ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ DC-СЕТЕЙ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
SWITCHING DEVICES FOR ELECTRONICALLY-CONTROLLED DC-NETWORKS

Изобретение относится к устройству для переключения в сети постоянного напряжения.
Изобретение также относится к способу для отсоединения силовой сети постоянного тока.
Силовые электронные системы в энергоснабжении - с очень высокими требуемыми напряжениями и мощностями - приобретают все большее значение. В частности, для будущих пространственно протяженных и разветвленных высоковольтных сетей постоянного тока (многотерминальных HVDC) требуются переключающие устройства, которые обеспечивают возможность надежного и быстрого устранения возможных неисправностей, а также минимальных потерь энергии в нормальном режиме. Эти требования особенно проявляются в будущих DC-сетях с высокими напряжениями и дистанционной передачей в масштабах страны. Для требуемых очень высоких мощностей до сих пор преимущественно использовались выпрямители тока с обычными тиристорами и подводимым постоянным током (ведомые сетью выпрямители тока; англ. LCC - линейные коммутируемые преобразователи). Однако ведомые сетью выпрямители тока не выполняют все возрастающие требования в отношении высокодинамичной компенсации реактивной мощности, стабилизации сетевого напряжения, а также более благоприятной применимости DC-кабелей (кабелей постоянного тока).
Используемые типы выпрямителей тока с подводимым постоянным током (преобразователи источника тока) к тому же не подходят для предпочтительной реализации разветвленных HDVC-сетей (многотерминальных HVDC-сетей). Поэтому в качестве предпочтительного типа схем используются автономные выпрямители тока с подводимым постоянным напряжением (англ. VSC - преобразователи источника напряжения). Характерные недостатки этого типа схем преодолеваются в новых разработках, в особенности мер, описанных в DE 10103031А1 «Схемы выпрямителей тока с распределенными накопителями энергии». Предпосылки для устранения коротких замыканий в подключенных DC-сетях из-за дефекта конденсаторных батарей на DC-стороне стали заметно более благоприятными. Несмотря на упомянутые достижения в разработках, задача надежного, быстрого и обратимого устранения важных случаев неисправностей в пространственно протяженных HVDC-сетях до настоящего времени не решена удовлетворительным образом.
Соответствующие пространственно протяженные, разветвленные HVDC-сети в будущем будут настоятельно необходимыми, в том числе, для протяженных прибрежных парков ветряных энергетических установок и крупных солнечных электростанций в удаленных пустынных районах. В частности, необходимо устранять короткие замыкания в HVDC-сети и иметь возможность отключать участки сети с неисправностями/кроткими замыканиями.
Однако благоприятные механические переключатели для экстремально высоких DC-напряжений, которые могут переключать высокие токи неисправности под нагрузкой, из-за фундаментальных физических проблем, не предоставлены в распоряжение. Также технически достижимые времена отключения и перенапряжения коммутации механических переключателей являются крайне возмущающими. Поэтому в соответствии с уровнем техники механические переключатели для этих применений могут быть благоприятно реализованы только как переключаемые не под нагрузкой (обесточенные) разъединители.
На фиг.1 показан - для дальнейшего пояснения уровня техники - фрагмент пространственно протяженной, разветвленной HVDC-сети. Для примера показана сборная шина с проводами PS или NS, которые по отношению к земле в нормальном режиме в целом проводят положительное (PS) или отрицательное (NS) напряжение. Полная разность напряжений между обоими проводами обозначена как (UdO). Каждая из подключенных частичных систем соединена через 3-фазный U-преобразователь со свободной от потенциала сетью трехфазного тока. Разделение потенциалов в общем случае осуществляется с помощью обычных трансформаторов, которые рассчитаны на сетевую частоту (преимущественно 50 Гц или 60 Гц). Тем самым является, в том числе, возможным, эксплуатировать DC-сеть как свободную от потенциала и симметричную относительно земли (фиг.1) или как связанную с потенциалом и несимметричную относительно земли (фиг.2).
Представлено следующее:
6: индуктивности линии со стороны DC
7: переключатели со стороны DC
701: эквивалентная схема первой сети переменного тока
702: эквивалентная схема второй сети переменного тока
801, 802: механические силовые переключатели со стороны переменного тока
901: первый U-преобразователь (VSC) с выводами (L1, L2, L3) стороны трехфазного тока и выводами (P1, N1) DC-стороны, которые через переключатель (7) DC-стороны ведут к DC сборной шине (PS, NS)
902: второй U-преобразователь - аналогично 901 - подключенный ко второй сети трехфазного тока, выводы (P2, N2) DC-стороны которого через другой переключатель (7) DC-стороны также ведут к DC сборной шине (PS, NS).
