ТОГКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H02H9/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схеме защиты от аварий, осуществляющим ограничение сверхтоков.

Известно, что для ограничения токов К3 на землю, составляющих подавляющее большинство из общего числа К3 в высоковольтных сетях, необходимо увеличивать эквивалентное сопротивление канала нулевой последовательности схемы. Наиболее простым способом, ограничения токов К3 на землю является разземление всех или части нейтралей трансформаторов [1]. Однако работа сетей с изолированной нейтралью требует изоляции оборудования на порядок выше, чем в сетях с глухозаземленной нейтралью [2]. Такие сети характеризуется повышенными коммутационными перенапряжениями и опасными феррорезонансными процессами. Режим разземления части нейтралей также имеет ряд недостатков, основным из которых является вероятность выделения незаземленных участков сети с неустраненным К3 на землю и возникновением опасных коммутационных и феррорезонансных перенапряжений.

Развитие энергосистем, рост числа и мощности трансформаторов с глухозаземленной нейтрально приводит к значительному увеличению токов К3 на землю, что вызывает необходимость модернизации или замены оборудования на более мощное. В настоящее время наиболее целесообразным в технико-экономическом отношении и оперативным способом повышения надежности оборудования в аварийных режимах является применение устройств заземления нейтралей трансформаторов, обеспечивающим безынерционное демпфирование переходных электромагнитных и электромеханических процессов в энергосистемах при возникновении и ликвидации К3.

Известна электропередача переменного тока с приемной и передающей подстанциями, нейтрали трансформаторов которых заземлены через токоограничивающее устройство, содержащее параллельно включенные высоконелинейный резистор, реактор и коммутационный аппарат [3]. Это устройство не может быть реализовано на практике, так как мощных высоконелинейных высоковольтных резисторов, способных ограничивать токи К3 на землю в десятки или даже единицы кА, не существует в отечественной и зарубежной электротехнической промышленности. Кроме того, релейная защита и автоматика электропередачи должна быть специальной, с настройкой на нелинейный характер переходных процессов при возникновении и ликвидации К3.

Известно устройство для заземления нейтралей трансформаторов, содержащее параллельно включенные разрядник, масляный токоограничивающий реактор ТРОМ-35, высокоомную бетэловую резисторную установку [4]. Это устройство не имеет широкого применения в энергосистемах вследствие неприемлемых стоимостных, габаритных и эксплуатационных показателей.

Известно устройство для заземления нейтралей трансформаторов через бетэловые резисторы [5]. Однако оно не нашло промышленного применения в энергосистемах из-за отсутствия методик выбора величины токоограничивающего сопротивления и расчета ресурсно-пропускной способности резисторной установки с учетом надежностных показателей, обеспечивающих ее эффективность и работоспособность.

Наиболее близким решением к заявляемому является устройство по А.С. N 1700624 для защиты трансформатора, подключенного к линии передачи через отделитель, путем ограничения тока К3 в цепи короткозамыкателя бетэловыми резисторами, собранными в установку из m-параллельных ветвей по k-последовательно включенных резисторов в каждой ветви, и подключаемых последовательно с короткозамыкателем между выводами высшего напряжения трансформатора и землей [6].

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно применяется только для ограничения искусственно коммутируемых короткозамыкателями токов однофазного К3 на подстанциях без выключателей на стороне высокого напряжения.

Задача изобретения состоит в создании надежного и эффективного устройства для ограничения как искусственных, так и случайных несимметричных К3 на землю.

Поставленная задача решена в устройстве, содержащем короткозамыкатель и бетэловые резисторы, собранные в установку из m-параллельных ветвей по k-последовательно включенных резисторов в каждой ветви, благодаря тому, что в него введен блок контроля работы бетэловой резисторной установки (БРУ), при этом БРУ одним выводом через аппаратный зажим подключается к выводу нейтрали трансформатора, другим выводом БРУ заземляется через блок контроля работы БРУ, содержащего измерительный трансформатор тока, во вторичной цепи которого последовательно включены первая ступень токовой защиты с контрольным милиамперметром и шунтирующей его размыкающей кнопкой, и вторая ступень токовой защиты, при этом выход первой ступени подключается к цепям включения короткозамыкателя, шунтирующего последовательно включенные БРУ и блок контроля, а выход второй ступени подключается в цепям отключения выключателей трансформатора или автотрансформатора, нейтрали которых заземлены через устройство.

На фиг. 1 дана принципиальная схема токоограничивающего устройства; на фиг. 2 дана схема электрической системы, в которой используется токоограничивающее устройство; на фиг. 3 - схема оперативных цепей блока контроля работы БРУ.

