УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПРЕРЫВАНИЯ ТОКА В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ИЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ И КОМПОНОВКА ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА
DEVICE AND METHOD TO INTERRUPT CURRENT IN TRANSMISSION LINE OR TO DISTRIBUTE ENERGY AND CURRENT LIMITATION LAYOUT

Изобретение относится к устройству для прерывания электрического тока, протекающего через линию передачи или распределения энергии, содержащую параллельное соединение основного прерывателя и нелинейного резистора, основной прерыватель, содержащий, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Кроме того, изобретение относится к способу для использования устройства, в котором устройство соединено последовательно с линией передачи или распределения энергии. И еще, также, изобретение относится к компоновке ограничения тока, содержащей, по меньшей мере, два из упомянутых выше устройств.
Первоначально изобретение было выполнено в отношении высоковольтных прерывателей постоянного тока, то есть, устройств переключения, которые способны прерывать ток, протекающий через линию передачи энергии, в то время как линия имеет уровень напряжения, превышающий 50 кВ. Однако, изобретение также применимо для прерывателей для линий распределения энергии постоянного тока среднего напряжения, то есть, для диапазона напряжения постоянного тока от приблизительно 1 кВ до 50 кВ, и некоторые варианты осуществления изобретения даже применимы для прерывателей для передачи и распределения энергии переменного тока с любым уровнем напряжения, как описано ниже.
В EP 0867998 B1 предложено использовать параллельное соединение, по меньшей мере, одного мощного полупроводникового переключателя и шунтирующего сопротивления выброса тока для прерывания тока, протекающего через высоковольтную сеть постоянного тока (HVDC). Идея, лежащая в основе этого, состоит в том, чтобы обеспечить такой твердотельный прерыватель постоянного тока, который реагирует намного быстрее на сигнал отключения, чем обычный известный механический прерыватель постоянного тока, и который, таким образом, снижает риск развития больших токов, приводящих к повреждениям в сети HVDC в случае неисправности.
На практике твердотельные DC прерыватели, то есть, прерыватели, способные прерывать постоянный ток и содержащие, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель, не используются для систем передачи энергии HVDC, из-за высоких потерь тока в таких прерывателях. Это связано с тем фактом, что высокое рабочее напряжение, с одной стороны, и сравнительно низкое номинальное напряжение одного мощного полупроводникового переключателя, доступного в настоящее время на рынке, с другой стороны, требует встраивать в твердотельный прерыватель постоянного тока существенное количество подключенных мощных полупроводниковых переключателей. Такое количество может легко достигать нескольких сотен в случае уровня напряжения HVDC нескольких сотен кВ. Во время нормальной работы системы передачи энергии HVDC, прерыватель DC и, таким образом, все его мощные полупроводниковые переключатели должны быть включены, подвергая мощные полупроводниковые переключатели непрерывной нагрузке под воздействием тока. Получаемые в результате потери в установившемся состоянии составляют от 0,2 до 0,3% энергии, передаваемой через DC прерыватель. В случае твердотельного DC прерывателя, пригодного для линейного напряжения 640 кВ и нормального номинального тока 2 кА, такие потери в установившемся состоянии равны 3 МВт, что составляет практически приблизительно половину потерь известного мощного преобразователя HVDC для 640 кВ. Потери приводят к существенным затратам в течение срока службы твердотельного прерывателя, в частности, в случае, когда требуется использовать множество твердотельных прерывателей, например, в будущих сетевых приложениях постоянного тока с несколькими электрораспределительными подстанциями постоянного тока.
В EP 1377995 B1 представлен механический переключатель, который, помимо прочего, пригоден для использования параллельно твердотельному прерывателю для уменьшения потерь в установившемся состоянии прерывателя. Механический переключатель имеет множество точек переключения, расположенных последовательно друг с другом, которые работают одновременно и, по сравнению с другими механическими переключателями, с высокой скоростью, то есть, во временном диапазоне приблизительно 1 мс. Когда твердотельный прерыватель находится в закрытом состоянии, механический переключатель является также закрытым и проводит ток, в то время как ток не протекает через мощные полупроводниковые элементы прерывателя и, таким образом, не возникают потери. Если должна быть выполнена операция прерывания, вначале открывают механический переключатель так, что ток передают на прерыватель, и после этого открывают прерыватель.
Такая компоновка имеет два основных недостатка. С одной стороны, механический переключатель выполняет активное прерывание тока, для того, чтобы передать его в твердотельный прерыватель. В результате в точках прерывания переключателя возникают дуги, которые приводят к преждевременному износу соответствующих контактов, требуя, таким образом, технического обслуживания переключателя уже через несколько операций переключения. С другой стороны, следует отметить, что механический переключатель предназначен для диапазона напряжений 12-36 кВ. Соответственно, для применений с более высоким уровнем напряжения в несколько сотен кВ, потребуется последовательное соединение множества механических переключателей. Для обеспечения равномерного распределения напряжения по последовательно включенным переключателям, в частности, для случая, когда скорость работы несколько отличается между переключателями, требуются параллельно подключаемые конденсаторы. Это существенно увеличивает стоимость оборудования.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти альтернативное решение для прерывателя HVDC, с помощью которого уменьшаются потери в установившемся состоянии в мощных полупроводниковых переключателях, и одновременно исключаются недостатки, описанные выше со ссылкой на EP 1377995 B1.
Эта цель достигается с помощью устройства и способа в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
В соответствии с изобретением, устройство для прерывания электрического тока, протекающего через линию передачи или распределения энергии, также называемое устройством прерывания, содержит, - помимо известного параллельного соединения основного прерывателя и нелинейного резистора, причем основной прерыватель содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока, - последовательное соединение высокоскоростного переключателя, содержащего, по меньшей мере, один механический переключатель, и вспомогательного прерывателя, причем это последовательное соединение подключено параллельно параллельному соединению. Вспомогательный прерыватель имеет меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем основной прерыватель, и содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Термин «сопротивление в открытом состоянии» относится к сопротивлению для тока, протекающего через включенный мощный полупроводниковый переключатель. Другими словами, вспомогательный прерыватель имеет меньшее падение напряжения из-за электропроводности, чем у основного прерывателя.
Устройство в соответствии с изобретением предлагается использовать следующим образом: устройство должно быть последовательно соединено с цепью протекания тока, проходящей через линию передачи или распределения энергии, предпочтительно линию передач энергии HVDC, и, при нормальной работе, вспомогательный прерыватель и высокоскоростной переключатель устройства должны быть закрыты, что означает для вспомогательного прерывателя, что соответствующие мощные полупроводниковые переключатели должны быть включены. Основной прерыватель закрывают, то есть, его полупроводниковые переключатели включают в соответствующий момент времени, перед тем, как вспомогательный прерыватель будет снова открыт. Если после этого будет принят сигнал открывания вспомогательного переключателя, вспомогательный прерыватель открывают, коммутируя, таким образом, ток в основной прерыватель, затем открывают высокоскоростной переключатель, и, наконец, открывают основной прерыватель, если будет принят сигнал открывания основного прерывателя. В результате, ток коммутируют из основного прерывателя в нелинейный резистор, при этом уровень тока уменьшается, и напряжение ограничивается. Как будет понятно из этого способа, высокоскоростной переключатель необходим для отсоединения вспомогательного прерывателя от линии, для того, чтобы предотвратить приложение полного напряжения к вспомогательному прерывателю.
Устройство и предложенный способ его использования, в соответствии с изобретением, имеет, помимо прочего, следующие преимущества, в частности, для высоковольтного применения с постоянным током:
Потери в установившемся состоянии уменьшаются, поскольку во время нормальной работы, ток больше не протекает через основной прерыватель, но, вместо этого, протекает через высокоскоростной переключатель, который представляет собой механический переключатель, не вносящий практически никаких потерь, и через вспомогательный прерыватель, который имеет низкое сопротивление в открытом состоянии и, в результате чего, на нем падает меньшее напряжение, чем на основном прерывателе. Поскольку потери в установившемся состоянии в основном прерывателе исчезают, основной прерыватель больше не проявляет тенденцию тепловой перегрузки, так что активное охлаждение основного прерывателя больше не требуется. Для вспомогательного прерывателя предпочтительно, чтобы падение напряжения из-за электропроводности и, таким образом, потери были гораздо меньшими по сравнению с основным прерывателем, так, чтобы не требовалось активное охлаждение ни для одного из компонентов.
Для коммутации тока в основной прерыватель больше не используется механический переключатель, для первого прерывания тока, но вместо этого, используется твердотельный вспомогательный прерыватель. Соответственно, проблемы с износом механических контактов из-за дуги больше не возникают, что уменьшает трудозатраты по техническому обслуживанию и повышает надежность и срок службы всего устройства прерывания. В соответствии с этим, достаточно, если высокоскоростной переключатель представляет собой только работающий быстро разъединитель.
