§ 97. Защита кремниевых выпрямителей от перенапряжений
Перенапряжения, возникающие на вентиле, в непроводящий период не должны превышать номинального обратного напряжения вентиля, так как при возрастании обратного напряжения
до величины пробивного имеет место необратимый процесс и вентиль гибнет.
Таким образом, для защиты вентилей от перенапряжений должны быть приняты специальные меры.
Рассмотрим возможные источники перенапряжений и способы их подавления.
1. Коммутационные перенапряжения при отключении ненагруженного трансформатора возникают вследствие перехода электромагнитной энергии, запасенной в магнитопроводе, в энергию электрического поля.
Рис. 97-1. Схема замещения однофазного мостового выпрямителя
В простейшем случае однофазного мостового выпрямителя, схема замещения которого изображена на рис. 97-1, напряжение на индуктивности в момент размыкания выключателя B1 будет
При отключении ненагруженного выпрямителя (Rст относительно велико) перенапряжение может достигать 10-кратной величины. При отключении нагруженного трансформатора параллельно сопротивлению Rст будет включено сопротивление нагрузки Rи и, таким образом, при относительно малом активном сопротивлении перенапряжение уменьшается.
Аналогичные явления происходят и в многофазных цепях трансформаторов, однако в реальных условиях при отключении ток никогда мгновенно не спадает до нуля и в образующейся электрической дуге поглощается часть электромагнитной энергии.
- Коммутационное перенапряжение при включении преобразовательного трансформатора возникает вследствие колебательных процессов. Дело в том, что в трансформаторе наряду с активными сопротивлениями и индуктивностью существуют: емкость первичных и вторичных обмоток (продольная емкость), емкость между первичными и вторичными обмотками и емкость обмоток на землю *. В момент подачи напряжения на первичную обмотку трансформатора перечисленные емкости заряжаются, а затем возникает колебательный процесс в контурах. При этом во вторичные обмотки трансформатора будет трансформироваться напряжение в соответствии с коэффициентом трансформации. Ввиду наличия колебательных процессов, накладывающихся на подводимое напряжение, величина перенапряжений во вторичных обмотках может во много раз превосходить величину номинальных напряжений.
Следует отметить следующие особенности перенапряжений, возникающих при включении трансформаторов:
а) перенапряжения во вторичных обмотках трансформатора возникают между обмотками и землей;
б) величина перенапряжения зависит от того, включаются ли масляным выключателем одновременно все три фазы, две фазы или одна фаза. Наибольшее перенапряжение возникает в том случае, когда в первое мгновение выключатель подает напряжение лишь на одну фазу;
в) ввиду малых значений продольных и поперечных емкостей трансформатора энергия перенапряжения мала и продолжительность импульсов перенапряжения не превосходит долей мксек.
Подавление всех видов перенапряжений во вторичной обмотке трансформатора в промышленных выпрямителях производится путем включения цепочек R — C (рис. 97-2, а) или разрядников с лавинными вентилями (рис. 97-2,б).
Сиротинский Л. И. Техника высоких напряжений. Ч. 3, вып. 1. Госэнергоиздат, М.— Л., 1959.
Рис. 97-2. Способы защиты от перенапряжений на переменном токе выпрямителя: а — с конденсаторами; б — с лавинными вентилями; ЛВ — лавинные вентили; С — конденсатор; R — демпфирующее сопротивление
Цепочки R — С обычно имеют параметры С=8 мкф, R=5 Ом. Эти емкости несколько превосходят расчетные значения, кроме лого, включение их между фазами и землей было бы более рационально.
Лавинные вентили, применяемые в качестве разрядников, должны иметь напряжение лавинообразования на 20—30% ниже предельно допустимого обратного напряжения вентильного плеча.
Рис. 97-4. Способы защиты от перенапряжении на выпрямленном токе: а — с конденсаторами; б — с лавинными вентилями; о — диаграммы токов и напряжений на разряднике; ЛВ — лавинные вентили; С, R — емкость и демпфирующее сопротивление разрядника; ∑Uл — разрядное (лавинное) напряжение; ip — ток в цепи разрядника
Рис. 97-3. Осциллограммы отключения тока к.з.:
iK — ток к. з.; и — напряжение на зажимах выпрямителя; Udo — напряжение холостого хода
При комплектовании выпрямителя из лавинных вентилей защита от коммутационных перенапряжений на переменном токе не требуется.
- Внутренние коммутационные перенапряжения в вентилях изложены в § 92. Защита от этих перенапряжений обычных вентилей осуществляется цепочкой R — С (см. рис. 96-2). При применении в выпрямителе лавинных вентилей цепочки R — С могут отсутствовать.
- Коммутационные перенапряжения при размыкании цепей выпрямленного тока. Природа этих перенапряжений также связана с запасанием электромагнитной энергии в индуктивностях в период протекания тока и переходе этой энергии в электрическое поле при спаде тока.
* Весьма существенное влияние на величину перенапряжения оказывает скорость спада тока
и величина индуктивности в цепи.
Отключение коротких замыканий на выпрямленном токе выключателем типа ВАБ вызывает всплеск перенапряжения порядка 1,7-2,5 от напряжения холостого хода выпрямителя (рис. 97-3).
Подавление перенапряжения на выпрямленном токе может быть осуществлено двумя способами: при помощи конденсаторов (рис. 97-4, а) и разрядников (рис. 97-4,б).
Так как конденсатор применяется емкостью около 300 мкф, то гармонические составляющие токов, проходящих через него, достигают 40 а. Эти токи в демпфирующем сопротивлении R=2,5 Ом создают дополнительные потери.
В качестве разрядников для подавления перенапряжения применяются лавинные вентили, включаемые встречно полярности выпрямителя (рис. 97-4,б).
