Сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначена для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ).
Для защиты электрооборудования в цепях переменного и постоянного тока от токов КЗ применяются устройства, ограничивающие уровень тока до допустимого уровня. Сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ) рассматриваются в качестве наиболее перспективной альтернативы традиционным методам защиты из-за замечательных особенностей сверхпроводящих материалов. Одной из основных проблем, которую необходимо решить при создании резистивных СОТ, является уменьшение времени Δt, в течение которого ВТСП находится в активной фазе ограничения тока, что препятствует деградации сверхпроводника. Существенно уменьшить длительность режима токоограничения, и тем самым уменьшить объем дорогостоящей ВТСП ленты и сделать СОТ более конкурентоспособным можно при использовании коммутационного СОТ. Коммутационный СОТ содержит последовательно соединенные ВТСП модуль и быстродействующий выключатель, время отключения которого в несколько раз меньше времени отключения сетевого выключателя.
Известен сверхпроводниковый ограничитель тока, содержащий ВТСП и последовательно подсоединенный к нему быстродействующий выключатель, который отключает ток в первом нуле переменного тока (Заявка Германии DE19939066 (А1), класс Н02Н 9/02, опубл. 2001-03-08). Сигнал для запуска выключателя формируется при повышении напряжения на ВТСП в момент его перехода из сверхпроводящего состояния в резистивное проводящее состояние.
Недостатком данного устройства является большой объем сверхпроводника и невозможность прерывания постоянного тока.
Известен коммутационный СОТ (Патент RU 2321131 (С1), класс Н02Н 9/02, опубл. 27.03.2008), который содержит параллельно соединенные ВТСП модуль с сопротивлением R в резистивном состоянии и цепь с конденсатором С, последовательно к которым подсоединен выключатель, который отключает ток после перехода ВТСП в нормальное состояние. В цепи, параллельной сверхпроводнику, последовательно с конденсатором С подсоединено линейное сопротивление, а параллельно к участку цепи, содержащему выключатель и конденсатор С, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L и управляемым ключом, который включается с заданной задержкой после размыкания контактов выключателя. При включении ключа в LC контуре возникает переменный ток с частотой ω≈2π√LC, который обеспечивает перевод тока КЗ в выключателе через ноль при выполнении соотношения R>√L/C.
6
Недостатком данного устройства является наличие контура противотока, содержащего управляемый ключ, коммутирующий конденсатор и индуктивность. С увеличением токов коммутации (10-15 кА) с высокой скоростью нарастания до 10 А/сек потребуется существенно увеличить габариты элементов контура противотока. Минимальное время отключения тока в выключателе составляет 5 мс, что ограничивает возможность уменьшения объема ВТСП модуля коммутационного СОТ.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому является гибридное устройство, содержащее три параллельных ветви (Заявка Великобритании WO 2014/177874 (A3), класс Н02Н 9/02, опубл. 06.11.2014). Первая ветвь содержит последовательно соединенные устройство РТС (терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления) и механический выключатель. Существует вторичная ветвь с силовым полупроводниковым блоком (СПБ), расположенным параллельно ветви с устройством РТС. Устройство РТС служит для обеспечения перевода аварийного тока из первой ветви в ветвь с СПБ и облегчения отключения тока механическим выключателем. Переход тока происходит вследствие увеличения сопротивления РТС. Перешедший во вторую ветвь ток отключается СПБ и переходит в третью параллельную ветвь с ограничителем перенапряжений ОПН. Минимальное время длительности режима токоограничения в гибридном устройстве (менее 4 мс). В качестве РТС может использоваться сверхпроводниковый модуль. В качестве механического выключателя может использоваться вакуумный выключатель.
Недостатком данного устройства является возможность отказа отключения тока в механическом выключателе, поскольку часть тока продолжает течь в цепи выключателя вследствие конечного сопротивления второй ветви с СПБ. Это ограничивает их применение для отключения больших токов более нескольких тысяч ампер.
