УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙ, РЕАГИРУЮЩЕЕ НА ИЗБЫТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ МАЛОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H02K9/06 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим защиту элементов электроснабжения от перенапряжений малой длительности и высоких энергий, например, возникающих при разряде молнии, и может быть использовано в случаях, когда устройства электроснабжения имеют понижающий трансформатор и удаленную от него нагрузку, расположенную вблизи металлических объемных конструкций, обладающих высокой проводимостью, в частности рельсовой колеи, водопроводов, трубопроводов и т.п.

Известно устройство для защиты от аварий элементов электроснабжения, выполненное по а. с. 1647752 [1] Это устройство содержит непосредственную связь высоковольтных разрядников с металлическими объемными конструкциями, обладающими высокой проводимостью, и обеспечивает эффективную защиту элементов электроснабжения в том случае, когда нагрузка расположена на малом расстоянии от понижающего трансформатора, например на расстоянии около 10 м. Тогда падение напряжения от тока молнии на индуктивном и активном сопротивлениях проводника, соединяющего высоковольтные разрядники с металлическими объемными конструкциями, сложенное с падением напряжения на высоковольтном разряднике, недостаточно для повреждения изоляции между обмотками трансформатора.

Однако если нагрузка удалена от трансформатора на сотни метров (достаточно распространенная ситуация в практике), то индуктивное сопротивление проводника, соединяющего высоковольтные разрядники с металлическими объемными конструкциями, становится значительным. Например, при длине стального проводника 100 м и поперечном сечении около 100 мм² (пять проложенных совместно круглых проволок диаметром 5 мм каждая) измеренная индуктивность составила 122 мкГн. Если по этому проводнику протекает ток молнии с производной di/dt=1 кА/мкс, то падение напряжения только на индуктивной составляющей сопротивления проводника имеет величину

Поскольку корпус понижающего трансформатора обычно соединяется с объединенными выводами высоковольтных разрядников (по условиям электробезопасности людей), то падение напряжения ΔU 122 кВ прикладывается к изоляции вторичной обмотки понижающего трансформатора. При этом пороговый блок, имея напряжение срабатывания до 1000 В, обеспечит соединение рассматриваемого проводника с зажимами для подключения нагрузки.

Эксперимент, проведенный с трансформатором типа ОМ [1] показал, что пробой изоляции между его корпусом и выводами низковольтной обмотки, составляет 24 кВ.

Очевидно, при наличии приложенного напряжения ΔU около 120 кВ происходит пробой изоляции между выводами низковольтной обмотки понижающего трансформатора и его корпусом. Если вблизи и параллельно с питающими проводами, к которым приложено напряжение ΔU, находятся другие проводники, то после пробоя изоляции выводов трансформатора напряжение ΔU прикладывается к этим проводникам и вызывает пробой изоляции между ними и питающими проводниками.

Рассмотренный пример также показывает, что при длине питающей линии 15 м и меньше падения напряжения ΔU недостаточно для повреждения изоляции, следовательно, в этом случае соединительный проводник между высоковольтными разрядниками и металлическими объемными конструкциями защитную функцию выполняет.

Известно устройство защиты от аварий элементов электроснабжения, включающих понижающий трансформатор и удаленную от него нагрузку, расположенную вблизи металлических объемных конструкций рельсовой колеи [2] Это устройство содержит высоковольтные разрядники, одни выводы которых объединены и подключены к заземлителю и через пороговый блок пробивной предохранитель к одному из выводов низковольтной обмотки понижающего трансформатора, а другие подключены к выводам высоковольтной обмотки понижающего трансформатора, а также варисторный выравниватель, подключенный параллельно нагрузке, и разрядники, через которые зажимы для подключения нагрузки соединены с зажимом для подключения к рельсовой колее. Согласно ПУЭ (3, с.70, п.1.7.43) пробивной предохранитель здесь установлен с единственной целью: защитить низковольтную (до 1000 В) сеть от опасности, возникающей при повреждении изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений трансформатора.

Недостатком рассмотренного устройства защиты является ответвление части тока молнии на рельсовую колею (вследствие ее высокой проводимости) через пробивной предохранитель и разрядники, не рассчитанные на пропуск токов молний. В результате в грозовые периоды наблюдается массовое повреждение пробивных предохранителей и разрядников. Кроме того, при протекании тока молнии по одному проводу питания, соединяющему трансформатор с нагрузкой, на нем возникает падение напряжения. Например, если протекает ток с производной di/dt= 1 кА/мкс, то падение напряжения на медном проводе кабеля длиной 100 м и диаметром 1 мм с удельной индуктивностью 1,78 мкГн/м (результат измерения) при этой производной тока составит

Поскольку рядом с проводом питания, по которому проходит ток молнии, находится второй провод питания (а также запасной провод, в общем случае провод с любой функцией), то выделившееся на рассматриваемом проводе падение напряжения ΔU прикладывается к второму проводу, а также расположенным вблизи и параллельно другим проводам. При этом следует учесть, что на этих проводах индуктируется напряжение, которое векторно суммируется с падением напряжения ΔU. В результате происходит часто наблюдаемый в практике пробой изоляции по концам второго питающего провода, а также запасного провода либо находящихся вблизи и расположенных параллельно других проводов, и они "подключаются" к канализации тока молнии от высоковольтных разрядников к металлическим объемным конструкциям, обладающим высокой проводимостью. При этом происходит повреждение изоляции вторичной обмотки понижающего трансформатора, проводников, соединяющих трансформатор с нагрузкой, а также расположенных вблизи и параллельно им других проводников и нагрузки.

Последнее из рассмотренных устройств принято за прототип предлагаемого устройства.

Задача повышение надежности защиты элементов электроснабжения в случае удаления нагрузки от понижающего трансформатора.

Решение этой задачи достигается тем, что устройство для защиты от аварий, реагирующее на избыточное напряжение малой длительности в электрической сети, включающей в себя понижающий трансформатор и удаленную от него нагрузку, расположенную вблизи металлических объемных конструкций с высокой проводимостью, содержащее высоковольтные разрядники, одни выводы которых соединены с зажимами для подключения к первичной обмотке понижающего трансформатора, а другие выводы объединены между собой зажимом, с которым соединены заземлитель, корпус понижающего трансформатора и один из зажимов для подключения к его вторичной обмотке через общий и первый выводы первого порогового блока, питающую линию, соединяющую вторичную обмотку понижающего трансформатора с нагрузкой, а также второй пороговый блок, первый и второй выводы которого соединены с зажимами для подключения питающей линии к нагрузке, а общий вывод соединен с зажимом для подключения к металлическим объемным конструкциям, оно снабжено связью второго вывода первого порогового блока с другим зажимом для подключения вторичной обмотки понижающего трансформатора, а другие выводы пороговых блоков соединены с проводниками, расположенными вблизи и параллельно питающей линии, причем пороговые блоки выполнены в виде металлокерамических разрядников.

Сопоставленный анализ предлагаемого устройства с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается новой связью порогового блока с зажимом для подключения вторичной обмотки понижающего трансформатора, возможностью подключения пороговых блоков к проводникам, расположенным вблизи и параллельно питающей линии, и вариантом выполнения пороговых блоков.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение предлагаемого устройства с другими техническими решениями показывает, что использование пороговых блоков известно [1, 2] Однако известные технические решения не предполагают использование питающей линии для канализации токов молний, поэтому пороговые блоки (например, пробивной предохранитель [2]) имеют своей функцией электробезопасность людей. Введение новых связей пороговых блоков с проводами питающей линии, а также проводниками, расположенными вблизи и параллельно питающей линии, позволяет регламентировать уровни напряжений на них относительно земли, одновременно преднамеренно осуществляя канализацию токов молний от высоковольтных разрядников к металлическим объемным конструкциям через металлокерамические разрядники, параметры которых не дрейфуют во времени; все это приводит к повышению надежности защиты элементов электроснабжения в случае удаления нагрузки от понижающего трансформатора и снижению эксплуатационных затрат на контроль и замену защитных средств. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что данное устройство имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства защиты от аварий, реагирующего на избыточное напряжение малой длительности; на фиг.2 предпочтительная реализация пороговых блоков.

Устройство (фиг.1) содержит высоковольтные разрядники 1, одни выводы которых объединены и соединены с "землей" 2, с корпусом понижающего трансформатора 3 и с первым пороговым блоком, а другие подключены к первичной обмотке понижающего трансформатора 3, к вторичной обмотке которого через провода питающей линии 4 подключена нагрузка 5, причем зажимы для подключения вторичной обмотки понижающего трансформатора 3 подключены к первичному пороговому блоку 6, а зажимы для подключения питающей линии к нагрузке подключены к второму пороговому блоку 7, соединенному с зажимом для подключения металлических объемных конструкций 8. Другие выводы пороговых блоков 6 и 7 подключены к проводникам 9, расположенным вблизи и параллельно питающей линии.

Каждый из пороговых блоков, вариант использования которого приведен на фиг. 2, может быть построен на основе трехэлектродных металлокерамических разрядников 10 (например, типа Р-63, показанных на фиг.2) либо других разрядников из металлокерамики (например, пятиэлектродных типа Р-74).

Каждый пороговый блок, изображенный на фиг.2, имеет общий вывод 11, соединенный с общими электродами трехэлектродных разрядников, и первый, второй и т. д. выводы 12, к которым подключены электроды этих разрядников с одинаковыми параметрическими свойствами.

Схема устройства работает следующим образом.

В случае прямого удара молнии в высоковольтный провод происходит срабатывание соответствующего высоковольтного разрядника 1 и ток молнии начинает протекать к "земле" 2. Поскольку сопротивление заземления обладает значительным сопротивлением (от единиц до сотен Ом), на нем выделяется падение напряжения. Когда величина падения напряжения на сопротивлении заземления 2 достигает суммы уровней напряжений срабатывания пороговых блоков 6 и 7, происходит пробой между электродами разрядников, соединенных с выводами 12, и общими электродами разрядников, соединенными с выводами 11, в результате чего проводники 4 и 9 начинают пропускать определенную часть тока молнии от сработавшего высоковольтного разрядника 1 к металлическим объемным конструкциям 8. При этом потенциалы проводников 4, 9 выравниваются включенным пороговым блоком 6 на трансформаторном конце и включенным пороговым блоком 7 на конце подключения нагрузки 5. Протекающий по проводникам 4, 9 и равномерно распределенный между этими проводниками ток молнии угрозы им не несет, поскольку при реальных токах молний проводники не успевают нагреваться до опасных температур вследствие кратковременности действия токов. Экспериментально получено, что медный проводник диаметром 1 мм кабеля СБПУ, используемого в системах железнодорожной автоматики для организации питающей линии, начинает нагреваться до температуры плавления изоляции при амплитуде импульса тока 16,5 кА с фронтом 15 мкс и длительностью на уровне 0,5, равной 100 мкс. Реальные амплитудные и временные характеристики импульсов токов молнии, наблюдаемые в эксплуатации, значительно ниже предельных для медных проводников диаметром 1 мм. Металлокерамические разрядники, например, типа Р-63 имеют пропускную способность по току существенно выше, чем ток плавления изоляции медного проводника диаметром 1 мм.

Следовательно, введение связей пороговых блоков 6, 7 со всеми проводниками питающей линии и другими проводниками, расположенными вблизи и параллельно питающей линии, а также применение для построения пороговых блоков металлокерамических разрядников, обладающих высокой стабильностью характеристик во времени, согласованных по параметрам с токами молний, обеспечивают высокую надежность защиты изоляции питающей линии и подключенных к ней понижающего трансформатора и нагрузки, а также проводников, расположенных вблизи и параллельно питающей линии, при этом одновременно обеспечивается высокая собственная надежность пороговых блоков до уровня необслуживаемости. Последнее обстоятельство важно с точки зрения снижения эксплуатационных затрат.

Предлагаемое устройство защиты испытано на специальном стенде в составе элементов 3, 4, 5, 6, 7, 9 с использованием генератора импульсного напряжения и тока ГИНТ с рабочим напряжением 200 кВ и энергией 75 кДж. Характеристики элементов следующие: понижающий трансформатор 3 типа ОМ 1,25/10 мощностью 1,25 кВА, первичное напряжение 10 кВ, вторичное напряжение 230 В, однофазный, с масляным охлаждением; проводники 4, 9 медные жилы диаметром 1 мм кабеля СБПУ длиной от 10 до 90 м; нагрузка 5 типовой релейный шкаф кодовой автоблокировки с аппаратурой, используемый для интервального регулирования движения поездов на железнодорожном транспорте; 6, 7 пороговые блоки на основе разрядников Р-63, имеющих напряжение среза 500 В между электродами, подключенными к проводникам 4, 9.

Результаты стендовых испытаний подтвердили высокую эффективность предлагаемого устройства защиты. Поскольку все компоненты предлагаемого устройства выпускаются промышленностью, его практическая реализация легко осуществима и не вызывает дополнительных затруднений.

Использование: в электротехнике, в устройствах защиты элементов электроснабжения от перенапряжений, возникающих при разряде молнии. Сущность изобретения: нагрузка подключена к вторичной обмотке трансформатора через питающую линию, параллельно которой расположены другие проводники. К первичной обмотке трансформатора подключены высоковольтные разрядники, которые подключены также к заземлителю. Первый пороговый блок подключен с одной стороны к заземлителю, с другой к проводам питающей линии у трансформатора и проводникам, второй пороговый блок подключен с одной стороны к металлическим объемным конструкциям, с другой - к питающей линии у нагрузки и проводникам. Цель - повышение надежности защиты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для защиты от аварий, реагирующее на избыточное напряжение малой длительности в электрической сети, включающей в себя понижающий трансформатор и удаленную от него нагрузку, расположенную вблизи металлических объемных конструкций с высокой проводимостью, содержащее высоковольтные разрядники, одни выводы которых соединены с зажимами для подключения к первичной обмотке понижающего трансформатора, а другие выводы объединены между собой зажимом, с которым соединены заземлитель, корпус понижающего трансформатора и один из зажимов для подключения к его вторичной обмотке через общий и первый выводы первого порогового блока, питающую линию, соединяющую вторичную обмотку понижающего трансформатора с нагрузкой, а также второй пороговый блок, первый и второй выводы которого соединены с зажимами для подключения питающей линии к нагрузке, а общий вывод соединен с зажимом для подключения к металлическим объемным конструкциям, отличающееся тем, что второй вывод первого порогового блока соединен с другим зажимом для подключения вторичной обмотки понижающего трансформатора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что другие выводы пороговых блоков соединены с проводниками, расположенными вблизи и параллельно питающей линии. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что пороговые блоки выполнены в виде металлокерамических разрядников.