Badania Naukowe

Bo innowacyjność to nie wszystko!

opublikowany przez redakcja 21 lipca 2015 0 komentarzy

Czy wielkoprądowe łączniki elektroenergetyczne doczekają się powszechnego wsparcia układów stykowych
technologią półprzewodnikową? Na to pytanie nie ma dotychczas jednoznacznej odpowiedzi. W Instytucie Energetyki w Warszawie prowadzone są badania konstruktorskie w zakresie wytrzymałości zwarciowej struktur
półprzewodnikowych. Czy jest to jaskółka zwiastująca wiosnę? – przyszłość pokaże!

Pobierz artykuł w PDF

Prąd zwarciowy, którego typowy przebieg czasowy przedstawiono na rys. 1, jest prawdziwą zmorą dla łączników zestykowych ze względu na duże natężenie oraz skutki jakie wywołuje swoim oddziaływaniem elektrodynamicznym i
termicznym.

Rys. 1. Przykładowy przebieg rzeczywistego prądu zwarciowego AC

Rys. 1. Przykładowy przebieg rzeczywistego prądu zwarciowego AC

Jest on najczęściej prądem stanu awaryjnego, choć w praktyce spotykane są urządzenia, jak np. załączniki zwarciowe czy zwierniki, których znamionowy prąd załączalny musi przewyższać szczytową wartość prądu zwarciowego (prąd udarowy) mogącą wystąpić w załączanym obwodzie.

Stosowane zestyki łączników są elementami torów prądowych o największych rezystancjach. Na ich podwyższoną
wartość w stosunku do materiału jednolitego (bez przerwy stykowej) wpływa rezystancja zestykowa zależna od siły docisku styków oraz materiału i jakości powierzchni stykowych. Przy przepływie prądu o bardzo dużych wartościach (np. prąd zwarciowy) temperatura powierzchni styczności może przekroczyć temperaturę topnienia materiału stykowego, co może skutkować trwałym zespawaniem styków, czyli uszkodzeniem zestyku łącznika. Oddziaływanie elektrodynamiczne prądu zwarciowego, szczególnie jego wartość udarowa, zdecydowanie pogarsza jeszcze warunki pracy zestyku. Wywołując odskoki styków i związane z nimi zapłony łuku, powoduje nadtopienia styków i eliminuje aparat łączeniowy z dalszej eksploatacji. Rezystancje „zimnych” (o temperaturze otoczenia) zestyków aparatów łączeniowych dużych mocy zawierają się w przedziale ok. 10 – 100 m?. Przepływ prądu zwarciowego o wartości skutecznej np. 50 kA spowoduje wytracenie w takich zestykach 25 – 250 kW mocy czynnej. Warunki rzeczywiste są o wiele ostrzejsze, gdyż rezystancja zestyków pod wpływem prądu zwarciowego drastycznie rośnie. Dodatkowe, negatywne zjawiska występują podczas załączania łącznika na zwarcie (zwarty obwód odbiorczy), gdy łuk elektryczny zapala się jeszcze przed zetknięciem się styków, gdyż w momencie zetknięcia materiał powierzchni styków
może być już stopiony, co spowoduje trwałe zespawanie (sczepienie) zestyku rozłącznego. Zdolność załączania zwarć posiadają wymienione już załączniki zwarciowe, zwierniki i wyłączniki, a ponadto rozłączniki i niektóre uziemniki.
Na rys. 2 zamieszczono oscylogram z próby wytrzymałości zwarciowej łącznika prądu przemiennego, zawierający przebiegi czasowe prądu oraz mocy i energii traconych w zestyku, którego rezystancja „na zimno” wynosiła 50 m?. Na rys. 3 zaprezentowano wygląd styków z widocznymi wypaleniami po negatywnej próbie zwarciowej 63/25 kA – 1,0 s. Prąd znamionowy ciągły tego aparatu wynosi 630 A, czyli moc traconą w zestyku szacować można na ok. 25 W, a więc 8000 razy mniej niż przy wartości szczytowej prądu zwarciowego.

