ДЕМПФЕР МОЩНОСТИ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ АВАРИЙНОГО ТОКА
POWER DAMPER FOR LIMITATION OF EMERGENCY CURRENT

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к сверхпроводящим устройствам для ограничения аварийного тока.
Уровень техники
[0002] Известно, что сверхпроводящие ограничители аварийного тока широко используются для защиты электрических цепей от межфазных пробоев и пробоев между фазой и землей.
[0003] Сверхпроводящие ограничители аварийного тока описаны, например, в патентах США №7193825, 6809910, 5726848 и в заявке США №2002/0018327. Например, в патенте США №7193825 эти устройства могут работать с помощью катушки смещения постоянного тока, намотанной на магнитный сердечник для приведения его в состояние магнитного насыщения. При возникновении аварийной ситуации сердечник выходит из насыщения, что создает большое магнитное сопротивление для аварийного тока. В других ограничителях тока часто используется изменение магнитных свойств сердечника.
[0004] При работе большинства ограничителей аварийного тока через цепь переменного тока в ограничителе при возникновении аварийной ситуации может протекать большой аварийный ток. Он индуцирует соответствующее переходные напряжение и ток в цепи постоянного тока ограничителя. Сама сверхпроводящая катушка, межсоединения, сквозные соединения в криостате, источник питания постоянного тока, фильтр источника питания (например, конденсаторы) и защитные устройства (например, диоды и транзисторы) должны быть выбраны или сконструированы так, чтобы выдержать наибольшие ожидаемые значения напряжения и тока переходного процесса и передаваемой во время переходного процесса полной энергии.
[0005] В контексте настоящего описания явление аварийной ситуации может быть описано на примере короткого замыкания в цепи переменного тока, которая защищена ограничителем аварийного тока, т.е. ограничитель аварийного тока должен ограничивать ток короткого замыкания или ток, обусловленный другими переходными процессами в цепи переменного тока. Предполагается, что аварийная ситуация не относится к короткому замыканию внутри ограничителя аварийного тока, обмоток или их компонентов.
[0006] Эта проблема поясняется на фиг.1 и фиг.2, где иллюстрируется имитированная авария в устройстве, описанном в патенте США №7193825. На фиг.1 показана зависимость напряжения от времени при имитированной аварии в момент времени t=4,000 сек. На фиг.2 показан соответствующий индуцированный ток в сверхпроводящей катушке смещения постоянного тока. Видно, что в момент t=4,000 сек и позднее имеет место большой индуцированный ток, который может вызвать повреждения. Результаты моделирования показывают, что переходное напряжение 500 В может индуцировать ток с пиковым значением более 1,1 кА. Такие переходные процессы могут повредить источник питания постоянного тока, питающий катушку, и саму катушку.
[0007] Уменьшить ток, индуцированный при переходном процессе, трудно, поскольку он фактически обусловлен трансформаторным эффектом между катушками переменного тока и постоянного тока и поэтому зависит от аварийного тока, который, в свою очередь, зависит от системы. Его можно уменьшить, если уменьшить напряжение в цепи переменного тока, но оно фиксировано и зависит от конкретного применения (например, равно 11 кВ, 22 кВ и т.д.).
[0008] Уменьшить ток, индуцированный при переходном процессе, можно также путем уменьшения отношения между числом витков на стороне постоянного тока и числом витков на стороне переменного тока; для этого требуется увеличить число витков в катушке постоянного тока, что может оказаться невозможным для обеспечения требуемой степени ограничения в рассматриваемом случае или может быть слишком дорого. Как альтернатива, можно уменьшить число витков на стороне переменного тока, однако это уменьшает эффективный импеданс устройства ограничения аварийных токов. Импеданс устройства во время переходного процесса пропорционален квадрату числа витков в цепи переменного тока. Снижение эффективного импеданса при уменьшении числа витков в цепи переменного тока невыгодно потому, что для его компенсации приходится увеличивать площадь поперечного сечения стального сердечника, а это увеличивает размеры, вес и стоимость конструкции.
