УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ОТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
DEVICE TO PROTECT RECTIFIER SETS OF TRACTION SUBSTATIONS AGAINST NON-SYMMETRICAL EXTERNAL AND INTERNAL SHORT CIRCUITS

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано для защиты выпрямительных агрегатов тяговых подстанций от малых токов внешних и внутренних коротких замыканий и от появления недопустимых гармоник тягового тока, опасных для рельсовых цепей устройств сигнализации, централизации, блокировки.
Известно устройство для защиты от несимметричных режимов коротких замыканий [Н.В.Чернобровов. Релейная защита. М.: Энергия, 1971 г.], содержащее трансформатор тока, включенный в одну из фаз, и трансформатор, включенный первичными обмотками на разность токов двух других фаз, образующие фильтр токов обратной последовательности, к выходу которого подключено исполнительное реле (аналог).
Известное устройство обладает следующими недостатками:
1. Устройство не применимо для защиты выпрямительных агрегатов тяговых подстанций, первичные токи трансформаторов которых имеют несинусоидальную ступенчатую форму, содержат большой процент высших гармоник, приводящих к расстройству фильтра и появлению на выходе напряжения помехи в нормальном режиме, что снижает чувствительность защиты.
2. Устройство обладает низкой надежностью и помехоустойчивостью из-за ложного срабатывания при переходных процессах включения трансформатора выпрямительного агрегата на холостой ход из-за апериодической составляющей в токе включения.
3. Устройство имеет недостаточную чувствительность к внешним однофазным коротким замыканиям вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.
Известно устройство для отключения токов несимметричных коротких замыканий [Соколов С.Д. и др. Монтаж, наладка и эксплуатация полупроводниковых преобразователей тяговых подстанций. М.: Транспорт, 1972 г.], содержащее два промежуточных трансформатора тока, включенных своими первичными обмотками на разность токов двух фаз, а вторичными на две R-C цепи, с образованием фильтра обратной последовательности. Между точками соединения R и С этих цепей включено исполнительное реле (прототип).
Устройству, выбранному за прототип, присущи все недостатки устройства, принятого за аналог, кроме того, оно сложно в настройке, требует точного подбора соотношения R и С в каждой из параллельно включенных цепей.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение помехоустойчивости и надежности при работе устройства в выпрямительных агрегатах тяговых подстанций путем устранения ложного срабатывания, повышение чувствительности к несимметричным режимам короткого замыкания, снижение уровня помех в нормальном режиме работы и переходных режимах включения.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты выпрямительных агрегатов тяговых подстанций от несимметричных внешних и внутренних коротких замыканий, содержащем фильтр обратной последовательности, последний выполнен на двух промежуточных трансформаторах тока, причем первичные обмотки первого промежуточного трансформатора тока включены на разность токов двух фаз, первичная обмотка второго промежуточного трансформатора тока включена в третью фазу, вторичная обмотка первого промежуточного трансформатора тока подключена к первому нагрузочному резистору и резистору, последовательно соединенному с конденсатором с образованием фазосдвигающей схемы, а средняя точка соединена с одним из выводов вторичной обмотки второго промежуточного трансформатора тока, нагруженного на второй нагрузочный резистор, второй вывод вторичной обмотки и точка соединения резистора и конденсатора, являющиеся выходом фильтра, соединены с входом элемента сравнения, подключенного к первому пороговому элементу, к выходу которого через элемент «И» подключен исполнительный элемент защиты, причем вход исполнительного элемента защиты через элемент «И» подключен ко второму пороговому элементу, вход которого через фильтр первой гармоники подключен к датчику тока обратной цепи выпрямителя.
Устройство характеризуется тем, что во вторичные обмотки промежуточных трансформаторов тока могут быть параллельно включены конденсаторы, образующие фильтры высших гармоник.
Устройство характеризуется тем, что первый пороговый элемент может быть снабжен блокировкой, причем на вход порогового элемента подключен элемент отстройки от бросков токов намагничивания.
Заявляемое устройство конкретизировано на фиг.1-5, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства защиты, на фиг.2 - векторная диаграмма токов при обратной последовательности вращения векторов, на фиг.3 - векторная диаграмма токов при прямой последовательности вращения векторов, на фиг.4 - векторная диаграмма напряжений при обратной последовательности вращения векторов, на фиг.5 - векторная диаграмма напряжений при прямой последовательности вращения векторов. Выпрямительный агрегат (далее по тексту - выпрямитель) тяговых подстанций, как правило, содержит трехфазный трансформатор выпрямителя, трехфазный выпрямитель и трансформаторы тока фаз.
Заявляемое устройство защиты выпрямителей тяговых подстанций от несимметричных внешних и внутренних коротких замыканий содержит промежуточный трансформатор тока 1 с первичными обмотками, включенными на разность токов двух фаз А и В от трехфазного трансформатора выпрямителя, промежуточный трансформатор тока 2, первичная обмотка которого включена в третью фазу С трехфазного трансформатора выпрямителя, фазосдвигающую схему 3 с резистором 16 и конденсатором 17, образующими R-C цепь, фильтры высших гармоник 4 и 5, первый нагрузочный резистор 6 и второй нагрузочный резистор 7, элемент сравнения 8, первый пороговый элемент 9, датчик тока 10 обратной цепи трехфазного выпрямителя 20, фильтр гармоники 50 Гц 11, второй пороговый элемент 12, логический элемент «И» 13, исполнительный элемент защиты 14, элемент фиксации броска тока намагничивания 15, R-C цепь 16, 17. Фазы А и В промежуточного трансформатора тока 1 связаны с двумя фазами трехфазного трансформатора выпрямителя 18 выпрямительного агрегата 19, а промежуточный трансформатор тока 2 первичной обмоткой включен в третью фазу С трехфазного трансформатора выпрямителя 18.
