ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
SAFETY DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для защиты оборудования, присоединенного к линии высоковольтного постоянного тока высокого напряжения, упомянутое устройство является сконфигурированным для получения упомянутой защиты, имея средство присоединения к земле, дающее возможность присоединения упомянутой линии к земле, упомянутое средство присоединения к земле содержит вентиль тока, имеющий по меньшей мере одно полупроводниковое устройство запираемого типа, присоединенное его прямым токопроводящим направлением к земле, и по меньшей мере один выпрямительный элемент, присоединенный встречно-параллельно с ним, упомянутое устройство дополнительно содержит блок управления, сконфигурированный для управления упомянутым по меньшей мере одним полупроводниковым устройством, чтобы служить проводником для отведения тока из упомянутой линии, и, тем самым, защищая упомянутое оборудование.
«Линия постоянного тока высокого напряжения» должна широко толковаться и включает в себя, в этом контексте, любую линию, подающую электроэнергию в виде постоянного тока на любой тип оборудования, и который находится на высоковольтном потенциале, то есть напряжении по меньшей мере в 1 кВ, но обычно выше, таком как порядка от 100 кВ до 1200 кВ. Таким образом, упомянутая линия не должна быть сетью постоянного напряжения на станции для передачи электроэнергии между преобразовательными подстанциями, хотя таковая является конкретным применением настоящего изобретения.
«Защита» здесь также должна широко толковаться, и это, например, может включать в себя предотвращение, что напряжение на упомянутой линии будет достигать слишком высоких уровней или что ток, подаваемый в упомянутое оборудование, будет превышать предопределенный уровень. Таким образом, она может быть вопросом достижения лучшей или более предпочтительной работы упомянутого оборудования посредством упомянутой «защиты», но она также может быть защитой оборудования для предотвращения его повреждения.
Для разъяснения изобретения, но не никоим образом не ограничения его объема, далее будет кратко обсужден случай такого устройства, присоединенного к сети постоянного напряжения, связывающей преобразовательные подстанции у станции для передачи электроэнергии в виде постоянного тока высокого напряжения. Каждая из преобразовательных подстанций присоединена к сети переменного напряжения, которая может включать в себя генераторы электроэнергии и/или потребителей электроэнергии, а преобразовательные подстанции содержат преобразователи, приспособленные для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, и наоборот. Уровень напряжения сети постоянного напряжения определяется одним или более конденсаторов, и если этот уровень становится слишком высоким, упомянутое по меньшей мере одно полупроводниковое устройство упомянутого вентиля тока устройства может включаться, и конденсаторы могут разряжаться отведением тока на землю и, тем самым, напряжение в сети постоянного напряжения может уменьшаться до надлежащего уровня, после чего полупроводниковое устройство выключается.
Также может случиться, что, например, ветровая электростанция, присоединенная к одной преобразовательной подстанции, подает большой объем электроэнергии, вследствие предельных условий, через первую из преобразовательных подстанций в сеть постоянного напряжения, но какой-нибудь потребитель или другое оборудование, присоединенные к другой преобразовательной подстанции, могут не быть способными позаботиться об этом объеме энергии. Упомянутое по меньшей мере одно полупроводниковое устройство вентиля тока из устройства, в таком случае, может включаться, для проведения тока в землю, так что упомянутое оборудование не будет находящимся под влиянием указанных предельных условий выработки электроэнергии.
В известных устройствах типа, определенного в введении, линейный резистор присоединен последовательно с упомянутым вентилем тока. Конечно, имеет место желание улучшить такое, уже известное устройство, сделав его более надежным и/или менее дорогостоящим.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство типа, определенного во введении, которое улучшено в по меньшей мере некотором аспекте по отношению к таким устройствам, уже известным.
Эта цель согласно изобретению достигается предоставлением такого устройства, в котором упомянутое средство присоединения к земле дополнительно содержит по меньшей мере один разрядник для защиты от искровых перенапряжений, сконфигурированный для присоединения упомянутого вентиля тока к упомянутой линии и имеющий пороговое напряжение, имеющее значение по меньшей мере 0,5 от номинального напряжения упомянутой линии, к которой устройство сконфигурированно подключается.
