УСТРОЙСТВО УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ
DEVICE OF CONTROLLED COMMUTATION

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для управляемой коммутации реактивной нагрузки в высоковольтных сетях переменного напряжения.
При неуправляемом подключении реактивной нагрузки к сети переменного напряжения
m
U(t)=Usin(ωt),
m
где U - амплитуда напряжения,
ω - частота сети,
t - время,
возможно возникновение значительных бросков тока, амплитуда которых определяется падением напряжения ΔU на контактах выключателя в момент подключения нагрузки. Управляемая коммутация успешно решает проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений. Применение выключателей с управляемой коммутацией способствует снижению воздействий на оборудование, тем самым, увеличивая его срок службы. Для обеспечения требуемого снижения бросков тока и перенапряжений аппараты с управляемой коммутацией должны стабильно включаться как можно ближе к заданной фазе напряжения. Допустимый разброс времени включения не должен превышать плюс-минус 1 мс для сети с частотой ω, равной 50 Гц.
Известно устройство управляемой коммутации на основе синхронного выключателя (Holm A., Alvinsson R., Akesson U., Karlen O. «Development of controlled switching of reactors, capacitors, transformers and lines». Доклад SIGRE № 13-201, Париж 1990) [l]. Синхронный выключатель обычно имеет трехполюсное исполнение и содержит в каждом полюсе дугогасительную камеру.
Недостатками такого устройства является сложность обеспечения требуемого разброса времени включения в широком диапазоне температур окружающей среды в течение всего срока службы. Сложной проблемой является также обеспечение требуемой электрической прочности синхронного выключателя при сведении его контактов вследствие увеличения вероятности пробоя выключателя при уменьшении длины межконтактного промежутка.
Известно устройство управляемой коммутации, содержащее диодный блок, состоящий, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных диодов, механические коммутаторы и блок управления (ПАТЕНТ RU 66602 U1, класс Н02Н 3/00, опубликован 10.09.2007) [2]. В таком устройстве операции включения и отключения осуществляются в диодном блоке при смене полярности напряжения. Механические аппараты обеспечивают длительное пропускание тока после включения устройства без существенных энергетических потерь и требуемую электрическую прочность после отключения тока. В качестве механических коммутаторов предложено использовать вакуумные выключатели.
Недостатком такого устройства является то, что падение напряжения на диодном блоке должно быть меньше падения напряжения на электрической дуге, возникающей при размыкании контактов выключателя. Это ограничивает число последовательно соединенных диодов и соответственно номинальное напряжение устройства. Кроме того, данное устройство предназначено только для управляемой коммутации конденсаторных батарей и не годится для управляемой коммутации реакторов и трансформаторов.
Близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является устройство управляемой коммутации, содержащее выключатель, блок управления (БУ), формирователь регулирующих сигналов и быстродействующий коммутатор, шунтирующий контактный промежуток выключателя (ПАТЕНТ RU 55222 U1, класс H02J 3/18, опубликован 27.07.2006) [3]. В качестве быстродействующего коммутатора предложено использовать управляемый вакуумный разрядник (РВУ). РВУ содержит два основных электрода и управляющий электрод, соединенный с одним из основных электродов с помощью диэлектрической вставки. Такое устройство управляемой коммутации позволяет свести процесс подключения к быстрому (единицы микросекунд) с последующим замыканием контактов выключателя.
Недостатками такого устройства управляемой коммутации является то, что РВУ может отключить переменный ток при его прохождении через нуль, что приведет к прерыванию процесса включения. Поэтому после каждого прерывания тока БУ должен быть способен выдавать импульс запуска РВУ до тех пор, пока не замкнутся контакты выключателя. При этом амплитуда тока в каждом импульсе запуска должна быть достаточной для включения РВУ при любой полярности напряжения. Известно (Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Сидоров В.А. «Малогабаритный частотный вакуумный управляемый разрядник», «Приборы и техника эксперимента». - 1995. - №1. - с.98-108) [4], что при отрицательной полярности напряжения (запуск РВУ на аноде) амплитуда тока запускающего импульса должна быть примерно на порядок больше, чем при положительной полярности напряжения (запуск РВУ на катоде). Увеличение тока запуска, а также необходимость формирования, по меньшей мере, трех импульсов запуска, приводит к существенному усложнению конструкции устройства, увеличению его габаритов и стоимости.
Включение устройства управляемой коммутации возможно с помощью встречно-параллельного подсоединения двух РВУ (как тиристоров), каждый из которых включается своим БУ в режиме запуска на катоде. Однако такое исполнение еще более усложнит конструкцию устройства управляемой коммутации и увеличит его стоимость.
Технической задачей предложенного решения является создание экономически целесообразного устройства управляемой коммутации.
