Сверхкритический выключатель
В энергетике назревает переход на распределительные сети постоянного тока. Постоянный ток особенно удобен в малых гибридных энергосистемах (микросетях), где имеются солнечные электростанции, электрохимические аккумуляторы и топливные элементы. Его используют в морских ветропарках, чтобы экономить на инверторах и силовых трансформаторах, а также эффективнее передавать энергию на берег.
Задача преобразования постоянного напряжения решается с помощью современной силовой электроники, но остаётся проблема быстрой коммутации сильных (в тысячи ампер) токов, что особенно важно для защиты от коротких замыканий.
В цепях переменного тока напряжение сто раз в секунду проходит через ноль, поэтому возникающая между контактами размыкателя электрическая дуга гаснет сама собой. При постоянном токе дуга может гореть до тех пор, пока не испарится металл контакта. Чтобы размыкатель служил долго и надёжно, нужны специфические технические решения.
Вспоминая Эдисона
В 2019 году Университет Флориды и Технический университет Джорджии объединили свои усилия в работе над высоковольтным сильноточным гибридным размыкателем. В устройство была заложена простая идея: при физическом расцеплении контактов пустить ток по обходной цепи через силовые электронные приборы. За это время они не должны нагреться и сгореть. А когда контакты разойдутся на безопасное (не допускающее искрового пробоя) расстояние, можно будет отключить силовые приборы, разомкнув обходную цепь. Таким образом, в штатном режиме ток течёт через механический выключатель, обладающий минимальными потерями, а дорогостоящие электронные компоненты задействуются лишь изредка на короткое время.
Проект получил название Efficient DC Interrupter with Surge Protection (EDISON) как дань памяти о легендарном американском изобретателе Томасе Эдисоне, который в пику конкуренту Николе Тесле занимался разработкой и строительством электрических сетей постоянного тока. Финансирование проекта в объёме 3,3 млн долл. предоставило агентство передовых энергетических исследований ARPA-E. Сегодня проект завершён, а его исполнители рассказывают о результатах.
Оригинальные находки
«Наше устройство работает чрезвычайно быстро, - делится Лукас Грабер, доцент Школы электрической и компьютерной техники при Техническом университете Джорджии. - Оно физически разводит контакты за 250 микросекунд и полностью прерывает ток за 500 микросекунд. Мы не смогли получить требуемую скорость с помощью стандартных пружинных и гидравлических механизмов, поэтому применили пьезоэлектрические актуаторы».
Для уменьшения габаритов выключатель заполнен диэлектрическим веществом в сверхкритическом состоянии. «Сначала мы думали сделать вакуумный выключатель, - продолжает Грабер, - но скоро обнаружились его ограничения по величине пропускаемого тока, поскольку шина быстро перегревалась. Отмечу, что для любых приложений, где требуются низкая вязкость, высокая теплопроводность и отличные изолирующие свойства, имеет смысл рассматривать диэлектрики в сверхкритическом состоянии. Поначалу мы пробовали чистый углекислый газ, потом начали экспериментировать со смесями. Добавили фторсодержащие вещества и оксиды, чтобы получить желаемые свойства. В какой-то момент даже долили этана, снизив таким образом критическую температуру.
Пьезопривод не только быстр, но и чрезвычайно точен (в фототехнике он используется для фокусировки объективов), что позволило придать механическому выключателю новые возможности. «Пьезоэлектрический актуатор способен работать в разных средах. Его можно поместить прямо в камеру с диэлектриком, - поясняет Грабер. - Актуаторы других типов требуют смазки, которая растворилась бы в сверхкритическом веществе».
Обходная цепь содержит большое количество включённых последовательно и параллельно силовых сборок IGBT, то есть имеет модульную структуру. «Мы использовали эту особенность для защиты от скачков напряжения, чтобы при отключении цепи напряжение между контактами выключателя нарастало постепенно, мелкими шажками, - рассказала доцент Технического университета Джорджии Марьям Саэдифард.
«Стоит учитывать, что после подключения обходной цепи ток через основные контакты (первоначально 2000 ампер) спадает со скоростью 400 ампер в микросекунду, - рассказывает Майкл Стьюер, сотрудник Центра современных энергетических систем в Университете Флориды. - А нам нужно довести ток практически до нуля и поймать этот момент, чтобы далее мог сработать быстрый механический расцепитель. Это серьёзный вызов, поскольку изменить высокое напряжение непросто, а управлять током в области его нулевого значения ещё сложнее. Мы сообразили, что можем изменить индуктивность и тогда напряжение уже не будет играть роли: ток будет снижаться автоматически. Ввели управляемую индуктивность в виде ферритовых колец вокруг шины. Когда ток через неё падает ниже уровня в десять ампер, феррит выходит из насыщения и индуктивность цепи возрастает примерно в сто раз. Благодаря этому ток держится около нулевого уровня до тех пор, пока не разомкнётся механический выключатель. Это на удивление простое решение стало для нас прорывным».
Приложения
Устройство получилось компактным и весьма дорогим. В поисках заказчиков исследователи вышли на Военно-морской флот США, где на фрегатах и подводных лодках внедрены бортовые электрические сети постоянного тока напряжением 12 кВ. Прокладка кабелей там обходится крайне дорого, поэтому используется среднее напряжение, позволяющее экономить медь и место. При этом для электронных систем, таких как радары, сонары и средства связи, требуется чрезвычайно «чистое» (читай: без помех) питание постоянным током.
На коммерческом флоте также начинается электрификация. Буксиры и паромы уже переводятся на электрическую тягу; за ними, судя по всему, последуют сухогрузы, контейнеровозы и танкеры. Везде нужно будет защищать генерирующее оборудование и аккумуляторные батареи от коротких замыканий. В морских ветропарках тоже нередко применяются соединения на постоянном токе, поскольку он позволяет с меньшими потерями передать энергию на берег.
Особое внимание к новинке проявили владельцы центров обработки данных (ЦОД), питание которых для оптимизации всё чаще переводится на постоянный ток. Оказалось, что стоимость площадей ЦОДа настолько высока, что коммутационное оборудование даже выводится вовне. При этом владельцы ЦОДов очень беспокоятся о безопасности и о недопущении электрической дуги. Между тем работники дата-центров не готовы, как электрики, надевать индивидуальные средства защиты - несгораемые спецовки, диэлектрические перчатки и сапоги, чтобы произвести переключения в питающих цепях. Не удивительно, что в центрах обработки данных новая разработка вызвала большой интерес.
Заинтересовались новинкой и калифорнийские энергетические компании. Им важно иметь ультрабыстрый выключатель для того, чтобы минимизировать выделение тепловой энергии при замыканиях, которые порой вызывают пожары.
Читайте другие наши материалы