Устройство согласно фиг. 1 содержит БРУ - 1, блок контроля работы установки 2. БРУ одним выводом через аппаратный зажим 3 подключена к нейтрали 4 трансформатора (Т) или автотрансформатора (АТ). Другой вывод БРУ заземляется через блок контроля 2. Между выводом нейтрали и землей параллельно 1 и 2 включен с нормально разомкнутыми контактами короткозамыкатель 5.

БРУ -1 собирается по методике [6] из параллельно-последовательно соединенных N= mxk бетэловых резисторов для заданных значений : активного сопротивления БРУ - R_N, сквозного тока через установку - I_R, длительности К3-t и числа срабатываний за срок службы БРУ - n.

Блок контроля - 2 содержит измерительный трансформатор тока 6, во вторичной цепи которого последовательно включены первая 7 и вторая 8 токовые ступени защиты БРУ. Первая ступень 7 содержит последовательно соединенные чувствительное реле тока 9 и миллиамперметр 10 с шунтирующей его нормально замкнутой с кнопкой 11. Выходной сигнал ступени 7 действует на включение короткозамыкателя 5. Вторая ступень 8 содержит токовое реле 12. Выходной сигнал ступени 8 действует на отключение выключателя 13 Т и АТ.

Скомпонованное таким образом устройство 14 включается в нейтрали 4 Т-15 мощной станции 16 и(или) АТ-17 узловой подстанции с распредустройствами разного класса напряжений 18 и 19 (фиг. 2).

Постоянно включенные в нейтралях БРУ могут подвергаться длительному воздействию токов несимметрии в нормальном режиме работы системы. Экспериментальные измерения токов нулевой последовательности в глухозаземленных нейтралях трансформаторов мощностью 40...400 МВА дают средние значения токов в 3. ..5 А. Максимальные выбросы значений для мощных Т и АТ достигают 30-40 А, что связано, как правило, с возникновением неполнофазных режимов и должно ликвидироваться соответствующей автоматикой. Комплектующие БРУ бетэловые резисторы рассчитываются на длительные токи в 5-10 А. Таким образом, в нормальном режиме, когда защита оборудования от сверхтоков не нужна, БРУ может быть временно (до ликвидации причин несимметрии) выведена из работы. Для этой цели в блоке контроля 2 предусматривается первая ступень 7, содержащая первое чувствительное реле тока 9, уставка срабатывания которого выбирается по условию:

где
3I_ORH - устроенный ток нулевой последовательности, протекающий через БРУ, обусловленный несимметрией в системе; K_ОТС = 1,25 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле и необходимый запас; K_B - коэффициент возврата реле; K_TT - коэффициент трансформации трансформатора тока.

Коэффициент чувствительности реле определяется как:

где
I_нд = 5. ..10 - длительно допустимый ток по ТУ на комплектующие резисторы;
m - количество параллельных колонок в БРУ.

Если чувствительность оказывается недостаточной, то ток срабатывания первой ступени должен выбираться по условию согласования с I_нд.

Устройство 14 работает следующим образом.

В нормальном режиме работы системы (без К3), если ток, протекающий через БРУ 1 и измерительный трансформатор тока 6 блока контроля 2, превысит допустимый, срабатывает реле 9, которое своим контактом 20 (фиг. 3) замыкает цепь питания реле времени 21. Время срабатывания реле 21 отстраивается от длительности возможного неполнофазного режима, например, ОАПВ. Реле 21 своим первым контактом 22 замыкает цепь питания указательного реле 23, которое своим контактом 24 включает на пульте управления станции сигнала : "Перегрузка БРУ". Вторым контактом 25 подается питание на цепи включения короткозамыкателя 5, шунтирующего БРУ-1 на время ликвидации причин, вызвавших неполнофазный режим. Первая ступень позволяет также оперативному персоналу выполнять текущий визуальный контроль токов через БРУ по проградуированному милиамперметру 10 нажатием кнопки 11, а кнопкой 26 включить при необходимости шунтирующий короткозамыкатель 5.

