ULTRASZYBKIE SYSTEMY HYBRYDOWE DO ZABEZPIECZANIA OBWODÓW PRĄDU STAŁEGO O DUŻYCH ENERGIACH MAGNETYCZNYCH
Politechnika Łódzka PŁ ma ponad 30-letnią tradycję współpracy uczelniano-przemysłowej w zakresie ultraszybkich trakcyjnych wyłączników próżniowych DC. Z upływem czasu, wskutek wzrostu wymagań eksploatacyjnych i technicznych w Polsce i UE, wyłączniki próżniowe DC dojrzały do retrofitu. Zarazem wcześniejsze publikacje PŁ o wyłączaniu ultraszybkim wywołały zainteresowanie CERN tą techniką i przedłożenie oferty szerokiej współpracy z PŁ. Otworzyło to całkowicie nowy obszar zastosowań USH do zabezpieczania cewek elektromagnesach nadprzewodzących. Powstały przesłanki silnego skoncentrowania działalności naukowej i inżynierskiej wokół nowych metod ultraszybkiego wyłączania silnych prądów stałych w próżni za pomocą nowej generacji hybrydowych systemów USH, próżniowo – półprzewodnikowych. Systemy USH zostały wdrożone do produkcji i eksploatacji przez Konsorcjum PŁ – ZAE WOLTAN Sp. z o.o.. Konsorcjum to jest laureatem kilkudziesięciu wcześniejszych międzynarodowych i krajowych nagród za wynalazki wdrożone w elektrotrakcji.
Systemy USH są przeznaczone dla dwóch różnych dziedzin o zasięgu krajowym i międzynarodowym:
- do ochrony elektromagnesów nadprzewodzących we wszystkich obszarach ich stosowalności (rodzina DCSS),
- do zabezpieczania pojazdów trakcji elektrycznej użytkowanych w systemach DC1 i DC2 prądu stałego (rodzina DCU-HM).
W obu dziedzinach warunki użytkowania USH są odmienne ze względu na zróżnicowanie wymagań. Przy takich samych zasadach działania, USH różnią się więc wyposażeniem, sposobem pracy i sterowania, tworząc dwie rodziny strzeżone odrębnymi patentami.
Finansowanie programu USH: zagraniczne (CERN i UE – NCBR oraz częściowo krajowe):
- Rodzina DCSS: The European Organization for Nuclear Research CERN, an Intergovernmental Organization having its seat at Geneva, Switzerland – finansowanie 100%.
- Rodzina DCU-HM: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Program Operacyjny Inteligentny Rozwój POIR-04.01.04-00-0061/17-00, 2018 – 2021. (ze środków UE: PŁ – 100%; ZAE WOLTAN 50% oraz 50% udział własny producenta).
Stopień komercjalizacji: Produkty rynkowe.
Produkcja:
DCSS 600, 2000, 13000 [A] jednostkowa dla CERN (wg zamówień),
DCU-HM 3/1,6 (3 kV, 1600 A) – seryjna dla PKP od 2021 r.
W dziedzinie elektromagnesów nadprzewodzących rodzina systemów DCSS jest przeznaczona do ograniczania skutków quenchu w cewkach nadprzewodzących. Quench jest to przypadkowy, lokalny zanik nadprzewodnictwa w cewce. Obszar rezystancyjny szybko rozrasta się wskutek konwersji wielkiej energii magnetycznej cewki na ciepło Joule’a. Powoduje to znaczne szkody. Rolą każdego DCSS jest przewodzenie i wyłączanie prądu stałego o danej wartości. Wymagane jest ultraszybkie wyłączanie prądu (możliwie krótki czas wyłączania) i możliwie szybki zrzut energii z cewki, ograniczające te szkody. Do każdego DCSS jest dołączony równolegle rezystor zrzutowy RD. Po wyłączeniu prądu cewki przez DCSS, cały ten prąd zostaje przejęty przez RD w którym energia magnetyczna cewki jest tracona w wyniku zamiany na ciepło, oddawane przez konwekcję naturalną do otaczającego powietrza. W takich układach nie występują zwarcia, przeciążenia i przepięcia łączeniowe. Wyzwalacze nadprądowe i ograniczniki przepięć są zbędne.
