Ele-prof.ru

Электро отопление
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Определение максимальных рабочих токов для выбора выключателей

Определение максимальных рабочих токов для выбора выключателей

Выключатели предназначены для коммутации цепей при аварийных режимах, а также нечастых (6-30 раз в сутки) оперативных включений и отключений электрических цепей.

Высоковольтные выключатели выбираются исходя из условий:

где Uном — номинальное напряжение выключателя, В;

— номинальное напряжение сети, В;

IР.МАКС — максимальный расчетный ток защищаемой цепи, А;

IНОМ — номинальный ток выключателя, А.

После выбора все высоковольтные выключатели должны быть проверены по условиям:

где IНОМ.ОТКЛ — номинальный ток отключения выключателя, кА;

IВКЛЮЧ — ток включения выключателя, А;

iПР.СКВ — сквозной ток, А;

iДИН — ток электродинамической стойкости, А;

iА.НОМ — номинальное значение апериодической составляющей тока КЗ:

(5.9)

здесь βНОМ — нормированное содержание апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ, %

iА.τ — значение апериодической составляющей тока КЗ в момент времени:

(5.10)

здесь τ – время расхождения дугогасящих контатктов, с:

где tCB — собственное время отключения выключателя, с;

tP3 =0,01 с — минимальное время действия релейной защиты, с;

Вк — тепловой импульс тока, кА 2 · с:

(5.12)

здесь IПС — действующее значение периодической составляющей тока КЗ от генератора (синхронного компенсатора), А.

IПО.г — начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от эквивалентного источника энергии (системы), А;

QК.г — относительный интеграл от периодической составляющей тока в месте КЗ, обусловленный действием генератора(синхронного компенсатора);

ВК.г — относительный интеграл Джоуля;

ТА.ЭК — эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с;

ТА.г — эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ от генератора(синхронного компенсатора), с;

IТЕР — ток термической стойкости, А.

В случае удаленного КЗ тепловой импульс может определяться по упрощенной формуле:

(5.13)

где tОТКЛ — время отключения выключателя, с:

(5.14)

здесь tP3 — время действия релейной защиты с учетом ступени селективности, с;

tОТКЛ — полное время отключения выключателя, с.

Определение максимальных рабочих токов для выбора выключателей

1. Сторона ВН (220 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя:

(5.15)

Максимальный ток выключателя питающей линии:

(5.16)

Максимальный ток выключателя отходящей линии:

(5.17)

Максимальный ток цепи выключателя трансформатора:

(5.18)

Подставив все известные значения, найдем величины максимальных токов:

2. Сторона СН (110 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя и трансформатора:

(5.19)

Максимальный ток цепи выключателя отходящей линии:

(5.20)

Подставляем числовые значения:

2. Сторона НН (6 кВ).

Максимальный ток секционного выключателя и выключателя трансформатора:

(5.21)

Максимальный ток цепи выключателя отходящей линии:

(5.22)

Подставляем числовые значения:

По найденному значению максимального тока и известного значения номинального напряжения определим марку выключателя для высоковольтного секционного выключателя на стороне ВН:

Выбираем выключатель марки ВГБУ-220-40/2000 У1 [3,стр.52]:

Б — условное обозначение конструктивного исполнения (баковый);

У- условное обозначение типа привода ;

220 — номинальное напряжение, кВ;

40 — номинальный ток отключения, кА;

2000 — номинальный ток, А;

У1 — климатическое исполнение (умеренный климат).

Аналогично выбираем выключатели на стороне среднего напряжения:

Выбираем выключатель марки ВГБУ-110-40/2000 У [3,стр.52]:

Б — условное обозначение конструктивного исполнения (баковый);

У- условное обозначение типа привода ;

110 — номинальное напряжение, кВ;

40 — номинальный ток отключения, кА;

2000 — номинальный ток, А;

У — климатическое исполнение (умеренный климат).

Для стороны низшего напряжения выбираем выключатели «Таврида-электрик» марки BB/TEL-10-20/1000 У2 (для отходящей линии)

ВВ – вакуумый выключатель;

TEL – производитель концерн «Таврида-электрик»;

10 – номинальное напряжение, кВ;

20 — номинальный ток отключения, кА;

1000 — номинальный ток, А;

У2 — климатическое исполнение.

Для секционного выключателя и выключателей на вводе в РУ 6кВ выбираем выкуумные выключатели марки BB/TEL-10-20/2000 У2 с номинальным током – 2000А.

