Ренессанс постоянного тока: как HVDC спасли переменный ток

В мире, казалось бы, победившего переменного тока назревает — нет, не революция, но органичная эволюция: постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя. Инвестиции в возобновляемые источники энергии и трансграничная передача электричества сделали высоковольтные сети постоянного тока как никогда актуальными. В этом посте мы рассказываем, почему постоянный ток уступил току переменному и как спустя век после «Войны токов» постоянный ток взял реванш.

Источник: Shutterstock

Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.

Помимо всего этого, есть еще одна область, где постоянный ток если не незаменим, то по крайней мере значительно эффективнее переменнее тока, — высоковольтные линии для передачи высокой мощности. Линии постоянного тока (HVDC, High-voltage direct current) еще век назад стали спасением высоковольтных линий переменного тока (HVAC, High-voltage alternating current). Если бы не постоянный ток, электричество в наших розетках было бы куда дороже и исчезало чаще, чем это происходит сейчас. Давайте разберемся в этой интересной истории «взаимовыручки».

Ирония судьбы постоянного тока

Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.

После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.

Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.

Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.

К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.

Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.

Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.

Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.

Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.

Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.

У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.

«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2022 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.

Проверка кабельных линий на невозгорание

Как отмечалось в циркуляре № Ц-02−98(Э) РАО «ЕЭС России», результатом длительного протекания тока короткого замыкания по кабелям при отключении присоединений действием резервных защит становились пожары в кабельных хозяйствах электростанций. Из-за нагрева токопроводящих жил кабелей до температур, при которых происходили разрывы оболочек и разрушения концевых заделок, происходило возгорание кабелей. Чтобы этого не случилось, температура токопроводящих жил не должна превышать максимально допустимую температуру, зависящую от типа кабеля. Поэтому необходим расчет процесса нагрева кабеля при протекании тока КЗ, что позднее было отражено в ГОСТ Р 52736−2007.

Для определения температуры используется выражение зависимости температуры жилы непосредственно после КЗ от температуры жилы до КЗ, режима КЗ, конструктивных и теплофизических параметров жилы:

— температура жилы в конце КЗ, °С; ΘH — температуры жилы до КЗ,°С; α — величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0 °C, равная 228 °C.

где В — постоянная, характеризующая тепло физические характеристики материала жилы, равная для алюминия 45,65 мм4/(кА2*с), а для меди 19,58 мм4/(кА2*с); S — площадь поперечного сечения жилы, мм2.

— интеграл Джоуля (тепловой импульс) от тока КЗ, кА2-с;

Значение начальной температуры жилы до КЗ может быть определено по формуле:

где ΘО — фактическая температура окружающей среды во время КЗ, °С;

ΘДД- значение расчетной длительной допустимой температуры жилы, °С, которая определяется типом изоляции и классом напряжения. Оно задается для каждой марки кабеля в справочнике программы — например, для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 1 кВ — 80 °C, 6 кВ — 65 °C, 10 кВ — 60 °C, для кабелей с пластмассовой изоляцией — 70 °C, для кабелей с изоляцией из вулканизированного полиэтилена — 90 °C и т.д.ΘОКР — значение расчетной температуры окружающей среды, °С; Iраб — значение тока в установившемся режиме перед КЗ, А; IДД — значение расчетного длительно допустимого тока из справочника программы для соответствующего типа кабеля, А.

Программный комплекс EnergyCS Электрика использует приведенный выше алгоритм, рассчитывая интеграл Джоуля итерационным путем, где на каждой итерации заново определяются параметры элементов и режима схемы.

Примеры работы алгоритмов проверки оборудования представлены на рис. 5 и 6.

Основные этапы работы с ПК EnergyCS Электрика:

• создание расчетной модели распределительной сети (используется как ручной ввод, так и автоматизированный импорт из других БД);
• выбор рациональной конфигурации сети;
• определение наиболее критичных режимов работы;
• анализ оборудования на предмет его соответствия рассматриваемым режимам — с использованием специального инструмента, встроенного в ПК;
• принятие решения о замене оборудования или конфигурации сети на основании полученных данных;
• формирование выходной документации.

Анализ оборудования на предмет его соответствия режимам производится с использованием специального инструмента проверки, который выделит цветом и специальными знаками то оборудование, параметры которого не соответствуют выбранным режимам (рис. 5). Решение о замене оборудования или изменении конфигурации сети проектировщик принимает самостоятельно. Таким образом, он освобождается от рутины, связанной с многократными расчетами, при этом принятие инженерных решений осуществляется в результате анализа схемы — всестороннего и с «открытыми глазами».

