Інноваційне рішення компанії «Плутон» для розподілення постійного струму — бездуговий вимикач AFB надшвидкої дії

Автори: Овсянікер Д.Ю., Стрункін Г.М., Шмаровоз С.В., Станішевський Д.С., Міхневич М.І.

Журнал (бюлетень) Міжнародної Асоціації «Метро» «МETRO INFO International». – 2019 р. - №1. – С. 14-19

Інноваційне рішення компанії «Плутон» для розподілення постійного струму — бездуговий вимикач AFB надшвидкої дії

Ключові слова: вимикач надшвидкої дії, AFB, бездуговий, час відключення, розрив кола у вакуумі.

Комутація постійного струму в тягових мережах електричного транспорту, як правило, пов'язана із важкими режимами для тягових мереж та комутуючих апаратів. Оперативні відключення в тяговій мережі зі струмами номінальними та вищими за номінальні, а тим паче, захисні відключення аварійних струмів — непрості процеси, які внаслідок термічного та електродинамічного (при коротких замиканнях) впливу на мережі та апарати можуть потягнути за собою як пошкодження тягової мережі, так і вихід зі строю комутуючого апарату. Відключення аварійних струмів, як правило, супроводжується горінням дуги, утворенням плазми з виділенням великої кількості енергії, газів. Технологія оперативних відключень та відключень аварійних струмів, які виникли в тягових мережах, стикається із суперечливими вимогами. Наприклад, логічно припустити, що чим швидше комутуючий апарат відключить аварійне коло, тим менше пошкоджень виникне в цьому колі (відгорання контактного дроту, руйнування опорної ізоляції, загоряння, пробій діодів у випрямлячі, заварювання контакту у комутаційному апараті та ін.). Однак, занадто швидке відключення аварійних струмів сприяє виникненню високого рівня перенапруг у контактній мережі. Таким чином, швидко відключати — добре, але не без негативних наслідків для електричної ізоляції кабелів апаратів, ввімкнених у мережу.

Певні труднощі мають розробники комутаційних апаратів постійного струму при відключенні малих струмів. З огляду на низький рівень магнітного дуття, яке присутнє при відключенні малих струмів, час горіння дуги збільшується, зростає вірогідність заварювання контакту. У цьому режимі відбувається тривалий тепловий вплив на контактний дріт, наслідком чого є провисання та відгорання контактного дроту.

Мал. 1 Стан контакту (зверху) та дугогасної камери (знизу) вимикача з традиційною комутацією після аварійного відключення надструмів

Знос головних контактів — основний фактор, який скорочує життєвий цикл комутуючих апаратів. Розробники вдаються до різноманітних конструктивних та технологічних хитрощів для того, щоб подовжити життя головного контакту (використовують допоміжні дугогасні контакти, експериментують зі сплавами срібла та інших металів, збільшують площу контактного з’єднання у парі рухомого та нерухомого контакту, ускладнюють та здорожують дугогасні камери для більш ефективного гасіння дуги та зменшення впливу дуги на головний контакт).

Складність комутації постійного струму у порівнянні з комутацією змінного струму полягає в тому, що при відключенні змінного струму струм у виникаючій електричній дузі проходить через «нуль», тем самим полегшуючи дугогасіння на рівні фізичних процесів. При комутації постійного струму струм в електричній дузі через «нуль» не проходить, а фізичні процеси не допомагають перервати струм, а значить, погасити дугу. Полегшує переривання дуги дугогасильна камера, розбиваючи велику дугу на ряд маленьких дуг, які легше гаснуть.

Безперечно, у питаннях комутації розробники електричних апаратів досягли певних успіхів. Значно виросли величини струмів, що вимикаються, динамічні характеристики вимикачів, скоротився час відключення при відносно невеликих перенапругах, які виникають в процесі комутації. Досягнута швидкодія вимикачів постійного струму — повний час відключення у діапазоні 20–50 ms, а струми, що вимикаються — до 180 kA.

І все ж, не досягнутий високий рівень надійності, безпеки, екологічної безпеки та економічної ефективності експлуатації швидкодіючих вимикачів постійного струму, який властивий вакуумним вимикачам змінного струму. Не було досягнуте головне: при експлуатації вимикачів постійного струму у експлуатаційного персоналу немає впевненості у тому, що під час чергового процесу комутації вимикач не вийде з ладу через вихід з ладу головного контакту. Також, немає впевненості в тому, що стан головного контакту після серії відключень (серії від одиниць до декількох десятків комутацій) дозволить здійснювати подальшу експлуатацію вимикача. Дугогасна камера також потребує періодичного огляду та обслуговування, щоб уникнути аварійного перекриття. Регламент оглядів, періодичного обслуговування та ремонтів вимикачів присутній, і цей факт свідчить про незадовільну надійність, а також здорожує процес експлуатації вимикачів постійного струму в період життєвого циклу. Залишає бажає кращого і екологічна безпека при експлуатації вимикачів швидкої дії постійного струму. По суті, у постійному струмі технологія комутації не змінювалась з 50-х років минулого століття та має всі недоліки та особливості, описані вище.