В известных устройствах типа, описанного во введении, вентиль тока был должен выдерживать полное напряжение линии постоянного тока высокого напряжения, но, посредством соединения упомянутого разрядника для защиты от искровых перенапряжений последовательно с вентилем тока, максимально допустимое напряжение вентиля тока может быть уменьшено, поскольку разрядник для защиты от искровых перенапряжений нормально будет поглощать существенную часть постоянного напряжения упомянутой линии. Это означает, в случае только одного полупроводникового устройства в упомянутом вентиле тока, который может иметь место для «нижних» высоких напряжений, что может использоваться такое полупроводниковое устройство с более низким максимально допустимым напряжением и, тем самым, менее дорогостоящее. Однако в случае более высоких напряжений, например, таких как на станции для передачи электроэнергии посредством постоянного тока высокого напряжения (HVDC), вентиль тока будет иметь большое количество полупроводниковых устройств, соединенных последовательно, для способности совместно выдерживать напряжение, которое в силу этого должно выдерживаться, и полупроводниковые устройства будут все включаться и выключаться одновременно, с тем чтобы функционировать как один единственный ключ.
Настоящее изобретение дает возможность значительно уменьшить упомянутое количество полупроводниковых устройств, соединенных последовательно, тем самым также приводит к значительной экономии затрат. Таким образом, когда происходит что-нибудь, такое как авария, которая заставит устройство быть активным, вентилю тока будет дана команда проводить, а напряжение линии постоянного тока высокого напряжения затем будет уменьшаться разрядником для защиты от искровых перенапряжений.
«Пороговое напряжение» по отношению к напряжению на упомянутом разряднике для защиты от искровых перенапряжений здесь означает уровень напряжения, выше которого разрядник для защиты от искровых перенапряжений будет переключаться с проведения очень низкого тока утечки, чтобы проводить сильно увеличенный ток.
Согласно варианту осуществления изобретения упомянутый по меньшей мере один разрядник для защиты от искровых перенапряжений имеет пороговое напряжение, имеющее значение по меньшей мере 0,8 от упомянутого номинального напряжения. Это означает, что большая часть постоянного напряжения упомянутой линии будет поглощаться разрядником для защиты от искровых перенапряжений, так что вентиль тока, в таком случае, будет принимать всего лишь его долю.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутый по меньшей мере один разрядник для защиты от искровых перенапряжений имеет пороговое напряжение, имеющее значение по меньшей мере от 0,8 до 1,5 или 1,0 до 1,3 от упомянутого номинального напряжения. Таковые являются надлежащими уровнями упомянутого порогового напряжения разрядника для защиты от искровых перенапряжений для достижения существенного снижения максимально допустимого напряжения упомянутого вентиля тока, а также получения надлежащего напряжения линии постоянного тока высокого напряжения по отношению к земле благодаря разряднику для защиты от искровых перенапряжений, когда вентиль тока является проводящим.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутое средство присоединения к земле дополнительно содержит резистор, присоединенный параллельно с упомянутым разрядником для защиты от искровых перенапряжений и последовательно с упомянутым вентилем тока и вторым разрядником для защиты от искровых перенапряжений, соединенным последовательно с разрядником для защиты от искровых перенапряжений, упомянутым первым, и параллельно с упомянутым вентилем тока, и присоединенным к земле. Эта конфигурация упомянутого средства присоединения к земле достигает благоприятного уравновешивания токов утечки в обоих, первом упомянутом разряднике для защиты от искровых перенапряжений и вентиле тока. Упомянутый резистор будет подавать ток утечки в вентиль тока, тогда как упомянутый второй разрядник для защиты от искровых перенапряжений будет как защищать вентиль тока, так и уравновешивать ток утечки из разрядника для защиты от искровых перенапряжений, присоединенного последовательно с вентилем тока.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутый вентиль тока содержит множество, преимущественно, по меньшей мере 5, а предпочтительно, по меньшей мере 10 упомянутых полупроводниковых устройств, соединенных последовательно. Количество этих полупроводниковых устройств в устройстве согласно изобретению будет значительно уменьшено благодаря установке упомянутого разрядника для защиты от искровых перенапряжений в упомянутом средстве присоединения к земле и, тем самым, будут сэкономлены затраты.