Помимо цветового и символьного выделения результатов проверки обору дования имеется возможность вывести сводную таблицу проверки (рис. 7).

Формирование выходной документации производится в AutoCAD и Microsoft Office Word с использованием шаблонов (рис. 8).

Постоянный ток спасает переменный

Всего через несколько лет после начала масштабного строительства электростанций и сетей переменного тока выяснилось, что переменный ток имеет проблемы при передаче энергии… на большие расстояния! Коронный разряд в высоковольтных воздушных линиях, на который может приходиться до половины потерь, поверхностный эффект, при котором переменный ток протекает по проводнику неравномерно и из-за этого требует проводники бо́льшего диаметра, реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.

Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.

Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.

Вырисовывалась замечательная синергия: электростанции и потребители используют переменный ток, но для его транспортировки на сотни километров применяются сети постоянного тока. Оставалась лишь одна «пустяковая» проблема — как превратить переменный ток в постоянный и обратно?

В конце XIX века швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать для соединения сетей с разным типом тока систему «мотор-генератор», в которой на одном конце сети переменный ток вращал мотор, приводящий в действие генератор постоянного тока, а на другом конце постоянный ток в свою очередь вращал мотор с генератором переменного тока. Идея, гениальная в своей простоте, но с невысоким КПД — двойное преобразование за счет моторов и генераторов «съедало» часть мощности. Тем не менее, других решений, кроме системы Тюри, не было, поэтому с 1883 года началось строительство магистральных сетей постоянного тока с машинами Тюри, связывающих крупные электростанции и города в Европе.

В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.

Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.

Ртутные выпрямители дали толчок к развитию высоковольтных сетей постоянного тока — вместо громоздких и ненадежных машин системы Тюри достаточно было установить выпрямители, в числе недостатков которых была только потенциальная токсичность при разгерметизации и необходимость в хорошем охлаждении из-за тепловых потерь. КПД устройства достигал 98-99%.

На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.

Выбор уставок защит

Аппараты защиты сети постоянного тока от коротких замыканий должны отвечать следующим требованиям:

• номинальное напряжение аппарата должно быть не ниже номинального напряжения сети;
• аппарат защиты должен быть отстроен от излишних срабатываний при допустимых для сети и токоприемников режимах (пуск, самозапуск, перегрузка и т.п.);
• кратность тока короткого замыкания в конце защищаемого аппаратом участка сети по отношению к номинальному току или уставке срабатывания аппарата (чувствительность) должна быть не менее нормируемого значения;
• по возможности должна обеспечиваться селективность действия последовательно установленных аппаратов при наименьшем времени отключения места повреждения;
• аппарат защиты должен обладать достаточной отключающей способностью, электродинамической и термической стойкостью к действию токов короткого замыкания.

В некоторых случаях выполнение всех перечисленных требований невозможно. Тогда приходится допустить отступления от требований селективности и быстродействия или увеличить сечение проводников.

Для проверки и соблюдения этих требований в программном комплексе EnergyCS Электрика реализован специальный модуль, позволяющий наглядно (в графической форме) представить вре-мя-токовые характеристики выбранных защитных аппаратов и соотнести их с расчетными токами как рабочих режимов, так и режимов КЗ. Также в программе имеется интеллектуальный алгоритм автоматической проверки селективности и выбора оборудования по различным условиям, одним из которых является проверка кабельных линий на невозгорание.

Когда каждый процент на счету

Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.

Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.

На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.

Введение

Проектирование распределительных сетей постоянного и переменного тока предполагает решение ряда взаимосвязанных задач, которые в случае сложных промышленных объектов могут выполняться разными группами специалистов. Для системы электроснабжения процесс проектирования состоит из следующих этапов:

1. Определение электрических нагрузок с учетом режимов работы и пространственного размещения потребителей электрической энергии. На этом этапе выполняется предварительная разработка структуры сети, оценивается необходимое число источников питания и трансформаторов, осуществляется предварительное распределение потребителей по уровням, определяется предварительный состав электротехнического оборудования сети.
2. Разработка конфигурации схемы распределительной сети. Этап включает решение задач, связанных:
   с определением расчетных нагрузок элементов;
3. с потерями напряжения в нормальных режимах, при пусках и самозапусках, а также с уровнями максимальных токов короткого замыкания (КЗ) для проверки стойкости оборудования;
4. с уровнями минимальных токов КЗ для проверки чувствительности защитных аппаратов.

