УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ИЛИ ПРЕРЫВАНИЯ ТОКА В ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УКАЗАННЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2017 года по МПК H01H33/00 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству ограничения тока в линии электропередачи или прерывания тока в линии электропередачи, а также к способу управления указанным устройством.

Уровень техники

Высоковольтный выключатель постоянного тока является одним из важнейших устройств в разветвленных сетях линий электропередачи постоянного тока. Разветвленная сеть линий электропередачи постоянного тока характеризуется высоким уровнем напряжения и небольшим полным входным сопротивлением линии; и при возникновении короткого замыкания на линии это незамедлительно сказывается на работе сети электропередачи постоянного тока и сети переменного тока. Следовательно, такой сбой должен быть устранен как можно быстрее. Соответственно, высоковольтный выключатель постоянного тока должен срабатывать максимально быстро для сокращения продолжительности сбоя или подавления тока короткого замыкания до минимального уровня с тем, чтобы уменьшить влияние сбоя на сеть электропередачи постоянного тока. Поскольку высоковольтный выключатель постоянного тока подключается к линии электропередачи последовательно, направление потока электроэнергии в линии электропередачи неизвестно, и ток может протекать в одном из двух направлений. Следовательно, автоматический выключатель должен обладать способностью прерывания токов постоянного напряжения в обоих направлениях.

В заявке на патент Китая № CN 102780200 А описан высоковольтный выключатель постоянного тока обычного типа, используемый для прерывания тока постоянного напряжения. Конструктивно указанный автоматический выключатель состоит из трех частей: выключателя переменного тока, колебательного контура LC и энергопотребляющего элемента. После размыкания автоматического выключателя переменного тока образуется дуга. Напряжение указанной дуги колеблется с колебательным контуром LC. Когда пиковое значение тока колебаний достигает амплитуды тока постоянного напряжения, ток постоянного напряжения может быть полностью подавлен так, что на входе автоматического выключателя появляется точка перехода через нуль, что приводит к гашению дуги, в результате чего достигается цель выключения тока постоянного напряжения. Такой способ прерывания тока не предусматривает использование силового полупроводникового элемента, не является направленным и, соответственно, может обеспечивать прерывание тока в двух направлениях. Кроме того, он обеспечивает малые потери в нормальном режиме работы. Однако высоковольтному выключателю постоянного тока стандартного типа требуется длительное время на гашение дуги, которое составляет несколько десятков миллисекунд, что не может удовлетворять требованию быстрой локализации отказа в разветвленной сети линий электропередачи постоянного тока.

Для быстрой локализации тока КЗ постоянного напряжения и обеспечения высокой эффективности электропередачи в заявке на патент Китая № CN 102687221 А описано устройство и способ замыкания тока в распределительной линии ЛЭП, а также схема ограничения тока; при этом указанное устройство включает в себя выключатель первичной цепи, быстродействующий переключатель, выключатель вспомогательной цепи и нелинейный резистивный энергопотребляющий элемент. В нормальном режиме работы ток в линии электропередачи проходит через вспомогательный контур с небольшими диэлектрическими потерями на электропроводность; в режиме отказа ток переключается на выключатель первичной цепи и в итоге поглощается энергопотребляющим элементом, вследствие чего ток прерывается.

После запирания тока короткого замыкания высоковольтным выключателем постоянного тока выключатель первичной цепи может поддерживать напряжение в несколько сотен киловольт. Количество силовых полупроводниковых элементов, подключаемых последовательно в одном направлении электрического тока, составляет до нескольких сотен штук. Силовой полупроводниковый элемент может срабатывать только в одном направлении; соответственно, для запирания тока короткого замыкания в обоих направлениях течения тока основной последовательный блок выключателя первичной цепи в высоковольтном выключателе постоянного тока содержит две встречно-последовательные или встречно-параллельные структуры силовых полупроводниковых элементов, и количество силовых полупроводниковых элементов в выключателе первичной цепи удваивается. Когда ток разомкнут в первом направлении, силовые полупроводниковые элементы по второму направлению никак не способствуют запиранию тока или поддержанию напряжения, т.е. коэффициент использования силовых полупроводниковых элементов выключателя первичной цепи составляет всего 50%. Так как на силовые полупроводниковые элементы приходится значительная часть общей стоимости устройства, обеспечение функции прерывания тока в двух направлениях существенно увеличивает его стоимость. Пространственная конфигурация силовых полупроводниковых элементов по второму направлению тока в выключателе первичной цепи не дает какой-либо положительный эффект, а перенапряжение или токовая перегрузка при запирании тока в первом направлении оказывает негативное воздействие на силовые полупроводниковые элементы по второму направлению. Если силовые полупроводниковые элементы по второму направлению тока и силовые полупроводниковые элементы по первому направлению тока подключены встречно-параллельно, то перенапряжение, возникшее при запирании тока в первом направлении течения, перейдет на силовые полупроводниковые элементы по второму направлению, и для силовых полупроводниковых элементов по второму направлению напряжение станет обратным, что может привести к выходу указанных элементов из строя; если силовые полупроводниковые элементы со встречно-параллельными диодами по второму направлению тока и силовые полупроводниковые элементы со встречно-параллельными диодами по первому направлению тока подключены встречно-последовательно, то электрический ток, резко возросший вследствие запирания тока в первом направлении течения, будет проходить через обратные диоды в силовых полупроводниковых элементах по второму направлению течения, сокращая срок службы указанных элементов.

