RU166768U1

RU166768U1 - UNIVERSAL HIGH VOLTAGE SWITCH-CONVERTER

Info

Publication number: RU166768U1
Application number: RU2016115477/07U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Криштоп
Original assignee: Анатолий Михайлович Криштоп
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2016-12-10

Abstract

1. Универсальный высоковольтный выключатель-преобразователь, характеризующийся тем, что его унифицированная фаза или полюс включает в себя первый высоковольтный электрический ввод, подключенный через щеточный аппарат к узлу коммутации, корпус которого заполнен любым известным инертным газом, содержащему электромеханический модулятор величин расстояния в двух междуговых промежутках, состоящий из общей оси, приводимой во вращение электродвигателем, на которой закреплены в противофазе два сегмента из электропроводного материала с низким электрическим сопротивлением в форме правильного полукруга, щеточный аппарат узла коммутации для подключения первого высоковольтного электрического ввода, расположенные напротив первого сегмента неподвижный электрический контакт первого междугового промежутка, а напротив второго сегмента - неподвижный электрический контакт второго междугового промежутка, радиоактивный ионизатор для зажигания электрической дуги в первом междуговом промежутке, радиоактивный ионизатор для зажигания электрической дуги во втором междуговом промежутке, второй высоковольтный электрический ввод, подключенный к неподвижному контакту первого междугового промежутка, третий высоковольтный электрический ввод, подключенный к неподвижному контакту второго междугового промежутка.2. Универсальный высоковольтный выключатель-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что корпус узла коммутации заполнен дешевым инертным газом, состоящим из сжатого до определенного давления воздуха, в котором кислород преобразован в углекислый газ для исключения окислительных процессов.3. Универсальный1. A universal high-voltage circuit breaker-converter, characterized in that its unified phase or pole includes a first high-voltage electrical input connected through a brush apparatus to a switching unit, the housing of which is filled with any known inert gas containing an electromechanical modulator of distance values in two gaps , consisting of a common axis, driven by an electric motor, on which two segments of an electrically conductive material with a bottom are fixed in antiphase electrical resistance in the form of a regular semicircle, a brush apparatus of the switching unit for connecting the first high-voltage electrical input, located opposite the first segment is the stationary electrical contact of the first mid-gap, and opposite the second segment is the fixed electrical contact of the second mid-gap, a radioactive ionizer to ignite the electric arc in the first interstitial gap, a radioactive ionizer for igniting an electric arc in the second interstitial ezhutke, the second high-voltage electric input connected to a first fixed contact interarc period, the third high-voltage electric input connected to a second fixed contact interarc promezhutka.2. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that the switching unit housing is filled with cheap inert gas, which consists of compressed air to a certain pressure, in which oxygen is converted to carbon dioxide to eliminate oxidative processes. 3. Universal

Description

Заявленное техническое решение относится к области энергетики и может быть использовано для создания сильноточных высоковольтных универсальных аппаратов, способных работать как высоковольтный сверхбыстродействующий выключатель или как высоковольтный преобразователь: выпрямитель или инвертор. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.The claimed technical solution relates to the field of energy and can be used to create high-current high-voltage universal devices that can operate as a high-voltage ultra-fast switch or as a high-voltage converter: rectifier or inverter. 6 c.p. f-ly, 4 ill.

