счет ограничения перенапряжений между всеми цепями ВТВ на уровне, не превышающем безопасного напряжения тиристоров, равного k·N·U≤U.
Источники известности:
1. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами, под редакцией В.Н, Круповича, Мосеева, Энергоиздат, 1982 г, стр.99;
2. Патент РФ на полезную модель №101584. Высоковольтный вентильный модуль.
3. Авторское свидетельство СССР №1117492. Высоковольтный тиристорный вентиль.
4. Гринштейн Б.И., д.т.н., Колоколкин A.M., к.т.н. Опыт разработки и внедрения тиристорных преобразователей частоты для пуска и регулирования частоты вращения мощных синхронных машин, ж-л «Электрические станции», 2005 г., №8, стр.48;
5. Борисов С.А., Качесов Е.В., к.т.н. Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями двигательной нагрузки, ж-л «Электрические станции», 2006 г., №11, стр.59.