ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относиться к области электротехники, а именно, к устройствам защиты и контроля статических преобразователей напряжения и может быть использована в устройствах среднего напряжения 6/10 кВ, предназначенных, например, для плавного, безударного запуска электродвигателей.
Указанные преобразователи содержат высоковольтные вентильные модули из последовательно включенных тиристоров или пар встречно - параллельно включенных тиристоров.
Известен высоковольтный вентильный модуль (RU31886U1, опубликовано 27.08.2003 г.) содержащий блок последовательно включенных тиристоров, блок RC-цепей, блок резисторов, включенных параллельно тиристорам, а также устройства защиты и контроля тиристоров. Каждое устройство контроля содержит последовательно включенные делитель напряжения, выпрямительный мост, пороговый и оптронный элемент, при этом выходы оптронных элементов соединены параллельно и подключены к входу компаратора, выход которого подсоединен к блоку защиты.
При выходе из строя одного и более тиристоров известного аналога высоковольтного вентильного модуля, повышается напряжение на последовательно соединенных исправных тиристорах. Устройства контроля тиристоров фиксируют повышение напряжения на исправных тиристорах и передают сигнал аварийного состояния в блок управления и защит через оптронные элементы.
Недостатками данного устройства являются:
- недостаточная чувствительность алгоритма выявления неисправности при выходе из стоя одного тиристора. В этом случае устройства контроля тиристоров могут не выявить неисправность при типовом допуске на отклонение параметров Δ=±5%;
- сложность конструкции, обусловленная использованием крупногабаритных резистивных делителей напряжения значительной мощности.
Известно устройство для контроля состояния тиристоров высоковольтного вентильного преобразователя (RU 2417498 C1, опубликовано 27.04.2011), содержащее последовательно включенные силовые ключи высоковольтного вентиля, токоограничивающие резисторы по числу силовых ключей, оптопередатчик, соединенный оптоволокном с оптоприемником, выход которого соединен с входом устройства управления и защиты преобразователя, блок резисторов, блок измерения сигналов, силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов, причем с одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами, первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика.
Недостатками данного аналога являются:
- необходимость использования в устройстве специальных прецизионных высоковольтных резисторных делителей напряжения, имеющих высокую стоимость и значительные габариты. Это связано с реализованным в устройстве способом измерения напряжения на последовательно соединенных тиристорах относительно средней точки высоковольтного вентиля;
- наличие, в составе устройства, специального источника питания с отбором мощности от цепи высоковольтного тиристора для блока измерения сигналов.
Следует отметить, что утверждение о снижении стоимости в данном устройстве за счет сокращения оптоэлементов в настоящее время является некорректным, ввиду массового их производства и, соответственно, невысокой стоимости.
Общим недостатком приведенных известных аналогов является отсутствие возможности контроля состояния тиристоров при использовании вентильных модулей в составе устройства плавного запуска электродвигателей на этапе завершения пуска. По окончании запуска электродвигателя, во всех случаях, производится шунтирование вентильных модулей высоковольтным выключателем или контактором и, тем самым, подключение электродвигателя напрямую к питающей сети (М.А. Шамис, М.И. Альтшуллер и др. Экономические аспекты внедрения устройств плавного пуска высоковольтных электродвигателей, ж-л «Энергетика и нефтедобыча», 2001, №1, стр. 28).
При шунтировании вентильных модулей на них отсутствует падение напряжения и устройства контроля не работоспособны.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является высоковольтный вентильный модуль (RU 101584 U1, опубликовано 20.01.2011), содержащий N последовательно включенных силовых блоков, в каждом из которых тиристоры соединены встречно - параллельно и зашунтированы RC-цепью, блок управления и защит, нагрузочный резистор и N устройств контроля тиристоров, содержащих пороговый и оптронный элементы. Пороговый элемент включен последовательно в RC-цепь силового блока. Вход оптронного элемента подключен параллельно пороговому элементу, а выход - к блоку управления и защит, нагрузочный резистор подключен первым выводом к входу первого силового блока или выходу последовательного, а вторым - к цепи общий.
В прототипе реализован алгоритм выявления состояния тиристоров силовых блоков по наличию тока в RC-цепи. При выходе из строя тиристора происходит шунтирование RC-цепи и в ней отсутствует контролируемый ток. Устройство контроля достоверно фиксирует аварийное состояние тиристора. Соответственно в данном устройстве отсутствуют громоздкие высоковольтные делители напряжения и источник питания, а так же достигается высокая чувствительность устройств контроля.
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность контроля состояния тиристоров на завершающем этапе запуска электродвигателя, когда производится шунтирование высоковольтного вентильного модуля контактором. Режим доступа: на фиг. 2 приведена функциональная схема системы плавного пуска одного двигателя с питанием от рабочей ячейки (Электронный ресурс http://www.elpri.ru/?page=170752&mode=prod)
Наличие нагрузочного резистора, подключенного к входу или выходу высоковольтного вентильного модуля (БСМ) не обеспечивает протекание тока по RC-цепям, и соответственно пропадает работоспособность устройств контроля;
- отсутствие защиты от перегрева тиристоров.