Выбранные выключатели представлены в таблице №5.1:

Таблица 5.1 – Выбор выключателей

UНОМ, кВМесто установкиВыбранный выключатель
Секции шинВГБУ-220-40/2000 У1
Питающие линииВГБУ-220-40/2000 У1
Отходящие линииВГБУ-220-40/2000 У1
Цепь автотрансформатораВГБУ-220-40/2000 У1
Секции шинВГБУ-110-40/2000 У1
Отходящие линииВГБУ-110-40/2000 У1
Цепь автотрансформатораВГБУ-110-40/2000 У1
Секции шинBB/TEL-10-20/2000 У2
Цепь автотрансформатораBB/TEL-10-20/2000 У2
Отходящие линииBB/TEL-10-20/1000 У2

После выбора марки выключателя необходимо проверить его по всем требуемым условиям. Прежде определим все необходимые для проверки величины:

τ = 0,5 + 0,03 = 0,53с

Проверка для секционного высоковольтного выключателя ВГБУ-220- 40/2000 У1 приведена в таблице №5.2:

Таблица №5.2. — Проверка выключателя ВГБУ-220- 40/2000 У1

Паспортные данныеУсловия выбора и проверкиРасчетные значения
UНОМ =220кВUНОМ ≥ UСUС =220кВ
IНОМ =2000АIНОМ ≥ IР.МАКСIР.МАКС =370А
IНОМ.ОТКЛ =40кАIНОМ.ОТКЛ ≥ IПОIПО =4,04кА
IВКЛЮЧ = 40кАIВКЛЮЧ ≥ IПОIПО =4,04кА
iПР.СКВ =102кАiПР.СКВ ≥ iУДiУД = 10,12кА
iДИН = 102кАiДИН ≥ iУДiУД = 10,12кА
iА.НОМ = 25,46кАiА.НОМ ≥ iА.τiУД = 10,12кА
ВК = 0,29кАВК ≤ I 2 ТЕР· tОТКЛ

Данный выключатель полностью удовлетворяет всем условиям проверки.

Аналогично производим проверку выключателей на стороне среднего и низшего напряжений.

Условия выбора и проверки всех остальных выбранных высоковольтных выключателей находятся в таблице №5.3, таблице №5.4 и таблице №5.5.

Установка автоматического выключателя переменного тока в цепь постоянного тока

Лучше поставить автомат для постоянного тока, а не колхозить. Это более правильным будет, если речь идет о грамотном шкафчике.

так то оно так, но шнайдер же в своём каталоге допускает такую возможность. ACTI9 iC60H-DC нет в наличии в местных Минимакс и ЭТМ и стоит он неоправданно дорого

Смотрите. Напряжение большое довольно.

Обычно, для универсальных автоматов отношение по величине напряжения переменного к постоянному чуть ли не 5 к 1. Может потому и требуют через 4 полюса проводить.

Читайте так же:
Схема включения концевого выключателя

человек в техподдержке SE сказал что так делать можно, но физику процесса объяснить не смог. Понятно, что дуга постоянного тока в разы сильнее дуги переменного, потому что нет перехода через ноль. Но как то странно что автоматы последовательно ставятся

Вся физика во включении-выключении и в разнице искрогасителей. На переменном токе искра быстрей гасится, соответственно камеры на автоматах для переменного тока меньше, чем для постоянного. Напряжение большое.

Искра гасится быстрее при переменке, но камеры у автоматов на постоянку и переменку практически одинаковы, потому что внешние габариты автоматов не отличаются

Время отключения на постоянке и переменке разное и чтобы дуга быстрее гасилась используют последовательное включение. Также время горения дуги влияет на ресурс контактов. Если всё это непринципиально, то можно ставить обычный одиночный автомат

как же четыре последовательных полюса помогают гаснуть дуге?

Господа, что собой представляет камера искрогашения? Конденсатор? Если да, то включение нескольких автоматов параллельно оправдано. Но тогда включен должен быть только один из них, а остальные — нормально разомкнуты. Может быть, я ошибаюсь?
А если включать автоматы последовательно — в этом нет никакого смысла, т.к. все камеры закорочены.

Не скажите, Игорь Анатольевич))
В идеале в момент отключения должны возникнуть четыре последовательных одинаковых дуги с одинаковыми токо-временными характеристиками.
При этом будет не по одной катодной и анодной зоне падения, а по четыре! Соответственно, суммарное сопротивление дуговых столбов будет в 4 раза выше чем одной дуги и гашение дуг произойдет раньше (если дуги вообще возникнут). Вот и весь резон.

Откуда возьмутся четыре последовательных дуги? Если только скоммутировать счетверённый автомат? Я правильно понял?
Если включать четыре автомата последовательно, какое будет сопротивление последовательной цепи? Иначе говоря, падение напряжения на максимальном токе?

Правильно поняли. В нормально-замкнутом состоянии сопротивление цепи будет пренебрежимо мало.
В момент размыкания суммарное падение напряжение на 4-х катодных и анодных зонах падения составит от 60 до 120В + какие-то слезы в телах дуг. Соответственно, гашение дуг наступит раньше и ресурс автомата (вкл-выкл) будет больше.

Тем не менее представьте, какое будет падение напряжения на четырёх контактах при токе, например 50А, Пусть даже сопротивление одного контакта будет 0.1 Ом?
Вы никогда не задумывались, почему в 12-вольтовых цепях не используют утилитарные модульные автоматы. Это было бы так удобно!