Пространственная конфигурация силовых полупроводниковых элементов по второму направлению течения тока также оказывает негативное воздействие на конструктивную и электрическую схему выключателя первичной цепи. Направления пространственного расположения силовых полупроводниковых элементов по первому направлению электрического тока согласуются друг с другом, что обеспечивает согласованность электрической и конструктивной схемы. Пространственная конфигурация силовых полупроводниковых элементов по второму направлению электрического тока нарушает исходную согласованность по направлению пространственного расположения, что усложняет компоновку, установку и монтаж элементов.

Согласно разделу заявки на патент Китая № CN 102687221 А, в котором описан выключатель вспомогательной цепи, параллельно выключателю первичной цепи подключен сверхбыстродействующий механический переключатель; при этом указанный сверхбыстродействующий механический переключатель не в состоянии полностью изолировать устройство с целью защиты выключателя первичной цепи, а сам выключатель первичной цепи не имеет явных точек разрыва и сложен для ремонта и технического обслуживания.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в создании устройства ограничения или прерывания тока в линии электропередачи и способа управления указанным устройством, которые были бы пригодны для сетевых токов, проходящих в двух направлениях и которые могли бы способствовать существенному снижению стоимости устройства и облегчению компоновки, установки и монтажа элементов в указанном устройстве, исходя из условия обеспечении высокой скорости размыкания и низких потерь.

Для достижения указанных целей в настоящем изобретении предложено следующее решение:

Устройство ограничения или прерывания тока в линии электропередачи включает в себя: ветвь прерывания тока; при этом указанная ветвь прерывания тока содержит один размыкающий элемент или по меньшей мере два размыкающих блока, которые подключаются последовательно; при этом каждый размыкающий блок содержит один твердотельный выключатель постоянного тока и одно нелинейное сопротивление, которые подключаются параллельно; и

также включает в себя мостовую ветвь; при этом указанная мостовая ветвь содержит два плеча моста, которые образованы четырьмя идентичными ветвями коммутации тока, где каждые две ветви из четырех ветвей коммутации тока подключаются последовательно, после чего два полученных плеча моста подключаются параллельно; при этом оба указанных плеча моста подключаются параллельно ветви прерывания тока, а средние точки двух указанных плеча моста по отдельности подключаются к двум концам линии; при этом каждая ветвь коммутации тока содержит по меньшей мере один быстродействующий изолирующий переключатель и по меньшей мере один двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель, которые подключаются последовательно; при этом направление, в котором ток идет от средней точки первого плеча моста и затем последовательно проходит через первую ветвь коммутации тока в первом плече моста, ветвь прерывания тока и четвертую ветвь коммутации тока во втором плече моста, определяется как первое направление течения тока; а направление, в котором ток идет от средней точки второго плеча моста и затем последовательно проходит через третью ветвь коммутации тока во втором плече моста, ветвь прерывания тока и вторую ветвь коммутации тока в первом плече моста, определяется как второе направление течения тока; а направление пространственного расположения твердотельного выключателя постоянного тока соответствует первому и второму направлениям течения тока.

Двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель образован двумя силовыми полупроводниковыми элементами, подключенными обратно-параллельно; при этом второй силовой полупроводниковый элемент обладает способностью включения и выключения; первый силовой полупроводниковый элемент в первой ветви коммутации тока, второй силовой полупроводниковый элемент во второй ветви коммутации тока, второй силовой полупроводниковый элемент в третьей ветви коммутации тока и первый силовой полупроводниковый элемент в четвертой ветви коммутации тока характеризуются направлением, которое соответствует первому направлению течения тока; а второй полупроводниковый элемент в первой ветви коммутации тока, первый полупроводниковый элемент во второй ветви коммутации тока, первый полупроводниковый элемент в третьей ветви коммутации тока и второй полупроводниковый элемент в четвертой ветви коммутации тока характеризуются направлением, которое соответствует второму направлению течения тока.