Технический результат, достигаемый в данном изобретении, заключается в увеличении надежности включения устройства и уменьшении его массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что устройство управляемой коммутации содержит выключатель, систему управления (СУ) (блок управления БУ в прототипе), генератор запускающих импульсов (ГЗИ) (формирователь регулирующих сигналов в прототипе) и быстродействующий коммутатор. Существенным признаком нового схемного решения является то, что быстродействующий коммутатор выполнен в виде двух РВУ, каждый из которых содержит первый основной электрод, второй основной электрод и управляющий электрод, подсоединенный ко второму основному электроду посредством диэлектрической вставки, причем первый РВУ подсоединен параллельно к выключателю, второй РВУ первым основным электродом подсоединен к управляющему электроду первого РВУ, а вторым основным электродом подсоединен к первому основному электроду первого РВУ и первому выводу ГЗИ, а второй вывод ГЗИ подключен к управляющему электроду второго РВУ.
Изобретение поясняется графическими изображениями. На фиг.1 показана принципиальная схема устройства управляемой коммутации. На фиг.2 показаны осциллограммы тока и напряжения при включении устройства управляемой коммутации.
Устройство содержит:
1 - выключатель,
2 - привод выключателя 1,
3 - систему управления (СУ),
4 - генератор запускающих импульсов (ГЗИ),
5 - первый РВУ,
6 - второй РВУ,
7 - первый основной электрод РВУ 5,
8 - второй основной электрод РВУ 5,
9 - управляющий электрод РВУ 5,
10 - первый основной электрод РВУ 6,
11 - второй основной электрод РВУ 6,
12 - управляющий электрод РВУ 6,
13 - первый вывод ГЗИ 4,
14 - второй вывод ГЗИ 4,
15 - диэлектрическую вставку РВУ 5,
16 - диэлектрическую вставку РВУ 6.
Система управления СУ 3 подсоединена к ГЗИ 4 и к приводу выключателя 2, который подсоединен к выключателю 1. Два РВУ 5 и 6 подсоединены таким образом, что основные электроды 7 и 8 первого РВУ 5 подсоединены к контактам выключателя 1, первый основной электрод 10 второго РВУ 6 подсоединен к управляющему электроду 9 РВУ 5, который посредством диэлектрической вставки 15 подсоединен к второму основному электроду 8 РВУ 5. Второй основной электрод 11 РВУ 6 подсоединен к первому основному электроду 7 первого РВУ 5 и к первому выводу 13 ГЗИ 4, а второй вывод 14 ГЗИ 4 подключен к управляющему электроду 12 второго РВУ 6, который посредством диэлектрической вставки 16 подсоединен к второму основному электроду 11 РВУ 6.
Устройство работает следующим образом.
0
t
t
В отключенном состоянии контакты в выключателе 1 разомкнуты и к ним приложено переменное напряжение источника питания U(t). Пусть для заданной нагрузки оптимальным моментом включения является время t. Включение устройства осуществляется при положительной полярности напряжения U(t) больше U, где U - минимальное напряжение, необходимое для надежного включения РВУ 6.
Включение устройства управляемой коммутации происходит в следующем порядке. В момент t, удовлетворяющий условию:
0
Δt=t-t<0,1 мс,
t
t
н
СУ 3 выдает команду на срабатывание ГЗИ 4 и привода 2, после чего контакты выключателя 1 начинают сходиться. Получив команду, ГЗИ 4 выдает импульс тока запуска I на управляющий электрод 12, который инициирует включение РВУ 6 в режиме запуска на катоде и пробой диэлектрической вставки 15 между управляющим электродом 9 и вторым основным электродом 8 РВУ 5. В этом режиме для включения РВУ 6 требуется сравнительно небольшая амплитуда импульса тока запуска I. В результате через межэлектродный промежуток РВУ 6 и диэлектрическую вставку 15 узла поджига РВУ 5 начинает протекать переменный ток источника питания i, который отключается РВУ 6 при первом переходе через нуль. После отключения тока на контактах выключателя 1 начинает расти разность напряжений ΔU(t) между напряжением источника питания U(t) и остающимся напряжением на нагрузке U
н
ΔU(t)=U(t)-U.
0
При увеличении разности напряжений ΔU(t) до значения ΔU, определяемого требованием допустимой амплитуды бросков тока
t
0
U<|ΔU(t)|<ΔU.
t
i
t
i
i
t
t
t
СУ 3 выдает следующую команду на срабатывание ГЗИ 4. В этом случае импульс тока запуска подается на РВУ 6 уже при отрицательной полярности напряжения (запуск РВУ на аноде) и амплитуда тока запуска I может оказаться недостаточной для включения РВУ 6. Тогда через межэлектродный промежуток РВУ 6 будет протекать ток I приблизительно равный 0,1·I, который замыкается на источник питания по поверхности диэлектрической вставки 15 между управляющим электродом 9 и вторым основным электродом 8 РВУ 5. При протекании тока I на диэлектрической вставке 15 РВУ 5 возникнет падение напряжения I·R, где R - сопротивление диэлектрической вставки, которое инициирует ее пробой, тем самым включение РВУ 5 в режиме запуска на катоде и протекание следующей полуволны переменного тока источника питания i вплоть до его отключения при следующем прохождении через нуль. На контактах выключателя 1 снова будет увеличиваться разность напряжений ΔU(t) и при ΔU(t) большей или равной U СУ 3 выдает очередную команду на срабатывание ГЗИ 4. При подаче импульса запуска произойдет включение РВУ 6 в режиме запуска РВУ на катоде и возобновление протекания тока в нагрузке. Такой процесс должен продолжаться вплоть до замыкания контактов выключателя 1.
В качестве выключателя 1 в сетях с напряжением до 110 кВ предпочтительнее использовать вакуумные коммутационные аппараты.
1
Работоспособность устройства при подключении конденсаторной батареи (КБ) подтверждена коммутационными испытаниями на экспериментальном стенде. Источником переменного напряжения промышленной частоты ω приблизительно равной 50 Гц служил колебательный контур. Конденсаторная батарея с суммарной емкостью С равной 600 мкФ подсоединялась к стенду с помощью устройства управляемой коммутации, представленного на фиг.1.
m
Испытания по подключению КБ к источнику напряжения проводились при амплитуде напряжения U равной 3 кВ. После подачи напряжения СУ 3 подавала импульс управления на привод 2 для замыкания контактов в выключателе 1 и на включение РВУ 6 в описанной выше последовательности. Последовательность импульсов управления выбиралась таким образом, чтобы первое включение РВУ 6 происходило при положительной полярности на контактах выключателя 1 с задержкой Δt менее или равной 0,1 мс относительно нуля напряжения. Последующие импульсы на включение устройства управляемой коммутации подавались после перехода тока в цепи КБ через нулевое значение с задержкой времени менее или равной 1 мс до тех пор, пока не замкнутся контакты выключателя 1.
1
2
н
C
K
Осциллограммы напряжений и токов, полученные синхронно при одном из включений устройства управляемой коммутации, представлены на фиг.2. Здесь первый луч а - напряжение источника U(ΔU(t)), второй луч б - напряжение U(U) на КБ, третий луч в - ток I(i) через КБ и четвертый луч г - ток I через выключатель 1. Первое включение осуществлялось РВУ 6 в режиме запуска на катоде при значении задержки Δt приблизительно равной 0,1 мс после нулевого значения напряжения источника питания. Первая полуволна переменного тока i источника питания протекала через РВУ 6 и управляющий электрод 9 РВУ 5. Второе включение осуществлялось в режиме запуска РВУ 6 на аноде с задержкой времени приблизительно 1 мс после первого нулевого значения переменного тока i. В этом режиме происходила инициация включения разрядника РВУ 5 и ток источника протекал через РВУ 5 мимо РВУ 6. Третье включение осуществлялось РВУ 6 в режиме запуска на катоде при значении задержки времени приблизительно 1 мс после второго нулевого значения переменного тока i источника питания. Затем происходило окончательное включение устройства посредством замыкания контактов выключателя 1. Из осциллограмм следует, что при выбранных значениях задержек времени относительно нуля напряжения и нулей тока подключение КБ с помощью предложенного устройства управляемой коммутации происходило с малыми осцилляциями на фронте тока, амплитуда которых не превышала амплитуду установившегося тока в КБ.
Эксперимент подтвердил работоспособность предложенного устройства управляемой коммутации и продемонстрировал возможность надежного управляемого включения КБ с помощью устройства управляемой коммутации без существенных бросков тока. Технический результат, обеспечивающий надежное включение устройства управляемой коммутации, тем самым уменьшение массогабаритных характеристик устройства управляемой коммутации и его стоимости, достигнут за счет применения схемы с двумя встречно-параллельно подсоединенными РВУ, запускаемыми посредством одного ГЗИ.
Источники информации
[1]. Holm A., Alvinsson R., Akesson U., Karlen O. «Development of controlled switching of reactors, capacitors, transformers and lines». Доклад SIGRE № 13-201, Париж 1990.
[2]. ПАТЕНТ RU 66602U1, класс Н02Н 3/00, опубликован в 10.09.2006.
[3]. ПАТЕНТ RU 55222 U1, класс H02J 3/18, опубликован 27.07.2007.
[4]. Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Сидоров В.А. «Малогабаритный частотный вакуумный управляемый разрядник РВУ-7», ПТЭ, 1995, №1, с.98-108.