Технический результат заявляемого устройства - расширение функциональных возможностей защитных средств, а именно, реализации контроля исправности тиристоров высоковольтного вентильного модуля при использовании его в составе устройства плавного запуска одного электродвигателя на завершающем этапе, а так же контроля отсутствия перегрева тиристоров высоковольтного вентильного модуля.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтный вентильный модуль содержащий N последовательно соединенных силовых блоков, в каждом из которых тиристоры соединены встречно-параллельно и зашунтированы RC-цепью, блок управления и защит, нагрузочный резистор и n устройств контроля тиристоров, содержащих пороговый и оптронный элементы, при этом, пороговый элемент последовательно соединен с RC-цепью, а оптронный элемент подсоединен к цепи входа параллельно пороговому элементу, а по цепи выхода - к блоку управления и защит, дополнительно введены устройства контроля тиристоров, каждое из которых содержит пороговый и оптронный элементы, датчик температуры тиристоров, при этом в каждом дополнительно введенном устройстве контроля тиристоров пороговый элемент соединен последовательно с пороговым элементом устройства контроля тиристоров и с RC- цепью, а выход оптронного элемента соединен с дополнительно введенным входом блока управления и защит, причем выход датчика температуры тиристора соединен с входной цепью оптронного элемента, нагрузочный резистор соединен первым выходом со средней точкой последовательно включенных силовых блоков, а вторым выходом - с цепью контура заземления.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что за счет оригинального подключения нагрузочного резистора к средней точке последовательного соединенных силовых блоков вентильного модуля и к цепи контура заземления, обеспечивается протекание тока в RC-цепях при шунтировании вентильного модуля. Образуется трехлучевая звезда, двумя лучами которой являются последовательно соединенные силовые блоки с RC-цепями и устройствами контроля относительно средней точки, а третим лучом - нагрузочный резистор. Указанные цепи находятся под фазным напряжением питающей сети. Наличие в устройстве датчиков температуры тиристоров, а так же оригинальное их подключение позволило реализовать защиту от перегрева тиристоров силовых блоков простыми техническими средствами без использования источника питания.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема одного высоковольтного вентильного модуля, где приняты следующие обозначения:
1 - силовые блоки, содержащие встречно - параллельно включенные тиристоры 1 зашунтированные RC-цепью 2;
3 - нагрузочный резистор;
4 - блок управления и защит;
5 - основные устройства контроля тиристора;
6 - пороговый элемент, например, стабилитрон;
7 - оптронный элемент, содержащий оптоизлучатель (вход), оптоволокно (канал связи), оптоприемник (выход);
8, 9 - дополнительные устройства контроля тиристоров;
10, 11 - датчики температуры, например, электромеханические термостаты.
Высоковольтный вентильный модуль содержит N последовательно соединенных силовых блоков, в каждом из которых тиристоры 1 соединены встречно - параллельно и зашунтированы RC- цепью 2, нагрузочный резистор 3, блок управления и защит 4 и устройства контроля тиристоров 5…n, 8, 9, содержащие пороговый и оптронный элементы 6, 7.
Пороговый элемент 6 включен последовательно в RC-цепь 2, оптронный элемент 7 подключен по цепи входа (оптоизлучателя) параллельно пороговому элементу 6, а по цепи выхода (оптоприемника) подключен к соответствующему входу блока управления и защит 4.
Нагрузочный резистор 3 подключен первым выходом к средней точке последовательно включенных силовых блоков I…N, а вторым - к цепи контура заземления устройства.
Датчики температуры 10, 11 устанавливаются на радиаторе тиристоров силовых блоков, находящихся в области наихудшей теплоотдачи вентильного модуля. Дополнительные устройства контроля тиристоров 8, 9 используются для передачи информации от датчиков температуры в блок управления и защит 4 по цепи оптроного элемента и обеспечивают гальваническую развязку цепей с напряжением 6/10 кв. Пороговые элементы 6 устройств 8, 9 включены последовательно в RC-цепи тиристоров, находящихся в наихудших условиях теплоотдачи. Выходная цепь датчиков температуры тиристоров 10, 11 подключена в цепь блокирования работы соответствующего блока контроля 8, 9, например, выходной нормально-закрытый контакт биметаллического термостата 10 включен последовательно во входную цепь оптронного элемента 8.
Работу устройства рассмотрим при использовании его, по назначению, в составе устройства плавного пуска (УПП) одного электродвигателя, см. приложение 1, содержащего три высоковольтных вентильных модуля БСМ, блок управления и защит, защитный выключатель QF1, шунтирующий (байпасный) контактор К1 и запускаемый электродвигатель M1.
Режим проверки тиристоров до запуска электродвигателя.
