КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ПОСТОЯННОГО ТОКА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
DC SWITCHING DEVICE AND APPLICATION THEREOF

Настоящее изобретение относится к коммутационному устройству постоянного тока для прерывания электрического постоянного тока I, протекающего по пути тока среднего или высокого напряжения, содержащему электрическое схемное устройство, которое имеет по меньшей мере один механический переключатель, коммутируемый в пути тока среднего или высокого напряжения, и по меньшей мере один схемный блок для обеспечения вынужденного перехода через нуль тока в механическом переключателе, коммутируемом в пути тока среднего или высокого напряжения.
Механический переключатель технологии среднего и высокого напряжения, такой как вакуумная переключающая лампа, требует перехода через нуль тока для прерывания тока. Этот переход через нуль тока всегда имеет место естественным образом в современной преобладающей технологии для генерации, передачи и распределения электрической энергии посредством переменного тока.
Современное развитие в области генерации, передачи и распределения электрической энергии направлено на расширение использования систем с постоянным током, так что становятся необходимыми соответствующие коммутационные устройства постоянного тока. Однако при постоянном токе требуемое пересечение нулевого тока отсутствует и поэтому должно генерироваться искусственным образом при использовании механического переключателя.
Коммутационное устройство постоянного тока вышеупомянутого типа известно из публикации US 2013/0070492 A1. В ней раскрыто коммутационное устройство постоянного тока для прерывания электрического постоянного тока, протекающего по пути постоянного тока высокого напряжения, с электрическим схемным устройством, которое содержит механический прерыватель, коммутируемый в пути постоянного тока высокого напряжения, а также схемный блок для обеспечения вынужденного перехода через нуль тока в механическом переключателе, коммутируемом в пути тока среднего или высокого напряжения. Этот схемный блок имеет для этого LC-схему с по меньшей мере одним индуктивным компонентом и по меньшей мере одним емкостным компонентом для формирования замыкаемого через прерыватель активного колебательного контура, а также переключаемый полупроводниковый компонент для генерации частоты возбуждения, возбуждающей колебательный контур. Этот полупроводниковый компонент представляет собой полупроводниковый компонент отключающего типа, который соединен последовательно с механическим прерывателем в пути постоянного тока. За счет переключения полупроводникового компонента с настроенной на активный колебательный контур частотой, постоянный ток модулируется переменным током, который приводит колебательный контур в колебание. Если амплитуда тока колебания этого колебательного контура больше, чем постоянный ток, или она имеет по меньшей мере одинаковую величину, то возникает желательный переход через нуль тока. В DE 10 2011 079 723 A1 раскрывается другое коммутационное устройство постоянного тока с двумя прерывателями и альтернативно работающим схемным блоком, чтобы обеспечения вынужденного перехода через нуль тока.
Задачей изобретения является создание альтернативно выполненного коммутационного устройства постоянного тока для применений среднего и высокого напряжения.
Решение задачи осуществляется с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствующем изобретению коммутационном устройстве постоянного тока предусмотрено, что по меньшей мере один схемный блок имеет несколько емкостных компонентов и переключающее устройство. При этом емкостные компоненты и переключающее устройство коммутируются в схемном устройстве таким образом, что емкостные компоненты в зависимости от состояния переключения переключающего устройства либо а) включены параллельно для их соответствующей электрической зарядки через путь тока среднего или высокого напряжения, либо (b) включены последовательно для генерации импульса тока, обеспечивающего вынужденный переход через нуль тока.
В отличие от известных коммутационных устройств постоянного тока с колебательным контуром, переход через нуль тока реализуется посредством (одного) импульса тока подходящей величины. Он генерируется последовательным подключением емкостных компонентов схемного блока, поддерживаемых заряженными через путь тока.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере один схемный блок выполнен как Н-образная мостовая схема или содержит по меньшей мере одну такую Н-образную мостовую схему. При этом емкостные компоненты и переключающее устройство расположены в этой H-образной мостовой схеме.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, предусмотрено, что схемный блок дополнительно содержит несколько индуктивных компонентов и/или несколько резистивных компонентов.