Посредством ряда событий ошибок в DC-системе - в особенности коротких замыканий провод/провод или замыканий на землю - токи DC-стороны могут принимать недопустимо высокие значения. Для устранения этих неисправностей является желательным, чтобы
- результирующие высокие токи по возможности наилучшим образом ограничивались, чтобы избежать повреждений преобразователя и установки за счет высоких температур и магнитных силовых воздействий, и
- дефектные фрагменты DC-сети по возможности быстро обесточивать и отделять от остальной DC-сети.
Соответственно уровню техники, в том числе, из WO 2008/067786 «Полупроводниковые защитные элементы для устранения коротких замыканий DC-стороны в преобразователях частоты переменного тока (инверторах) с промежуточным контуром напряжения», известно размыкание силовых переключателей (801, 802) стороны переменного тока с целью ограничения токов неисправности DC-стороны, что, однако, имеет серьезные недостатки. Результирующие высокие токи или длительные времена отключения вынуждают принимать дополнительные затратные защитные меры для полупроводниковых U-инверторов (901, 902), как изложено в этом патентном документе. Кроме того, передача энергии для возмущающего длительного времени прерывается. В соответствии с этим желательно, чтобы токи (iu, iv, iw) стороны переменного тока испытывали как можно меньше возмущений, и предотвращалось срабатывание силовых переключателей (801, 802) стороны переменного тока. Другой важной целью является поддерживать поток мощности в незатронутых неисправностью частях HVDC-сети или по возможности быстро его восстанавливать. Однако срабатывание и повторное включение силовых переключателей (801, 802) стороны переменного тока уже вызывало бы очень возмущающие времена прерывания, в общем случае, заметно выше 200 мс. Прямое использование механических силовых переключателей посредством электронных силовых переключателей на DC-стороне известно и обуславливает существенно меньшие времена переключения (см., в том числе, US 005999388А «Способ и устройство для ограничения тока в сети выпрямленного напряжения системы передачи энергии»).
Подобное устройство показано с целью дополнительного пояснения на фиг.3.
С этой целью необходимы:
- отключаемые силовые полупроводники (1), в общем случае в форме IGBT-транзисторов,
- антипараллельные диоды (2) или другие отключаемые силовые полупроводники,
- меры для равномерного разделения напряжения полупроводников, в общем случае высокоомных монтажных резисторов (5),
- ограничителей перенапряжения с высокими возможностями приема энергии (8), например, в форме варисторов.
Однако в предложенной области применения, которая характеризуется очень высокими напряжениями и мощностями, недостатки подобного решения являются весьма весомыми. К ним относятся:
- большое количество последовательно включенных полупроводников (1, 2);
- требуемое форсированное охлаждение полупроводников, так как они в непрерывном режиме работы генерируют высокие потери пропускания;
- требование электронного управления затвором этих полупроводников на высоком потенциале относительно земли и надежное предоставление их управляющей энергии на этом высоком потенциале;
- высокие издержки, которые невозможно сократить и при реализации нескольких переключателей на одном месте;
- заметная мощность потерь в состоянии пропускания полупроводников, которое соответствует нормальному непрерывному режиму работы, за счет чего повышаются текущие эксплуатационные затраты установки;
- при процессе отключения дополнительные элементы (8) защиты от перенапряжений в отдельных полупроводниковых переключателях должны поглощать значительные магнитные энергии отключенных сетевых участков DC-сети.
Последний названный пункт является весьма существенным недостатком, потому что, ввиду множества требуемых элементов (8), в общем случае возможно использовать только простые варисторы с неидеальной характеристикой ограничения. Количество требуемых, последовательно включенных полупроводников за счет этого еще более возрастает.
Дополнительное повышение затрат и потерь пропускания возникает, когда электронные переключатели в обоих направлениях тока должны быть отключаемыми (см. фиг.3, нижнюю часть). Это требование возникает, когда электронный переключатель должны использоваться в любом месте обобщенной DC-сети.
