СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Российский патент 2003 года по МПК H02J15/00 H02H1/00 

Известно, что при передаче электрической энергии от места ее получения до потребителей в линиях электропередачи, в распределительных сетях и связанных с ними устройствах теряется более пятнадцати процентов всей вырабатываемой энергии. В сетях с напряжением 220 кВ потери составляют 1,46 процента, в сетях от 150 до 110 кВ - 2,32 процента, в сетях 35 кВ - 1 процент отпуска электроэнергии. Затраты на дополнительное производство электроэнергии, которую необходимо произвести для покрытия потерь, в основном включают в себя расходы на создание дополнительных генерирующих мощностей, а в процессе эксплуатации - на закупку, доставку и подготовку к использованию дополнительного количества топлива (1).

При эксплуатации электростанций и электрических сетей в них достаточно часто возникают коммутационные перенапряжения, сопровождающие включение и отключение линий, включение и отключение нагруженных и ненагруженных трансформаторов, реакторов, а также замыкания на Землю и повторные зажигания дуги при неуспешных отключениях. Аварийная статистика показывает, что в крупных энергосистемах, имеющих большое число взаимосвязанных элементов, ежемесячно имеет место значительное число отказов оборудования, а также аварий, в том числе с полным сбросом нагрузки электростанций и с отключением крупных нагрузочных узлов. Вследствие цепочечного развития аварий наблюдаются и системные аварии. При этом роль коротких замыканий в возникновении аварийных ситуаций значительна. Известно, что защита изоляции электрооборудования станций и подстанций, а также линий электропередач от грозовых и коммутационных перенапряжений является одной из первоочередных задач энергетиков. Грозовые перенапряжения имеют длительность от единиц микросекунд до сотен микросекунд и токи в 50 кА, реже 200 кА, но зафиксированы случаи грозовых разрядов с токами в 600 кА. Волны грозовых перенапряжений, возникающие во время грозы в электрических линиях, распространяются по сети и воздействуют на изоляцию как самих линий, так и электрооборудования электрических станций и подстанций. Защита электроустановок от грозовых перенапряжений осуществлялась в течение многих лет трубчатыми и вентильными разрядниками. Для защиты электроустановок от внутренних перенапряжений при переходных процессах использовались коммутационные разрядники, которые должны длительно пропускать токи величиной 1,5 кА при перенапряжениях установившегося режима от 1,5 до двукратного значения номинального фазного напряжения. В последнее время для защиты электроустановок от внутренних и грозовых перенапряжений, в особенности в распределительных устройствах на 110-750 кВ, широко внедряются нелинейные ограничители перенапряжений, представляющие собой высоконелинейное сопротивление, подключенное между сетью и Землей, постоянно находящееся под рабочим напряжением сети и обтекаемое током проводимости (2).

В известных конструкциях ограничителей перенапряжений (3) предпринимались попытки решения проблемы охлаждения резисторов, однако при этом отвод тепла осуществлялся в окружающее воздушное пространство без его утилизации.

Целью настоящего изобретения является решение проблемы отвода тепла, образующегося при ликвидации перенапряжений в электрических сетях, и разработка способа утилизации этой тепловой энергии.

На чертеже показана схема защиты от перенапряжений одного провода 1 электрической линии. Ограничитель перенапряжений 2, находящийся на потенциале Земли, постоянно обтекается током проводимости. На подходе к ограничителю перенапряжений 2 электрическая цепь 3 имеет разветвления 4, предназначенные для подключения не менее чем двух комплектов электрических приборов в составе размыкателя 5, плавкого предохранителя 6 и приемника энергии электрической дуги 7. Ограничитель перенапряжений 2 помещен в герметичную оболочку 8, которая находится в сосуде 9, заполненном дистиллированной водой 10. Сосуд 9 соединен с трубами 11 для отвода нагретой воды к тепловым насосам 12 и с трубами 13 для приема охлажденной воды. Приемник энергии электрической дуги 7 представляет собой высокопрочный герметичный корпус, изготовленный из жаростойкого материала с размещенными внутри него на расчетном расстоянии друг от друга электродами 14 и 15. Трубами 16 приемник энергии электрической дуги 7 соединен с электролизером 17.