Лень идти в машину ночью за мультиметром — можно не гадая просто замерить.
Однако, подозреваю, что сопротивление на 4-х контактах будет много меньше, чем 0,1Ом. Оно будет (точнее, по нормативке должно быть) вполне сопоставимо (как и для кабельных муфт) с сопротивлением проводника. В противном случае, все наши шкафы/щиты были бы большими кипятильниками, потребляющими ЭЭ не только на цепи управления автоматики, но и на подогрев контактов))

А я попробовал померить, у меня мультиметр оказался под рукой. Но проводить измерения корректно сейчас лень.
Я читал о непригодности АС-автоматов для цепей DС 12 В на каком-то автомобильном форуме. Там токи большие, и потери напряжения на контактах были сочтены недопустимыми.
Я думаю, надо включить чайник и померить падение напряжения на автомате.

Особенности выбора автоматического выключателя

Разновидности выключателей

Автоматический выключатель, или как его часто называют автомат, самый распространённый элемент для того, для безопасной подачи напряжения в любой вид помещений и на любой электроприемник (потребитель). Главной функцией, которую выполняет автоматический выключатель, считается защита электропроводки от коротких замыканий, возникших в его цепи. Второстепенными функциями данного выключателя считаются: защита от перегрузок, а также безопасная подача напряжения и разрыв силовых цепей под нагрузкой. Дело в том что при возникновении короткого замыкания возникает значительное повышение силы тока в цепи поэтому при его разрыве в таком режиме возникает дуга которую автоматический выключатель гасит. Даже при нормальных рабочих токах, которые могут достигать нескольких сотен ампер, силовые цепи где они протекают разрывать без специальных дугогасительных камер нельзя ни в коем случае. Это прописано в правилах эксплуатации электрооборудования.

Подобрать правильно автоматический выключатель это значит обезопасить электроустановку, которой является в принципе любое жилое или технологическое помещение, от пожаров и перегорания проводки вследствие высоких токов. В принципе туже роль выполняют и предохранители, только этот вид выключателей имеет более быструю защиту и удобство применения.

Принцип действия автоматического выключателя и его конструкция

Выбор выключателей стоит начать с понимания как работает автоматический выключатель и конструктивных особенностей. Каждый такой автомат имеет:

  • Несколько полюсов, которые он может включать и отключать. То есть силовые контакты, которые размыкают или замыкают цепь. Их количество может быть от одного до четырёх;
  • Дугогасительная система. Она может состоять из специальных камер с узкими щелями для разбития дуги на мелкие части и снижения её выгорающей способности. Также камеры дугогашения могут быть выполнены в виде решётки. Эти две вида камер иногда применяются комбинированно если автомат предназначен для коммутации мощных цепей;

дугогасительная система

  • Привод расцепляющего механизма;
  • Расцепитель. Он может иметь электромагнитную, электронную, микропроцессорную или же биметаллическую основу служащую для мгновенного автоматического выключения при создании ненормальных токовых режимов. В свою очередь, он состоит из рычагов, защёлок и отключающих пружин для ускорения срабатывания защиты;
  • Одну или несколько пар так называемых блок-контактов или вспомогательных контактов, идущих в цепи сигнализации или же контроля.

Хотелось бы остановиться более конкретно на таком элементе как электромагнитный расцепитель. Он представляет собой катушку (соленоид), подвижная часть которой, и приводит в действие само устройство механического разрыва цепи. Ток, протекающий по силовым контактам, непосредственно проходит и по соленоиду, только вот при нормальной работе, когда его значение не превышает номинального параметра, на который рассчитан автомат, он не выключает автомат. Магнитного поля в этом случае не хватает на то, чтобы якорёк расцепителя сдвинул защёлку и автоматический выключатель остаётся во включенном положении. Как только ток, вследствие короткого замыкания в отходящей цепи, превысит пороговое значение, магнитный поток приведет в движение подвижную часть соленоида и автомат немедленно отключится.

Читайте так же:
Автоматический выключатель с расцепителем максимального тока

выключатель в разрезе

Автоматические выключатели постоянного тока, которые устанавливаются для защиты электродвигателей стационарно имеют несколько расцепителей. Это делается с целью ускорить процесс отключения даже при несрабатывании одного из систем расцепления. Допусти ВАТ (выключатель автоматический токовый), который применяется для электродвигателя главных приводов прокатного стана имеет систему ИДП (индукционно динамический привод). Она дополнительно тянет за подвижный силовой контакт во время отключения автомата от токовой защиты.

Тепловая защита автоматических выключателей почти во всех случаях создана на биметаллической пластине, которая также введена в силовую цепь. При прохождении тока выше номинала она начинает греться и в какой-то момент происходит её деформация или изгиб тем самым разрывается электрическая цепь. Поэтому в таких случая стоит подождать когда она остынет, так как отключенный от тепловой защиты автомат включится не сразу. Иногда если автоматы не имеют чёткой тепловой вставки превышение токового номинала ограничивают отдельно установленными тепловыми реле, работающими по такому же принципу, и имеющие настройку.