Каждая ветвь коммутации тока также содержит по меньшей мере один второй двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель; при этом указанный второй двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель характеризуется такой же структурой, что и первый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель, и подключается параллельно первому двунаправленному силовому полупроводниковому переключателю.

Первый силовой полупроводниковый элемент не обладает способностью включения и выключения.

Твердотельный выключатель постоянного тока образован по меньшей мере одним силовым полупроводниковым элементом, подключенным последовательно.

Способ управления указанным устройством прерывания тока, подключаемым последовательно в направлении пути прохождения тока в линии электропередачи, отличается тем, что замыкается твердотельный выключатель постоянного тока в ветви прерывания тока, а также замыкаются быстродействующие изолирующие переключатели и двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели в ветвях коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления тока в линии электропередачи при получении сигнала на отключение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для его переключения на нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для его переключения на нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания.

Способ управления указанным устройством ограничения тока, подключаемым последовательно в направлении пути прохождения тока в линии электропередачи, отличается тем, что замыкается твердотельный выключатель постоянного тока в ветви прерывания тока, а также замыкается быстродействующий изолирующий переключатель и двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в ветви коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления тока в линии электропередачи при получении сигнала на ограничение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока; и

затем выключение по меньшей мере одного твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для его переключения по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока; и

затем выключение по меньшей мере одного твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для его переключения по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока, в результате чего происходит ограничение тока в линии электропередачи.

Благодаря решению, описанному выше, настоящее изобретение обеспечивает преимущества по следующим аспектам:

Низкие диэлектрические потери на электропроводность: при нормальной работе линии электропередачи ветвь коммутации тока может обходить ветвь прерывания тока; при этом ток в линии электропередачи проходит через ветви коммутации, образованные быстродействующими изолирующими переключателями с практически нулевым импедансом и небольшим количеством силовых полупроводниковых элементов с низким уровнем падения напряжения перехода. Поскольку ветвь прерывания тока требует большего падения напряжения перехода, через нее практически не проходит ток, и поэтому общие потери устройства будут относительно низкими.

Повышена скорость прерывания в сравнении с высоковольтным выключателем постоянного тока стандартного типа. Силовой полупроводниковый элемент, используемый в качестве модуля реализации прерывания тока, характеризуется повышенным быстродействием. Обычно скорость прерывания силового полупроводникового элемента составляет всего несколько десятков миллисекунд, и ей можно пренебречь. Общее время прерывания устройства определяется, главным образом, временем прерывания быстродействующего изолирующего переключателя. На сегодняшний день время прерывания быстродействующего изолирующего переключателя может составлять до 1-3 мс. Следовательно, можно спрогнозировать, что общее время прерывания устройства составит около 3-5 мс, что намного больше времени прерывания высоковольтного выключателя постоянного тока стандартного типа.

Прерывание тока по двум направлениям достигается с меньшими затратами. Ветвь прерывания тока согласно настоящему изобретению образована силовыми переключателями, которые подключаются последовательно в одном и том же направлении течения тока; при этом ветвь коммутации тока заставляет токи, проходящие в линии электропередачи в двух направлениях, проходить через ветвь прерывания тока в одном и том же направлении. Когда ток в линии электропередачи проходит в первом направлении, силовые полупроводниковые элементы (7) в ветвях A и D коммутации тока срабатывают в том же направлении, силовые полупроводниковые элементы (8) в ветвях B и C коммутации тока выключаются с тем, чтобы силовые полупроводниковые элементы (7) в ветвях A и D коммутации тока срабатывали в направлении, обратном первому направлению течения тока, и находились в состоянии отсечки в обратном направлении, а направление тока, проходящего через ветвь прерывания, переключалось с узла (1) на узел (2). Когда ток в линии электропередачи проходит во втором направлении, ветви B и C коммутации тока срабатывают в том же направлении, а силовые полупроводниковые элементы (8) в ветвях A и D коммутации тока выключаются с тем, чтобы силовые полупроводниковые элементы (7) в ветвях A и D коммутации тока срабатывали в направлении, обратном второму направлению течения тока, и находились в состоянии отсечки в обратном направлении, а направление тока, проходящего через ветвь прерывания, переключалось с узла (1) на узел (2). Можно заметить, что когда токи в линии электропередачи проходят в разных направлениях, через ветвь прерывания тока они проходят в одном и том же направлении. Ветвь прерывания тока содержит небольшое количество силовых полупроводниковых элементов и четыре группы быстродействующих изолирующих переключателей. Поскольку количество силовых полупроводниковых элементов невелико, обеспечивается снижение расходов. Быстродействующие изолирующие переключатели разомкнуты при отсутствии тока; при этом нет необходимости в гашении дуги, и обеспечивается лишь функция развязки напряжения, что снижает общие расходы. Таким образом, в сравнении с заявкой на патент Китая No. CN 102687221 A, значительно снижены общие расходы и повышен коэффициент использования силовых полупроводниковых элементов в устройстве. Кроме того, устранен недостаток заявки на патент Китая № CN 102687221 А, связанный с реализацией двунаправленной функции.