[0009] Следует также отметить, что при работе устройства в установившемся режиме в результате индукции со стороны переменного тока в цепи постоянного тока тоже индуцируются ток и напряжение. Их величина много меньше, чем при аварийной ситуации, но их эффект нужно учитывать при разработке схемы интерфейса для источника питания катушки постоянного тока. Например, можно включить заземленный конденсатор достаточной емкости для отвода тока от источника питания постоянного тока.
[0010] В сверхпроводящих устройствах обычно предусматриваются схема обнаружения гашения и схема защиты. Схема гашения обычно состоит из быстро размыкающегося твердотельного переключателя для отсоединения источника питания, и другого твердотельного переключателя, который при замыкании снимает запасенную энергию на резистор. Эти так называемые "механизмы защиты путем гашения" предназначены для защиты сверхпроводящей катушки от внутренних коротких замыканий или неустойчивых тепловых переходных процессов, которые приводят катушку в состояние нормальной проводимости. Схемы обнаружения гашения часто основаны на определении отношения между напряжениями в двух или нескольких секциях катушки, возникающими внутри сверхпроводящей катушки.
[0011] К сожалению, схема обнаружения гашения и схема защиты не подходят для снятия энергии во время аварийной ситуации в цепи переменного тока в насыщенном по постоянному току ограничителе аварийного тока. Это невозможно потому, что схема определения отношения напряжений не будет работать правильно. Переходное напряжение, индуцированное в цепь постоянного тока в аварийной ситуации из цепи переменного тока, возникает не из-за внутренней аварии.
[0012] Кроме того, индуцированные при переходном процессе напряжения распределены в катушке равномерно и поэтому не будут обнаружены традиционной схемой обнаружения гашения и защиты.
[0013] Анализ в данном описании известных из уровня техники решений не означает, что эти решения широко известны или следуют из общих представлений в данной области техники.
Сущность изобретения
[0014] Целью изобретения является создание эффективного способа демпфирования мощности переходных процессов в ограничителе аварийного тока.
[0015] Согласно первому аспекту изобретения предложен способ демпфирования переходного процесса в катушке смещения постоянного тока в ограничителе аварийного тока, включающий подключение параллельно катушке смещения постоянного тока схемы подавления переходных процессов, которая работает, когда переходное напряжение на катушке смещения постоянного тока превышает заданное максимальное значение.
[0016] Схема подавления переходных процессов может содержать первую и вторую цепочки последовательно соединенных диодов, при этом первая и вторая цепочки соединены параллельно с противоположной ориентацией одна относительно другой. Альтернативно, схема подавления переходных процессов может включать цепочку включенных каскадно стабилитронов. Альтернативно, схема подавления переходных процессов предпочтительно может содержать цепочку нелинейных резисторов. Катушка смещения постоянного тока может быть намотана на сердечник одной фазы или нескольких фаз в многофазной системе. Катушка смещения постоянного тока может представлять собой сверхпроводящую катушку.
[0017] Согласно другому аспекту изобретения предложена схема демпфирования мощности для подключения параллельно катушке смещения постоянного тока в ограничителе аварийного тока, причем эта схема обладает нелинейной характеристикой и имеет большой импеданс при низком напряжении на катушке смещения постоянного тока и малый импеданс при высоком напряжении на катушке смещения постоянного тока.
[0018] Указанная схема может быть выполнена из пассивных элементов, включая цепочку соединенных последовательно полупроводниковых стабилитронов, характеристика которых изменяется, когда превышено заданное напряжение на катушке постоянного тока, или из по меньшей мере одного нелинейного резистора.