Задачей изобретения является устранить эти недостатки и обеспечить возможность благоприятным образом реализуемых переключающих устройств со следующими существенными свойствами:
- достижимые времена отключения очень коротки, так что переключатели стороны переменного тока не должны срабатывать и поток энергии в DC-сети не испытывает заметных возмущений;
- полупроводники не требуют форсированного охлаждения, так как они в нормальном непрерывном режиме работы не имеют мощности потерь пропускания;
- энергия управления полупроводников может быть получена из приложенного к самим полупроводникам запирающего напряжения;
- коммутационные перенапряжения могут посредством выбора компонентов устанавливаться и ограничиваться до благоприятных значений, которые обеспечивают возможность экономичного выбора изоляции в DC-сети;
- в типовом случае применения реализации нескольких переключателей на одном месте можно дополнительно снизить затраты на переключение за счет использования общих компонентов.
Изобретение решает эти задачи посредством устройства для переключения постоянных токов в сети постоянного напряжения с двумя противоположно последовательно включенными гибридными переключателями, которые соответственно имеют параллельное соединение неуправляемого зависимого от направления тока переключателя и управляемого переключателя, причем внутренняя точка соединения между гибридными переключателями образует третий вывод, и два противоположно последовательно включенных гибридных переключателя с одним первым и одним вторым выводом могут вводиться в первый провод сети постоянного напряжения; с двумя поляризованным демпфирующими звеньями, которые выполнены с возможностью приема энергии в только одной полярности приложенного клеммного напряжения, причем первое поляризованное демпфирующее звено подключено к первому выводу последовательно включенных гибридных переключателей и может соединяться со вторым проводом сети постоянного напряжения и/или потенциалом земли, и второе поляризованное демпфирующее звено подключено ко второму выводу последовательно включенного гибридного переключателя и может соединяться с вторым проводом сети постоянного напряжения и/или потенциалом земли, и с генератором импульсов тока, который - в ответ на команду управления - выполнен с возможностью формирования однополярного импульса тока, направляемого через третий вывод и поляризованные демпфирующие звенья, так что направление тока в одном из гибридных переключателей может кратковременно реверсироваться.
Упомянутые подсистемы, то есть гибридные переключатели, демпфирующее звено и генератор импульсов тока обеспечивают возможность, во взаимосвязи с описанными далее соответствующими изобретению схемными устройствами, реализации однополюсных и многополюсных DC-переключателей с упомянутыми предпочтительными свойствами.
Другое отличительное свойство всех соответствующих изобретению подсистем заключается в возможности их выполнения как двухполюсника. Это обеспечивает возможность не только уменьшенного количества внешних выводов (клемм), но и свободного каскадирования, то есть каждая подсистема более высокого напряжения может в любое время формироваться посредством последовательного соединения любого количества подсистем меньшего напряжения. Кроме того, за счет этого соответствующего изобретению способа действий обеспечивается последовательная концепция резервирования, которая способствует более надежному функционированию DC-переключателей и при дефектах отдельных или нескольких подсистем.
Другое техническое преимущество представляет в этой взаимосвязи тот факт, что соответствующие изобретению подсистемы не требуют полупроводников с критичными к неисправностям, не стойкими по отношению к импульсному току линиями проводами контакта - как, например, проволочные выводы в случае IGBT-транзисторов. Поскольку соответствующие изобретению переключающие устройства могут быть реализованы исключительно с полупроводниковыми диодами и тиристорами в качестве полупроводников, то могут использоваться компоненты с устойчивыми к импульсам тока печатными контактами.
В частности, произвольная возможность последовательного соединения всех соответствующих изобретению подсистем делает возможным свободный выбор номинального напряжения используемых компонентов независимо от заданного напряжения DC-сети. Одним аспектом в этой связи являются экономические причины и коммерческая доступность компонентов. Однако технически важной степенью свободы, которая является результатом этого свойства, является оптимизация скорости переключения реализуемых DC-переключателей.
Для соответствующих изобретению переключающих устройств эта обсужденная выше степень свободы двухполюсности и любой каскадируемости позволяет реализовать высокую требуемую скорость переключения. Как будет дополнительно пояснено ниже, релевантные здесь компоненты могут быть заметно улучшены за счет выбора более низкого номинального напряжения или их скорости переключения. Это справедливо, например, для вакуумных переключательных ламп (ввиду более коротких механических путей приведения в действие и меньших масс), а также известно для полупроводниковых диодов и тиристоров относительно их времени восстановления обратного сопротивления и/или времени выключения (тиристора) по основной цепи.
Расположенное противоположно направлению протекания тока поляризованное демпфирующее звено и расположенный противоположно направлению протекания тока гибридный переключатель могут в рамках изобретения также опускаться, если сверхтоки возникают только в этом одном направлении протекания тока.