Кроме того, осуществляется выбор основного оборудования по номинальным токам, по стойкости токам КЗ, по потерям напряжения. Таким образом, решается комплекс вопросов, касающихся функционального аспекта сети, а также предварительного размещения распределительных устройств в пространстве зданий и сооружений.

5. Выбор основного оборудования сети с учетом его конструктивного исполнения конкретным заводом-изгото-вителем. На этом этапе осуществляется выбор блоков управления и шкафов распределительных устройств с учетом задач, сформулированных при проектировании основного технологического процесса и в соответствии с принятой схемой распределительной сети. Случается, что проектная организация лишь готовит задание заводу-изготовителю, специалисты которого и решают данную задачу в полном объеме. При выборе стандартных блоков может оказаться, что решения, принятые на предыдущем этапе, реализовать невозможно. В этом случае понадобятся уточнения конфигурации схем и, соответственно, повторные расчеты.
6. Размещение основного оборудования в пространстве помещений и определение кабельных трасс. Этот этап может выполняться параллельно с перечисленными выше в составе задачи размещения технологического оборудования. Кабельные трассы намечаются на ранних стадиях проектирования. При размещении технологического оборудования также предусматривается место для распределительных устройств и устройств управления. Вопросы окончательного размещения электротехнического оборудования решаются после размещения технологического оборудования и выбора состава распределительных устройств.
7. Раскладка кабелей по трассам. При проектировании энергетических объектов раскладка силовых, контрольных кабелей и кабелей связи по трассам производится, как правило, за одну операцию после окончательного выбора и размещения технологического и электротехнического оборудования, выполнения проекта АСУТП, систем пожарной безопасности, системы охранной сигнализации, системы часофикации и т.п.
8. Формирование заказных спецификаций на электрическое оборудование и кабели. Как правило, этот этап должен выполняться по завершении выбора оборудования и кабельной раскладки, однако в современных условиях для сокращения общих сроков сооружения сложных промышленных объектов и обеспечения заказа оборудования заказные спецификации приходится выпускать на ранних стадиях проектирования, а затем многократно их уточнять.

II. Новая защита от сверхтоков

А.Пироэлектрический выключатель

, ранее называвшаяся «FerrazShawmut», в 80-х разрабатывала пиротехнические устройства с номинальным значением напряжения 1 кВ — 24 кВ переменного/постоянного тока и тока 2 кА — 10 кА. Такие пиротехнические устройства (6) были выбраны и все еще продаются в сферах применения постоянного/переменного тока, включая помимо прочего аэродинамические трубы, понижающие преобразователи частоты переменного напряжения и распределение высокого напряжения. Маломощные пиротехнические защитные устройства приобрели популярность в начале 1990 годов в автомобильной промышленности, когда в эксплуатацию вошли первые аварийные предохранительные подушки в рулевых колесах европейских средств передвижения. Пироэлектрический выключатель — это электрический размыкатель, но при его использовании в отличие от предохранителя время достижения полного размыкания цепи не будет зависеть от магнитуды сверхтоков. Как правило, в пироэлектрическом выключателе используется миниатюрное режущее устройство, работающее от пиротехнического заряда, обеспечивающего мощность, необходимую для разрезания металлического проводника (шины), как показано на рисунке 2. Это способствует очень простому, а значит, чрезвычайно надежному поведению (7-9). Пироэлектрический выключатель никак не воздействует на электрическую систему перед срабатыванием, так как он расположен над шиной. После срабатывания он разрезает шину и разделяет/изолирует два проводника. Это занимает меньше одной миллисекунды. На рисунке 2 представлен вид в разрезе пироэлектрического выключателя, изобретенного (10). Медный стержень изображен оранжевым цветом, пусковое устройство —желтым и ножевое устройство — синим.

Рисунок 2: Вид пироэлектрического выключателя в разрезе

Одиночный пироэлектрический выключатель предназначен для работы со среднемощными устройствами (электрическое устройство) при силе тока в 400 А и напряжении в 50 В. Любое увеличение токового диапазона требует увеличения сечения шины, и таким образом, увеличения энергии при зажигании, необходимом для разъединения. Аналогичным образом, любое увеличение напряжения требует большего расстояния между проводниками после разрезания шины, и, значит, более сложного и крупного в размере устройства.

