ЛИНЕЙНЫЙ ЗАЩИТНЫЙ АВТОМАТ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
LINEAR DC VOLTAGE PROTECTIVE AUTOMATIC DEVICE

Настоящее изобретение относится к линейному защитному автомату постоянного напряжения.
Электрическая энергия на электростанциях вырабатывается, как правило, как трехфазный переменный ток. Для передачи этой энергии посредством силовых трансформаторов переменные напряжения преобразуются в очень высокие переменные напряжения и передаются по воздушным линиям. При очень длинных воздушных линиях передача энергии с помощью постоянного тока, в общем случае, связана с меньшими потерями и поэтому более выгодна.
При передаче постоянного тока в предшествующем уровне техники имеются, однако, трудности в управлении потоками мощности в ячеистых электросетях. Поэтому для передачи постоянного тока до сих пор почти исключительно применялись соединения «от точки к точке» без ответвлений или ячеек. Однако на будущее планируется развитие и расширение сетей передачи постоянного тока. Для этого требуются линейные защитные автоматы постоянного напряжения, чтобы повысить доступность планируемых электросетей постоянного тока. Линейные защитные автоматы постоянного напряжения используются для выборочного отключения части электросети в случае выхода из строя и, тем самым, предотвращения отказа всей электросети.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного линейного защитного автомата постоянного напряжения. Эта задача решаются линейным защитным автоматом постоянного напряжения с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Линейный защитный автомат постоянного напряжения в соответствии с изобретением содержит с первого по четвертый узлы, причем
- между первым узлом и четвертым узлом размещен первый прерыватель,
- между четвертым узлом и третьим узлом размещен второй прерыватель,
- между четвертым узлом и вторым узлом размещена схема генератора импульсов, причем схема генератора импульсов включает в себя параллельное соединение конденсатора с последовательным соединением индуктивности и переключателя,
- между третьим узлом и вторым узлом размещен первый поглотитель энергии.
При этом между первым узлом и вторым узлом может прикладываться первое постоянное напряжение, а между третьим узлом и вторым узлом ответвляться второе постоянное напряжение. Переключатель может быть полупроводниковым переключателем, например биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) или тиристором (полупроводниковым выпрямителем с тремя выводами, SCR).
При создании изобретения было установлено, что схема генератора импульсов при подходящем управлении позволяет очень быстро вынуждать переход тока через нуль. Этот вынужденный переход через нуль позволяет предпочтительным образом размыкать линию, защищенную линейным защитным автоматом постоянного напряжения. Это предпочтительным образом обеспечивает возможность выполнения линейного защитного автомата постоянного напряжения с очень небольшим числом переключающих элементов и сокращает максимально необходимое время для полного прерывания тока и избирательного отключения части проводной сети.
Рациональным образом последовательно с первым поглотителем энергии расположен безынерционный диод, чтобы при нормальных соотношениях напряжения выдерживать размыкание между третьим узлом и вторым узлом.
Предпочтительным образом схема генератора импульсов содержит последовательно с параллельным соединением сопротивление и второй диод. Кроме того, схема генератора импульсов предпочтительно содержит второй варистор параллельно параллельному соединению и сопротивлению.
Предпочтительным образом линейный защитный автомат постоянного напряжения содержит устройство управления, которое выполнено так, чтобы в случае отключения выполнять следующие этапы:
- отключать тиристор,
- размыкать второй прерыватель,
- размыкать первый прерыватель.
В предпочтительной форме выполнения линейного защитного автомата постоянного напряжения первый прерыватель является лишь простым размыкателем или, альтернативно, SF6-прерывателем. Предпочтительным образом SF6-прерыватели подходят для прерывания очень больших напряжений. Предпочтительным образом второй прерыватель является гибридным прерывателем. Предпочтительным образом второй прерыватель содержит вакуумный прерыватель. Предпочтительным образом вакуумные прерыватели пригодны для больших частот переключения и в значительной степени не требуют технического обслуживания.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения и способ их достижения станут более очевидными и более понятными в связи со следующим описанием примеров осуществления, которые объяснены со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - схемное устройство линейного защитного автомата постоянного напряжения;
Фиг. 2-5 - диаграммы характеристик тока и напряжения при отключении короткого замыкания;
Фиг. 6 - схемное устройство биполярного линейного защитного автомата постоянного напряжения.
Фиг. 1 показывает схемное устройство линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения. Линейный защитный автомат постоянного напряжения может быть встроен в проводную сеть постоянного тока, чтобы в случае короткого замыкания селективно отключать часть проводной сети постоянного тока. Линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения может, например, быть предусмотрен для применения в проводной сети постоянного тока высокого напряжения. Линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения обеспечивает в проводной сети постоянного тока защиту положительной фазы от потенциала земли, отрицательной фазы от потенциала земли и положительной фазы от отрицательной фазы.
Линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения имеет с первого по четвертый узлы 101, …, 104. Узлы 101, …, 104 являются схемными узлами линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения, которые, соответственно, находятся под электрическим потенциалом. Узлы 101, …, 104 могут в соответствии с этим также охватывать электрические участки провода, если электрические сопротивления этих участков провода пренебрежимо малы.
Между первым узлом 101 и вторым узлом 102 линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения может быть приложено постоянное напряжение 200. Постоянное напряжение 200 может быть напряжением источника, которое посредством высоковольтного выпрямителя приложено к проводной сети постоянного тока. Первый узел 101 и второй узел 102 образуют в этом случае входную сторону линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения и подключенной к линейному защитному автомату 100 постоянного напряжения проводной сети постоянного тока. Постоянное напряжение 200, приложенное между первым узлом 101 и вторым узлом 102, может составлять, например, 500 кВ. Постоянное напряжение 200 может, однако, иметь и более высокие значения напряжения более 1200 кВ. Постоянное напряжение 200 может в проводной сети постоянного тока, в которой применяется линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения, возбуждать постоянный ток 20 кА и более.
Между третьим узлом 103 и вторым узлом 102 линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения может ответвляться выходное напряжение 210. Выходное напряжение 210 является постоянным напряжением и соответствует по существу постоянному напряжению 200, приложенному между первым узлом 101 и вторым узлом 102. В случае короткого замыкания линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения может, однако, размыкать соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103, так что выходное напряжение 210 более не соответствует постоянному напряжению 200.
К третьему узлу 103 и второму узлу 102 могут примыкать части линий проводной сети постоянного тока, в которой применяется линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения. Эти части проводной сети постоянного тока схематично представлены на Фиг. 1 посредством импеданса 220 линии, сопротивления 230 линии и нагрузочного сопротивления 240.
Между первым узлом 101 и четвертым узлом 104 размещен вспомогательный прерыватель 110. Вспомогательный прерыватель 110 служит для того, чтобы в случае короткого замыкания разделять электрическое соединение между первым узлом 101 и четвертым узлом 104.
Между четвертым узлом 104 и третьим узлом 103 линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения содержит гибридный прерыватель 120. Гибридный прерыватель 120 служит для того, чтобы в случае короткого замыкания размыкать электрическое соединение между четвертым узлом 104 и третьим узлом 103.
Вспомогательный прерыватель 110 и гибридный прерыватель 120 могут разделять электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103 только тогда, когда ток, протекающий между первым узлом 101 и третьим узлом 103, мал, то есть приближается к нулевому значению. В противном случае во время размыкания соединения между первым узлом 101 и третьим узлом 103 может происходить постоянное формирование электрических дуг, которые могут повредить или разрушить вспомогательный прерыватель 110, гибридный прерыватель 120, весь линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения или другие части проводной сети постоянного тока. Таким образом, в случае короткого замыкания электрический ток, протекающий между первым узлом 101 и третьим узлом 103, в кратчайшее время должен быть снижен до нуля, чтобы вспомогательный прерыватель 110 и гибридный прерыватель 120 могли прервать электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103. Для этого линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения содержит схему 185 генератора импульсов, которая расположена между четвертым узлом 104 и вторым узлом 102.
Кроме того, линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения содержит между третьим узлом 103 и вторым узлом 102 последовательное соединение из безынерционного диода 130 и металлоксидного варистора 140. Безынерционный диод 130 включен в запирающем состоянии по отношению к обычно положительному DC напряжению на третьем узле 103.
Схема 185 генератора импульсов линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения содержит сопротивление 150, катушку 160, конденсатор 170, тиристор 190 и второй металлоксидный варистор 180. При этом конденсатор 170, с одной стороны, и схема последовательного соединения из катушки 160 и тиристора 190 образуют параллельное соединение. Оно включено, в свою очередь, последовательно с сопротивлением 150. Последовательное соединение сопротивления и параллельного соединения, в свою очередь, расположено параллельно второму металлоксидному варистору 180. Второй диод 195 включен перед упомянутыми элементами последовательно с четвертым узлом 104. При этом второй диод 195 расположен в проводящем состоянии для обычно положительного DC напряжения на четвертом узле 104.
Схема 185 генератора импульсов служит для того, чтобы вырабатывать электрический противоток через вакуумный прерыватель 120, который направлен противоположно обычному протеканию тока через гибридный прерыватель 120 и компенсирует его. Таким способом схема 185 генератора импульсов вызывает переход через нуль протекания тока через гибридный прерыватель 120, который позволяет гибридному прерывателю 120 прерывать электрическое соединение между первым узлом 101 и четвертым узлом 104 и, тем самым, также размыкать электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103.
Металлоксидные варисторы 140, 180 служат для того, чтобы поглощать энергию 165, высвобождающуюся в случае короткого замыкания и обусловленного линейным защитным автоматом 100 постоянного напряжения прерывания.