Краткое описание чертежей
[0019] Ниже в качестве примера описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, где
на фиг.1 показан график расчетной индуцированной электродвижущей силы в известной катушке постоянного тока при возникновении аварийной ситуации;
на фиг.2 показан график расчетного индуцированного тока в катушке постоянного тока ограничителя аварийного тока при имитации аварийной ситуации;
на фиг.3 показано одно плечо ограничителя аварийного тока, выполненного согласно патенту США №7193825;
на фиг.4 показана цепь для моделирования ограничителя аварийного тока в состоянии насыщения по постоянному току, без защиты от отраженной мощности;
на фиг.5 показан график моделированной характеристики цепи на фиг.4;
на фиг.6 показан график уменьшения аварийного тока в результате работы ограничителя аварийного тока, изображенного на фиг.4;
на фиг.7 схематично показано подключение схемы демпфирования мощности параллельно катушке постоянного тока;
на фиг.8 схематично показан первый вариант схемы демпфирования;
на фиг.9 показан второй вариант схемы демпфирования;
на фиг.10 показана моделированная цепь, включающая схему демпфирования, изображенную на фиг.8;
на фиг.11 показаны соответствующие переходные процессы по постоянному току для цепи, изображенной на фиг.10;
на фиг.12 показан график, демонстрирующий уменьшение аварийного тока благодаря использованию демпфера мощности;
на фиг.13 показан график переходного процесса в цепи постоянного тока;
на фиг.14 показан ток в цепи постоянного тока для двух следующих один за другим переходных процессов; и
на фиг.15 показан ток в цепи постоянного тока для двух переходных процессов, следующих один за другим с небольшим временным интервалом.
Подробное описание
[0020] В предпочтительных вариантах осуществления изобретения предполагается, что энергия в намотанной на железный сердечник сверхпроводящей катушке постоянного тока в насыщенном состоянии по существу равна произведению магнитного поля и намагниченности, поскольку сердечник находится в состоянии сильного насыщения. Сердечник с сильным насыщением нужен для того, чтобы минимизировать вносимый импеданс устройства (т.е. импеданс устройства, измеренный на клеммах переменного тока в установившемся, неаварийном состоянии). В насыщенном по постоянному току ограничителе аварийного тока, например описанном в патенте США №7193825 (содержание которого включено путем ссылки), имеются катушка переменного тока и катушка постоянного тока. Энергия, которую нужно погасить во время протекания аварийного тока (т.е. короткого замыкания в защищаемой цепи переменного тока) включает не только энергию, запасенную катушкой постоянного тока, но и энергию, отраженную из цепи переменного тока в катушку постоянного тока из-за взаимосвязи между катушками постоянного тока и переменного тока. Эта энергия может быть представлена следующим образом:
0
0
1
[0021] где: Energy - полная энергия, рассеянная в цепи постоянного тока, B(t) - магнитное поле постоянного тока в стальном сердечнике до аварийной ситуации; H(t) - намагниченность по постоянному току стального сердечника до аварийной ситуации; v(t) - напряжение переходного процесса, индуцированное в катушке постоянного тока вследствие связи по переменному току; i(t) - ток переходного процесса, индуцированный в катушке постоянного тока вследствие связи по переменному току и t - время окончания аварийной ситуации в цепи переменного тока.
[0022] Напряжение и ток переходного процесса в катушке постоянного тока зависят от параметров схемы защиты и катушки постоянного тока. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения желательно уменьшить как v(t), так и i(t), и управлять полной энергией катушки так, чтобы она безопасно рассеивалась на наружном резисторе во время работы ограничителя аварийного тока (т.е. во время аварийной ситуации в цепи переменного тока).
[0023] Величина первого слагаемого в уравнении (1) зависит от конкретного выполнения насыщенного по постоянному току ограничителя аварийного тока. Значения В и Н обычно оптимизируют согласно техническим и экономическим соображениям. Второе слагаемое этого уравнения можно увеличить путем соответствующего выбора коэффициента трансформации между цепью переменного тока и цепью постоянного тока и степени связи между ними. Более слабая магнитная связь, например при наличии воздушного зазора в стальном сердечнике, уменьшает индуцированные ток и напряжение переходного процесса, однако при этом приходится увеличивать количество сверхпроводящих ампер-витков, которые требуются для насыщения сердечника, что может оказаться неэкономичным.
[0024] Кроме того, возрастает поле намагничивания Н, увеличивая запасенную в системе энергию постоянного тока. Специалистам в данной области понятно, что дополнительная энергия по существу запасается в магнитном поле внутри воздушного зазора.
