История электротехники

Ядерная реакция, приводящая при облучении кремния медленными нейтронами к превращению атомов одного из изотопов кремния w атомы фосфора, позволила изготавливать однородные монокристаллы «-типа (легированные фосфором) с заданными диапазонами удельных сопротивлений и достаточными временами жизни неосновных носителей. Именно радиационно-легированный кремний (РЛК) позволил обойтись без импорта основного исходного материала и создать СПП, необходимые преобразовательной технике.

11.2.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Линии передачи постоянного тока высокого напряжения предполагались как средство передачи энергии на большие расстояния. Первой опытно-промышленной линией была передача Кашира — Москва; до настоящего времени эксплуатируется линия Волгоград — Донбасс. Разрабатывалась линия Экибастуз — Центр. В этот проект были вложены огромные материальные и интеллектуальные ресурсы. И хотя коренная перестройка нашей хозяйственной системы сделала невозможной в настоящее время реализацию подобных проектов, передача энергии постоянным током нашла применение для асинхронной связи энергосистем с различными частотами либо различными стандартами параметров электроэнергии. Убедительным примером такого рода служит выборгская вставка постоянного тока для передачи энергии России в Финляндию.

Первые передачи постоянного тока высокого напряжения были сооружены в нашей стране на основе ртутных вентилей (рис. 11.8). Однако ненадежность этих преобразовательных аппаратов в значительной степени затруднила их реализацию.

^{Рис. 11.8. Откачной высоковольтный ртутный вентиль с водяным охлаждением на ток 300 А и напряжение 130 кВ (1960 г.)}

С появлением силовых тиристоров, успешным опытом их применения появилась возможность создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с их ртутными предшественниками. Тиристорные вентили позволяют создавать преобразователи на широкий диапазон напряжений и токов, требуют минимального обслуживания. Начиная с середины 60-х годов в СССР развернулись научно-исследовательские работы и проектирование преобразовательных подстанций на основе ВТВ. За сравнительно короткое время были достигнуты значительные успехи, и уже в 1972 г. были прекращены работы по созданию ртутных вентилей.

Первоначально создаваемые ВТВ предназначались для замены ртутных вентилей на действующих линиях передачи. В 1969 г. впервые в инженерной практике было осуществлено включение в эксплуатацию тиристорного моста напряжением 100 кВ и мощностью 15 МВт на действующей линии электропередачи Кашира — Москва. Разработка была выполнена в ВЭИ. На этой же передаче прошли испытания вентили, разработчиками которых были Научно-исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ) и Энергетический институт Академии наук (ЭНИН).

В дальнейшем работы по созданию ВТВ сосредоточились в основном в ВЭИ. Они были направлены на создание оборудования для проектируемой сверхмощной линии передачи постоянного тока Экибастуз — Центр напряжением 1500 кВ и мощностью 6000 МВт.

В рамках этой программы совместно с заводом «Уралэлектроаппарат» был создан тиристорный мост напряжением 100 кВ и мощностью 90 МВт, предназначенный для работы в каскадной схеме на высшем потенциале по отношению к земле. С 1974 г. началась его опытно-промышленная эксплуатация.

Одним из передовых технических решений было применение оптоэлектронной системы управления на линии передачи постоянного тока. Оптоэлектронные каналы радикальным образом решают проблемы изоляции и помехоустойчивости системы управления вентилем и тем самым прокладывают путь к созданию ВТВ на сверхвысокие напряжения. Основные элементы этих каналов (специально разработанный в нашей стране в НИИ «Полюс» крупнейший в мире полупроводниковый квантовый генератор световых сигналов мощностью свыше 200 Вт, световоды для работы на высоких напряжениях и длиной свыше 30 м) освоены отечественной промышленностью, и, как показала практика, имеют высокую эксплуатационную надежность. Эти элементы позволяют одновременно управлять сотнями тиристоров с потенциала земли. При этом источники света и системы регулирования преобразователей могут находиться в отдельном помещении и соединяться с вентильным залом лишь с помощью световодов.

^{Рис. 11.9. Вентильный зал преобразовательного устройства, параметры плеча мостовой схемы: ток 700 А, напряжение 120 кВ (1981 г.)} 

Параметры разработанных управляемых тиристорных блоков по мощности и напряжению почти в два раза превышают все существующие зарубежные аналоги. Блоки предназначены для комплектации сверхмощных тиристорных мостов напряжением 375 кВ и мощностью до 750 МВт.

Проведенные в ВЭИ совместно с заводом-изготовителем работы позволили в короткие сроки создать ВТВ для выборгской вставки постоянного тока и укомплектовать ими преобразовательные установки суммарной мощностью 1065 МВт (рис. 11.9). Эта работа была удостоена Государственной премии СССР (В.П. Фотин, И.П. Таратута, Ю.М. Резов, Р.А. Лытаев).

11.2.6. РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В последние годы усилия специалистов, занятых в силовом полупроводниковом приборостроении, были сосредоточены на исследовании и разработке новых типов СПП, технологических методов и процессов, оснастки, оборудования и материалов, необходимых для их реализации, а также на разработке физико-математических моделей СПП и наборов прикладных программ для проектирования различных модификаций приборов с учетом прогнозирования их параметров и характеристик, включая возможные изменения при воздействии внешних факторов.

Указанные направления работ позволили повысить параметры СПП, достигнув для быстро восстанавливающихся диодов токов до 2000 А и напряжений 4000 В, для тиристоров — 2500 А при 4400 В и 3500 А при 1000 В, для быстродействующих тиристоров — 2000 А при 2400 В и времени выключения 25–63 мкс и 3000 А при 800 В и времени выключения 8–25 мкс.

В последние годы специалисты силового полупроводникового приборостроения работают над созданием следующих СПП:

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 2500 В на токи 100–1600 А и временем выключения до 16 мкс;

тиристоров на токи 160–200 А, напряжения 500–700 В с временем выключения 1–2 мкс;

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 1400 В, работающих при повышенной рабочей температуре до 140–150 °С. Такие тиристоры позволят перевооружить электрифицированный транспорт, решить многие задачи топливно-энергетических отраслей;

запираемых тиристоров на импульсный ток до 1250 А, напряжение до 6000 В и запираемых тиристоров с полевым управлением на ток до 250 А, напряжение до 1200 В;

нового поколения полупроводниковых модулей на базе IGBT-структур (биполярные транзисторы с изолированным затвором) на токи до 1600 А, напряжение 1200 В;

полупроводниковых ключевых приборов с полевым управлением на основе СИ-транзисторов (транзисторов со статической индукцией) и МОП-транзисторов (полевых транзисторов) с комплексом параметров, не уступающих IGBT.

В схемотехнике силовых полупроводниковых схем сложились типовые узлы, которые служат «строительным материалом» для создания практически любых силовых электронных устройств. Эти типовые узлы выпускаются в виде силовых интегральных модулей, использование которых облегчает задачу инженеров-разработчиков, упрощает монтаж и повышает надежность преобразователей. Получили распространение диодно-диодные модули с последовательным соединением (полумостовые схемы); диодно-тиристорные модули и тиристорно-тиристорные модули (полумостовые управляемые и полууправляемые схемы); диодные и тиристорные группы из трех вентилей с общим анодом (катодом); однофазные и трехфазные мостовые структуры. Силовые модули имеют различное конструктивное решение. Существуют потенциальные и беспотенциальные исполнения; в первых активные элементы соединены с металлическим основанием, во вторых они электрически изолированы керамическими прокладками.