Трансформаторное оборудование

В настоящее время на рынке силовых полупроводниковых приборов (СПП) для проведения электродинамических испытаний силовых трансформаторов, кроме традиционных низкочастотных тиристоров с управлением электрическим током (ЕТТ), появились низкочастотные тиристоры с прямым управлением светом (фототиристоры LTT), коммутирующие сопоставимую мощность. Соответственно встает задача построения силовой схемы высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа (ВСПК) с использованием фототиристоров.
В материале специалистов из Тольятти и Москвы на примере устройств одного из производителей СПП сравниваются коммутационные способности низкочастотных тиристоров с электрическим и прямым световым управлением с учетом условий их функционирования в составе ВСПК, обеспечивающего проведение электродинамических испытаний.

ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ВСПК на основе фототиристоров

Алексей Кувшинов, д.т.н., профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника» Тольяттинского государственного университета, г. Тольятти
Александр Хренников, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Дирекции электрооборудования и ЛЭП ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва

Организационно-технические проблемы проведения электродинамических испытаний силовых трансформаторов уже рассматривались в ряде работ [1–5]. В них было подчеркнуто, что основные трудности связаны с требованием точной синхронизации начала опытов КЗ, которое вытекает из необходимости нормирования и повторяемости уровней воздействий на силовые трансформаторы. Это требует применения специализированных высоковольтных выключателей с управляемой коммутацией и традиционной контактной системой [6] или высоковольтных сильноточных полупроводниковых ключей на основе силовых полупроводниковых приборов. Последние обладают гораздо большим коммутационным ресурсом и точностью синхронизации.

В [5] описана практика проведения электродинамических испытаний с использованием высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ) широкой номенклатуры силовых трансформаторов номинальной мощностью до 666 МВА и номинальным напряжением 110–750 кВ. Такие испытания проводились на МИС ВЭИ (г. Тольятти) в период с 1983 по 1994 г. Особенности условий функционирования и схемотехники ВТВ, обусловленные спецификой проведения электродинамических испытаний, рассмотрены в [7].

СХЕМА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема проведения электродинамических испытаний силового трансформатора Т в однофазном режиме с использованием ВСПК.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема электродинамических испытаний двухобмоточного трансформатора в однофазном режиме

Силовая схема ВСПК должна содержать две встречно направленные цепочки из n последовательно соединенных фототиристоров. Шкаф управления (ШУ) по сигналу «Пуск» формирует серию управляющих импульсов, которые по световодам передаются на потенциал ВСПК. Количество управляющих импульсов определяет количество положительных и отрицательных полупериодов тока в опыте КЗ. По сигналу «Стоп» серия управляющих импульсов прекращается, завершается опыт КЗ. Сигналы трансформатора напряжения TV обеспечивают синхронизацию моментов включения ВСПК.

Относительная величина установившегося тока КЗ трехфазного трансформатора в двухобмоточном режиме при искусственном закорачивании выводов на стороне низкого напряжения определяется выражением:

, (1)

где u_К% – напряжение КЗ испытуемого трансформатора, выраженное в процентах;
I_НОМ, S_НОМ – номинальный ток и номинальная мощность испытуемого силового трансформатора;
S_С – мощность КЗ питающей сети на шинах испытательного стенда.

В именованных единицах действующие значения установившегося тока КЗ при электродинамических испытаниях широкой номенклатуры силовых трансформаторов составят ≈ 1–18 кА по стороне высшего напряжения. В общем случае электродинамические испытания могут предусматривать воздействие на испытуемый трансформатор установившегося тока КЗ с наложением апериодической составляющей с нормированным значением ударных коэффициентов. Для мощных трансформаторов обычно принимают значение к_УД = 1,8, хотя в отдельных случаях возможны и более высокие значения (до к_УД = 2,5).

В качестве примера в табл. 1 представлены основные параметры низкочастотных тиристоров производства ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) с электрическим (Т193-2000) и прямым световым (ТФ183-2000) управлением [8], способных коммутировать указанные токи. Выбранные СПП имеют таблеточную конструкцию (корпус press-pack), наиболее удобную для изготовления высоковольтных конструкций, и практически одинаковый диаметр кремниевой пластины (≈ 100 мм).

Таблица 1. Сравнительная характеристика коммутационной способности тиристоров с электрическим и прямым световым управлением

Параметр	Тип прибора
	LTT ТФ183 – 2000	ЕТТ Т193 – 2000
Номинальное напряжение, кВ	UDRM / URRM 6,5/7,0	UDRM / URRM 6,6/6,6
Номинальный ток, А	ITAV 2115 (70 °С)	ITAV 2470 (85 °С)
Ударный ток, кА	ITSM 40 (10 мс)	ITSM 54 (10 мс)
Критическая скорость нарастания напряжения, В/мкс	5000	2000
Критическая скорость нарастания тока, А/мкс	300	300
Заряд восстановления, мкКл	5000	6000
Время включения, мкс	5,0	6,0
Время выключения, мкс	630	800
Номинальная коммутируемая мощность, МВА	UDRM · ITAV 13,7475	UDRM · ITAV 16,302
Ударная коммутируемая мощность, МВА	UDRM · ITSM 260	UDRM · ITSM 356,4

U_DRM / U_RRM – повторяющееся импульсное прямое и обратное напряжение тиристора в закрытом состоянии;
I_TAV – средний ток тиристора в открытом состоянии;
I_TSM – ударный неповторяющийся ток тиристора в открытом состоянии.

