УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И СИММЕТРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ КАБЕЛЯ ПРИ ОБРЫВЕ ЖИЛЫ
DEVICE FOR VOLTAGE RECOVERY AND BALANCING AT CORE BREAK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей автономных объектов при обрыве жилы кабеля, потребители которых предъявляют повышенные требования к времени восстановления напряжения.
Известно устройство для восстановления напряжения в оборванной фазе кабеля, содержащее три реле минимального напряжения с замыкающими и размыкающими контактами, компенсирующие конденсаторы, фазосдвигающие дроссели и клеммы для подключения трехфазной нагрузки, при этом указанные реле включены между соответствующими фазами кабеля, компенсирующие конденсаторы включены между соседними фазами последовательно с размыкающими контактами реле отстающих фаз, фазосдвигающие дроссели включены между фазами кабеля и одноименными клеммами для подключения трехфазной нагрузки и шунтированы замыкающими контактами реле отстающих фаз [1]. Данное устройство обеспечивает восстановление напряжения при обрыве любой одной фазы кабеля, отличается простотой схемного решения, сравнительно высокой надежностью и низкой стоимостью. Однако ему свойственны и недостатки, среди которых основными являются: ограниченная мощность устройства, значительное время восстановления напряжения и отсутствие возможности регулирования времени восстановления напряжения в требуемых пределах.
Техническим результатом изобретения является возможность задания требуемого времени восстановления напряжения.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройство восстановления и симметрирования напряжения кабеля, при обрыве жилы, содержащее клеммы кабеля А, В, С, первое, второе и третье реле контроля напряжения, каждое из которых содержит первый контакт, второй контакт и третий контакт, причем первый контакт выполнен размыкающим, второй и третий контакты выполнены замыкающими, первый, второй и третий фазовосстанавливающие конденсаторы, первый, второй и третий фазосдвигающие дроссели и выходные первую, вторую и третью клеммы, при этом первое реле контроля напряжения включено между клеммами кабеля А и В, второе реле контроля напряжения включено между клеммами кабеля В и С, третье реле контроля напряжения включено между клеммами кабеля С и А, первый фазосдвигающий дроссель включен между клеммой кабеля А и первой выходной клеммой, второй фазосдвигающий дроссель включен между клеммой кабеля В и второй выходной клеммой, третий фазосдвигающий дроссель включен между клеммой кабеля С и третьей выходной клеммой; в качестве реле контроля напряжения применено реле постоянного тока, причем каждое реле содержит источник питания, состоящий из однофазного двухобмоточного трансформатора, однофазного мостового выпрямителя, емкостного фильтра и электромагнита постоянного тока, содержащего добавочный регулируемый резистор, включенный последовательно обмотке электромагнита и шунтированный конденсатором, при этом первичная обмотка указанного трансформатора каждого реле включена на соответствующее линейное напряжение, вторичная обмотка названного трансформатора подключена к входу выпрямителя, выход которого соединен с выводами емкостного фильтра и с цепью из последовательно соединенных добавочного резистора с шунтирующим его конденсатором и обмотки электромагнита. Кроме того, введены первый, второй и третий тиристорные ключи, выполненные по идентичным схемам, каждый из которых содержит три параллельные цепи, первая из которых образована тиристором прямого включения, вторая цепь образована последовательно соединенными диодом прямого включения, вторым контактом реле отстающей фазы, первым контактом реле собственной фазы, резистором и диодом обратного включения, третья цепь образована тиристором обратного включения, причем управляющий электрод тиристора первой цепи соединен с катодом диода обратного включения второй цепи, а управляющий электрод тиристора третьей цепи соединен с катодом диода прямого включения второй цепи, при этом первый тиристорный ключ включен последовательно с первым фазовосстанавливающим конденсатором между клеммами кабеля А и В, второй тиристорный ключ включен последовательно с вторым фазовосстанавливающим конденсатором между клеммами кабеля В и С, третий тиристорный ключ включен последовательно с третьим фазовосстанавливающим конденсатором между клеммами кабеля С и А; кроме того, введены первый, второй и третий шунтирующие тиристорные ключи, каждый из которых включен параллельно соответствующему фазосдвигающему дросселю, при этом каждый из шунтирующих тиристорных ключей содержит пару встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющий переход каждого из тиристоров пары зашунтирован во встречном направлении соответствующим диодом, а между управляющими электродами тиристоров каждой пары включена цепь из последовательно соединенных резистора и замыкающего контакта реле отстающей фазы.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства.