Функция обеспечения надежной гальванической развязки и выполнения технического обслуживания: быстродействующие изолирующие переключатели в ветвях коммутации тока согласно настоящему изобретению размыкаются после прерывания тока таким образом, что все силовые полупроводниковые элементы в устройстве оказываются полностью развязанными, что обеспечивает безопасность и надежность, а также облегчает ремонт и техническое обслуживание; при этом нет необходимости в каком-либо дополнительном ножевом изолирующем переключателе для устройства, что позволяет сэкономить средства.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее подключение устройства согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 2 проиллюстрировано соответствие первого направления течения тока направлению силового полупроводникового элемента.

На Фиг. 3 проиллюстрировано соответствие второго направления течения тока направлению силового полупроводникового элемента.

На Фиг. 4 показана ветвь коммутации тока в нормальном режиме работы.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг. 1, устройство (20) ограничения тока в линии (44) электропередачи или прерывания тока согласно настоящему изобретению включает в себя ветвь (29) прерывания тока и мостовую ветвь. Указанные составные части подробнее описаны ниже.

Ветвь (29) прерывания тока содержит по меньшей мере один размыкающий блок, подключенный последовательно; при этом двумя концами ветви (29) прерывания тока являются, соответственно, узлы (1) и (2). Каждый размыкающий блок содержит по меньшей мере один твердотельный выключатель (9) постоянного тока и одно нелинейное сопротивление (13), которые подключены параллельно; при этом твердотельный выключатель (9) постоянного тока образован по меньшей мере одним силовым полупроводниковым элементом (5), подключенным последовательно, а направление пространственного расположения твердотельного выключателя (9) постоянного тока соответствует направлению течения тока от узла (1) к узлу (2).

Мостовая ветвь включает в себя два плеча моста, которые образованы четырьмя идентичными ветвями A, B, C и D коммутации тока; при этом конкретная схема подключения такова: ветви A и B коммутации тока подключены последовательно, образуя первое плечо моста; средняя точка (3) первого плеча моста подключена к одному концу линии (44); ветви C и D коммутации тока также подключены последовательно, образуя второе плечо моста; средняя точка (4) второго плеча моста подключена к другому концу линии (44); и оба плеча моста подключены параллельно к ветви (29) прерывания тока.

Каждая ветвь коммутации тока содержит по меньшей мере один быстродействующий изолирующий переключатель (6) и по меньшей мере один двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10), которые подключаются последовательно. Каждый из двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях A и D коммутации тока содержит силовой полупроводниковый элемент (7) по первому направлению (14) течения тока и силовой полупроводниковый элемент (8) по второму направлению (15) течения тока, которые подключаются параллельно; соответствие направления течения тока направлению силового полупроводникового элемента показано на Фиг. 2. Силовой полупроводниковый элемент (8) обладает способностью включения и выключения. Каждый из двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях B и C коммутации тока содержит силовой полупроводниковый элемент (7) по второму направлению (15) течения тока и силовой полупроводниковый элемент (8) по первому направлению (14) течения тока, которые подключаются параллельно; соответствие направления течения тока направлению силового полупроводникового элемента показано на Фиг. 3. Силовой полупроводниковый элемент (8) обладает способностью включения и выключения.

На практике каждая из ветвей A, B, C и D коммутации тока может также содержать по меньшей мере один дополнительный двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10), который подключается параллельно уже имеющимся двунаправленным силовым полупроводниковым переключателям (10) в вышеуказанных ветвях A, B, C и D коммутации тока. Благодаря такой конструкции с множеством ветвей, соединенных параллельно, может быть повышена допустимая нагрузка по току устройства (20).