Из уровня техники известны различные типы высоковольтных выключателей. В конце прошлого столетия в мировой энергетике произошел прорыв в технологиях коммутационных аппаратов высокого напряжения. Масляные и воздушные выключатели стали постепенно уступать место вакуумным и элегазовым выключателям. Это объясняется отличными дугогасящими свойствами вакуума, а также газа с химической формулой SF6, именуемого элегазом, и повышенной безопасностью эксплуатации коммутационного оборудования с их применением. И хотя вакуумное и элегазовое оборудование недешево, пока что не найден достойный конкурент средам гашения дуги - вакууму и элегазу [1, 2, 3]. Хотя, как известно, электрическая прочность воздуха при повышении давления до 4 МПа значительно возрастает «Импульсная энергетика и электроника / Г. А. Месяц. - М.: Наука, 2004. - 704 с». При этом общий недостаток всех известных конструкций высоковольтных выключателей - это сравнительно низкое быстродействие, которое не позволяет отключать и включать высоковольтный выключатель за время не более одного полупериода промышленной частоты и это не позволяет использовать эти устройства в качестве универсальных коммутирующих элементов, которые могут быть использованы также в высоковольтных преобразовательных системах. Гораздо большим быстродействием отличаются электронные аппараты, которые уже могут быть использованы в качестве универсальных высоковольтных коммутирующих элементов и создание сильноточных электронных аппаратов является одним из перспективных направлений в области развития электроэнергетики. Принцип действия этих устройств основан на использовании характеристик полупроводниковых приборов, что позволяет создавать не только коммутационные аппараты, аналогичные существующим, с улучшенными характеристиками, но и аппараты с новыми возможностями. Научно-Исследовательский Институт Электроэнергетики (США) объявил о работах по созданию высоковольтного полупроводникового бесконтактного токоограничивающего выключателя (далее - ПБТВ) и его внедрению в массовое производство. Причем создаваемый ПБТВ будет рассчитан на номинальное напряжение 138 кВ, а для массового производства планируется разработать его аналоги и на среднее и более высокие напряжения вплоть до 600 кВ. Стоимость разработки и изготовления опытного образца ПБТВ оценивается примерно в 400 000-500 000 долларов, а время его реализации составит 2-3 года [4]. Недостатки выключателей такого типа высокая общая стоимость и неспособность использования на напряжении более 600 кВ переменного тока, а также для конструкций выключателей постоянного тока. Также известно, что интенсивно ведут разработки эффективных высоковольтных полупроводниковых выключателей для высоковольтных линий постоянного тока европейские компании АББ, Сименс и Альстом. Для переменного тока такая техника существует, а для постоянного нет и выключатели цепи постоянного тока высокого напряжения более сложны по конструкции, так как требуют наличия какого - либо механизма, встроенного в выключатель, для обнуления тока, иначе будет образовываться дуга, и износ контакта был бы слишком большим, чтобы обеспечить надежное переключение с возможностью множественных подключений к линиям электропередач постоянного тока для электроснабжения индивидуальных потребителей. Кроме того, для более интенсивного развития сетей с линиями электропередач постоянного тока требуется решить ряд проблем с преобразовательными подстанциями для линий электропередач постоянного тока. Как известно, одним из основных устройств преобразовательной подстанции является преобразовательный мост и его главный элемент - высоковольтный управляемый вентиль. Первые электропередачи постоянного тока, построенные в 50-60-х годах XX в., выполнялись с использованием высоковольтных ртутных вентилей. На некоторых электропередачах эти вентили используются и по настоящее время. Однако эти вентили обладают рядом крупных недостатков, определяемых физикой происходящих в них процессов, большой частотой обратных зажиганий и токсичностью ртути. Указанные недостатки, а также большие габариты и сложность систем охлаждения и управления не позволяют использовать ионные приборы и других типов в качестве универсальных высоковольтных коммутирующих элементов, которые могут быть использованы также в высоковольтных выключателях. После создания достаточно мощных кремниевых управляемых вентилей - тиристоров в 70-х годах XX в. все новые электропередачи и вставки постоянного тока сооружаются только на их основе. Мощность, которую может преобразовать единичный тиристор, в настоящее время составляет 500-1000 кВт при напряжении, которое он способен выдержать в закрытом состоянии, 4-5 кВ (последние образцы до 7 кВ). Этого недостаточно для мощных преобразовательных мостов с напряжением в сотни киловольт. Поэтому для создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ) с необходимыми параметрами по напряжению прибегают к последовательному соединению единичных тиристоров. При этом количество тиристоров в этой последовательной цепочке может достигать нескольких сотен. К параллельному соединению тиристоров сейчас не прибегают, поскольку современные тиристоры способны пропустить необходимый ток. Недостатки ВТВ: большие размеры и необходимость отчуждения больших земельных участков для преобразовательных подстанций, общая сложность конструкции, включая системы водяного охлаждения и световодного управления тиристорами и как следствие низкая общая надежность, с необходимостью вывода из работы для замены поврежденных блоков ВТВ, высокая общая стоимость преобразовательных подстанций такого типа, а также технико-экономическая нецелесообразность использования для электроустановок на напряжение выше 1000 кВ.Various types of high voltage circuit breakers are known in the art. At the end of the last century, a breakthrough in the technology of high-voltage switching devices occurred in the global energy industry. Oil and air switches gradually began to give way to vacuum and gas-insulated switches. This is due to the excellent arc suppressing properties of vacuum, as well as gas with the chemical formula SF6, called SF6, and the increased safety of the operation of switching equipment with their use. And although vacuum and gas-insulated equipment is not cheap, no worthy competitor has yet been found for arc extinguishing media - vacuum and gas-insulated gas [1, 2, 3]. Although, as you know, the electric strength of air increases significantly with increasing pressure to 4 MPa "Pulse energy and electronics / G. A. Mesyats. - M .: Nauka, 2004. - 704 s. At the same time, a common drawback of all known designs of high-voltage circuit breakers is their relatively low speed, which does not allow switching off and turning on the high-voltage circuit breaker during no more than one half-cycle of industrial frequency and this does not allow the use of these devices as universal switching elements, which can also be used in high voltage conversion systems. The electronic devices, which can already be used as universal high-voltage switching elements, are characterized by much greater speed, and the creation of high-current electronic devices is one of the promising directions in the field of development of the electric power industry. The principle of operation of these devices is based on the use of the characteristics of semiconductor devices, which allows you to create not only switching devices similar to existing ones with improved characteristics, but also devices with new capabilities. The Electric Power Research Institute (USA) announced the work on the creation of a high-voltage semiconductor non-contact current-limiting circuit breaker (hereinafter - PBTV) and its implementation in mass production. Moreover, the created PBTV will be designed for a nominal voltage of 138 kV, and for mass production it is planned to develop its analogues for medium and higher voltages up to 600 kV. The cost of developing and manufacturing a prototype PBTV is estimated at approximately $ 400,000-500,000, and its implementation time will be 2-3 years [4]. The disadvantages of this type of circuit breaker are the high overall cost and inability to use alternating current at a voltage of more than 600 kV, as well as for DC circuit breaker designs. It is also known that the European companies ABB, Siemens and Alstom are developing intensively the development of efficient high-voltage semiconductor switches for high-voltage direct current lines. For alternating current, such a technique exists, but for constant there is no, and high-voltage DC circuit breakers are more complex in design, since they require some mechanism built into the switch to reset the current, otherwise an arc would form and contact wear would be too large to provide reliable switching with the possibility of multiple connections to DC power lines to power individual consumers. In addition, for a more intensive development of networks with direct current power lines, it is necessary to solve a number of problems with converter substations for direct current power lines. As you know, one of the main devices of the converter substation is the converter bridge and its main element is a high-voltage controlled valve. The first direct current power transmission, built in the 50-60s of the XX century, was carried out using high-voltage mercury valves. On some power lines, these valves are still in use today. However, these valves have a number of major drawbacks determined by the physics of the processes occurring in them, the high frequency of reverse ignitions, and the toxicity of mercury. These shortcomings, as well as the large size and complexity of the cooling and control systems, do not allow the use of ionic devices of other types as universal high-voltage switching elements, which can also be used in high-voltage circuit breakers. After the creation of sufficiently powerful silicon controlled valves - thyristors in the 70s of the XX century. all new power transmission and DC inserts are built only on their basis. The power that a single thyristor can convert is currently 500-1000 kW at a voltage that it can withstand in the closed state, 4-5 kV (last samples up to 7 kV). This is not enough for powerful converter bridges with a voltage of hundreds of kilovolts. Therefore, to create high-voltage thyristor valves (VTB) with the necessary voltage parameters, they resort to a series connection of single thyristors. In this case, the number of thyristors in this sequential chain can reach several hundred. They do not resort to parallel connection of thyristors, since modern thyristors are able to pass the necessary current. Disadvantages of VTV: large sizes and the need to alienate large land plots for converter substations, the overall complexity of the design, including water cooling systems and fiber-optic control of thyristors and, as a consequence, low overall reliability, with the need to decommission for replacement of damaged VTB blocks, high total cost of converter substations of this type, as well as technical and economic inexpediency of use for electrical installations at voltages above 1000 kV.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению и поэтому принятым за прототип, является авторское свидетельство на изобретение СССР №120270 от 21.06.1958 г. «Ртутный вентиль» Автор: Л.С. Горенбург. Прототип состоит из анода, катода, анода возбуждения и ионизатора, представляющего собой радиоактивное соединение или элемент, создающего начальную ионизацию, необходимую для развития дугового разряда. Недостатками прототипа являются большая частота обратных зажиганий и токсичность ртути, большие габариты и сложность систем охлаждения и управления, а также отсутствие устройства модуляции величины дугового промежутка, что не позволяют использовать ионные приборы таких типов в качестве универсальных высоковольтных коммутирующих элементов, которые могут быть использованы не только в преобразовательной технике, но и также в высоковольтных выключателях.The closest in technical essence to the claimed technical solution and therefore adopted as a prototype is the copyright certificate for the invention of the USSR No. 120270 dated 06/21/1958 "Mercury valve" Author: L.S. Gorenburg. The prototype consists of an anode, cathode, excitation anode and ionizer, which is a radioactive compound or element that creates the initial ionization necessary for the development of an arc discharge. The disadvantages of the prototype are the high frequency of reverse ignitions and toxicity of mercury, the large size and complexity of cooling and control systems, as well as the absence of a modulation device for the magnitude of the arc gap, which does not allow the use of ionic devices of these types as universal high-voltage switching elements that can be used not only in converter technology, but also in high voltage circuit breakers.