А тим часом у технології комутації змінного струму всі проблемні питання давно вирішені. Комутація відбувається в вакуумі (або в інертному газі), персонал не оглядає контакти, плазма у розподільчих пристроях відсутня, відсутнє газовиділення. Немає жодних дугогасних камер та жодного обслуговування контактів.

Інженери компанії «Плутон» вирішили вступити у суперечку із законами фізики та усунути несправедливість, яка, як здавалось, вічно буде супроводжувати швидкодіючі вимикачі постійного струму. Ми створили швидкодіючий вимикач AFB (Arc-free circuit breaker) — вільний від дуги бездуговий вимикач з комутацією постійного струму у вакуумній камері, позбавлений недоліків вимикачів постійного струму із традиційною комутацією, і навпаки, що має переваги вакуумних вимикачів (мал. 2).

Мал.2 Бездуговий вимикач AFB надшвидкої дії

Швидкодія. Швидкодіючими вважаються вимикачі, власний час відключення яких не перевищує 5 ms. Повний час відключення відрізняється від власного часу відключення додатковим часом горіння дуги, тобто повний час відключення (або час відключення) складається із суми власного часу відключення та часу горіння дуги. Очевидно, що чим менша величина часу відключення, тим більш низька амплітуда та усталене значення струму короткого замикання виникає у аварийному колі при одній і тій самій швидкості наростання струму di/dt.

Вимикач із традиційною комутацією при власному часі відключення 4,3 ms (при di/dt = 3 х 106 А/s) забезпечує повний час відключення в залежності від параметрів мережі у діапазоні 20-50 ms. При цьому амплітуда струмів короткого замикання досягає значень від 10 до 100 кА та вище в залежності від одних і тих самих параметрів мережі. Безумовно, мова йде про усереднені величини. Власний час відключення швидкодіючого вимикача AFB складає менше ніж 1 ms, а повний час відключення — менше 4 ms. Відповідно, при розрахунковій величині струму короткого замикання в колі 100 kA, на практиці струм встигає вирости до 4–25 kA. Така висока швидкодія досягається тим, що у вимикача AFB, головний контакт якого працює в вакуумі, прктично відсутній процес утворення дуги, механічно контакти розводяться за менш ніж 1 ms. При цьому, з огляду на відсутність дуги, струм через головний контакт переривається майже у ту саму мить. Таким чином, вимикач AFB забезпечує високошвидкісне розмикання силових контактів та високошвидкісне переривання аварійного струму. Крім цього, вимикач AFB здатен визначити виникнення аварійного процесу за швидкістю наростання струму di/dt та вимикає аварійне коло раніше, ніж струм досягне величини уставки спрацювання МСЗ (максимального струмового захисту). Вимикач оснащений спеціальними колами, які призначені для зниження рівня перенапруг, які неминуче виникають при настільки швидкісних відключеннях. Завдяки таким унікальним характеристикам швидкодії ми називаємо вимикач AFB вимикачем надшвидкої дії.

Враховуючи те, що вимикач AFB є двонаправленим, головний контакт вимикає коло у вакуумі при відсутності дуги, час відключення не залежить від швидкості наростання струму di/dt — ніяких труднощів з відключенням малих струмів не виникає.

Мал. 3а Осцилограмма відключення аварійного процесу вимикача із традиційною комутацією (гасіння дуги в дугогасній камері)

Мал. 3б Осцилограмма відключення аварійного процесу бездугового вимикача AFB

Інновації та переваги:

• основна інновація вимикача AFB — робота головного контакту в вакуумі. Для гасіння струму короткого замикання у протифазі струму головного кола комутується струм від попередньо зарядженого високовольтного конденсатора, в результаті чого ці струми взаємовіднімаються. Таким чином, процес розмикання головного контакту відбувається з величиною струму, близькою до нуля, завдяки чому при відключеннях струмів будь-якої величини дуга відсутня;
• вбудована система контролю лінії на наявність стійкого короткого замикання;
• час відключення вимикача не залежить від швидкості наростання струму di/dt;
• у вимикачі AFB відсутні дугогасні контакти, що виключає необхідність їх періодичної заміни;
• головний контакт знаходиться у вакуумній камері та не зношується, що в свою чергу виключає необхідність його оглядів, обслуговування та заміни до закінчення механічного ресурсу вакуумної камери при необмеженій кількості циклів комутації без обмеження величин струмів короткого замикання;
• вимикач AFB відрізняється підвищеною механічною/електричною зносостійкістю вакуумної камери (50000 комутацій), що багато в чому визначає життєвий цикл вимикача — не менше 25 років без необхідності періодичної заміни механічних та електричних вузлів;
• у комірці розподільчого пристрою постійного струму вимикач AFB не потребує додаткового простору для безпечного викиду плазми (з огляду на відсутність дуги) у порівнянні з вимикачем із традиційною комутацією. У результаті обсяг робочого простору комірки скорочується вдвічі (мал. 4);
• у комірці розподільчого пристрою постійного струму з вимикачем AFB відсутній надлишковий тиск при захисній комутації, бо відсутній процес виникнення плазми. 
  
  Мал. 4 Зменшення робочого простору вимикача AFB у розподільчому пристрої у порівнянні з вимикачем із традиційною комутацією

Відсутність руйнівної дії дуги сутєєво знижує небезпеку виникнення пожежі. Завдяки відсутності виділення забруднюючих та токсичних продуктів горіння, а також відсутності відкладення продуктів горіння на елементах вимикача і на конструктивах розподільчих пристроїв, забезпечується екологічна чистота та безпека експлуатація вимикача (мал. 5).

Мал. 5 Екологічна чистота та безпека експлуатація вимикача AFB у порівнянні з вимикачем із традиційною комутацією

Компоненти та структура бездугового вимикача AFB

Основні компоненти та вузли вимикача:

1. вакуумна камера, яка відрізняється високою комутаційною стійкістю;
2. блок високовольтних конденсаторів відключення та гасіння з джерелом живлення для роботи системи відключення та гасіння;
3. електродинамічний привід включення/відключення;
4. двухполюсний роз’єднувач для приєднання до електричної системи шин РУ та для забезпечення видимого гальванічного розриву вимикача. Роз’єднувач не потребує обслуговування, а також відрізняється високою динамічною стійкістю та великим механічним ресурсом;
5. елементи захисту від перенапруг;
6. мікропроцесорна система управління та внутрішнього моніторингу з точним та гнучким налаштуванням параметрів, яка забезпечує функціонування вимикача згідно з алгоритмами та безперервний моніторинг стану основних вузлів;
7. система контролю лінії на наявність короткого замикання;
8. модулі тиристорів комутації приводу та гасіння з компонентами управління тиристорами.

Конструктивно загальний вигляд вимикачів AFB представлений на мал. 6.

Мал. 6 Конструкція вимикачів AFB40 та AFB25

Нижче приведена структурна схема вимикача AFB (мал. 7).

Мал. 7 Структурна схема вимикача AFB

Робота (включення, відключення, аварійне відключення, уставки спрацювання) бездугового швидкодіючого вимикача AFB

У вимикачі AFB використовується мікропроцесорна система управління та внутрішнього моніторингу, яка конструктивно складається із трьох модулів: процесорного модуля (мал. 8), вимірювального модуля та модуля управління тиристорами. Ця система здійснює повноцінне самодостатнє управління вимикачем та його частинами, та виконує всі необхідні функції, включаючи захисні (максимальний струмовий захист та захист за швидкістю наростання струму di/dt), а також функції телеуправління та телевимірювань через ізольований інтерфейс RS-485, протокол Modbus RTU.

Мал.8 Процесорний модуль системи управління та внутрішнього моніторингу вимикача AFB

Перед включенням вимикача система управління проводить ряд перевірок, серед яких: контроль напруги власних потреб, контроль напруг високовольтних конденсаторів відключення та гасіння, контроль справності тиристорів гасіння та шунтуючих діодів. Включення можна здійснювати як з перевіркою лінії на коротке замикання, так і без неї.

Включення. Батарея попередньо заряджених низьковольтних конденсаторів забезпечує включення вимикача через вплив на вмикаючу котушку за допомогою тиристора включення.

