Низкозатратное решение с низкими потерями для бесдугового выключателя постоянного тока для железнодорожного транспорта
I. Обзор решения
Это решение удовлетворяет потребности в защите DC-систем (особенно систем питания тяги железнодорожного транспорта) от коротких замыканий, предлагая решение на основе оптимизированной структуры механического выключателя. Оно обеспечивает бесдуговое прерывание через управление напряжением конденсатора, сочетая низкие потери в режиме проводимости и высокую надежность, что делает его подходящим для сценариев частого использования.
II. Основные принципы
Использует быструю топологию механического переключателя в сочетании с заряженными конденсаторами и ограничителями перенапряжения:
- Работа в установившемся режиме: Ток проходит через механический переключатель (основная цепь), сопротивление в режиме проводимости находится на уровне микроом, что приводит к крайне низким потерям.
- Прерывание при аварии:
• При обнаружении короткого замыкания механический переключатель быстро открывается.
• Включается модуль конденсатора, управляющий напряжением на механическом переключателе, чтобы оно оставалось ниже порога возникновения дуги, что позволяет осуществлять бесдуговое прерывание.
• Короткозамкнутый ток перенаправляется в параллельную цепь конденсатора и ограничителя перенапряжения, где ограничитель поглощает энергию и подавляет перенапряжение.
III. Технические параметры
|
Параметр |
Значение/Характеристика |
|
Время прерывания |
<10 мс |
|
Номинальный ток |
800А - 5000А (возможно изготовление на заказ) |
|
Потери в режиме проводимости |
Сопротивление на уровне микроом, типичное значение ≤50 мкОм |
|
Частота операций |
≥200 коммутаций в день |
|
Применяемое напряжение |
DC 1.5кВ/3кВ (железнодорожный транспорт) |
IV. Применимые сценарии
• Системы питания тяги железнодорожного транспорта: соответствуют требованиям частых коммутаций и низких потерь.
• Городские сети распределения постоянного тока: защита от аварий в средневольтных и низковольтных DC-системах.
• Промышленные системы питания постоянного тока: применение, требующее высокой надежности.
V. Преимущества и ограничения
Преимущества:
- Низкие потери в режиме проводимости: Механический переключатель остается проводящим в нормальном режиме работы, избегая проблем нагрева полупроводников.
- Управляемые затраты: Отсутствует необходимость в полностью твердотельных коммутационных устройствах, что делает его более экономически выгодным по сравнению с гибридными выключателями.
- Бесдуговое прерывание: Активное подавление дуги через управление напряжением конденсатора продлевает срок службы переключателя.
Ограничения:
- Требования к емкости: Высоковольтные модули конденсаторов объемны, что требует оптимизации дизайна в зависимости от напряжения системы.
- Время передачи тока: Зависит от потребления энергии ограничителем, что приводит к немного более медленной передаче короткозамкнутого тока по сравнению с полностью твердотельными решениями.
- Необходимость обслуживания: Механические компоненты требуют периодического обслуживания, хотя и реже, чем традиционные выключатели.
VI. Рекомендации по внедрению
- Выбор конденсаторов: Используйте многомодульные параллельные группы конденсаторов для балансировки точности управления напряжением и ограничений по размеру.
- Оптимизация привода: Обеспечьте высокоскоростные механизмы привода (например, электромагнитные репульсионные механизмы) для гарантированного времени реакции прерывания <2 мс.
- Конфигурация ограничителя: Выберите нелинейные резисторы (МОВ) с поглощающей энергией, рассчитанной на основании короткозамкнутой мощности системы.
VII. Заключение
Это решение объединяет инновации в механической структуре с управлением напряжением конденсатора, чтобы достичь низкой стоимости, низких потерь и бесдугового прерывания в DC-выключателях. Оно особенно подходит для сценариев частого использования, таких как железнодорожный транспорт, предоставляя надежный путь защиты от аварий в средневольтных и низковольтных DC-системах.