Таким образом, остается актуальной задача создания простого, недорогого, надежного и быстродействующего высоковольтного коммутационного аппарата, способного отключать и включать ток нагрузки за время не более одного полупериода промышленной частоты при напряжении до 2000 кВ и позволяющего создавать не только высоковольтные выключатели с улучшенными характеристиками универсального использования для переменного и постоянного токов, но и высоковольтные коммутационные аппараты с новыми возможностями, которые можно использовать в качестве главных элементов преобразовательных мостов на универсальных преобразовательных подстанциях для подключения линий электропередач постоянного и переменного токов.Thus, the task of creating a simple, inexpensive, reliable and fast-acting high-voltage switching device that can turn off and turn on the load current for no more than one half-cycle of industrial frequency at voltages up to 2000 kV and allowing to create not only high-voltage circuit breakers with improved characteristics of universal use for alternating and direct currents, but also high-voltage switching devices with new features that can be used as the main elements of converter bridges at universal converter substations for connecting direct and alternating current power lines.

Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное техническое решение, является создание простого, недорогого, надежного и быстродействующего высоковольтного коммутационного аппарата, способного отключать и включать ток нагрузки за время не более одного полупериода промышленной частоты при напряжении до 2000 кВ и позволяющего создавать не только высоковольтные выключатели с улучшенными характеристиками универсального использования для переменного и постоянного токов, но и высоковольтные коммутационные аппараты с новыми возможностями, которые можно использовать в качестве главных элементов преобразовательных мостов на универсальных преобразовательных подстанциях для подключения линий электропередач постоянного и переменного токов.The objective of achieving the technical result, to which the claimed technical solution is directed, is to create a simple, inexpensive, reliable and high-speed high-voltage switching device that can disconnect and turn on the load current for no more than one half-cycle of industrial frequency at voltages up to 2000 kV and allows you to create not only high-voltage circuit breakers with improved characteristics of universal use for alternating and direct currents, but also high-voltage switching devices with new capabilities that can be used as the main elements of converter bridges at universal converter substations for connecting direct and alternating current power lines.

Для решения поставленной задачи (достижения технического результата) предлагается универсальный высоковольтный выключатель - преобразователь, характеризующийся тем, что унифицированная фаза или полюс которого включают в себя первый высоковольтный электрический ввод, подключенный через щеточный аппарат к узлу коммутации, корпус которого заполнен любым известным инертным газом, содержащему электромеханический модулятор величин расстояния в двух междуговых промежутках, состоящий из общей оси, приводимой во вращение электродвигателем, на которой закреплены в противофазе два сегмента, из электропроводного материала с низким электрическим сопротивлением, в форме правильного полукруга, щеточный аппарат узла коммутации для подключения первого высоковольтного электрического ввода, и расположенные, напротив первого сегмента, неподвижный электрический контакт первого междугового промежутка, а напротив второго сегмента, неподвижный электрический контакт второго междугового промежутка, радиоактивный ионизатор для зажигания электрической дуги в первом междуговом промежутке, радиоактивный ионизатор для зажигания электрической дуги во втором междуговом промежутке, второй высоковольтный электрический ввод, подключенный к неподвижному контакту первого междугового промежутка, третий высоковольтный электрический ввод, подключенный к неподвижному контакту второго междугового промежутка.To solve this problem (to achieve a technical result), a universal high-voltage switch is proposed - a converter, characterized in that the unified phase or pole of which includes a first high-voltage electrical input connected through a brush apparatus to a switching unit, the housing of which is filled with any known inert gas containing electromechanical modulator of distance values in two inter-gaps, consisting of a common axis, driven by the rotation of the electric motor m, on which two segments are mounted in antiphase, made of an electrically conductive material with low electrical resistance, in the form of a regular semicircle, a brush device of a switching unit for connecting the first high-voltage electrical input, and located, opposite the first segment, a stationary electrical contact of the first interstitial gap, and vice versa the second segment, a stationary electrical contact of the second interstitial gap, a radioactive ionizer for igniting an electric arc in the first interstage ezhutke radioactive ionizer for electrical ignition of the arc in the second gap interarc, the second high-voltage electric input connected to a first fixed contact interarc period, the third high-voltage electric input connected to a second fixed contact interarc gap.

