УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АВАРИЙНЫХ ЗАЩИТ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для испытания сверхбыстродействующих токоограничивающих коммутационных аппаратов и сверхбыстродействующих аварийных защит при коротких замыканиях.
Известно устройство для испытания коммутационных аппаратов и аварийных защит с использованием электродинамических моделей [Веников В.А., Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Высш. Школа», 1976, с.338-345], в качестве которых служат силовые генераторы низкого напряжения или силовые трансформаторы.
Недостатком такого устройства является значительные габариты, вес, стоимость испытаний и сложность имитации тока короткого замыкания различных форм.
В качестве источника тока при испытаниях сверхбыстродействующих токоограничивающих коммутационных аппаратов и сверхбыстродействующих аварийных защит целесообразно применять конденсаторные батареи, так как при том же запасе энергии объем и вес таких батарей на порядок ниже тех же величин для силовых трансформаторов и генераторных машин. Кроме того, конденсаторные батареи, в отличие от трансформаторов, дают возможность получить большие значения токов короткого замыкания без перегрузки линии электроснабжения, питающей указанные трансформаторы.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является гибридный генератор импульсов тока для испытания коммутационных аппаратов [Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. / Под редакцией А.Ф.Дьякова. - М.: Энергоатомиздат, 2003, с.500-503], состоящий из последовательно включенных батареи конденсаторов, контактора (управляемого коммутационного аппарата) и дросселя, а также защитного диода, подключенного катодом к точке соединения контактора и дросселя, а анодом - к точке соединения батареи конденсаторов и объекта испытаний.
Недостатком устройства-прототипа являются его ограниченные возможности: оно позволяет формировать импульсы тока только одной полярности и не дает возможности формировать переменный ток с различным содержанием апериодической составляющей.
Задача полезной модели - увеличение испытательных возможностей устройства и обеспечение реализации различных режимов испытаний.
Технический результат, получаемый при использовании устройства, заключается в расширении функциональных возможностей, уменьшении затрат на проведение испытаний и увеличении надежности эксплуатации устройства. При этом устройство обеспечивает возможность проводить испытания сверхбыстродействующих коммутационных аппаратов и сверхбыстродействующих аварийных защит переменным током короткого замыкания длительностью до 10 мс с различным содержанием апериодической составляющей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для испытания сверхбыстродействующих токоограничивающих коммутационных аппаратов и аварийных защит при коротких замыканиях, содержащем цепь, состоящую из последовательно включенных первого дросселя, первого управляемого коммутационного аппарата, первой батареи конденсаторов, а также защитного диода, подключенного параллельно первой батареи конденсаторов так, что катод соединен с положительным, а анод с отрицательным полюсом первой конденсаторной батареи, в цепь дополнительно введены последовательно включенные второй управляемый коммутационный аппарат и второй дроссель, а также третий и четвертый управляемые коммутационные аппараты и вторая и третья конденсаторные батареи, одна из которых подключена через третий управляемый коммутационный аппарат параллельно первому дросселю, а другая - через четвертый управляемый коммутационный аппарат параллельно второму дросселю, причем устройство дополнительно содержит блок автоматического управления испытаниями, выходы которого соединены с входами управления управляемых коммутационных аппаратов.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для испытания сверхбыстродействующих токоограничивающих коммутационных аппаратов и сверхбыстродействующих релейных защит при коротких замыканиях с подключенным к нему объектом испытаний (сверхбыстродействующим токоограничивающим коммутационным аппаратом и/или сверхбыстродействующей аварийной защитой); на фиг.2 представлена временная диаграмма токов в элементах устройства и ток через объект испытаний в первом режиме испытаний; на фиг.3 - временная диаграмма тока через объект испытаний во втором режиме испытаний.
Объект испытаний 1 подключен к устройству через соединители 2 и 3, к которым подключена цепь, состоящая из последовательно включенных дросселя 4, первого управляемого коммутационного аппарата 5 и первой конденсаторной батареи 6, параллельно которой подключен защитный диод 7 так, что катод соединен с положительным, а анод с отрицательным полюсом конденсаторной батареи 6. При этом к соединителям 2 и 3 дополнительно подключены последовательно соединенные второй управляемый коммутационный аппарат 8 и второй дроссель 9. Кроме того, параллельно первому дросселю 4 подключена вторая конденсаторная батарея 10 через третий управляемый коммутационный аппарат 11, а также параллельно второму дросселю 9 подключена третья конденсаторная батарея 12 через четвёртый управляемый коммутационный аппарат 13. Входы управления каждого управляемого коммутационного аппарата (5, 8, 11, 13) подключены к блоку автоматического управления испытаниями 14. 15, 16, 17 - цепи для заряда первой, второй и третей конденсаторных батарей 6, 10, 12 соответственно.
Рассмотрим работу устройства.
Процесс испытаний сверхбыстродействующих коммутационных аппаратов и сверхбыстродействующих аварийных защит при имитации коротких замыканий скоротечен. В частности, процесс испытаний сверхбыстродействующих токоограничивающих коммутационных аппаратов при имитации короткого замыкания в сети переменного напряжения с частотой 50 Гц не превышает 5 мс. При этом необходима реализация различных режимов испытаний и различных форм кривых тока короткого замыкания (например, с различным содержанием апериодической составляющей тока). Для испытания современных сверхбыстродействующих аварийных защит должен использоваться ток, изменяющийся по закону
m
I - амплитудное значение тока;
ω - угловая частота тока;
u
ψ - начальная фаза источника питания;
φ - сдвиг по фазе тока относительно напряжения;
a
T - постоянная времени затухания апериодической составляющей электрического тока.