Классификация автоматических выключателей

При выборе нужного устройства для подачи напряжения и отключения, вручную или же автоматически, нужно подобрать их исходя из класса. Вот какие бытовые классы автоматических выключателей по току мгновенного расцепления бывают:

  1. Тип B: выше 3*I ном. до 5*I ном. включительно (где I ном — номинальный ток). Применяются они для защиты линий освещения или линий, проложенных на длинные расстояния;
  2. Тип C: свыше 5*I ном. до 10*I ном. включительно. Такие классы автоматов применяются для защиты розеточных групп или цепи с потребителями, со средними пусковыми токами.
  3. Тип D: свыше 10*I ном. до 20*I ном. включительно. Применяется для защиты трансформаторов или цепей потребителей с большими пусковыми токами.
  1. тип L: свыше 8*I ном.
  2. тип Z: свыше 4*I ном.
  3. тип K: свыше 12*I ном.

Немного отличается классификация у западных производителей.

Типы автоматических выключателей

Все они делятся на:

  • низковольтные — это до 1000 В;
  • высоковольтные, выше 1000 В.

Сразу стоит оградить от непродуманного использования ни в коем случае нельзя использовать низковольтные автоматические выключатели, в цепях высокого напряжения. Это отдельный тип данной аппаратуры, который требует не только правильной установки, но и соответствующей эксплуатации.

Ещё одно различие связано с их исполнением оно бывает:

  • Модульное;
  • Литое;
  • Воздушное силовое.

выключатель воздушный

Именно модульные самые распространенные типы выключателей, применяемых в квартирах, домах, дачных участках, то есть во всех бытовых случаях. Они очень компактны и удобны крепятся на специальную планку называемую DIN-рейкой. Нужно всего лишь разжать элементы крепления, которые стягиваются пружинкой и установить автоматический выключатель в нужное место, чаще всего это электрощиток. Какой размер его ставить, это уже зависит от количества оборудования в нём. Он должен запираться надёжно на ключ, что бы ни дети ни кто-то другой не мог включить автомат когда на линии ведутся работы.

Выбор автоматического выключателя

Выбор автоматических выключателей стоит выполнять в соответствии с указанными на схеме проекта параметрах. Если же стоит вопрос как выбрать выключатель для обычного бытового случая, то тут есть несколько условий:

  1. Тип напряжения, то есть 220 Вольт или 380. Здесь сразу же и определиться количество полюсов. При 220 В это одно— или двухполюсный. При трехфазном напряжении это обязательно трёх— или четырёхполюсный ;
  2. Рабочий ток. Величина эта рассчитывается по мощности и напряжению всех потребителей которые будут к нему подключены. Ток равен, мощность разделить на напряжение. Подбирайте его лучше немного с запасом. Например, при расчётном 10 Ампер, правильно выбрать выключатель на 16 А;
  3. Ток отсечки или отключения стоит выбирать в зависимости от того какой потребитель будет подключен к нему. Любой из них сработает при коротком замыкании;
  4. Тип производителей. Экономить здесь не стоит, так как от этого зависит пожарная безопасность.
  5. Селективность. Это значит нельзя ставить автомат который будет работать с параметрами выше чем предыдущий. Например, общий автомат на 50 Ампер и срабатывание, допустим, 3*I ном и отходящие от него такие же, с такой же защитой. При произошедшем к.з. может выбить вводной автомат, а не той конкретной цепи где произошла аварийная ситуация. Данный выбор автоматического выключателя имеет важное значение, так как от этого зависит быстрота срабатывания, а значит и отключения.

Последнее время с развитием технологий стали применяться также дополнительно дифференциальные автоматы, и УЗО (устройство защитного отключения), но их работа направлена немного на другие параметры цепи.

Выбор высоковольтных выключателей

Выбор выключателей высоковольтного типа дело более ответственное и кропотливое, здесь уже на DIN-рейку не поставишь. Вот основные параметры, влияющие на выбор таких устройств:

  1. Номинальное напряжение и ток;
  2. Тип выключателя;
  3. Количество полюсов для коммутации;
  4. Тип установки, соответствующий условиям работы;
  5. Степень быстродействия защиты и время отключения;
  6. Количество полных коммутационных циклов, то есть насколько он рассчитан включений и отключений;
  7. Ток термической устойчивости;
  8. Предельный ток К.З.;
  9. Время включения если есть дистанционный привод;
  10. Давление газа или воздуха, пневматического или газового приводов.

Также не рекомендуется при выборе отдавать предпочтение китайским производителям данного оборудования, так как они очень часто экономят на цветных металлах. Последнее время отечественные производители вышли на довольно высокий уровень изготовления автоматических выключателей как высоковольтных, так и рассчитанных на напряжение не выше 1000 Вольт.

