СИЛОВОЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DIRECT VOLTAGE POWER SWITCH

Настоящее изобретение относится к силовому переключателю постоянного напряжения.
Электрическая энергия генерируется на электростанциях обычно в виде трехфазного переменного тока. Для передачи эта энергия преобразуется посредством силовых трансформаторов до очень высоких переменных электрических напряжений и передается по воздушным линиям. При очень длинных воздушных линиях передача энергии с помощью постоянного тока, однако, связана с меньшими потерями и, таким образом, более благоприятна.
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 силовые переключатели постоянного напряжения, чтобы повысить доступность планируемых электросетей постоянного тока. Силовые переключатели постоянного напряжения используются для выборочного отключения части электросети в случае выхода из строя и, тем самым, предотвращения отказа всей электросети.
Для этого известно, что для отключения постоянного тока в силовом переключателе постоянного напряжения генерируется противоток, который приводит к переходу через нуль тока. Для этого разряжается конденсатор. Недостатком является то, что импульс тока, который из-за процесса отключения накладывается на линии, подключенные к переключателю, в удаленных от переключателях местах сети может интерпретироваться как неисправность и, тем самым, может вызвать дополнительные, непреднамеренные процессы переключения. Кроме того, конденсатор, используемый для перехода через нуль тока, должен рассчитываться на наихудший случай короткого замыкания; для отключения значительно более низких рабочих токов и токов перегрузки конденсатор, напротив, рассчитан с сильным превышением параметров, что, наряду с неверной интерпретацией в сети, может даже привести к сбоям переключения.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного силового переключателя постоянного напряжения. Еще одной задачей является обеспечение способа работы такого силового переключателя постоянного напряжения. Эти задачи, в связи с переключателем, решаются силовым переключателем постоянного напряжения с признаками пункта 1 формулы изобретения. В отношении способа, решение состоит в способе с признаками пункта 9 формулы изобретения.
Силовой переключатель постоянного напряжения в соответствии с изобретением содержит по меньшей мере один прерыватель и параллельно с прерывателем расположенное коммутаторное устройство. Коммутаторное устройство содержит конденсаторную схему, которая, в свою очередь, содержит параллельное соединение по меньшей мере двух конденсаторных ветвей. Конденсаторные ветви содержат, каждая, конденсатор, включенный последовательно с индуктивностью и переключателем конденсаторной ветви.
В силовом переключателе постоянного напряжения в соответствии с изобретением предпочтительно можно варьировать высоту генерируемого противотока. За счет включения различных комбинаций переключателей конденсаторных ветвей могут генерироваться противотоки различной величины. Таким образом, обеспечение перехода через нуль тока в прерывателе может согласовываться с имеющейся ситуацией, и риск формирования в другом месте в сети видимости ошибки снижается. Тем самым также нагрузочные токи и токи перегрузки в сети могут отключаться с минимальным воздействием или нагрузкой на сеть.
Рациональным образом, коммутаторное устройство содержит последовательное соединение из коммутаторного сопротивления, коммутаторной катушки и конденсаторной схемы. Также рационально, если для снижения энергии процесса переключения предусмотрен поглотитель энергии в параллельном включении к коммутаторному устройству.
Очень предпочтительно, если конденсаторы в конденсаторных ветвях имеют взаимно различные емкости. За счет этого обеспечивается возможность более широкомасштабного согласования противотока с потребностями отключения.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, один или более конденсаторов выбраны таким образом, что формируемый противоток за счет включения соответствующего или соответствующих переключателя(ей) конденсаторной(ых) ветви(ей) достаточен для переключения номинальных токов.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, один или более конденсаторов выбраны таким образом, что формируемый противоток за счет включения соответствующего или соответствующих переключателя(ей) конденсаторной(ых) ветви(ей) достаточен для переключателя токов короткого замыкания.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, один или более конденсаторов выбраны таким образом, что формируемый противоток за счет включения соответствующего или соответствующих переключателя(ей) конденсаторной ветви рассчитан на размыкание линии при очень малых токах.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения силовой переключатель постоянного напряжения содержит шесть конденсаторных ветвей, из которых каждые две конденсаторные ветви выполнены с возможностью переключения номинальных токов, переключения токов короткого замыкания и размыкания линии при очень малых токах.
При этом емкости конденсаторов предпочтительно находятся в интервале от 1 мкФ до 50 мкФ.
Соответствующий изобретению способ функционирования описанного силового переключателя постоянного напряжения содержит следующие этапы:
- определение условия размыкания для силового переключателя постоянного напряжения, причем условие размыкания включает в себя по меньшей мере одно из следующих условий размыкания:
- требование отключения емкостных нагрузок и проводов или кабелей;
- требование размыкания при протекании тока;
- нарастание тока в качестве индикатора короткого замыкания;
- превышение критической скорости нарастания тока в сети в качестве индикатора короткого замыкания;
- определение по меньшей мере одной подходящей для условия размыкания конденсаторной ветви;
- размыкание по меньшей мере одного блока прерывателя перед срабатыванием переключателя конденсаторной ветви;
- замыкание переключателя или переключателей конденсаторной ветви определенных конденсаторных ветвей.
