1-30. СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ

1. Системы защиты от аварийных токов

В тиристориых преобразователях могут возникнуть аварн1"ные режимы, сопровождающиеся недопустимыми по значению и длительности токами через тиристоры, например внешние и внутренние к. з.; опрокидывания инвертора; появление чрезмерных уравнительных токов в реверсивных преобразователях с совместным управлением ти-ристорными группами; отпирание тиристоров в неработающей группе (открывание группы на группу) в реверсивных преобразователях с раздельным управлением вентильными группами.

Внутренние з. возникают вследствие потери тиристором запирающих свойств и закорачивания р-и-структуры (пробой тиристора).

Причинами пробоя тиристора могут явиться: высокая скорость нарастания тока (больше 20-200 А/мкс), нарушение механической целости р-я-структуры при чрезмерном токе, усталостное разрушение ее при цикличной токовой нагрузке преобразователя.

Опрокидывание инвертора является следствием нарушения правильной коммутации тока с одного вентиля на другой. В преобразователях, имеющих трехфазную мостовую схему, могут произойти однофазные и двухфазные опрокидывания инвертора. В первом случае аварийный ток протекает через два тиристора, соединенных с одной фазой трансформатора, который при этом находится в режиме холостого хода. Во втором случае ток протекает через два тиристора и две фазы трансформатора. В те полупериоды переменного напряжения, когда линейное напряжение трансформатора действует согласно с напряжением источника постоянного тока, происходит быстрое нарастание аварийного тока.

Опрокидывания инверторов возникают вследствие пропуска отпирания очередного тиристора (в трехфазной мостовой схеме это приводит к двухфазному и затем к однофазному опрокидыванию), снижения напряжения сети переменного тока, что приводит к увеличению тока инвертора и угла коммутации, который может стать больше угла опережишя инвертора.

Причиной опрокидывания инвертора может быть скачок управляющего напряжения на входе системы фазового управления в сторону увеличения угла опережения, а также отпирание тиристора под действием импульсов помех на управляющем электроде, перенапряжений или высокой скорости нарастания напряжения на тиристоре в прямом направлении.

Чрезмерные токи в контуре уравнительных токов возникают в реверсивных вен- тильных преобразователях с совместным управлением вследствие нарушения соотношения ai-f-a2180° что Приводит к появлению постоянной составляющей в уравнительном

токе, насыщению уравнительных реакторов и быстрому нарастанию уравнительного тока до аварийного.

Отпирание тиристоров в неработающей группе (открывание группы на группу) в реверсивных преобразователях с ра.1дель-ным управлением вентильными группами происходит прн подаче на них управляющих импульсов вследствие неисправностей в системе раздельного управления или кратковременного исчезновения и восстановления напряжения собственных нужд.

Расчет аварийных токов и интегралов предельной нагрузки 14 для тиристорных преобразователей

При разработке тиристорных преобразователей расчетными аварийными режимами являются внешнее и внутреннее к. з., а также однофазное и двухфазное опрокидывания инвертора в реверсивных преобразователях.

При расчетах определяют: ударный ток к. 3., Pt (тепловой эквивалент) и при необходимости мгновенные значения аварийного тока.

Для проверки аппаратуры и токоведу-щих шнн на электродинамическую стойкость определяют ударные токи внешнего и внутреннего к. з. Ударный ток при этом может служить также для оценки возможности выхода из строя тиристоров при сравнении его с амплитудой допустимого для них полусинусоидального тока длительностью 10 мс. Эта амплитуда для наиболее распространенных тиристоров T-I60 равна 3300 А и Т2-320 - 8500 А при температуре кремниевой пластины 125" С.

Для проверки уставок защитных устройств и оценки их быстродействия и токоограничивающих свойств необходим расчет мгновенных значений токов в указанных режимах.

Расчет интегралов предельной нагрузки 14 производится для сравнения с тепловым эквивалентом 14 тиристоров, для проверки и выбора применяемых в тиристорных преобразователях предохранителей и для проверок селективности зашит.

Поскольку большинство выпускаемых в. настоящее время тиристорных преобразователей снабжено быстродействующей защитой, которая при к. 3. блокирует или сдвигает к границе инверторного режима управляющие импульсы до включения очередного по порядку включения тиристора, то при внешних и внутренних к. з. в этих преобразователях аварийные токи протекают по двум плечам трехфазной мостовой схемы и двум фазам вторичной обмотки трансформатора, т. е. имеет место двухфазное к. 3. трансформатора.

Амплитуда и продолжительность протекания аварийного тока при отпирании тиристоров в неработающей группе реверсивного преобразователя с раздельным управлением и при нарушении соотношения ai-l---а2180° в реверсивном преобразователе

с совместным управлением не превосходят их значений прн внешнем к. з.

Прн внешних к. з. расчет токов ведется в предположении, что угол регулирования преобразователя равен нулю; прн этом токи к. 3. максимальны.

Для нахождения ударного тока глухого внешнего к. з. (к. з. на зажимах преобразователя до сглаживающего реактора) вначале находится амплитуда базового тока к. 3..-

1к,т -

4к + l

(1-120)

где f/2m, ф - амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе; Х2к и ггк - приведенные к вторичной стороне реактивное и активное сопротивления одной фазы трансформатора и питающей сети переменного тока, т. е. •Сгк = лгк, т-1--2к, с н 12к = Г2К, t+rit, с. При мощностях тиристорных- преобразователей до 500 кВт сопротивлением питающей сети можно пренебречь.

