ОТСЕК СБОРНЫХ ШИН КОМПЛЕКТНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ВОЗДУШНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Российский патент 1995 года по МПК H02B13/25 

Изобретение относится к электротехнике - к устройствам защиты от дуги короткого замыкания (КЗ) сборных шин с воздушной изоляцией комплектного распределительного устройства, главным образом, на напряжение 6-10 кВ наружной (КРУН) и внутренней (КРУ) установки. Может найти применение в распредустройствах и на напряжении 0,4 кВ и т.д., а также в стационарных распредустройствах, выполненных из кирпича и железобетона.

Многофазные сборные шины, снабженные ответвлениями, имеющие воздушную изоляцию, снабжены в качестве устройства защиты от дуги КЗ комплектом, состоящим из дугоулавливающей шины и трансформатора тока (ТТ), включенных последовательно, причем дугоулавливающая шина выполнена голой и расположена вдоль одной из сборных шин изолированно с зазором и подключена к этой сборной шине через первичную обмотку трансформатора тока, а вторичная обмотка ТТ подключена к исполнительному устройству, которое подает сигналы на отключение выключателя ввода (питающего выключателя). Последнее происходит в момент дугового КЗ в отсеке сборных шин.

Известны различные типы дуговой защиты, установленной в отсеке сборных шин КРУ и КРУН. Это, например, отсек сборных шин КРУ серии К-104, выпускаемого Московским заводом "Электрощит", оснащенный дуговой защитой клапанного типа. Дуговая защита устанавливается в специальных стационарных дугоулавливателях, размещаемых по концам сборных шин [1]. При этой защите верхние крышки дугоулавливателей изготовлены в виде вращающихся на осях клапанов, взаимодействующих с путевыми (концевыми) выключателями, например, типа ВП 19-21. В нормальном положении ролики выключателей утоплены (отжаты) крышками-клапанами. Контакты цепей управления исполнительным устройством, находящиеся в выключателях, разомкнуты. В момент возникновения дугового КЗ в отсеке сборных шин появляется ударная волна газов (воздуха), которая приподнимает клапан и освобождает ролик. Контакты замыкаются и исполнительное устройство отключает питающий выключатель (выключатель ввода).

Недостатками аналога являются следующие:
1. Наличие высокого токового порога срабатывания, составляющего, как правило, 4-5 кА.

2. Низкое быстродействие клапанов особенно при протяженных отсеках сборных шин. Это является следствием низкой скорости ударной волны.

3. Возможны ложные срабатывания защиты из-за преждевременного отключения клапанов при сотрясениях шкафов при работе выключателей.

4. Большая стоимость самих дугоулавливателей, их монтажа и цепей вторичной коммутации из-за необходимости подвода этих цепей к шкафу выключателя ввода, располагаемому, как правило, в середине отсека сборных шин.

5. Большая дополнительная стоимость помещения закрытого КРУ из-за необходимости размещать в нем дугоулавливатели. Так, на две секции КРУ серии К-104 из-за четырех дугоулавливателей требуется дополнительная площадь порядка 6 м². За прототип взято КРУ с блоком защиты от другового КЗ [2].

В отсеке сборных шин оно содержит защиту от дуги КЗ, выполненную с использованием стальной дугоулавливающей шины (антенны) и трансформатора тока (ТТ). Последний первым своим выводом первичной обмотки присоединен к началу дугоулавливающей шины, а вторым - к концу сборной шины. Таким образом, место его установки является торец отсека сборных шин. Вторичная обмотка ТТ выведена на исполнительное устройство, как правило, отключающее питающий выключатель (выключатель ввода) в момент возникновения в отсеке сборных шин дугового КЗ. В этом устройстве электрическая цепь через трансформатор тока возникает только при замыкании через плазму дуги антенны на соседнюю сборную шину или сразу на две. В нормальном режиме работы ТТ током нагрузки не обтекается, так как второй конец антенны изолирован от сборной шины.

К недостаткам прототипа относятся следующие:
1. Снижена выходная мощность сигнала с вторичной обмотки ТТ при возникновении дугового КЗ в противоположном от ТТ торце отсека. Это объясняется большим сопротивлением антенны, вводимой в этом случае в цепь ТТ. Для устранения этого требуется использовать для антенны прут (шину) большого сечения.

