Гибридный выключатель HVDC от ABB. Гибридная конструкция имеет незначительные потери проводимости, сохраняя при этом сверхбыструю возможность прерывания тока.
содержание
- Введение в HHVDC
- Как работает Hybrid HVDC Breaker? (ВИДЕО)
- Гибридная конструкция выключателя HVDC
- Упреждающий контроль
- Конструкция прототипа гибридного выключателя HVDC
- Сравнение / Резюме
Введение
Системы передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC) на основе преобразователя напряжения (VSC) позволяют строить сетку HVDC со многими терминалами.
По сравнению с высоковольтными сетями переменного тока (AC), потери активной мощности относительно низкие, а потери проводимости реактивной мощности равны нулю в сетке HVDC.
Это преимущество делает сетку HVDC более привлекательной.
Однако относительно низкий импеданс в сетях HVDC является проблемой, когда возникает ошибка короткого замыкания, поскольку проникновение ошибки происходит намного быстрее и глубже.
Следовательно, быстрые и надежные выключатели HVDC необходимы для изоляции неисправностей и предотвращения коллапса общего напряжения сети HVDC.
Кроме того, поддержание разумного уровня напряжения HVDC является предварительным условием нормальной работы преобразовательной станции. Чтобы минимизировать помехи в работе преобразователя, в частности, работу станций, не подключенных к неисправной линии или кабелю, необходимо устранить неисправность в течение нескольких миллисекунд.
Перейти к содержанию ↑
Как работает Hybrid HVDC Breaker? (ВИДЕО)
Не могу посмотреть это видео? Нажмите здесь, чтобы посмотреть его на Youtube.
Перейти к содержанию ↑
Гибридная конструкция выключателя HVDC
Гибридный выключатель HVDC состоит из дополнительной ветви, байпаса, образованного переключателем коммутации нагрузки на основе полупроводников последовательно с быстрым механическим разъединителем.
Основной полупроводниковый выключатель HVDC разделен на несколько секций с индивидуальными банками-разрядниками, рассчитанными на полное напряжение и возможность отключения тока, тогда как коммутатор коммутации нагрузки соответствует более низким напряжению и энергопотреблению.
После устранения неисправностей отключенный автоматический выключатель прерывает остаточный ток и изолирует неисправную линию от сетки HVDC для защиты защитных блоков гибридного выключателя HVDC от тепловой перегрузки.
Рисунок 1 - Основные компоненты гибридного HVDC-выключателя
Во время нормальной работы ток будет проходить только через байпас, а ток в главном выключателе равен нулю.
Когда возникает ошибка HVDC, коммутатор коммутации нагрузки немедленно коммутирует ток с главным выключателем HVDC, а быстрый разъединитель открывается. При механическом выключателе в открытом положении главный выключатель HVDC разрушает ток.
Механический выключатель изолирует переключатель коммутации нагрузки от первичного напряжения на главном выключателе HVDC во время размыкания.
Таким образом, требуемый номинальный ток коммутатора нагрузки значительно снижается.
Успешное переключение токового тока в основной канал прерывания HVDC требует наличия напряжения в коммутаторе коммутации нагрузки, превышающего напряжение на входе главного выключателя HVDC, которое обычно находится в диапазоне кВ для выключателя HVDC 320 кВ.
Этот результат при типичных напряжениях на входе коммутатора нагрузки находится в диапазоне только нескольких вольт.
Таким образом, передаточные потери гибридной концепции выключателя HVDC значительно уменьшаются до процента потерь, понесенных чистым полупроводниковым выключателем.
Механический выключатель открывается при нулевом токе с напряжением низкого напряжения и, таким образом, может быть реализован как разъединитель с облегченной контактной системой. Быстродействующий разъединитель будет подвергаться максимальному напряжению между полюсами, определяемому защитным уровнем блоков разрядников, после того, как он находится в открытом положении, пока главный выключатель HVDC открывается.
Приводы Thomson приводят к быстрому времени открывания и компактной конструкции разъединителя с использованием SF6 в качестве изолирующего материала.
Перейти к содержанию ↑
Упреждающий контроль
Упреждающее управление гибридным выключателем HVDC позволяет компенсировать временную задержку быстрого разъединителя, если время отключения разъединителя меньше времени, необходимого для избирательной защиты.
Рисунок 2 - Упреждающий контроль гибридного выключателя HVDC. LCS обозначает переключатель коммутации нагрузки
Как показано на рисунке 2, проактивная коммутация тока инициируется встроенной максимальной токовой защитой выключателя HVDC, как только ток линии HVDC превышает определенный уровень перегрузки по току. Основной прерыватель HVDC задерживает размыкание тока до тех пор, пока не будет принят сигнал отключения выбранной защиты, или неисправный линейный ток близок к максимальной мощности отключения основного выключателя HVDC.
Чтобы продлить время до того, как функция самозащиты главного выключателя HVDC отключит гибридный выключатель HVDC, главный выключатель HVDC может работать в режиме ограничения тока до момента его прерывания.