Каждая из ветвей коммутации тока характеризуется меньшим сопротивлением во включенном состоянии, чем ветвь (29) прерывания тока. Термин «сопротивление» относится к сопротивлению току, проходящему через токопроводящий силовой полупроводниковый элемент. Иными словами, ветвь коммутации тока характеризуется меньшим уровнем падения напряжения перехода в сравнении с ветвью (29) прерывания тока.

В устройстве (20) ветвь (29) прерывания тока обладает большими возможностями по блокировке напряжения, чем ветвь коммутации тока; при этом ветвь (29) прерывания тока способна прерывать однонаправленный ток в линии электропередачи. Поскольку после размыкания тока между двумя концами ветви (29) прерывания тока, т.е. между узлом (1) и узлом (2), возникает высокое пробивное напряжение, например, в высоковольтной линии электропередачи постоянного тока может возникнуть высокое напряжение в сотни тысяч вольт, ветвь (29) прерывания тока содержит большое количество силовых полупроводниковых элементов (5), соединенных последовательно, которые срабатывают одновременно для равномерного распределения пробивного напряжения. Соответственно, ветвь (29) прерывания тока обладает большими возможностями по блокировке напряжения, чем ветвь коммутации тока.

Согласно настоящему изобретению каждая из ветвей A, B, C и D коммутации тока имеет два режима работы, в том числе нормальный режим и режим прерывания. В нормальном режиме работы, то есть во время нормальной работы системы, через устройство (20) проходит нормальный ток линии электропередачи; в этом случае силовые полупроводниковые элементы (8) ветвей A, B, C и D коммутации тока могут быть переведены во включенное состояние, и через ветви A, B, C и D коммутации тока будет проходить нормальный ток линии электропередачи. Как показано на Фиг. 4, нормальный ток линии электропередачи проходит через ветви A и C коммутации тока, и через ветви B и D коммутации тока, а поскольку ветви A, B, C и D коммутации тока характеризуются более низким уровнем падения напряжения перехода в сравнении с ветвью (29) прерывания тока, то ветвь (29) прерывания тока обходится; при этом через ветвь (29) прерывания ток практически не проходит, ток линии электропередачи равномерно распределяется между ветвями A и C коммутации тока и ветвями B и D коммутации тока, и токи могут проходить в обоих направлениях. Когда ток линии электропередачи проходит в первом направлении (14) течения тока, часть тока проходит через силовой полупроводниковый элемент (7) ветви A коммутации тока и силовой полупроводниковый элемент (8) ветви C коммутации тока, а другая часть тока проходит через силовой полупроводниковый элемент (8) ветви B коммутации тока и силовой полупроводниковый элемент (7) ветви D коммутации тока; когда ток линии электропередачи проходит во втором направлении (15) течения тока, часть тока проходит через силовой полупроводниковый элемент (8) ветви A коммутации тока и силовой полупроводниковый элемент (7) ветви C коммутации тока, а другая часть тока проходит через силовой полупроводниковый элемент (7) ветви B коммутации тока и силовой полупроводниковый элемент (8) ветви D коммутации тока. Поскольку ветвь коммутации тока может быть реализована с использованием небольшого количества элементов, и она характеризуется небольшим сопротивлением во включенном состоянии, устройство (20), подключенное к линии (44), порождает незначительные дополнительные потери.

В режиме прерывания силовые полупроводниковые элементы (8) в ветвях A, B, C и D коммутации тока могут выборочно отключаться в зависимости от направления течения тока в линии (44). После отключения силового полупроводникового элемента (8) двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10) становится силовым полупроводниковым элементом однонаправленной проводимости. Благодаря однонаправленной проводимости силового полупроводникового элемента токи в линии электропередачи, идущие в двух направлениях, проходят через ветвь (29) прерывания тока в одном и том же направлении. Таким образом, силовые полупроводниковые элементы (5) в ветви (29) прерывания тока могут характеризоваться только одним направлением пространственного расположения, а количество таких силовых полупроводниковых элементов может быть уменьшено вдвое. Основная функция быстродействующих изолирующих переключателей (6) заключается в изолировании напряжения. Высокое пробивное напряжение возникает между узлом (1) и узлом (2) после того, как ветвь (29) прерывания тока размыкает ток и напряжение подается на ветви коммутации тока; при этом быстродействующие изолирующие переключатели (6) могут выдерживать высокое пробивное напряжение, а силовые полупроводниковые элементы в ветвях коммутации тока должны выдерживать лишь небольшое пробивное напряжение.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что в нормальном режиме работы ветви коммутации тока могут обходить ветвь (29) прерывания тока, за счет чего можно сократить расходы на эксплуатацию устройства (20); когда необходимо отсечь ток, ветви его коммутации обеспечивают выполнение функции коммутации тока для переключения тока, идущего в одном направлении, на ветвь (29) прерывания тока; такое переключение может быть реализовано просто путем управления включением и выключением силовых полупроводниковых элементов (8), что не требует каких-либо дополнительных расходов на оборудование.

