Технологични новости при прекъсвачите

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 6/2020 • 09.09.2020

Преходът към устойчиви екологични енергийни източници и изоставянето на първичните горива за производство на енергия стимулират търсенето на стратегии за увеличаване на дела на електрическата енергия, генерирана от възобновяеми източници, осигуряване на нейния надежден пренос и разпределение и същевременно намаляване на енергийните загуби при преноса, преобразуването и консумацията.

 

Предимства на постояннотоковите мрежи

Все още по-голямата част от потреблението на електроенергия разчита на захранване с променлив ток (AC). Както е известно, големината и посоката на променливия ток се изменят за определен интервал от време, за разлика от постоянния ток (DC), който не се изменя по посока и големина. В процеса на енергийния преход все повече устройства използват постоянен ток – от покривни фотоволтаични системи през станции за зареждане на електрически автомобили и смартфони. По-лесната експлоатация и буфериране на енергията при спиране, т.нар. регенеративно спиране в DC мрежите, има потенциала да реализира съществени енергийни икономии.

Постоянният ток се използва за захранване на електронни устройства, постояннотокови двигатели, зареждане на акумулаторни батерии, електролиза и други електрохимични процеси. Това налага необходимостта от нов вид прекъсвачи, които да защитят постояннотоковите вериги.

Постоянният ток притежава редица предимства пред променливия, сред които по-висока ефективност и възможност за пренос на повече енергия на по-големи разстояния при намален брой проводници и ниски загуби. По-добрите възможности за използваемост, съхранение и възстановяване на спирачната енергия на постоянния ток, например в приложенията за роботизация, както и експлоатацията в големи производствени линии, могат да спестят до 30% от разходите за електроенергия в едно предприятие. Конструирането на редица устройства и машини ще се улесни значително, когато нуждата от преобразуване на захранващата енергия отпадне. При променлив ток веригата може да бъде изключена по безопасен начин при преминаване на тока през нулата на синусоидата. Прекъсването на постояннотокова верига обаче дори само за няколко микро- или милисекунди е изключително трудно. При прекъсването на постояннотокова верига с голям ток възникващата електрическа дъга е изключително опасна, защото тя не изгасва автоматично, което налага предприемане на специални мерки за потискането й. В ход са няколко проекта на водещи научни институти в световен мащаб, които се стремят да дадат най-ефективно и целесъобразно решение за безопасно и безпроблемно прекъсване на веригите.

 

Механичен прекъсвач с дъгогасене чрез магнитно поле

Техническият университет в Илменау в съвместно партньорство с представители на бизнеса и други развойни институти работи върху мащабен проект за разработване на иновативни механични прекъсвачи за електрически устройства и системи за постояннотокови вериги, които да отговорят на нуждите на енергийния преход.

Най-голямото предизвикателство при разработването на постояннотоков прекъсвач е да се гарантира, че веригата ще бъде прекъсната бързо и безопасно при всяка повреда, като например при късо съединение. След засичане на възникване на електрическа повреда при разединяване на контакта в прекъсвача възниква електрическа дъга. За да се прекъсне електрическият поток и да се предотврати пожар, дъгата трябва да бъде изгасена мигновено. Докато при променлив ток потискането на дъгата възниква най-късно, когато токът промени посоката си (100 пъти в секунда), при постоянния ток, който тече непрекъснато, без да изменя посоката си, трябва да се вземат допълнителни мерки, за да се гарантира безопасно принудително потискане на дъгата.

Учените от университета в Илменау изследват възможността посредством силно магнитно поле да насочат дъгата към дъгогасителното устройство. В него нужната мощност, изисквана за поддържане на дъгата, ще се повиши, което на свой ред ще увеличи и съпротивлението. Задачата е трудна, тъй като, за да се спре безопасно и бързо дъгата, тя трябва да бъде отведена мигновено. Времето от отварянето на контакторите и насочването на дъгата в устройството за гасене трябва да се случи в рамките на няколко милисекунди. Механизмът трябва да бъде напълно надежден и да гарантира стопроцентова безотказност. В настоящия етап от проекта се провеждат изследвания на приложимостта и свойствата на различни електротехнически материали и промените, които протичат в тях вследствие на процесите на превключване. С методите на теория на вероятностите и математическата статистика се събират данни и се извършва анализ, за да се изчислят вероятностите за събития, свързани с надеждността на метода за отвеждане и гасене на постояннотокова дъга. Проучването се фокусира върху поведението на дъгата и контактното съпротивление, като за целта се водят експериментални дейности и симулации на влиянието на външно магнитно поле и на контактния материал върху движението на дъга при превключване с постоянен ток. Плановете са на следващия етап тези резултати да послужат за основа на нов функционален модел на прекъсвач, отговарящ на нуждите на енергийния преход.

 

Нов хибриден прекъсвач с приложение в постояннотокови силови мрежи

Екип от учени от Технологичния институт в Джорджия и Университета във Флорида същевременно се опитват да разработят хибридна система, която да ускори превключването до десет пъти спрямо скоростта на съществуващите технологии. Новата концепция ще се възползва от иновациите в силовата електроника, пиезоелектричния ефект и новосъздадени изолационни материали, за да изобретят надеждни електрически прекъсвачи за постоянен ток, приложими в силовите мрежи. Изследователският екип разработва метод за прекъсване на веригите чрез хибриден прекъсвач за постоянен ток. В модела, който те изпитват, се предвижда токът да протича по два отделни клона от електрическия контур. Едната пътека на протичане е изградена от полупроводникови елементи, чрез които електрическият ток може да бъде прекъснат, когато това е необходимо. Когато токът протича през втората пътека, той преминава през механичните превключватели.

