СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02H9/00 H02H9/02 

Изобретение относится к электричеству, а именно схемам защиты от аварий, осуществляющим ограничение избыточного тока короткого замыкания.

Известен способ ограничения тока короткого замыкания (1), заключающийся в регулировании индуктивности реактора, путем шунтирования его витков.

Однако, этот способ требует дополнительное время для распознавания наличия тока короткого замыкания.

Известный способ (1) реализован в устройстве, включающем конденсатор и индуктивность, соединенные последовательно и настроение на обеспечение выбранного сопротивления в соответствии с частотой источника питания. Каждый переключатель содержит пару управляемых статических переключающих устройств, соединенных параллельно и шунтирующих соответствующую индуктивность или конденсатор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ ограничения тока короткого замыкания (2), включающий в себя операцию шунтирования токоограничивающего реактора в нормальном режиме и операцию дешунтирования этого реактора в режиме короткого замыкания.

Известный способ (2) реализован в устройствах трансформаторного типа, включающий токоограничивающий реактор, нормально зашунтированный выключателем. В качестве коммутационного блока использованы ограничители ударного тока взрывного действия. Недостатком известных способа и устройства является малое быстродействие, которое обуславливает длительное воздействие на сеть неограничиваемого по величине тока короткого замыкания.

Целью изобретения является снижение времени воздействия на сеть тока короткого замыкания и снижение величины ограничиваемого тока короткого замыкания.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа ограничения тока короткого замыкания, включающего операции обнаружения тока короткого замыкания и вводят в сеть токоограничивающего элемента, в предлагаемом способе операцию обнаружения тока короткого замыкания осуществляют путем порогового сравнения мгновенного значения тока короткого замыкания с током уставки. Для ввода в сеть токоограничивающего элемента используют электродинамические усилия, соответствующие току, превышающему ток заданной уставки. Динамическую и статическую индуктивность токоограничивающего элемента суммируют.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве ограничения тока короткого замыкания в отличие от известного, содержащего реактивный элемент в виде индуктивности, его регулятор и шунтирующую контактную группу, предлагаемое устройство снабжено электродинамическим механизмом (ЭДМ), состоящим из последовательно включенных в цепь рабочего тока подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть ЭДМ связана с упругим элементом, задающим значение тока уставки, и посредством жесткого диэлектрического элемента - с подвижной частью контактной группы.

Снабжение устройства ограничения тока короткого замыкания ЭДМ, использование его электродинамических усилий для ввода в сеть токоограничивающего элемента и связь ЭДМ с упругим элементом направлено на достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

В предложенном решении отсутствует операция и система формирования управляющего усилия, подающая сигнал на дешунтирование, что обеспечивает быстродействие способа и устройства, а наличие динамической индуктивности в ЭДМ (с момента движения его подвижной части) снижает величину ограничиваемого тока короткого замыкания до заданного уровня.

В момент нарастания тока короткого замыкания, когда электродинамические усилия, действующие на подвижную часть ЭДМ, превзойдут усилия упругого элемента и веса подвижных частей устройства (т.е., когда мгновенное значение тока короткого замыкания превышает пороговое значение заданного тока установки) подвижная часть приходит в движение под действием электродинамических усилий F_x
/F_x/ = i , где М - взаимоиндуктивность между подвижной и неподвижной частями ЭДМ;
i - мгновенное значение тока;
х - расстояние между центрами подвижной и неподвижной частей ЭДМ;
- величина, характеризующая динамическую индуктивность ЭДМ.

В режиме короткого замыкания в связанной электромеханической системе (реактивный элемент, регулятор реактивного элемента, ЭДМ, жесткий диэлектрический элемент, упругий элемент) возникает переходный процесс, характеризующийся уравнением
i = i_св + i_уст,
где i_св=I_o·e^αp·sin(βt+ϕ);
i_уст= ; при этом α_p= · · ;
β = · ; δ₁= ;
L_э - индуктивность ЭДМ;
ω- частота сети;
x_р - реактивное cопротивление реактивного элемента;
I_о - максимальное значение свободной составляющей тока;
К_I , K₁ - настроечные коэффициенты;
U_m - амплитудное значение направления сети;
Быстродействие электромеханической системы определяется параметрами свободной составляющей α_p , коэффициентом затухания и частотой свободных колебаний β.

Пример конкретного выполнения.

На экспериментальной модели ЭДМ, рассчитанной на номинальный ток 0,6 кА (принятом условно за пороговое значение), вес подвижных частей ЭДМ равен примерно 15-20 кГ. При пропускании по ЭДМ тока в 1 кА за время 2,5-3 с перемещение подвижной части ЭДМ составило 10-15 см. Измерения показали, что статическая индуктивность ЭДМ до начала движения подвижной части составляла ≈ 70˙ 10^-5 Г, в процессе движения подвижной части - примерно 70˙10^-3 Г.

С момента начала движения подвижной части ЭДМ проявляется его динамическая индуктивность, которая после размыкания контактной группы суммируется со статической индуктивностью реактивного элемента.

На чертеже представлена структурная схема токоограничивающего устройства, реализующая способ.