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутый вентиль тока содержит по меньшей мере один высокоомный резистор, присоединенный параллельно с упомянутым последовательным соединением полупроводниковых устройств для распределения напряжения внутри вентиля тока. Установка этого высокоомного резистора имеет следствием равномерное распределение напряжения внутри вентиля тока и, тем самым, повышенную надежность и уменьшенный риск отказа любого полупроводникового устройства в вентиле тока.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутое по меньшей мере одно полупроводниковое устройство является IGBT (биполярным транзистором с изолированным затвором), IGCT (коммутируемым тиристором с интегрированным затвором) или GTO (запираемым от затвора тиристором). Таковые являются благоприятными полупроводниковыми устройствами для упомянутого вентиля тока, хотя также возможны другие полупроводниковые устройства.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутое средство присоединения к земле сконфигурировано для присоединения к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), где сеть постоянного напряжения присоединена к преобразовательной подстанции, имеющей по меньшей мер один преобразователь источника напряжения, имеющий сторону переменного напряжения, присоединенную к сети переменного напряжения, и являющийся сконфигурированным для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, и наоборот. Устройство этого типа особенно полезно, когда сконфигурирован для этого применения, поскольку уровни напряжения сети постоянного напряжения будут высокими и, тем самым, значительная экономия затрат может быть получена для такого устройства. Оно, в таком случае, также может эффективно использоваться для управления уровнем напряжения сети постоянного напряжения и, тем самым, стороны постоянного напряжения упомянутого преобразователя источника напряжения.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения составляющему дополнительное улучшение варианта осуществления, упомянутого в последний раз, устройство содержит детектор, сконфигурированный для детектирования уровня напряжения в упомянутой сети постоянного напряжения и для отправки информации о нем в упомянутый блок управления, а блок управления сконфигурирован для выполнения управления вентилем тока в зависимости от информации с упомянутого детектора. Это означает, что устройство может эффективно управлять уровнем постоянного напряжения в упомянутой сети постоянного напряжения.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения блок управления сконфигурирован для управления вентилем тока, чтобы служил проводником, если напряжение, детектированное детектором, превышает предопределенный уровень. Соответственно, устройство может использоваться, чтобы гарантировать, что напряжение в упомянутой сети постоянного напряжения не становится слишком высоким.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения устройство содержит детектор, сконфигурированный для измерения тока, протекающего в упомянутой сети постоянного напряжения, и для отправки информации о нем в упомянутый блок управления, а блок управления сконфигурирован для управления упомянутым вентилем тока, чтобы служил проводником, если ток, детектированный упомянутым детектором, превышает предопределенное значение. Это дает возможность надежно и эффективно защищать оборудование на стороне переменного напряжения упомянутой преобразовательной подстанции от перегрузок по току, которые могут возникать в сети постоянного напряжения.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения устройство сконфигурировано для защиты оборудования, присоединенного к линии постоянного тока высокого напряжения с номинальным напряжением ≥1 кВ, ≥100 кВ, от 100 кВ до 1200 кВ или от 400 кВ до 1200 кВ.
Изобретение также относится к высоковольтной системе, содержащей линию, сконфигурированную для проведения постоянного тока с высоковольтным потенциалом и через эту линию подачи электроэнергии на оборудование, являющееся частью упомянутой системы, в которой система дополнительно содержит устройство согласно настоящему изобретению для защиты упомянутого оборудования. Такая высоковольтная система будет обладать надежным действием посредством защиты ее оборудования при привлекательно низкой себестоимости.
