Проблемы защиты в сетях постоянного тока

Защита сетей постоянного тока высокого напряжения - это сложная инженерная задача, представляющая предмет интенсивных исследований этой новой концепции. В настоящее время изучается ряд возможных решений, как противоположных друг другу, так и объединенных.

При переходе к крупным электрическим сетям, способным передавать электроэнергию на большие расстояния, например из мест производства электроэнергии в места ее потребления, по техническим и экономическим причинам применение постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предпочтительнее традиционного использования переменного тока. Однако такой переход поднимает несколько фундаментальных проблем, особенно в области защиты и управления сетью постоянного тока. Эти проблемы требуют новых направлений исследований.

Чем сеть постоянного тока отличается от сети переменного тока, и как это влияет на стратегию ее защиты?

С точки зрения защиты сети, в случае короткого замыкания, прерывание постоянного тока представляет, в отличие от прерывания переменного тока, принципиальную техническую проблему. Постоянный ток не имеет естественного нулевого значения тока, дающего возможность прервать поток электроэнергии. Для прерывания токов короткого замыкания, можно использовать специальные высоковольтные выключатели для постоянного тока. Однако энергия, вызванная коротким замыканием, должна быть рассеяна самим выключателем, что делает его более сложным устройством по сравнению с выключателем переменного тока. Более того, защита сети постоянного тока требует разработки новых систем обнаружения короткого замыкания, которые должны действовать во много раз быстрее, чем это требуется для систем переменного тока. Это связано с малой инерцией системы постоянного тока, вызывающей быстрое распространение по сети последствий короткого замыкания.

Также следует учитывать и то, что, в отличие от систем переменного тока, поступающего от синхронного оборудования, имеющего присущие ему характеристики переходных перегрузок, преобразователи постоянного тока высокого напряжения должны очень быстро защищать себя от возможно высоких токов короткого замыкания, возникающих в результате отказов сети постоянного тока. В случае если преобразователи способны "блокировать короткое замыкание", это приведет к временному отключению всей сети постоянного тока, на период, пока не будет изолировано (или устранено) короткое замыкание. В противном случае, если (как это распространено сегодня) преобразователь не "блокирует короткое замыкание", то будет срабатывать защита преобразователя на стороне переменного тока, в результате чего вся сеть постоянного тока будет отключена.

Типичная сеть постоянного тока

В связи с вышеизложенным, возникает вопрос, какие основные задачи нужно решать, для зашиты сетей постоянного тока высокого напряжения?

При реализации защиты в сетях HVDC необходимо учитывать следующие аспекты: скорость, избирательность и временные задержки. Высокая скорость требуется в первую очередь: выключатель системы постоянного тока должен размыкать ток высокого напряжения очень быстро (намного быстрее, чем цикл частоты в системе переменного тока). Это связано с быстрым увеличением энергии, которую необходимо рассеять. Общее время отключения для защиты переменного тока не должно превышать одну миллисекунду (включая и время задержки срабатывания привода в цепи). Вторая задача, избирательность, связана с идентификацией участка сети, где произошло короткое замыкание. В отличие от простой линии постоянного тока высокого напряжения, соединяющей две точки, электрическая сеть постоянного тока состоит из несколько таких линий. В такой сети защита должна отключать только ту линию, в которой появилось короткое замыкание. Наконец, третья проблема связана с большой длиной типичной линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения. Протяженность линии приводит к относительно долгой задержке передачи сигнала, что, в свою очередь, замедляет дифференциальную защиту, делая ее более медленной, чем требует сеть постоянного тока.

Учитывая эти соображения, инженеры видят ряд возможных подходов использования выключателей HVDC для обеспечения быстрой изоляции короткого замыкания. Одним из них является применение к сетям постоянного тока той же самой философии и таких же принципов защиты, какие применяются в системах переменного тока, адаптировав их к новой цели. Второй подход, концепция "открытой сети", предполагает, что выключатели разрывают сеть независимо и мгновенно при появлении в сети короткого замыкания, на основе только местных измерений, а затем избирательно восстанавливают сеть в частях, не связанных с коротким замыканием. Еще один подход заключается в применении преобразователей, "блокирующих короткое замыкание". Такие преобразователи могли бы минимизировать применение выключателей HVDC, хотя эти выключатели все еще должны работать по новым алгоритмам, чтобы локализовывать короткие замыкания внутри сети постоянного тока, позволяя быстро изолировать их до того, как будет восстановлена передача электроэнергии через неповрежденные участки сети.