Полупроводниците са по-малко ефективни при провеждане на ток от конвенционалните механични превключватели, така че при обикновени условия токът ще тече през механичните превключватели. Когато захранването трябва да бъде прекъснато, токът ще бъде пренасочен за кратко през силовата електроника, докато механичните прекъсвачи бъдат отворени безопасно. Това трябва да се случи изключително бързо. Контактите трябва да бъдат отделени в рамките на 250 микросекунди, а токът да бъде прекъснат за по-малко от 500 микросекунди т.е. половин милисекунда. Поради тази причина използването на пружини или хидравлични задвижвания, прилагани обичайно в механизма на прекъсвачите за променлив ток, в този случай не е възможно. За тази цел ще бъдат внедрени устройства, които работят на принципа на пиезоелектричния ефект.

Хибридният прекъсвач ще използва много голяма транзисторна група, за да изключи постоянния ток, когато това се наложи. В обикновените приложения за потребителска електроника транзисторите са значително по-малки и работят само с няколко волта напрежение. Транзисторите, които ще се използват при превключване на постоянен ток, ще бъдат много по-големи – до един квадратен сантиметър, като десетки или стотици от тях ще бъдат свързани последователно или паралелно, за да осигурят достатъчно капацитет за превключване на ток с напрежение от порядъка на хиляди волтове. След като електрическият поток бъде отклонен към полупроводниковия компонент, пиезоелектричният задвижващ механизъм трябва бързо да разедини контакта чрез механичния превключвател в освободения от потока контур, преди токът в транзисторите да се повиши прекомерно. След като превключвателите са разделени, токът, протичащ през транзисторната група, ще може да бъде изключен лесно.

В проучванията се комбинират иновативни патентовани компоненти, за да се създаде една изцяло нова технология за ефективен постояннотоков прекъсвач със защита от пренапрежение. Сложността на проекта произтича от целевата стопроцентова безотказност на устройството и бързината, с която то трябва да сработва.

След като изследователският екип създаде прототип, той ще бъде тестван в специално петмегаватово изпитателно съоръжение за период от три години.

 

По-ниски загуби на мощност при ВЕИ инсталациите

Изцяло усъвършенствана технология за разединяване на постояннотокови вериги е анонсирана и от една от водещите компании в производството на електрообзавеждане и електрооборудване. Компанията обяви своя модел на полурповодников прекъсвач като безпрецедентен технологичен пробив, който крие потенциала да подобри производителността на мрежите за възобновяема енергия, да оптимизира съхранението на енергия в батериите с индустриално приложение и да ускори настъпването на енергийния преход. Технологията на полупроводниковия прекъсвач заменя механичните движещи се части, вграждани в конвенционалните прекъсвачи за променлив ток, със силова електроника и специализирани софтуерни алгоритми, които контролират мощността и могат да прекъснат силнотокова верига с безпрецедентна скорост. Предимството на иновативния прекъсвач е, че при него загубите на мощност ще бъдат със 70% по-малки в сравнение с други разработвани продукти. Прогнозира се той да има широко приложение в електрическите мрежи за устойчиви електрически транспортни системи. Предстои продуктът да бъде пуснат на пазара тази година. Концепцията е първата по рода си, използваща патентована интегрирана полупроводникова тиристорна технология (IGCT). Този вид тиристорен ключ се изключва като транзистор, но провежда електричество като тиристор, позволявайки най-ниски загуби на проводимост.

Устройството ще работи чрез интеграция със специално разработен вграден софтуер за прогнозиращо управление на мощността, алгоритми за защита и по-високи нива на свързаност.

Интегрираният иновативен продукт ще направи електрическите разпределителни системи по-надеждни и ефективни и ще намали разходите за поддръжка, като същевременно ще отговаря на изискванията за устойчивост на електрическите мрежи от ново поколение. Полупроводниковият прекъсвач ще бъде около 100 пъти по-бърз от традиционните електромеханични прекъсвачи. Скоростта му ще оптимизира работата на системите за разпределение на енергия, като същевременно ще поддържа непрекъснатост на обслужването. Новият прекъсвач също така ще подобри безопасността и защитата на хората и оборудването. Тъй като няма освобождаване на енергия при прекъсване на тока, няма риск от излагане на ток от дъга.

Мрежовите архитектури зависят от системите за съхранение на енергия – независимо дали става дума за битово или индустриално приложение. За да работят надеждно, те изискват устройства за защита от късо съединение с изключителни възможности и устойчивост на силен ток. В случай на електрическа повреда в мащабна електропроизводствена система с производителност 4 MW например, новият IGCT прекъсвач ще може да предотврати загуби, възлизащи на до 100 000 долара, от пропуснати енергийни ползи и разходи за възстановяване на системата. Традиционните механични прекъсвачи също така изискват редовно обслужване и подмяна след около 10 000 операции, докато полупроводниковият прибор може да изпълнява милиони операции при пълна надеждност и почти нулево обслужване.

Усилията на разработващите екипи са съсредоточени върху това да се намерят усъвършенствани решения за сигурно разединяване, прилагайки способи от силовата електроника, софтуерни алгоритми за прогнозиране и управление и влагане на модерни изолационни електротехнически материали. Новите модели прекъсвачи преследват изключително високи цели за безопасно, ефективно и надеждно функциониране при екстремни условия на натоварване. Целта е да се подсили най-слабото звено в електрическата инфраструктура от ново поколение. В бъдеще тези иновативни технологии ще могат по-добре да отговорят на нуждите на интелигентните крайни мрежи и енергийния преход.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top