Как видно из табл. 1, по коммутационной способности и динамическим параметрам (критическая скорость нарастания напряжения, заряд восстановления, время включения и выключения) фототиристоры вполне сопоставимы с традиционными низкочастотными тиристорами.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Для успешного окончания опыта КЗ, ВСПК должен выдержать приложение восстанавливающегося напряжения, которое характеризуется двумя параметрами – амплитудным значением (U_B) и скоростью нарастания (du_B / dt). Указанные характеристики восстанавливающегося напряжения существенно зависят от динамических параметров СПП, приведенных в табл. 1 [9].

На рис. 2а показана упрощенная схема замещения, позволяющая моделировать различные режимы выключения ВСПК в зависимости от вида используемых СПП, наличия или отсутствия демпфирующей RC-цепи. На рис. 2б показаны графики изменения тока КЗ I_K вблизи момента перехода через нулевое значение и восстанавливающегося напряжения с учетом прохождения обратного тока в интервале t₁–t₃, характерного для тиристоров (фототиристоров).

Рис. 2. Схема замещения (а) для расчета восстанавливающегося напряжения (б) на ВСПК после окончания опыта КЗ

а)

б)

x_C, x_T – эквивалентное индуктивное сопротивление сети и индуктивная составляющая сопротивления КЗ испытуемого трансформатора;
R_Д, C_Д – сопротивление и емкость демпфирующей RC-цепи ВСПК;
i_rr(t) = I_rr · exp(t / τ_rr) – источник тока, моделирующий протекание спадающего тока в интервале t₂–t₃ обратного восстановления СПП;
I_rr – амплитуда обратного тока;
τ_rr – постоянная времени, характеризующая скорость спада обратного тока в интервале t₂–t₃ обратного восстановления;
U_СФ – амплитуда фазного напряжения на шинах испытательного стенда;
Q_rr – заряд восстановления силовых полупроводниковых приборов.

В общем случае восстанавливающееся напряжение на выводах ВСПК имеет колебательный характер и определяется выражением:

L_С – эквивалентная индуктивность сети;
L_T – индуктивность КЗ испытуемого трансформатора.

Для СПП, находившегося в проводящем состоянии, восстанавливающееся напряжение имеет отрицательный знак, поскольку ток КЗ отстает на ≈ π / 2 от напряжения на шинах испытательного стенда.

Для СПП, не проводившего ток в последний полупериод опыта КЗ, восстанавливающееся напряжение имеет положительную полярность.

Если в качестве СПП используются мощные фототиристоры, то необходимо ограничивать скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, которая не должна превышать критического для данного прибора значения (табл. 1). В противном случае возможно прожигание тиристорной структуры в результате неконтролируемого включения локальной области кремниевой пластины. При последовательном соединении достаточно неконтролируемого включения одного прибора для инициирования лавинообразного неконтролируемого включения ВСПК в целом.

Амплитуда восстанавливающегося напряжения может принимать значения U_B ≥ 2 · U_СФ даже при наличии демпфирующей цепи за счет, как видно из выражения (2), дополнительной составляющей напряжения U_rr, обусловленной прохождением обратного тока I_rr. Выражение (2) позволяет определить также и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, которое принимает максимальное значение в начальный момент времени:

. (5)

При отсутствии демпфирующей цепи (R_Д = 0, С_Д = С_В) угловая частота изменения восстанавливающегося напряжения имеет максимальное значение:

,

где С_В – собственная емкость конструкции ВСПК,
а выражение (5) преобразуется к виду:

.

Поскольку С_В K С_Д, то при отсутствии демпфирующей цепи скорость нарастания восстанавливающегося напряжения существенно возрастает и может многократно превысить критическое значение.

Выражения (2)–(4) позволяют по характеристикам выключения (Q_rr, I_rr, τ_rr,) определить параметры демпфирующей цепи, обеспечивающей формирование траектории восстанавливающегося напряжения с допустимым уровнем как амплитуды (U_B), так и скорости нарастания du_B / dt.

Таким образом, независимо от вида используемого СПП необходимо ограничивать амплитуду и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения. Для этого требуется демп- фирующая RC-цепь, которую рациональнее ввести в состав ВСПК. В этом случае дополнительно решается задача равномерного деления напряжения между СПП как в закрытом состоянии, так и на интервалах коммутации [10, 11].