Изобретение решает указанную задачу также с помощью способа для разъединения сети силового постоянного тока со следующими этапами: формирование импульса тока, который в гибридном переключателе, имеющем параллельное соединение из неуправляемого зависимого от направления тока переключателя и управляемого переключателя, на стороне, лежащей в направлении протекания тока, кратковременно вызывает реверсирование тока, так что управляемый переключатель гибридного переключателя во время реверсирования тока может погаснуть и таким образом разъединяет подачу тока между источником и потребителем, причем поляризованное демпфирующее звено на стороне, лежащей в направлении протекания тока, демпфирует переполюсованное напряжение и тем самым снимает возбуждение с индуктивности линии на стороне потребителя, причем генератор импульсов тока демпфирует завышенное напряжение на стороне, лежащей противоположно направлению протекания тока.
Другие рациональные выполнения и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения изобретения со ссылками на чертежи, причем одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаково действующие компоненты, и при этом на чертежах показано следующее:
Фиг.1-3 - соответствующий фрагмент пространственно протяженной разветвленной сети постоянного напряжения согласно уровню техники,
Фиг.4-7 - принципиальные DC схемные конфигурации, причем сами переключатели схематично символизируются посредством механических переключателей,
Фиг.8-12 - примеры выполнения соответствующего изобретению устройства,
Фиг.13-19 - примеры выполнения гибридного переключателя, поляризованного демпфирующего звена или генератора импульсов тока и
Фиг.20-21 - решения касательно управляемости деления тока.
Фиг.1-3 уже были описаны как относящиеся к уровню техники во вводной части описания.
Фиг.4 показывает однополюсный DC-переключатель, который используется в простой, в общем случае с одной стороны заземленной DC-сети (сети переменного напряжения или переменного тока) для разъединения положительного провода (Р1 относительно Р11). Это устройство может быть достаточным, если отрицательный провод (N0) однозначно заземлен.
Фиг.5 показывает устройство, аналогичное показанному на фиг.4, однако с несколькими (здесь, в качестве примера, двумя) DC-переключателями, которые ведут к одной общей сборной шине.
Фиг.6 показывает устройство, аналогичное показанному на фиг.4, к которому, однако, добавлен дополнительный DC-провод с отрицательной полярностью и соответствующим переключателем. DC-напряжения (UP1 относительно N0) положительного провода и (UN2 относительно N0) отрицательного провода - соответственно измеренные относительно общего заземленного провода - здесь в общем случае выбраны одинаковыми по величине. Нагрузочные токи положительного провода (i1) и отрицательного провода (i2) могут, однако, уже в нормальном режиме работы быть различными. Поэтому оба переключателя (7) должны в общем случае быть отключаемыми отдельно, то есть независимо один от другого.
Фиг.7 показывает устройство, аналогичное показанному на фиг.6, однако без токоведущего нулевого провода. За счет подходящего мероприятия заземления - в общем случае, высокоомной привязки потенциала через сопротивления - гарантируется, что напряжения положительного провода (UP1E) и отрицательного провода (UN2E) по отношению к земле разделены симметрично. Однако в случае замыканий на землю это распределение потенциала может быть смещено, из-за чего изоляция нежелательным образом в высокой степени нагружается. В подобной симметрично эксплуатируемой, незаземленной DC-сети при возмущениях, в общем случае, требуется двухполюсное отключение, причем приведение в действие переключателей (7) может осуществляться совместно. С целью более подробного пояснения изобретения сначала будет представлена реализация однополюсного переключателя (см. фиг 4).
Соответствующая изобретению реализация представлена на фиг.8. В принципе соответствующие изобретению схемные конфигурации для реализации однополюсных или многополюсных переключателей содержат следующие подсистемы, которые характеризуются следующими свойствами:
а) Переключающие элементы, далее называемые гибридными переключателями (100), которые внутри имеют параллельное соединение неуправляемых переключателей (12) и управляемых переключателей (18). При этом неуправляемый переключатель (12) предпочтительно выполнен как по меньшей мере один полупроводниковый диод, и управляемый переключатель (18) предпочтительно выполнен как по меньшей мере одна вакуумная переключающая лампа (фиг.13).
b) Поляризованные демпфирующие звенья (200), которые в одной полярности приложенного клеммного напряжения диссипативно принимают энергию и в противоположной полярности противостоят протеканию тока и, следовательно, преобразованию энергии. Эти поляризованные демпфирующие звенья предпочтительно реализованы как последовательное соединение линейных (19) и нелинейных (15) сопротивлений и полупроводниковых диодов (2) (фиг.14, фиг.15).