W dziedzinie systemów i pojazdów trakcji elektrycznej DC rodzina wyłączników DCU-HM jest przeznaczona do ochrony głównych obwodów pojazdów trakcyjnych (a perspektywicznie także podstacji), eksploatowanych w systemach trakcji kolejowej, miejskiej i przemysłowej, przed skutkami przeciążeń, zwarć i dwustronnych przepięć (zewnętrznych sieciowych i wewnętrznych odbiornikowych). Rolą każdego DCU-HM jest przewodzenie i wyłączanie prądu stałego o każdej wartości możliwej w danym systemie trakcyjnym przy najwyższym napięciu zasilania, a także ograniczanie przepięć. Występują prądy robocze, przeciążeniowe i zwarciowe. Wyzwalacze nadprądowe i ograniczniki przepięć są niezbędne. Wymagane jest ultraszybkie wyłączanie w możliwie krótkim czasie prądu zwarciowego z jego ograniczeniem i możliwość rekuperacji energii przy hamowaniu pojazdów.
Zasady działania systemów USH.
W każdym USH wyłączanie prądu stałego odbywa się w próżniowej komorze z zestykiem generującym osiowe pole magnetyczne. Materiał styków nie może zawierać składników niskotopliwych. Mogą być stosowane wybrane typy komór próżniowych, produkowane przemysłowo dla wyłączników prądu przemiennego. Ultraszybkie wyłączanie DC przez USH uzyskano dzięki opracowaniu specjalnego łącznika próżniowego otwieranego ultraszybko przez napęd indukcyjno-dynamiczny dużej mocy utrzymywany w stanie otwarcia przez szybki zamek. Zależnie od przeznaczenia systemu USH, stosowane są dwie jego odmiany o różnych topologiach układu wyłączającego.
USHv.1 z komutacją wymuszoną jest to ultraszybki łącznik hybrydowy DC o topologii hybrydy równoległej próżniowo-tyrystorowej, z wymuszonym sprowadzaniem do zera prądu stałego w próżni za pomocą impulsu prądu o kierunku przeciwnym, uzyskanego z dodatkowego źródła załączanego za pomocą modułu tyrystorów.
USHv.2 z komutacją naturalną jest to ultraszybki, niespolaryzowany łącznik hybrydowy DC o topologii hybrydy równoległej próżniowo-tranzystorowej, z naturalnym sprowadzaniem do zera prądu stałego w próżni spowodowanym różnicą pomiędzy napięciem łuku dyfuzyjnego w komorze próżniowej a napięciem przewodzenia dołączonego równolegle dwukierunkowego modułu tranzystorowego załączanego krótkotrwale.
Każda z tych odmian USH ma układ wyłączający o budowie umożliwiającej samoczynne dostosowywanie do dowolnego kierunku prądu głównego (tzw. zdolność autoadaptacji).
Przed USH w podanych wyżej dziedzinach były stosowane łączniki magnetowydmuchowe MW. Znane od początku historii elektrotechniki, wyczerpały możliwości rozwojowe wynikające z zasady ich działania. Mają one relatywnie długi czas własny otwierania, rzędu 20 ms, oraz nieokreślony dodatkowy czas łukowy (rzędu 2 ÷ 3 stałych czasowych obwodu). Nie są zdolne do wyłączania ultraszybkiego.
Systemy USH posiadają możliwości eksploatacyjne nieosiągalne dla MW. Mogą wyłączyć 20 000 zwarć, a MW nieporównywalnie mniej. Szacunkowo z tego powodu jeden USH w swoim okresie eksploatacji jest równoważny około 100 MW, pozwalając na wyeliminowanie ich zakupu. Przyniesie to bardzo duże korzyści techniczne, eksploatacyjne i ekonomiczne użytkownikom systemów USH.
Systemy USH umożliwiają jakościowy skok w technice zabezpieczeń systemów DC średnich i niskich napięć. Potencjał rozwojowy USH jest wysoki ze względu na ich użyteczność we wszystkich obszarach zastosowań elektromagnesów nadprzewodnikowych oraz we wszystkich systemach trakcji elektrycznej DC, w przemysłowych systemach DC itp. Dotyczy to zarówno rynku krajowego, jak i rynków światowych, w tym zwłaszcza UE.