Расчетный режимов по ресурсно-пропускной способности БРУ является аварийный режим К3 в электрической системе при кратковременном (время отключения К3) воздействии на нее максимально возможных сверхтоков. Для надежной работы в течение срока службы БРУ рассчитывается на заданное число срабатываний n с максимально возможным током I_R, протекающим через установку при К3 на выводе Т или АТ или вблизи сборных шин. При несимметричных К3 (фиг. 2)на линиях 27, шинах распредустройств 16, 18, 19 или выводах Т 28, или АТ 29, 30, возникающий в нейтралях 4 ток нулевой последовательности ограничивается активным сопротивлением БРУ. Уставка срабатывания реле 12 второй ступени 8 определяется по устроенному току нулевой последовательности, протекающего через БРУ - 1 и измерительный трансформатор 6 в режиме К3 с максимальным током 3I_OR≤I_R. Если К3 не отключается в течение расчетного времени t, то при срабатывании реле 12 своим контактом 31 замыкает цепь питания реле времени 32, которое с выдержкой времени, определенного по ТУ на БРУ, контактом 33 через обмотку указанного реле 34 выдает питание на цепи отключения выключателей 13 станции 16 или подстанции 18. Реле 34 контактом 35 включает сигнализацию : "Неустраненное К3. Отключение трансформатора".

Величина сопротивления должна выбираться по требуемой эффективности токоограничения при обеспечении допустимого повышения напряжения на изоляции нейтрали Т или АТ

С учетом указанных требований оптимальная величина сопротивления БРУ в нейтрали Т-15 станции 16 выбирается по условию:

эквивалентное сопротивление прямой последовательности схемы относительно местоположения К3; X_OC - эквивалентное сопротивление нулевой последовательности схемы без учета сопротивления трансформаторов X_т с R_N в их нейтралях.

Для АТ максимальное повышение напряжения на нейтрали возникает в режиме однофазного К3 на выводе среднего напряжения 29 при отключенном выключателе со стороны шин 18 среднего напряжения и не отключившемся выключателе со стороны шин - 19 высшего напряжения. Тогда сопротивление БРУ в нейтрали АТ -17 подстанции -18 выбирается по условию:

эквивалентное сопротивление схемы по каналу прямой последовательности относительно местоположения К3; X_BC - сопротивление АТ, определенное по паспортному значению напряжения К3 между обмотками высшего и среднего напряжения; X₁₈ и X₁₉ - входные сопротивления прямой последовательности сетей соответственно среднего и высшего напряжения относительно шин 18 и 19; X*T1

= X_T1+ α•X₁₉₀, α = 1,0...0,8; а = 1,0...0,8;
X_T1 = K² • X_B + (K-1) • K • X_H, X_T2 = X_C - (K-1) • X_H, X_T3 = K • X_H,
сопротивления эквивалентной звезды АТ, определяемые по паспортным параметрам: X_B, X_C, X_H;

Использование токоограничивающего устройства согласно заявляемому изобретению позволяет отказаться от многоаппаратных токоограничивающих устройств (параллельно включенные реактор, резисторы, разрядник), что повышает в 5...10 раз его экономичность и облегчает условия эксплуатации. Выбор оптимальной величины сопротивления БРУ обеспечивает эффективное токоограничение без опасных перенапряжений на изоляции оборудования распредустройств, а введение автоматического контроля работы установки повышает надежность работы устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство, включающее комплекс разработок от методики выбора сопротивления токоограничивающей установки до ее комплектации промышленно изготавливаемыми элементами и обеспечения ее надежности и работоспособности, может найти широкое практическое применение в энергосистемах, требующих ограничения опасных для силового оборудования уровней токов К3.

Использование: в электротехнике, в схемах защиты от аварий. Сущность: устройство состоит из бетэловой резисторной установки (БРУ), включенной в нейтраль трансформатора, блока контроля работы БРУ, включенного последовательно с БРУ, состоящего из первой и второй ступеней. Первая ступень действует на включение короткозамыкателя, шунтирующего БРУ и блок контроля при неполнофазных режимах, вторая ступень действует на отключение выключателя трансформатора при коротких замыканиях в сети. 3 ил.

Токоограничивающее устройство, содержащее короткозамыкатель и бетэловые резисторы, собранные в установку из m параллельных ветвей по К последовательно включенных резисторов в каждой ветви, отличающееся тем, что в него введен блок контроля работы бетэловой резисторной установки (БРУ), при этом БРУ одним выводом через аппаратный зажим подключен к выводу нейтрали трансформатора, другим выводом БРУ заземлен через блок контроля работы БРУ, содержащий измерительный трансформатор тока, во вторичной цепи которого последовательно включены первая и вторая ступени токовой защиты, при этом выход первой ступени подключен к цепям включения короткозамыкателя, шунтирующего последовательно включенные БРУ и блок контроля, а выход второй ступени подключен к цепям отключения выключателей трансформатора или автотрансформатора, нейтрали которых заземлены через устройство.