Устройство восстановления и симметрирования напряжения кабеля при обрыве жилы содержит клеммы кабеля А, В, С, первое 1, второе 2 и третье 3 реле контроля напряжения, выполненные в виде реле постоянного тока, каждое из которых содержит источник питания (не обозначен), состоящий из однофазного двухобмоточного трансформатора 1-1 (2-1, 3-1), однофазного мостового выпрямителя 1-2 (2-2, 3-2), емкостного фильтра 1-3 (2-3, 3-3) и электромагнита постоянного тока (не обозначен), содержащего добавочный регулируемый резистор 1-4 (2-4, 3-4), включенный последовательно обмотке электромагнита 1-6 (2-6, 3-6) и шунтированный конденсатором 1-5 (2-5, 3-5), при этом первичная обмотка (не обозначена) указанного трансформатора каждого реле включена на линейное напряжение соответствующих фаз, вторичная обмотка (не обозначена) названного трансформатора подключена к указанным выпрямителям, положительные выводы (не обозначены) которых соединены с положительными выводами емкостных фильтров, первыми выводами шунтирующих конденсаторов и добавочных резисторов (не обозначены), а отрицательные выводы (не обозначены) упомянутых выпрямителей соединены с отрицательными выводами (не обозначены) емкостных фильтров и свободными выводами (не обозначены) обмоток указанных электромагнитов, размещенных на соответствующих сердечниках (не обозначены), причем каждое из реле постоянного тока 1…3 содержит первый размыкающий контакт: реле 1 - контакт 1-1, реле 2 - контакт 2-1, реле 3 - контакт 3-1, второй и третий контакты замыкающие: реле 1 - контакты 1-2 и 1-3, реле 2 - контакты 2-2 и 2-3, реле 3 - контакты 3-2 и 3-3, первый 7, второй 8 и третий 9 фазовосстанавливающие конденсаторы, первый 10, второй 11 и третий 12 фазосдвигающие дроссели, первую 16, вторую 17 и третью 18 выходные клеммы; первый 4, второй 5 и третий 6 тиристорные ключи, выполненные по идентичным схемам, первый 13, второй 14 и третий 15 шунтирующие тиристорные ключи, выполненные по идентичным схемам, причем первое реле контроля напряжения 1 включено между клеммами кабеля А и В, второе реле контроля напряжения 2 включено между клеммами кабеля В и С, третье реле контроля напряжения 3 включено между клеммами кабеля С и А, первый тиристорный ключ 4 включен последовательно с первым фазовосстанавливающим конденсатором 7 между клеммами кабеля А и В, второй тиристорный ключ 5 включен последовательно с вторым фазовосстанавливающим конденсатором 8 между клеммами кабеля В и С, третий тиристорный ключ 6 включен последовательно с третьим фазовосстанавливающим конденсатором 9 между клеммами кабеля С и А; первый фазосдвигающий дроссель 10 включен между клеммой кабеля А и первой выходной клеммой 16, второй фазосдвигающий дроссель 11 включен между клеммой кабеля В и второй выходной клеммой 17, третий фазосдвигающий дроссель 12 включен между клеммой кабеля С и третьей выходной клеммой 18; первый шунтирующий тиристорный ключ 13 включен параллельно первому фазосдвигающему дросселю 10, второй шунтирующий тиристорный ключ 14 включен параллельно второму фазосдвигающему дросселю 11, третий шунтирующий тиристорный ключ 15 включен параллельно третьему фазосдвигающему дросселю 12; каждый из тиристорных ключей 4…6 содержит три параллельные цепи, первая из которых образована тиристором прямого включения, вторая цепь образована последовательно соединенными диодом прямого