Одним из вариантов исполнения является то, что корпус узла коммутации заполнен дешевым инертным газом, состоящим из сжатого до определенного давления воздуха, в котором кислород преобразован в углекислый газ для исключения окислительных процессов.One of the options is that the housing of the switching unit is filled with cheap inert gas, which consists of compressed air to a certain pressure, in which oxygen is converted to carbon dioxide to eliminate oxidative processes.

Другим отличием исполнения является то, что сегменты электромеханического модулятора величин расстояния в двух междуговых промежутках, выполнены в форме усеченного полукруга.Another difference in the design is that the segments of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gaps are made in the form of a truncated semicircle.

Следующим отличием исполнения является то, что ось вращения электромеханического модулятора величин расстояния в двух междуговых промежутках, приводится во вращение синхронным электродвигателем переменного тока, а в узле коммутации установлено дополнительное устройство контроля чередования фаз.The next difference in the design is that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two between-gap spaces is driven by the synchronous AC electric motor, and an additional phase rotation control device is installed in the switching unit.

Следующим отличием исполнения является то, что ось вращения электромеханического модулятора величин расстояния в двух междуговых промежутках, приводится во вращение асинхронным электродвигателем переменного тока.The next difference in the design is that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gaps is driven by an asynchronous AC electric motor.

Следующим отличием исполнения является то, что ось вращения электромеханического модулятора величин расстояния в двух междуговых промежутках, приводится во вращение электродвигателем постоянного тока.The next difference in the design is that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gaps is driven by a DC electric motor.

Следующим отличием исполнения является то, что к электромеханическому манипулятору величины расстояния двух междуговых промежутков подключены последовательно дополнительные полупроводниковые коммутирующие элементы.The next design difference is that additional semiconductor switching elements are connected in series to the electromechanical manipulator of the distance between the two inter-gaps.

Таким образам, полезная модель охватывает более десятка возможных вариантов конструкций высоковольтных выключателей с улучшенными характеристиками универсального использования для переменного и постоянного токов и высоковольтных коммутационных аппаратов с новыми возможностями регулирования и токового ограничения, которые можно использовать в качестве главных элементов обратимых преобразовательных мостов на универсальных преобразовательных подстанциях для подключения линий электропередач постоянного и переменного токов.Thus, the utility model covers more than a dozen possible designs of high-voltage circuit breakers with improved characteristics of universal use for alternating and constant currents and high-voltage switching devices with new regulation and current limiting capabilities that can be used as the main elements of reversible converter bridges at universal converter substations for connecting power lines of direct and alternating currents.

Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. Вариант трехфазного исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя переменного тока, который может выполнять функции высоковольтного выключателя или высоковольтного преобразователя показан на эскизе фиг. 1 (компоновочная схема установки на подстанции, высоковольтные ввода не показаны) и описываемый универсальный высоковольтный выключатель-преобразователь содержит узел коммутации 4 фазы А, узел коммутации 9 фазы В, узел коммутации 13 фазы С, каждый из которых содержит электромеханический модулятор величин расстояния в двух междуговых промежутках, соединенных в общую ось с фазовым сдвигом через 120 градусов для каждого узла коммутации, через поворот типовых фланцевых соединений 5, 10 соединяющих осевые изоляторы 8, 12, приводимую во вращение синхронными электродвигателями 1 и 15, подключенными к общей оси вращения через осевые изоляторы 2, 16 и вся сборочная конструкция смонтирована на опорных изоляторах 3, 6, 11, 14, 17 относительно монтажной поверхности 7. На эскизе фиг. 2 вариант устройства в режиме высоковольтного преобразователя и сборочный эскиз объединенных общей осью вращения синхронных электродвигателей 1 и 5, узлов коммутации 2, 3, 4 с электрическими вводами фазы A1, В1, С1 для сети переменного тока и с электрическими вводами +А2, +В2, +С2, подключаемыми к шине «+» сети постоянного тока и с электрическими вводами -A3, -В3, -С3, подключаемыми к шине « - » сети постоянного тока. Этот же вариант устройства может работать в режиме высоковольтного выключателя переменного тока при объединении вводов +А2 и A3 в фазу А нагрузки, +В2 и В3 в фазу В нагрузки, +С2 и С3 в фазу С нагрузки сети переменного тока. Все узлы коммутации выполнены унифицированными модулями и на эскизе фиг. 3 показана электромеханическая схема узла коммутации фазы А универсального высоковольтного выключателя - преобразователя переменного тока, где показаны синхронный электродвигатель 1, изолятор оси привода 2, узел коммутации 3, который содержит корпус 4, в котором размещены ось вращения 5, с боковыми фланцами 12 для объединения с узлами коммутации других фаз и синхронными электродвигателями. На оси вращения 5 размещены вращающиеся детали электромеханического модулятора величин расстояния в двух междуговых промежутках: например медный сегмент 7 в форме правильного 14 полукруга 15 для коммутации положительных полупериодов переменного тока, щеточный аппарат 8 узла коммутации 3 для подключения высоковольтного электрического ввода фазы A1 сети переменного тока, медный сегмент 11 в форме правильного полукруга, и сдвинутый по фазе относительно медного сегмента 7 на 180 градусов для коммутации отрицательных полупериодов переменного тока и расположенные напротив первого сегмента 7, неподвижный электрический контакт 6, первого междугового промежутка, который подключен к высоковольтному электрическому вводу А2 и неподвижный электрический контакт 13, второго междугового промежутка, который подключен к высоковольтному электрическому вводу A3. Сегменты 7 и 11 могут быть выполнены в виде правильного полукруга 15 с ровной торцевой поверхностью 14 или в виде усеченного полукруга с торцевыми поверхностями 16. При сборке всей конструкции трехфазного исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя переменного тока осуществляется фазовый сдвиг в 120 градусов между торцевыми поверхностями сегментов 17, 18 и 19. Для многофазных сетей угол фазового сдвига будет определяться числом фаз сети переменного тока. Напротив неподвижного электрического контакта 6 расположен радиоактивный ионизатор 9 для зажигания электрической дуги в первом междуговом промежутке, а напротив неподвижного электрического контакта 13 расположен радиоактивный ионизатор 10 для зажигания электрической дуги в втором междуговом промежутке. На эскизе фиг. 4 показана схема охлаждения для варианта трехфазного исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя переменного тока, где к узлам коммутации 1, 5, и 7 в нижней точке подключены трубопроводами к общему коллектору 2 холодного инертного газа и в верхней точке подключены трубопроводами к общему коллектору 7 горячего инертного газа, Холодный инертный газ подается по трубопроводу 3 из стандартной системы ресиверов 4 МПа и баллонов высокого давления 20 МПа - 4, в которую закачивают инертный газ компрессоры 6 компрессорной. Горячий инертный газ из общего коллектора 7 по трубопроводу 10 подается на теплообменник 9 и далее охлажденный инертный газ подается компрессорами 6 в стандартную систему ресиверов 4 МПа и баллонов высокого давления 20 МПа - 4, образуя таким образом замкнутую систему охлаждения - подпитка инертным газом требуется только для компенсации эксплуатационных утечек.The essence of the utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4. A three-phase embodiment of a universal high-voltage switch-converter of alternating current, which can perform the functions of a high-voltage switch or high-voltage converter, is shown in the sketch of FIG. 1 (the layout diagram of the installation at the substation, high-voltage inputs are not shown) and the described universal high-voltage switch-converter contains a switching unit 4 phase A, a switching unit 9 phase B, a switching unit 13 phase C, each of which contains an electromechanical modulator of the distance between two gaps connected to a common axis with a phase shift of 120 degrees for each switching node, through the rotation of typical flange joints 5, 10 connecting the axial insulators 8, 12, driven by rotation of the syn by chronic electric motors 1 and 15 connected to the common axis of rotation through axial insulators 2, 16 and the entire assembly structure is mounted on supporting insulators 3, 6, 11, 14, 17 relative to the mounting surface 7. In the sketch of FIG. 2 variant of the device in the mode of a high-voltage converter and an assembly sketch of synchronous motors 1 and 5, switching nodes 2, 3, 4 combined with a common axis of rotation, with electrical inputs of phases A1, B1, C1 for an alternating current network and with electrical inputs + A2, + B2, + C2, connected to the DC bus “+” and with electrical inputs -A3, -B3, -C3 connected to the DC bus “-”. The same version of the device can operate in the mode of a high-voltage AC switch when combining inputs + A2 and A3 into phase A of the load, + B2 and B3 into phase B of the load, + C2 and C3 into phase C of the AC mains load. All switching nodes are made by unified modules and in the sketch of FIG. 3 shows the electromechanical circuit of the phase A switching unit of the universal high-voltage switch - AC converter, which shows a synchronous motor 1, an insulator of the drive axis 2, a switching unit 3, which contains a housing 4 in which the rotation axis 5 is located, with side flanges 12 for integration with switching nodes of other phases and synchronous motors. On the axis of rotation 5, rotating parts of the electromechanical modulator of the distance values are located in two inter-gaps: for example, a copper segment 7 in the form of a regular 14 half circle 15 for switching positive half-periods of alternating current, a brush apparatus 8 of switching node 3 for connecting a high-voltage electrical input of phase A1 of the alternating current copper segment 11 in the form of a regular semicircle, and phase-shifted relative to copper segment 7 by 180 degrees for switching negative half-periods of alternating current ka and located opposite the first segment 7, a fixed electrical contact 6, the first mid-gap, which is connected to the high-voltage electrical input A2 and a fixed electrical contact 13, the second inter-gap, which is connected to the high-voltage electrical input A3. Segments 7 and 11 can be made in the form of a regular semicircle 15 with a flat end surface 14 or in the form of a truncated semicircle with end surfaces 16. When assembling the entire design of a three-phase design of a universal high-voltage AC switch-converter, a phase shift of 120 degrees between the end surfaces of the segments is carried out 17, 18 and 19. For multiphase networks, the phase shift angle will be determined by the number of phases of the AC network. Opposite the stationary electrical contact 6, there is a radioactive ionizer 9 for igniting an electric arc in the first inter-gap, and opposite the stationary electrical contact 13 is a radioactive ionizer 10 for igniting an electric arc in the second inter-arc. In the sketch of FIG. 4 shows a cooling circuit for a three-phase version of a universal high-voltage switch-converter for alternating current, where at the lower point the switching nodes 1, 5, and 7 are connected by pipelines to the common collector 2 of cold inert gas and at the upper point are connected by pipelines to the common collector 7 of hot inert gas, Cold inert gas is supplied through line 3 from the standard system of receivers 4 MPa and high pressure cylinders 20 MPa - 4, into which inert gas is pumped by compressor 6. Hot inert gas from the common collector 7 is supplied through pipeline 10 to the heat exchanger 9 and then the cooled inert gas is supplied by compressors 6 to the standard system of 4 MPa receivers and high pressure cylinders 20 MPa - 4, thus forming a closed cooling system - inert gas replenishment is required only for compensation for operational leaks.

