ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО МОЩНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО МОСТА

Полезная модель относится к выпрямительной технике, предназначена для защиты мощных выпрямительных мостов от аварийных режимов на стороне постоянного тока и может использоваться для защиты выпрямительных агрегатов, применяемых в цветной металлургии для электролиза, например для питания серии электролизных ванн алюминиевого завода.
Аварии на выпрямительных подстанциях электролизных заводах на стороне постоянного тока явление редкое (раз в 30 лет), но ущерб от них колоссальный (сравним с ущербом от стихийных бедствий). Это обусловлено спецификой производства. Дело в том, что КЗ на стороне постоянного тока в выпрямительной подстанции сопровождается переключением всей подстанции на КЗ. Кроме того, к этому КЗ подключаются и электролизные ванны, которые при отсутствии напряжения питания переходят в аккумуляторный режим. Общий ток КЗ в этом случае может достигать 1000.000А. и более. Следует особо отметить, что выключателей с традиционными принципами дугогашения способных отключать такие токи нет, и именно по этому нет защиты мощных выпрямительных подстанций на стороне постоянного тока.
Известно устройство для защиты мощных выпрямительных агрегатов от внутренних повреждений в выходных цепях постоянного тока (см. кн. «Зашита полупроводниковых преобразователей» Е.М.Глух В.Е.Зеленов изд. Энергия. М. 1970 г. Стр.62-67), которое представляет собой плавкий предохранитель (например ПНБ-5) с контактным устройством для его крепления и схемой сигнализации о работоспособности предохранителя. Это защитное устройство установлено в общих разноименных шинопроводах постоянного тока и служит для ликвидации «внутренних» аварийных режимов. Однако, анализ работы плавкого предохранителя в таком устройстве
показывает, что даже лучшие из них не обеспечивают надежной защиты выпрямителей от аварий из-за низкой отключающей способности и маленького номинального тока (400А).
Известно защитное устройство мощных преобразователей, установленное в разноименных сборных шинах состоящее из основания с силовыми контактами (контактное устройство), в которое установлен быстродействующий линейный дуговой предохранитель серии ПБФ (предохранитель быстродействующий фидерный). ПБФ может быть выполнен на номинальные токи до 6300А и способен отключать токи величиной до 300000А. Защитное устройство с предохранителем ПБФ может быть дополнено схемой сигнализации срабатывания предохранителя.
По технической сущности это защитное устройство является наиболее близким к заявляемой полезной модели и принято нами за прототип, см. кн. «Защита полупроводниковых преобразователей» Е.М.Глух. В.Е.Зеленов. Изд. ЭНЕРГИЯ. М. 1970 г. Стр.68-70.
ПБФ представляет из себя массивную медную конструкцию, состоящую из двух сильноточных электродов с контактными поверхностями для соединения с силовыми контактами основания и снабженную ребрами охлаждения. Два электрода соединены между собой короткой (около 15 мм), серебряной перемычкой (плавкой вставкой). Сверху на электродах устанавливается мощная дугогасительная камера, снабженная системой магнитного дутья. ПБФ работает следующим образом. В номинальном режиме ток течет через предохранитель (электроды и плавкую вставку). Плавкая вставка из-за высокой плотности тока (сотни А на мм2) разогревается. Тепло от нее отводится электродами. При возникновении КЗ ток в перемычке резко возрастает и она плавится с образованием электрической дуги отключения. Магнитное дутье вытесняет дугу в дугогасительную камеру, где она и гаснет с отключением электрической цепи.
ПБФ имеет следующие недостатки.
1. Низкая отключающая способность (максимальный ток отключения 300 КА, а нужно 1000 КА).
2. Все недостатки, присущие плавким предохранителям, - старение плавких вставок, нестабильность характеристик и т.д.
3. Не защищает от перегрузок.
4. Имеет большие габариты, вес, стоимость.
Все перечисленные недостатки не обеспечивают необходимой надежности защиты мощных выпрямительных агрегатов от «внутренних» аварийных режимов.
Задача полезной модели состоит в повышении надежности работы мощных выпрямительных мостов путем снабжения их надежным защитным устройством на стороне постоянного тока, свободным от выше перечисленных недостатков.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении надежной ликвидации возникающих аварийных режимов (внутренних КЗ) на стороне постоянного тока.