Systemy USH są wyrobem z zakresu zaawansowanych technologii. Na rynkach światowych nie są dotychczas znane odpowiedniki strukturalne systemów USH.
Upowszechnianie systemów USH przez zespół twórców dotyczy skutecznego docierania do światowych środowisk naukowych, wynalazczych i technicznych z informacjami o USH poprzez działalność publikacyjną i wystawienniczą.
Wysoce innowacyjna problematyka USH cieszy się dużym zainteresowaniem i uznaniem naukowców i wynalazców w skali międzynarodowej. Jednoznacznie świadczy o tym liczba 14 uzyskanych przez twórców USH nagród, w tym 4 krajowe w latach 2018/19 oraz 8 międzynarodowych w latach 2018 2021, w tym na międzynarodowych targach wynalazków i innowacji (specyfikacja poniżej).
Dalsze upowszechnienie systemów USH ma duże znaczenie dla rozwoju nauki i techniki, otworzy nowe możliwości eksportowe, stawiając polskich naukowców i producentów w czołówce światowej i przynosząc duże korzyści ekonomiczne.
Pracą USH kieruje specjalizowany mikrokomputer z wielofunkcyjnym oprogramowaniem własnym, umożliwiającym przetwarzanie danych niezbędnych do realizacji wszystkich potrzebnych działań i funkcji. Jest on złożony ze sterownika mikroprocesorowego, interfejsu wejście/wyjście, zasilacza, sterowników zespołów zasilających zamek i napęd, modułu sieci CAN do komunikacji wewnętrznej i zewnętrznej. Wszystkie te zespoły są zintegrowane we wspólnej obudowie i mają wzajemną komunikację światłowodową lub elektryczną (wg potrzeb). Na obudowie jest umieszczony panel sterujący dla komunikacji zewnętrznej z otoczeniem, wyposażony w szczególności w zestandaryzowane, wielokanałowe przyłącza elektryczne lub światłowodowe umożliwiające odbiór i wysyłanie wszystkich potrzebnych sygnałów sterujących lub informacyjnych, złącza komputerowe, czytnik energii, wyjścia zestyków pomocniczych czynnych lub biernych (multiplikowane przekaźnikami wg potrzeb) wskazujących położenie (stan) wyłącznika, a także w specjalne przyłącze dla przesyłania wybranych informacji za pomocą sieci CAN do panelu operatorskiego umożliwiającego wizualną sygnalizację stanu wyłącznika i innych parametrów, wg potrzeb użytkownika.
Wszystko to umożliwia realizację wielu funkcji specjalnych elektrycznych, elektronicznych oraz informatycznych, do wyboru wg potrzeb użytkowników, w tym:
- odwracalność polaryzacji,
- obustronne ograniczanie przepięć,
- współpraca z zewnętrznymi systemami informatycznymi zabezpieczeniowymi.
- pomiary wybranych parametrów charakteryzujących pracę wyłącznika oraz warunki układowe,
- rejestracja i archiwizacja (z zegarem czasu rzeczywistego) ww. danych i podgląd historii zdarzeń w okresie nie mniejszym od 3 lat,
- program diagnostyczny wyłącznika wykorzystujący ww. dane,
- komputerowa kontrola stanu wyłącznika na podstawie akwizycji ww. informacji,
- komputerowa regulacja nastaw wartości progów zadziałania zabezpieczeń nadprądowych,
- licznik liczby zadziałań wyłącznika oraz ich rodzaju, tj. zamierzonych przez obsługę albo samoczynnych przy przeciążeniach i zwarciach, zliczanych w okresie nie mniejszym od 3 lat,
- komunikacja zewnętrzna z obcymi systemami sterowania, w tym bezprzewodowa,
- udostępnianie użytkownikowi informacji o stanie wyłącznika,
- pomiary, rejestracja, przetwarzanie i archiwizacja danych,
- selektywność wyłączania zwarć w stosunku do WM,
- możliwość lokalizacji wyłącznika za pomocą GPS i przesyłania zdalnego informacji o jego parametrach oraz historii zdarzeń,
- licznik energii.
OCHRONA I UPOWSZECHNIANIE WYNIKÓW.