Поскольку на основной прерыватель воздействует полное напряжение во время ограниченного периода времени, только после обмена данными с нелинейным резистором становится возможным добавлять дополнительные мощные полупроводниковые переключатели в последовательном соединении с основным прерывателем для обеспечения надежного распределения напряжения без добавления общих потерь.
Конструкция основного прерывателя, кроме того, упрощена в отношении реакции на отказ в одном из ее мощных полупроводниковых переключателей. В некоторых известных мощных полупроводниковых переключателях предусмотрено, чтобы неработающий переключатель был автоматически закорочен для обеспечения возможности перевода на себя операции со вспомогательным мощным полупроводниковым переключателем. Однако такой режим отказа с коротким замыканием на практике может представлять собой нестабильный режим, стабильность которого может быть обеспечена только с течением ограниченного периода времени. При использовании предложенного устройства, в случае, когда как основной, так и вспомогательный прерыватель могут содержать избыточные мощные полупроводниковые переключатели, это больше не представляет проблему для основного прерывателя, поскольку основной прерыватель находится в полном режиме работы только в течение очень короткого периода времени, таким образом, оптимальный режим отказа из-за короткого замыкания не требуется.
Напряжение и токовая нагрузка на основной прерыватель и, таким образом, на его мощные полупроводниковые переключатели, существенно уменьшаются, уменьшая, таким образом, частоту отказов мощных полупроводниковых переключателей и повышая надежность основного прерывателя.
В случае высоких напряжений, когда высокоскоростной переключатель содержит не только один, но несколько механических переключателей, соединенных последовательно, вопрос равномерного распределения напряжения по включенным последовательно переключателям больше не представляет собой проблему, поскольку высокоскоростной переключатель открывается в ситуации отсутствия тока и отсутствия напряжения. Таким образом, могут не потребоваться какие-либо включенные параллельно конденсаторы, что существенно снижают затраты.
В предпочтительном варианте воплощения устройства основной прерыватель имеет более высокую номинальную способность блокирования напряжения, чем у вспомогательного прерывателя. Это может быть, например, достигнуто путем предоставления, в качестве, по меньшей мере, одного мощного полупроводникового переключателя основного прерывателя, переключателя, имеющего способность прерывания напряжения несколько сотен кВ, в то время как способность блокирования напряжения, по меньшей мере, одного мощного полупроводникового переключателя вспомогательного прерывателя находится на уровне только несколько кВ. Другая возможность достижения этого состоит в использовании разных типов мощных полупроводниковых переключателей, таких, как, например, по меньшей мере, один IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) в качестве основного прерывателя и, по меньшей мере, одного MOSFET (полевой транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник) для вспомогательного прерывателя, поскольку неотъемлемой характеристикой MOSFET является то, что он имеет меньшие возможности прерывания напряжений, чем IGBT. Другие типы мощных полупроводниковых переключателей, которые могут использоваться, представляют собой IGCT (коммутируемые по затвору запираемые тиристоры), или GTO (тиристор с коммутируемым затвором). При этом следует отметить, что все эти упомянутые типы принадлежат к группе мощных полупроводниковых переключателей с возможностью включения и отключения.
В конкретной разработке настоящего варианта осуществления основной прерыватель содержит, по меньшей мере, два включенных последовательно мощных полупроводниковых переключателей первого направления тока, вспомогательный прерыватель содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока, имеющий ту же возможность блокирования напряжения, что и мощные полупроводниковые переключатели основного прерывателя, и основной прерыватель всегда содержит большее количество мощных полупроводниковых переключателей, чем вспомогательный прерыватель.
Данный вариант осуществления, в частности, пригоден для применения с более высоким напряжением, в случае, когда уровень напряжения требует, чтобы основной прерыватель был построен из последовательно включенных мощных полупроводниковых переключателей. Для вспомогательного прерывателя используется тот же вид мощного полупроводникового переключателя, но поскольку вспомогательный прерыватель не должен противостоять всему напряжению, требуются только несколько включенных последовательно мощных полупроводниковых переключателя, приблизительно от 1 до максимум 10. Для применения при высоком напряжении в несколько сотен кВ, в случае, когда основной прерыватель содержит последовательное включение вплоть до нескольких сотен мощных полупроводниковых переключателей, разность между сопротивлением во включенном состоянием между основным прерывателем и вспомогательным прерывателем становится существенной, поскольку для вспомогательного прерывателя все еще требуются только один или несколько мощных полупроводниковых переключателей. Потери в установившемся состоянии для вспомогательного прерывателя оценивают в таком случае, как составляющие меньше, чем 0,002% от энергии, передаваемой через устройство, по сравнению с упомянутыми выше от 0,2 до 0,3% в основном прерывателе. Описанная выше конструктивная проблема в отношении избыточных мощных полупроводниковых переключателей и реакции на отказ в одном из мощных полупроводниковых переключателей, в устройстве в соответствии с изобретением имеет отношение только к вспомогательному прерывателю, через который при нормальных рабочих условиях постоянно протекает ток. Однако, поскольку только несколько мощных полупроводниковых переключателей требуются для вспомогательного прерывателя, стоимость надежного решения с избыточностью, например, путем соединения одного или двух избыточных мощных полупроводниковых переключателей последовательно, по меньшей мере, с одним мощным полупроводниковым переключателем, может поддерживаться низкой.
В предпочтительном варианте осуществления способа использования устройства сигнал открывания вспомогательного переключателя генерируют и передают до генерирования и подачи сигнала на открывание основного прерывателя. Генерирование и передача вспомогательного сигнала на открывание прерывателя и сигнала на открывание основного прерывателя могут быть выполнены с использованием одного или нескольких разных чувствительных и/или защитных средств, которые отслеживают состояние энергии и линии передачи энергии, и/или с помощью других электрических устройств, таких как преобразователи мощности, трансформаторы, другие устройства прерывания или дополнительные линии и которые, в случае неисправности, передают сигналы на разрыв по проводным или беспроводным каналам в устройство. В качестве альтернативы, один или оба сигнала на открывание могут быть сгенерированы внутри устройства, в зависимости от результатов определения, принятых из внешних чувствительных и/или защитных средств, что означает, что сигналы открывания не обязательно должны быть переданы физически и приняты через шину передачи данных внутри устройства, но могут также быть просто представлены, как переменные во внутреннем запоминающем устройстве. В последнем случае процесс считывания любой из этих переменных из запоминающего устройства следует понимать, как прием следующего сигнала на открывание.
Преимущество генерирования и передачи сигнала на открывание вспомогательного прерывателя до сигнала на открывание основного прерывателя состоит в том, что эта функция может использоваться для улучшения скорости отклика устройства на фактическое решение по прерыванию, в результате открывания вспомогательного прерывателя до того, как решение на прерывание будет принято в конечном итоге. На практике средству защиты, которое должно обрабатывать сигналы статуса и сигналы датчиков из разных источников для принятия решения, действительно ли возникла неисправность, которая требует прерывания тока в линии, требуется вплоть до нескольких миллисекунд, прежде чем решение на прерывание будет принято и будет передан сигнал на открывание основного прерывателя. Известные прерыватели реагируют после момента времени, в который был принят сигнал открывания основного прерывателя, то есть, возможно, также передавать сигнал на открывание вспомогательного прерывателя только после того, как решение на прерывание будет принято. Используя способ в соответствии с данным вариантом осуществления, вспомогательный прерыватель, а также высокоскоростной переключатель, предпочтительно, уже должны быть, открыты до того, как будет принято решение на прерывание, таким образом, что время реакции на решение по прерыванию будет уменьшено только до очень короткого времени на прерывание основного прерывателя, составляющего только несколько микросекунд после того, как ток уже был заранее скоммутирован в основной прерыватель. В соответствии с этим, очень быстрое действие на прерывание тока, для которого требуется только несколько микросекунд, может быть выполнено без проявления недостатков известных решений на основе твердотельных прерывателей.
Например, как в одном из вариантов осуществления способа, вспомогательный прерыватель может быть открыт немедленно после того, как первый предел тока будет превышен в линии передачи или распределения энергии. Для известных прерывателей тока соответствующий сигнал открывания не генерируют непосредственно после того, как предел тока будет превышен, а только после дальнейшей обработки и оценки результатов измерений. Как описано выше, такая дополнительная обработка занимает вплоть до нескольких миллисекунд. В отличие от этого, в данном варианте осуществления сигнал на открывание вспомогательного прерывателя генерируют, передают и, в конечном итоге, принимают немедленно после того, как будет превышен первый предел тока; и поскольку вспомогательный прерыватель может открыться в течение нескольких микросекунд, коммутация тока в основной прерыватель происходит уже спустя несколько микросекунд после превышения предела. Вследствие этого, единственный фактор, ограничивающий время, до которого основной прерыватель фактически может быть открыт, представляет собой время открывания высокоскоростного переключателя, которое для доступных в настоящее время переключателей составляет приблизительно 1 мс. Но поскольку, как описано выше, генерирование сигнала открывания основного прерывателя само занимает, по меньшей мере, 1 мс, устройство в соответствии с изобретением реагирует приблизительно в течение такого, же короткого периода времени на сигнал открывания основного прерывателя, как и известный отдельный твердотельный прерыватель постоянного тока, но при этом исключаются его проблемы.