Rys. 2. Przebiegi prądu, mocy i energii zestyku łącznika podczas próby wytrzymałości zwarciowej

Rys. 2. Przebiegi prądu, mocy i energii zestyku łącznika podczas próby wytrzymałości zwarciowej

Rys. 3. Wypalone styki łącznika po próbie wytrzymałości zwarciowej

Rys. 3. Wypalone styki łącznika po próbie wytrzymałości zwarciowej

Innowacyjna technologia półprzewodnikowa zaczęła pojawiać się w branży łączników elektrycznych już kilkadziesiąt lat temu, wraz z zaistnieniem na rynku tyrystorów krzemowych. Łączniki elektroniczne wykazały w stosunku do konwencjonalnych szereg ważnych zalet, w tym:

  • łączenie bezłukowe,
  • dużą częstość łączeń,
  • dużą trwałość łączeniową,
  • pracę bez wstrząsów i hałasu.

Ówczesne parametry znamionowe tych elementów pozwalały stosować je do budowy tzw. sterowników mocy niskiego napięcia zarówno przemiennego jak i stałego. Postępujący rozwój technologiczny w dziedzinie budowy podzespołów elektronicznych umożliwił wykorzystanie tyrystorów do budowy prototypów łączników półprzewodnikowych niskiego i coraz wyższych napięć. Początkowo tyrystory znalazły zastosowanie przemysłowe jako łączniki manewrowe (przekaźniki, styczniki) a później – aż do chwili obecnej – najpowszechniej wykorzystywane są w różnego rodzaju
przetwornikach energoelektronicznych AC-DC. Jednakże w łącznikach elektroenergetycznych dużych mocy nie wyparły dotychczas technologii zestykowej.

Dlaczego półprzewodniki nie zastąpiły zestyków w łącznikach wielkoprądowych?

Należy zacząć od początku – od porównania właściwości. Złącza półprzewodnikowe budowane na bazie krzemu charakteryzują się ujemnym, nieliniowym współczynnikiem temperaturowym rezystancji, czyli ze wzrostem temperatury ich rezystancja maleje. Rezystywność półprzewodnika krzemowego w temperaturze pokojowej jest o dwa rzędy wielkości wyższa niż miedzi. Powyższe determinuje podstawową wadę tyrystorów jako łączników: dużą rezystancję złącza półprzewodnikowego, a tym samym duże straty mocy, w stanie przewodzenia. Mimo rozwoju technologicznego półprzewodników stosunek mocy traconych przy obciążeniu znamionowym może dochodzić do kilkudziesięciu na korzyść łączników stykowych! Drugą istotną wadą łącznika półprzewodnikowego
jest brak galwanicznej przerwy w stanie wyłączonym. Obie wymienione wady uniemożliwiają ze względów ekonomicznych (pierwsza) i bezpieczeństwa (druga) powszechne zastosowanie łączy krzemowych w energetycznych układach zasilających. Aby je eliminować opracowano szereg konstrukcji łączników hybrydowych (stykowo-półprzewodnikowych), w których procesy łączeniowe realizuje bezłukowo człon półprzewodnikowy, natomiast praca ustalona (stany przewodzenia i wyłączenia) odbywa się z wykorzystaniem członów zestykowych. Konstrukcje tego typu systematycznie unowocześniane wraz z postępem technologicznym są coraz powszechniej stosowane w stałoprądowych systemach trakcyjnych oraz – po wielu latach prac naukowo-badawczych – w elektroenergetycznych systemach przesyłowych prądem stałym HVDC (High Voltage Direct Current) i elastycznych systemach przesyłowych prądu przemiennego FACTS (Flexible AC Transmission Systems). Segmenty półprzewodnikowe wielkich mocy i wysokich napięć są dotychczas domeną czołowych koncernów branży elektroenergetycznej, natomiast konstrukcje półprzewodnikowych łączników nN wielkich mocy są coraz powszechniej opracowywane i produkowane przez firmy krajowe.

