Защита электрооборудования вагонов от коммутационных перенапряжений

Защита электрооборудования вагонов от коммутационных перенапряжений

 

При резких изменениях тока в цепях устройств электрооборудова­ния (рис. 97, а), обладающих большой индуктивностью L_H (обмотки генераторов, электродвигателей и др.), возникает значительная э.д.с. самоиндукции e_L = — L_ndi/dt. При отключениях таких устройств или разрывах их цепи аппаратами токовой защиты в аварийных режи­мах э. д. с. самоиндукции направлена согласно с приложенным к нему напряжением U источника электрической энергии. В результате в мо­мент t1, начала отключения на отдельных участках системы электро­снабжения, например на нагрузке R‘_н, возникают большие перенапря­жения U _макс = U + e_L (рис. 97, б), которые называются коммута­ционными перенапряжениями. Длительность воздействия коммутаци­онного перенапряжения на элементы электрооборудования зависит от свойств и продолжительности горения электрической дуги между кон­тактами коммутационного аппарата К, осуществляющего отключение тока i. Значительные и длительные коммутационные перенапряжения могут привести к пробою изоляции отдельных электрических уст­ройств или выходу из строя ламп накаливания в цепях освещения.

Для предотвращения коммутационных перенапряжений элементы электрической цепи, обладающие большой индуктивностью, шунтиру­ют диодом V1 (рис. 98, а). В этом случае в момент отключения комму­тационным аппаратом К нагрузки R_н — L_н по замкнутому контуру, нагрузка—диод V1 под действием э.д.с, самоиндукции e_L начинает протекать ток i_к, и энергия, запасенная в индуктивности L_н , рассеива­ется в сопротивлении R_н данного устройства  и диоде. В результате предотвращается возникновение перенапряжений, обусловленных э.д.с. самоиндукции e_L. Этот способ широко используется для уменьшения перенапряжений, возникающих при отключении электрических цепей, подающих питание на катушки различных реле и контакторов: парал­лельно этим катушкам включают диоды.

Другим способом предотвращения коммутационных перенапряже­ний, возникающих в аварийных режимах в результате индуктирова­ния э. д. с. самоиндукции еL в обмотке якоря ОЯ генератора, является подключение параллельно нагрузке R_н с помощью тиристора V2 (по сигналу датчика напряжения Д) низкоомного добавочного резистора R1 (рис. 98, б). Включение резистора R1 приводит к уменьшению возни­кающего перенапряжения в отношении r_2/r₁ где r₁ и r₂ — сопротивле­ния контура, по которому протекает ток i переходного процесса без до­бавочного резистора R1 и при его включении. В первом случае r1 =  R_я+R_н,  а во втором r₂ = R_я + R_н R₁ ÷ R_н + R₁, т. е. из-за малого сопротивления резистора R_x становится значительно меньше, чем r₁.

В схеме защиты от коммутационных напряжений, применяемой в системе ЭВ-10 (рис. 99, а), используют два рассмотренных выше спо­соба.

Выпрямитель В1, к которому подключена обмотка якоря Я1, шун­тируется последовательно соединенными диодом V1 и аккумулятор­ной батареей АБ. В установившемся режиме диод V1 не проводит ток, так как зарядное напряжение Uаб на аккумуляторной батарее, равное сумме напряжений U₁ + U₂ на выходах выпрямителей В1 и В2, боль­ше, чем U₁, и к диоду V1 приложено отрицательное напряжение. При отключении части нагрузки R_и возникает перенапряжение. Однако оно ограничено зарядным напряжением  Uаб  аккумуляторной батареи. Как только перенапряжение превысит Uаб,  диод V1 начинает прово­дить ток и потенциалы точек a и d становятся практически равными. При этом энергия, запасенная в индуктивности обмотки якоря Я1, пере­дается в аккумуляторную батарею. Следовательно, перенапряжение не может превысить Uаб .

В некоторых аварийных ситуациях, связанных, с обрывом цепи, шунтирующей основную обмотку якоря Я1 генератора, подключенную

Рис. 97. Схема возникновения комму-                              Рис. 98. Схема защиты электрических

тациопных перенапряжении и графи-                                 цепей   от коммутационных   перена-

ки изменения тока и напряжения при                                 пряжений
отключении цепи

 

к выпрямителю В1 (например, при перегорании плавкой вставки предо­хранителя Пр), диод V1 перестает выполнять свои защитные функции. В этих случаях длительность коммутационных перенапряжений огра­ничивается с помощью быстродействующей тиристорной защиты. Тири­стор защиты V2 подключен через низкоомный резистор R1 параллель­но выходу основного выпрямителя В1. Управление тиристором V2 осуществляется от блока управления БУ, который контролирует на­пряжение на нагрузке R_н.

