Бездуговая коммутационная аппаратура для перспективных транспортных систем электроснабжения с повышенным постоянным напряжением

Распределительные системы постоянного повышенного напряжения (СППН) для перспективных ЛА с высокой энергоемкостью электрооборудования обсуждаются настолько давно, что могут называться классическими [1, 2]. К их несомненным достоинствам можно отнести следующее:

• отсутствие гидро- или пневмоприводов постоянной частоты вращения (ППЧВ);
• простота обеспечения параллельной работы каналов (повышение установленной сетевой мощности и «горячее резервирование»);
• отсутствие реактивной мощности и индуктивных потерь напряжения;
• минимум преобразователей для большинства потребителей;
• возможность использования буферных емкостных накопителей и аккумуляторов;
• высокая разрешающая способность дифференциальной защиты (отсутствие емкостных паразитных утечек);
• высокое качество электроэнергии.

Основным недостатком СППН, до настоящего времени сдерживающим их применение и по существу перечеркивающим все вышеупомянутые достоинства, является необходимость оснащения сетевых контакторов и автоматов защиты громоздкими и недолговечными дугогасительными камерами и помехоподавительными экранами. Любая попытка реализации бездугового расцепления, например с помощью транзисторов, вакуумных выключателей, запираемых тиристоров и т. п., приводит к сложности рассеивания энергии предвключенных сетевых индуктивностей без перенапряжений.

Помимо этого, транзисторные ключи с повышенным постоянным рабочим напряжением имеют низкую радиационную стойкость, подвержены гальванической диффузии сквозь полупроводниковые поверхности, не могут обеспечить требуемую полную гальваническую развязку размыкаемых цепей и имеют относительно низкую стойкость к мощным кондуктивным электромагнитным импульсам (ЭМИ).

Предложенный в [2] новый базовый способ обратимого деления постоянного напряжения (ОДПН) позволяет радикально изменить ситуацию и обеспечить в СППН бездуговое расцепление контакторов, а также с успехом применять групповые бездуговые контакторы и даже контакторные контроллеры (программные групповые бездуговые контакторы).

На рис. 1 приведены упрощенные структуры защищенных приоритетом РФ двух распределительных систем «квазипостоянного повышенного напряжения» (КППН) со схемами бездугового расцепления (СБР) на базе ОДПН:

• с асинхронно плавающими однополярными потенциалами (АПОП);
• с плавающим потенциалом коммутационной шины (ППКШ).

Рис. 1. Распределительные системы квазипостоянного и постоянного повышенного напряжения со схемами бездугового расцепления (СБР) на базе ОДПН:
а) с асинхронноплавающими однополярными потенциалами (АПОП);
б) с плавающим потенциалом коммутационной шины (ППКШ).
ОДПН (АДН) — обратимый (активный) делитель постоянного напряжения;
ДДТ — дифференциальный датчик тока;
Ш± — распределительные шины;
Шк — коммутационная шина;
Н — нагрузки;
К± — контакторы

Первая структура содержит трехпроводный кабель ОДПН с расщепленными средними звеньями и по два развязывающих (суммирующих) силовых диода в цепи каждой нагрузки. Вторая структура содержит также трехпроводный кабель, аналогичный ОДПН, и по одному импульсному (кратковременно включаемому) диоду в цепи каждой нагрузки. Обе структуры имеют по три распределительные шины (Ш_—, Ш₊, Ш_0(к)), по два бездуговых контактора в цепи каждой нагрузки, по схеме синхронизации управления ОДПН и контакторами (К) и по дифференциальному датчику тока (ДДТ) для селективной защиты от пробоев, утечек изоляции и КЗ. На этом же рисунке приведены осциллограммы потенциалов шин (U_ш1,2, U_шк) и напряжения на остальных нагрузках (U_н2,3) при отключении данной нагрузки (H1).

Первая система (рис. 1а) работает следующим образом. В режиме питания нагрузок H₁ и Н₂ расщепленные средние звенья ОДПН дублируют друг друга, обеспечивая закоротку своих верхних конденсаторов и заряженность нижних до напряжения питания U, подводимого к нагрузкам через замкнутые контакторы K_1,2. Для выключения первой нагрузки (H₁) с помощью левых плеч среднего звена ОДПН сначала плавно снижается потенциал U_ш1 шины Ш₁, затем выключается обесточенный контактор K₁, после чего потенциал U_ш1 плавно восстанавливается. Заметим, что на питании других нагрузок указанная манипуляция не сказывается, т. к. их питание дублируется по шине Ш₁. Далее аналогичная манипуляция, но с полным обнулением потенциала, производится с помощью правых плеч среднего звена ОДПН для обеспечения аналогичного бездугового выключения контактора К₂, что также не сказывается на других нагрузках. Попутно заметим, что каждый из кабелей питания Ш₁ и Ш₂ рассчитан на половинный номинальный ток, невзирая на импульсную (двойную) перегрузку в интервале размыкания контактора.