Несмотря на то, что пироэлектрический выключатель имеет преимущество более быстрого срабатывания, чем строго механический аппарат, и является менее дорогим, чем просто электрические выключатели в сферах применения с высокой нагрузкой, такое устройство имеет несколько недостатков. Самый заметный среди них — риск возникновения вредоносной электрической дуги при разрывании индуктивной цепи. Простое объяснение этому: то, что цепь с индуктивным током трудно поддается изменениям. Такое сопротивление способствует образованию вредоносной дуги между двумя ранее соединенными проводниками в момент разъединения. В отличие от типа «мягкой» дуги, которая образуется в любое время при разъединении цепи без индуктивного сопротивления (то есть емкостной цепи), дугу под воздействием индуктивного сопротивления очень сложно погасить. Так как причины таких недостатков не являются очевидными, сбои в пироэлектрических прерывателях цепи при высокой нагрузке могут происходить вследствие их неспособности быстро отключать ионизацию между частями электродов.

Одиночный пироэлектрический выключатель был предварительно протестирован с целью выявить ограничения способности защиты системы постоянного тока. Первое испытание проводилось при 200 В, 250 А с очень низким L/R 200 мкс. На рисунке 3 изображен пироэлектрический выключатель после испытания под нагрузкой. Устройство разорвало цепь, но на медном стержне появилось темное пятно вследствие сопротивления. Разрывное напряжение после испытания было также аномально низким (диэлектрическое испытание = 500 В). Также было проведено другое испытание при более низком напряжении 150 В, и разрывное напряжение после зажигания было таким, как и предполагалось (то есть ˃5 кВ). То есть 150 В — это предел для данного пироэлектрического выключателя.

Рисунок 3: Пироэлектрический выключатель после испытания под нагрузкой (200 В-250 А- L/R =200 мкс)

Вот один из объектов, описанных в данном документе, обеспечивающих высокую скорость, это высоковольтное гибридное устройство защиты от сверхтоков, способное минимизировать возникновение токов КЗ в системе.

B. Гибридное решение: пироэлектрический предохранитель

В данном разделе представлено новое гибридное решение защиты от сверхтоков, которое представляет собой параллельную электрическую конфигурацию элемента пироэлектрического выключателя и элемента предохранителя. На рисунке 4 изображены пироэлектрический выключатель (серый) и предохранитель (белый). Параллельная конфигурация означает то, что проектировщик может выбрать наилучшие компоненты из каждого типа. Фактически, предохранитель и пироэлектрический выключатель взаимодействуют между собой. В данном разделе представлены этапы их поведения.

Рисунок 4: Новое гибридное решение защиты от сверхтоков, состоящее из пироэлектрического выключателя и предохранителя, работающих параллельно

На рисунке 5 представлена электрическая схема пироэлектрического предохранителя. На ней изображены предохранитель F1, пироэлектрический выключатель P1 и электронная срабатывающая система. В период эксплуатации все устройство замкнуто, и течет номинальный ток. Сопротивление P1 (медный стержень) ниже, чем сопротивление F1. Например, сопротивление пироэлектрического выключателя 400 А во включенном состоянии около 200 мкОм, а сопротивление предохранителя около 1-2 мОм. Таким образом, большая часть номинального тока (80 — 90 %) протекает через P1. Характеристики цикличности и срок эксплуатации повышены в сравнении с простым предохранителем. Более того, при очень низком сопротивлении всей системы (~200 мкОм) потери во включенном состоянии значительно ниже. Предохранитель F1 может характеризоваться низким калибром номинального тока (10 — 20% от I ном), а, следовательно, и низкой стоимостью.

Рисунок 5: Электрическая схема пироэлектрического предохранителя

Давайте сосредоточимся на разрыве цепи. Когда ток аномально увеличивается из-за сбоя в определенной сфере применения постоянного тока, датчик (эффект Холла или шунт) определяет ток КЗ и отправляет срабатывающий сигнал на P1 с помощью щита управления. Как указывалось ранее, системы пироэлектрических выключателей претерпевают риск образования вредоносной дуги при разрыве цепи высоковольтной нагрузкой. Но в этом случае предохранитель F1 расположен параллельно и все еще замкнут. Таким образом, P1 разрезает медный стержень без какого-либо напряжения и ток КЗ течет через F1. Так как у этого предохранителя заниженные номинальные характеристики, он размыкает цепь за очень короткое время (менее 300 мс). Подведем итог, предохранитель рассчитан на номинальное напряжение и имеет заниженные номинальные характеристики тока. Такая новая защита делает возможным разрыв цепи при высоком напряжении (до 1 500 В) и сильном токе (400 — 800 А).