с) Генераторы (300) импульсов тока, которые в ответ на внешнюю управляющую команду вырабатывают униполярный импульс тока. Они содержат по меньшей мере один емкостной накопитель (10) энергии, который заряжается от приложенного на клеммах DC-напряжения и который в комбинации с другими компонентами (2, 13) образует схемную ветвь для ограничения перенапряжений (фиг.16).
Фиг.9 показывает соответствующее изобретению устройство, аналогичное фиг.8, но с реверсивной полярностью всех подсистем. Подобный вариант подходит для реализации DC-переключателя в DC-сети реверсивной полярности. Это соответствует в принципе нижнему переключателю (7) на фиг.6, который разделяет точки (N2) и (N21). Если точки (Р0) из фиг.9 электропроводно соединены с точками (N0) из фиг.8, то в результате получается устройство, аналогичное уже описанному со ссылкой на фиг.6.
Фиг.10 показывает соответствующее изобретению устройство, которое реализует функцию двухполюсного DC-переключателя по фиг.7. Предпочтительным является то, что как поляризованные демпфирующие звенья (200), так и генератор (300) импульсов тока требуются только однократно.
Фиг.11 показывает соответствующее изобретению устройство, аналогичное фиг.10. В отличие от фиг.10, генераторы (300) импульсов тока и поляризованные демпфирующие звенья (200) разделены таким образом, что в их точках (Е) соединения существует возможность для заземления. Это может быть целесообразным в зависимости от концепции заземления DC-сети. В частности, заземление соединительных точек (Е0) обеспечивает возможность того, что в свободной от потенциала, симметрично относительно земли эксплуатируемой DC-сети (фиг.7 и соответствующее пояснение) может ограничиваться нежелательное смещение потенциала при неисправностях короткого заземления посредством свойства ограничения перенапряжения подсистем (300) или (400), если имеются. За счет этого может быть достигнуто то, что изоляции компонентов DC-сети нагружаются в меньшей степени.
Фиг.12 показывает соответствующее изобретению переключающее устройство, которое реализует функции представленного на фиг.5 многократного переключателя (7) на общей сборной шине. Предпочтительным является, если генератор (300) импульсов тока требуется только однократно, потому что его импульс тока может распределяться через диоды (2). На основе фиг.8, с целью дальнейшего пояснения изобретения, далее еще раз рассматривается реализация однополюсного переключателя. Подобный DC-переключатель служит тому, чтобы под током нагрузки быстро отключать и в конечном счете обеспечивать возможность разъединения DC-проводов между двумя сетевыми участками DC-сети. Следующее затем - для возможных ремонтных работ на DC-проводе - требуемое надежное разъединение и заземление не является предметом настоящего изобретения. Подходящие приборы для этой цели известны и технически хорошо реализуемы, потому что эти приборы должны работать только после этого - в уже обесточенном состоянии DC-провода - а также без особых требований к скорости переключения.
Согласно изобретению два гибридных переключателя (100) должны быть включены взаимно противоположно последовательно между подлежащими разъединению сетевыми участками. В точке соединения обоих гибридных переключателей (100) подключен генератор (300) импульсов тока. Каждый из разъединяемых сетевых участков, кроме того, соединен с соответствующим поляризованным демпфирующим звеном (200). Подобная конфигурация обеспечивает возможность того, что высокий импульс (iS) тока, сформированный генератором (300) импульсов тока, с показанным техническим направлением тока (iS>0) параллельно разделяется и протекает через оба гибридных переключателя (100) и поляризованные демпфирующие звенья (200). Управляемые переключатели (18) гибридных переключателей (100) были, в общем случае перед этим моментом времени, включены, чтобы минимизировать потери энергии (падение напряжения пропускания). Однако в принципе также возможно, что один из переключателей (18) - здесь левый - не был включен, потому что параллельный, неуправляемый переключатель (12) и без того может проводить ток. Относительно потерь энергии в нормальном непрерывном режиме работы это, однако, не является предпочтительным, так как падение напряжения пропускания переключателя (18) в общем случае лежит на десятичный порядок ниже такового для неуправляемого переключателя (12). Это справедливо, в частности, если переключатели (18) выполнены как вакуумные переключающие лампы, а неуправляемые переключатели (12)- как полупроводниковые диоды. В течение импульса тока (iS) - или в зависимости от типа переключателя (18) также уже заранее перед этим - управляемые переключатели (18) размыкаются. Ток в одном из обоих управляемых переключателей (18) при достаточно высоком импульсе тока (iS) становится нулем, так что он без затрат мощности запирается. В предложенном случае при положительном токе (i1>0) это будет правый переключатель на фиг.8. Соответствующий нагрузочный ток (i11) в соответствующем участке DC-сети будет, ввиду высокой запасенной в силовой индуктивности (6) энергии, в данный момент протекать через поляризованное демпфирующее звено (200) и там затухать относительно отрицательного напряжения демпфирующего звена (200).