СИЛОВАЯ СХЕМА ВСПК НА ФОТОТИРИСТОРАХ

На рис. 3 показана силовая схема ВСПК, реализованная на фототиристорах VS₁⁽⁺⁾ … VS_n⁽⁺⁾, образующих ветвь для протекания положительной полуволны тока КЗ, фототиристорах VS₁^(–) … VS_n^(–), образующих ветвь для протекания отрицательной полуволны тока КЗ, и общей демпфирующей цепи R₁C₁ … R_nC_n, обеспечивающей также равномерное деление напряжения.

Рис. 3. Силовая схема ВСПК на фототиристорах

В составе ВСПК целесообразно использовать мощные высоковольтные фототиристоры типа ТФ183–2000, которые обладают высокой перегрузочной способностью (табл. 1). Это позволяет минимизировать количество фототиристоров в составе ВСПК, способного осуществить полный коммутационный цикл без параллельного соединения приборов.

Для включения фототиристора ТФ183–2000 достаточно оптического сигнала мощностью 40 мВт и длительностью 10 мкс. При этом время задержки включения фототиристора не превышает 5 мкс (табл. 1). Управляющий импульс передается к светочувствительной области кремниевой структуры через оптоволоконный световод, который оптическими разъемами соединяется одним концом с корпусом фототиристора, а другим – с лазерным диодом в ШУ. Для одновременного включения последовательно соединенных фототиристоров целесообразно использовать последовательное соединение лазерных диодов, подключенных к общему электрическому драйверу. Затухание оптического сигнала в световоде весьма незначительно, поэтому длина световода может быть выбрана только по условию обеспечения необходимой высоковольтной гальванической развязки между силовой схемой ВСПК и ШУ.

В кремниевую структуру фототиристора ТФ183–2000 интегрирована защита от пробоя при прямых перенапряжениях, которая формирует внутренний сигнал управления и включает фототиристор при увеличении прямого напряжения до уровня 6,5 кВ (табл. 1). Интегрированная защита от пробоя позволяет практически полностью отказаться от электронных компонентов в канале управления, размещенных на высоком потенциале, и предельно упростить силовую схему ВСПК.

ВЫВОДЫ

1. Совокупность таких параметров единичных приборов, как величина коммутационной мощности, заряда восстановления, времени включения и выключения, позволяет использовать фототиристоры в составе ВСПК и повысить точность синхронизации опытов КЗ.
2. Для безопасного окончания опыта КЗ необходимо формировать траекторию восстанавливающегося напряжения с учетом ограничений не только по амплитуде, но и по скорости нарастания с помощью демпфирующей RC-цепи, введенной в состав ВСПК.
3. ВСПК с максимальной величиной ударной коммутационной мощности при минимальном количестве СПП и наиболее простой силовой схеме реализуется на базе фототиристоров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хренников А.Ю. Проблема электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Промышленная энергетика. 2008. № 9.
2. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Мощный испытательный центр в России. Технические и организационные факторы // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3(75).
3. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Электродинамические испытания для повышения надежности трансформаторно-реакторного оборудования (ТРО), существующая испытательная база и возможности испытаний ТРО в будущем // ЭЛЕКТРО. 2012. № 5.
4. Хренников А.Ю., Кувшинов А.А. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ на Федеральном испытательном центре // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные решения и современные технологии эксплуатации трансформаторного оборудования высокого напряжения». СПб.: ПЭИПК, октябрь 2013.
5. Дементьев Ю.А., Смекалов В.В., Шакарян Ю.Г., Хренников А.Ю., Кувшинов А.А. О создании Федерального испытательного центра. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ // Новости ЭлектроТехники. 2014. № 1(85).
6. Portales E., Filion Y., Mercier A. Transformer-controlled switching taking into account residual flux-modelling transformers for realistic results in system studies// RECIFE 2011, p. 68.
7. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Высоковольтный тиристорный вентиль для электродинамических испытаний силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2014. № 2.
8. Конюхов А.В., Веселова И.М., Мартыненко В.А., Хапугин А.А., Гришанин А.В. Отечественные высоковольтные мощные фототиристоры с интегрированной самозащитой от пробоя // Электричество. 2011. № 10.
9. Абрамович М.И., Бабайлов В.М., Либер В.Е., Сакович А.А., Шпер В.Л. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. М.: Энергоатомиздат, 1992.
10. Хренников А.Ю., Кувшинов А.А. Национальные испытательные стенды. Испытания силовых трансформаторов на электродинамическую стойкость к токам КЗ // Новое в российской электроэнергетике. 2014. № 11.
11. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Оборудование для электродинамических испытаний трансформаторов. Высоковольтный сильноточный полупроводниковый ключ // Новости ЭлектроТехники. 2014. № 5(89).