Изобретение также относится к станции для передачи электроэнергии, содержащей сеть постоянного напряжения и по меньшей мере одну сеть переменного напряжения, присоединенную к ней через подстанцию, упомянутая подстанция является приспособленной для выполнения передачи электроэнергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения и содержит по меньшей мере один преобразователь источника напряжения, приспособленный для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, и обратно, в которой упомянутая станция содержит устройство согласно настоящему изобретению, присоединенное к упомянутой сети постоянного напряжения. Такая станция будет, благодаря упомянутому устройству согласно настоящему изобретению, иметь преимущества, обсужденные выше.
Дополнительные преимущества и полезные признаки изобретения последуют из следующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Со ссылкой на прилагаемые чертежи, ниже следует частичное описание вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве примеров.
На чертежах:
фиг.1 - схематическое представление, иллюстрирующее устройство согласно первому варианту осуществления изобретения, присоединенное к сети постоянного напряжения, присоединенной к преобразовательной подстанции, имеющей преобразователь источника напряжения,
фиг.2 - схематическое представление устройства согласно второму варианту осуществления изобретения,
фиг.3 - схематическое представление устройства согласно упомянутому первому варианту осуществления изобретения в еще одном применении.
ПРОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство согласно двум вариантам осуществления изобретения будет описано в дальнейшем в качестве примеров. Однако изобретение может быть воплощено во многих разных формах и не должно толковаться в качестве являющегося ограниченным примерными вариантами осуществления, изложенными в материалах настоящей заявки; скорее эти варианты осуществления предоставлены с тем, чтобы это раскрытие было всесторонним и полным и полностью передавало идею изобретения специалистам в данной области техники.
Фиг.1 иллюстрирует, очень схематично, устройство согласно первому варианту осуществления изобретения для защиты оборудования, здесь проиллюстрированного сетью 1 переменного напряжения, присоединенной к линии постоянного тока высокого напряжения в виде сети 2 постоянного напряжения, являющейся частью станции для передачи электроэнергии посредством постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Очень схематично проиллюстрирована преобразовательная подстанция 3 этой станции, имеющая преобразователь 4 источника напряжения для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, и наоборот, присоединенный к сети 2 постоянного напряжения. Только два вентиля 5, 6 с полупроводниковым устройством 7 запираемого типа и выпрямительным элементом в виде диода 8, присоединенного встречно-параллельно с ним, показаны для одной фазы сети переменного тока. Таким образом, было опущено некоторое количество другого оборудования, такого как фильтры, и тому подобное, не находящего никакого применения в настоящем изобретении. Конденсатор 9 установлен для определения напряжения сети 2 постоянного напряжения.
Устройство согласно изобретению имеет средство 10 присоединения к земле, дающее возможность присоединения сети 2 постоянного напряжения к земле или заземлению 11. Это средство присоединения к земле содержит вентиль 12 тока, имеющий по меньшей мере одно полупроводниковое устройство 13 (обозначение для него здесь может обозначать некоторое количество таких полупроводниковых устройств, соединенных последовательно) запираемого типа, присоединенное его прямым токопроводящим направлением к земле, и по меньшей мере один выпрямительный элемент 14, такой как выпрямительный диод, присоединенный встречно-параллельно с ним. Устройство также содержит блок 15 управления, сконфигурированный для управления упомянутым по меньшей мере одним полупроводниковым устройством, чтобы включалось или выключалось.
Средство 10 присоединения к земле устройства дополнительно содержит по меньшей мере один разрядник 16 для защиты от искровых перенапряжений, то есть нелинейный резистор, такой как разрядник на оксиде цинка, сконфигурированный для присоединения упомянутого вентиля 12 тока к сети 2 постоянного напряжения и имеющий пороговое напряжение, имеющее значение по меньшей мере 0,5, предпочтительно, по меньшей мере 0,8, а более предпочтительно, между 0,8 и 1,5 или между 1,0 и 1,3 от номинального напряжения сети постоянного напряжения. Это номинальное напряжение, для станции HVDC этого типа, типично будет от 100 кВ до 1200 кВ.