В обычном режиме работы линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения тиристор 190 линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения открыт. Протекание тока между первым узлом 101 и третьим узлом 103 возможно через вспомогательный прерыватель 110 и гибридный прерыватель 120. Если в проводной сети постоянного тока, в которой применяется линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения, происходит короткое замыкание, то электрический ток, протекающий через линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения, сильно возрастает. Это детектируется не показанным на Фиг. 1 детекторным устройством. Если распознается чрезмерное повышение электрического тока, протекающего в проводной сети постоянного тока, то выполняется отключение.
Далее приводится примерная схема последовательности этапов: Первый временной интервал от 0 мс до 0,5 мс: Сеть работает нормально.
Второй временной интервал от 0,5 мс до 1,6 мс: В сети происходит короткое замыкание, и ток возрастает по существу линейно, причем возрастание зависит от импеданса 220 линии.
Третий временной интервал от 1,6 мс до 1,64 мс: Короткое замыкание в сети детектируется и подтверждается. Гибридный прерыватель 120 размыкается. Тиристор 190 посредством управления линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения включается. Затем конденсатор 170 разряжается через катушку 160, что приводит к обратному - по отношению к нормальным условиям линейного защитного автомата 100 постоянного напряжения напряжению 155 на схеме 185 генератора импульсов. Так как напряжение электрической дуги обычно сравнительно низкое (от 8 В до 80 В), то постоянное напряжение 200 и выходное напряжение 210 сначала практически равны. Напряжение падает затем на значение порогового напряжения металлоксидного варистора 140.
Четвертый временной интервал от 1,64 мс до 1,68 мс: Если пороговое напряжение металлоксидного варистора 140 достигнуто, то ток 157 через схему 18 5 генератора импульсов коммутируется на металлоксидный варистор 140 и гибридный прерыватель 120. Если схема 185 генератора импульсов соответствующим образом рассчитана, то ток через гибридный прерыватель 120 испытывает переход через нуль, за счет чего электрическая дуга гасится и, тем самым, ток окончательно прерывается. Для того чтобы вызвать переход через нуль, пиковое значение тока 157 через схему 185 генератора импульсов должно соответствовать по меньшей мере иначе протекающему току через гибридный прерыватель 120. Источник 205 тока заряжает затем конденсатор 170 вновь до порогового напряжения второго металлоксидного варистора 180.
Пятый временной интервал от 1,68 мс до 4,9 мс: Магнитным образом накопленная энергия 165 во втором металлоксидном варисторе 180 спадает, и источник 205 тока в момент t5 времени имеет переход через нуль, и линейный защитный автомат 100 постоянного напряжения может осуществить окончательное размыкание, например, посредством размыкания вспомогательного прерывателя 110. Если силовой переключатель расположен на сборной шине, то вспомогательный прерыватель 110 должен удовлетворять существенно меньшим требованиям. Его использование предотвращает осцилляцию конденсатора 170 после процесса отключения. К тому же он служит для создания надежного разделяющего участка. Временной интервал, который проходит от спада энергии 165, зависит от свойств варисторов 140, 180. Более высокая скорость спадания может, например, достигаться посредством параллельного включения нескольких варисторов 140, 180.
Фиг. 2-5 показывают характеристики постоянного напряжения 200, тока 205 источника, выходного напряжения 210 и выходного тока 215, напряжения 155 на схеме 185 генератора импульсов и тока 157 через схему 185 генератора импульсов, а также уменьшенную энергию 165. При этом показанные на Фиг. 3 характеристики возникают при коротком замыкании, воспринятом на расстоянии 1000 км. Характеристики на Фиг. 4 возникают при коротком замыкании, воспринятом на расстоянии менее 1 км.
Фиг. 6 показывает в очень схематичном виде структуру второго линейного защитного автомата постоянного напряжения, который выполнен для симметричных монополярных (и биполярных) случаев применения. При этом весь второй линейный защитный автомат постоянного напряжения состоит из двух линейных защитных автоматов 100 постоянного напряжения по Фиг. 1. Один из них расположен между положительным полюсом и потенциалом земли, а второй из них расположен между потенциалом земли и отрицательным полюсом.
Линейный защитный автомат постоянного напряжения обеспечивает возможность физического размыкания в проводной сети постоянного тока при энергиях 165 до 20 МДж за время порядка величины 10 мс. Это соответствует обычным условиям для проводных сетей переменного напряжения. Линейный защитный автомат постоянного напряжения обеспечивает возможность применения проводных сетей постоянного тока с ячейками, то есть проводных сетей постоянного тока, которые включают в себя не только соединение от точки к точке. Линейный защитный автомат постоянного напряжения особенно предпочтителен для применения в многотерминальных морских точках ввода мощности высокого напряжения, которые используют возобновляемые источники энергии. Линейный защитный автомат постоянного напряжения может, например, применяться в комбинации с ветроэнергетическими установками.