Соответствующий нагрузочный ток в другом участке DC-сети (в этом примере при i1>0: левая часть (Р1, i1) будет протекать дальше по тем же причинам - однако через гибридный переключатель в генератор (300) импульсов тока и затухать по отношению к клеммному напряжению генератора импульсов тока. Соответствующие изобретению выполнения генератора (300, 500) импульсов тока имеют в этой связи уже поясненное свойство - ограничивать посредством внутренней схемной ветви (10, 2, 13) перенапряжения, возникающие при процессах переключения.
Другое преимущество соответствующих изобретению переключающих устройств состоит в том, что как генератор (300) импульсов тока, так и опциональный дополнительный ограничитель (400) перенапряжения для данной конфигурации из нескольких DC-переключателей в одном месте требуются только однократно. Это соответствует предпочтительному многократному использованию. Этот факт далее будет пояснен более подробно на основе описания многополюсных переключателей.
Для завершающего объяснения изобретения необходимо теперь представить внутреннюю схему подсистем, их внутренний способ функционирования, а также предпочтительные варианты схем.
Фиг.13 показывает внутреннюю схему соответствующего изобретению гибридного переключателя (100). Она содержит параллельное соединение неуправляемого переключателя (12) и управляемого переключателя (18). Кроме того, разумеется, возможно выполнение с внутренним последовательным соединением этих элементов. Любое количество гибридных переключателей (100), в принципе, также может использоваться как последовательное соединение, чтобы реализовать гибридный переключатель любого высокого напряжения. Только простые известные меры для равномерного распределения напряжения - в общем случае, высокоомные монтажные сопротивления (5) - необходимо предусмотреть для этой цели (см. пояснения к фиг.3). Предпочтительная форма выполнения изобретения состоит в том, чтобы для неуправляемых переключателей (12) использовать полупроводниковые диоды, а для управляемых переключателей (18) - вакуумные переключающие лампы. В принципе, также могут использоваться другие типы переключателей, а также полупроводниковые переключатели. С помощью вакуумных переключающих ламп среднего коммутируемого напряжения можно, ввиду очень короткого пути приведения в действие и малых подвижных масс, достичь очень коротких времен задержки отключения. С этой целью в качестве предпочтительного также известно получение необходимой механической энергии для приведения в действие переключателя от предварительно напряженной пружины, пневмоаккумулятора или гидравлического аккумулятора.
Фиг.14 показывает внутреннюю схему поляризованного демпфирующего звена (200). Оно содержит в своей простейшей форме выполнения демпфирующее сопротивление (19) и полупроводниковый диод (2). Дополнительно применимы мероприятия для равномерного разделения напряжения полупроводниковых диодов при последовательном включении в известной форме, например, посредством высокоомных монтажных сопротивлений (5).
На фиг.15 показан возможный вариант фиг.14, при котором демпфирующее сопротивление (19) заменено варистором (16). Это имеет преимущество, состоящее в том, что ток в отсоединяемом участке DC-сети затухает быстрее, чем это осуществляется при выдерживании заданного, малого перенапряжения, посредством линейного (омического) демпфирующего сопротивления (19).
Фиг.16 показывает предпочтительную внутреннюю схему генератора (300) импульсов тока. Она содержит в соответствующей изобретению конфигурации следующие элементы:
- запирающий диод (2),
- последовательное сопротивление (13),
- управляемый полупроводниковый переключатель (11), в общем случае предпочтительно в форме тиристора,
- емкостной накопитель (10) энергии,
- индуктивность (9),
- высокоомное монтажное сопротивление (5).
Емкостной накопитель (10) энергии самостоятельно заряжается через элементы (2) и (13) до DC-напряжения в соответствующей точке подключения DC-сети. Одновременно путь тока через элементы (2), (13) и (10) предпочтительным образом проявляет демпфирование перенапряжения в соответствующей точке подключения DC-сети.