Первый предел тока, быть может, например, определен немного выше номинального теплового тока в линии передачи энергии или в распределительной линии, или немного выше номинального теплового тока станции преобразователя, соединенной с линией. Во время открывания вспомогательного прерывателя и коммутации тока для основного прерывателя определенное уменьшение уровня тока из-за изменений в состояниях окружающей среды могло уже произойти, если рост тока был только временным и не был связан с неисправностью. Если впоследствии сигнал открывания основного прерывателя не будет сгенерирован из-за релаксации ранее выглядевшей критичной ситуации, данный вариант осуществления мог бы, в качестве дополнительного преимущества, помочь защитить линию передачи или распределения энергии от тепловой нагрузки.
В дополнительном варианте осуществления способа высокоскоростной переключатель открывается, когда первый период времени от открывания вспомогательного прерывателя истек. Это время предпочтительно выбирают достаточно длительным для вспомогательного прерывателя, так, чтобы он имел достаточно времени, чтобы полностью открыться, и достаточно коротким, чтобы не терять лишнее время, то есть, если известно, что вспомогательному прерывателю требуется приблизительно 10 микросекунд, чтобы открыться, первый период времени можно выбрать, как 20 микросекунд.
В первом альтернативном варианте осуществления высокоскоростной переключатель открывается, когда ток превышает второй предел тока. Второй предел тока, предпочтительно, находится выше первого предела тока, поскольку в ситуации неисправности, ток в линии постоянно растет, до тех пор, пока основной прерыватель, наконец, не откроется и не отсоединит линию от неисправности.
Во втором альтернативном варианте осуществления высокоскоростной переключатель открывается, когда принимают сигнал, обозначающий, что ток был успешно скоммутирован в основной прерыватель.
Как упомянуто выше, сигнал открывания основного прерывателя в некоторых случаях может не генерироваться и, поэтому, не может быть принят, даже при том, что вспомогательный прерыватель и высокоскоростной переключатель уже были открыты. Это может быть, например, связано с кратковременным повышением тока, которое вызвано кратковременным нарушением, но которое не имеет никаких серьезных последствий. В таких случаях в одном варианте осуществления способа предлагается проверять, что сигнал открывания основного прерывателя не был принят в течение второго периода времени после открывания вспомогательного прерывателя. После истечения второго периода времени высокоскоростной переключатель и вспомогательный прерыватель снова закрывают так, что нормальная работа может быть продолжена.
Неприем сигнала открывания основного прерывателя также может быть связан с медленным развитием неисправности, которая не обязательно должна быть немедленно распознана, как таковая. Поэтому, предложено при дальнейшем развитии описанного выше варианта осуществления, чтобы в случае, когда после закрывания высокоскоростного переключателя и вспомогательного прерывателя сигнал открывания вспомогательного переключателя все еще принимается, или он будет принят снова, вспомогательный прерыватель снова будет открыт первым, после чего открывается высокоскоростной переключатель, и после этого открывается основной прерыватель, если будет принят сигнал открывания основного прерывателя. Этапы открывания и закрывания вспомогательного прерывателя и высокоскоростного переключателя могут быть выполнены многократно, до тех пор, пока, в конечном итоге не будет принят сигнал открывания основного прерывателя или, в качестве альтернативы, больше не будет принят сигнал на открывание вспомогательного прерывателя.
В соответствии со специальным вариантом осуществления, выполняют так называемое наблюдение устройства в режиме онлайн. Во время нормальной работы основной прерыватель находится в состоянии отсутствия протекания тока, что позволяет выполнить проверку работоспособности, по меньшей мере, одного мощного полупроводникового переключателя и любых дополнительных присутствующих мощных полупроводниковых элементов, таких как обратные диоды. Тот факт, что существуют нормальные рабочие условия, распознается, по меньшей мере, по отсутствию сигнала на открывание вспомогательного прерывателя и сигнала на открывание основного прерывателя, но, конечно, информация дополнительного датчика может использоваться для определения, соответствует ли момент времени выполнения такого наблюдения в режиме онлайн. После успешной проверки основного прерывателя, основной прерыватель может быть закрыт либо немедленно или в последующем, после дополнительной обработки. Важный момент состоит в том, что основной прерыватель закрывают не позднее момента, в который начинается открывание вспомогательного прерывателя.
В дополнение к проверке основного прерывателя, также вспомогательный прерыватель может в нормальных рабочих условиях быть переведен в состояние отсутствия протекающего тока, для его проверки. Способ в соответствии с вариантом осуществления наблюдения в режиме онлайн вспомогательного прерывателя содержит следующие этапы:
открывают вспомогательный прерыватель, коммутируя, таким образом, ток в основной прерыватель,
после этого открывают высокоскоростной переключатель, проверяя, таким образом, работоспособность высокоскоростного переключателя,
после этого проверяют работоспособность, по меньшей мере, одного мощного полупроводникового переключателя и, если он присутствует, по меньшей мере, одного обратного диода вспомогательного прерывателя,
после успешной проверки снова, закрывают высокоскоростной переключатель и вспомогательный прерыватель.
При выполнении описанного выше наблюдения в режиме онлайн работоспособность всех переключающих элементов устройства прерывателя, то есть, основного прерывателя, вспомогательного прерывателя и высокоскоростного переключателя, может быть проверена без нарушений нормальной работы подключенной линии передачи энергии. Такое наблюдение в режиме онлайн невозможно при использовании обычных прерывателей, поскольку их невозможно обесточить без прерывания тока в цепи. Это означает также, что работоспособность обычно используемого прерывателя не может быть обеспечена непрерывно, поскольку наблюдение в отключенном режиме по практическим причинам выполняют только от случая к случаю. В результате, если после последнего технического обслуживания такого прерывателя прошло достаточное время, нет гарантии, что такой прерыватель фактически способен работать так, как ожидалось, до тех пор, пока прерыватель фактически не будет введен в работу для прерывания тока в ситуации неисправности. Такая неудовлетворительная ситуация в значительной степени улучшается с помощью устройства прерывания, описанного здесь, поскольку его может проверять непрерывно, и поскольку его работоспособность, таким образом, может быть обеспечена с высокой надежностью.
Устройство и способ, описанные здесь, могут использоваться предпочтительно в компоновке, такой как электрораспределительная подстанция, содержащей, по меньшей мере, одно дополнительное устройство определенного вида. Если такое дополнительное устройство соединено с той цепью протекания тока, что и электростанция или распределительная линия, такое дополнительное устройство можно использовать в качестве, так называемого, резервного прерывателя, то есть, в качестве прерывающего устройства, которое открывается в случае, когда исходное устройство не может открыться. Изобретение обеспечивает преимущество, состоящее в том, что дополнительное устройство может быть уже активировано заранее, когда исходное устройство вводят в работу, но до того, как будет детектирован отказ исходного устройства. В специальном варианте осуществления способа выполняют следующие дополнительные этапы после приема сигнала на открывание вспомогательного прерывателя для исходного устройства: вначале открывается вспомогательный прерыватель в дополнительном устройстве, после чего открывается высокоскоростной переключатель в дополнительном устройстве, затем проверяют, был ли успешно скоммутирован ток в исходном устройстве на нелинейный резистор, и если нет, в дополнительном устройстве открывают основной прерыватель. В противном случае, если в исходном устройстве ток был успешно скоммутирован на нелинейный резистор, высокоскоростной переключатель и вспомогательный прерыватель в дополнительном устройстве снова закрывают. Такой способ предварительной активации резервного устройства прерывания имеет преимущество, состоящее в том, что период времени прежде, чем неисправность будет определена на электрораспределительной подстанции, в случае отказа исходного устройства прерывания, сокращается только до времени, требуемого для чувствительных и/или защитных средств для генерирования сигнала на открывание основного прерывателя, плюс время, пока полностью не будет распознано, что исходное устройства прерывания не смогло открыться. Для основного прерывателя устройства резервного прерывателя затем требуется только несколько микросекунд на прерывание тока, и этот период времени является незначительным по сравнению с остальным временем. Благодаря более короткому периоду времени, ток во время неисправности прерывается раньше, чем при использовании обычных устройств прерывания, то есть, уровень тока неисправности, который достигается в конечном итоге, будет меньше. В результате, могут быть уменьшены размеры дополнительного оборудования на электрораспределительной станции, такое как реакторы и банки разрядников, что приводит к сокращению затрат.
