ПРИБОР ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЯМИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
Гончар В. С., канд. техн. наук
Северо-Западный заочный политехнический институт
Экспериментальные исследования, проводимые в лабораториях больших разрывных мощностей, а также в электрических сетях, с целью определения коммутационной способности современных мощных высоковольтных выключателей, разрядников, ограничителей перенапряжений, тиристорных преобразователей, защитной аппаратуры от коротких замыканий и другого оборудования требуют высокой точности, стабильности и надежности выдачи управляющих сигналов на соответствующие коммутационные аппараты испытательной схемы. Следовательно, испытательные схемы должны быть снабжены специальным прибором, который бы управлял моментами включения и отключения коммутационных аппаратов.
В статье рассматривается новый прибор, работающий на принципе дискретного деления частоты и соответственно дискретного регулирования выдержек времени выдачи управляющих сигналов, осуществляемых с помощью современных интегральных схем. Этот прибор — более точный, стабильный и надежный в отношении выдачи управляющих сигналов по сравнению с известными приборами [1] и [2], выполненными на электронных лампах и полупроводниковой технике с использованием электромеханических реле.
Рис. 1. Блок-схема прибора
Рис. 2. Принципиальная схема блока выходных импульсов
В предлагаемом приборе, в отличие от приборов [1] и [2], формирование, регулирование и выдачу управляющих импульсов каждый выходной блок производит самостоятельно. В результате этого существенно повышается надежность прибора. Высокая стабильность управляющих импульсов обеспечивается применением современной микроэлектроники. Прибор компактный, переносной, удобный в эксплуатации.
На рис. 1 показана блок-схема прибора. В ее состав входят: блок питания 1БП, блок управления 2БУ и восемь блоков выходных импульсов 3БВИ-1—3БВИ-8. Число этих блоков может быть увеличено в зависимости от условий решаемой задачи.
На рис. 2 представлена принципиальная схема блока выходных импульсов. Схема включает в себя:
формирователь тактовых импульсов (3R1, 3R2, 3D1-3, 3D1-4);
счетчик-делитель (3D-1 и 3D-2);
схему запуска (3D2-4, 3R3, 3С1, 3SB);
схему совпадения (3D3-1, 3D3-2, 3SA2-1, 3SA2-2),
схему плавной задержки управляющего импульса (3D2-1, 3VD1, 3R4, 3R5, 3С2);
формирователь прямоугольного импульса (3D2-2, 3D2-3, 3R6, 3R7, 3С3, 3С4);
ключевой каскад (3D3-3, 3D3-4);
генератор высокой частоты (3D1-1, 3D1-2, 3R8, 3R9, 3С5);
усилитель мощности с выходным импульсным трансформатором (3VT1, 3VT2, 3R10, 3VD2, 3Т1, 3VD3);
выходной тиристорный ключ (3VD4, 3R16) со схемой отсечки выходного напряжения (3VD5, 3VL1, 3R11, 3R12, 3R13, 3R14, 3R15, 3С6, 3С7) и сигнализацией 3HL1, 3R17.
Для согласования входа счетчика-делителя с выходом источника ЭДС U=220 В промышленной частоты, расположенного в блоке питания, применен формирователь тактовых импульсов, выполненный на двух логических элементах 2И-НЕ 3D1-3 и 3D1-4 с положительной обратной связью 3R2. На вход формирователя через резистор 3R1 подаются положительные полуволны с частотой повторения 0,01 с.
С выхода формирователя тактовых импульсов сигнал с крутым положительным фронтом поступает на вход Т первого счетчика-делителя 3D-1 с коэффициентом деления 10, выполненного на интегральной схеме (ИС) ИЕ8 с совмещенным дешифратором. Распределение импульсов во времени с выходов Р дешифратора получают дискретно через период промышленной частоты, т. е. 0,02; 0,04; ...0,2 с. Увеличение коэффициента пересчета еще в 10 раз достигается последовательным соединением второго счетчика-делителя 3D-2 идентичному первому, как показано на рис. 2. В результате получают дискретное распределение импульсов во времени от 0,02 с до 2 с, что вполне достаточно для исследования переходных процессов в электрических схемах.
Запуск счетчиков-делителей осуществляет логический элемент 2И-НЕ 3D2-4, ко входам которого подключен через резистор 3R3 источник +9В и конденсатор ЗС1 через нормально замкнутый контакт 3SB кнопки «Пуск», установленной на лицевой стороне блока. Запуск всех блоков прибора осуществляют из блока управления (рис. 4), где установлены аналогичный контакт 2KJ и конденсатор 2С4, подключаемые ко входам элементов 3D2-4 всех выходных блоков. Выходы дешифраторов коммутируются десятипозиционными переключателями 3SA2-1 и 3SA2-2 и подаются на входы элемента 3D3-1 схемы совпадения. С выхода этого элемента через элемент 2И-НЕ 3D3-2 задержанный дискретно (в зависимости от положения переключателей 3SA2-1 и 3SA2-2) импульсы поступают на схему плавной задержки, а также ко входам Тр разрешения работы счетчиков.
Плавное регулирование задержки формирования управляющего импульса в пределах 0—0,02 с осуществляется резистором 3R5, входящем в интегрирующую цепочку 3С2, 3R4 и 3R5. После инвертирования элементов 2И-НЕ 3D2-1 сигнал дифференцируется цепочкой 3С3 и 3R6 и подается на вход формирователя прямоугольного импульса, выполненного в виде одновибратора на элементах 2И-НЕ 3D2-2 и 3D2-3. Длительность прямоугольного импульса задается конденсатором 3С4 и резистором 3R7 и равна 0,02 с.
