Перенапруги в контактній мережі
Вони призводять до підвищення напруги на елементах силової схеми тягової електропередачі і, як наслідок, до можливого виходу їх з ладу через пробій ізоляції.
Можна виділити два види перенапруг: грозові та комутаційні. Грозові перенапруги виникають унаслідок прямого удару блискавки в контактний провід або внаслідок електростатичної індукції при ударі в близько розташований предмет. Вони відрізняються великою амплітудою імпульсу при малій його тривалості (порядку одиниць або десятків мікросекунд). Комутаційні перенапруги виникають при відключенні великого струму на паралельному ЕРС, що живиться від тієї ж контактної мережі, наприклад, при короткому замиканні на ньому. Створювана при цьому індуктивністю контактної мережі ЕРС самоіндукції призводить до підвищення напруги в контактній мережі та струмоприймачах, і, отже, на об’єктах, що залишаються в роботі. Комутаційні перенапруги мають меншу амплітуду, оскільки вона обмежується напругою на дугогасильній камері комута-ційного апарата (автоматичного вимикача), який виконує відключення. Однак їхня тривалість значно більша і може досягати декількох мілісекунд. Еквівалентна схема тягової електропередачі з інвертором напруги і діаграми, наведені на рис. 5.3, пояснюють процеси у вхідному колі тягової електропередачі при дії в контактній мережі імпульсу перенапруг досить великої тривалості. На схемі рис. 5.3, а подано: вхідний фільтр LdCd з урахуванням того, що осердя дроселя може насичуватися, регульований гальмовий реостат RГ, VТ, VD і одне з плечей 
| |
|
 |
До моменту часу t0, коли виникає імпульс перенапруги, напруга в контактній мережі та на конденсаторі фільтра дорівнює номінальній иж N і з мережі споживається номінальний струм іж N. Якщо знехтувати пульсаціями з частотою ШІМ, то вхідний струм id перетворювача дорівнює струму джерела живлення iж. Оскільки зміна напруги на конденсаторі запізнюється, то після моменту t0 різниця напруг (иж – иd) прикладається до дроселя (на рис. 5.3, в показана штрихуванням). Тому починає наростати струм дроселя iж і різницевим струмом (iж – id) заряджається конденсатор Cd (інтервал наростання t0 t1). При пороговій напрузі ипор починається інтервал обмеження напруги t1t2, на якому напруга иd підтримується постійною за рахунок підключення гальмового реостата і регулювання споживаного їм струму. На цьому інтервалі струм дроселя продовжує зростати під впливом напруги (иж – иd), і різницевий струм (iж – id) йде в реостат, за рахунок чого і забезпечується нуль струму в конденсаторі та відсутність приросту напруги на його обкладинках.
У момент часу t2 струм дроселя досягає струму насичення is, при якому осердя дроселя насичується, і починається інтервал вирівнювання напруг t2 t3, на якому досягається приблизна рівність иd і иж. Причина підвищення напруги иd полягає в тому, що після насичення осердя дроселя він вже не перешкоджає наростанню струму iж, різниця струмів (iж – id) швидко стає більше максимально досяжного струму иd /RГ гальмового реостата, і надлишковим струмом конденсатор заряджається до напруги Uж т.
Завдання захисту полягає в тому, щоб обмежити напругу на елементах силової схеми, де, як правило, найбільш слабкими є напівпровідникові прилади.
Зі сказаного випливають наступні способи захисту:
1) вмикання розрядників (наприклад, вілітових) на загальному вході між точками А і Б (рис. 5.3, а);
2) використання вхідного фільтра для обмеження коротких перенапруг;
3) застосування тиристорного короткозамикача;
4) використання природного дворазового запасу по вхідній напрузі комутатора інвертора.
|
Перевага першого способу полягає в тому, що обмежуються перенапруги на всіх елементах схеми. Основними недоліками є нахил робочої ділянки вольт-амперної характеристики розрядника і важкі умови його роботи внаслідок малості опору контактної мережі. Ідеальною була б вольт-амперна характеристика, показана на рис. 5.4 пунктиром. Розрядник обмежував би тоді напругу між точками А і Б (рис. 5.3, а) на пос-
тійному рівні игр (гранична напруга), яку доцільно прийняти трохи більшою у порівнянні з максимальною тривалою напру-гою живлення Uж m, щоб розрядник не спрацьовував у робочих режимах. Розрядник має відмінний від нуля нахил робочої ділянки вольт-амперної характеристики (динамічний опір). При великій енергії імпульсу перенапруг напруга на загальному вході може в 2–3 рази перевищити граничну напругу. Фактором, який ускладнює ситуацію, є малий власний опір контактної мережі, що призводить до протікання великого імпульсного струму в розряднику. Крім погіршення якості захисту від перенапруг, це призводить також до виділення великої енергії в самому розряднику. Тому для забезпечення надійного захисту розрядник застосовують сумісно з іншими засобами захисту.