Настоящим изобретением также предложен способ управления устройством (20) для прерывания тока, подключаемым последовательно в направлении пути прохождения тока в линии (44), отличающийся тем, что замыкается твердотельный выключатель (9) постоянного тока в ветви (29) прерывания тока, а также замыкаются быстродействующие изолирующие переключатели (6) и двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели (10) в ветвях A, B, C и D коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления тока в линии (44) при получении сигнала на отключение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое (14):

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов (8) двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях B и C коммутации тока для переключения тока на ветвь (29) его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях B и C коммутации тока; при этом когда направление течения тока в линии электропередачи определено как первое (14), как это показано на Фиг. 2, на ветви B и C коммутации тока начинает воздействовать высокое пробивное напряжение, возникающее в момент размыкания тока ветвью (29) прерывания тока, и поэтому перед тем, как ветвь (29) прерывания тока разомкнет ток, быстродействующие изолирующие переключатели (6) ветвей B и C коммутации тока должны быть гальванически развязаны с целью предотвращения повреждения силовых полупроводниковых элементов вследствие высокого пробивного напряжения; при этом ветви A и D коммутации тока подключаются последовательно с ветвью (29) прерывания тока, характеризуются наличием проходящего через них разрывного тока, но не испытывают высокое пробивное напряжение, и должны находиться в замкнутом состоянии;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя (9) постоянного тока в ветви (29) прерывания тока для его переключения на нелинейное сопротивление (13) в ветви (29) прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях A и D коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе (15):

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов (8) двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях A и D коммутации тока для переключения тока на ветвь (29) его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях A и D коммутации тока; при этом когда направление течения тока в линии электропередачи определено как второе (15), как это показано на фиг. 3, на ветви A и D коммутации тока начинает воздействовать высокое пробивное напряжение, возникающее в момент размыкания тока ветвью (29) прерывания тока, и поэтому перед тем, как ветвь (29) прерывания тока разомкнет ток, быстродействующие изолирующие переключатели (6) ветвей A и D коммутации тока должны быть гальванически развязаны с целью предотвращения повреждения силовых полупроводниковых элементов вследствие высокого пробивного напряжения; при этом ветви B и C коммутации тока подключаются последовательно с ветвью (29) прерывания тока, характеризуются наличием проходящего через них разрывного тока, но не испытывают высокое пробивное напряжение, и должны находиться в замкнутом состоянии;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя (9) постоянного тока в ветви (29) прерывания тока для его переключения на нелинейное сопротивление (13) в ветви (29) прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях B и C коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания.

Настоящим изобретением также предложен способ управления устройством (20) для ограничения тока, подключаемым последовательно в направлении пути прохождения тока в линии (44), отличающийся тем, что замыкается твердотельный выключатель (9) постоянного тока в ветви (29) прерывания тока, а также замыкаются быстродействующие изолирующие переключатели (6) и двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели (10) в ветвях A, B, C и D коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления тока в линии (44) при получении сигнала на ограничение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое (14):

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов (8) двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях B и C коммутации тока для переключения тока на ветвь (29) его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях B и C коммутации тока; и

затем выключение заданного количества твердотельных выключателей (9) постоянного тока (по меньшей мере одного твердотельного выключателя (9) постоянного тока) в ветви (29) прерывания тока для переключения тока на заданное количество нелинейных сопротивлений (13) (по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление (13)) в ветви (29) прерывания тока; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе (15):

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов (8) двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10) в ветвях A и D коммутации тока для переключения тока на ветвь (29) его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей (6) в ветвях A и D коммутации тока; и

затем выключение заданного количества твердотельных выключателей (9) постоянного тока (по меньшей мере одного твердотельного выключателя (9) постоянного тока) в ветви (29) прерывания тока для переключения тока на заданное количество нелинейных сопротивлений (13) (по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление (13)) в ветви (29) прерывания тока, чем завершается весь процесс ограничения тока в линии (44).

Конкретное количество определяется исходной величиной тока и заданным пороговым значением.