Оперативне відключення. За командою відключення система управління вимикачем впливає на тиристор відключення. При відкриванні тиристора енергія, накопичена у високовольтному конденсаторі відключення, комутується на відключаючу котушку. Магнітне поле відключаючої котушки запускає механізм відключення, який приводить у рух рухомий контакт вакуумної камери, внаслідок чого силові контакти вакуумної камери розмикаються. В момент початку розмикання контактів між ними почитає загоряється дуга, яка гаситься енергією, накопиченою у попередньо зарядженому високовольтному конденсаторі. Струм розряду конденсатора комутується у протифазі с основним струмом силового кола. В момент, коли алгебраїчна сума струмів дорівнюється нулю, дуга гасне, після чого контакти розходяться, відключаючи силове коло (мал. 9).

Мал. 9 Принцип дії вимикача AFB

Аварійне відключення. Аварійне відключення відбувається за таким же принципом, що і оперативне. У даному разі сигналом для відключення слугують вимірювання, отримані від датчика струму, встановленого у головному силовому колі вимикача, та оброблені за певними алгоритмами мікроконтролером системи управління AFB.

Уставки спрацювання. У вимикачі AFB можлива оперативна зміна наступних уставок спрацювання, які конфігуруються в мікропроцесорній системі управління:

1. величина струму відсічення у позитивному та негативному напрямку;
2. величина швидкості наростання струму (di/dt) у прямому та зворотному напрямку, яка дозволяє передбачити виникнення аварійного процесу на ранньому этапі його розвитку;
3. уставка спрацювання ІКЗ (тест лінії), яка контролює струм витоку обладнання, що захищається, та контактної мережі у відключеному стані вимикача AFB, після перевищення якої здійснюється заборона на включення автоматичного вимикача.

Вимикач AFB розроблений та виготовлений відповідно до вимог міжнародних та європейських стандартів EN 50123-2/IEC 61992-2, EN 50123-3, IEC 60947-3.

Нижче представлені основні технічні характеристики автоматичного вимикача AFB:

Найменування параметру	Значення
	AFB 25		AFB 40
Напруга
Номінальна напруга UNe, V DC	1000
Номінальна напруга ізоляції UNm, V DC	1200
Номінальна гранична імпульсна   напруга UNi, V DC	8000
Максимально допустима  комутаційна перенапруга  Зона B за EN 50124.2 (< 20 ms),  V DC	2500	6000
Струм
Номінальний тепловий струм Ith,  Ithe, А DC	2500	4000
Номінальний робочий струм INe, А   DC	2500	4000
Клас навантаження INсw за IEC   60146-1-1	VI
Струм короткого замикання
Номінальний струм короткого   замикання INss, kA	80
Номінальний струм короткого   замикання, граничне значення Iss, kA	100
Амплітуда струму відключення   Id, kA	< 25
Максимальне значення швидкості   наростання струму, kA/ms	20
Час
Власний час відключення, ms	< 1
Повний час відключення, ms	< 4
Діапазон уставок спрацювання струмів відключення
Діапазон уставок спрацювання у   прямому напрямку, A	500 - 7500	800 - 12000
Діапазон уставок спрацювання у   зворотному напрямку, A	500 - 3750	800 - 7500
Масогабаритні показники
Маса вимикача, kg	215	280
Габарити вимикача (mm)  Ширина   Висота  Глибина (Довжина)	470 810 955	470 940 955
Додаткова інформація
Механічна/електрична   зносостійкість вакуумної камери,   комутацій	50 000
Ступінь захисту	IP 00
Напруга живлення власних потреб,  V AC/DC	220, 110, 60
Напруга живлення кіл управління,  V DC	24

На базі бездугового швидкодіючого вимикача AFB інженери компанії «Плутон» розробили принципово нову концепцію розподільчого пристрою (мал. 10), яка відрізняється компактними розмірами, мінімальним технічним обслуговуванням, надійністю роботи та безпекою експлуатації та обслуговування. Вперше дане рішення компанія «Плутон» продемонструвала на стенді InnoTrans 2018 у Берліні.

Мал. 10 Нова концепція розподільчого пристрою постійного струму з вимикачем AFB

Висновок

Швидкодіючий бездуговий вимикач AFB —  це високоінтелектуальний інноваційний продукт, який виводить технологію комутації постійного струму на принципово новий рівень надійності, довговічності, економічної ефективності та екологічної чистоти. Апарат призначений не тільки максимально спростити експлуатацію швидкодіючих вимикачів, але й з високою ефективністю захистити тягові мережі, не дозволяючи розвиватися струмам короткого замикання до критичних величин, що спричиняють пошкодження контактної мережі та обладнання підстанцій та рухомого складу, які належать до тягових мереж.

Ми впевнені, що експлуатуючі компанії з ентузіазмом сприймуть наші інновації для реконструкцій та нового будівництва тягових підстанцій міського електричного транспорту, метрополітенів та відомчого транспорту промислових підприємств.

скачать