4 Полупроводниковые аппараты высокого напряжения

4.1 Общая характеристика полупроводниковых аппаратов высокого напряжения

Полупроводниковые аппараты высокого напряжения по принципу действия и основным характеристикам не отличаются от рассмотренных в гл. 3 аппаратов низкого напряжения. Это вытекает из того, что и в тех и в других аппаратах основными элементами, определяющими свойства аппарата, являются СПП. Однако практическая реализация аппаратов высокого напряжения связана с решением комплекса сложных задач, обусловленных прежде всего групповым (последовательным и параллельным) соединением большого числа полупроводниковых приборов.

Главные из этих задач можно сформулировать на основе анализа режимов работы силового блока аппарата.

На рисунке 4.1 показан силовой блок аппарата переменного тока в однополюсном исполнении. В каждом направлении тока тиристоры соединены последовательно и параллельно в количестве, обеспечивающем расчетные параметры соответственно по напряжению и току проектируемого аппарата. С учетом ограниченной мощности единичных приборов общее их число в блоке может достигать нескольких десятков.

Очевидно, что главная цепь аппарата в этом случае будет содержать множество жестких контактных соединений. Необходимо, следовательно, принимать специальные меры, позволяющие обеспечить низкие переходные сопротивления контактов и высокий уровень их надежности.

Рисунок 4.1 ─ Электрическая схема высоковольтного

тиристорного блока с элементами защиты от перенапряжений

Другие задачи связаны непосредственно с характеристиками СПП, и в частности, с характеристиками тиристоров. Являясь быстродействующими ключевыми элементами, тиристоры не обладают идеальными для применения в аппаратах свойствами: и в состоянии высокой проводимости, и в закрытом состоянии в них происходит выделение относительно большого количества теплоты. В среднем на каждые 100 А тока в прямом направлении потери мощности в тиристорах при полном угле проводимости ( =180°) составляют около 200 Вт. Следовательно, в тиристоре при среднем токе 1000 А мощность потерь только в открытом состоянии равна 2 кВт. Существенными являются также потери, обусловленные протеканием токов утечки, если приборы работают при напряжениях, близких к предельно допустимым.

При большом числе тиристоров в силовом блоке рассеивание выделяемой мощности потерь может быть осуществлено только при использовании специальной системы охлаждения. Как правило, каждый тиристор снабжается индивидуальным типовым охладителем с развитой поверхностью для систем принудительного воздушного охлаждения или с полой внутренностью для систем водяного охлаждения. В любом случае создание системы охлаждения требует сложных технических решений, увеличивает массу и габариты силового блока.

По сравнению с аппаратами низкого напряжения тиристорные аппараты высокого напряжения имеют более сложную систему управления. Это объясняется не только увеличением числа СПП в силовых блоках. Более жесткими являются требования к параметрам формируемых системой управления управляющих импульсов. Здесь отметим, что при создании системы управления должны быть решены вопросы, связанные с распределением управляющих импульсов по тиристорам, синхронизацией их с кривой тока или напряжения, обеспечением надежной электрической изоляции между силовой цепью, находящейся под высоким напряжением, и управляющими цепями.

Сложные проблемы возникают также из-за неидентичности характеристик, соединяемых в группы диодов или тиристоров. Часть из них, относящаяся к параллельной работе СПП, рассмотрена в предыдущей главе. При последовательном соединении разброс характеристик СПП по быстродействию при включении и выключении, а также различия по токам утечек в непроводящем состоянии могут вызвать неравномерное распределение напряжения по приборам. Чтобы при таких условиях аппарат был способен выполнять надежно свои функции, необходимо либо увеличивать число последовательно соединенных приборов, либо какими-то средствами устранить неравномерность распределения по ним напряжения.

Первый вариант, как правило, не практикуется из-за существенного увеличения затрат и затруднений технического характера. Каждый дополнительный прибор в силовом блоке ─ это конструктивные изменения в самом блоке, в системах охлаждения и управления, дополнительные потери электрической энергии.