Конкретный вариант реализации устройства согласно настоящему изобретению описан через один из вариантов его осуществления:

Устройство (20) предназначено для ограничения или прерывания токов в двух направлениях в высоковольтной линии (44) электропередачи постоянного тока напряжением ±200 кВ, с предельным током 2 кА и токоограничивающей способностью.

Как показано на Фиг. 1, устройство (20) включает в себя ветвь (29) прерывания тока и ветви A, B, C и D коммутации тока. Ветвь (29) прерывания тока содержит две структуры, каждая из которых образована одним твердотельным выключателем (9) постоянного тока и одним нелинейным сопротивлением (13), которые подключаются параллельно; при этом твердотельный выключатель (9) постоянного тока содержит по меньшей мере один силовой полупроводниковый элемент (5) по одному направлению. В этом варианте осуществления настоящего изобретения ветвь (29) прерывания тока должна выдерживать пробивное напряжение по меньшей мере 400 кВ, а с учетом определенного запаса - до 600 кВ. Два параллельно подключенных биполярных транзистора с изолированным затвором (IGBT) на 4,5 кВ/1.6 кА выполнены в виде единого блока; при этом - с учетом возможности возникновения неравномерных напряжений в момент выключения - для обеспечения устойчивости указанных элементов к воздействию напряжения должен быть предусмотрен некоторый запас. Всего должно быть последовательно подключено 200 указанных блоков, разделенных на две группы; при этом каждый твердотельный выключатель (9) постоянного тока содержит 100 таких блоков, подключенных последовательно, а все транзисторы типа IGBT характеризуются одинаковым направлением пространственного расположения.

Устройство (20) также включает в себя ветви A, B, C и D коммутации тока; при этом ветви A и B коммутации тока образуют первое плечо моста, средняя точка (3) которого подключена к одному из концов линии (44), ветви C и D коммутации тока образуют второе плечо моста, средняя точка (4) которого подключена к другому концу линии (44), а оба плеча моста подключены параллельно ветви (29) коммутации тока.

Устройство (20) требует наличия в целом четырех ветвей коммутации тока; при этом каждая ветвь содержит одни и те же элементы. Каждая ветвь содержит по меньшей мере один двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10) и по меньшей мере один быстродействующий изолирующий переключатель (6); при этом требуется, чтобы быстродействующий изолирующий переключатель (6) обладал способностью выдерживать пробивное напряжение в 600 кВ и обеспечивать быстродействие.

Двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10) образован блоком биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с встречно-параллельным диодом. Двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10) рассчитан лишь на очень небольшое пробивное напряжение. Для образования одного двунаправленного силового полупроводникового переключателя (10) может быть использован блок IGBT на 4,5 кА/1,6 кА с встречно-параллельным диодом, а всего требуется три таких двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей (10). Направление пространственного расположения указанных блоков показано на Фиг. 2 и 3.

Представленные выше варианты осуществления настоящего изобретения используются только для описания технических решений заявленного изобретения и никоим образом его не ограничивают. После ознакомления с этой заявкой специалисты в данной области техники могут вносить в настоящее изобретение различные изменения и выполнять модификации на основе представленных выше вариантов его реализации, но все такие изменения или модификации входят в объем притязаний настоящего изобретения, определенный формулой изобретения.

Изобретение относится к устройству ограничения или прерывания тока в линии электропередачи, а также к способу управления этим устройством. Устройство включает в себя ветвь (29) прерывания тока и мостовую ветвь. Мостовая ветвь содержит два плеча моста, которые образованы четырьмя идентичными ветвями коммутации тока. Каждые две из четырех ветвей коммутации тока подключены последовательно, а образованные в результате два плеча моста подключены параллельно. Оба плеча моста подключены параллельно к ветви коммутации тока, а средние точки двух плеч моста по отдельности подключены к двум концам линии. Каждая из ветвей коммутации тока содержит по меньшей мере один быстродействующий изолирующий переключатель (6) и по меньшей мере один двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель (10), которые подключаются последовательно. Указанное устройство может прерывать токи в двух направлениях. Техническим результатом является обеспечение высокой скорости размыкания и низких потерь. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство ограничения или прерывания тока в линии электропередачи, включающее в себя ветвь прерывания тока, которая содержит один размыкающий блок или по меньшей мере два размыкающих блока, подключаемых последовательно, каждый из которых содержит один твердотельный выключатель постоянного тока и одно нелинейное сопротивление, подключаемые параллельно, отличающееся тем, что:

указанное устройство также включает в себя мостовую ветвь; при этом указанная мостовая ветвь содержит два плеча моста, которые образованы четырьмя идентичными ветвями коммутации тока, где каждые две ветви из четырех ветвей коммутации тока подключаются последовательно, после чего два полученных плеча моста подключаются параллельно; при этом оба указанных плеча моста подключаются параллельно ветви прерывания тока, а средние точки двух указанных плеч моста по отдельности подключаются к двум концам линии; при этом каждая ветвь коммутации тока содержит по меньшей мере один быстродействующий изолирующий переключатель и по меньшей мере один двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель, которые подключаются последовательно; при этом направление, в котором ток идет от средней точки первого плеча моста и затем последовательно проходит через первую ветвь коммутации тока в первом плече моста, ветвь прерывания тока и четвертую ветвь коммутации тока во втором плече моста, определяется как первое направление течения тока; а направление, в котором ток идет от средней точки второго плеча моста и затем последовательно проходит через третью ветвь коммутации тока во втором плече моста, ветвь прерывания тока и вторую ветвь коммутации тока в первом плече моста, определяется как второе направление течения тока; а направление пространственного расположения твердотельного выключателя постоянного тока соответствует первому и второму направлениям течения тока.

2. Устройство ограничения или прерывания тока в линии электропередачи по п. 1, отличающееся тем, что: двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель образован двумя силовыми полупроводниковыми элементами, подключенными обратно-параллельно; при этом второй силовой полупроводниковый элемент обладает способностью включения и выключения; первый силовой полупроводниковый элемент в первой ветви коммутации тока, второй силовой полупроводниковый элемент во второй ветви коммутации тока, второй силовой полупроводниковый элемент в третьей ветви коммутации тока и первый силовой полупроводниковый элемент в четвертой ветви коммутации тока характеризуются направлением, которое соответствует первому направлению течения тока; а второй полупроводниковый элемент в первой ветви коммутации тока, первый полупроводниковый элемент во второй ветви коммутации тока, первый полупроводниковый элемент в третьей ветви коммутации тока и второй полупроводниковый элемент в четвертой ветви коммутации тока характеризуются направлением, которое соответствует второму направлению течения тока.

3. Устройство ограничения тока в линии электропередачи или прерывания тока по п. 2, отличающееся тем, что каждая ветвь коммутации тока также включает в себя по меньшей мере один второй двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель; при этом второй двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель характеризуется такой же структурой, что и первый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель, и подключается параллельно первому двунаправленному силовому полупроводниковому переключателю.

4. Устройство ограничения тока в линии электропередачи или прерывания тока по п. 2, отличающееся тем, что первый силовой полупроводниковый элемент не обладает способностью включения и выключения.

5. Устройство ограничения тока в линии электропередачи или прерывания тока по п. 1 или 2, отличающееся тем, что твердотельный выключатель постоянного тока образован по меньшей мере одним силовым полупроводниковым элементом, подключаемым последовательно.

6. Способ управления устройством прерывания тока по п. 2, которое подключается последовательно в направлении пути прохождения тока в линии электропередачи, отличающийся тем, что замыкается твердотельный выключатель постоянного тока в ветви прерывания тока, а также замыкаются быстродействующие изолирующие переключатели и двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели в ветвях коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления тока в линии электропередачи при получении сигнала на отключение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания для переключения тока на нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока;

затем одновременное выключение твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для его переключения на нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; и

выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока, которым завершается весь процесс прерывания.

7. Способ управления устройством ограничения тока по п. 2, которое подключается последовательно в направлении пути прохождения тока в линии электропередачи, отличающийся тем, что замыкается твердотельный выключатель постоянного тока в ветви прерывания тока, а также замыкаются быстродействующие изолирующие переключатели и двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели в ветвях коммутации тока; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:

определение направления течения тока в линии электропередачи при получении сигнала на ограничение тока в линии; и

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как первое:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей во второй и третьей ветвях коммутации тока; и

затем выключение по меньшей мере одного твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для переключения тока по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока; или

последовательное выполнение следующих операций, если направление течения тока в линии электропередачи определено как второе:

одновременное выключение вторых силовых полупроводниковых элементов двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока для переключения тока на ветвь его прерывания;

затем одновременное выключение быстродействующих изолирующих переключателей в первой и четвертой ветвях коммутации тока; и

затем выключение по меньшей мере одного твердотельного выключателя постоянного тока в ветви прерывания тока для переключения тока по меньшей мере на одно нелинейное сопротивление в ветви прерывания тока, чем завершается весь процесс ограничения тока.