Устройство и способ, описанные здесь, также можно использовать предпочтительно в компоновке ограничения тока, в случае, когда компоновка ограничения тока содержит, по меньшей мере, два из устройств, соединенных последовательно друг с другом, и последовательно с цепью протекания тока через линию передачи или распределения энергии. В случае, когда ток в цепи протекания тока превышает пределы перегрузки по току, первое определенное количество, по меньшей мере, из двух из устройств, срабатывает так, что ток будет скоммутирован через соответствующие нелинейные резисторы, что уменьшает, таким образом, ток. Термин "срабатывает” используется для выражения того, что описанные выше способы используются для последовательного открывания вначале вспомогательного прерывателя, затем высокоскоростного переключателя и, наконец, соответствующего основного прерывателя. Основной принцип такой компоновки ограничения тока известен из EP 0867998 B1, но в представленных здесь компоновках используется отдельные твердотельные прерыватели постоянного тока, описанные выше, с которыми связана проблема высоких потерь. Эта проблема преодолевается при использовании устройств в соответствии с настоящим изобретением.
Альтернативный вариант осуществления компоновки для ограничения тока содержит
по меньшей мере, два параллельных соединения основного прерывателя и нелинейного резистора, где параллельные соединения включены последовательно друг с другом и, где каждый основной прерыватель содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель в том же направлении или направлениях тока, и
последовательное соединение высокоскоростного переключателя и вспомогательного прерывателя, в случае, когда высокоскоростной переключатель содержит, по меньшей мере, один механический переключатель и, когда вспомогательный прерыватель имеет меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем любой из основных прерывателей, и содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель того же направления или направлений тока, как, по меньшей мере, у одного мощного полупроводникового переключателя основных прерывателей.
где последовательное соединение соединено параллельно, по меньшей мере, к двум параллельным соединениям.
В соответствии с этим, единственное отличие компоновки ограничения тока, описанной выше, состоит в том, что последовательное соединение высокоскоростного переключателя и вспомогательного прерывателя присутствует только здесь в одном месте, в то время как оно присутствует такое количество раз, какое количество имеется основных прерывателей и нелинейных резисторов в описанной выше компоновке.
Функция компоновки ограничения тока с одним высокоскоростным переключателем и вспомогательным прерывателем является той же, что и в компоновке с множеством высокоскоростных переключателей и вспомогательных прерывателей. В соответствии с этим, компоновка выполнена, чтобы вначале открывать один из вспомогательных прерывателей, затем открывать один высокоскоростной переключатель и после этого открывать первое определенное количество основных прерывателей таким образом, что ток через высокоскоростной переключатель и вспомогательный прерыватель вначале коммутируют через него в первое определенное количество основных прерывателей и затем в соответствующие нелинейные резисторы, где такую коммутацию выполняют в случае, когда ток по цепи протекания тока линии передачи или распределения энергии, где последовательно включена компоновка, превышает предел перегрузки по току.
Первое определенное количество определяют в соответствии с вариантом осуществления, который зависит от того, в какой степени произошло превышение перегрузки по току, и, предпочтительно, определяют с целью уменьшения тока так, что он снова падает ниже предела перегрузки по току, и его поддерживают на заданном уровне тока, по меньшей мере, в течение определенного периода времени.
Преимущество использования, по меньшей мере, двух из описанных выше устройств прерывания или параллельных соединений основного прерывателя и нелинейного резистора, соответственно, в компоновке ограничения тока состоит в следующем. Период времени, в течение которого ток поддерживают на заданном уровне и, соответственно, он не увеличивается, фактически представляет собой заслугу алгоритма чувствительных и/или защитных средств. Алгоритм устанавливает этот дополнительный период времени, который используется для оценки, действительно ли присутствует или нет ситуация неисправности. В результате, окончательное решение относительно того, требуется ли прерывать ток или нет, может быть принято с большей точностью и надежностью, что позволяет исключить ненужные прерывания тока. Кроме того, поскольку уровень тока ограничен, основные прерыватели компоновки ограничения тока и, поэтому, их мощный полупроводниковый переключатель или переключатели должны быть номинально рассчитаны только на меньшие значения токов прерывания, что существенно уменьшает стоимость.
В случае, когда решение на прерывание тока по цепи протекания тока, в конечном итоге будет принято алгоритмом чувствительных и/или защитных средств, обе компоновки ограничения тока используются, как сами устройства прерывания. В этом случае, все остальные устройства прерывания или параллельные соединения, где соответствующие основные прерыватели все еще закрыты, работают, таким образом, что ток по цепи тока будет скоммутирован во все нелинейные резисторы компоновки ограничения тока, прерывая, таким образом, поток тока в цепи протекания тока.
Обе компоновки ограничения тока, описанные выше, выполнены с возможностью ограничения тока, если только тепловая энергия в их нелинейных резисторах не станет слишком большой.
В соответствии с одним вариантом осуществления, отслеживают тепловую энергию в нелинейных резисторах, соответствующих открытым основным прерывателям, и в случае, когда она превышает заданный первый предел энергии, открытые основные прерыватели снова закрывают, и работает то же первое определенное количество, по меньшей мере, из двух устройств или, по меньшей мере, из двух параллельных соединений, основные прерыватели которых были ранее закрыты, и, таким образом, их соответствующие основные прерыватели открыты.
Это может повторяться до тех пор, пока тепловая энергия, по меньшей мере, в одном из нелинейных резисторов компоновки ограничения тока не превысит заданный второй предел энергии. Если это случится, решение полностью прервать ток в цепи протекания тока должно быть принято в любом случае, независимо от промежуточных результатов алгоритма чувствительных и/или защитных средств.
Благодаря открыванию и закрыванию различных частей основных прерывателей компоновки ограничения тока с их чередованием, повышение тепловой энергии в соответствующих нелинейных резисторах и, таким образом, их токовая нагрузка распределяются более равномерно между нелинейными резисторами так, что токовая нагрузка для каждого отдельного нелинейного резистора будет удерживаться в допустимых пределах, в течение более длительного периода времени. Соответственно, необходимость прервать ток в линии передачи энергии из-за превышения второго предела энергии возникает позже, что дополнительно продлевает время, доступное для алгоритма чувствительных и/или защитных средств.
В дополнительном варианте осуществления изобретения токовая нагрузка, по меньшей мере, одного и вплоть до всех нелинейных резисторов в компоновке ограничения тока определена и сохранена в запоминающем устройстве, например, в форме произведения уровня тока, протекающего через нелинейный резистор, умноженного на соответствующий период времени, просуммированное для каждой операции открывания соответствующего основного прерывателя, или в форме кривой температуры с течением времени. Из токовой нагрузки может быть определен ожидаемый срок службы для соответствующего нелинейного резистора, и эта информация может использоваться для адаптации альтернативного способа работы основных прерывателей в компоновке ограничения тока, для увеличения ожидаемого срока службы, по меньшей мере, одного из и вплоть до всех нелинейных резисторов.
Другой верхний предел, помимо второго предела энергии, который приводит к определенным решениям по прерыванию тока, в случае, когда ток увеличивается, несмотря на активную компоновку ограничения тока, и который достигает максимального уровня тока, который определен для основных прерывателей компоновки ограничения тока как возможный для прерывания.
В специальном варианте осуществления компоновка ограничения тока используется для ограничения выброса тока, который может возникать в линии передачи или распределения энергии, для цепи протекания тока, с которой соединена компоновка ограничения тока, в случае, когда эта линия вначале находится в отключенном состоянии или заранее заряжена до других уровней напряжения, чем, по меньшей мере, одна другая линия передачи или распределения энергии, которая находится в открытом состоянии, и где эта линия должна быть соединена, по меньшей мере, с одной другой линией. В дальнейшем этот вариант осуществления поясняется для отключенной линии, но точно таким, же образом его можно применять для линии, которая была заранее заряжена до другого уровня напряжения.
Выброс тока возникает из-за дополнительной емкости, резко добавляемой через ранее отключенную линию, и он может становиться настолько высоким, что он может привести к немедленному отсоединению ранее отключенной линии снова. В современной практике используется так называемый резистор предварительной вставки, который временно последовательно подключен к ранее отключенной линии и который ограничивает выброс тока. В соответствии с таким специальным вариантом осуществления, компоновка ограничения тока берет на себя функцию резистора предварительной вставки, уменьшая, таким образом, затраты. Перед подключением линии передачи или распределения энергии, по меньшей мере, к одной из подключенных линий, компоновка ограничения тока находится в открытом состоянии. Термин “открытое состояние" устройства прерывания в компоновке ограничения тока, описанной здесь, означает, что открыты все вспомогательные и основные прерыватели, а также все высокоскоростные переключатели этого устройства или компоновки.