Если тиристорный преобразователь имеет двухобмоточный трансформатор, то реактивное и активное сопротивления трансформатора Х2К, т и Г2К, т, Ом, находят, исходя из напрялсення к. з. Ик % н активных потерь в обмотках Рк, или по активной составляющей напряжения к. з. «а, %:

,2 , щ%л2ф

"Г ак. т - -

-2к,т «к %

2к, т

100/

100 5н-10з

Р„ 103

2К,Т

100 Sh-103

•*2к,т V 21?,т ~ L.T

где S,.,-номинальная мощность трансформатора, кВ-А;- гф и f/2.4 - фазное и линейное напряжения вторичной обмотки трансформатора. В; - активная мощность потерь к. 3. в обмотках, кВт; - фазный ток вторичной обмотки трансформатора, А.

Если тиристорный преобразователь содержит две мостовые схемы и трехобмоточный трансформатор, у которого напряжения вторичных обмоток сдвинуты иа 30°, то Х2К, т н Ггк, т находят по напряжению и активным потерям частичного короткого замыкания на зажимах одной вторичной обмотки, прн котором в первичной обмотке протекает ток, соответствующий номинальному току одной вторичной обмотки. Далее

0,8 О

1Б 12

0.2 0/t 0,6 0,8 Ifl О О/ 0,f 0,6 0,8 1,0

а) е)

Рис. 1-127. Амплитуда тока в тиристорах (а) и интеграл предельной нагрузки (б) при внешнем к. з. тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой.

определяется ctg фк = rtlxzu н находится ударный ток глухого внешнего к. з.;

/уд =/к,т*уд> (1-121)

где it уд берется из рис. 1-127, а в зависимости от ctg фк.

Интеграл предельной нагрузки при глухом внешнем к. з. определяется по формуле

Ii = flm{li] (1-122)

в которой /? t определяется в зависимости от clgq>„ по кривой рис. 1-127,6.

Если тиристорный преобразователь питается от сети через анодные токоограничивающие реакторы, то л:,, т н Г2к, т представляют собой реактивное и активное сопротивления этих реакторов, а /гл-линейное напряжение сети.

Мгновенные значения тока глухого внешнего к. з. рассчитываются по формуле

Кгг/.л Г: п \

sm (О -f- - ф„ 1

- sm

-&ctgm

(1-123)

или строятся с помощью кривых на рис. 1-128, где /к, m определяется по (1-120).

Для случая внешнего к. з. за сглаживающим реактором (если последний входит в состав тиристорного преобразователя) ток внешнего к. з. рассчитывается по формуле

V2U.

У{2х + coLp)2 + (2г2к + р)? X

sinje + --фк)-

- sm

(1-124J

где Lp - индуктивность сглаживающего реактора, Гн; гр - активное сопротивление его обмотки. Ом;

фк = arctg

ctg фк =

2л:2к + CoLp

22К + Ур

Ударный ток и интеграл предельной нагрузки в данном случае также могут быть найдены с помощью (1-121) и (1-122) и кривых на рис. 1-127, но амплитуда базового тока определяется по формуле

(1-125)

Расчет токов при внутреннем к. з., как и для случая внешнего к. з., ведется в предположении, что угол регулирования преобразователя равен нулю. При этом предполагается, что момент начала внутреннего к. 3. совпадает с моментом включения очередного тиристора. При этих условиях ток внутреннего к. з. будет максимальным по сравнению с током при любых других углах регулирования преобразователя и моментах начала внутреннего к. з.

Ударный ток внутреннего к. з. находится по (1-121), где г»уд берется из рис. 1-129, а в зависимости от ctg фк = Г2к/л:2н, а базовый ток определяется по (1-120). Интеграл предельной нагрузки при внутреннем ii.3. находится по (1-122), в которой lit ощэеделяегся из рис. 1-129,6 в зависимости

от ctg ф:;.

Мгновенные значения тока внутреннего к. 3. рассчитываются по формуле

sin (о - фи)

- sin фл е

(I-I26)

или строятся с помойную кривых на рис. 1-13D, где /к,,и определяется по (1-120).

1,0 0,8 О/ 0,4 0,2

0 iO" 60° 90° 120° 150° 18СГ 210°240°

Рис. 1-128. Мгновенные, значения токов в тиристорах при внешнем к. з.

Однофазное опрокидывание инвертора.

Ток однофазного опрокидывания инвертора находится по формуле

(1-127)

где £„34 -э.д.с. двигателя, работающего в генераторном режиме, в начальный момент опрокидывания; /„а, - ток инвертора перед опрокидыванием; -суммарное активное сопротивление якоря, дополнительных полюсов и последовательной обмотки двигателя, обмотки сглаживающего реактора и соединительных проводов или шин. Ом; L - сумма индуктивностей якорной цепи двигателя и сглаживающего реактора, Гн.

Электродвижущая сила двигателя перед опрокидыванием определяется по формуле

£нач = /инп + /нач?я,ц. (1-128)

где (7янв - напряжение на зажимах преобразователя перед опрокидыванием; ц - сопротивление якорной цепи двигателя.

20 IB 12

0 0,4 0,B 0,8 %0 6)

Рис. 1-129. Амплитуда тока в тиристорах (а) и интеграл предельной нагрузки (б) при внутреннем к. з. тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой.

1.2 10

0.6 0,4 0.2

Рис. 1-130. Мгновенные значения токов в тиристорах при внутреннем к. з.