Отключение цепей постоянного тока высокого напряжения
Необходимость в выключателях ПТ высокого напряжения возникла в последнее время в связи с быстрым развитием электропередач этого вида с напряжением порядка сотен киловольт. Автоматические быстродействующие выключатели постоянного тока здесь непригодны, так как индуктивность длинных линий ПТ, включая сглаживающие реакторы, весьма велика; соответственно велика и запасенная в них электромагнитная энергия LI2/2, в особенности если отключаемый ток велик. Эта энергия должна быть поглощена тем или иным способом в процессе отключения или немедленно после отключения; в противном случае возникают недопустимые перенапряжения.
Метод смещения тока
Отключение цепей ПТ высокого напряжения основано на смещении тока из выключателя в параллельно включенный и предварительно заряженный конденсатор. Соответствующая схема приведена на рис.1.
Рис.1. Схема, поясняющая метод смещения отключаемого
тока из выключателя в конденсатор
При нормальной работе сети выключатель Q замкнут и нагрузка Zнг обеспечивается питанием от источника энергии высокого напряжения. Индуктивности по обеим сторонам выключателя обозначены через L1 и L2. При КЗ между точками 1 и 2 ток начинает увеличиваться со скоростью, определяемой индуктивностями L1 и L2. При срабатывании релейной защиты размыкаются контакты выключателя и между ними образуется дуга. Замыкается также «ключ» К и предварительно заряженный конденсатор С разряжается через индуктивность L3 и выключатель. Разрядный ток емкости I2 направлен навстречу току выключателя I1; он стремится прервать его, создавая при этом благоприятные условия для отключения цепи. В действительности ток в цепи выключателя не прерывается, а смещается из выключателя в конденсатор С, который не пропускает ток постоянного направления. Ток I1 приходит к нулю и прерывается в колебательном процессе, возникающем в контуре С, L3.
Чтобы привести ток к нулю, достаточно иметь конденсатор небольшой емкости. Допустим, что отключаемый ток равен 5000 А и конденсатор заряжен до 100 кВ. Примем с некоторым запасом, что конденсатор должен обеспечить максимальный разрядный ток 10 кА. Следовательно, волновое сопротивление цепи Z должно составлять
Z=√(L3/C)=100/10=10 Ом.
Если индуктивность L3=50 мкГн, достаточно иметь конденсатор с емкостью
С=L3/Z2=50x10-6/102=0,5мкФ.
При этих параметрах угловая частота свободных колебаний в контуре L3,
С составит ɷ0=1/√(L3C)=1√(50x10-6x0,5x10-6)=0,2x106рад/с.
Период Т=2π/ɷ0=2π/(0,2x106)≈32мкс. Процесс смещения тока составит меньше одной четверти периода - около 5 мкс.
В течение этого короткого промежутка времени ток I1 в линии практически не изменяется. Когда ток в выключателе приходит к нулю, конденсатор еще далеко не разряжен. Напряжение на нем составляет 60-70% начального. После нуля тока это напряжение приложено к полюсам выключателя, точнее, к естественной емкости между его контактами, не показанной на схеме. Эта емкость заряжается от конденсатора С через индуктивность L3. Теперь ток I1, смещенный из выключателя, быстро заряжает конденсатор С и изменяет его полярность. Ток заряда проходит от источника энергии по цепи L1, С, L3, 12 и дальше - к источнику тока. Напряжение на конденсаторе резко увеличивается вследствие поглощения электромагнитной энергии, запасенной в линии. Поясним это следующим расчетом.
Суммарная индуктивность L=L1+L2+L3 составляет около 1 Гн; емкость конденсатора 0,5 мкФ; ток I1=5000 А. Волновое сопротивление цепи Z =√(L/C)=√(1/(0,5x10-6))=1420 Ом. Напряжение на конденсаторе U=IZ=5000x1420=7000кВ. Причина столь высокого напряжения заключается в том, что емкость конденсатора мала. Она может быть увеличена, однако конструкторы признали это нецелесообразным и предпочли другой метод, а именно: разделить функции отключения тока и поглощения энергии или ограничения перенапряжения. Конденсатор емкостью 0,5 мкФ обеспечивает первую функцию. Вторая функция может быть обеспечена другими средствами.
Рассмотрим условия работы выключателя в схеме рис.7. Чтобы отключить ток, недостаточно привести его к нулю. Выключатель должен противостоять действию переходного восстанавливающегося напряжения. Чем больше скорость ПВН dU/dt и скорость снижения тока при подходе его к нулю dI/dt, тем труднее процесс отключения. В рассматриваемой схеме ток 5000 А снижается до нуля в течение 5 мкс. Следовательно, скорость снижения тока составляет 1000 А/мкс. Это очень большая скорость. В выключателях переменного тока при отключении симметричного тока 40000 А при 60 Гц скорость снижения тока составляет только 12,5 А/мкс.
Скорость ПВН также очень велика. Как показано выше, после нулевого значения тока к выключателю приложено остаточное напряжение конденсатора С, под действием которого естественная емкость между контактами очень быстро заряжается. Соответственно напряжение на контактах выключателя восстанавливается с очень большой скоростью, превышающей максимальные значения, наблюдаемые в выключателях переменного тока, например, при отключении неудаленных КЗ. В этих тяжелых условиях в отношении dU/dt и dI/dt ни один выключатель не способен прервать цепь. Поэтому должны быть приняты меры к уменьшению скорости подхода тока к нулю, а также уменьшению скорости ПВН на полюсе выключателя. Это обеспечивается в схеме рис.2.