Рациональным образом, при возникающем переходе через нуль тока, тогда осуществляется размыкание первого прерывателя.
Вышеописанные 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 единственную фигуру чертежей.
Фиг. 1 показывает схемное устройство силового переключателя 100 постоянного напряжения. Силовой переключатель постоянного напряжения может встраиваться в электросеть постоянного тока, чтобы, в случае короткого замыкания, отключить часть электросети постоянного тока избирательным образом. Силовой переключатель 100 постоянного напряжения может, например, быть предусмотрен для использования в высоковольтной электросети постоянного тока. Силовой переключатель 100 постоянного напряжения обеспечивает в электросети постоянного тока возможность защиты положительной фазы относительно потенциала земли, отрицательной фазы относительно потенциала земли и положительной фазы относительно отрицательной фазы.
Силовой переключатель 100 постоянного напряжения имеет с первого по третий узлы 101…103. Узлы 101…103 являются узлами переключения силового переключателя 100 постоянного напряжения, которые соответственно находятся на электрическом потенциале. Узлы 101…103 могут в соответствии с этим включать в себя, соответственно, также электрические участки проводника, если электрические сопротивления этих участков проводника пренебрежимо малы.
Между первым узлом 101 и вторым узлом 102 силового переключателя 100 постоянного напряжения может быть приложено постоянное напряжение 200. Постоянное напряжение 200 может быть напряжением источника, которое прикладывается через выпрямитель высокого напряжения к электросети постоянного тока. Первый узел 101 и второй узел 102 образуют в этом случае входную сторону силового переключателя 100 постоянного напряжения и примыкающей к силовому переключателю 100 постоянного напряжения электросети постоянного тока. Постоянное напряжение 200, прикладываемое между первым узлом 101 и вторым узлом 102, может составлять, например, 500 кВ. Однако постоянное напряжение 200 может также принимать более высокие значения напряжения более 1200 кВ или меньшие значения всего лишь только 50 кВ. Постоянное напряжение 200 в электросети постоянного тока, в которой применяется силовой переключатель 100 постоянного напряжения, может возбуждать постоянный ток величиной 20 кА или более.
Между третьим узлом 103 и вторым узлом 102 силового переключателя 100 постоянного напряжения может отводиться выходное напряжение 210. Выходное напряжение 210 является постоянным напряжением и, по существу, соответствует постоянному напряжению 200, приложенному между первым узлом 101 и вторым узлом 102. В случае короткого замыкания силовой переключатель 100 постоянного напряжения может разъединять 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 также присоединяться части линий электросети постоянного тока, в которой применяется силовой переключатель 100 постоянного напряжения. Эти части электросети постоянного тока показаны на фиг. 1 схематично с помощью импеданса 220 линии, сопротивления 230 линии и нагрузочного сопротивления 240.
Между первым узлом 101 и третьим узлом 103 размещен прерыватель 120. Прерыватель 120 служит для того, чтобы в случае короткого замыкания разъединять электрическое соединение между первым узлом 101 и четвертым узлом 103.
Прерыватель 120 может разъединять электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103 только тогда, когда электрический ток, протекающий между первым узлом 101 и третьим узлом 103 мал, то есть приближается к нулевому значению, и соответствующий ток через прерыватель предпочтительно изменяет знак, т.е. испытывает пересечение нуля. В противном случае во время разъединения соединения между первым узлом 101 и третьим узлом 103 происходит негасимое формирование электрических дуг, которые могут повредить или даже разрушить прерыватель 120 и весь силовой переключатель 100 постоянного напряжения или также другие части электросети постоянного тока. Таким образом, в случае короткого замыкания, электрический ток, протекающий между первым узлом 101 и третьим узлом 103, должен быть снижен в течение кратчайшего времени до нуля, чтобы прерыватель 120 мог прерывать электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103. Для этого силовой переключатель 100 постоянного напряжения содержит коммутаторную схему, которая расположена параллельно прерывателю 120 между первым узлом 101 и третьим узлом 103.
Коммутаторная схема силового переключателя 100 постоянного напряжения включает в себя коммутаторное сопротивление 150, коммутаторную катушку 160 и конденсаторную схему. Коммутаторное сопротивление 150, коммутаторная катушка 160 и конденсаторная схема образуют последовательное соединение. Кроме того, можно изменить последовательность соединения коммутаторного сопротивления 150, коммутаторной катушки 160 и конденсаторной схемы.