Во время подключения отключенной линии, по меньшей мере, к одной из подключенных линий, часть основных прерывателей компоновки ограничения тока закрывается, и другая часть основных прерывателей, а также высокоскоростного переключателя или переключателей и вспомогательного прерывателя, или прерывателей, остаются открытыми. После успешного подключения другая часть основных прерывателей, высокоскоростного переключателя или переключателей и вспомогательного прерывателя или прерывателей закрывается, таким образом, коммутируя ток в компоновке ограничения тока на высокоскоростной переключатель или переключатели и на вспомогательный прерыватель или прерыватели. После успешной коммутации основные прерыватели могут быть снова открыты вплоть до тех пор, пока не откроется вспомогательный прерыватель или прерыватели в следующий раз. Часть основных прерывателей, которые должны быть закрыты вначале, или закрыты столько раз, сколько требуется для ограничения выброса тока адекватным образом, чтобы исключить отсоединение предварительно отсоединенной линии.
Другие варианты осуществления самого устройства также предложены. В одном варианте осуществления устройства, основной прерыватель и/или вспомогательный прерыватель содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель, параллельно подключенный, по меньшей мере, к одному мощному полупроводниковому переключатель первого направления тока. Такой вариант осуществления пригоден для увеличения номинального тока для соответствующего прерывателя, в случае, когда основной прерыватель имеет размеры, соответствующие уровню прерываемого тока, и вспомогательный прерыватель имеет размеры, соответствующие уровню постоянной передачи тока. Одно преимущество такого варианта осуществления состоит в том, что увеличение постоянной передачи тока возможно только при минимальных затратах, поскольку вспомогательный прерыватель тока содержит всего от одного до нескольких мощных полупроводниковых переключателей, малое количество которых должно быть удвоено. Кроме того, требуется отрегулировать размеры высокоскоростного переключателя. В предыдущем отдельном решении устройства только с одним твердотельным основным прерывателем увеличение постоянного тока передачи энергии приводило к получению намного более дорогостоящего устройства прерывателя, поскольку вплоть до нескольких сотен мощных полупроводниковых переключателей требовалось добавлять параллельно. Другое преимущество состоит в том, что конструкция основного прерывателя может быть упрощена по сравнению с отдельным решением в отношении распределения тока, поскольку ток протекает только через основной прерыватель в течение очень короткого периода времени, от коммутации от вспомогательного прерывателя и открывания основного прерывателя, таким образом, что возможное неравномерное распределение тока между параллельными ветвями возникает только на короткий период времени.
В другом варианте осуществления устройства, как основной прерыватель, так и вспомогательный прерыватель содержат, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель, включенный параллельно, по меньшей мере, одному мощному полупроводниковому переключателю первого направления тока и который также предназначен для второго направления тока. В таком варианте осуществления устройство становится двунаправленным устройством, которое пригодно для использования для прерывания, как первого направления тока, так и противоположного второго направления тока. Мощные полупроводниковые переключатели, включенные параллельно друг с другом, могут представлять собой отдельные разделенные переключатели или переключатели, интегрированные в одном полупроводниковом пакете.
Как известно из области техники, каждый из мощных полупроводниковых переключателей может быть снабжен обратным диодом с антипараллельным соединением с соответствующим переключателем. В этом случае предложено, что в альтернативном варианте осуществления двунаправленное устройство должно иметь основной прерыватель и вспомогательный прерыватель, по меньшей мере, в одном мощном полупроводниковом переключателе второго, противоположного направления тока, который соединен последовательно, по меньшей мере, с одним мощным полупроводниковым переключателем для первого направления тока, где такой, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель второго направления тока также соединен антипараллельно с обратным диодом.
Изобретение и его вариант осуществления будут описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
На фиг. 1 показан первый пример основного элемента твердотельного прерывателя,
на фиг. 2 показано устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения,
на фиг. 3 показан второй пример основного элемента твердотельного прерывателя,
на фиг. 4 показан вариант осуществления устройства в форме двунаправленного устройства,
на фиг. 5 показан третий пример основного элемента твердотельного прерывателя,
на фиг. 6 показан первый вариант осуществления распределительного устройства, соединяющего преобразователь HVDC и четыре линии передачи энергии постоянного тока,
на фиг. 7 показано взаимодействие между устройством по фиг. 2 и средством управления устройством, а так же средством управления электрораспределительной подстанции,
на фиг. 8 показана временная последовательность этапов варианта осуществления способа в соответствии с изобретением,
на фиг. 9 показана временная последовательность для операций устройства прерывания и резервного устройства прерывания,
на фиг. 10 показан первый вариант осуществления компоновки ограничения тока,
на фиг. 11 показан второй вариант осуществления компоновки ограничения тока,
на фиг. 12 показан второй вариант осуществления электрораспределительной подстанции, соединяющей преобразователь HVDC и четыре линии передачи энергии постоянного тока.
На фиг. 1 показан первый основной элемент 6 для твердотельных прерывателей, используемых в вариантах осуществления изобретения, где твердотельные прерыватели представляют собой основной и вспомогательный прерыватели, дополнительно поясняющиеся ниже. Первой основной элемент 6 содержит мощный полупроводниковый переключатель 1 для первого направления 4 тока и обратный диод 2, соединенный антипараллельно с мощным полупроводниковым переключателем 1.
Первый основной элемент 6 используется в варианте осуществления устройства в соответствии с изобретением, как представлено на фиг. 2. Устройство 13 прерывателя по фиг. 2 пригодно для применения при высоком напряжении 50 кВ и больше, выполнено с возможностью прерывать токи вплоть до приблизительно 10 кА и соединено последовательно с линией 14 передачи энергии. Линия 14 передачи энергии предпочтительно представляет собой линию передачи энергии HVDC. Устройство 13 прерывателя содержит основной прерыватель 8, содержащий последовательное соединение из нескольких десятков, вплоть до нескольких сотен основных элементов 6, в зависимости от уровня напряжения, нелинейный резистор 11, включенный параллельно с основным прерывателем 8, и последовательное соединение высокоскоростного переключателя 10 и вспомогательного прерывателя 9, включенных параллельно с основным прерывателем 8 и нелинейным резистором 11. Вспомогательный прерыватель 9 содержит только один основной элемент 6. Высокоскоростной переключатель 11 показан, как один механический переключатель, но в данном примере он состоит из последовательного соединения, по меньшей мере, двух механических переключателей, работающих одновременно. Последовательно с устройством 13 прерывания, размещен дроссель 12 для ограничения скорости изменения тока. Как можно видеть на фиг. 2, устройство 13 прерывания выполнено с возможностью прерывания тока, протекающего только в первом направлении 4 тока через линию 14 передачи энергии. В соответствии с этим, оно пригодно для использования в качестве прерывателя переменного тока, но его можно использовать в качестве прерывателя постоянного тока в широком диапазоне напряжений, начиная приблизительно с 1 кВ и вплоть до 1000 кВ и выше, то есть, его можно использовать, как в области распределения энергии, так и в области передачи энергии.
На фиг. 3 можно видеть второй основной элемент 7 для твердотельных прерывателей, который содержит параллельное соединение мощного полупроводникового переключателя 1 для первого направления 4 тока и мощного полупроводникового переключателя 3 для второго, противоположного направления 5 тока.
Второй основной элемент 7 используется в варианте осуществления устройства, в соответствии с изобретением, как показано на фиг. 4. Устройство 17 прерывания по фиг. 4 представляет собой двунаправленное устройство прерывания, поскольку оно способно прерывать ток в линии 14 передачи энергии, как в первом направлении 4 тока, так и во втором направлении 5 тока. Двунаправленное устройство 16 прерывания, в основном, аналогично по своей конструкции функциям устройства 13 прерывания, то есть, оно выполнено для работы в том же диапазоне напряжений и токов, и содержит те же элементы с единственным различием, состоящим в том, что основной прерыватель 15 и вспомогательный прерыватель 16 содержат вторые основные элементы 7, вместо первых основных элементов 6. Кроме того, поскольку устройство 17 прерывания представляет собой двунаправленное устройство прерывания, его можно использовать, как двунаправленный прерыватель постоянного тока, то есть, прерыватель постоянного тока, как для первого, так и для второго направлений 4 и 5 тока, а также как прерыватель переменного тока.
1
rate
1
rate.