При этом испытания указанных защит проводят на отрезке кривой тока, содержащем переход указанного тока через нулевое значение (переход из отрицательной области в положительную или наоборот).
Устройство позволяет реализовать несколько режимов испытаний. Во всех режимах объект испытаний 1 должен быть предварительно подключен к соединителям 2 и 3.
Первый режим испытаний позволяет получить испытательный ток короткого замыкания, изменяющийся по закону
m
I - амплитудное значение тока;
ω - угловая частота тока;
a
T - постоянная времени затухания апериодической составляющей электрического тока.
В этом режиме испытаний конденсаторные батареи 10 и 12 заряжают от маломощного источника напряжения по цепям 15 и 16, соответственно, до определенных значений напряжения. При достижении указанных значений напряжения блоком автоматического управления 14 одновременно подаются сигналы на включение третьего и четвертого управляемых коммутационных аппаратов 11 и 13, при этом вторая конденсаторная батарея 10 начинает разряжаться через первый дроссель 4, а третья конденсаторная батарея 12 разряжается через второй дроссель 9. При достижении напряжением разряда на второй и третей конденсаторных батареях 10 и 12 значений, близких к нулевому (что соответствует максимальному электрическому току разряда через первый 4 и второй 9 дроссели) блок автоматического управления 14 одновременно подает сигналы на включение первого и второго управляемых коммутационных аппаратов 5 и 8 и при этом подает сигнал на отключение третьего и четвертого управляемых коммутационных аппаратов 11 и 13, вследствие чего ток в цепи второй и третей конденсаторных батарей 10 и 12 перестает течь. Свободный электрический ток первого дросселя 4 протекает через колебательный контур, образованный первым управляемым коммутационным аппаратом 5, первой батареей конденсаторов 6 и подключенным к соединителям 2 и 3 объектом испытаний 1. Благодаря защитному диоду 7, подключенному катодом к положительному, а анодом - к отрицательному полюсу первой конденсаторной батареи 6, последняя защищена от перезаряда обратным напряжением в ходе проведения испытаний. Свободный апериодический ток второго дросселя 9 течет через четвертый управляемый коммутационный аппарат 8 и объект испытаний 1, подключенный к соединителям 2 и 3. Ток свободных колебаний в колебательном контуре описывается выражением:
m
I - амплитудное значение тока;
ω - угловая частота тока.
св.к
a
Передний фронт импульса суммарного тока i, проходящего через объект испытаний 1, подключенный к соединителям 2 и 3, ток свободных колебаний в колебательном контуре i и апериодический ток i показаны на фиг.2.
Второй режим испытаний позволяет реализовать формирование затухающего испытательного тока синусоидальной формы:
m
I - амплитудное значение тока;
ω - угловая частота тока.
m
Для этого первая конденсаторная батарея 6 заряжается от маломощного источника напряжения по цепи 17 до заданного значения напряжения, при достижении которого блок автоматического управления 14 подает сигнал на включение первого управляемого коммутационного аппарата 5. При этом первая конденсаторная батарея 6 начинает разряжаться через первый управляемый коммутационный аппарат 5, первый дроссель 4 и объект испытаний 1, подключенный к соединителям 2 и 3. Последовательно подключенные объект испытаний 1, первый дроссель 4, первый управляемый коммутационный аппарат 5 и первая конденсаторная батарея 6 образуют колебательный контур. Амплитудное значение импульса тока I в колебательном контуре определяется выражением:
c
U - напряжение заряда первой конденсаторной батареи 6;
1
R - полное сопротивление цепи колебательного контура;
1
L - индуктивность первого дросселя 4;
C - электрическая емкость первой батареи конденсаторов 6;
f - частота свободных колебаний тока в колебательном контуре.
В результате передний фронт импульса тока, протекаемый через объект испытаний 1, имеет форму, приведенную на фиг.3.
Обеспечение подачи в правильной последовательности сигналов на срабатывание аппаратов и приборов в испытательных, измерительных и дополнительных цепях осуществляется блоком автоматического управления испытаниями 14, реализованным на базе однокристального микроконтроллера. Указанный выше блок автоматического управления испытаниями 14 имеет связь с персональным компьютером, осуществляющим интерактивный интерфейс, с помощью которого управляют процессом проведения испытаний.
Параметры стенда - емкости конденсаторных батарей, индуктивности дросселей и значения напряжений, до которых заряжаются конденсаторные батареи, выбираются таким образом, что обеспечиваются заданное значение тока короткого замыкания и определенный режим испытания. Например, частота свободных колебаний электрического тока в колебательном контуре зависит от параметров устройства следующим образом:
1
R - полное сопротивление цепи колебательного контура;
1
L - индуктивность первого дросселя 4;
C - электрическая емкость первой батареи конденсаторов 6.
Преимуществом предлагаемого устройства является то, что оно дает возможность воспроизводить переменный ток короткого замыкания синусоидальной и косинусоидальной формы длительностью до 10 мс с заданным содержанием апериодической составляющей. Обеспечение подачи в правильной последовательности сигналов на срабатывание аппаратов и приборов в испытательных и вспомогательных цепях осуществляется блоком автоматического управления испытаниями. Вышесказанное существенно повышает надежность и функциональность устройства, снижает стоимость устройства и проведение испытаний.