При этом, в частности, предусмотрено, что H-образная мостовая схема или по меньшей мере одна из H-образных мостовых схем
- имеет отходящее от пути тока среднего или высокого напряжения первое ответвление тока, в котором последовательно расположены по меньшей мере один из емкостных компонентов, по меньшей мере один из индуктивных компонентов и по меньшей мере один из резистивных компонентов,
- имеет отходящее от пути тока среднего или высокого напряжения второе ответвление тока, в котором последовательно расположены по меньшей мере один из емкостных компонентов, по меньшей мере один из индуктивных компонентов и по меньшей мере один из резистивных компонентов, и
- имеет путь поперечного (уравнительного) тока, соединяющий первое ответвление тока со вторым ответвлением тока, в котором расположено переключающее устройство.
В частности, предусмотрено, что оба ответвления тока соединяют, соответственно, путь тока среднего или высокого напряжения с общим опорным потенциалом. Этот опорный потенциал предпочтительно является потенциалом заземления.
Согласно еще одной предпочтительной форме выполнения изобретения, предусмотрено, что емкостной компонент первого ответвления тока расположен в первом ответвлении тока между путем тока среднего или высокого напряжения и путем поперечного тока, и емкостной компонент второго ответвления тока расположен на стороне второго ответвления тока, противоположной пути тока среднего или высокого напряжения, относительно пути поперечного тока.
В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что по меньшей мере один из механических переключателей выполнен в виде вакуумной переключающей лампы. Особенно предпочтительным образом, все механические переключатели выполнены как вакуумные переключающие лампы.
В соответствии с еще одной предпочтительной формой выполнения изобретения, схемное устройство содержит (соответствующий) разрядник защиты от перенапряжения, подсоединенный параллельно к (соответствующему) механическому переключателю.
Наконец, предпочтительно предусмотрено, что коммутационное устройство постоянного тока содержит управляющее и/или регулирующее устройство для координированного управления по меньшей мере одним механическим переключателем и по меньшей мере одним переключающим устройством.
Изобретение также относится к применению вышеупомянутого коммутационного устройства постоянного тока для прерывания электрического постоянного тока I, протекающего по пути тока среднего или высокого напряжения.
Далее примеры выполнения изобретения схематично показаны на чертежах и описаны более подробно. При этом на чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - коммутационное устройство постоянного тока в соответствии с первой предпочтительной формой выполнения изобретения,
Фиг. 2 - временная характеристика различных токов в коммутационном устройстве постоянного тока,
Фиг. 3 - коммутационное устройство постоянного тока в соответствии с второй предпочтительной формой выполнения изобретения, и
Фиг. 4 - коммутационное устройство постоянного тока в соответствии с третьей предпочтительной формой выполнения изобретения.
Фиг. 1 показывает коммутационное устройство 10 постоянного тока для прерывания электрического постоянного тока I, протекающего по пути 12 тока среднего или высокого напряжения, и соответствующий путь 12 тока. Коммутационное устройство 10 постоянного тока содержит электрическое схемное устройство 14, которое, в свою очередь, содержит механический переключатель 16, коммутируемый/подключенный в пути 12 тока среднего или высокого напряжения, а также схемный блок 18 для обеспечения вынужденного перехода через нуль тока в этом механическом переключателе 16, коммутируемом в пути тока среднего или высокого напряжения. При этом данный схемный блок 18 расположен в направлении протекания тока постоянного тока I после механического переключателя 16 (обозначено стрелкой рядом с I).
Схемный блок 18 схемного устройства 14 выполнен в виде H-образной мостовой схемы 20 с двумя емкостными компонентами 22, 24, двумя индуктивными компонентами 26, 28, двумя резистивными компонентами 30, 32 и дополнительным компонентом, выполненным в виде переключающего устройства 34. Емкостные компоненты 22, 24 представлены здесь как конденсаторы, индуктивные компоненты 26, 28 представлены здесь как катушки, и резистивные компонентов 30, 32 представлены здесь как омические сопротивления, в смысле электрических конструктивных элементов (компонентов). Однако отдельные компоненты 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 не обязательно должны присутствовать в качестве соответствующего конструктивного элемента, но он также возможно, что один конструктивный элемент образует несколько различных компонентов, или отдельные компоненты образованы из нескольких конструктивных элементов. Например, реальная катушка, как правило, образует индуктивный компонент 26, 28 и резистивный (частичный) компонент 30, 32.