Поэтому более целесообразным является второй вариант, хотя он требует и усложнения конструкции блока, и определенных дополнительных затрат. В частности, широкое применение для уменьшения разброса напряжений по приборам находят RС-цепи, подсоединяемые параллельно к каждому тиристору (рисунок 4.1). В статических режимах работы аппарата (f = 50 Гц) напряжение достаточно равномерно распределяется при шунтировании приборов высокоомными резисторами.

Параметры элементов RС-цепей и шунтирующих резисторов зависят от многих факторов и в каждом конкретном случае находятся на основе оптимизации, учитывающей свойства используемых СПП, характер коммутируемой цепи, допустимый уровень перенапряжений, скорость нарастания восстанавливающегося напряжения и др.

Рассмотренные технические сложности не являются сдерживающим фактором для создания полупроводниковых аппаратов на напряжение вплоть до 110 кВ. Но уже при напряжении 10 кВ и номинальном токе, при котором необходимо соединять параллельно более двух приборов, выполнение таких аппаратов требует больших затрат. Поэтому в настоящее время экономически оправданным является создание полупроводниковых аппаратов на напряжение 6 и 10 кВ и комбинированных контактно-полупроводниковых аппаратов на напряжение до 35 кВ. Так как и при таких напряжениях стоимость и массогабаритные показатели остаются высокими, полупроводниковые аппараты следует рассматривать как аппараты специального назначения. Они должны использоваться в тех случаях, когда другие аппараты оказываются неспособными удовлетворить требованиям по быстродействию, коммутационному ресурсу, надежности работы при большой частоте повторения операций. Эффективным является также их использование в различного рода исследовательских и испытательных стендах для высоковольтного оборудования, в том числе и в стендах для испытаний коммутационных аппаратов. Здесь высокое быстродействие и частота повторения операций полупроводниковых аппаратов обеспечивают возможность кратковременного подключения испытуемых образцов к источнику питания, точное синхронное включение в заданную фазу напряжения или тока, регулирование средних значений тока и напряжения. В результате могут быть уменьшены в несколько раз затраты времени и энергии на испытания и, следовательно, стоимость самих испытаний.

Упрощенная структурная схема полупроводникового аппарата высокого напряжения в трехполюсном исполнении показана на рисунке 4.2. По аналогии с аппаратами низкого напряжения на нем можно выделить главную (силовую) и вспомогательную цепи.

Силовая часть (СЧ) содержит три идентичных полупроводниковых блока (ПБ), выполненных в общем случае по схеме на рисунке 4.1 с использованием только тиристоров или тиристоров и диодов.

Рисунок 4.2 − Схема полупроводникового аппарата

переменного тока

В каждый полюс аппарата последовательно с ПБ включены датчики тока (ДТ) измерительные трансформаторы тока или специальные пик-трансформаторы, фиксирующие момент перехода тока через нуль и его полярность. Для обеспечения защиты ПБ от токов короткого замыкания в состав силовой части аппарата может входить узел принудительной коммутации (на рисунке 4.2 не показан), объединяющий в себе коммутирующий конденсатор и тиристорную схему подключения его к полупроводниковым блокам.

Вспомогательная цепь включает в себя все блоки системы управления, защиты и диагностики состояния ПБ. На рисунке 4.2 система управления представлена укрупненно одним блоком логических команд (БЛК) и формирователями управляющих импульсов (ФИ) в каждом полюсе аппарата. В состав БЛК входят устройства, которые осуществляют селекцию и запоминание команд, поступающих от органов оперативного управления (ОУ) или релейной защиты (РЗ), слежение за сигналами от датчиков управления и диагностики, вырабатывают команды для управления формирователями импульсов. Схема БЛК значительно усложняется, если аппарат снабжен устройством принудительной коммутации. Поскольку БЛК находится, как правило, под потенциалом земли, все каналы связи по обмену информацией с датчиками и силовыми блоками, находящимися под высоким напряжением, должны иметь устройства, обеспечивающие требуемую изоляцию: изолирующие трансформаторы, световые вставки и др.