Технической задачей полезной модели является создание гибридного сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ), обеспечивающего быстрое и надежное отключение аварийного тока в сетях постоянного напряжения с ожидаемым током КЗ до 35 кА.
Техническим результатом предложенного решения является повышение коммутационной способности гибридного СОТ с механическим выключателем за счет использования дополнительного контура противотока, размещенного параллельно выключателю. Предложенное устройство способствует повышению отключающей способности гибридного СОТ.
c
втсп
c
втсп
Технический результат достигается тем, что устройство содержит три параллельные ветви, причем первая ветвь состоит из соединенных последовательно ВТСП блока (содержит ВТСП модули с критическим током I, при превышении которого сверхпроводниковый блок становится резистивным с нелинейным сопротивлением R) и выключателя, вторая ветвь содержит СПБ (состоит из биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT), третья ветвь содержит ОПН, который рассеивает накопленную в индуктивности L внешней цепи энергию. Существенным признаком нового схемного решения является то, что параллельно выключателю подсоединен контур противотока, содержащий конденсатор С, индуктивность L, быстродействующий управляемый ключ (БУК) и линейное сопротивление R, причем должно выполняться соотношение √L/C<R. Кроме того, СОТ содержит блок управления, который служит для управления выключателем, блоком СПБ и БУК.
Сущность предложенного технического решения поясняется иллюстрациями, где
на фиг. 1 показана принципиальная схема сверхпроводникового ограничителя токов короткого замыкания,
на фиг. 2 приведены диаграммы токов в элементах СОТ в процессе отключения постоянного тока.
c
втсп
C
Сверхпроводниковый ограничитель содержит три параллельные ветви (фиг. 1). Первая ветвь состоит из соединенных последовательно ВТСП блока 1 (содержит ВТСП модули с критическим током I, при превышении которого сверхпроводниковый блок становится резистивным с нелинейным сопротивлением R), и выключателя 2, выполненного как быстродействующий выключатель, отключающий ток при его прохождении через ноль. Вторая ветвь содержит СПБ 3 (состоит из биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT). Третья ветвь содержит ОПН 4. Параллельно выключателю 2 подсоединен контур противотока, содержащий конденсатор С 5, индуктивность L 6 и БУК 7. Кроме того, СОТ содержит блок управления 8, который служит для управления выключателем 2, блоком СПБ 3 и ключом БУК 7. Линейное сопротивление 9 служит для зарядки конденсатора 6 от внешней цепи. ОПН 4 рассеивает накопленную в индуктивности L 10 внешней цепи энергию.
C,
Устройство работает следующим образом. При номинальном токе выключатель 2 замкнут, а СПБ 3 закрыт. При возникновении КЗ ток в устройстве i начинает нарастать в соответствии с параметрами внешней цепи. С ростом тока i его величина достигает критического значения ~ 2I и ВТСП выходит из состояния сверхпроводимости.
втсп
втсп
втсп
втсп
ON
1
втсп
2
1
втсп
t
1
опн
max
Сверхпроводниковый блок 1 становится резистивным с сопротивлением R > 0 Ом. В результате на ВТСП блоке 1 появляется падение напряжения U = i*R, которое подается на блок управления 8, который формирует команду на разведение контактов выключателя 2. С достижением напряжения U > U в блоке управления 8 формируется сигнал на включение СПБ 3, и транзисторы переводятся в открытое состояние, после чего ток i в цепи выключателя 2 заметно уменьшается. Сопротивление ВТСП блока 1 R должно существенно превышать (хотя бы на порядок) сопротивление СПБ в открытом состоянии, тогда большая часть тока i перетекает из первой ветви во вторую. Поскольку часть тока i продолжает течь в первой ветви, выключатель 2 снабжен контуром противотока с конденсатором С 5, индуктивностью L 6 и БУК 7. Волновое сопротивление контура противотока √L/С<R должно быть меньше сопротивления ВТСП блока 1. В момент разведения контактов выключателя 2 на максимальное расстояние (более 2 мм) подается команда на включение СПБ 3. После включения БУК 7 в контуре противотока инициируется переменный ток i, и ток в выключателе 2 отключается. При получении сигнала о прекращении тока i управляющий сигнал в блоке управления 8 снимается, и транзисторы СПБ 3 переходят в закрытое состояние. Происходит отключение тока во второй ветви. Возникающее при этом перенапряжение (за счет индуктивности внешней цепи 10) вызывает открывание ОПН 4, переход и спад тока в ОПН, поглощение в них энергии внешней цепи, и ограничение напряжения на выключателе 2 и на СПБ 3 на уровне U_. После отключения тока снова происходит зарядка конденсатора С 5 от внешней цепи через линейное сопротивление 9. После возвращения ВТСП в сверхпроводящее состояние ограничитель токов КЗ будет снова готов к работе.