Главный выключатель HVDC контролирует падение напряжения в реакторе HVDC до нуля, чтобы предотвратить дальнейшее повышение тока линии.
Импульсный режим работы главного выключателя HVDC или секционирования основного выключателя HVDC, как показано на рисунке 2, позволит адаптировать напряжение на главном выключателе HVDC к мгновенному уровню напряжения HVDC сетки HVDC.
Максимальная длительность режима ограничения тока зависит от способности рассеивания энергии в банках-разрядниках.
Он-лайн наблюдение, обеспечивающее техническое обслуживание по требованию, достигается плановым переносом тока линии от байпаса в главный прерыватель тока HVDC во время нормальной работы без нарушения или прерывания передачи мощности в сетке HVDC.
Быстрая защита от резервного копирования, аналогичная чистым полупроводниковым выключателям, возможна для гибридных выключателей HVDC, применяемых к распределительным устройствам HVDC.
Благодаря проактивному режиму перегрузки по току в линии или превосходная защита коммутатора активируют передачу тока из байпаса в главный выключатель HVDC или возможные резервные выключатели перед сигналом отключения резервной защиты.
В случае отказа выключателя резервные выключатели активируются почти мгновенно, обычно в пределах менее 0, 2 мс. Это позволит избежать серьезных помех в сетке HVDC и сохранить требуемые возможности размыкания резервного выключателя при разумных значениях. Если они не используются для защиты от резервного копирования, гибридные выключатели HVDC автоматически возвращаются в нормальный режим работы после устранения неисправности.
Перейти к содержанию ↑
Конструкция прототипа гибридного выключателя HVDC
Гибридный выключатель HVDC предназначен для обеспечения возможности отключения тока 9, 0 кА в сетке HVDC с номинальным напряжением 320 кВ и номинальным током передачи HVDC 2 кА. Максимальная возможность отключения тока не зависит от номинального тока и зависит только от конструкции основного выключателя HVDC.
Быстродействующий разъединитель и главный выключатель HVDC предназначены для переключения напряжений, превышающих 1, 5 pu, в связи с быстрыми переходными процессами напряжения во время разрыва тока.
Рисунок 3 - Конструкция основного выключателя HVDC 80 кВ
Основной выключатель HVDC состоит из нескольких высоковольтных выключателей с индивидуальными банками-разрядниками, ограничивающих максимальное напряжение на каждой ячейке до определенного уровня во время разрыва тока. Каждая ячейка выключателя HVDC содержит четыре стека выключателя HVDC, как показано на рисунке 3.
Для разрыва тока в обоих направлениях требуется два стека.
Каждый стек состоит из 20- разрядных транзисторов IGBT (изолированного затвора биполярного транзистора) HVDC.
Из-за большого напряжения di / dt при разрыве тока требуется механическая конструкция с малой индуктивностью.
Применение IGBT-панелей с напряжением 4, 5 кВ (6) обеспечивает компактную конструкцию корпуса и обеспечивает стабильный режим отказа короткого замыкания в случае отказа отдельных компонентов. Индивидуальные демпферы RCD в каждой позиции IGBT обеспечивают равное распределение напряжения при разрыве тока.
Блоки питания с оптическим приводом обеспечивают работу выключателя IGBT HVDC независимо от условий тока и напряжения в сетке HVDC. Для ячеек IGBT не требуется система охлаждения, так как в процессе нормальной работы основные выключатели HVDC не подвергаются воздействию тока линии.
Для конструкции вспомогательного выключателя HVDC одно положение выключателя IGBT HVDC для каждого направления тока достаточно для выполнения требований номинала напряжения.
Параллельное подключение модулей IGBT увеличивает номинальный ток гибридного выключателя HVDC. Серия подключенных избыточных позиций IGBT HVDC повышает надежность вспомогательного выключателя HVDC.
Для данного проекта выбрана матрица 3 × 3 позиций IGBT для каждого направления тока. Поскольку вспомогательный прерыватель HVDC постоянно подвергается воздействию тока линии, требуется система охлаждения.
Помимо водяного охлаждения можно применять воздушное принудительное охлаждение из-за относительно низких потерь только в диапазоне нескольких десятков кВт.
Перейти к содержанию ↑
сравнение
Существующие механические выключатели HVDC способны прерывать токи HVDC в течение нескольких десятков миллисекунд, но это слишком медленно для удовлетворения требований надежной сети HVDC.
Излучатели HVDC на основе полупроводников могут легко преодолевать ограничения рабочей скорости, но создавать большие потери при передаче, как правило, в диапазоне 30 процентов потерь преобразователя напряжения.
Чтобы преодолеть эти препятствия, ABB разработала гибридный выключатель HVDC, описанный выше.
Гибридная конструкция имеет незначительные потери на проводимость, сохраняя при этом сверхбыструю возможность прерывания тока.
Перейти к содержанию ↑
Ресурс: ABB Grid Systems, Технический документ Nov'2012: Гибридный выключатель HVDC - инновационный прорыв, обеспечивающий надежные сети HVDC