Что это такое

Аббревиатура расшифруется как линии электропередач. Эта установка необходима для передачи электрической энергии по кабелям, находящимся на открытой местности (воздухе) и установленными при помощи изоляторов и арматуры к стойкам или опорам. За точку начала и конца линий электропередач принимают линейные входы или линейные выходы РУ, а для ветвления — специальная опора и линейный вход.

Опоры можно разделить на:

Линии электропередач можно условно разделить на воздушные и подземные. Последние все больше набирают популярность из-за удобства прокладки, высокой надежности и снижения потерь напряжения.

Обратите внимание! Эти линии различаются методом прокладки, особенностью конструкции. В каждой есть свои плюсы и минусы.

При работе с ЛЭП необходимо соблюдать все правила безопасности, потому что во время монтажа можно получить не только травмы, но и погибнуть.

III. Функциональные характеристики

В данной главе представлены функциональные характеристики новых приборов защиты от сверхтоков. В ней описаны характеристики во включенном состоянии (потери, температура) и поведение во время размыкания.

А. Нахождение под нормальной токовой нагрузкой

Для того, чтобы определить характеристики во включенном состоянии, система была протестирована при номинальном значении тока 400 А. Потери при номинальном значении тока 400 А составили между 20 Вт и 30 Вт при 25 °С. Данные значения были сымитированы с помощью параллельной системы, состоящей из предохранителя с сопротивлением 1 мОм и пироэлектрического выключателя с сопротивлением 200 мкОм. Эти расчеты сопротивления соответствуют расчетам в предыдущем разделе и подтверждены нашими измерениями.

Систему поместили в печь, чтобы проконтролировать внешнюю температуру, соединив концевыми соединителями с площадью сечения 240 мм 2 (соответствует стандарту). Поскольку сопротивление очень низкое, рост температуры ограничен. На рисунке 6 изображена имитация роста температуры для Iном 400 А в ноже пироэлектрического выключателя, который является наиболее горячим местом в системе.

Рисунок 6: Имитация ножа в пироэлектрическом выключателе с I ном 400 А при 25 °C

В таблице 1 представлены результаты роста температуры, полученные в процессе имитации и испытаний. Значения температур системы одинаковые при 25 °C и немного разные для 60 °C и 90 °С. Причиной может быть фактический поток воздуха в печи в зависимости от условия коэффициента конвективной теплоотдачи в наших процессах имитации. Тем не менее, система имеет интересные функциональные характеристики в небольшими потерями во включенном состоянии.

Температура окружающей среды	Температура системы (имитация)	Температура системы (испытания)
25 °C	53 °C	55 °C
60 °C	87 °C	70 °C
90 °C	116 °C	99 °C

Таблица 1: Значения температур системы при 400 А (испытания и имитация) в зависимости от внешней температуры

B. Защита от токов КЗ

имеет испытательный центр, который проводит низковольтные и высоковольтные электрические испытания: включение на короткое замыкание и устранение коротких замыканий, сопротивление току в переходном процессе и срабатывание при высоком значении тока в условиях роста. Все эти испытания могут проводиться как в цепи постоянного, так и переменного тока. Лаборатория высокомощных испытаний имеет 3 различные испытательные ячейки для всех требуемых уровней напряжения, тока и питания:

Испытательная ячейка 3 МВА: Напряжение регулируется до 800 В при значении тока короткого замыкания до 8 000 А (среднеквадратичное значение).

Испытательная ячейка 20 МВА: Напряжение регулируется между 50 и 1 000 В при значении тока короткого замыкания до 35 000 А (среднеквадратичное значение).

Испытательная ячейка 400 МВА: Ток дает турбогенератор, работающий от синхронного преобразователя 1 300 кВА. Напряжение регулируется от 100 В до 45 кВ при максимальном значении тока короткого замыкания 305 кА (среднеквадратичное значение).

В наших испытаниях при 500 — 1 000 В постоянного тока и значении тока КЗ 1 000 — 7 000 А использовалась испытательная ячейка 20 МВА. Для срабатывания пироэлектрического выключателя была создана специальная испытательная плата. Эта плата состояла из конденсаторов, которые давали заряд 8 А, и пускового устройства при команде открытия. При таком уровне тока пироэлектрический выключатель разрезал медный стержень за 300 мкс. На рисунке 7 изображены кривые тока и напряжения во время разрезания для тока КЗ 7 000 А при 1 000 В постоянного тока. Общее время отключения КЗ — 1,5 мс. В процессе размыкания можно наблюдать перенапряжение вследствие дуги в параллельном предохранителе. Такой выброс напряжения можно снизить, заменив предохранитель другим предохранителем с другим элементом (11). В данном испытании параллельный предохранитель имел диапазон 63 А, таким образом, минимальный ток КЗ, который система могла отключить за 50 мс, был 400 А. Общее время отключения КЗ состояло из трех этапов, как описано в (1):

