Одним из перспективных направлений создания выключателей с большим коммутационным ресурсом является использование силовых полупроводниковых приборов (СПП) в шунтирующих главные контакты цепях в коммутационные интервалы времени. Выключатели с СПП получили название комбинированных контактно-полупроводниковых выключателей (КПВ). Исследования в области создания таких выключателей определили ряд перспективных тенденций.
В работе [16] показана эффективность высоковольтного устройства с шунтированием контактов полупроводниковыми неуправляемыми вентилями и установлены основные закономерности в перераспределении тока между главной и вспомогательными цепями. Количественная оценка эффективности дугогашения с помощью неуправляемых вентилей в зависимости от режима коммутации дана в [1].
В КПВ резко снижается продолжительность горения дуги (до 200 мкс в переходном режиме) и, следовательно, достигается повышенная износостойкость контактной системы. В результате этого коммутационный ресурс аппаратов приближается к механическому.
Разработка КПВ стала возможной благодаря начатому отечественной промышленностью выпуску тиристоров на номинальный ток до 1250 А и повторяющееся напряжение до 2800 В. Тиристоры рассчитаны на ударный ток до 20 кА. В настоящее время разработаны тиристоры на номинальный ток 3000 А при повторяющемся напряжении 2500 В и ударный ток в течение 10 мс до 60 кА. Такие тиристоры в режиме синхронного выключателя позволят обеспечить значительно большие токи отключения.
Ниже описывается два направления снижения отрицательного воздействия дуги на контакты в процессе коммутации: первое — за счет шунтирования контактов в коммутационные интервалы времени мощными, включенными встречно-параллельно тиристорами, второе — за счет синхронного отключения выключателя нагрузки с тиристорами, шунтирующими главные контакты.
Функциональная схема выключателя с тиристорным блоком приведена на рис. 5-7. Во включенном положении главные контакты 1, контакты отделителя 2 и дугогасительные контакты 3 замкнуты, тиристорный блок 4 отключен. При отключении размыкаются контакты 1. Ток переходит в дугогасительные контакты 3, которые размыкаются с задержкой по отношению к главным контактам 1. При достижении на дуге минимального напряжения переключения тиристорного блока 4 последний включается. Отключаемый ток переходит из контакта 3 в блок 4. Контактный промежуток 3 деионизируется. При достижении нуля тока тиристоры закрываются. После этого размыкаются без тока контакты отделителя 2, создавая окончательный разрыв цепи для предотвращения токов утечки через тиристоры.
Рис. 5-7. Функциональная схема генераторного выключателя с тиристорным блоком
Схема рис. 5-7 может выполнять защитную и оперативную функции. Контакт 3 находится в замкнутом состоянии, но «стоит на изоляции», т. е. фактически разомкнут. При отключении в оперативном режиме порядок срабатывания следующий: контакт 1, блок 4 и контакт 2.
В аварийном режиме тиристорный блок не работает. При отключении замыкается контакт 3, затем размыкается главный контакт 1. Ток переходит в контакт 3, после размыкания которого происходит гашение дуги.
Недостатком этой и аналогичных схем является необходимость по меньшей мере, в двух параллельных ветвях дорогостоящих тиристоров, рассчитанных на номинальное напряжение и включенных встречно для шунтирования контактов как при положительной, так и при отрицательной полуволне тока.
Рис. 5-8. Функциональная схема синхронного контактно-тиристорного генераторного выключателя
Создание синхронизированного выключателя с тиристорным блоком позволяет совместить преимущества двух перспективных направлений и является наиболее целесообразным. Функциональная схема синхронизированного контактно-тиристорного генераторного выключателя приведена на рис. 5-8
Выключатель работает следующим образом. Во включенном положении главные контакты 1 и контакты отделителя 2 замкнуты, контакты дугогасительного устройства 4 разомкнуты, тиристорный блок 6 заперт. При поступлении команды на отключение от устройства оперативного управления 7 анализатор тока 8 вырабатывает команду, которая управляет проводящим состоянием тиристоров блока 6 через систему управления 9. Последняя вырабатывает также команды управления приводами 3 и 5. Команды поступают таким образом, что сначала срабатывает привод 5, а контакты дугогасительного устройства 4 замыкаются. После этого срабатывает привод 3, и контакты 1 размыкаются без дуги в произвольный момент времени. Ток переходит в контакты дугогасительного устройства 4. Момент подачи команды на отключение привода 5 управления дугогасительными контактами 4 на отключаемой полуволне тока определяется быстродействием используемого привода. При этом команда подается с таким расчетом, чтобы к моменту перехода тока через нуль контакты успели разойтись на расстояние, обеспечивающее необходимый изоляционный промежуток. После размыкания дугогасительных контактов 4 ток переходит во включающийся тиристорный блок 6. Время горения дуги при этом не превышает 200 мкс. Воздействие на размыкающиеся контакты незначительно. После естественного перехода тока через нуль тиристорный блок 6 запирается, контакты отделителя 2 размыкаются.