[0025] Лучший способ уменьшения полной энергии состоит в том, чтобы непосредственно уменьшить энергию, переданную в цепь постоянного тока из цепи переменного тока благодаря их связи, путем управления переходным индуцированным током и напряжением, v(t), и i(t), с помощью схемы защиты в цепи постоянного тока. Этого можно достичь путем подсоединения параллельно катушке постоянного тока резистора подходящего номинала, однако постоянное наличие подсоединенного резистора приведет к значительным потерям мощности, и источник питания постоянного тока должен быть намного больше, чтобы обеспечить протекание постоянного тока через шунт.
[0026] На фиг.4 показана моделированная цепь переменного тока, которая использовалась для моделирования испытаний предпочтительного варианта осуществления изобретения. Схема 41 подключена к трехветвенному ограничителю 42 аварийного тока, выполненному согласно указанной выше заявке. Магнитное поле насыщения составляет 2,00 Тесла, а намагниченность 10000 А/м. Энергия, накопленная в магнитном поле постоянного тока, составляет приблизительно 20 кДж. Для моделирования существует много различных способов представления источника питания постоянного тока. Было установлено, что при использовании модели с источником постоянного тока модели с источником постоянного напряжения, модели с источником питания с линейной регулировкой или с источником питания с переключением режимов были получены по существу непротиворечивые результаты. Форма колебаний индуцированных переходных напряжения и тока в каждом случае изменялись, но оказалось, что это не влияет на работу описанных здесь механизмов защиты. Для простоты при моделировании предпочтительного варианта осуществления изобретения использовался источник постоянного напряжения.
[0027] На фиг.5 показан график возможного ответного индуцированного тока и напряжения переходного процесса в цепи постоянного тока при аварии в цепи переменного тока. Авария в цепи переменного тока имитируется коротким замыканием посредством резистора 0,08 Ом. График 50 соответствует аварии в цепи переменного тока, а график 51 - индуцированному переходному напряжению в цепи постоянного тока. Индуцированный переходный процесс имеет большую амплитуду из-за отсутствия какого-либо сопротивления и зависит от особенностей источника питания постоянного тока. В общем случае индуцированное напряжение 51 переходного процесса в цепи постоянного тока вредно для сверхпроводящей катушки и может привести к росту повреждения изоляции и полному выходу из строя сверхпроводящей катушки.
[0028] На фиг.6 показаны основные функциональные характеристики ограничителя аварийного тока. Т.е. описанное здесь техническое решение не влияет на работу ограничителя аварийного тока, но повышает защиту и надежность цепи постоянного тока, необходимые для ее правильной и многократной работы. График 60 соответствует току в цепи переменного тока при отсутствии ограничителя аварийного тока, а график 61 - току в цепи переменного тока при наличии ограничителя аварийного тока. Видно, что при использовании в цепи переменного тока ограничителя аварийного тока с насыщением по постоянному току аварийный ток уменьшается по сравнению со случаем, когда этот ограничитель отсутствует.
[0029] В предпочтительном варианте осуществления изобретения в дополнение к ограничителю аварийного тока параллельно катушке постоянного тока включена пассивно переключаемая схема демпфирования мощности, как схематично показано на фиг.7. Катушка 71 постоянного тока намотана на стальной сердечник 74, а схема 72 демпфирования мощности включена параллельно и соединена с источником 73 постоянного тока.
[0030] На фиг.8 показан первый вариант схемы 80 демпфирования мощности с пассивном переключением, а на фиг.9 показан второй вариант схемы 90. Обе схемы содержат пассивно переключаемый демпфирующий резистор в цепи катушки постоянного тока. Как сказано выше, эти схемы подключаются параллельно сверхпроводящей катушке.
[0031] В обеих схемах на фиг.8 и фиг.9 используются нелинейные элементы, которые во время переходных процессов в цепи переменного тока действуют как переключатели. В установившемся режиме при нормальной работе схемы 80, 90 защиты имеют большой полный импеданс и не проводят ток. Следовательно, эти схемы защиты не создают дополнительной нагрузки на источник питания постоянного тока и имеют нулевую тепловую нагрузку. Это уменьшает количество отводимого тепла и интенсивность охлаждения, которое потребовалось бы в противном случае.