2
1
lim
lim
3
5
1
5
5
Bmax
1
4
3
4
3
3,
4
Break
4
На фиг. 8 можно видеть, как устройство прерывания в соответствии с изобретением может работать в случае неисправности. Способ поясняется с использованием однонаправленного устройства 13 прерывания, в качестве примера, но таким, же образом он, может быть, применим для двунаправленного устройства прерывания, такого как устройство 17 прерывания. По оси x в системе координат, показанной на фиг. 8, представлено время t в миллисекундах, и по оси y показан ток I через линию 14 передачи энергии энергии. Перед моментом времени t основной и вспомогательный прерыватели 8 и 9, а также высокоскоростной переключатель 10, закрыты, при этом вспомогательный прерыватель 9 и высокоскоростной переключатель 10 закрыты все время в течение нормальной работы линии 14 передачи энергии, в то время как основной прерыватель 8 мог быть, например, только что закрыт, после того, как было выполнено некоторое наблюдение в режиме онлайн его функциональности. Номинальный ток I протекает через высокоскоростной переключатель 10 и вспомогательный прерыватель 9, в то время как основной прерыватель 8 не пропускает ток. В момент времени t возникает неисправность в линии для линии 14 передачи энергии, в результате чего происходит постоянное увеличение тока I, начиная от номинального тока IВ момент времени t, который в данном примере составляет приблизительно 1 мс после момента времени t, первый предел Iтока, который установлен немного выше номинального теплового тока линии 14 передачи энергии, превышается, что приводит к немедленному генерированию и передаче сигнала на открывание вспомогательного прерывателя во вспомогательный прерыватель 9. Вспомогательный прерыватель 9 принимает сигнал на открывание вспомогательного прерывателя и мгновенно открывается в течение нескольких микросекунд, коммутируя, таким образом, ток I в основной прерыватель 8. От момента передачи сигнала на открывание вспомогательного прерывателя выполняется ожидание в течение первого периода времени, до тех пор, пока вспомогательный прерыватель не будет определенно открыт. Если, например, для вспомогательного прерывателя обычно требуется 10 мкс на открывание, первый период времени может быть выбран, например 20 мкс. Поскольку этот первый период времени является очень коротким по сравнению с мс диапазоном, показанным на фиг. 8, он не представлен. После того, как истечет первый период времени, высокоскоростной переключатель 10 открывается, что в данном примере занимает несколько больше, чем 1 мс, таким образом, что высокоскоростной переключатель 10 в конечном итоге будет в открытом состоянии в момент времени t. Момент времени t показывает конец максимального интервала времени, в течение которого алгоритм средства датчика и/или средства защиты должен обработать различные входные сигналы прежде, чем будет принято решение на прерывание, и сигнал открывания основного прерывателя будет сгенерирован и передан в основной прерыватель 8. Такой максимальный интервал времени, рассчитанный от момента t времени отказа до момента времени t, в данном примере составляет приблизительно 4 мс. В этот максимальный момент времени t ток достигает максимального уровня I тока, который определен для основного прерывателя как возможный для прерывания, то есть, в этот момент времени сигнал открывания основного прерывателя в любом случае будет сгенерирован и передан в основной прерыватель 8. Однако алгоритм чувствительного и/или защитного средства может производить и передавать сигнал открывания основного прерывателя в любой момент времени после возникновения неисправности, то есть, в любой момент времени после t. В данном примере сигнал на открывание основного прерывателя принимается основным прерывателем 8 в момент времени t, если бы сигнал, в качестве альтернативы, был доступен перед или до открывания высокоскоростного переключателя уже в момент времени t, моменты времени t и t могли бы отмечать одну и ту же точку во времени, то есть, способ мог бы перейти непосредственно к моменту времени t как описано ниже. Основной прерыватель 8 открывается мгновенно в течение нескольких микросекунд, таким образом, что момент времени, когда основной прерыватель 8 открывается, и происходит коммутация тока в нелинейный резистор 11, находится так близко после момента времени t, что его невозможно показать на фиг. 8. Уровень I тока, протекающего затем в момент t через линию 14 и, таким образом, через основной прерыватель, представляет собой уровень тока, который основной прерыватель 8 фактически должен здесь прерывать. Интересно отметить, что выброс напряжения, вероятно, возникает, когда основной прерыватель открывается. Поскольку получаемый в результате увеличенный уровень напряжения прикладывается к высокоскоростному переключателю, он должен быть рассчитан на соответствующий номинал.
lim
Break
lim,
Следует отметить, что обычно любой достаточно быстро срабатывающий переключатель можно использовать, как вспомогательный прерыватель. Основная идея настоящего изобретения состоит в том, что при последовательном соединении параллельно к основному прерывателю, вспомогательный прерыватель позволяет взять на себя задачу переключения и коммутации в основной прерыватель с увеличенным уровнем тока I, который, однако, находится далеко ниже фактического тока Iпереключения, в то время как задача противодействия всему высокому уровню напряжения выполняется с помощью механического высокоскоростного переключателя. Предполагая, например, что сверхбыстрый механический переключатель становится доступным, который может выполнять ту же функцию, что и твердотельный вспомогательный прерыватель, сверхбыстрый переключатель имел бы возможность прерывания уровня тока I на уровне, например, 2 кА, в пределах очень короткого периода времени, существенного меньшего, чем 1 мс, и мог бы противостоять тому же уровню напряжения, например, 2 кВ. В этом случае вспомогательный прерыватель также мог бы быть выполнен механически вместо твердотельного переключателя.
На фиг. 5 показан третий основной элемент 19, который содержит последовательное соединение мощного полупроводникового переключателя 1 в первом направлении тока, и мощного полупроводникового переключателя 3, в противоположном втором направлении тока. Каждый мощный полупроводниковый переключатель имеет обратный диод 2 и 18, соответственно, соединенные антипараллельно. Основной элемент 19 используется на фиг. 6 для представления двунаправленных устройств прерывания, которые размещены в электрораспределительной подстанции 20, в то время как двунаправленные устройства прерывания построены из тех же элементов, что и двунаправленное устройство 17 прерывания, с единственной разницей, состоящей в том, что основной прерыватель и вспомогательный прерыватель, оба содержат третьи основные элементы 19, вместо вторых основных элементов 7. Поскольку общая функция устройства 17 прерывания и устройства прерывания, встроенного в третий основной элемент 19, является одинаковой, их можно использовать в тех же диапазонах напряжения и токов, в вариантах применения для прерывания, как постоянного тока, так двунаправленного или переменного тока.
На электрораспределительной подстанции на фиг. 6 включен преобразователь 30 HVDC, здесь представленный как преобразователь источника напряжения, содержащий мощные полупроводниковые переключатели для отключения, с четырьмя линиями 26-29 передачи энергии энергии постоянного тока по сети постоянного тока. Предполагается, что неисправность в линии возникает в линии 28 передачи энергии энергии постоянного тока. В этом случае, устройства 22 и 21 прерывания должны открываться для отсоединения линии 28 от других линий 26, 27 и 29 и, таким образом, от остальной части сети постоянного тока. В очень редких случаях может случиться, что устройство прерывания не сможет открыться. Для того, чтобы все еще обеспечить возможность отсоединения такого количества линий сети постоянного тока от неисправной линии 28, определены, так называемые, резервные прерыватели или резервные прерывающие устройства в электрораспределительной подстанции, которые открываются, если их соответствующее исходное устройство прерывания не может это выполнить. В примере, показанном на фиг. 6, предполагается, что устройство 22 прерывания переходит в открытое состояние, в то время как возникает неисправность в устройстве 21 прерывания. Резервные прерыватели для устройства 21 прерывания представляют собой устройства 23 и 24 прерывания. В данном примере необходимы два резервных прерывателя, поскольку цепь протекания тока линии 28 передачи энергии разделяется в электрораспределительной подстанции 20 на две цепи, одна из которых ведет через устройство 24 прерывания и другая ведет через устройство 23 прерывания. Временная последовательность для открывания исходного устройства прерывания, после чего следует резервное устройство прерывания, поясняется ниже со ссылкой на фиг. 9 и используя, например, исходное устройство 21 прерывания и резервные устройства 23 и 24 прерывания.
1
1
rate.