включения, вторым контактом реле отстающей фазы, первым контактом реле собственной фазы, резистором и диодом обратного включения, третья цепь образована тиристором обратного включения, так, применительно к ключу 4: первая цепь - вход ключа 4-1, тиристор прямого включения 4-2, выход ключа 4-7; вторая цепь - вход ключа 4-1, диод прямого включения 4-3, замыкающий контакт 2-2, размыкающий контакт 1-1, резистор 4-4, диод обратного включения 4-5, выход ключа 4-7; третья цепь - вход ключа 4-1, тиристор обратного включения 4-6, выход ключа 4-7, причем управляющий электрод тиристора 4-2 соединен с катодом диода 4-5, а управляющий электрод тиристора 4-6 соединен с катодом диода 4-3; каждый из шунтирующих ключей 13…15 содержит пару встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющий переход каждого из тиристоров пары зашунтирован во встречном направлении соответствующим диодом, а между управляющими электродами тиристоров каждой пары включена цепь из последовательно соединенных резистора и замыкающего контакта реле отстающей фазы, например, для первого шунтирующего тиристорного ключа 13: пара встречно-параллельно включенных тиристоров: тиристор 13-2 и тиристор 13-6, управляющий электрод тиристора прямого включения 13-2 зашунтирован диодом 13-5, управляющий электрод тиристора обратного включения 13-6 зашунтирован диодом 13-3, а между управляющими электродами тиристоров 13-6 и 13-2 включена цепь из резистора 13-4 и замыкающего контакта 2-3 реле отстающей фазы, при этом вход ключа 13-1, а выход - 13-7; размыкающий контакт 1-1 реле контроля напряжения 1 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 4, размыкающий контакт 2-1 реле контроля напряжения 2 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 5, размыкающий контакт 3-1 реле контроля напряжения 3 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 6; первый замыкающий контакт 1-2 реле контроля напряжения 1 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 6, первый замыкающий контакт 2-2 реле контроля напряжения 2 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 4, первый замыкающий контакт 3-2 реле контроля напряжения 3 управляет работой тиристоров тиристорного ключа 5; второй замыкающий контакт 1-3 реле контроля напряжения 1 управляет работой тиристоров шунтирующего тиристорного ключа 14, второй замыкающий контакт 2-3 реле контроля напряжения 2 управляет работой тиристоров шунтирующего тиристорного ключа 13, второй замыкающий контакт 3-3 реле контроля напряжения 3 управляет работой тиристоров шунтирующего тиристорного ключа 15.
Все элементы устройства серийно выпускаются отечественной промышленностью.
Устройство работает следующим образом. При наличии напряжения во всех фазах кабеля на его клеммах А, В, С появится переменное напряжение заданной величины (обычно линейное напряжение) на первичных обмотках трансформаторов 1-1 (2-1, 3-1) источников питания (не обозначены) реле постоянного тока 1 (2, 3). Вторичные пониженные по амплитуде напряжения с вторичных обмоток указанных трансформаторов поступают на диагонали (не обозначены) соответствующих выпрямителей 1-2 (2-2, 3-2), в которых они преобразуются в постоянные напряжения заданной величины, определяемые по формуле
2
где U - действующее напряжение вторичной обмотки трансформаторов
1-1…3-1;
cx
K - коэффициент схемы выпрямления по напряжению.