Если должен быть инициирован процесс переключения гибридного переключателя (100), то включается полупроводниковый переключатель (11). В последующем, с целью простоты пояснения, исходим из тиристора, который при этом зажигается. В первой четверти колебания колебательного контура, образованного элементами (9) и (10), энергия емкостного накопителя (10) энергии преобразуется в магнитную энергию индуктивности (9). Эта первая четверть колебания протекает в принципе без демпфирования и может выбираться очень короткой по времени. Ее длительность, как известно, составляет
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>Π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><msqrt><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
где L обозначает индуктивность (9), а C - емкость (10).
Амплитуда результирующего тока в (9) составляет
<mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><msqrt><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>L</mi></mrow></msqrt></mrow>
c
Причем U(0) обозначает существующее напряжение заряда емкостного накопителя энергии (10).
1
1
Согласно изобретению является предпочтительным и технически хорошо достижимым, что время (t) является очень коротким, а амплитуда тока i(t) - высокой. Обе цели по существу ограничиваются посредством свойств переключателя (11). В случае тиристора это допустимая крутизна тока и допустимая амплитуда импульсного тока. Является предпочтительным, что соответствующая токовая цепь, в которой осуществляется эта первая четверть колебания, проходит только в пространственно тесной, определенной цепи через также хорошо определенные элементы (9, 10, 11), а не через DC-сеть. Если причиной для необходимого процесса переключения является короткое замыкание со стороны DC-сети, то является выгодным по возможности быстро распознавать этот случай неисправности как посредством превышения измеренных DC-токов, так и посредством превышения значений крутизны тока на DC-стороне, чтобы без больших задержек вызвать зажигание тиристора (11). Эти и другие методы быстрого распознавания неисправностей в принципе известны и не являются предметом настоящего изобретения.
Для использования вакуумных переключающих ламп в качестве управляемых переключателей (18) является выгодным и возможным их уже одновременно или незадолго до зажигания тиристора (11) механически привести в действие. Это обеспечивает возможность того, что их время запаздывания отключения может протекать параллельно с подготовкой электрического отключения.
1
2
s
После момента времени (t) напряжение емкостного накопителя (10) энергии принимает отрицательные значения, и ток в (9) и (11) будет убывать до тех пор, пока он в момент времени (t) не станет равным нулю. Эта следующая четверть колебания протекает в соответствующих изобретению переключающих устройствах, вследствие последовательного сопротивления (13) и поляризованного демпфирующего звена (200), в демпфированной форме. Тем самым предпочтительным образом возможно, эффективную длительность сформированного импульса тока (i), а также запрещенное время тиристора (11) сделать существенно больше, чем результирующие - в ином случае за счет колебательного контура (9, 10) - значения. Кроме того, в соответствующем изобретению устройстве возможно последовательное сопротивление (13) выбрать настолько большим, что при любых внешних коротких замыканиях (вне генератора (300) импульсов тока) тиристор (11) по окончании импульса тока гаснет.
С этой целью достаточно для последовательного сопротивления (13) выбрать значение согласно соотношению
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>L</mi><mo>/</mo><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
Независимо от этого желательная амплитуда тока, которую формирует генератор (300) импульсов тока, как уже пояснялось, устанавливается, как это требуется, за счет выбора его внутренних компонентов (9, 10), а также за счет выбора компонентов (19, 16) в поляризованных демпфирующих звеньях (200, 201).
Другим важным параметром является величина коммутационных перенапряжений, возникающих из-за процессов переключения в DC-сети. Желательно иметь возможность их хорошо определять и выбирать величину коммутационных перенапряжений лишь настолько большой, чтобы затухание DC-тока в разъединяемых участках DC-сети происходило достаточно быстро. Соответствующие изобретению переключающие устройства обеспечивают возможность этого уже на принципиальной основе:
- отрицательные коммутационные перенапряжения ограничиваются посредством соответствующего выбора поляризованных демпфирующих звеньев (200);
- положительные коммутационные перенапряжения ограничиваются посредством компонентов (2, 13, 10) генераторов (300) импульсов тока.
Последнее упомянутое значение не может, однако, выбираться независимо от выбора емкостного накопителя (10) энергии. По этой причине опционально может применяться дополнительная мера в форме дополнительного ограничителя (400) коммутационного перенапряжения. Является целесообразным подключать его непосредственно параллельно к (300) или с катодной стороны к его диоду (2).
Фиг.17 и 18 показывают возможные формы выполнения. Фиг.17 представляет простую возможность использования варистора (15), который в комбинации с уже описанными компонентами (2, 13, 10) уже обеспечивает возможность существенно лучшего ограничения коммутационных перенапряжений, чем при одиночном применении.