2
lim
3
4
5
Bmax
5
6,
5
6
6
Bmax
marg
По оси x в системе координат, показанной на фиг. 9, снова представлено время t в миллисекундах, и по оси y представлен ток I через линию 28 передачи энергии. Перед моментом времени tосновной и вспомогательной прерыватели, а также высокоскоростные переключатели устройств 21, 23 и 24 прерывания закрыты; токи протекают через вспомогательные прерыватели и высокоскоростные переключатели, в то время как через основные прерыватели ток не течет. Индивидуальный уровень тока через каждое устройство 21, 22, 23 и 24 прерывания определяют по распределению тока внутри электрораспределительной подстанции. В момент времени t, происходит неисправность в линии для линии 28 передачи энергии, в результате чего постоянно повышается ток I, начиная от номинального тока IТакой увеличенный ток подают в электрораспределительную подстанцию и от нее в остальную сеть постоянного тока, что следует предотвратить путем открывания обоих устройств 21 и 22 прерывания. Но как упомянуто выше, устройство 22 прерывания далее не будет рассматриваться, поскольку предполагается, что его действие прерывания является успешным. В момент времени t, первый предел Iтока, который находится немного выше номинального теплового тока линии 28 передачи энергии, превышается, что приводит к мгновенному генерированию и передаче сигнала на открывание вспомогательного прерывателя во вспомогательные прерыватели, как в исходное устройство 21 прерывания, так и в резервное устройство 23 и 24 прерывания. Вспомогательные прерыватели принимают сигнал открывания вспомогательного прерывателя и мгновенно открываются через несколько микросекунд, коммутируя, таким образом, свой соответствующий ток на свой соответствующий основный прерыватель. Как уже пояснялось выше со ссылкой на фиг. 8, выполняют ожидание для каждого из трех устройств 21, 23 и 24 прерывания, в первый период времени от передачи сигнала на открывание вспомогательного прерывателя до того, как, ожидается, соответствующий вспомогательный прерыватель будет открыт, прежде чем соответствующий высокоскоростной переключатель также будет открыт. Высокоскоростные переключатели устройств 21, 23 и 24 прерывания все открываются в момент времени t. В этом примере решение на прерывание принимается чувствительным и/или защитным средством, и сигнал открывания основного прерывателя генерируют, и его посылают в основной прерыватель исходного устройства 21 прерывания в момент времени t, который должен принять этот сигнал и мгновенно отреагировать. Однако основной прерыватель устройства 21 прерывания не открывается и, соответственно, не коммутирует ток на соответствующий нелинейный резистор. Этот факт распознается в момент времени t, который совпадает в данном примере с моментом времени, в который основной прерыватель наверняка должен был быть открыт, из-за достижения значения I. Немедленно, сигнал на открывание основного прерывателя генерируют и передают в основные прерыватели резервных устройств 23 и 24 прерывания, которые мгновенно открываются. Время реакции между распознаванием отказа прерывателя в момент t и открыванием одного или большего количества резервных устройств прерывания в момент t поэтому, определяется только временем, в течение которого основной прерыватель резервного прерывателя открывается, которое в данном случае является чрезвычайно коротким. Однако оно представлено в виде несколько преувеличенного периода времени между t и t, для пояснения, что уровень тока, который достиг момента времени t, равен максимальному уровню I тока, который определен для основного прерывателя как возможный для прерывания, плюс резервный запас I, то есть, основные прерыватели устройств прерывания по фиг. 6 фактически разработаны так, что они имеют возможность прерывать такой увеличенный уровень максимального тока (IBmax+Imarg).
На фиг. 7 показана компоновка для пояснения примера возможного взаимодействия между устройством 13 прерывания, средством 36 управления устройством и средством 38 управления электрораспределительной подстанцией, где предполагается, что управление устройством 13 прерывания, а также другой частью устройств прерывания электрораспределительной подстанции осуществляется средством 38 управления электрораспределительной подстанцией. Средство 38 управления электрораспределительной подстанцией имеет, в качестве входных сигналов, сигнал или сигналы 37, поступающие с более высокого уровня управления и системы защиты сети, которой принадлежит линия 14 передачи энергии, и сигнал измерения тока, снимаемый датчиком 32 тока. Датчик 32 тока подает результат измерения уровня тока в линию 14 передачи энергии. Из этих входных сигналов, средство 38 управления электрораспределительной подстанцией выводит решения о том, должно ли одно или больше устройств прерывания в соответствующей электрораспределительной подстанции быть открыто или снова закрыто. Выходной сигнал 37 средства 38 управления электрораспределительной подстанцией представляет собой сигнал, который передают в устройство 36 управления устройством, и который обозначает, что устройство 13 прерывания должно быть открыто, означает, что ток через устройство 13 прерывания должен быть прерван, независимо от того, должно ли устройство 13 прерывания быть открытым, как исходное устройство прерывания или, как резервное устройство прерывания. Из средства 36 управления устройством, следующую информацию посылают обратно в средство управления электрораспределительной подстанцией: сигнал 34, который обозначает, установлено ли устройство 13 прерывания и, таким образом, может ли оно коммутировать ток в свой основной прерыватель 8 перед фактическим решением на прерывание, и сигнал 35, обозначающий, что устройство 13 прерывания неисправно, то есть, что ток не может быть коммутирован в нелинейный резистор 11. Сигнал 34 информирует средство 38 управления электрораспределительной подстанцией, что возможно очень короткое время реакции и, что алгоритмы управления и защиты могут быть соответствующим образом отрегулированы.
lim
Кроме сигнала 33, дополнительные входные сигналы в средство 36 управления устройством представляют собой сигнал измерения тока от датчика 32 тока и сигналы, обозначающие ток индикаторов 25 и 31 тока. Индикатор 25 тока обозначает, присутствует ли ток в ответвлении высокоскоростного переключателя 10 и вспомогательного прерывателя 9 и другие индикаторы 31 тока обозначают, присутствует ли ток в ответвлении нелинейного резистора 11. Индикаторы 25 и 31 тока не обязательно должны выполнять реальное измерение тока; вместо этого достаточно, чтобы они представляли ответ "да/нет" на вопрос, протекает ли ток. Как было описано выше со ссылкой на фиг. 8 и 9, средство 36 управления устройством реагирует на результат измерения тока датчика 32 тока, который обозначает, что первый предел I тока превышен в линии 14 передачи энергии, и генерирует сигнал открывания вспомогательного прерывателя и передает его через соединение 41 во вспомогательный прерыватель 9, независимо от входного сигнала 33 от средства 38 управления электрораспределительной подстанцией. После этого, либо когда проходит первый период времени, или в первом альтернативном варианте осуществления, когда измерение от датчика 32 тока превысит второй предел тока, или во втором альтернативном варианте осуществления, когда индикатор 25 тока обозначает, что ток был успешно скоммутирован в основной прерыватель 8, то есть, что ток больше не присутствует в ответвлении высокоскоростного переключателя 10 и вспомогательного прерывателя 9, сигнал на открывание передают через соединение 39 в высокоскоростной переключатель 10.
5
4
Как только входной сигнал 33 покажет, что устройство 13 прерывания должно прервать ток в линии 14 передачи энергии, средство 36 управления устройством генерирует сигнал открывания основного прерывателя и передает его через соединение 40 в основной прерыватель 8. В случае, когда средство 38 управления электрораспределительной подстанции выполняет операции с устройством 13 прерывания, в качестве исходного прерывателя, входной сигнал 33 поступит раньше на временной интервал (t-t) (см. фиг. 9), по сравнению со случаем, где устройство 13 прерывание срабатывает, как резервный прерыватель. После передачи сигнала 40 на открывание основного прерывателя, средство 36 управления устройством отслеживает сигнал, поступающий из индикатора 31 тока. Если после заданного периода времени, после передачи сигнала на открывание основного прерывателя, обозначеие успешной коммутации тока в нелинейный резистор 11 не будет получено, средство 36 управления устройством передает сигнал 35 в средство 38 управления электрораспределительной подстанцией, для информирования ее о неисправности устройства 13 прерывания таким образом, что средство 38 управления электрораспределительной подстанцией может активировать резервное устройство прерывания в устройстве 13.
Если после открывания высокоскоростного переключателя 10 или, в качестве альтернативы, после открывания вспомогательного прерывателя, истек второй период времени, например, 100 мс, в течение которого средство 36 управления устройством не приняло никакую информацию через сигнал 33 о том, что ток в линии 14 должен быть прерван, средство 36 управления устройством передает сигналы закрывания через соединения 39 и 41 в высокоскоростной переключатель 10 и во вспомогательный прерыватель 9, соответственно. Если после этого результат измерения датчика 32 тока все еще или снова превышает первый предел тока, всю процедуру начинают снова.
На фиг. 10 показан первый и на фиг. 11 показан второй вариант осуществления компоновки ограничения тока. Компоновка 42 ограничения тока на фиг. 10 основана на первом основном элементе 6 по фиг. 1 и, поэтому, работает, как однонаправленное устройство ограничения тока. Компоновка 42 ограничения тока содержит последовательное соединение нескольких устройств 13 прерывания и последовательно соединена с линией 44 передачи энергии и с дросселем 12 ограничения тока. Компоновка 43 ограничения тока по фиг. 11 основана на третьем основном элементе 19 по фиг. 5 и, поэтому, работает, как двунаправленное устройство ограничения тока. Компоновка 43 содержит последовательное соединение основных прерывателей 45, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один третий основной элемент 19, где каждый основной прерыватель 45 имеет нелинейный резистор 11, соединенный параллельно. Во всем последовательном соединении основных прерывателей 45, последовательное соединение высокоскоростного переключателя 10 и вспомогательного прерывателя 46 подключено параллельно, где вспомогательный прерыватель 46 содержит, по меньшей мере, один третий основной элемент 19. Компоновка 43 ограничения тока сама подключена последовательно к линии 44 передачи энергии и к дросселю 12 ограничения тока.