Технический результат достигается следующим образом. Защитное устройство мощного выпрямительного моста имеет общее с прототипом то, что содержит установленное на выходе сборной шины постоянного тока контактное устройство, выполненное в виде основания с силовыми контактами, на котором закреплен предохранитель, соединенный с силовым шинопроводом нагрузки. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве в качестве предохранителя использован взрывной предохранитель, опирающийся одним торцом на сборную шину постоянного тока, другим торцом - на силовой шинопровод нагрузки, и стянутый вместе с ними в осевом направлении, например, с помощью изолированных шпилек, одни концы которых жестко закреплены в основании, а другие соединены между собой упругой перемычкой,
опирающейся через изоляционную пластину на силовой шинопровод нагрузки, при этом взрывной предохранитель снабжен схемой управления с датчиком или датчиками аварийного состояния. В качестве датчиков аварийного состояния могут быть использованы датчики Холла. Защитное устройство может содержать еще одно контактное устройство с закрепленным в нем взрывным предохранителем, при этом оно установлено в сборной шине противоположного знака и имеет возможность срабатывать после первого.
Взрывной предохранитель представляет собой отключающий аппарат, в котором для отключения тока используется энергия взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ). Взрыв ВВ (даже 1 грамма) развивает в короткий промежуток времени громадную мощность (сравнимую с мощностью самого крупного генератора). Используя эту мощность в массивном тоководе, можно очень быстро (за 0,1 мС) образовать межконтактный промежуток и погасить электрическую дугу отключения. Таким образом, взрывной предохранитель обладает уникальными достоинствами:
1. За счет массивного токовода - малые теплопотери в номинальном режиме.
2. Сверхбыстродействие - собственное время срабатывания - о,1 мС, после которого наступает режим токоограничения.
3. Практически неограниченная отключающая способность.
Взрывной предохранитель закреплен в контактном устройстве в осевом направлении с помощью изолированных шпилек, одни концы которых соединены с основанием, а противоположные концы пары шпилек соединены между собой упругой перемычкой, которая своей серединой опирается на изоляционную пластину, силовой шинопровод, а через них и на взрывной предохранитель, обеспечивая надежное контактное соединение всех контактных поверхностей для прохождения силового тока в номинальном режиме. Кроме того, такое закрепление
защитного устройства обеспечивает гарантированную механическую прочность предохранителю в период отключения аварии.
Контактное устройство с закрепленным взрывным предохранителем может устанавливается в одном, либо в обоих сборных шинопроводах постоянного тока. Во втором случае многократно увеличивается надежность зашиты выпрямительного моста.
Аварийное состояние выпрямительного моста регистрируется датчиком аварийного состояния, который может быть выполнен по любому принципу и который регистрирует изменение любого физического параметра, сопровождающего процесс выпрямления переменного тока в номинальном режиме. Например, датчик может регистрировать возникновение «обратного» тока, скорость нарастания тока, его величину, температуру р-п перехода вентиля и т.д. Каждый взрывной предохранитель срабатывает по сигналу одного или двух и более датчиков аварийного состояния. Сигнал от датчика включает схему управления, которая в свою очередь запускает взрывной предохранитель, который при срабатывании отключает силовую цепь одного полюса, и прекращает аварийный режим. В случае если защитное устройство выполнено из двух контактных устройств с взрывным предохранителем, которые установлены в обоих полюсах выпрямительного моста, второе контактное устройство целесообразно запускать в работу только в случае неудовлетворительной работы первого. Кроме того, каждое контактное устройство для гарантированного исключения ошибочного срабатывания может быть снабжено двумя и более датчиками аварийного состояния. Тогда схема управления включает взрывной предохранитель в работу только при получении положительной информации от одновременно двух и более датчиков. Таким образом, многократно увеличивается надежность работы защитного устройства.
Следует отметить, что применение датчиков «обратного тока» совместно со взрывными предохранителями, обладающими уникальным
быстродействием (полное время отключения ~ 1 мС), позволяет отключать аварийный ток в режиме токоограничения и тем самым исключить опасное термическое и электродинамическое воздействие на защищаемое оборудование, что также повышает надежность его работы. Кроме того, применение в конструкции защитного устройства контактного устройства с основанием, с укрепленными в нем изолированными шпильками и соединение их противоположных концов попарно упругой перемычкой повышает надежность работы взрывного предохранителя.