Работа описанного по схемам фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 варианта трехфазного исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя переменного тока для варианта использования в качестве высоковольтного преобразователя (выпрямителя-инвертора) для связи систем переменного и постоянного токов осуществляется следующим образом.The operation of the circuits of FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 variants of three-phase execution of a universal high-voltage circuit breaker-converter of alternating current for a variant of use as a high-voltage converter (rectifier-inverter) for communication between alternating and direct current systems is as follows.

Предварительно выполнены следующие работы: поверка правильности сборки осей 8, 12, соединяющих электромеханические модуляторы величин расстояния в двух междуговых промежутках с фазовым сдвигом через 120 градусов для каждого узла коммутации 4 фазы А, 9 фазы В, 13 фазы С (фиг. 1). Система охлаждения узлов коммутации (фиг. 4) заполнена инертным газом под давлением 4 МПа, наиболее предпочтительным недорогим вариантом которого является обычный воздух, в котором для исключения окислительных процессов кислород преобразован в углекислый газ и для этого используется простое устройство, на входе теплообменника 9 (фиг. 4) установлена горелка природного газа с запальником и датчиком кислорода, которая при наличии кислорода автоматически зажигается и выжигает кислород воздуха (на эскизе фиг. 4 это устройство не показано) и горячий инертный газ охлаждается в теплообменнике, а непрерывную циркуляцию инертного газа в системе охлаждения узлов коммутации осуществляют компрессоры 6 (фиг. 4). В качестве радиоактивных ионизаторов 9 и 10 (фиг. 3) установлены импульсные рентгеновские генераторы, с возможностью регулировки интенсивности и жесткости генерируемого излучения (например, см. авторское свидетельство на изобретение СССР №510815 от 07.01.1972 г. «Способ управления излучением импульсной рентгеновской трубки» Авторы: Ю.М. Толченов, А.В. Чепек. Для увеличения общей надежности работы устройства используются два синхронных электродвигатели - при отключении первого, автоматически включается второй. Общее управление универсальным высоковольтным выключателем-преобразователем и контроль фаз в электромеханических модуляторах величин расстояния в междуговых промежутках осуществляет блок автоматического управления и контроля фазы (далее БАУКФ), на схемах фиг. 1-4 не показано.The following works were preliminarily performed: verification of the correct assembly of the axes 8, 12 connecting the electromechanical modulators of the distance values in two inter-gap intervals with a phase shift of 120 degrees for each switching node 4 phases A, 9 phases B, 13 phases C (Fig. 1). The cooling system of the switching nodes (Fig. 4) is filled with an inert gas under a pressure of 4 MPa, the most preferred low-cost version of which is ordinary air, in which oxygen is converted to carbon dioxide to eliminate oxidative processes and a simple device is used for this, at the inlet of the heat exchanger 9 (Fig. 4) a natural gas burner is installed with a pilot and an oxygen sensor, which, in the presence of oxygen, is automatically ignited and burns out atmospheric oxygen (this device is not shown in the sketch of Fig. 4) and the inert gas is cooled in the heat exchanger, and the inert gas is continuously circulated in the cooling system of the switching units by compressors 6 (Fig. 4). As radioactive ionizers 9 and 10 (Fig. 3), pulsed X-ray generators are installed with the possibility of adjusting the intensity and hardness of the generated radiation (for example, see USSR author's certificate for invention of the USSR No. 510815 of January 7, 1972, "Method for controlling the radiation of a pulsed X-ray tube "Authors: Yu. M. Tolchenov, AV Chepek. To increase the overall reliability of the device, two synchronous electric motors are used - when the first is turned off, the second is automatically turned on. General control of the universal height with a voltage switch-converter and phase control in electromechanical modulators of the distance between the gaps is carried out by the automatic control and phase control unit (hereinafter BAUKF), not shown in the diagrams of Fig. 1-4.

