Полупроводниковые ограничители токов КЗ

В последние десятилетия активно разрабатываются ОТКЗ на основе силовой электроники с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП-ОТКЗ). Выпуск ОТКЗ на силовой электроники должен был начаться в 2004г., а высокотемпературных сверхпроводников в 2010г. этот прогноз пока не оправдался.

ВТСП-ОТКЗ имеют быстродействие почти на порядок выше, чем выключатели. Наибольших успехов в этом направлении достигли США, Япония, компания Siemens (Германия).

Институт электроэнергетики США разработал ОТКЗ с быстрой реакцией на базе силовой электроники.

Для ограничения тока КЗ ОТКЗ вводит в цепь защищаемой линии резистор, который поглощает энергию тока КЗ. При ограничении тока КЗ 85кА данный ОТКЗ удерживал ток на уровне 22кА. Ограничитель должен действовать до 160кА, может срабатывать чаще выключателя, рассчитан на U=138кВ.

Наилучшим проводником для вентилей является карбид кремния, т.к. при этом выдерживается t=250°C.

Рис. 32.53

Два звена по встречно-параллельной схеме с тиристорами Т₁ и Т₂, Т₃ и Т₄ шунтируют варистор. Гашение тиристоров осуществляется L, C цепочками.

Варистор поглощает энергию тока КЗ и замедляет возврат ОТКЗ в начальное состояние.

В Японии разработан полупроводниковый ОТКЗ – это комбинация быстродействующего вакуумного выключателя и встречно-параллельных силовых тиристоров.

Рис. 32.54

Сигнал на отключение подается одновременно на открытие тиристоров и на отключение вакуумного выключателя. При размыкании контактов напряжение дуги приложено к тиристорам. Когда через тиристоры протекает максимальный ток, то они отключаются. Энергия тока КЗ гасится на резисторе. Ограничение тока КЗ , время отключения в 100 быстрее, чем обычный выключатель. В настоящее время разработан ОТКЗ для сетей (6, 6-22)кВ.

Компания Siemens параллельно разработала ВТСП-ОТКЗ и быстродействующий полупроводниковый выключатель на базе полностью управляемых вентилей. Время отключения .

Рис. 32.55

.

ВТСП-ОТКЗ разработаны U=(3, 6-123)кВ.

ВТСП-ОТКЗ ограничивает тока до I_доп. Выключатель не дает достичь току КЗ максимального значения и быстро отключает сеть. Полупроводниковый ограничитель - это быстродействующий вакуумный выключатель. Шунтированный встречно-параллельной группой силовых тиристоров. Блок управления включает тиристоры и отключает вакуумный выключатель. Рост напряжения на дуге между контактами включает тиристоры и через них протекает ток. После сигнала на отключение тиристоров ток КЗ ограничивается резистором, который включен параллельно схеме рис. 32.54. При испытаниях на U=6кВ I_K=13кА снижался до I’_К=3, 5кА, t_откл=2мс.

Компанией Siemens разработано устройство ограничения тока КЗ в схемах продольной компенсации линий электропередачи.

Рис. 32.56

Конденсаторная установка повышает устойчивость работы линии. При переходных процессах ток КЗ может быть причиной перенапряжений на конденсаторе.

Устройство продольной компенсации с защитой тиристорами имеет быстрое охлаждение после срабатывания. Это позволяет снизить ущерб после аварийного режима. Тиристоры рассчитаны на I_K=110кА и применяются в установках U=500кВ. Для такой установки при I_K=5кА нагрев тиристора составил 50°C.

Схему рис. 32.56 можно дополнить реактором

Рис. 32.57

Такая схема может применяться в сетях ВН и СН. Реактор демпфирует качания и подсинхронные резонансы.

Ограничители ТКЗ могут быть использованы в вставках постоянного тока нулевой длины и устройствах управления потоком мощности.

Предложенная в 1997г. в Японии схема ограничения тока КЗ последовательно-резонансного типа для сети U=500кВ аналогична схеме рис. 32.57. Суммарное сопротивление последовательно включенных X_C и X_L в нормальном режиме равно нулю. При КЗ тиристорная схема шунтирует X_C и ток ограничивается реактором. В нормальных условиях ток через тиристорную схему I=0 и рассеивание тепла незначительно. Последовательно с конденсатором и замыкающим выключателем включены наибольшие защитные реакторы. Конденсатор защищен от перенапряжений металлооксидным варистором.

ОТКЗ на базе силовой электроники позволяют снизить требования к отключающей способности коммутационной аппаратуры.

Характеристики полупроводниковых ОТКЗ ниже ВТСП - ограничителей. Внедрение ВТСП тормозится трудностями их создания.

В настоящее время наиболее эффективное решение по ограничению токов КЗ- это применение продольной компенсации ЛЭП с тиристорной защитой и ограничивающим ток КЗ реактором (разработка Siemens). Такая система применима в сетях до самых высоких классов напряжения.