Схема защиты в соответствии с заявляемым устройством работает следующим образом.
При симметричных внешних коротких замыканиях, например, одного из вентильных выводов вторичной обмотки трехфазного трансформатора выпрямителя в обратной цепи трехфазного выпрямителя кроме постоянной составляющей в токе появляется переменная составляющая с частотой 50 Гц. Одновременно в первичных токах фаз трехфазного трансформатора выпрямителя появляются неодинаковые по величине и фазе токи, которые условно можно разложить на две трехфазные симметричные системы. Одна система токов прямой последовательности и другая - обратной последовательности. Появление обратной последовательности в системе токов приводит к появлению напряжения на выходе фильтра обратной последовательности и срабатыванию первого порогового элемента 9. Появление тока с частотой 50 Гц в обратной цепи трехфазного выпрямителя приводит к срабатыванию второго порогового элемента 12. Одновременное срабатывание пороговых элементов 9 и 12 через логический элемент «И» 13 приводит к срабатыванию исполнительного элемента защиты 14.
ab
mn
Фильтр выделения сигнала обратной последовательности построен на двух промежуточных трансформаторах тока. Первичные обмотки первого из них 1 включены встречно на разность токов фаз А и В трехфазного трансформатора выпрямителя 18, вторичная обмотка выполнена со средней точкой «а» и соединена с первым нагрузочным резистором 6 и фазосдвигающей схемой 3 с R-C цепью 16 и 17, параметры которой выбраны из условия R=XC при частоте 50 Гц. Между средней точкой этой обмотки и точкой «b» соединения R и С фазосдвигающей схемы 3 получается сигнал напряжения u, сдвинутый относительно сигнала u (где m и n - выводы вторичной обмотки промежуточного трансформатора тока 1), пропорционального разности токов фаз А и В на 90°.
7
Первичная обмотка второго промежуточного трансформатора тока 2 включена в фазу С трехфазного трансформатора выпрямителя 18. Напряжение u его вторичной обмотки, соединенной со вторым нагрузочным резистором 7, пропорционально току фазы С.
ab
7
ab
7
При обратной последовательности чередования фаз токов напряжение u фазосдвигающей схемы совпадает с напряжением u, пропорциональным току фазы С. На вход элемента сравнения 8 поступает суммарный сигнал, равный сумме напряжений u+u (фиг.2).
ab
7
ab
7
При прямой последовательности чередования токов фаз (фиг.3) напряжение u фазосдвигающей схемы направлено противоположно напряжению u, пропорциональному току фазы С. Напряжение, поступающее на вход элемента сравнения, равно разности напряжений u-u=0 При идеально симметричной системе векторов и при синусоидальных токах с частотой 50 Гц это напряжение равно 0.
Однако первичные токи трехфазных мостовых выпрямителей имеют несинусоидальную ступенчатую форму с большим содержанием высших гармоник, что приводит к расстройству фильтра и появлению на выходе напряжения помехи.
В конечном итоге это приводит к снижению чувствительности защиты, т.к. ее приходится загрублять. Для дополнительного повышения чувствительности и снижения помехи из напряжений, пропорциональных токам фаз, в нормальном режиме работы и переходных режимах включения нужно выделить первую гармонику 50 Гц, для чего во вторичные обмотки промежуточных трансформаторов тока включены фильтры высших гармоник 4 и 5.
При однофазных коротких замыканиях выводов вентильных обмоток в токе обратного провода выпрямителя кроме постоянной составляющей тока появляется гармоника 50 Гц, фиксация которой с помощью датчика тока обратной цепи 10 и фильтра гармоники 50 Гц 11 дополнительно повышает достоверность срабатывания защиты.
При включениях трехфазного трансформатора выпрямителя на холостой ход на выходе фильтра обратной последовательности может появляться напряжение помехи из-за резкой несинусоидальности и неравномерности токов фаз. Для исключения ложных срабатываний защиты вход первого порогового элемента 9 подсоединен к элементу фиксации броска тока намагничивания 15, работающего, например, при неравенстве амплитуд прямой и обратной полуволн тока фаз или по содержанию второй гармоники.
Нагрузочный резистор 7 служит для балансировки элемента защиты обратной последовательности.
Таким образом, заявляемый технический результат достигается следующей совокупностью:
- одновременно срабатывают элементы фиксации появления гармоники 50 Гц в обратной цепи трехфазного выпрямителя и элемент появления напряжения обратной последовательности в цепях питания трехфазного трансформатора выпрямителя;
- фильтр обратной последовательности выполнен на двух промежуточных трансформаторах тока, во вторичные обмотки которых включены параллельно фильтры высших гармоник и фазосдвигающий элемент;
- для исключения ложных срабатываний от бросков тока намагничивания при включениях на холостой ход элемент фиксации токов обратной последовательности снабжен входом блокировки защиты при появлении бросков тока намагничивания.
При использовании заявляемого устройства повышается чувствительность, помехоустойчивость и надежность защиты в условиях работы выпрямителей тяговых подстанций при возникновении внешних и внутренних коротких замыканий.