Коммутаторная схема служит для генерации электрического противотока через прерыватель 120, который направлен противоположно обычному протеканию тока и компенсирует его. Таким образом, коммутаторная схема вызывает переход через нуль протекания тока через прерыватель 120, что позволяет прерывателю 120 прерывать электрическое соединение между первым узлом 101 и третьим узлом 103.
Силовой переключатель 100 постоянного напряжения содержит, кроме того, поглотитель 180 энергии, который расположен между первым узлом 101 и третьим узлом 103. Поглотитель 180 энергии, таким образом, включен параллельно коммутаторной схеме. Поглотитель 180 энергии предназначен для того, чтобы поглощать энергию, накопленную магнитным образом и высвобождающуюся в случае короткого замыкания и прерывания, обусловленного силовым переключателем 100 постоянного напряжения. Поглотитель 180 энергии может, например, содержать металлоксидный ограничитель напряжения, такой как ZnO-варисторный столбик.
Конденсаторная схема содержит параллельное соединение по меньшей мере двух, предпочтительно от трех до шести, конденсаторных ветвей. При этом конденсаторные ветви содержат, каждая, последовательное соединение из переключателя 190…195 конденсаторной ветви и конденсатора 170…175 конденсаторной ветви. При этом конденсаторы выбраны с различной емкостью и заряжаются до некоторого напряжения с помощью не показанного на чертеже источника напряжения. При этом емкость получается из противотока, который должен быть сформирован:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
и
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>L</mi><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow>
Постоянное напряжение 200 может составлять, например, 500 кВ. Ток в первом узле 101 силового переключателя 100 постоянного напряжения, протекающий в силовой переключатель 100 постоянного напряжения, может иметь, например, силу тока 20 кА.
В обычном режиме работы силового переключателя 100 постоянного напряжения переключатели 190…195 конденсаторных ветвей силового переключателя 100 постоянного напряжения разомкнуты. Протекание тока между первым узлом 101 и третьим узлом 103 возможно через прерыватель 120. Если в электросети постоянного тока, в которой применяется силовой переключатель 100 постоянного напряжения, возникает короткое замыкание, то электрический ток, протекающий через силовой переключатель 100 постоянного напряжения, сильно возрастает. Это обнаруживается устройством обнаружения, не показанным на фиг. 1. Если распознается чрезмерное повышение электрического тока, протекающего через силовой переключатель 100 постоянного напряжения, то выполняется отключение. Для этого включаются первый и/или второй переключатели 190, 191 конденсаторных ветвей. За счет этого генерируется противоток, который в течение нескольких мс может свести к нулю ток через прерыватель 120. После этого прерыватель 120 может продолжительно отключать ток. Токи, подлежащие здесь отключению, то есть высота противотока составляет 50 кА и более.
Другая ситуация, в которой силовой переключатель 100 постоянного напряжения может осуществить отключение, представляет собой намеренное отключение при номинальном токе. В этом случае в силовом переключателе 100 постоянного напряжения включаются третий и/или четвертый переключатели 192, 193 конденсаторных ветвей. Подключение одного или обоих конденсаторов ветвей зависит от величины отключаемого тока. Он может находиться в пределах, например, от 1 кА до 10 кА. Таким образом, силовой переключатель 100 постоянного напряжения может реагировать гибким образом, и при текущем низком протекающем токе высота противотока может получаться более низкой.
Третья ситуация возникает тогда, когда должны отключаться малые токи, менее 1 кА, то есть должно осуществляться разъединение или коммутация линий или малых емкостных нагрузок. В этом случае включаются пятый и/или шестой переключатели 194, 195 конденсаторных ветвей. Генерируемый противоток является здесь относительно низким. Тем самым импульс тока, воспринимаемый вне силового переключателя 100 постоянного напряжения, сводится к минимуму и уменьшает вероятность того, что другие переключатели воспримут этот импульс тока ошибочным образом как короткое замыкание.
Силовой переключатель 100 постоянного напряжения позволяет осуществлять физическое разъединение в электросети постоянного тока при энергиях до 20 мДж за время порядка 10 мс. Это соответствует случаю, обычному для электросетей переменного тока. Силовой переключатель 100 постоянного напряжения позволяет использовать электросети постоянного тока с ячейками, то есть электросети постоянного тока, которые включают в себя не только соединения от точки к точке. Силовой переключатель 100 постоянного напряжения является особенно предпочтительным для использования в многотерминальных морских высоковольтных точках ввода энергии, которые используют возобновляемые источники энергии. Силовой переключатель 100 постоянного напряжения может, например, применяться в комбинации с ветроэнергетическими установками. За счет возможности согласования противотока с текущей ситуацией, с помощью описанного переключателя минимизируется влияние на другие части сети постоянного напряжения.