Возрастание перенапряжения сверх суммарного напряжения лавинообразования вентилей вызывает через них обратный ток. Этот разрядный ток ip автоматически прекращается, как только перенапряжение снизится (рис. 97-4,в).
Разрядники из лавинных вентилей обладают следующими преимуществами: а) не имеют сопровождающего тока; б) не создают потерь электроэнергии в эксплуатации; в) скорость действия их весьма велика и соответствует времени пробоя защищаемых кремниевых вентилей выпрямителя.
Выбор лавинных разрядников производится по уровню максимально допустимого перенапряжения и по предельно допустимой энергии рассеивания в лавинных вентилях. Увеличение энергии рассеивания лавинных разрядников может быть получено путем увеличения числа вентилей.
- Атмосферные перенапряжения поступают к выпрямителю через провода контактной сети, питающие и отсасывающие кабели. Поскольку отрицательный полюс выпрямителя обычно связан с землей, то полярность атмосферного напряжения весьма важна.
Атмосферные перенапряжения с отрицательной полярностью относительно земли вызывают разрядные токи через вентили выпрямителя в прямом направлении. Эти перенапряжения для вентилей выпрямителя не опасны.
Перенапряжения с положительной полярностью относительно земли вызывают обратные токи через вентили выпрямителя. И хотя атмосферные перенапряжения этого рода весьма редки, но защита от них в грозовой период необходима.
Защита от атмосферных перенапряжений может быть осуществлена теми же средствами, что и защита от коммутационных перенапряжений на выпрямленном токе. Однако расчет и опытная проверка защитных средств в этом случае невозможны, поэтому защитные средства в отдельных случаях могут оказаться недостаточно эффективными.
В качестве дополнительных средств защиты от атмосферных перенапряжений могут быть рекомендованы разрядники типа РМВУ-0,5, устанавливаемые на опорах контактной сети.
§ 98. Защита кремниевых выпрямителей от токов перегрузки и коротких замыканий
Токовая перегрузка вызывает резкое возрастание потерь мощности в вентиле, так как второй член уравнения (92-4) содержит квадрат тока. Отвод тепла от электронно-дырочного перехода отстает от выделяющейся в нем мощности, поэтому с ростом тока будет возрастать температура перехода. Зная такие расчетные параметры вентилей, как постоянные времени и термические сопротивления отдельных элементов, можно для каждого конкретного случая перегрузки и короткого замыкания определить максимальную температуру перехода. Сравнение полученной расчетом температуры перехода с максимально допустимой служит критерием надежности работы защиты от сверхтоков.
От перегрузки выпрямитель обычно защищается при помощи максимально токовой релейной защиты. От коротких замыканий должны применяться специальные способы с большей скоростью действия.
Короткие замыкания могут быть внутренними, при сквозном пробое всех последовательно включенных вентилей плеча, и внешними на выпрямленном токе.
Наличие устройства контроля состояния каждого из вентилей выпрямителя, возможность длительной работы с одним поврежденным вентилем и малая вероятность повреждений вентилей по существу исключают необходимость защиты от внутренних коротких замыканий.
Что касается внешних коротких замыканий, то короткое замыкание на полюсах выпрямителя и между сборными положительной и отрицательной шинами практически невероятно. Вследствие этого расчет выпрямителя производят по току к. з. в тяговой сети.
Рассмотрим известные способы защиты вентилей выпрямителей от токов к. з.
- Быстродействующие предохранители. Нагрев и плавление плавкой вставки предохранителей пропорциональны тепловому эквиваленту i2t. Поскольку в режиме больших токов к. з. нагрев вентиля близок к зависимости i2t, то амперсекундные характеристики вентиля и предохранителя в режиме короткого замыкания могут быть достаточно хорошо согласованы.
В зависимости от мощности установки предохранители могут применяться в цепях каждого вентиля, в цепях группы вентилей или в цепях вторичных обмоток трансформатора.
Недостатком применения предохранителей является неоправданная громоздкость конструкции выпрямителя и необходимость выезда на подстанцию для их смены.
Как отмечалось выше, сквозной пробой вентилей в плече маловероятен, а отключение предохранителями внешних коротких замыканий выводит из работы агрегат на длительное время.
В выпрямительных установках небольшой мощности, с обеспеченным резервированием по постоянному току, в качестве защиты от всех видов коротких замыканий могут применяться кварцевые предохранители в цепи первичной обмотки трансформатора.
- Короткозамыкатели защищают вентили выпрямителя путем искусственного закорачивания фаз вторичной обмотки трансформатора. Несмотря на малое время срабатывания короткозамыкателей и эффективность защиты вентилей, короткозамыкатели не нашли применения вследствие вредного электродинамического воздействия на обмотки трансформаторов.
- Бестоковая защита основана на том, что при помощи быстродействующих разъединителей размыкаются цепи плечей выпрямителей в тот полупериод, когда отсутствует ток к. з. Эта защита разрабатывалась для выпрямителей электровозов переменного тока, но не нашла применения вследствие сложности в настройке и трудностей в эксплуатации.
- Токовая защита предусматривает применение быстродействующих выключателей в цепи выпрямленного тока. Современные быстродействующие выключатели типа ВАБ работают при коротком замыкании с токоограничением и с полным временем отключения, не превосходящим 20 мсек. Таким образом, продолжительность прохождения тока к. з. через вентильные плечи выпрямителя не превосходит полупериода.
По отношению к другим видам защит (например, короткозамыкателям) это время несколько завышено и требует дополнительный запас в мощности вентилей, но практически это не играет роли, так как этот запас используется для перегрузок.
Таким образом, применительно к кремниевым выпрямителям городского электротранспорта наиболее простой и надежной защитой от внешних коротких замыканий являются быстродействующие выключатели постоянного тока.