2. Увеличена материалоемкость, возрастают трудозатраты при монтаже цепей вторичной коммутации дуговой защиты из-за необходимости тянуть эти цепи к шкафу выключателя ввода, расположенному, как правило, в середине отсека сборных шин.

3. Снижена надежность работы защиты из-за возможности повреждения цепей вторичной коммутации, прокладываемых от торца отсека к шкафу вводного выключателя, дугой КЗ.

4. Существует вероятность отказа дуговой защиты при перемещении дуги на концы шин с той стороны, где установлен ТТ. Это возможно из-за "схода" дуги с конца антенны, опущенного к ТТ, и перехода дуги на конец сборной шины, который не "заблокирован" частью антенны, так как этому не способствует ее конструкция.

5. Высокий токовый порог срабатывания, достигающий в К-104 14 кА, когда дуговое КЗ возникает на проходных изоляторах ответвлений от сборных шин на отходящие линии. Такой порог объясняется отсутствием у дугоулавливающей шины ответвлений.

6. Низкая надежность работы при малых токах из-за возможности преждевременного "спрыгивания" дуги с гладкой поверхности прута дуговой защиты.

7. Отсутствует оптимизация местоположения антенны и ответвлений от нее при расположении сборных шин в одной плоскости: вертикальной или горизонтальной и т.д.

Целью изобретения является снижение материалоемкости, трудозатрат, токового порога срабатывания дуговой защиты отсека, повышение надежности ее работы.

Цель достигается тем, что в отсеке сборных шин распределительного устройства с воздушной изоляцией, содержащей сборные шины с ответвлениями и устройство защиты от дуги КЗ, выполненное в виде комплекта, состоящего из трансформатора тока и дугоулавливающей шины (антенны), проложенной изолированно с зазором вдоль сборной шины и присоединенной через первичную обмотку ТТ к сборной шине, а к вторичной обмотке ТТ подключено исполнительное устройство, дугоулавливающая шина подключена к первичной обмотке ТТ с помощью ответвления.

При этом антенна снабжена ответвлениями, расположенными изолированно с зазором вдоль ответвлений сборной шины.

Дугоулавливающая шина расположена на средней фазе сборных шин, присоединена к ней через ТТ, антенна приподнята над сборной шиной со стороны, противоположной стороне установки опорных изоляторов, и смещена от середины плоскости шины к торцу - в сторону прилегающей сборной шины.

По концам дугоулавливающей шины и ее ответвлений выполнены загибы.

Ответвления от дугоулавливающей шины расположены сбоку над ответвлениями сборных шин.

Дугоулавливающая шина и ответвления выполнены из стального профиля, имеющего в сечении выступы-острия.

Дугоулавливающая шина снабжена дополнительными ответвлениями, выступающими по обе стороны от сборной шины, лежащими в плоскости, обращенной в сторону соседних шин.

Изобретение поясняется фиг.1-7.

На фиг.1 дан пример электрической схемы подстанции и распредустройства 6-10 кВ; снабженного отсеком сборных шин. Последний показан в трехлинейном исполнении. В нем выделен ТТ дуговой защиты, установленный в шкафу вводного выключателя Q, показана дугоулавливающая шина, расположенная с зазором изолированно вдоль средней фазы - фазы В. По концам шины выполнены загибы. К ТТ присоединена с помощью ответвления.

На фиг.2 дан пример расположения ответвления от антенны по отношению к ТТ. Сечение выполнено по отсеку сборных шин шкафа выключателя ввода Q. Как пример, расположение шин дано в вертикальной плоскости.

На фиг.3 показан отсек сборных шин, вид сверху.

На фиг.4 дан пример расположения антенны, сборной шины фазы В (средней фазы) и ответвления от антенны, расположенного поверх и сборку ответвления от сборной шины.

На фиг. 5 показано оптимальное размещение дугоулавливающей шины по отношению к сборной шине при размещении сборных шин в горизонтальной плоскости.

На фиг. 6 дано оптимальное выполнение концов антенны по торцам отсека сборных шин при вертикальном расположении сборных шин в одной плоскости. Такое выполнение обеспечивает надежное захватывание и удержание дуги при ее выбегании в торец отсека.

На фиг.7 показаны сечения профилей, из которых целесообразно выполнение антенны и ее ответвлений. При малых токах такое выполнение способствует более надежному подтягиванию к антенне дуги. Последнее происходит за счет искажения и местного возрастания напряженности электрического поля вокруг антенны, взаимодействующего с заряженными частицами плазмы дуги. Рост напряженности на поверхности антенны по сравнению с напряженностью на гладкой поверхности сборной шины обеспечивает повышенные магнитные свойства со стороны антенны, что улучшает условия подтягивания на антенну дуги и ее удержание на антенне. При малых токах это способствует лучшему удержанию дуги. При больших токах такой проблемы не существует из-за мощного столба дуги и его больших размеров, за счет чего антенна и ее ответвления надежно взаимодействуют с дугой.

Как следует из фиг.1, отсек сборных шин имеет сборные шины с воздушной изоляцией (фазы А, В,С) и дугоулавливающую шину, присоединенную к сборной шине через ТТ. Антенна расположена вдоль средней фазы изолированно и имеет с ней единственную точку электрического контакта - через ТТ. Поэтому ТТ в нормальном режиме работы током нагрузки распредустройства не обтекается.

Вторая точка контактирования антенны со сборной шиной появляется за счет перемычки по плазме дуги, появляющейся в момент КЗ в отсеке сборных шин. Тогда ТТ начинает обтекаться частью тока КЗ и выдает сигнал на исполнительное устройство. Последнее, как правило, действует на отключение выключателя ввода Q.

Пунктиром показано расположение ответвлений от антенны, каждое из которых защищает от дуги КЗ ответвление от сборной шины и проходные изоляторы отсека. Это поясняется фиг.2. На ней отсек 1 сборных шин в сечении по шкафу выключателя Q. На опорных изоляторах 2 показаны сборные шины 3 фаз А,В и С. Шины и их ответвления 4 имеют воздушную изоляцию. Шины и ответвления, как правило, выполнены из цветного металла - алюминия, меди.

Через проходной изолятор 5 из отсека сборных шин электрическая энергия подается в шкаф отходящей линии, на трансформатор напряжения и т.д. Антенна 6 с помощью изолирующего кронштейна присоединена к средней шине - фазе В. Она выступает над плоскостью шины 3 (со стороны, противоположной установке опорных изоляторов 2) и смещена к боковому (верхнему) торцу шины, что способствует лучшему улавливанию антенной дуги при малых токах дугового повреждения. Она может даже несколько выступать вверх над краем торца сборной шины, располагаясь на пути горения дуги, при двухфазном КЗ между фазами А и В. При двухфазном КЗ между нижней и средней фазой (С и В) дуга будет приподниматься восходящими потоками нагретого ею воздуха. Это будет способствовать появлению взаимодействия между дугой и антенной, лежащей у верхнего края средней фазы.

Известно, что под воздействием электромагнитного поля источника дуга перемещается (бежит) по шинам в сторону от источника.

Опытами было установлено, что в КРУ 6-10 кВ скорость перемещения зависит от тока дугового КЗ и составляет от десятков м/с при токе до 10-15 мА до сотен м/с при токе 15-20 кА и более. В ряде случаев дуга поворачивает со сборных шин на ответвления и устанавливается на некоторое время на проходных изоляторах отсека, т.е. до момента отключения дуги она успевает повзаимодействовать с различными элементами дуговой защиты отсека.

ТТ 7 присоединен к антенне 6 с помощью стального ответвления 8, которое должно быть приварено к антенне. Ответвление 9 присоединяет ТТ к ответвлению фазы или к самой фазе, если это оправдано условиями монтажа ТТ и цепей его вторичной коммутации.

Через ответвление 4 сборной шины фазы В осуществляется электроснабжение сборных шин через выключатель ввода Q. Пунктиром показано место расположения ответвления 10 от антенны и ее расположение с зазором δ по воздуху и по отношению к ответвлению 4. В ряде случаев при достаточно большом токе КЗ ответвления на антенне могут не устанавливаться, так как при любом КЗ столб дуги будет взаимодействовать с антенной. Для КРУ серии К-104 этот ток составляет 14 кА и выше. Зазор δ в свету подбирается опытным путем. Для КРУ серии К-104 и К-107 он составляет 10-40 мм.

Антенна 6 (см. фиг.3) закрепляется на шине 3 с помощью кронштейна 11 и изолирована от него изоляционной втулкой 12. Для лучшего взаимодействия антенны с дугой при малых токах в дуге целесообразна установка на антенне, например, с помощью сварки дополнительных ответвлений 13. Их целесообразно устанавливать в каждом шкафу отсека. От шины они изолируются диэлектрической втулкой 14. Плоскость, в которой лежат дополнительные ответвления 13, должна быть обращена (или быть перпендикулярна) плоскости, в которой лежат сборные шины. Для лучшего захвата дуги при малых токах ответвление 13 должно выступать по обе стороны от плоскости сборной шины. В этом случае дуга, перемещающаяся между шинами и стенкой отсека со стороны опорных изоляторов, будет надежно фиксироваться антенной.

Закрепление ответвления 10 на ответвлении 4 осуществляется с помощью кронштейна 15, также снабженного изолирующей втулкой (см. фиг.4). Ответвление 10 располагается над ответвлением шины фазы В несколько сбоку от этого ответвления. Это также способствует надежному взаимодействию дуги и ответвления от антенны, что особенно важно при малых токах КЗ. Внизу ответвление 10 снабжено загибом 16. Последний способствует фиксации дуги на ответвлении 10 и надежной работе дуговой защиты отсека.

При горизонтальном расположении сборных шин дугоулавливающая шина 5, как показали многочисленные опыты, должна располагаться на средней сборной шине сверху нее и немного сбоку, как это показано на фиг.5. Такое расположение антенны, как и в случае вертикального расположения сборных шин, обеспечивает оптимальную избирательность работы антенны во всем диапазоне возможных токов КЗ.

На фиг.6 дан вид спереди отсека 1 при расположении сборных шин в вертикальной плоскости, или его можно считать видом сверху - при расположении сборных шин в горизонтальной плоскости. Антенна 6 установлена по всей длине сборной шины, изолированно от нее, а концы антенны с каждого торца отсека имеют загибы 17. Загибы должны стоять вровень с торцами шины, или если позволяет изоляционный габарит отсека, выступать на 15-20 мм за пределы торца сборной шины. Это обеспечивает наибольшую надежность и работоспособность дугоулавливающего устройства, так как перемещение дуги в торец отсека является частым фактом особенно при больших токах КЗ.

Антенну и ее ответвления целесообразно выполнять из магнитного материала, например стали, который лучше, чем другие материалы, притягивает на себя дугу. Эта связь становится еще надежнее, когда поверхность антенны снабжена выступами-остриями. В этом случае, как указывалось выше, на остриях-выступах создается повышенная величина напряженности поля, чем на гладкой поверхности. Острия-выступы становятся более сильным магнитом, чем гладкая поверхность антенны, и лучше притягивает к антенне заряды плазмы дуги. Это создает дополнительный канал перетока тока с соседних фаз на среднюю фазу и на дугоулавливающую шину, вводят в работу ТТ.

Дуговая защита отсека осуществляется следующим образом.

Как указывалось выше, ТТ в нормальном режиме работы током нагрузки не обтекается. В момент возникновения КЗ, например, в точке К (см.фиг.1) электрическая дуга перекрывает межфазные воздушные промежутки в отсеке сборных шин. Ток от фазы к фазе устремляется по плазме дуги. Электрическая дуга начинает взаимодействовать с антенной или с ее ответвлениями, так как магнитный материал антенны притягивает к себе дугу и начинает с ней взаимодействовать. Получается, что от фаз А и С столб дуги, устремленный к фазе В, начинает дробиться на два рукава: один проводит ток на сборную шину, другой - на антенну или на ее ответвление. Между местом горения дуги и точкой присоединения ТТ к фазе В с помощью ответвления 9 (см.фиг.2) образуется два параллельно включенных сопротивления по фазе В: одно сопротивление - сама сборная шина фазы В, другое - антенна ТТ, ответвления от ТТ к шине и антенне. Разумеется, что величина тока через каждое сопротивление будет обратно пропорциональна их величине. Таким образом, ТТ начинает обтекаться током и выдает сигнал на исполнительное устройство. Опытами были установлены величины токов через ТТ в зависимости от тока КЗ. Так, например, было установлено, что доля через ТТ растет с уменьшением абсолютного значения тока КЗ (растет до 60% от его значения) и уменьшается до 20%, если ток КЗ достигает 10 кА и более. Но всегда она была достаточной для надежной работы исполнительного устройства) (превышала 5 А значительно).

Благодаря отключению малых токов КЗ, когда распредустройство установлено в сети, где ток КЗ мал, расположению антенны и ответвлений соответствующим образом по отношению к сборной шине и ее ответвлениям, использованию дополнительных ответвлений, изготовлению антенны из магнитного материала, использованию на поверхности антенны выступов обеспечивается надежное захватывание дуги дугоулавливающим устройством. Загибы по концам антенны и ее ответвлений способствуют надежному удержанию дуги, когда она под действием поля источника перемещается на концы дугоулавливающей системы. Исполнительное устройство мгновенно (неселективно) выдает команду на отключения питающего выключателя, например выключателя ввода Q.

Экономическая эффективность предложения рассмотрена на примере повреждаемости, например, продукции Мытищинского электромеханического завода МЭМЗ, выпускающего распредустройства серии КРН-111-10 и КРН-IV-10.

В соответствии с отчетом N 23/89 "Исследования требований потребителей по совершенствованию шкафов КРН-IV-10", СКТБ ВКТ Мосэнерго, М., 1989 - 43, с. 5, табл.6 приложений ежегодно повреждается 5-6% всех шкафов, выпускаемых заводом МЭМЗ. По другим данным энергосистемы эта величина может достигать и 12%. Таким образом, частота повреждения отсека будет зависеть от числа шкафов, установленных в ряд. В отчете указывается, что указанные повреждения сопровождаются электрической дугой.

Таким образом, если отсек имеет, например, 20 шкафов, то ежегодно будет повреждаться порядка одного шкафа. Если предположить, что дуговое КЗ в отсеке сборных шин приходится один раз на 5 шт. повредившихся шкафов, то повреждение отсека будет происходить раз в 4,5-5,0 лет. Были испытаны распредустройства следующих серий: К-ХII, К-ХIII, К-VI, y, К-37, К-ХХVl, К-104, К-107 и др. Установлено, что каждое двухфазное КЗ переходит в трехфазное при токе свыше 2-3 кА за время, не превышающее 0,1 с. Поэтому защита выполняется в одной фазе. Выход сигнала с ТТ происходит за 5-7 мс. Практически переход КЗ в трехфазное происходит за сотые доли секунды начиная с 5-6 кА. При этом, где бы в отсеке не произошло КЗ, полное время ликвидации повреждения не превышает 0,12-0,15 с.

Это позволяет осуществлять повторное включение КРУ в работу за доли часа.

Использование: в распредустройствах из кирпича и железобетона на напряжении 0,4, 35 кВ и т.д. Сущность изобретения: устройство содержит дугоулавливающую антенну 6 (четвертую шину), трансформатор тока 7, присоединенный к антенне 6 и к одной из сборных шин. Антенна прокладывается вдоль этой шины изолированно с зазором. Устройство работает, когда изолированная часть антенны 6 замыкается со своей или с соседними шинами через плазму дуги, возникшей из-за короткого замыкания в отсеке. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ОТСЕК СБОРНЫХ ШИН КОМПЛЕКТНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ВОЗДУШНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, содержащий установленные на опорных изоляторах сборные шины с ответвлениями и устройство защиты от дуги короткого замыкания, состоящее из трансформатора тока и дугоулавливающей шины, установленной вдоль сборной шины изолированно с зазором и присоединенной к ней через первичную обмотку трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к исполнительному устройству, отличающийся тем, что, с целью снижения материалоемкости и трудозатрат, повышения надежности, дугоулавливающая шина подключена к первичной обмотке трансформатора тока с помощью ответвления. 2. Отсек по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения токового порога срабатывания, дугоулавливающая шина снабжена ответвлениями, размещенными изолированно с зазором вдоль ответвлений сборной шины. 3. Отсек по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по концам дугоулавливающей шины и ответвлений выполнены загибы. 4. Отсек по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дугоулавливающая шина выполнена из стального профиля, имеющего в сечении острия-выступы. 5. Отсек по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дугоулавливающая шина снабжена дополнительными ответвлениями, выступающими по обе стороны сборной шины и расположенными в плоскости, обращенной в сторону соседних сборных шин.