W laboratoriach badawczych Instytutu Energetyki w Warszawie coraz częściej badane są łączniki półprzewodnikowe krajowej produkcji. Trafiają tu powszechnie stosowane, a tym samym najczęściej badane prostowniki trakcyjne mocy o prądach zwarcia do 40 kA. Również krajowej produkcji (kilku firm) badane są w Instytucie Energetyki tyrystorowe
zabezpieczenia ziemnozwarciowe (zwierniki) instalowane w systemach zasilania trakcji kolejowej i miejskiej załączające prądy zwarciowe na poziomie kilkudziesięciu kiloamperów. Badane są także rodzimej konstrukcji załączniki zwarciowe nN bezproblemowo łączące prądy rzędu 135 kA. Nowatorskie rozwiązania konstrukcyjne tych aparatów poza innowacyjną technologią półprzewodnikową muszą spełniać krytyczne dla swego upowszechnienia ostre kryteria ekonomiczne. Optymalizacja projektowania prototypów opiera się – podobnie jak w innych
dziedzinach przemysłu – na wykorzystaniu maksymalnych możliwości elektrycznych z poszczególnych elementów elektronicznych. Jest to dziedzina bardzo delikatna, gdzie drobna niedokładność obliczeniowa może skutkować awarią półprzewodnika. Na rys. 4 przedstawiono fotografię uszkodzonego tyrystora mocy.

Rys. 4. Tyrystor mocy uszkodzony podczas przepływu zbyt dużego prądu zwarciowego

Rys. 4. Tyrystor mocy uszkodzony podczas przepływu zbyt dużego prądu zwarciowego

Bardzo przydatne na etapie opracowywania prototypu urządzenia półprzewodnikowego mocy są badania
konstruktorskie elementów (np. dynamiczne charakterystyki zewnętrzne dla obszaru pracy zwarciowej) i całych podzespołów (np. wytrzymałość zwarciowa i zdolność załączania zwarcia) przeplatane obliczeniami symulacyjnymi. Na rys. 5 przedstawiono ilustrację graficzną wyników obliczeń symulacyjnych cieplnej wytrzymałości zwarciowej tyrystora w oparciu o katalogową zależność przejściowej impedancji termicznej w funkcji czasu. Najistotniejszy jest
przebieg czasowy (kolor czerwony) przyrostu temperatury złącze-obudowa tyrystora wywołanego przepływem konkretnego prądu zwarciowego (kolor niebieski).

Rys. 5. Przebiegi prądu zwarciowego, mocy traconej w tyrystorze i przyrostu temperatury złącze-obudowa

Rys. 5. Przebiegi prądu zwarciowego, mocy traconej w tyrystorze i przyrostu temperatury złącze-obudowa

Specjaliści branży technologii półprzewodnikowej zgodnie oświadczają, że nastąpił już kres możliwości rozwoju elementów na bazie krzemu. Nowe technologie półprzewodników oparte są na starych, od lat dobrze znanych materiałach jak przede wszystkim węglik krzemu SiC (powszechnie znany pod nazwą karborund – tarcze szlifierskie) i azotek galu GaN. Są to materiały o zdecydowanie wyższych parametrach temperaturowych i napięciowych,
lecz niezwykle trudne do wytworzenia (resublimacja w temperaturach przekraczających 2000°C). Ośrodki naukowców i specjalistów od technologii od lat pokonują coraz to nowe bariery wyrastające w procesach produkcji, doprowadzając na chwilę obecną do wykorzystywania SiC i GaN w wytwarzaniu diod i tranzystorów. O tyrystorach mocy jeszcze nie komunikowano, przynajmniej tych produkowanych na skalę przemysłową.

Czy te najnowocześniejsze obecnie technologie doprowadzą wreszcie do wyeliminowania w rozdzielniach elektroenergetycznych wszystkich wyłączników, rozłączników, odłączników i uziemników? Nie wiadomo, bo innowacyjność to nie wszystko. Liczą się także inne aspekty, w tym ekonomia i przede wszystkim czynnik ludzki –
strach przed nowatorstwem.

Stanisław Maziarz, 
Zbigniew Piątek, 
Instytut Energetyki Warszawa

Warto zobaczyć

Zostaw komentarz