Общее время отключения КЗ = пирозапал + плавление плавкой вставки в предохранителе + образование дуги в предохранителе (1)

Рисунок 7: Кривые тока и напряжения для тока КЗ 7 000 А при 1 000 В постоянного тока

Как видно, общее время отключения КЗ можно рассчитать посредством сложения значений времени пирозапала (независимо от тока КЗ, но в зависимости от тока запала), времени плавления плавкой вставки предохранителя и времени образования дуги (зависит от тока КЗ). На рисунке 8 представлено общее время отключения КЗ в зависимости от среднеквадратичного значения тока и чрезмерной нагрузки, которую система может выдержать. Время отключения КЗ для пироэлектрического предохранителя выборочно, потому что оно почти не зависит от тока КЗ. На самом деле, при значении тока 400 А — 600 А устройство защищает область применения за менее чем 50 мс, а при значении тока выше 600 А — в пределах 3 мс. Более того, пироэлектрический предохранитель выдерживает чрезмерную нагрузку без ухудшения состояния (кривая АА’). Например, чрезмерная нагрузка 7 000 А может протекать через устройство в течение 100 мс. Такие характеристики делают пироэлектрический предохранитель облагаемым пошлиной продуктом с возможностью настройки кривой «время — ток», что нехарактерно для традиционного предохранителя.

В следующем разделе представлены все за и против пироэлектрического предохранителя в сравнении с традиционными предохранителями.

C. Сравнение между пироэлектрическими и традиционными предохранителями

Ввиду того, что сферы применения переменного тока продолжают расти умеренными шагами, столкнулась с быстро растущим спросом на устройства защиты постоянного тока (12), имея дело с быстро развивающимися рынками, такими как электромобили/гибридные электромобили, сохранение энергии с использованием батарей, дата-центр, фотоэлектрические установки, электрическая тяга или воздушные суда c электрифицированным оборудованием. Чтобы ответить на спрос, разработала полный диапазон устройств защиты от сверхтоков. Среди них можно найти предохранители и пироэлектрические предохранители. В данной главе представлено сравнение между двумя данными технологиями.

Рисунок 8: Общее время прерывания цепи и ток чрезмерной нагрузки

Сначала давайте сконцентрируемся на преимуществах данного решения. Сегодня предохранители постоянного тока — это ультрабыстродействующие предохранители, предназначенные для сильного тока КЗ с экономичной и проверенной технологией. Пироэлектрический предохранитель — это быстродействующая защита с экономичной технологией. Потери на диэлектрическую проводимость почти равны нулю, и система работает как для слабых, так и сильных токов КЗ (в максимальной конфигурации). В таблице 2 представлены функциональные характеристики различных технологий. Оба продукта не годятся для вторичного использования, так как они используются в качестве максимальной защиты. При использовании пироэлектрического предохранителя время отключения КЗ не зависит от тока, и кривая «время-ток» может полностью регулироваться, что не характерно для традиционного предохранителя. Новое решение имеет отличные показатели цикличности с низкими потерями на диэлектрическую проводимость.

Характеристика	Предохранитель постоянного тока	Пироэлектрический выключатель + предохранитель
Возможность вторичного использования	Нет	Нет
Время отключения сильного тока КЗ	Отлично, 10 мкс	Хорошо, 1 мс
Время отключения слабого тока КЗ	Медленное плавление	Отлично
Показатели цикличности	Ограниченно	Отлично
Потери на диэлектрическую проводимость	80 Вт (400 А)	20 Вт (400 А)
Настройка кривой «время-ток»	Ограничено	Да
Автономный источник энергии	Да	Возможно
Средняя рыночная цена	Низкая	Низкая

Таблица 2: Сравнительные показатели пироэлектрического и традиционного предохранителей

Новое устройство защиты от сверхтоков имеет много преимуществ, но главная проблема — это электронное управление. На самом деле, данное решение не имеет автономного источника энергии, как предохранитель, поэтому для него необходимо добавить датчик тока и электронную систему. В некоторых сферах применения невозможно установить такую электронную систему в требуемом объеме. По этим причинам был разработан самосрабатывающий пироэлектрический предохранитель. В следующей главе будут представлены принцип и характеристика максимальной защиты.