В принципе, переключающее устройство 34 может быть выполнено как механическое переключающее устройство, но возможны также другие варианты осуществления, например, как полупроводниковое переключающее устройство, как запускаемый искровой промежуток или как сопоставимый быстродействующий переключатель.
Вышеуказанные компоненты 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 соединены таким образом в схемном блоке 18, выполненном как Н-образная мостовая схема 20, что емкостные компоненты 22, 24 в зависимости от состояния переключения переключающего устройства (а) в первом состоянии переключения подключены параллельно для их соответствующей электрической зарядки через путь 12 тока среднего или высокого напряжения и (b) во втором состоянии переключения подключены последовательно для генерации импульса тока, вызывающего переход через нуль тока в переключателе 16. В этом примере, первое состояние переключения соответствует открытому состоянию переключателя, а второе состояние переключения соответствует запертому состоянию переключателя переключающего устройства 34.
В показанном примере, Н-образная мостовая схема 20 имеет (i) отходящее от пути 12 тока среднего или высокого напряжения первое ответвление 36 тока, в котором последовательно расположены один из емкостных компонентов 22, один из индуктивных компонентов 26 и один из резистивных компонентов 30 (как первое RLC-соединение), (ii) отходящее от пути 12 тока среднего или высокого напряжения второе ответвление 38 тока, в котором последовательно расположены другой из емкостных компонентов 24, другой из индуктивных компонентов 28 и другой из резистивных компонентов 32 (как второе RLC-соединение), и (iii) путь 40 поперечного тока, соединяющий первое ответвление 36 тока со вторым ответвлением 38 тока, в котором расположено переключающее устройство 34. При этом оба ответвления 36, 38 тока соединяют, соответственно, путь 12 тока среднего или высокого напряжения с общим опорным потенциалом, который в данном примере является потенциалом заземления Е.
При этом емкостной компонент 22 первого ответвления 36 тока расположен в этом первом ответвлении 36 тока между путем 12 тока среднего или высокого напряжения и путем 40 поперечного тока, и индуктивный компонент 26, а также резистивный компонент 30 первого ответвления 36 тока расположены между путем 40 поперечного тока и опорным потенциалом, то есть потенциалом заземления Е. Кроме того, индуктивный компонент 28, а также резистивный компонент 32 второго ответвления 38 тока расположены в этом втором ответвлении 38 тока между путем 12 тока среднего или высокого напряжения и путем 40 поперечного тока, и емкостной компонент 24 второго ответвления 38 тока расположен между путем 40 поперечного тока и опорным потенциалом, то есть потенциалом заземления Е.
Таким образом, оба параллельно проходящих RLC-соединения подключены навстречу. Однако оба RLC-соединения, в принципе, также могут быть переставлены.
Схемное устройство 14 дополнительно имеет разрядник 42 защиты от перенапряжения, который в параллельном пути 44 тока включен параллельно механическому переключателю 16.
Коммутационное устройство 10 постоянного тока, наконец, также имеет управляющее и/или регулирующее устройство 46 для скоординированного управления по меньшей мере одним механическим переключателем 16 и переключающим устройством 34. Управление осуществляется через сигнальные линии 48.
Это приводит к следующему функционированию:
В нормальном режиме работы оба емкостных компонента (конденсаторы) 22, 24 заряжаются через сеть постоянного тока, к которой также относится путь 12 тока среднего или высокого напряжения, и постоянный ток I протекает через механический переключатель 16. Если происходит операция переключения, то механический переключатель 16 в пути 12 тока открывается, и переключающее устройство 34 запирается с некоторой задержкой.
Посредством запертого переключающего устройства 34, оба заряженных до напряжения системы емкостных компонента 22, 24 соединяются последовательно. На механическом переключателе 16 в пути 12 тока происходит кратковременное повышение напряжения, так что протекание тока в механическом переключателе 16 кратковременно меняет направление и искусственно приводится к нулю. Ток в механическом переключателе 16 прерывается, и параллельно подключенный разрядник 42 защиты от перенапряжения (например, МО-варистор) 42 защищает устройство 10, 14 от возникающих перенапряжений.