[0032] Во время аварии в цепи переменного тока переходное напряжение на катушке 71 постоянного тока (фиг.7) увеличивается и становится выше нормального из-за взаимосвязи между цепями постоянного тока и переменного тока. Это напряжение переводит пассивные переключающие элементы (т.е. варисторы 81 или диоды 82) в проводящее состояние, так что эти элементы при правильном выборе их номиналов во время аварии в цепи переменного тока будут иметь низкое сопротивление.
[0033] Очевидно, что «напряжение включения» в схеме, показанной на фиг.8, может быть задано путем выбора количества диодов 81 в каждой последовательной цепочке. В альтернативной схеме диоды 81 можно заменить соответствующим искровым разрядным устройством или другим пассивным устройством, которое включается при известном напряжении прямого смещения. Альтернативно, цепочку диодов можно заменить стабилитроном соответствующего номинала.
[0034] Одно из преимуществ схемы защиты, показанной на фиг.8, состоит в том, что не требуется времени на охлаждение электрических элементов для того, чтобы они могли снова выполнять свою функцию ограничения напряжения. Например, у некоторых нелинейных резисторов нелинейные характеристики зависят от температуры. В этом случае может потребоваться время на охлаждение, что непрактично с точки зрения надежности всего устройства. Например, для логических схем прерывателей цепи на конкретной подстанции для "повторной попытки" включения схемы может потребоваться выключение на время 1 сек. Данная схема часто применяется там, где используются воздушные (т.е. не подземные) линии электропередач и причиной короткого замыкания может оказаться упавшая ветка.
[0035] Величина прямого смещения диодов 81 на фиг.8 может быть установлена меньше заданного значения перенапряжения, при котором обеспечивается защита источника 73 питания постоянного тока (фиг.7). Таким образом, во время аварии в цепи переменного тока источник питания остается активным и будет готов к следующей аварийной ситуации в цепи переменного тока без какой-либо задержки на повторное намагничивание сердечника.
[0036] Выбор демпфирующего резистора R (82, 92) зависит от компонентов, используемых в источнике питания постоянного тока и фильтре, от энергии, накопленной в катушке постоянного тока, и от изоляции, которая должна выдерживать напряжение на катушке постоянного тока.
[0037] В предпочтительных вариантах применяемые схемы защищают сверхпроводящую катушку и используются для демпфирования энергии из катушки, которая отражается со стороны переменного тока в цепи.
[0038] Специалистам понятно, что описанные выше схемы можно заменить схемой обнаружения перенапряжения, переключателем на биполярном транзисторе с изолированным затвором для развязки источника питания, и другим переключателем на биполярном транзисторе с изолированным затвором для отвода энергии катушки постоянного тока и отраженной энергии переходного процесса на демпфирующий резистор. Однако для эффективности такого механизма защиты он должен быть основан на методах активного обнаружения и электронике. Предпочтительные варианты предусматривают пассивную схему и поэтому, вероятно, являются более грубыми и соответствуют пассивной природе ограничителя аварийного тока с насыщением по постоянному току.
[0039] Ниже объясняется, как пассивные демпфирующие схемы уменьшают индуцированные ток и напряжение переходного процесса.
[0040] На фиг.10 показана та же цепь, что и на фиг.4, но она содержит пассивную схему 100 демпфирования отраженной мощности. Для каждой диодной цепочки 100 было установлено прямое смещение 6,0 В путем включения десяти последовательно соединенных диодов в каждой параллельной цепочке диодов. Это напряжение является "напряжением включения" схемы защиты. Другие параметры цепи таковы: число витков переменного тока равно 40 на каждой из шести ветвей (n=40); число витков постоянного тока равно 800 (N=800); ток смещения постоянного тока равен 90 А. I (источник питания) = 90 А; среднеквадратичное значение межфазного напряжения источника напряжения переменного тока равно 11 кВ; нагрузка цепи переменного тока равна 10 Ом (в неаварийном установившемся режиме); нагрузка короткого замыкания (т.е. импеданс в аварийной ситуации) равна 0,08 Ом; предполагаемый ток короткого замыкания равен 10000 А; площадь проницаемого материала сердечника равна 0,02 кв. м; размеры окна сердечника - ширина 0,8 м и высота 2,2 м; и время аварии t=12,000 сек.