Дополнительные варианты осуществления компоновок ограничения тока, которые не показаны, могут содержать основные прерыватели, а также один или несколько вспомогательных прерывателей, которые основаны на первом, втором или третьем основных элементах, и которые размещены одним или другим образом, показанными на фиг. 10 и 11. Поскольку второй основной элемент 7 работает в обоих направлениях тока, соответствующие компоновки ограничения тока также могут работать, как двунаправленные устройства ограничения тока.
Компоновка ограничения тока, в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться для тех же диапазонов напряжений, как и в описанных выше устройствах прерывания, то есть, как для распределения энергии среднего напряжения, так и для вариантов применения высоковольтной передачи энергии.
1
rale
1
rale
2
lim
lim
3
3
3
lim
Bmax
3
lim)
3
4
4
3
Bmax
5
Bmax
Bmax
Способ использования компоновки ограничения тока по фиг. 11 будет описан со ссылкой на фиг. 8. Незадолго до момента t времени основной и вспомогательный прерыватели 8 и 9 закрыты, также как и высокоскоростной переключатель 10. Номинальный ток I протекает через высокоскоростной переключатель 10 и вспомогательный прерыватель 9, в то время как через основные прерыватели 8 ток не протекает. В момент времени t, возникает неисправность в линии 44 передачи энергии, в результате чего происходит постоянное увеличение тока I, начиная от номинального тока I. В момент времени t, первый предел Iтока, который установлен немного выше номинального теплового тока линии 44 передачи энергии, будет превышен, что приводит к немедленному генерированию и передаче сигнала на открывание вспомогательного прерывателя во вспомогательный прерыватель 9. Вспомогательный прерыватель 9 принимает сигнал на открывание вспомогательного прерывателя и мгновенно открывается в течение нескольких микросекунд, коммутируя, таким образом, ток I на основные прерыватели 8. От передачи сигнала на открывание вспомогательного прерывателя выполняют ожидание в течение первого периода времени, до тех пор, пока вспомогательный прерыватель определенно будет открыт, и затем открывают высокоскоростной переключатель 10, который через некоторое время, например, 1 мс, в конечном итоге, будет находиться в открытом состоянии в момент времени t. В момент времени t, ток достигает промежуточного уровня Iтока, который находится выше первого предела I, но, очевидно, ниже максимального тока I прерывания. По разности между промежуточным уровнем тока и первым пределом тока, (I-I, теперь определяют количество основных прерывателей 8, которые должны быть открыты в компоновке 43 ограничения тока, которое в данном примере, как предполагают, равно трем, среди, в общей сумме, шести последовательно подключенных основных прерывателей 8. В соответствии с этим, три из основных прерывателей 8 открывают, коммутируя, таким образом, ток, протекающий через них в соответствующие нелинейные резисторы 11. В результате, уровень тока не повышается далее с той же скоростью повышения, как и прежде. Вместо этого, он либо увеличивается с меньшей скоростью, или, как показано на фиг. 8 пунктирной линией, остается на промежуточном уровне Iтока, или даже уменьшается. В примере на фиг. 8 ток остается на промежуточном уровне тока, до окончательного принятия решения о прерывании, то есть, до момента, когда решение полностью прервать ток в линии 44 передачи энергии, будет принято в момент времени t, конечное решение на прерывание может быть принято, либо из-за того, что тепловая энергия в нелинейных резисторах 11 открытых основных прерывателей 8 превышает верхний предел, или в связи с тем, что алгоритм в чувствительном и/или защитном средстве оценивает, что неисправность в линии 44 передачи энергии требует такого прерывания тока. В соответствии с этим, в момент времени t, все основные прерыватели 8, которые все еще находятся в закрытом состоянии, также открывают, что в данном примере относится к оставшимся трем основным прерывателям 8. Ток коммутируются в их соответствующие нелинейные резисторы 11 и, таким образом, в конечном итоге, прерываются в линии 44 передачи энергии. Как становится понятным из фиг. 8, ток, который основные прерыватели 8 должны прервать, в данном примере представляет собой промежуточный уровень Iтока, который существенно ниже, чем максимальный ток I прерывания. Рассмотрим более серьезный случай, в котором уровень тока повышается, несмотря на открывание первых трех основных прерывателей. Из-за открывания некоторых из основных прерывателей 8, такое повышение происходит, по меньшей мере, с меньшей скоростью, по сравнению с использованием исключительно устройства 13 (или 17) прерывания. Это означает, что, когда достигается максимальный период времени, требуемый, чтобы алгоритм чувствительного и/или защитного средства принял надежное решение о прерывании, которое здесь конструктивно установлено, как истечение момента времени t, уровень тока, который должны будут прервать оставшиеся основные прерыватели 8, в любом случае, будет ниже максимального тока I прерывания отдельного устройства прерывания. В соответствии с этим, основные прерыватели 8 могут быть разработаны на меньший максимальный ток I прерывания, что существенно уменьшает их стоимость.
Электрораспределительная подстанция по фиг. 12 в некоторых аспектах аналогична электрораспределительной подстанции по фиг. 6. Преобразователь 30 HVDC и четыре линии 26-29 передачи энергии постоянного тока сети постоянного тока. Одно из отличий состоит в том, что устройства прерывания, которые непосредственно соединены с линиями 26 и 29, на фиг. 12, каждое заменено двунаправленной компоновкой 43 ограничения тока по фиг. 11. Компоновки ограничения тока обозначены номерами 43', 43” и 43'” ссылочных позиций. Кроме того, последовательно с каждым из устройств прерывания, непосредственно соединенных с линиями 27 и 28, соединен резистор 47 предварительной вставки, и параллельно с каждым из резисторов 47 предварительной вставки соединен обходной переключатель 48. При нормальной работе обходной переключатель 48 замкнут, и показан, как обходной переключатель устройства 21 прерывания для отсоединения соответствующего резистора предварительной вставки и, таким образом, исключения ненужных потерь. Устройства 21, 22 и 49 прерывания, которые непосредственно подключены к линиям 27 и 28, а также устройства 23 и 50 прерывания, которые непосредственно соединены с преобразователем 30 HVDC, все являются устройствами двунаправленного типа, которые основаны на третьем основном элементе 19.
Предполагается, что линия 27 будет отключена первой и отсоединена от всех других подключенных линий 26, 28 и 29 и от преобразователя 30 HVDC с помощью устройств 22 и 49 прерывания, которые находятся в открытом состоянии. В качестве альтернативы, линия 27 может быть предварительно заряжена до другого уровня напряжения, чем другие линии 26, 28 и 29. Для подключения линии 27 к остальной сети и, таким образом, подачи в нее энергии, устройства 49 и 22 прерывания закрывают путем закрывания их основных прерывателей, высокоскоростных переключателей и вспомогательных прерывателей. Одновременно открывают обходные переключатели 48 резисторов 47 предварительной вставки, соответствующие устройствам 22 и 49 прерывания, таким образом, что выбросы тока, которые могут попадать в линию 27 с левой и с правой стороны электрораспределительной подстанции, будут ограничены. После успешного подключения линии 27 к другим линиям, обходные переключатели 48 снова замыкают.
Необходимость установки резисторов предварительной вставки и обходных переключателей, подключенных последовательно с каждым устройством прерывания, может быть исключена, путем замены устройств прерывания любыми из описанных выше компоновками ограничения тока, где компоновки ограничения тока принимают на себя функцию, как устройства прерывания, так и резистора предварительной вставки, и добавляются дополнительные предпочтительные функции, как описано выше. На фиг. 12 теперь предполагается, что линия 26 будет первой отключена. В качестве альтернативы, линия 26 может быть предварительно заряжена до другого уровня напряжения, чем другие линии 27, 28 и 29. Линия 26 отключена от всех других подключенных линий 27, 28 и 29 и от преобразователя 30 HVDC компоновками 43' и 43” ограничения тока, которые находятся в открытом состоянии. Для подключения линии 26 к остальной сети и, таким образом, подачи в нее энергии, ее компоновки 43' и 43” ограничения тока закрывают только частично, путем закрывания части ее основных прерывателей 45 и поддержания других основных прерывателей 45, высокоскоростного переключателя 10 и вспомогательного прерывателя 46 открытыми. Выброс тока, таким образом, ограничивается через нелинейные резисторы, соответствующие части основных прерывателей 45, которые удерживают открытыми. После успешного подключения линии 26 к другим линиям, другие основные прерыватели 45, высокоскоростной переключатель 10 и вспомогательный прерыватель 46 компоновок 43' и 43” ограничения тока закрывают таким образом, что ток в этих компоновках ограничения тока будет скоммутирован в высокоскоростной переключатель и вспомогательные прерыватели. После этого, все основные прерыватели 45 снова могут быть открыты.