Временная характеристика возникающих токов I, I1, I2, I3 показана на графике на фиг. 2, где показано временное окно в несколько миллисекунд. Соответствующие данные сгенерированы путем моделирования. В этом случае постоянный ток I представляет собой постоянный ток, протекающий в направлении тока после коммутационного устройства 10 постоянного тока. Ток I1 представляет собой постоянный ток, протекающий через механический переключатель 16, ток I2 представляет собой ток, протекающий через последовательное соединение емкостных компонентов 22, 24, и ток I3 представляет собой ток, протекающий через разрядник 42 защиты от перенапряжения.
В момент времени t0 переключатель 16 (еще) замкнут, и постоянный ток I протекает через путь 12 тока. Оба емкостных компонента 22, 24 заряжаются до напряжения системы.
К моменту времени t1 переключатель устройство 16 теперь открывается и возникает электрическая дуга. С некоторой задержкой теперь к моменту времени t3 запирается переключающее устройство 34. Последовательное соединение двух емкостных компонентов 22, 24, заряженных до напряжения системы, приводит к току I2, протекающему через последовательное соединение емкостных компонентов 22, 24. За счет этого на механическом переключателе 16 в пути 12 тока происходит повышение напряжения, так что протекание тока в механическом переключателе 16 кратковременно изменяет направление и искусственным образом приводится к нулю. Ток I1 в механическом переключателе 16 прерывается, и параллельно подключенный разрядник 42 защиты от перенапряжения защищает устройство 10, 12 от возникающих перенапряжений.
Для этого, начиная с момента времени t3, соответствующий ток I3 протекает через параллельный путь 44 тока и включенный в него разрядник 42 защиты от перенапряжения до момента времени t4, в который ток I3 и, следовательно, также постоянный ток I полностью затухает. Таким образом, прерывание постоянного тока I в пути 12 тока полностью завершается.
Коммутационное устройство 10 постоянного тока, показанное на фиг. 1, в этой показанной на фиг. 1 конфигурации, подходит только для однополярного режима работы. Если также необходимо прерывать постоянные токи I с противоположным направлением тока, то схемное устройство 14 должно быть расширено. Одна из возможностей заключается в том, что схемный блок 18, то есть H-образная мостовая схема 20 из двух RLC-соединений и переключающего устройства в пути 40 поперечного тока, во второй раз размещается на другой стороне пути 12 тока относительно механического переключателя 16. Получающиеся в результате схемные устройства 18, 50 или H-образные мостовые схемы 20, 52 могут быть соединены в одном направлении или зеркально. На фиг. 3 для пояснения показана версия такого биполярного коммутационного устройства 10 постоянного тока.
В качестве альтернативы, однако, дополнительный механический переключатель 54 также может использоваться в пути 12 тока после схемного блока 18, то есть H-образной мостовой схемы 20 согласно фиг. 1, причем схемное устройство 14 также имеет разрядник 56 защиты от перенапряжения, который включен параллельно дополнительному механическому переключателю 54 в параллельном пути 58 тока.
При соединении этого типа обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что при включении, например, запирается только один механический переключатель 16, при этом дополнительный механический переключатель 54 остается еще открытым. В результате, сначала заряжаются емкостные компоненты (конденсаторы) 22, 24, прежде чем будет подключена присоединенная система постоянного тока. Если бы здесь, например, возникла неисправность, то сразу же после подключения дополнительного механического переключателя 54 может выполняться отключение.
Перечень ссылочных позиций
10 коммутационное устройство постоянного тока
12 путь тока
14 схемное устройство
16 механический переключатель
18 схемный блок
20 H-образная мостовая схема
22 емкостной компонент
24 емкостной компонент
26 индуктивный компонент
28 индуктивный компонент
30 резистивный компонент
32 резистивный компонент
34 переключающее устройство
36 первое ответвление тока
38 второе ответвление тока
40 путь поперечного тока
42 разрядник защиты от перенапряжения
44 параллельный путь тока
46 управляющее и/или регулирующее устройство
48 сигнальная линия
50 дополнительный схемный блок
52 H-образная мостовая схема
54 механический переключатель
56 дополнительный разрядник защиты от перенапряжения
58 дополнительный параллельный путь тока
I постоянный ток
I1 ток через переключающее устройство
I2 ток через емкостные компоненты
I3 ток через разрядник защиты от перенапряжения
Е заземление