[0041] На фиг.11 приведены расчетные значения переходного тока 111 и напряжения 110 в цепи постоянного тока после возникновения аварии в цепи переменного тока. Индуцированное напряжение в цепи постоянного тока уменьшилось до пикового значения приблизительно 200 В, а пиковое значение постоянного тока уменьшилось приблизительно до 300 А.
[0042] На фиг.12 показан расчетный переходной ток в цепи переменного тока для схемы, показанной на фиг.10, с использованием ограничителя аварийного тока (кривая 122) и без использования ограничителя аварийного тока (кривая 121). Видно, что ограничитель аварийного тока с включенной схемой защиты не изменяет основные эксплуатационные требования. Очевидно, что напряжение включения и значение сопротивления можно изменять, чтобы они подходили для конкретного источника питания или конкретной катушки постоянного тока. Например, если катушка постоянного тока может выдержать большее индуцированное напряжение благодаря отличной изоляции, то напряжение включения можно увеличить путем увеличения количества диодов, включенных последовательно в каждой цепочке диодов. Сопротивление R должно быть согласовано также с типом охлаждения, которое используется для сверхпроводящей катушки. Например, сверхпроводящая катушка, которая охлаждается «всухую», т.е. холодной головкой в вакууме, хуже выдерживает нагрев при длительных переходных процессах. В этом случае можно использовать лучшую изоляцию сверхпроводящей катушки и большее демпфирующее сопротивление, чтобы демпфирование энергии происходило за меньший период времени.
[0043] В качестве конкретного примера подходящего способа защиты для сверхпроводящей катушки, охлаждаемой холодной головкой, на фиг.13 показано, что демпфирование полной энергии можно осуществить за меньший период времени путем увеличения демпфирующего сопротивления, но за счет большего максимального напряжения на катушке, индуцированного в цепь постоянного тока. В этом расчете величина демпфирующего сопротивления была увеличена до 10 Ом, а напряжение включения на защитных диодах оставалось равным 6 В. В результате максимальное напряжение, индуцированное в цепь постоянного тока, возросло до 2,5 кВ, однако время протекания увеличенного тока значительно уменьшилось - в 10 раз, благодаря большей величине демпфирующего сопротивления.
[0044] Величину R можно увеличивать до тех пор, пока не будет достигнуто значение импульсного напряжения пробоя изоляции в катушке постоянного тока. Однако выбор R нужно согласовать с допустимой тепловой мощностью для компонентов схемы защиты и для сверхпроводящей катушки, а теплоотводы должны иметь размеры, соответствующие конкретной схеме.
[0045] На фиг.14 и фиг.15 показано, что введение предложенных схем защиты не мешает ограничителю аварийного тока выполнять свою функцию, когда аварийные ситуации следуют одна за другой через короткие промежутки времени, например вскоре после повторного включения размыкателя цепи в условиях продолжающейся аварии в цепи переменного тока.
[0046] Очевидно, что схемы, рассмотренные в описании, обеспечивают защиту с запасом или избыточную защиту. Систему с избыточностью получают путем добавления параллельно катушке постоянного тока одной или большего количества пассивных схем демпфирования мощности, каждая из которых выполнена так, чтобы выдерживать тепловые и электрические нагрузки от ожидаемого индуцированного напряжения и тока. Это позволит защитить от перегорания компонентов или от других неисправностей в любой демпфирующей схеме.
[0047] Специалистам в данной области очевидно, что рассмотренное устройство может использоваться как в однофазных, так и в многофазных системах. Хотя были описаны конкретные примеры осуществления изобретения, оно может иметь другие варианты осуществления.