Рис.2. Схема включения дополнительных элементов,
уменьшающих скорость подхода тока к нулю и скорость ПВН
Здесь предусмотрен насыщающийся реактор L4, включенный последовательно с выключателем, а также резистор R и конденсатор С1, включенные параллельно с выключателем. В нормальных условиях через реактор L4 проходит рабочий ток. Он насыщен, и индуктивное сопротивление его мало. В процессе смещения тока из выключателя ток вытесняется из реактора и индуктивное сопротивление его резко увеличивается. При этом скорость снижения тока в цепи выключателя заметно уменьшается.
Включение конденсатора С1 приводит к существенному увеличению емкости цепи. Эта емкость заряжается через ненасыщенный реактор L4, что приводит к значительному снижению скорости ПВН.
Рис.3. Изменение тока и напряжения в процессе отключения:
(А) - без дополнительных устройств;
(В) - с дополнительными устройствами;
1 - ток нормального режима;
2 - момент КЗ;
3 - ток через выключатель;
4 -начало смещения;
5 - напряжение на выключателе
Изменение тока и напряжения в процессе отключения выключателя ПТ показано на рис.3. Кривые построены для двух случаев: (А) - при отсутствии реактора L4, резистора R и конденсатора С1, а также (В) при наличии таковых. В первом случае dI/dt велико, ток приходит к нулю в точке (A), скорость ПВН также велика. Во втором случае ток приходит к нулю в точке (В); скорость снижения тока и восстанавливающегося напряжения значительно меньше. В течение 20-30 мкс выключатель находится под малым напряжением; и за это время контакты выключателя должны быть разведены.
Требования к приводу выключателя и «ключу» К
Индуктивность линии постоянного тока высокого напряжения относительно велика. Все же скорость увеличения тока при КЗ может достигать 1000 А/мс. Чтобы облегчить процесс отключения, контакты выключателя должны размыкаться возможно быстрее и процесс смещения тока должен начинаться возможно раньше. Отсюда вытекают требования к быстродействию выключателя и «ключа» К.
Разведение контактов вакуумных камер выключателя до образования достаточного промежутка между ними может быть обеспечено с помощью быстродействующего гидравлического привода в течение 3-4 мс. Чтобы ускорить смещение тока из выключателя в конденсатор, необходимо возможно быстрее замкнуть цепь, в которой установлен «ключ» К. С помощью механического ключа сделать это невозможно. Применение получили тиратроны, в которых проводимость между основными электродами образуется при зажигании дуги между одним из основных электродов и вспомогательным электродом. Здесь используются следующие свойства тиратронов.
При достаточно большом напряжении U1 промежуток между основными электродами тиратрона пробивается без подачи напряжения на вспомогательный электрод. При некотором меньшем напряжении U2 промежуток между основными электродами не пробивается, даже если подать напряжение на вспомогательный электрод. Отношение напряжений U1 и U2 приблизительно равно 2-3. Это и позволяет определенным образом использовать тиратрон в качестве автоматически действующего ключа.
Тиратроны обладают еще другими, необходимыми для ключа свойствами, а именно: большой перегрузочной способностью по току и самопогасанием при подходе тока к нулю.
Предварительный заряд смещающего конденсатора
Предварительный заряд конденсатора С осуществляется от сети по схеме, предложенной Гринвудом (рис.4).
Рис.4. Схема предварительного заряд конденсатора от сети
При отключенном выключателе цепь С, L3, R1 находится под напряжением. Конденсатор С заряжен в направлении, противоположном указанному выше (см.рис.1). При включении выключателя зажигается тиратрон VS. Возникает ток через выключатель. На него накладывается ток от конденсатора, который разряжается колебательно. Первая полуволна увеличивает ток, вторая полуволна уменьшает его и приводит к нулю, как показано на эскизе вверху справа. Конденсатор изменяет полярность, он готов к вытеснению тока из выключателя при отключении цепи.
В процессе включения выключателя ток в тиратроне переходит через нулевое значение. Однако он не способен прервать ток цепи выключателя, так как переход через нуль происходит очень быстро, а реактор L4 насыщен.
Ограничение перенапряжений
Как показано выше, по соображениям экономического порядка, функции отключения цепи и защиты от перенапряжений должны быть разделены. С этой целью предусматривают нелинейный резистор R2, способный поглотить запасенную в линии электромагнитную энергию и ограничить перенапряжения. Этот резистор-ограничитель собирают из оксидно-цинковых дисков и вводят в цепь с помощью тиратрона VS2 с поджигом (рис.5).
Рис.5. Полная схема выключателя постоянного тока высокого напряжения,
включая устройства для поглощения энергии и защиты от перенапряжений
Так как ток, проходящий через ограничитель, не изменяет направление, он не прерывается тиратроном, когда энергия цепей постоянного тока поглощается в сопротивлении ограничителя. Однако сопровождающий ток тиратрона VS2 мал и может быть отключен методом смещения в параллельно включенный конденсатор, как в выключателе. При этом может быть использован общий конденсатор С и тиратрон VS3. Энергия, соответствующая сопровождающему току, мала и может быть поглощена конденсатором, опасные напряжения при этом не возникают. Насыщающийся реактор L5 уменьшает скорость снижения тока при подходе его к нулю.
Таким образом, процесс отключения тока КЗ протекает в следующей последовательности. Сначала ток смещается из выключателя в параллельно включенный конденсатор С; затем, напряжение на контактах выключателя начинает увеличиваться, ток смещается в ограничитель R2, в котором поглощается большая часть запасенной энергии; наконец, ток вытесняется опять в конденсатор С.