Читайте так же:
Промышленное предприятие получает выключатели от двух поставщиков

Все самые важные аспекты освещены, теперь от того как правильно человек выберет этот аппарат будет зависеть безопасность проводки, а значит и пожарная безопасность. Так как самая частая причина возникновения пожаров считается возгорание проводки, а значит подобранный и выбранный автомат вовремя не отключился.

Автоматический выключатель постоянного тока

Выключатель постоянного тока предназначен для установления, поддержки и остановку тока непрерывной в напряжении назначен, будь то в нормальном или ненормальном состоянии, например , короткое замыкание, как это определено в Международной электротехнической комиссии . Прерывание постоянного тока отличается и труднее, чем прерывание переменного тока. Поэтому автоматические выключатели постоянного тока сильно отличаются от своих аналогов переменного тока . В настоящее время модели среднего и высокого напряжения используются в железнодорожном секторе и на станциях постоянного тока высокого напряжения. Однако до сих пор не было найдено приемлемого решения для создания выключателя постоянного тока очень высокого напряжения: либо система работает слишком медленно, либо дает слишком много потерь. В 2012 году ABB представила концепцию, которая, казалось, решила проблемы, с которыми до сих пор встречались. В 2013 году Alstom продемонстрировала еще более высокую отключающую способность.

Для автоматических выключателей, предназначенных для железнодорожного сектора, камера прерывания, снабженная сепараторами, часто используется в сочетании с катушкой, создающей магнитное поле, которое заставляет дугу перемещаться к ним. Автоматические выключатели HVDC очень разные. Устройства с колебательным контуром состоят из трех параллельно соединенных электрических ветвей: прерывателя цепи переменного тока, одной ветви для генерации тока и одной ветви для поглощения энергии. Составляющие их элементы расходятся в зависимости от используемых технологий, но принцип действия остается аналогичным: механизм позволяет направлять ток автоматического выключателя в сторону колебательной ветви, этот направляет его в сторону поглощающей ветви, последний позволяет для создания напряжения на выводах узла, достаточного для полного прерывания тока, протекающего через автоматический выключатель. В этих схемах продолжительность отключения питания относительно велика. Выключатели HVDC, построенные просто из полупроводников, возможны, но приводят к высоким потерям, что неприемлемо для сетей передачи электроэнергии. Чтобы объединить преимущества двух систем, были разработаны гибридные решения. Решение, предложенное АББ в 2011 году, кажется удачным, оно состоит из двух параллельных ветвей: первая, проводящая ток в установившемся состоянии, состоит из быстрого разъединителя, малогабаритного переключателя из полупроводниковых элементов для байпаса тока во второй ветви. который включает в себя большой переключатель, также сделанный из полупроводниковых элементов и прерывающий ток, и варисторы для рассеивания энергии.

Производство высоковольтных автоматических выключателей постоянного тока (автоматические выключатели HVDC) могло бы революционизировать структуру текущей электрической сети , сделав возможным создание ячеистой сети постоянного напряжения вместо или в сочетании с текущей сетью переменного напряжения.

Резюме

  • 1 выпуск

Проблемный

Автоматический выключатель переменного тока

В автоматических выключателях переменного тока отключение электрического тока достигается разделением контактов в газе ( воздух , SF 6 ..) или в изолирующей среде (например, в масле или вакууме ). После разъединения контактов ток продолжает течь в цепи через электрическую дугу, которая возникает между контактами выключателя.

В газовых автоматических выключателях ток прерывается, когда электрическая дуга нагнетается на дугу, достаточную для ее охлаждения и прерывания.

В нормальном состоянии газ, содержащийся в выключателе, является изолирующим, он позволяет выдерживать напряжение сети, подключенной к его выводам. Когда контакты выключателя разъединяются, промежуток между контактами подвергается воздействию сильного электрического поля , затем ток течет по дуге, которая представляет собой плазму (или ионизированный газ ), состоящую из разложившихся молекул газа, электронов и ионов . Температура дуги становится очень высокой, она может достигать 20000 ° C или больше в центре дуги. Под действием обдува дуги во время срабатывания автоматического выключателя температура дуги снижается, электроны и ионы повторно объединяются, и жидкость восстанавливает свои изоляционные свойства. После этого отключение электроэнергии прошло успешно.

Прерывание постоянного тока

Постоянный ток не может быть прерван автоматическим выключателем переменного тока, потому что он не проходит через ноль, мощность, подаваемая на электрическую дугу, которая возникает между контактами автоматического выключателя, поэтому всегда очень высока, и последняя не может быть прервана с помощью простой обдув. Следовательно, необходимо поглотить энергию электрической дуги или принудить прохождение тока к нулю. Кроме того, должна рассеиваться реактивная энергия, содержащаяся в сети. Наконец, переходное восстанавливающееся напряжение, которое появляется на клеммах выключателя после прерывания тока, не должно приводить к повторному замыканию цепи.

Исторический

Интерес к производству автоматических выключателей постоянного тока возник в 1960-х годах с разработкой установок HVDC .