Ochrona własności intelektualnej.
Patent RP nr 224590 B1. Wyłącznik hybrydowy prądu stałego. Int. Cl. H01H 33/59 (2006.01); H01H 9/54 (2006.01). 2017/01/31/
Patent RP nr PL 237642 B1, Int. Cl. H01H 33/59 (2006.01), H01H 9/54 (2006.01).P. 429285. Ultraszybki wyłącznik hybrydowy prądu stałego przeznaczony zwłaszcza dla trakcji kolejowej. 05.01.2021 (zgłoszony 18.03.2019).
Patent RP nr P. 429439. Ultraszybki łącznik hybrydowy, próżniowo-półprzewodnikowy do ograniczania skutków zjawiska quenchu w zasilanych prądem stałym nadprzewodzących obwodach indukcyjnych o dużych energiach magnetycznych. Zgłoszony 01.04.2019.
Ultraszybki wyłącznik hybrydowy prądu stałego przeznaczony zwłaszcza dla trakcji kolejowej, opatentowany w dniu 05.01.2021 za nr. PL 237642 B1, Int. Cl. H01H 33/59 (2006.01), H01H 9/54 (2006.01).
Wykaz nagród za systemy USH, 2017 – 20221.
Podczas kilku konkursów, decyzjami właściwych Komisji zespół twórców USH został uhonorowany w postępowaniach konkursowych przyznaniem:
1. NAGRODA JM REKTORA PŁ za najbardziej wartościowe wdrożenie w 2018 r.
2. NAGRODA JM REKTORA PŁ za najbardziej wartościowe wdrożenie w 2019 r.
3. SIEMENS RESEARCH AWARD, 2019 r. (Nagroda Badawcza Siemensa za szczególnie wartościowe wyniki badań
naukowych dające się zastosować w praktyce).
4. ŁÓDZKIE EUREKA 2020. WYRÓŻNIENIE ZA WYBITNE OSIĄGNIĘCIA NAUKOWE
►XIII Międzynarodowe Targi Wynalazków i Innowacji INTARG 2020 ONLINE:
5. GRAND PRIX INTARG® 2020,
6. PLATYNOWEGO MEDALU INTARG® 2020,
7. WYRÓŻNIENIE MINISTRA FUNDUSZY I POLITYKI REGIONALNEJ RP.
8. TYTUŁ „LIDERA INNOWACJI® 2020” w kategorii „Produkt”.
►119a SALON INTERNATIONAL DES INVENTIONS CONCOURS LEPINE 2020:
9. MEDAILLE D’OR 2020
►International Salon n° 11 INNOVATION WEEK ONLINE, Under the Honorable Patronage of International Federation of Inventors’ Associations IFIA, 16 – 21.11.2020.
10. GRAND PRIZE IWA 2020
11. GOLD MEDAL WITH MENTION
12, 13. Individual special prize “MASTER OF INNOVATION” (P. Borkowski, M. Bartosik).
►XIV Międzynarodowe Targi Wynalazków i Innowacji INTARG 2021, Giełda TOP 10 wynalazków.
14. DYPLOM MINISTRA Edukacji i Nauki za nagrody międzynarodowe za systemy USH w 2020 r.
Publikacje.
Wcześniejsze publikacje własne dotyczące ultraszybkich wyłączników próżniowych tutaj pominięto.
1. Bartosik M., Borkowski P., Wójcik F. Ultra-Fast Hybrid Systems USH for Protecting Direct Current Circuits With High Magnetic Energy. Bulletin Of The Polish Academy Of Sciences, Technical Sciences, Vol. 69(2), 2021, Article number: e136743, DOI: 10.24425/bpasts.2021.136743,
2. M. Bartosik, P. Borkowski, M. Rodak, A. Sienicki, F. Wójcik, B. Panev, F. Rodriguez-Mateos, A. Siemko. Ultra-Fast, Redundant and Bipolar DC Energy Extraction Systems DCSS for the Protection of Superconducting Magnet Circuits. IEEE Transaction Industrial Electronics, Early Access – DOI: 10.1109/TIE.2021.3126982, wydruk w 2022 r.
Więcej informacji o systemach USH w załączniku