В исходном положении, радиоактивные ионизаторы 9 и 10 (фиг. 3) и синхронные электродвигатели 1,15 (фиг. 1) отключены и ось вращения 2, 8, 12, 16 (фиг. 1) остановлена. При подаче напряжения от БАУКФ, синхронного с напряжением на высоковольтных вводах A1, B1, С1 (фиг. 2), на первый синхронный электродвигатель 1 (фиг. 1), он разворачивается до подсинхронной скорости в асинхронном режиме и далее при подаче на него тока возбуждения от БАУКФ, первый синхронный электродвигатель 1 (фиг. 1) втягивается в синхронизм, а БАУКФ контролирует совпадение чередования и соответствие фаз входного напряжения на высоковольтных вводах A1, B1, С1 (фиг. 2) с положением вращающихся с синхронной скоростью сегментов в электромеханических модуляторах величин расстояния в междуговых промежутках, на примере для фаза А на эскизе фиг. 3, синхронное положение медного сегмента 7 около неподвижного контакта 6 должно соответствовать прохождению положительных полупериодов переменного напряжения на высоковольтном вводе А1, а синхронное положение медного сегмента 11 около неподвижного контакта 13 должно соответствовать прохождению отрицательных полупериодов переменного напряжения на высоковольтном вводе А1. При несовпадении чередования фаз, БАУКФ снимает на определенное время ток возбуждения с синхронного электродвигателя 1 (фиг. 1), для изменения с определенным скольжением пространственного положения ротора относительно синхронного вращающегося поля статора, и затем снова подает ток возбуждения на синхронный электродвигатель 1 (фиг. 1), с последующей проверкой совпадении чередования фаз и при совпадении чередования фаз БАУКФ выдает сигнал готовности к включению в работу высоковольтного преобразователя (выпрямителя-инвертора). По команде оператора или автоматической системы управления радиоактивные ионизаторы 9 и 10 (фиг. 3) генерируют рентгеновское ионизирующее излучение регулируемой интенсивности и жесткости для зажигания дуги в моменты прохождения медного сегмента 7 около неподвижного контакта 6 для формирования положительных полупериодов напряжения на высоковольтном вводе А2 и в моменты прохождения медного сегмента 11 около неподвижного контакта 13 для формирования отрицательных полупериодов напряжения на высоковольтном вводе A3 (фиг. 3). Соответственно соединение высоковольтных вводов А2, В2, С2 формирует положительную шину, а соединение высоковольтных вводов A3, В3, С3 (фиг. 2) формирует отрицательную шину высоковольтного напряжения варианта использования в качестве высоковольтного преобразователя (выпрямителя-инвертора). Описанное устройство является обратимым и может использоваться в качестве выпрямителя или инвертора, а также в качестве универсального преобразователя для связи систем переменного и постоянного токов.In the initial position, the radioactive ionizers 9 and 10 (Fig. 3) and synchronous motors 1,15 (Fig. 1) are turned off and the rotation axis 2, 8, 12, 16 (Fig. 1) is stopped. When applying voltage from BAUKF, synchronous with the voltage at the high-voltage bushings A1, B1, C1 (Fig. 2), to the first synchronous electric motor 1 (Fig. 1), it turns to sub-synchronous speed in asynchronous mode and then when the excitation current is applied to it from BAUKF, the first synchronous electric motor 1 (Fig. 1) is pulled into synchronism, and the BAUKF controls the coincidence of the alternation and the matching of the phases of the input voltage at the high-voltage inputs A1, B1, C1 (Fig. 2) with the position of segments rotating at a synchronous speed in electromechanical modes distance between the spacers, for example, for phase A in the sketch of FIG. 3, the synchronous position of the copper segment 7 near the stationary contact 6 should correspond to the passage of the positive half-periods of the alternating voltage at the high-voltage input A1, and the synchronous position of the copper segment 11 near the fixed contact 13 should correspond to the passage of the negative half-periods of the alternating voltage at the high-voltage input A1. If the phase rotation does not match, the BAUKF removes the excitation current for a certain time from the synchronous electric motor 1 (Fig. 1), to change with a certain slip the spatial position of the rotor relative to the synchronous rotating stator field, and then again supplies the excitation current to the synchronous electric motor 1 (Fig. 1 ), followed by checking the coincidence of the phase rotation and when the phase rotation coincides, the BAUKF gives a signal of readiness to turn on the high-voltage converter (rectifier-inverter). At the command of the operator or the automatic control system, the radioactive ionizers 9 and 10 (Fig. 3) generate x-ray ionizing radiation of controlled intensity and stiffness to ignite the arc at the moments of passage of the copper segment 7 near the stationary contact 6 to form positive half-periods of voltage on the high-voltage input A2 and at times the passage of the copper segment 11 near the fixed contact 13 to form negative half-periods of voltage at the high-voltage input A3 (Fig. 3). Accordingly, the connection of the high-voltage bushings A2, B2, C2 forms a positive bus, and the connection of the high-voltage bushings A3, B3, C3 (Fig. 2) forms a negative bus of the high-voltage voltage of the use case as a high-voltage converter (rectifier-inverter). The described device is reversible and can be used as a rectifier or inverter, as well as a universal converter for communication between AC and DC systems.

Этот же самый вариант исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя может использоваться как высоковольтный выключатель переменного тока с быстродействием на включение и отключение в полпериода промышленной частоты и для этого достаточно просто объединить в общие электрические точки высоковольтные вводы А2 с A3, В2 с В3 и С2 с С3 и общий алгоритм всего устройства универсального высоковольтного выключателя - преобразователя аналогичен вышеописанному.The same version of the universal high-voltage circuit breaker-converter can be used as a high-voltage AC switch with a quick response to turn on and off at half the industrial frequency, and for this it is enough to simply combine high-voltage bushings A2 with A3, B2 with B3 and C2 with C3 into common electrical points and the general algorithm of the entire device of the universal high-voltage switch-converter is similar to that described above.

Вариант исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя, который может использоваться как высоковольтный выключатель постоянного тока будет даже значительно проще варианта исполнения высоковольтного выключателя переменного тока и для этого достаточно использовать в описанной конструкции два полюса выключателя с узлами коммутации 2 и 3 (фиг. 2), у которых объединить в общие электрические точки высоковольтные вводы А2 с A3, В2 с В3 и при этом можно использовать электродвигатели не обеспечивающие синхронную скорость, например двигатели постоянного тока или более дешевые асинхронные электродвигатели 1 и 5 (фиг. 2), не использовать устройство проверки совпадении чередования фаз, а медные сегменты в электромеханических модуляторах величин расстояния в междуговых промежутках в узлах коммутации 2 и 3 (фиг. 2) не должны иметь фазового сдвига и общий алгоритм всего устройства такого варианта исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя аналогичен вышеописанному.The embodiment of the universal high-voltage circuit breaker-converter, which can be used as a high-voltage DC circuit breaker, will be even much simpler than the embodiment of the high-voltage AC circuit breaker, and for this it is sufficient to use the two poles of the circuit breaker with switching nodes 2 and 3 (Fig. 2), which combine high-voltage bushings A2 with A3, B2 with B3 into common electrical points, and at the same time, motors that do not provide synchronous speed can be used, for example, DC motors or cheaper asynchronous motors 1 and 5 (Fig. 2), do not use a phase sequence checker, and copper segments in electromechanical modulators of the distance between the gaps in switching nodes 2 and 3 (Fig. 2) should not to have a phase shift and the general algorithm of the entire device of such an embodiment of a universal high-voltage circuit breaker-converter is similar to that described above.