Устройство ограничения тока короткого замыкания, реализующее способ, содержит вывода 1 и 2, посредством которых устройство включается в сеть. Токоограничивающий реактивный элемент 3 состоит из параллельно включенных между собой индуктивности 4 и ускоряющего конденсатора 5. Регулятор 6 токоограничивающего реактивного элемента включает в себя контактную группу, шунтирующую реактивный элемент 3. ЭДМ 7 состоит из неподвижной части 8 и подвижной части 9. Упругий элемент 10 подпружинивает через изолирующий элемент 11 подвижную часть 9 ЭДМ 7. Действие упругого элемента 10 в нормальном режиме направлено в сторону, противоположную возможному перемещению подвижной части 9. Жесткий диэлектрический элемент 12 осуществляет жесткую механическую связь между подвижной частью ЭДМ 7 и подвижной частью контактной группы регулятора 6 реактивного элемента 3. Коммутационный блок 13 включает в себя гибкие перемычки 14, позволяющие смещаться подвижной части 11 ЭДМ 7.

Токоограничивающий реактивный элемент 3, неподвижная часть 8 и подвижная часть 9 ЭДМ 7 электрически соединены между собой последовательно. Подвижная часть контактной группы регулятора 6 реактивного элемента 3, подвижная часть 9 ЭДМ 7, упругий элемент 10 с изолирующим элементом 11 и жесткий диэлектрический элемент 12 в совокупности характеризуются массой m, упругостью С и демпфирующей характеристикой q.

Контактная группа, ЭДМ, упругий элемент и жесткий диэлектрический элемент образуют связанную электромеханическую систему, параметры которой выбраны из условия образования в ней свободных колебаний с повышенной частотой по отношению к промышленной частоте.

В режиме короткого замыкания, при нарастании тока большой кратности, между неподвижной частью 8 и подвижной частью 9 ЭДМ 7 возникают электpодинамические усилия, которые преодолевая усилия упругого элемента 12 и перемещая подвижные части устройства, (подвижную часть контактной группы регулятора 6, жесткий диэлектрический элемент 12 и подвижную часть 9 ЭДМ 7) размыкают контакты регулятора 6. При этом в цепь рабочего тока вводят токоограничивающий реактивный элемент 3 (момент начала движения подвижных частей является началом введения динамической индуктивности ЭДМ 7), ограничивая ток короткого замыкания до необходимой величины. После срабатывания коммутационной аппаратуры, отключившей уже ограниченный ток короткого замыкания подвижные части предложенного устройства возвращаются в исходное положение под действием упругого элемента 10 и собственного веса. Устройство для ограничения тока короткого замыкания вновь готово к работе.

Предложенное устройство возможно использовать в качестве привода для сверхбыстродействующих выключателей.

Заявляемые способ и устройство в сравнении с прототипом значительно сокращают потери электроэнергии в сети за счет быстрого (до 5-7 мс) и кратковременного (на время действия тока короткого замыкания) введения в сеть предлагаемого устройства ограничения тока короткого замыкания). Предложенное техническое решение не требуют специальной системы управления для определения наличия короткого замыкания и подачи сигнала на дешунтирование, а также исключает время действия привода. Цикл автоматического повторного включения обеспечивает многоразовость действия устройства и не требует сменных элементов.

Использование: в схемах защиты от аварий при избыточных токах короткого замыкания. Сущность: обнаружение тока короткого замыкания производят пороговым элементом. Для ввода в сеть токоограничивающего элемента используют электродинамические усилия. Устройство состоит из последовательно включенных в цепь рабочего тока неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть связана с упругим элементом, задающим значение тока уставки, а также с подвижной частью контактной группы, которая вводит в схему токоограничивающий элемент, посредством жесткого элемента. Это позволяет снизить время воздействия тока короткого замыкания на сеть и обеспечивает снижение величины этого тока. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ограничения тока короткого замыкания, заключающийся в обнаружении короткого замыкания и ввода в сеть токоограничивающего элемента путем его расшунтирования, отличающийся тем, что обнаружение короткого замыкания осуществляют путем порогового сравнения мгновенного значения тока короткого замыкания с заданным током уставки, а для ввода в сеть токоограничивающего элемента используют электродинамические усилия, соответствующие току, превышающему ток заданной уставки, которые преобразуют в механические усилия, которые используют для расшунтирования токоограничивающего элемента. 2. Устройство ограничения тока короткого замыкания, содержащее токоограничивающий элемент в виде катушки индуктивности, его регулятор в виде шунтирующей контактной группы, блок обнаружения короткого замыкания, отличающееся тем, что оно снабжено электродинамическим механизмом, состоящим из подвижной и неподвижной частей, включенных последовательно между собой и токоограничивающим элементом в цепь рабочего тока, коммутирующим блоком, состоящим из двух гибких перемычек, позволяющих смещаться подвижной части электродинамического механизма, в качестве блока обнаружения короткого замыкания использован упругий элемент, задающий уставку по току, который через изолирующий элемент связан с подвижной частью, которая посредством жесткого диэлектрического элемента связана с подвижной частью шунтирующей контактной группы регулятора токоограничивающего элемента.