Во второй системе (рис. 1б) в режиме питания нагрузок Н₁, Н₂ и Н₃ основное (правое) звено ОДПН обеспечивает равную зарядку обоих конденсаторов до половины напряжения питания U/2. Для выключения третьей нагрузки (Н₃) одновременно плавно обнуляется напряжение верхнего конденсатора и удваивается напряжение нижнего. При этом бывший нулевой потенциал U_шк коммутационной шины Ш_к становится равным потенциалу U_ш+ шины Ш₊. Затем размыкается контактор К₊, после чего опять одновременно напряжение верхнего конденсатора плавно повышается до U, а нижнего — обнуляется; далее размыкается контактор К_—, после чего схема управления плавно возвращает конденсаторы ОДПН в исходное состояние. При вышеуказанных манипуляциях напряжение между шинами Ш₊ и Ш_— остается постоянным (U), чем обеспечивается бесперебойное питание остальных нагрузок (Н₁ и Н₂).

Второй комплект среднего звена ОДПН (показан пунктиром) может быть применен для искусственного заземления Ш_к и фиксирования потенциалов Ш₊ и Ш_—. Проведем краткий сравнительный анализ вариантов распределительных систем КППН со СБР на базе ОДПН (с АПОП и ППКШ).

Общие достоинства:

• бездуговое расцепление, а возможно и безыскровое замыкание контакторов при повышенном напряжении питания; применимость групповых контакторов и контактных контроллеров;
• отсутствие реактивной мощности;
• обеспечение селективно-дифференциальной защиты;
• возможность относительно простого аккумуляторного резервирования с рекуперацией энергии и подпиткой пиковых нагрузок;
• отсутствие продольных помех из-за петлевых контуров для Н-помех (по сравнению с однопроводными системами с использованием корпуса).

Общие недостатки в сравнении с классической одно- или двухпроводной СППН:

• удвоение числа контакторов и обеспечение временного сдвига при их расцеплении;
• наличие третьего провода;
• обязательность синхронизации ОДПН с контакторами.

Дополнительные достоинства системы с ППКШ в сравнении с системой АПОП:

• снижение вдвое постоянного рабочего напряжения изоляции для конденсаторов ОДПН и проводов Ш_1,2 относительно корпуса (интенсивности старения и вероятности пробоя);
• отсутствие силовых диодов в цепи постоянного питания нагрузок (есть импульсные диоды без радиаторов).
• простота параллельного объединения сетей (по шинам Ш_±);
• третий провод (коммутационный) малого сечения;
• вторые средние звенья ОДПН нагружены только при несимметричных нагрузках с половинным напряжением.

К недостаткам этой системы в сравнении с классической одно- или двухпроводной СППН относятся:

• обязательность наличия контакторов в цепях обеих полярностей (для исключения подвода напряжения к отключенным нагрузкам при коммутациях);
• необходимость синхронизации управления ОДПН и контакторами;
• наличие проводов (хотя и малого сечения) с диодами (хотя и без радиаторов) между коммутационной шиной и нагрузками с регулярным пульсированием потенциала, подведенного к одному из выводов отключенных нагрузок относительно земли.

На рис. 2 представлен вариант однопроводной СППН с ППКШ и заземленной отрицательной шиной (СППН 0–270 В). В отличие от системы, приведенной на рис. 1, в ней вместо диодов применены тиристоры (VS), позволяющие исключить подведение пульсирующих потенциалов к отключенным нагрузкам. Здесь в качестве регулируемого источника для питания коммутационной шины (Ш_к) применен простейший активный делитель напряжения (АДН) на базе двухтранзисторного обратимого импульсного конвертора (VT_1,2) с емкостным фильтром (С_1,2). Пунктиром также показаны цепи диодного шунтирования (VД_ш) индуктивных нагрузок (H_1,2,3) при размыкании (К_1,2,3).

Рис. 2. Вариант однопроводной СППН с ППКШ и заземленной отрицательной шиной (СППН — 0–270 В)

На рис. 3 показан аналогичный вариант двухпроводной СППН с ППКШ и заземленной нулевой шиной (Ш₀) (СППН 0–±135 В). Здесь для питания коммутационной шины использован АДН с двуполярным входным потенциалом относительно нулевого (заземленного) провода питания и нулевой шины (Ш₀). В качестве потребителей могут использоваться нагрузки с заземленным «минусом» 135 В (H’_1,2,3), с заземленным «плюсом» 135 В (H”_1,2,3) и с заземленной «средней точкой» 270 В (H”’₄). К достоинствам этой системы относится также пониженное рабочее напряжение на изоляции кабелей, проводов и распределительных шин относительно заземленного корпуса объекта, благодаря чему ослабляется процесс старения изоляции, повышается ее надежность и электробезопасность.

Рис. 3. Вариант двухпроводной СППН с ППКШ и заземленной нулевой шиной (СППН 0–±135 В)

Заключение

Рассмотренные схемотехнические решения обеспечивают электроэнергетическую совместимость электромеханической коммутационной аппаратуры (контакторов, реле и автоматов защиты сети) с системами электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения. Предложенные схемы бездуговой (безыскровой) коммутации позволяют исключить громоздкие дугогасительные камеры и помехоподавительные экраны из конструкции электромеханических коммутаторов. Изложенный материал представляется полезным для разработчиков стационарных и транспортных систем электроснабжения, например перспективных летательных аппаратов с повышенной энергоемкостью электрооборудования.