Возможность плавного регулирования тока при всех вариантах исполнения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя имеется за счет регулировки времени включения-отключения, интенсивности и жесткости генерируемого излучения импульсных рентгеновских генераторов в составе радиоактивных ионизаторов 9 и 10 (фиг. 3).The ability to smoothly control the current with all versions of the universal high-voltage switch-converter is possible by adjusting the on-off time, intensity and rigidity of the generated radiation of pulsed x-ray generators in the composition of radioactive ionizers 9 and 10 (Fig. 3).

Для увеличения рабочего напряжения универсального высоковольтного выключателя-преобразователя до 2000 кВ целесообразно использовать дополнительные полупроводниковые коммутирующие элементы, которые могут быть подключены последовательно к электромеханическому манипулятору величины расстояния междуговых промежутков в узлах коммутации.To increase the operating voltage of the universal high-voltage circuit breaker-converter up to 2000 kV, it is advisable to use additional semiconductor switching elements, which can be connected in series to the electromechanical manipulator of the distance between the gaps in the switching nodes.

Таким образом за счет использования небольшого количества сравнительно недорогих изделий и дешевого инертного газа, который значительно дешевле элегаза достигается возможность создания простого, недорогого, надежного и быстродействующего высоковольтного коммутационного аппарата, способного отключать и включать ток нагрузки за время не более одного полупериода промышленной частоты при напряжении до 2000 кВ и позволяющего создавать не только высоковольтные выключатели с улучшенными характеристиками универсального использования для переменного и постоянного токов, но и высоковольтные коммутационные аппараты с новыми возможностями.Thus, by using a small number of relatively inexpensive products and cheap inert gas, which is much cheaper than SF6 gas, the possibility of creating a simple, inexpensive, reliable and high-speed high-voltage switching device capable of disconnecting and turning on the load current for no more than one half-period of industrial frequency at voltages up to 2000 kV and allowing to create not only high-voltage circuit breakers with improved characteristics of universal use for AC and DC currents, but also high-voltage switching devices with new features.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание простого, недорогого, надежного и быстродействующего высоковольтного коммутационного аппарата, способного отключать и включать ток нагрузки за время не более одного полупериода промышленной частоты при напряжении до 2000 кВ и позволяющего создавать не только высоковольтные выключатели с улучшенными характеристиками универсального использования для переменного и постоянного токов, но и высоковольтные коммутационные аппараты с новыми возможностями, которые можно использовать в качестве главных элементов преобразовательных мостов на универсальных преобразовательных подстанциях для подключения линий электропередач постоянного и переменного токов.The technical result provided by the given set of features is the creation of a simple, inexpensive, reliable and high-speed high-voltage switching device that can turn off and turn on the load current for no more than one half-cycle of industrial frequency at voltages up to 2000 kV and allows you to create not only high-voltage circuit breakers with improved characteristics universal use for alternating and direct currents, but also high-voltage switching devices with new capacities ozhnostyami, which can be used as the main elements of the conversion bridges on the universal converter station for connecting transmission lines of direct and alternating currents.

Список литературыBibliography

1. Агафонов Т.Е., Бабкин И.В., Берлин Б.Е. Электрические аппараты высокого напряжения с элегазовой изоляцией. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002. - 727 с.1. Agafonov T.E., Babkin I.V., Berlin B.E. Gas-insulated high-voltage electrical apparatus. - St. Petersburg: Energoatomizdat, 2002 .-- 727 p.

2. ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия.2. GOST R 52565-2006. AC circuit breakers for voltages from 3 to 750 kV. General specifications.

3. Кравченко А.Н., Метельский В.П., Рассальский А.Н. Высоковольтные выключатели // Электрик. - 2006. - №9. - С. 11-12.3. Kravchenko A.N., Metelsky V.P., Rassalsky A.N. High-voltage switches // Electric. - 2006. - No. 9. - S. 11-12.

4. Информационно-справочное издание «Новости электротехники» - 4(94) 2015.4. Information and reference publication "News of Electrical Engineering" - 4 (94) 2015.

Claims

1. A universal high-voltage circuit breaker-converter, characterized in that its unified phase or pole includes a first high-voltage electrical input connected through a brush apparatus to a switching unit, the housing of which is filled with any known inert gas containing an electromechanical modulator of distance values in two gaps , consisting of a common axis, driven by an electric motor, on which two segments of an electrically conductive material with a bottom are fixed in antiphase electrical resistance in the form of a regular semicircle, a brush apparatus of the switching unit for connecting the first high-voltage electrical input, located opposite the first segment is the stationary electrical contact of the first mid-gap, and opposite the second segment is the fixed electrical contact of the second mid-gap, a radioactive ionizer to ignite the electric arc in the first interstitial gap, a radioactive ionizer for igniting an electric arc in the second interstitial ezhutke, the second high-voltage electric input connected to a first fixed contact interarc period, the third high-voltage electric input connected to a second fixed contact interarc gap.

2. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that the switching unit housing is filled with cheap inert gas, which consists of compressed air to a certain pressure, in which oxygen is converted to carbon dioxide to eliminate oxidative processes.

3. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that the segments of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gap spaces are made in the form of a truncated semicircle.

4. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gaps is rotated by a synchronous AC electric motor, and an additional phase rotation control device is installed in the switching unit.

5. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gap spaces is driven by an asynchronous AC electric motor.

6. The universal high-voltage circuit breaker-converter according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the electromechanical modulator of the distance values in the two inter-gap spaces is driven by a DC electric motor.

7. The universal high-voltage switch-converter according to claim 1, characterized in that additional semiconductor switching elements are connected in series to the electromechanical manipulator of the distance between the two inter-gaps.