Устройство также содержит детектор 17, сконфигурированный для детектирования уровня напряжения в сети 2 постоянного напряжения и отправки информации о нем в блок 15 управления, который сконфигурирован для выполнения управления вентилем 12 тока в зависимости от информации из упомянутого детектора 17.
Устройство также содержит детектор 18, сконфигурированный для измерения тока, протекающего в сети постоянного напряжения, и для отправки информации о нем в блок 15 управления, который сконфигурирован для управления вентилем 12 тока в зависимости от информации из этого детектора 18.
Вентиль 12 тока нормально будет непроводящим, и разрядник для защиты от искровых перенапряжений, в таком случае, будет поглощать большую часть постоянного напряжения, а вентиль тока только долю.
Функционирование устройство может быть следующим. Допустим, что номинальным напряжением сети постоянного напряжения является 100 кВ, и пороговое напряжение разрядника для защиты от искровых перенапряжений также имеет значение 100 кВ. Когда детектор 17 обнаруживает напряжение, превышающее предопределенный уровень, такой как 130 кВ, блок управления управляет вентилем тока, чтобы начинал проводить для разряда конденсатора 9, как указано стрелкой 19. Вентиль тока, в этом случае, должен выдерживать всего лишь 30% номинального постоянного напряжения, поскольку разрядник для защиты от искровых перенапряжений будет принимать 100 кВ.
Блок 15 управления может выключать полупроводниковые устройства 13, когда уровень напряжения в сети постоянного напряжения достиг требуемого уровня, такого как упомянутый номинальный уровень напряжения.
Блок 15 управления также может управлять вентилем тока, чтобы начинал проводить, если детектор 18 обнаруживает ток, превышающий предопределенное значение, которым, например, могут быть 5000 А. Это, например, может иметь место, если предположим, что ветровая электростанция, вырабатывающая электроэнергию, присоединена к стороне переменного напряжения преобразовательной подстанции, присоединенной к другому концу, не показанному, сети постоянного напряжения, и таковая, как следствие предельных условий, будет подавать чрезмерное количество электроэнергии в сеть постоянного напряжения и на подстанцию 3. В таком случае, отведением тока на землю через устройство согласно настоящему изобретению подстанция 3 и, возможно, чувствительный элемент 1, присоединенный к ней, могут быть защищены.
Фиг.2 схематически иллюстрирует устройство согласно второму варианту осуществления изобретения, которое отличается от устройства, показанного на фиг.1, тем обстоятельством, что были предприняты меры для уравновешивания токов утечки как разрядника 16 для защиты от искровых перенапряжений, так и вентиля 12 тока. Это было сделано присоединением резистора 20 параллельно с разрядником 16 для защиты от искровых перенапряжений и последовательно с вентилем 12 тока для подачи тока утечки на вентиль 12 тока. Более того, второй разрядник 21 для защиты от искровых перенапряжений присоединен последовательно с разрядником 16 для защиты от искровых перенапряжений и параллельно с вентилем 12 тока и присоединен к земле 11. Этот второй разрядник для защиты от искровых перенапряжений будет защищать вентиль тока и к тому же уравновешивать ток утечки из разрядника 16 для защиты от искровых перенапряжений.
Более того, вентиль 12 тока оснащен высокоомными резисторами 22, сконфигурированными для получения равного распределения напряжений внутри вентиля 12 тока.
Что же касается прочего, функционирование устройства, показанного на фиг.2, является таким же, как у устройства, показанного на фиг.1.
В заключение, фиг.3 очень схематично иллюстрирует, каким образом устройство согласно первому варианту осуществления изобретения может быть присоединено к произвольной линии 2' постоянного тока высокого напряжения, присоединенной к любому типу оборудования 1', которое должно защищаться возможностью отводить ток с линии 2' на землю 11 через средство 10 присоединения к земле устройства.
Изобретение, конечно, никоим образом не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, но многие возможности для его модификаций будут очевидны рядовому специалисту в данной области техники не выходя из объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.