На фиг.1 показан общий вид защитного устройства мощного выпрямительного моста, установленного на выходе сборных шин постоянного тока.
На фиг.1. показан мощный выпрямительный мост 1 со сборной шиной постоянного тока 2, на которую опирается взрывной предохранитель 3, электрически соединенный с силовым шинопроводом нагрузки 4 и электрически отделенный от металлических деталей контактного устройства изоляционными пластинами 5, 6. Контактное устройство состоит из основания 7, в котором укреплены изолированные шпильки 8, 9, соединенные упругой перемычкой 10, которая через упор 11, обеспечивает надежное контактное соединение всех контактных поверхностей. Усилие, с которым сжимаются контакты, регулируется гайками 12, 13. Защитное устройство включает в себя еще схему управления (на фиг 1 не показана), и датчик аварийного состояния, который может быть выполнен по любому принципу, регистрирующему аварийную ситуацию, по любым изменяющимся при этом физическим параметрам, например, по появлению в плечах моста «обратного» тока.
Схема управления может быть установлена в любом месте, выпрямительного моста, либо рядом с ним. Датчики аварийного состояния должны устанавливаться, преимущественно, вблизи силовой цепи выпрямительного моста.
Возможны и другие варианты выполнения защитных устройств на взрывных предохранителях для мощных выпрямительных мостов, не выходящие за рамки заявляемого устройства, содержащего взрывной предохранитель со схемой управления и датчиком аварийного состояния. В частности, шпильки могут быть заменены общей рамой.
Защитное устройство мощного выпрямительного моста работает следующим образом. В исходном состоянии мощный выпрямительный мост исправен, взрывной предохранитель с зарядом взрывчатого вещества в норме, схема управления работоспособна, и на нее подано напряжение питания.
Электрический ток от выпрямительного моста 1 (см. фиг 1), его плюсовой сборной шины 2 идет к взрывному предохранителю 3, затем по силовому шинопроводу нагрузки 4 на тяжелую ошиновку выпрямительной подстанции (на фиг 1 не показана). Изоляционные пластины верхняя 5 и нижняя 6 отделяет потенциал от металлических деталей контактного устройства, которая состоит из основания 7, с укрепленными в нем шпильками 8, 9, соединенными упругой перемычкой 10, которая свое упругое усилие, регулируемое гайками 12, 13, передает через упор 10 на контактные поверхности взрывного предохранителя 3 с тоководами 2, 4, обеспечивая необходимое контактное нажатие и тепловую компенсацию.
При возникновении КЗ в выпрямительном мосте на стороне постоянного тока выпрямленный ток пойдет через место КЗ. Туда же пойдет ток со сборных шин подстанции, с других агрегатов. Направление тока в шинопроводах 4, 2 и предохранителе 3 изменится на противоположное. Именно этот физический фактор может служить за определяющий аварийное состояние. Направление тока можно регистрировать например датчиком Холла. Сигнал от датчика через преобразователь подается на схему управления, которая выдает электрической импульс на подрыв заряда взрывчатого вещества (ВВ) во взрывном предохранителе. Взрыв ВВ образует в предохранителе
межконтактный промежуток и гасит электрическую дугу отключения. Аварийный ток отключается, авария ликвидируется. Следует особо отметить, что в период отключения предохранителем тока в его корпусе создается высокое давление (взрыв, выделение энергии при гашении дуги). Это давление воздействует на внутренние стенки корпуса и торцы предохранителя и ни в коем случае не должно его разрушить. Корпус взрывного предохранителя обладает достаточной прочностью. Он изготовлен из стеклоэпоксидного цилиндра со стенкой 20 мм и более. Торцы предохранителя, укрепленные в цилиндре - самое слабое место. Необходимую прочность и, следовательно, надежность работы предохранителя обеспечивает предложенная конструкция контактного устройства, состоящая из основания с укрепленными в нем шпильками, соединенными упругой перемычкой. Все перечисленное представляет собой прочную конструкцию, укрепляющую торцы предохранителя.
В случае когда контактное устройство с взрывным предохранителем устанавливается в обоих полюсах постоянного тока выпрямительного моста, включение второго контактного устройства с взрывным предохранителем целесообразно производить через некоторое время, в которое гарантированно устанавливается неуспешное или затруднительное отключение аварийного режима первым защитным устройством.