УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Предложение относится к области электротехники, а именно к тяговым подстанциям постоянного тока, и может быть использовано в системах тягового электроснабжения электрических железных дорог, а также линий наземного городского электрифицированного транспорта и карьерного транспорта для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений.
Для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений применяются устройства, ограничивающие уровень перенапряжения путем шунтирования защищаемого ими оборудования при возникновении опасного уровня напряжений. В сетях постоянного тока импульсные перенапряжения возникают на индуктивности сети и реакторе тяговой подстанции при быстром отключении тока. В таких сетях предложенное устройство может быть использовано для уменьшения коммутационных перенапряжений в автоматических быстродействующих выключателях на фидерах тяговых подстанций постоянного тока.
Известен ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) («Series capacitors for power system. Protective equipment for series capacitor banks», опубликовано в «IEC 143-2», 1994 г., стр. 75.) [1], содержащий сопротивление с высокой степенью нелинейности на основе оксида цинка (ZnO). ОПН используется для ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений в выключателях постоянного тока.
Недостатком этого устройства является то, что оно не способно ограничить перенапряжения с большими амплитудами сопровождающего тока большой длительности в одном элементе. При мощных и длинных импульсах сопровождающего тока приходится набирать большое количество параллельно-последовательно соединенных отдельных элементов, что приводит к сложности конструкции, большим габаритам и, соответственно, к уменьшению надежности и увеличению стоимости защитного устройства.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому является разрядное устройство для шунтирования реактора тяговой подстанции и индуктивности тяговой сети постоянного тока, на котором возникают импульсные перенапряжения при отключении тока. Устройство состоит из последовательно соединенных высоковольтного управляемого тиристора, разрядного резистора и диода, а также элементов цепи управления тиристором по напряжению на реакторе, состоящих из стабилитрона и варистора, а также блока ускорения отпирания тиристора (ПАТЕНТ RU 42 356 U1, класс Н02В 1/00 (2000.01), опубликован в БИ, 2004, №33) [2]. При срабатывании системы защиты через блок ускорения подается команда на отпирание тиристора разрядного устройства, длительность которого равна длительности аварийного процесса отключения выключателя фидера. Под действием этой команды тиристор отпирается практически в самом начале спада тока короткого замыкания на любом фидере контактной сети, так как в этот момент полярность напряжения на реакторе соответствует направлению проводимости тиристора.
Недостатком этого устройства является наличие блока управления и требуется время на регистрацию возникновения перенапряжения и формирование импульса управления отпирания тиристора. Использование полупроводниковых элементов снижает аварийную стойкость устройства.
Технической задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего исключение активных управляющих элементов (блока управления) и автоматический отклик на возникновение перенапряжения (не требуется мониторинг сети).
Техническим результатом предложенного решения является повышение быстродействия и аварийной стойкости устройства за счет использования управляемого вакуумного разрядника (РВУ), упрощение конструкции устройства, а также уменьшение габаритных размеров. Предложенное устройство облегчает работу автоматических быстродействующих выключателей фидеров постоянного тока и способствует повышению их отключающей способности за счет максимального приближения момента включения РВУ к началу спада тока, и тем самым обеспечивает рассеивание максимальной запасаемой энергии реактора и тяговой сети.
Технический результат достигается тем, что устройство защиты от импульсных перенапряжений состоит из последовательно соединенных высоковольтного управляемого ключа и разрядного резистора. Существенным признаком нового схемного решения является то, что в качестве управляемого ключа используется РВУ с автоматической схемой запуска, подсоединенной параллельно ОПН и вакуумному выключателю и содержащей конденсатор и зарядное сопротивление, причем конденсатор, подсоединен к катоду РВУ и через обостряющий разрядник со стабилизированным пробивным напряжением подсоединен к управляющему электроду РВУ, а между управляющим электродом и катодом РВУ подсоединено сопротивление.
Сущность предложенного технического решения поясняется иллюстрациями, где
на фиг. 1 показана принципиальная схема устройства защиты от импульсных перенапряжений,
на фиг. 2 показана схема экспериментального стенда,
на фиг. 3 показаны осциллограммы тока и напряжения во времени при воздействии импульса перенапряжения на устройство защиты от импульсных перенапряжений.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений шунтирует реактор 1 тяговой подстанции постоянного тока и индуктивность тяговой сети (фиг. 1). Устройство содержит РВУ 2 с анодным электродом 3, катодным электродом 4 и управляющим электродом 5, разрядное сопротивление 6, подсоединенное последовательно с РВУ 2, и схему автоматического запуска 7. Схема запуска 7 подсоединена параллельно ОПН 8 и вакуумному выключателю 9 и содержит конденсатор 10 и зарядное сопротивление 11, причем конденсатор 10, подсоединен одним выводом к катоду 4 РВУ 2 и другим выводом к управляющему электроду 5 через обостряющий разрядник 12 со стабилизированным пробивным напряжением, а между управляющим электродом 5 и катодом 4 РВУ 2 подсоединено сопротивление 13 для защиты от ложного запуска РВУ 2. Устройство работает следующим образом.