На входы вентильных модулей подается напряжение питающей сети. Управляющие импульсы на тиристорах отсутствуют. Тиристоры силовых блоков I…N закрыты и находятся под фазным напряжением питающей сети. По защитным RC-цепям 2 и пороговым элементам 6 устройств контроля 5, 8, 9…n протекает переменный ток
где X - сопротивление RC-цепи.
При положительной полуволне тока на опорных элементах 6 (стабилитронах) возникает падение напряжения, достаточное для протекания тока во входной цепи оптронного элемента 7 (оптоизлучателя). Соответственно, выходная цепь оптронного элемента (оптоприемник) формируют сигнал «Исправность» на входе блока управления и защит 4 с частотой питающей сети:
- устройства контроля 5…n фиксируют исправное состояние соответствующего тиристора, при «пробое» тиристора защитная RC-цепь зашунтирована неисправным тиристором и сигнал «Исправность» отсутствует;
- устройства контроля 8, 9 фиксируют аналогично отсутствие перегрева тиристоров, так как выходная цепь датчиков температуры 10, 11 замкнута.
По окончании общепринятой процедуры проверки тиристоров до пуска производится плавный запуск электродвигателя в штатном режиме, путем фазного управления моментами открывания тиристоров.
Режим проверки тиристоров после плавного запуска электродвигателя.
На завершающем этапе запуска электродвигателя производится включение контактора, шунтирующего вентильные модули, и снятие управляющих импульсов тиристоров.
Электродвигатель подключен напрямую к питающей сети через защитный выключатель и шунтирующий контактор, вентильные модули зашунтированы. Наличие в устройстве нагрузочного резистора, подключенного к средней точке вентильного модуля и к контуру заземления, обеспечивает протекание контрольного тока по RC-цепям и устройствам контроля и, соответственно, проверку исправности тиристоров, аналогично вышеописанному.
При типовой чувствительности известных оптронных элементов по току срабатывания
H
величина нагрузочного резистора R должна быть не более
H
где  - фазное напряжение питающей сети U=6 [кВ];
ч
К - коэффициент чувствительности защит для органов тока и напряжения (ПУЭ п. 3.2.21.1);
сх
К - коэффициент схемы для трехлучевой звезды.
Сопротивление защитной RC-цепи не учитывается
В предлагаемом устройстве проверка тиристоров от перегрева выполняется следующим образом.
cp1
ср2
В устройстве вентильного модуля установлены два датчика температуры. Первый датчик температуры 10 с срабатыванием при температуре T=60°С, а второй 11 - при температуре Т=80°С, близкой к максимально допустимой температуре на корпусе тиристора. После завершения запуска электродвигателя контролируются сигналы на выходах устройств контроля 5, n и 8, 9:
c1
c2
- наличие сигналов «Исправность» на выходах устройств 5, n и 8, 9 является достоверной информацией о работе всех устройств контроля, исправности тиристоров и не превышения температуры корпуса тиристоров T<60°С, T<80°С;
ср2
- наличие сигналов «Исправность» на выходе устройств 5, n, 9 является информацией о работоспособности устройств контроля и тиристоров, а отсутствие сигнала на выходе устройства 8 - о срабатывании датчика температуры перегрева 10 (Т=60°С, н/з контакт разомкнут). Дальнейшая работа УПП должна быть прекращена на регламентное время охлаждения тиристоров до температуры окружающей среды;
ср2
- наличие сигналов «Исправность» на выходе устройств 5, n и отсутствие сигналов на выходе устройств 8, 9 является информацией срабатывания датчиков температуры перегрева 10, 11 и превышение температуры корпуса тиристоров выше максимально-допустимой Т=80°С. При этом дальнейшая работа УПП должна быть аварийно прекращена и выяснены причины аварийного состояния. Указанный алгоритм защиты вентильных модулей в УПП является достаточным, так как силовые блоки находятся под нагрузкой только в процессе запуска электродвигателя продолжительностью (20÷90) с, а процесс нагрева является адиабатическим. Предлагаемое устройство способно также выявить однофазное замыкание на землю при использовании его в составе УПП. Отсутствие сигналов <<Исправность>> в одном из трех высоковольтных вентильных модулей является достоверной информацией о наличии однофазного замыкания на землю в питающей сети, УПП или отходящем кабеле.
В сравнении с прототипом и аналогами предлагаемое устройство обладает расширенными функциональными возможностями, в части:
- контроля состояния тиристоров до и после завершения рабочего цикла, что позволяет оперативно устранить неисправность на этапе ожидания очередного цикла плавного запуска электродвигателя;
- контроля температуры тиристоров и предотвращения их теплового пробоя;
- контроля состояния питающей сети - выявления наличия однофазного замыкания на землю и предотвращения последующего двойного замыкания с протеканием аварийных токов короткого замыкания.
Проведены испытания устройства. Планируется использование его в устройствах плавного пуска серии ШПТУ.