Гринвуд и Ли в 1972 году разработали выключатели постоянного тока высокого напряжения для General Electric . Они предлагают усовершенствовать основной принцип (см. Напротив), добавив в дополнение к колеблющейся ветвь, поглощающую энергию.

В 1980-х годах было опубликовано множество исследований по этому вопросу, но были произведены только две многополюсные линии HVDC. В области высокого напряжения самые мощные автоматические выключатели имеют напряжение 250 кВ для отключающей способности по току 8 кА или 500 кВ для 4 кА , что представляет собой токи, лишь немного превышающие номинальный ток. Автоматический выключатель на 250 кВ был построен Hitachi в 1985 году , автоматические выключатели на 500 кВ были изготовлены в 1984 году, а затем улучшены в 1985 году командами Westinghouse и BBC и испытаны на Pacific DC Intertie. В автоматическом выключателе Westinghouse для изоляции и размыкания используется SF 6, а в автоматическом выключателе BBC — сжатый воздух. Они были испытаны при 400 кВ , ток отключался со временем отсечки меньше указанного значения 35 мс .

Читайте так же:
Выключатель подает ноль или фазу

К концу 80-х годов открытие высокотемпературных сверхпроводников открыло новые возможности. Было предложено отключать постоянный ток, пропуская его через сверхпроводящий элемент и вызывая переход упомянутого элемента из сверхпроводящего состояния в несверхпроводящее состояние, или путем повышения температуры упомянутого элемента выше его критической температуры. или путем доведения магнитного поля до значения, превышающего значение критического поля указанного элемента. Проблемы, связанные с отключением токов разных значений, привели к предложению различных концепций, таких как Alstom в 1990 году.

Также предусматривается использование сопротивления с положительным температурным коэффициентом (PTC) на основе титаната бария и стронция, а также сопротивления, содержащего элементы из углеродсодержащего полимера, сопротивление которого внезапно увеличивается, когда температура превышает 100 ° C , также для того, чтобы ограничить значение тока короткого замыкания и упростить размыкание выключателя.

В 2010 году были доступны только автоматические выключатели постоянного и низкого напряжения, но интерес к разработке автоматических выключателей постоянного тока возродился.

В ноябре 2012 года компания ABB объявила, что ей удалось разработать гибридный выключатель постоянного тока высокого напряжения, способный отключать ток за 5 мс .

В 2013 году команды Alstom Grid объявили, что им удалось прервать ток 3 кА за 2,5 мс в Виллербанне . В начале 2014 года эти же команды заявили, что они построили прототип автоматического выключателя с напряжением отключения 160 кВ , отключив 5,2 кА за 5,5 мс и прошедший стандартные диэлектрические испытания автоматических выключателей.

Автоматические выключатели HVDC все еще находятся в стадии разработки. Их номинальное напряжение должно увеличиваться, чтобы эти автоматические выключатели действительно использовались в сети. Использование BiGT , двунаправленных полупроводников на основе IGBT, должно позволить увеличить прерываемый ток.

Строительство

Автоматические выключатели низкого напряжения

Файл: Сверхбыстрый автоматический выключатель постоянного тока Arc 2V 16kA.webm

Читать СМИ

В выключателях низкого напряжения постоянного тока используется технология, аналогичная технологии выключателей переменного тока, в том смысле, что контакты размыкаются, возникает дуга, а затем механизм позволяет гасить дугу. Однако, в то время как для автоматического выключателя переменного тока переход тока через нуль позволяет получить условия, при которых может возникнуть дуга, для автоматического выключателя постоянного тока должны использоваться другие стратегии. Напряжение на выводах дуги должно достигать значения напряжения системы, для этого необходимо увеличить сопротивление дуги. Для этого мы можем: удлинить дугу, охладить ее или разделить на несколько последовательных дуг.

В деталях, дуга возникает между двумя контактами, расположенными близко друг к другу. Устройство — катушка, постоянный магнит — создает магнитное поле, которое само создает силу Лапласа, которая заставляет ножки дуги перемещаться по контакту, который предназначен для ускорения удлинения дуги и большего, чем вызванный единственным механическим размыканием контакты. Следует отметить, что при достаточно высоком токе катушка не требуется. Если, наоборот, ток низкий, можно рассмотреть установку магнитопровода в центре катушки. Во всех случаях, если создаваемое поле слишком слабое, дуга не перемещается и не прерывается. В любом случае катушка должна быть запитана только при разомкнутом автоматическом выключателе. Через некоторое время дуга встречается с разделителями. Это разделит его на множество последовательных дуг. Сепараторы могут быть из проводящего или изоляционного материала, в обоих случаях они служат для охлаждения дуги. В первом случае мы говорим о холодном катоде для сепараторов.