При коротком замыкании в зоне действия релейной защиты последовательность работы всех узлов выключателя происходит аналогичным образом, но запуск системы управления 9 производится через схему «И» только при наличии сигнала и от релейной защиты и от блока 8.
Если к. з. происходит вне зоны действия защиты и ток короткого замыкания является сквозным для выключателей, то релейная защита не срабатывает, а система 9 не выдает команды, оставляя выключатель в состоянии «включено».
По схеме рис. 5-8 легко выполнить и выключатель нагрузки. При этом нет необходимости в подаче сигнала на блок 9 от релейной защиты. Дугогасительное устройство 4 и тиристорный блок 6 рассчитываются только на отключение токов не превышающих номинальный, а потому могут быть значительно проще устроены, чем в силовом выключателе.
При поступлении команды на включение от устройства оперативного управления 7 анализатор 8 и система управления 9 включают контакты отделителя 2 (контакты 4 при этом разомкнуты), затем тиристорный блок 6, через который протекает ток. Замыкаются контакты устройства 4, затем контакты 1 без разрушающего воздействия дуги. Ток переходит в них. Тиристорный узел при этом запирается, а дугогасительные контакты размыкаются.
Описанный выключатель выгодно отличается от известных.
Рис. 5-9. Конструкция синхронного контактно-тиристорного выключателя
Так, в оперативном режиме отключение тока всегда происходит с длительностью горения дуги, не превышающей 200 мкс, так как момент выполнения операции синхронизирован относительно фазы тока. При этом тепловое воздействие дуги на размыкаемые контакты минимально. В несинхронизированном выключателе при отключении дуга горит в течение тех же 200 мкс, гаснет при токе в тиристорной ветви и может возникнуть после перехода тока через нуль, когда тиристоры заперты, если расстояние между дугогасительными контактами недостаточно. Это снижает коммутационную способность выключателя.
В экспериментальном образце за счет синхронизированного отключения число тиристоров уменьшено по сравнению с несинхронизированным в 2 раза, так как применено последовательное однонаправленное включение тиристоров, а не встречное. Сокращение числа тиристоров уменьшает стоимость аппарата, позволяет уменьшить габариты тиристорного узла и повысить надежность выключателя. В режиме синхронизированного отключения выключатель с быстродействующим приводом позволяет отключать токи, превышающие предельные по току параметры тиристоров.
Так, при размыкании контактов за 2 или 1 мс до нуля тока отключаемый ток составляет соответственно 0,58 и 0,31 амплитудного значения. Это позволяет в 2—3 раза повысить отключаемые токи. С другой стороны, сокращение длительности тока через тиристоры до 2 мс позволяет увеличивать токи перегрузки тиристоров ориентировочно в 2 раза по сравнению с максимальным допустимым для длительности 10 мс.
Таким образом, генераторный выключатель при синхронизированном отключении способен отключать токи, в 4—6 раз превышающие предельные по току параметры тиристоров.
Экспериментальный образец контактно-тиристорного выключателя показан на рис. 5-9. Выключатель рассчитан на встраивание в пофазно экранированный токопровод. Он состоит из основания с резервуаром 11, главных токоведущих цилиндров 7 и экранирующего кожуха 12. Токоведущие цилиндры установлены на опорных изоляторах 13. Внутри токоведущих цилиндров размещены: главная контактная система 6 с приводом 5 и дугогасительная система 10. Тиристорный блок 8 установлен над кожухом на проходных изоляторах 9. Шкаф управления состоит из двух отсеков, в которых размещены дутьевые клапаны 2 и индукционно-динамические механизмы с клапанами 1 управления дугогасительным устройством, а также синхронизатор выдачи команд 4 и блок питания индукционно-динамического механизма 3.