Прямоугольный импульс поступает на ключевой каскад 3D3-3 и 3D3-4 на элементах 2И-НЕ. На вход этого каскада подаются также импульсы с генератором 15 кГц, выполненного на элементах 2И-НЕ 3D1-1 и 3D1-2, конденсаторе ЗС5 и резисторах 3R8 и 3R9. Заполненный пачкой импульсов частотой 15 кГц прямоугольный импульс поступает с выхода ключевого каскада на усилитель мощности с выходным импульсным трансформатором 3Т1. Усилитель мощности выполнен на составном транзисторном каскаде с общим коллектором на транзисторах 3VT-1 и 3VT-2 и резисторе 3R10. Со вторичной обмотки импульсного трансформатора 3Т1 сигнал поступает через диод 3VD3 на катодный вход основного силового тиристора 3VD4 выходного тиристорного ключа. На вход тиристора 3VD4 подается постоянное напряжение +U с блока управления 2БУ от внешнего (или внутреннего) источника питания. С выхода тиристора 3VD4 напряжение Uвых подается на исполнительный орган аппарата. Схема отсечки выходного напряжения Uвых осуществляется по аналогии с [2]. Момент начала отсечки определяется достижением напряжения на конденсаторе 2С6 значения, равного напряжению зажигания тиратрона 3VL1, и регулируется резистором 3R12. После зажигания тиратрона открывается вспомогательный тиристор 3VD5 и конденсатор 3С7 разряжается через 3VD4 во встречном направлении, обеспечивая его запирание и прекращение подачи напряжения на исполнительные органы коммутационной и измерительной аппаратуры испытательной схемы.
Таким образом, блоки выходных импульсов позволяют получать задержку формирования управляющего импульса дискретно в диапазоне 0,02; 0,04; ... 2 с и плавно в пределах 0—0,02 с.
В каждом блоке логические элементы выполнены на трех ИС серии ЛА-7, а счетчики- делители на двух ИС серии ИЕ-8. На первой ИС ЛA-7 выполнены логические элементы 3D1-1— 3D1-4, на второй — 3D2-1—3D2-4 и на третьей — 3D3-1—3D3-4.
Схема блока питания представлена на рис. 3. В этой схеме получают переменное напряжение 6 В, используемое для синхронизации работы прибора с сетью. После однополупериодного выпрямления с помощью 1VD1 напряжение Uвх поступает на входы блоков выходных импульсов. Питание микросхем блоков выходных импульсов осуществляют стабилизированным выпрямленным напряжением Е=+9 В (1VS, 1VT, 1VD2, 1С1, 1R1, 1С2). Выпрямленное напряжение Vд= +12 В (1VD3—IVD6, 1С3) используется для питания реле 2K2 дистанционного включения прибора в блоке 2БУ. В блоке питания выполнен внутренний источник напряжения U=±220 В: 1VD7— 1VD10 и 1С4.
Рис. 3. Принципиальная схема блока питания прибора
Схема блока управления показана на рис. 4. Включением кнопки 2SB непосредственно на лицевой стороне блока управления (или дистанционным включением контакта 2К2 реле 2R2) осуществляют включение силового тиристора 2VD1, обеспечивая подачу постоянного напряжения +U на выходные тиристорные ключи 3VD4 блоков выходных импульсов и запуск счетчиков- делителей переключением контакта 2К1 реле 2K1. Этот блок имеет схему отсечки выходного напряжения, как и в блоке выходного импульса (2VD2, 2VL, 2С2, 2С3, 2R3, 2R4, 2R5, 2R6).
Наибольший рабочий ток (предельный), который может быть получен от блока выходных импульсов (прямой ток через тиристор 3VD4) составляет 20 А. Время отсечки всех значений рабочего тока может регулироваться от 0,04 с до 1 с, что вполне достаточно для включения в работу практически любой реальной нагрузки. В случае необходимости начало этого времени может быть уменьшено (или увеличено) в зависимости от характеристики нагрузки путем соответствующего изменения значений сопротивлений резисторов 3R12, 3R13 или емкости конденсатора 3С6.
Прибор обладает достаточно высокой надежностью. Интенсивность потока отказов блока выходных импульсов составляет λ≈6·10-6 1/ч, блока питания — λ≈2·10-6 1 /ч, блока управления — λ≈4·10-6 1/ч.
Габариты прибора 750X210X310 мм и масса 20 кг. Прибор состоит из десяти блоков: один блок питания, расположенный в левом нижнем углу; один блок управления — в левом верхнем углу; восемь блоков входных импульсов. Блоки все взаимозаменяемые, выдвижные, контакты втычные на задней стороне прибора.
Прибор находится в эксплуатации более двух лет. Он был успешно применен при разработке схем защиты мощных тиристорных преобразователей при внешних коротких замыканиях в лабораторных условиях, а также при экспериментальных исследованиях коммутационной способности предохранителей и тиристорных выключателей при коротких замыканиях непосредственно в городской сети Ленсвет. При этом опыты проводились в зимнее время года в полевых условиях. Прибор может быть рекомендован и в энергосетях при экспериментальных исследованиях, например, связанные с компенсацией емкостных токов, а также при пусконаладочных работах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Чернышев Η. М., Арзяев А. М. Прибор для автоматического управления опытом в лабораториях разрывных мощностей. — Электричество, 1959, № 3.
- Янчус Э. И. Прибор для автоматического управления опытом при испытании высоковольтной аппаратуры на коммутационную способность. — Изв. вузов. Энергетика, 1974, № 6.