C
C
При отключении тока фидерным выключателем на индуктивности, включающей индуктивность реактора и индуктивность тяговой сети 1 возникает импульс перенапряжения. В результате через сопротивление 11 начинает заряжаться конденсатор 10 до напряжения U(t). При достижении U(t) величины пробивного напряжения разрядника 12 он срабатывает. При пробое разрядника 12 на управляющем электроде 5 РВУ 2 возникает импульс напряжения, который инициирует включение РВУ 2. Момент включения РВУ 2 регулируется постоянной времени цепочки 10-11 и определяется допустимым уровнем рассеиваемой в ОПН 8 выключателя 9 энергии. Сопротивление 13 служит для защиты от ложного запуска РВУ 2.
0
0
1
0
2
1
2
2
1
2
1
3
1
1
3
Решение технической задачи подтверждено испытаниями устройства защиты от импульсных перенапряжений на экспериментальном стенде (фиг. 2). Стенд содержит конденсаторную батарею емкостью С=50 мФ на максимальное напряжение 6 кВ, реактор с индуктивностью L=2,6 мГн, и автоматический быстродействующий вакуумный выключатель постоянного тока В. Выключатель содержит блок из четырех параллельно соединенных ОПН. В качестве нелинейных сопротивлений используются ограничители перенапряжений нелинейные типа ОПН-ТП-3,0/4-УХЛ3. Выключатель подключается к предварительно заряженной конденсаторной батарее с помощью управляемого вакуумного разрядника Р. Испытуемое устройство защиты от импульсных перенапряжений подсоединено параллельно реактору L. Устройство содержит последовательно соединенные управляемый вакуумный разрядник Р и разрядное сопротивление R=1,8 Ом. Разрядник P включается с помощью схемы автоматического запуска. Схема запуска подсоединена между катодом разрядника P и его управляющим электродом. Схема содержит конденсатор емкостью С=0,05 мкФ, подсоединенный к катоду P через индуктивность L=11 мкГн и обостряющий разрядник Р со стабилизированным пробивным напряжением на уровне 6 кВ. Зарядка конденсатора С происходит через сопротивление R=650 Ом в течение 30 мкс при возникновении перенапряжения на ОПН R.
1
br
0
br
y
0
vdk
3
3
1
R
1
1
1
2
Типичные осциллограммы токов и напряжения представлены на фиг. 3. При включении разрядника P в цепи начинал протекать ток i, амплитуда которого регулировалось путем изменения зарядного напряжения U. При превышении током i, тока уставки I=3000 А выключатель В отключал ток и на реакторе L быстро возникало напряжение U, уровень которого ограничивался ОПН R на уровне 8 кВ. В этот момент автоматически инициировалось включение разрядника Р, через сопротивление R начинал протекать ток i и значительная часть накопленной в индуктивности энергии рассеивалась в рабочем сопротивлении R в течение 18 мс. Ток в разрядной цепи регистрировался датчиком тока Т, ток через сопротивление R регистрировался датчиком тока T, а напряжение на ОПН регистрировалось датчиком напряжения ДН.
В результате испытаний показано, что предлагаемое устройство защиты от импульсных перенапряжений позволяет автоматически быстро и надежно защитить оборудование от коммутационных импульсов перенапряжений большой энергии длительностью в единицы миллисекунд.
Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена высокой надежностью защиты и снижением аварийности защищаемого дорогостоящего высоковольтного оборудования. Предложенное устройство облегчает работу автоматических быстродействующих выключателей фидеров постоянного тока и способствует повышению их отключающей способности за счет максимального приближения момента включения РВУ к началу спада тока, и тем самым обеспечивает рассеивание максимальной запасаемой реактором и индуктивности сети энергии.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
1. («Series capacitors for power system. Protective equipment for series capacitor banks», опубликовано в «IEC 143-2», 1994 г., стр. 75.
2. ПАТЕНТ RU 42 356 U1, класс H02B 1/00 (2000.01), опубликован в БИ, 2004, №33.