При возникновении перенапряжения, превышающего напряжение Uаб аккумуляторной батареи, по команде от блока БУ через не­сколько десятков микросекунд включается тиристор V2, который под­ключает параллельно цепям нагрузки резистор R1, при этом резко уменьшается возникающее перенапряжение. После включения тирис­тора V2 нагрузка автоматически отключается от основного выпрямите­ля В1. Для этой цели используется реле Р1, катушка которого замыка­ется накоротко тиристором V2. При отключении реле Р1 его контакты отключают цепи питания катушек контактора К1 и реле Р2. Контак­тор К1 отключает нагрузку R_н от генератора, а реле Р2 разрывает цепь питания обмотки возбуждения генератора (на рис. 99, а не пока­зана), вследствие чего уменьшается напряжение на выходе основного выпрямителя В1.

Для улучшения условий работы контактора К1 и исключения до­полнительных коммутационных перенапряжений контактор К1 отклю­чается с выдержкой времени по отношению к моменту отключения ре­ле Р2, для чего катушка контактора К1 и резистор R2 шунтируются конденсатором С1. Постоянная времени цепи R2 — С1 выбирается та­ким образом, чтобы отключение контактора К1 происходило после то­го, как существенно уменьшается напряжение на выходе выпрямите­ля В1 и ток нагрузки. После отключения контактора К1 снимается на­пряжение с защитной цепи «тиристор V2 — резистор R1» и тиристор V2 восстанавливает свои запирающие свойства. После устранения не­исправности, вызвавшей срабатывание тиристорной защиты, работо­способность схемы может быть восстановлена нажатием кнопки Кн. При этом реле Р2 и контактор K1 включаются, замыкается цепь пита­ния обмотки возбуждения генератора, нагрузка R_н и защитная цепь подключаются к основному выпрямителю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Блок управления тиристорной защиты

 

Блок управления БУ тиристорной защиты (рис. 99, 6) состоит из двух узлов: измерения напряжения на входе нагрузки и усилителя. Узел измерения состоит из измерительного моста, первые два плеча которого образуют последовательно включенные резисторы R3, R4 и R5, а вторые — последовательно включенные резистор R6, диоды V3, V4 и стабилитрон V5. Параллельно цепи V3 — V4 — V5 подключен конденсатор С2. В диагональ моста включен переход эмиттер-база транзистора V6 и защитный диод V7 Коллектор транзистора V6 через, резистор R7 соединен с минусовым проводом. Усилитель блока БУ выполнен на транзисторе V8 и тиристорах V9 и V10.

Блок БУ, подключенный через развязывающие диоды V11 и У12 параллельно цепям нагрузки к точкам а и б, работает следующим об­разом. Параметры элементов узла измерения выбраны так, чтобы в нор­мальном режиме потенциал эмиттера транзистора V6 был выше потен­циала базы, поэтому транзистор У6 открыт, а к переходу эмиттер-база транзистора V8 приложено напряжение, равное падению напряжения на диодах V3 и V4, и транзистор V8 закрыт. В результате отсутствия транзистора V8 приложено напряжение, равное падению напряжения на диодах V3 и V4, и транзистор V8 закрыт. В результате отсутствия питания в цепях управления тиристоры V9 и V10 закрыты и сигнал на включение тиристора V2 защиты отсутствует.

Допустимый уровень перенапряжения в цепях нагрузки (между точками а и б), при превышение которого с выхода блока управления подается команда на включение тиристора защиты V2, устанавливает­ся соответствующим подбором сопротивлений резисторов R3, R4 и R5 и может изменяться с помощью регулируемого резистора R4, к которому подключена база транзистора V6. При возникновении пере­напряжения потенциал базы транзистора V6 изменяется практически мгновенно, а потенциал эмиттера измениться скачком не может, так как этому препятствует конденсатор С2. Следовательно, потенциал ба­зы транзистора V6 становится выше потенциала эмиттера, и он запи­рается. В результате база транзистора V8 через резистор R7 подключа­ется к минусовому проводу и оказывается под меньшим потенциалом, чем эмиттер транзистора V8, соединенный со стабилитроном V5. Тран­зистор V8 открывается и на управляющий электрод тиристора V2 по цепи плюс источника питания — диод VII — резистор R6 — диоды V3, V4 — эмиттерно — коллекторный переход транзистора V8 — диод V13 — управляющий электрод-катод тиристора V9 — диод V14—управляющий электрод — катод тиристора V10 подается отпирающий им­пульс напряжения. При этом тиристор V9 включается, шунтируя часть указанной цепи и облегчая условия включении тиристора V10, кото­рый в свою очередь надежно включает тиристор защиты V2. Рассмот­ренный блок управления обеспечивает достаточное быстродействие за­щиты от коммутационных перенапряжений.