Фиг.18 и 19 показывают соответственно другую форму выполнения, которая обеспечивает возможность крайне сниженного с особенно жесткими допусками ограничения коммутационных перенапряжений. Она пригодна для выполнения наивысших требований, предъявляемых к ограничению коммутационных перенапряжений, которое недостижимо с известными устройствами в области высоких напряжений. С этой целью варисторы разделены на элемент (15) с высоким напряжением ограничения и элемент (16) с низким напряжением ограничения. Опционально может использоваться высокоомное монтажное сопротивление (5), чтобы лучше определять статическое деление напряжения, которое в противном случае определялось бы допусками характеристики варисторов. Рациональное проектирование состоит в том, что сумма обоих напряжений ограничения варисторов (15, 16) выбирается с некоторым безопасным промежутком выше наивысшего постоянного DC-напряжения сети. Этот предел выбора параметров известен из других варисторных ограничителей и должен выдерживаться, чтобы избегать статических потерь энергии. Результирующее динамическое напряжение ограничения (при высоком токе импульса) является тогда нежелательно высоким (в типовом случае превышено примерно в два раза), потому что характеристики реальных варисторов являются не идеально крутыми.
В качестве дополнительной степени свободы в соответствующем изобретению устройстве может, однако, выбираться частное обоих напряжений ограничения. Оно, в зависимости от точной характеристики варистора, обычно выбирается таким образом, что напряжение ограничения (U15) элемента (15) составляет примерно от 3-кратного до 5-кратного элемента (16). В стационарном случае напряжение ограничения элемента (16) приближенно приложено как положительное напряжение подзаряда (UC) на емкостном накопителе (10) энергии. Путем поджига тиристора (11) теперь возможно это напряжение переполюсовать, так что напряжение ограничения всего устройства мгновенно снижается на удвоенную величину вышеупомянутого напряжения подзаряда. Сниженное напряжение ограничения обеспечивает теперь возможность существенно улучшенного динамического ограничения перенапряжения. Введенный ток ограничения приводит затем к заряду емкостного накопителя (10) энергии до приложенного перед этим положительного напряжения подзаряда, которое желательно стационарным. Поджиг тиристора может осуществляться синхронно с генератором импульсов тока. Кроме того, предпочтительно, что могут применяться те же компоненты (9, 10, 11), что и в генераторе импульсов тока. Так как ограничитель перенапряжений в соответствующих изобретению переключающих устройствах может многократно использоваться для нескольких переключателей, затраты на оптимизированное выполнение согласно фиг.18 во многих применениях имеют смысл.
Другая проблема протяженных, разветвленных DC-сетей относится к разделению тока в электрически параллельных участках проводов. Поскольку они неуправляемым образом устанавливаются за счет омических падений напряжения, невозможно гарантировать определенную предельную нагрузку и хорошее использование проводов без перегрузки. В соответствующих изобретению гибридных переключателях (100) в качестве низкого по затратам решения для этой управляемости деления тока предоставляются следующие мероприятия (фиг.20 и фиг.21).
Управляемый источник (600) DC-напряжения с малым, по сравнению с DC-сетью, напряжением и мощностью, своими выходными клеммами (Х, Y) подключен параллельно гибридному переключателю (100).
При этом полярность приложенного напряжения следует выбирать таким образом, что она соответствует направлению запирания неуправляемого элемента (12) или соответствующего полупроводникового диода. Посредством такой конфигурации можно ее естественным падением напряжения пропускания управлять от положительных значений непрерывно до отрицательных значений и, тем самым, оказывать влияние на распределение тока желательным образом. Эта функция может в любое время активироваться путем размыкания параллельного управляемого переключателя (18) и деактивироваться путем замыкания этого переключателя.
Простой выпрямитель (601) тока, ведомый сетью, с только одной полярностью тока и напряжения со стороны выхода может брать на себя функцию источника (600) DC-напряжения, которая может добавляться в принципе к любому гибридному переключателю (100). В общем, однако, становится достаточным монтировать только один или несколько гибридных переключателей. Для гибридных переключателей (100) высокого напряжения, которые состоят из последовательного соединения нескольких гибридных переключателей, является предпочтительным источник (600) DC-напряжения подключать только к одному из последовательно включенных элементов. Таким способом можно избежать того, что источник (600) DC-напряжения на стороне выхода должен быть способным к запиранию избыточно высокого напряжения.