Для реалізації другого способу необхідно мати запас по робочій індукції в осерді дроселя стосовно індукції насичення. Щоб не допустити підвищення напруги иd на вході інвертора стосовно порогової ипор, осердя дроселя не повинно насититися раніш, ніж закінчиться імпульс перена-пруги в контактній мережі. Вважаючи ипор 
иж N, одержуємо умову для вольт-секундних площ:
, (5.11)
де 
– вольт-секундна площа імпульсу перенапруг у контактній мережі (рис. 5.3, б);
– вольт-секундна площа напруги на обмотці дроселя, що насичує осердя.
Відповідно до закону електромагнітної індукції площа дорівнює збільшенню потокозчеплення обмотки дроселя L на інтервалі t0t2 (рис. 5.3, г)
, (5.12)
де 
– співвідношення між індукцією насичення і робочою індукцією в сталому режимі.
При комутаційній перенапрузі, яка створюється завдяки великій індуктивності Lж контактної мережі, маємо:
, (5.13)
де ік – струм, що комутується на паралельно працюючому ЕРС.
Після підстановки вольт-секундних площ у (5.11) одержуємо
, (5.14)
де 
– відносний струм, що комутується.
Для оцінки потрібної індуктивності L дроселя фільтра приймемо питому індуктивність контактної мережі Lп = 1,2∙10-6 Гн/м. Максимальна індуктивність Lж виходить при розташуванні паралельно працюючого ЕРС в середині ділянки між тяговими підстанціями, і її значення
, (5.15)
де l – відстань між підстанціями.
У гіршому випадку струм, що комутується, є струмом короткого замикання, і його відносна величина 
має порядок10. Приймаючи також 
і 
м, знаходимо: L = 30∙10-3 Гн. Значення ж індуктивності дроселя фільтра, яка потрібна для згладжування пульсацій струму з частотою широтно-імпульсної модуляції, є у кілька разів меншим. Дійсно, для неї маємо
|
, (5.16)
де кп и – коефіцієнт пульсації напруги на конденсаторі;
|
fп – частота ШІМ;
п – число паралельних перетворювальних блоків на ЕРС.
Множник 
враховує той факт, що при асинхронній роботі перетворювальних блоків діючі значення гармонік пульсацій складаються квадратично, що еквівалентно підвищенню у разів припустимого струму пульсацій у контактній мережі.
|
Таким чином, реально вхідний фільтр можна використовувати для захисту лише від коротких імпульсів перенапруг: грозових або комутаційних, які обумовлені комутацією робочих струмів. Для захисту від довгих імпульсів комутаційних перенапруг треба додатково використати один з двох останніх способів захисту.
На рис. 5.5 наведена схема з додатковим тиристорним короткозамикачем VS, R. Розрядник Р обмежує амплітуду імпульсів перенапруги на вході. Вхідний фільтр LdCd затримує проходження далі коротких імпульсів перенапруги. Якщо ж імпульс перенапруги довгий та напруга иd на вході інвертора перевищує заданий поріг ипор1 > ипор, вмикається тиристор VS короткозамикача, який замикає вхід інвертора майже накоротко. Невеликий резистор R обмежує струм розряду фільтрового конденсатора Cd.
|
|
Якщо при підвищенні вхідної напруги вимкнути обидва ключі, то можна розподілити цю напругу між ними, тобто припустима вхідна напруга підвищується у два рази. Деякі труднощі виникають у зв’язку з тим, що продовжує протікати вихідний струм ів, який підтримується за рахунок енергії, накопиченої в індуктивності вихідного фільтра. При вимиканні транзисторів він потече, залежно від його напрямку, в одному з двох зворотних діодів VD1 або VD2. Діод, що ввімкнений, замикає накоротко паралельний йому транзистор, і уся напруга иd прикладається до другого. Щоб подолати цю першкоду, треба шунтувати кожен з ключів лавинним обмежувачем напруги (стабілітрон V1 та V2, як це показано на рис. 5.6). Нехай перед вимиканням обох транзисторів VT1 і VT2 струм ів мав такий напрямок, як показано на рис. 5.6. Тоді він потече у діоді VD2, а вся напруга иd спочатку прикладається до ключа VT1. Коли напруга на ньому досягає напруги стабілізації иcт обмежувача V1, струм ів перейде на нього, а діод VD2закри-вається різницею напруг (иd – иcт). Тепер ця різниця, яка продовжує наростати, прикладається до ключа VT2. Щоб ця схема забезпечувала повний захист від перенапруг, повинна виконуватися умова
, (5.17)
де иР – максимальна напруга на розряднику Р при його спрацюванні.
Напруга иcт, у свою чергу, повинна бути трохи нижчою за максимально допустиму напругу для силових ключів VT1 та VT2.
Перевага схеми рис. 5.6 порівняно зі схемою рис. 5.5 полягає в тому, що при довгих імпульсах перенапруг не відбувається відімкнення перетворювача від джерела живлення, як це було б у схемі рис. 5.5. Для реалізації схеми (рис. 5.6) потрібні стабілітрони з малим динамічним опором, тоді напруга на них не буде підвищуватися скільки-небудь помітно при протіканні струму ів порівняно з початковою напругою иcт. Такі стабілітрони почало випускати виробниче об’єднання “Електровипрямляч” (м. Саранськ, Росія).
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 937;