Твердотельные выключатели постоянного тока средних напряжений

Твердотельные выключатели постоянного тока средних напряжений

Как удовлетворить большие потребности будущих силовых электрических судовых установок, радаров, вооружений, учитывая размеры и вес требуемых стандартных генераторов переменного тока и трансформаторов? Решением задачи видится применение систем — эффективные компактные твердотельные выключатели среднего напряжения (10-20 кВ) постоянного тока. Рассмотрим архитектуру устройства оглядкой на информацию «Diversified Technologies, Inc».

Первопричины внимания к твердотельным выключателям

Прибор класса 10 — 20 кВ видится технологичным прорывом в области цепей питания напряжением средней величины. Устройство обеспечивает чрезвычайно быструю блокировку повреждения, низкие токовые пики, гибкую программируемую координацию, механическую изоляцию. Это ключ надежной и безопасной эксплуатации электрических систем.

Распределение мощности по линиям СНПТ активно исследуется разработчиками энергосистем по нескольким причинам. Во-первых, военно-морские и гражданские суда приводятся в действие:

  • силовыми,
  • радиолокационными,
  • оружейными системами,

требующими питания постоянным напряжением. При этом совокупные габариты и вес всех рабочих стандартных генераторов переменного тока и трансформаторов явно ограничены.

Во-вторых, ожидается, что электропитание в перспективе обеспечат преобразователи энергии, способные интегрировать ряд альтернативных источников и систем хранения, включая:

  • энергию ветра;
  • солнечную энергию;
  • аккумуляторы и маховики, с диапазоном напряжений, частот и уровней мощности.

Каналы постоянного тока идеально подходят для такого рода интеграции, но эти каналы нельзя безопасно развернуть без эффективных твердотельных автоматических выключателей.

В конечном счёте, гибкость систем распределения электроэнергии постоянного тока обещает расширить возможности коммерческих и военно-морских энергетических систем.

Твердотельные автоматические выключатели рассматриваются ключевой технологией для распределения питания. Эти устройства способны блокировать систему при полной нагрузке в микросекундных временных масштабах. В результате токовая составляющая короткого замыкания лишь в несколько раз превышают номинальный параметр нагрузки.

Прежде использование питания постоянным напряжением отмечалось сложностями по причине отсутствия подходящих высоковольтных автоматических выключателей постоянного тока. Теперь требованиям электроустановок доступно соответствие, если использовать быстродействующие твердотельные высоковольтные выключатели.

Конструкция: твердотельный выключатель постоянного тока в сетях средних напряжений

Концептуальная конструкция прибора с двумя прерывателями: 1, 7 – прерыватели IGBT на 8 МВт (10 кВ); 2 – драйвер затвора IGBT; 3 – резервуар; 4 – деионизированный водяной насос; 5 – реечный привод; 6 – разъёмы шины

Твердотельные выключатели — высоковольтные переключатели

Высоковольтные твердотельные переключатели из серии разработок «Diversified Technologies, Inc» представляют собой последовательные массивы полупроводниковых устройств, работающих как один переключатель.

Концепция достаточно проста, но выполнение требует тщательной синхронизации элементов управления затвором и отведения паразитной энергии, чтобы обеспечивались надежная работа и продолжительный срок службы коммутатора.

Читайте так же:
Замена автоматического выключателя электрона

Такие массивы могут выстраиваться из нескольких типов полупроводниковых приборов. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) часто рассматривается предпочтительным выбором по причинам:

  • широкой коммерческой доступности;
  • механической прочности; ;
  • низкого энергопотребления для работы привода затвора.

Однако для практических применений с очень высокой мощностью (> 10 МВт), вместо транзистора желательно использовать тиристор с интегрированным затвором (IGCT — Integrated Gate Commutated Thyristor). Причины — низкие потери на проводимость.

На будущее эту же технологию высокого напряжения планируется использовать с устройствами на SiC (карборунд) или GaN (нитрид галлия) по мере доступности элементов.

Такое применение обеспечивает большее снижение потерь проводимости и более широкий диапазон рабочих температур, устраняя необходимость активного охлаждения.

Твердотельные выключатели: мгновенная блокировка неисправности

Полупроводниковое высоковольтное переключение обеспечивает существенный прогресс в работе выключателя, повышая надежность и безопасность энергетической системы.

Поскольку твердотельный коммутатор способен прерывать полный ток в микросекундных временных интервалах, локальная защита от неисправностей полностью обеспечена. Реализуется защита через систему управления непосредственно выключателя, без необходимости внешнего обнаружения неисправности.

Быстродействующие полупроводниковые твердотельные размыкающие выключатели представлены технологией, позволяющей распределять мощность постоянного тока, поскольку эти устройства прерывают ток без образования дуги.

Следовательно, не требуется изменение напряжения. Различия между твердотельным выключателем и механическим выключателем отмечаются сравнением соответствующих графиков времени / тока.

Горизонтальные асимптоты кривых обратного времени графиков наглядно показывают — механические переключатели не способны размыкаться менее чем за несколько миллисекунд. То есть ток при коротком замыкании возрастет до крайне высоких значений (10 кА для системы 10 кВ с общей индуктивностью системы 1 мГн).