В качестве быстродействующего выключателя 2 предпочтительнее использовать вакуумный выключатель, который отличается коротким временем горения электрической дуги и низким уровнем рассеиваемой в нем энергии. В качестве управляемого быстродействующего ключа 7 предпочтительнее использовать управляемый вакуумный разрядник или тиристор, который способен быстро включаться (время включения единицы микросекунд) и отключать ток.
0
C
втсп
Решение технической задачи подтверждено моделированием режима ограничения тока КЗ в цепи постоянного тока на максимальное напряжение 4 кВ с сопротивлением R = 0,1 Ом и индуктивностью 10 L = 1 мГн. Для численного моделирования переходных процессов в гибридном СОТ была использована упрощенная модель, в которой СПБ 3 заменен на линейное сопротивление R = 0,2 Ом. В качестве силового полупроводникового блока СПБ 3 в моделировании использовался тиристор. При моделировании использовались следующие параметры контура противотока: С 5 = 4,7 мкФ, L 6 = 33 мкГн.
y
y
втсП,
1
2
1
t
2
опн
В исходном состоянии контакты выключателя 2 замкнуты, и тиристор 3 выключен. Модель работает следующим образом (фиг. 2). При достижении тока i в ветви, содержащей выключатель 2 тока, равного току I уставки (в данной модели I = 4,8 кА достигался через t = 1,25 мс после начала тока), подается сигнал на размыкание контактов выключателя 2 и включение тиристора 3. Резистор R имитирующий сверхпроводник в несверхпроводящем состоянии, включался при токе в цепи 10 кА (t=2,79 мс). В этот момент ток i в цепи выключателя 2 уменьшался до 100 А, и его основная часть i перетекала из первой ветви во вторую с тиристором 5. Затем с задержкой 3 мс подавался сигнал на включение БУК 7 для инициирования разряда конденсатора 5 в контуре противотока. В результате суммирования тока i и противотока i суммарный ток в выключателе сводился к нулю, и весь ток i к переходил в ветвь с тиристором 3. Затем подавалась команда на отключение тиристора 3, ток i переходил в ветвь с ОПН 4 и, благодаря ВАХ ОПН, спадал до нуля.
Амплитуда противотока в выключателе не превышала 1,5 кА, что примерно на порядок уменьшает емкость конденсатора С 5 по сравнению конденсатором контура противотока в вакуумном выключателе постоянного тока с током отключения 15 кА.
В результате моделирования показано, что предлагаемый гибридный СОТ позволяет быстро и надежно ограничить и отключить ток КЗ.
Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена высокой надежностью защиты и снижением аварийности защищаемого дорогостоящего высоковольтного оборудования. Предложенный гибридный СОТ возьмет на себя токоограничивающую функцию реактора тяговой подстанции постоянного тока, позволит существенно уменьшить амплитуду ударного тока КЗ, облегчить работу фидерных выключателей, снизить электродинамическое и термическое воздействие на элементы защищаемой цепи.