no
Учитывая, что напряжение питания электромагнита постоянного тока является величиной постоянной U=const, оно равно
Если учесть изменение напряжения за счет емкостного фильтра, которое незначительно увеличивается на 2…5%, то окончательное значение напряжения питания будет равно
и оно будет иметь уменьшенное значение переменной составляющей. Данное напряжение прикладывается к электромагниту постоянного тока, однако ввиду того, что конденсатор 1-5 в начальной стадии не заряжен и сопротивление его будет равно нулю, то ток срабатывания электромагнита 1-6 сработает быстрее обычного, якорь притянется к сердечнику и контакты реле примут новое положение. По мере нарастания тока срабатывания электромагнита 1-6 и заряда конденсатора 1-5 сопротивление конденсатора 1-5 станет увеличиваться, и ток срабатывания будет распределяться между двумя сопротивлениями: сопротивлением конденсатора 1-5 и сопротивлением добавочного резистора 1-4. Учитывая, что добавочный резистор выбран переменным, а постоянная времени Т электромагнита, имеющего сопротивления R и L обмотки, то без добавочного резистора имеем
и с добавочным резистором получим
д
т.е. вводя добавочный резистор и изменяя величину R, можно изменять время срабатывания реле 1 (2, 3) и время восстановления напряжения кабеля, причем срабатывание реле постоянного тока 1…3 приведет к замыканию контактов 1-2, 2-2, 3-2 и контактов 1-3, 2-3, 3-3 и размыканию контактов 1-1, 2-1 и 3-1, в результате тиристорные ключи 4…6 будут выключены, так как их вторые цепи разомкнуты, при этом фазовосстанавливающие конденсаторы 7…9 разряжены, а шунтирующие тиристорные ключи 13…15 включены и фазосдвигающие дроссели 10…12 зашунтированы этими ключами, при этом токи с клемм кабеля А, В, С будут протекать по проводам к выходным клеммам 16…18, что обеспечит рабочий режим трехфазных потребителей (не показаны). При обрыве любой фазы кабеля (например, фазы А) напряжение на клемме кабеля А будет отсутствовать, соответственно отсутствует напряжение на реле 1, 3, поэтому сработает только реле контроля напряжения 2, при этом изменяют первоначальное состояние только контакты второго реле: 2-1, 2-2 и 2-3. При замыкании контакта 2-2 через открытый тиристорный ключ 4 образуется цепь заряда фазовосстанавливающего конденсатора 7 и ток в фазе А будет протекать по цепи: клемма кабеля В, фазовосстанавливающий конденсатор 7, выход 4-7, тиристоры 4-6 (4-2), вход 4-1 тиристорного ключа 4, провод, соединяющий клемму кабеля А с выходной клеммой 16 (не обозначен), шунтирующий тиристорный ключ 13 и выходная клемма 16, при этом ток через фазосдвигающий дроссель 10 не проходит; ток в фазе В будет протекать по цепи: клемма кабеля В, фазосдвигающий дроссель 11, выходная клемма 17; ток в фазе С будет протекать по цепи: клемма кабеля С, фазосдвигающий дроссель 12, выходная клемма 18, причем при замкнутых вторых цепях тиристорного ключа 4 и шунтирующего тиристорного ключа 13 тиристоры первых и третьих цепей будут поочередно включаться и выключаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке, поскольку управления данными тиристорами формируются из анодных напряжений тиристоров. В результате фаза А кабеля восстанавливается из фазы В, образуя угол между прежним положением вектора фазы В равный 90°. Чтобы вновь сделать систему напряжений с новым вектором фазы А симметричной, прежнее направление векторов фаз В и С сдвигается против часовой стрелки на угол 30° за счет индуктивностей обмоток фазосдвигающих дросселей 11 и 12.
Механизм формирования симметричной системы напряжений при обрыве любой другой фазы остается прежним.
Таким образом, введение параллельных и последовательных тиристорных ключей позволило значительно повысить быстродействие устройства, поскольку время включения и выключения силовых тиристоров составляет единицы мкс при любой мощности, так как прямые токи силовых тиристоров превышают 1000 А, однако значительнее быстродействие устройства будет изменяться за счет изменения величины сопротивления добавочного резистора.
Литература
1. Авторское свидетельство РФ № 2006135, кл. H02J 9/06, Н02М 5/14, 1994.