Между тем повышение тока для полупроводникового твердотельного переключателя на эту же нагрузку составит всего 10А при времени размыкания 1 мкс. Малый ток короткого замыкания и быстрое время размыкания для твердотельного переключателя не позволят достичь разрушительных уровней энергии.

Разработка схем твердотельных выключателей

Упрощенная структурная схема твердотельного автоматического выключателя показана на картинке ниже. Твердотельный автоматический выключатель содержит последовательный ряд твердотельных компонентов, безопасно обрабатывающих напряжения шины постоянного тока.

Быстро скоординированное контроллером обратное время обеспечивает сигнал возбуждения затвора для переключения твердотельного выключателя, синхронное открывание / закрывание.

Быстродействующий контроллер обратного времени получает команды либо от других твердотельных автоматических выключателей сети, либо от быстродействующих датчиков обнаружения токов локальных повреждений.

Структурная схема твердотельного выключателя постоянного тока

Структурная схема: 1 – медленный коммутатор системы; 2 – быстродействующий контроллер обратного времени; 3, 4 – модули защиты; 5 – сенсор (датчик) тока; А – другие твердотельные выключатели; B – фаза линии; C – нейтраль линии; D – цепи системы; E – контроль тока; F – серия разрядников

Контроллер обратного времени обеспечивает управление временем обратного отключения для состояний максимального тока и быстрое мгновенное отключение при достижении предела максимального тока.

Эти рабочие параметры допустимо регулировать для каждого твердотельного выключателя, в зависимости от положения в сети, обеспечивая упорядоченную, последовательную реакцию на неисправные состояния.

Функции твердотельного прерывателя (выключателя)

Полупроводниковый твердотельный прерыватель обеспечивает основную функциональность всей сборки автоматического выключателя: быструю защиту от замыканий и надёжную изоляцию.

Полная сборка автоматического твердотельного выключателя также должна обеспечивать безопасное отключение прерывателя от электросети, когда требуется техническое обслуживание или сервис.

Выбранная концепция конструкции для прерывателя среднего напряжения постоянного тока представляет собой устройство нагрузки на основе IGBT компонента, который выдерживает ток до 800А при напряжении 10 кВ.

Используются последовательные комбинации силовых устройств управления напряжением шины СНПТ. Параллельные массивы этих сборок используются для удовлетворения общих требований к току нагрузки.

Предварительная схема твердотельного прерывателя (выключателя) цепи уровня нагрузки 8 МВт показана на картинке ниже. Твердотельный прерыватель содержит шесть элементов IGBT 4500В (CM900HB-66H), соединенных последовательно.

Прерыватель твердотельный мощностью 8 МВт имеет размеры ширины-высоты-глубины: 58х22х27 см и весит около 27 кг. Элементы IGBT установлены на алюминиевых плитах с водяным охлаждением, которые, в свою очередь, установлены на механически изолированной раме.

Твердотельный переключатель - концепция исполнения

Концепция на схему твердотельного прерывателя IGBT 10 кВ, 8 МВт (800 А). Элементы IGBT устанавливаются на охлаждаемые водой пластины. Неметаллические водяные линии между соседними пластинами рассчитаны выдерживать полное напряжение выключателя

Неметаллические водопроводы достаточно резистивные, чтобы ограничивать утечку тока по линиям. Поэтому требуется небольшая замкнутая система охлаждения и долговечный ионообменный картридж для поддержания удельного сопротивления охлаждающей воды.

Твердотельные выключатели + топология распределения тока

Как при традиционном распределении переменного тока, автоматический твердотельный выключатель постоянного тока допустимо использовать в простой системе радиального распределения. Электроэнергия подключается к центральной линии распределительного устройства, а затем распределяется по различным нагрузкам.

В схеме распределения постоянного тока каждая нагрузка изолируется от центральной шины диодами, так как твердотельные автоматические выключатели требуют однонаправленной проводимости.

Например, предполагается, что корабли ВМФ следующего поколения станут использовать комбинацию радиального и кольцевого распределения электрических шин. Порты и шины правого борта предполагают радиальное распределение.

Однако связь с носовой частью и кормой корабля предполагается осуществлять при помощи автоматических твердотельных выключателей. Исполнение твердотельных автоматических выключателей рассчитано на проводимость в обоих направлениях.

Заключительный штрих

Наличие высоковольтных выключателей обеспечивает возможность передачи распределения энергии корабельных систем на бортовые энергосистемы СНПТ. При этом отмечаются существенные преимущества.

Способность систем СНПТ прерывать мощность полной нагрузки в микросекундных временных интервалах обеспечивает явный прогресс в работе автоматического выключателя. Повышается надёжность и безопасность энергосистемы.

Технология также позволяет использовать высокочастотные высоковольтные импульсные преобразователи мощности, которые отличаются прочностью, эффективностью и компактностью.

При помощи информации: DivTecs

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector