ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Новое слово в коммутационной технике Павел Елагин, инженер, ООО «Росполь-Электро», г. Санкт-Петербург

Силовые полупроводниковые устройства сейчас широко применяются в коммутационной аппаратуре низкого напряжения. Создание электронных коммутационных аппаратов на средние и высокие напряжения считалось экономически нецелесообразным из-за высокой цены и больших габаритов.
Однако недавно Научно-Исследовательский Институт Электроэнергетики (США) объявил о начале проекта по созданию высоковольтного полупроводникового бесконтактного токоограничивающего выключателя (далее ПБТВ) и его внедрению в массовое производство. Причем создаваемый ПБТВ будет рассчитан на номинальное напряжение 138 кВ, а для массового производства планируется разработать его аналоги и на среднее и более высокие напряжения вплоть до 600 кВ.
Несмотря на то, что цена такого выключателя станет все же значительно выше (примерно в 2 раза) стоимости традиционно применяемых выключателей, он непременно будет иметь большой спрос на рынке благодаря своим неоспоримым преимуществам. Среди них можно выделить: ограничение тока короткого замыкания (КЗ); ограничение броска тока (плавный пуск) даже для емкостных нагрузок; высокие показатели быстродействия, частоты включений и коммутационного ресурса; уменьшение коммутационных перенапряжений; улучшение качества электроэнергии.
Институт уже создал одну фазу ПБТВ 138 кВ и произвел некоторые испытания. В 2005 году планируется закончить все необходимые испытания.

Варианты исполнения
Приведем краткое описание тех принципов, которых придерживается институт при разработке и создании выключателя будущего.
Существуют несколько способов выполнения ПБТВ. Так как одной из целей проекта является ограничение тока менее чем за половину периода, возможны два варианта: либо применить полупроводниковые устройства со способностью запирания (например, GTO¹, IGCT² или IGBT³), либо использовать традиционные тиристорные ключи (SCR) вместе с узлом принудительной коммутации.
Первый вариант хорош простой силовой схемой (не требуется узел принудительной коммутации) и высоким быстродействием. Однако эти устройства по сравнению с обычными тиристорами имеют более низкое номинальное напряжение и низкий допустимый ток, что является результатом усложненной структуры. К ее недостаткам для применения в ПБТВ также можно отнести существенное падение напряжения.

Оценка стоимостных показателей окончательно привела к решению о применении тиристоров со схемой принудительной коммутации. Так как каждая фаза выключателя должна выдерживать высокое напряжение в нормальном и переходных режимах, тиристоры должны быть соединены последовательно. И для того, чтобы облегчить разработку, производство и эксплуатацию, а, следовательно, и удешевить создаваемый ПБТВ, решено сделать его модульным, т.е. состоящим из набора отдельных заменяемых блоков, а не единым аппаратом из нескольких десятков последовательно включенных полупроводниковых устройств. Основными преимуществами модульного исполнения являются:

• упрощение проектирования за счет относительно низкого напряжения, при котором работает блок, и малых габаритных размеров отдельного блока;
• облегчение испытаний;
• экономия средств и времени при массовом производстве блоков, причем одни и те же блоки могут использоваться для ПБТВ на различные напряжения;
• во время эксплуатации в качестве запасных частей можно держать на складе несколько блоков и в случае аварии заменять ими вышедшие из строя. Испорченные блоки далее могут быть отправлены на завод для ремонта.

Принципы работы
Схема блока (рис. 1) будет состоять из четырех основных тиристоров (TH1–TH4), шести коммутирующих тиристоров (TH5–TH10), варистора (VR1), двух коммутирующих конденсаторов (C4, C5) и двух индуктивностей (L1, L2). Блок управляется двумя оптоволоконными сигналами (включающим и выключающим). Каждый блок имеет собственную схему управления, которая управляет всеми тиристорами и передает информацию о состоянии блока в главную схему управления каждой фазы, показанную на рис. 2. Также предусмотрена вторичная схема питания.

Рис. 1
Электрическая схема блока токоограничивающего выключателя





В нормальном состоянии ток течет через TH1 и TH3 или TH2 и TH4 в зависимости от полярности. При подаче правильных управляющих импульсов на ключи TH1–TH4 можно обеспечить плавный пуск. Емкости C4 и C5 заряжаются с показанной полярностью.
При получении сигнала выключения и протекании тока через TH1 и TH3 отпираются тиристоры TH5,TH7 и TH9, TH10. Ток через основные ключи перестает течь, TH1–TH4 запираются, и ток КЗ включается в узел принудительной коммутации TH5, TH7, C4, L1, L2, C5, TH10 и TH9. Т.к. внешняя цепь имеет гораздо большую индуктивность, чем L1 и L2, ток остается постоянным и конденсаторы сначала разряжаются, а затем заряжаются с противоположной полярностью. Как только напряжение на конденсаторе достигает требуемого значения, ток «переключается» на варистор и коммутирующие тиристоры запираются.
Коммутирующие конденсаторы перезаряжаются до начальной полярности, и ПБТВ готов к включению. Теперь включаются основные ключи с высоким углом отпирания для обеспечения требуемого пропускания тока, при этом проводится его измерение. Если КЗ не устранилось, то выключатель остается отключенным.
В приведенной схеме варистор имеет две функции: служит для описанной выше коммутации и ограничивает перенапряжения вследствие грозовых ударов или других событий.
Создаваемый ПБТВ будет состоять из 26 блоков (каждый рассчитан на импульсное напряжение в 10 кВ). На рис. 2 показана блок- схема одной фазы выключателя. Во избежание проблем с короной выключатель планируется установить в маслонаполненный бак. Безопасность планируется обеспечить применением оптоволоконных связей для управления и измерения.

Схемы линий

Приведем простые примеры применения ПБТВ, смоделированные на компьютере непосредственно самим институтом и показывающие особенности работы полупроводникового бесконтактного токоограничивающего выключателя. Для начала рассмотрим схему, представленную на рис. 3. При возникновении однофазного КЗ на землю при применении обычного выключателя вместо ПБТВ мы будем иметь картину, представленную на рис. 4. Выключатель ликвидирует КЗ после прохождения тока через ноль примерно за 3 периода. В данном случае ударный ток КЗ равен примерно 34 кА при действующем значении периодической составляющей 14,1 кА. Работа ПБТВ для этих же условий представлена на рис. 5. Уровень ограничения токов КЗ был произвольно установлен на 5 кА. После возникновения КЗ, когда амплитудное значение тока достигнет этого значения, тиристорные ключи, проводящие ток КЗ, принудительно коммутируются и в цепь включается токоограничивающее сопротивление до момента первого перехода тока через ноль. Далее ПБТВ находится в состоянии ограничения тока с помощью фазового управления еще некоторое время для координации, как показано на рис. 5. Таким образом, установленное оборудование не будет испытывать высокие значения токов КЗ. Теперь рассмотрим ситуацию, представленную на рис. 6. В данном примере КЗ в зоне 1 должно быть отключено при значении амплитуды полного тока 5 кА. Поэтому фазовое управление ПБТВ для координации будет настроено так, чтобы ток КЗ не превышал отметку в 5 кА. При возникновении КЗ в зоне 1 ПБТВ сыграет роль основной защиты, которая определит и отключит КЗ (рис. 7). В случае КЗ в зоне 2 первое отпирание тиристоров пропустит меньшее амплитудное значение тока. Выключатель отключит КЗ, а ПБТВ обеспечит резервную защиту в случае, если выключатель не сработает (рис. 8). Подключение к существующей сети нового независимого источника электроэнергии приводит к повышению токов КЗ, методом борьбы с которыми является дорогостоящая модернизация системы. Поэтому попробуем посмотреть, какие преимущества в этом случае даст ПБТВ. На рис. 9 представлена однолинейная электрическая схема системы до ввода нового генератора. Схема состоит из источника, линии электропередачи и отходящего фидера. Ток КЗ на фидере показан на рис. 10. В данном случае значение ударного тока будет равно примерно 25 кА. Подключим к подстанции дополнительный генератор (рис. 11), что приведет к росту ударного тока КЗ до 45 кА (рис. 12). Выключатели на фидерах, а также другое ранее установленное оборудование не рассчитаны на такие величины. Поэтому необходимо модернизировать существующую систему. Теперь рассмотрим подключение генератора через ПБТВ (рис. 13). Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 14, на котором отчетливо видно ограничение тока КЗ от генератора. Уровень ограничения тока КЗ был выбран равным 5 кА. На рис. 15 представлена однолинейная схема, где ПБТВ применяется в качестве секционного выключателя при параллельной работе двух секций, когда возникает КЗ на фидере одной из них. Ограничение тока секционным выключателем уменьшит ток КЗ на поврежденном фидере и помехи на соседней секции, что в целом значительно улучшит качество электроэнергии на всех линиях. По рис. 16 и 17 можно провести сравнение работы обычных выключателей и ПБТВ. Многие проблемы качества электроэнергии связаны с переходными процессами при коммутациях. Например, при коммутациях конденсаторов, пуске электродвигателей, АПВ или других неустановившихся режимах, связанных с включением выключателя. Для устранения негативных эффектов также вполне может быть применен ПБТВ (рис. 18). Стоимость разработки и изготовления опытного образца ПБТВ оценивается примерно в 400 000–500 000 долларов, а время его реализации составит 2–3 года. Хотелось бы верить, что по его завершении конечный продукт будет удовлетворять всем тем параметрам, на которые рассчитан выключатель. Запираемые тиристоры Запираемые тиристоры с интегрированным блоком управления (драйвером) Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Рис. 3 Однолинейная схема питающей линии Рис. 4 Однофазное замыкание на землю, фаза А, традиционный выключатель Рис. 5 Однофазное замыкание на землю, фаза А, ПБТВ Рис. 6 Радиальная линия с ПБТВ Рис. 7 КЗ в зоне 1 Рис. 8 КЗ в зоне 2 Рис. 9 Система до ввода нового генератора Рис. 10 Ток КЗ Рис. 11 Ввод нового генератора при помощи традиционных выключателей Рис. 12 Токи КЗ при подключении дополнительного источника и применении традиционных выключателей Рис. 13 Ввод нового источника при помощи ПБТВ Рис. 14 Токи КЗ при подключении дополнительного источника и применении ПБТВ Рис. 15 Секционный выключатель Рис. 16 Без ограничения тока Рис. 17 С ограничением тока Рис. 18 Плавный пуск