Предлагаемый способ утилизации тепловой энергии может быть проиллюстрирован на примере функционирования описанных комплектов электрических приборов. Под действием тока проводимости, постоянно обтекающего резисторы ограничителя перенапряжений 2, происходит нагрев герметичной оболочки 8. Омывающая оболочку 8 вода 10 охлаждает ограничитель перенапряжений 2. Отнявшая тепло у оболочки 8 вода 10 нагревается и поднимается в верхнюю часть сосуда 9, откуда по трубам 11 поступает в тепловой насос 12 (размещенный в правой части чертежа). За счет отнимания тепла от поступающей в тепловой насос 12 нагретой воды часть ее превращается в пар, а охлажденная вода по трубам 13 возвращается в нижнюю часть сосуда 9. Перегретый пар из теплового насоса 12 поступает внутрь герметичного корпуса приемника энергии электрической дуги 7 (изображенного в правой части чертежа). Зазор между электродами 14 и 15 обеспечивает разрыв электрической цепи, шунтирующей ограничитель перенапряжений 2. При подходе к разветвлению 4 волны перенапряжения расчетной величины, при которой ограничитель перенапряжений 2 еще имеет высокое сопротивление из-за наличия в нем высоконелинейных резисторов, происходит электрический пробой зазора между электродами 14 и 15, в результате чего в этом зазоре зажигается электрическая дуга, представляющая собой светящийся канал, заполненный плазмой с температурой от 40000 К до 50000 К. Плазма состоит из электронов, положительных ионов, а также нейтральных молекул водяного пара, атомов кислорода и водорода. Плавкий предохранитель 6 (изображенный в правой части чертежа), свободно пропускающий предразрядную волну перенапряжения, расплавляется при подходе сопровождающего тока расчетной величины и тем самым разрывает цепь питания канала электрической дуги между электродами 14 и 15. После расплавления плавкого предохранителя 6 сопровождающий ток от разветвления 4 протекает до ограничителя перенапряжений 2, резисторы которого пропускают ток большой величины с малым сопротивлением, в результате чего волна перенапряжения уходит в Землю. Обесточенный в результате расплавления плавкого предохранителя 6 размыкатель 5 известной конструкции (изображенный в правой части чертежа) переходит в автоматическом режиме в положение, обеспечивающее разрыв цепи через электроды 14 и 15 даже после ввода в эту цепь нового плавкого предохранителя взамен расплавившегося. Кроме этого, автоматические системы контроля положения размыкателя 5 комплекта электрических приборов, изображенных в правой части чертежа, выдают управляющий импульс на подключение к электрической цепи 3 через разветвление 4 очередного свободного комплекта приборов (изображенного в левой части чертежа) в составе размыкателя 5, плавкого предохранителя 6 и приемника энергии электрической дуги 7 путем перевода в рабочее (замкнутое) положение размыкателя 5 (изображенного в левой части чертежа). В результате такого переключения восстанавливается защита сети 1 новым комплектом электрических приборов, подключенных параллельно ограничителю перенапряжений 2. Из обесточенного приемника энергии электрической дуги 7 отработавшего свой цикл комплекта приборов (изображенного в правой части чертежа) плазма по трубе 16 проникает в электролизер 17, где осуществляется ее разложение на кислород и водород, которые в процессе электролиза выводятся из электролизера 17 к местам хранения. После освобождения приемника энергии электрической дуги 7 от плазмы он заполняется новой порцией перегретого пара из теплового насоса 12, и с этого момента комплект приборов, изображенный в правой части чертежа, вновь может быть подключен к электрической цепи 3 через разветвление 4 для защиты электрической линии 1.

Экономическая целесообразность внедрения описанного способа утилизации тепловой энергии, образующейся при ликвидации перенапряжений в электрических сетях, обосновывается следующими факторами. На примере энергетики СССР можно видеть, что за 40 лет, с 1945г. по 1985 г., время использования среднегодовой установленной мощности увеличилось с 4240 ч до 5138 ч, а коэффициент использования среднегодовой установленной мощности вырос соответственно с 0,484 до 0,586. Если в прошлом основными потребителями электроэнергии были электрическое освещение (лампы накаливания) и асинхронный электропривод, то в последние десятилетия в связи с бурным развитием науки и техники, совершенствованием и внедрением новой прогрессивной технологии производства, расширением электрификации производственных процессов появились новые, достаточно мощные потребители электроэнергии. К ним относятся электрические печи и электротермические установки (сталеплавильные дуговые электропечи мощностью 45 тысяч кВт), рудно-термические печи (мощностью 4,5 тысяч кВт), прокатные станы с ударной нагрузкой, электросварочные установки, электропривод подъемно-транспортных механизмов, электропривод экскаваторов непрерывного действия, осветительные и прожекторные установки, радиотелеустановки, газоразделительные и вентиляционные системы, установки электронно-ионной технологии, электрофизические установки (ускорители, лазеры, испытательные стенды), а также некоторые другие установки. Широкое распространение получили асинхронный и синхронный электроприводы с единичной мощностью двигателей соответственно до 8000 и 25000 кВт, тиристорные и машинные преобразователи. В связи с установкой в энергосистемах все более мощных генераторов, трансформаторов и электродвигателей растет значимость решения проблемы токов короткого замыкания. Статистические данные показывают, что основная часть повреждений возникает в электрических сетях и на подстанциях, а их причиной в большинстве случаев являются различные виды коротких замыканий, чаще всего возникающих из-за нарушения изоляции, либо вызванных перенапряжениями в сетях или прямыми ударами молнии. Все вышеперечисленные факторы свидетельствуют об острой необходимости совершенствования систем защиты электрических сетей от коммуникационных и грозовых перенапряжений. Повышение надежности защиты электрических сетей предлагаемым способом позволяет не только гарантированно прерывать сопровождающий ток, но также утилизировать энергию электрической дуги, возникающей при ликвидации перенапряжений. Особенно примечательно то обстоятельство, что предлагаемый способ позволяет принять и утилизировать энергию атмосферного электричества.

Источники информации
1. Кучинский Г. С. , Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы. Второе издание. М: Энергоатомиздат, 1992, с. 276-297.

2. Неклепаев Б. Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. М: Энергоатомиздат, 1986, с. 234-306, 558-568.

3. Авторское свидетельство СССР 1385150, Н 01 С 8/04, Н 01 Т 4/20, опубликованное 30.03.88 г. в Бюллетене 12.

Изобретение предназначено для использования в энергетическом хозяйстве производителей, распределителей и потребителей электроэнергии для защиты изоляции электрооборудования, а также линий электропередач от грозовых и коммутационных перенапряжений, с помощью ограничителей перенапряжений с высоконелинейными резисторами. Электромагнитная энергия, запасенная в цепях переменного, при ликвидации перенапряжений преобразуется в энергию электрической дуги, которая зажигается в зазоре между электродами шунтирующего ограничитель перенапряжений приемника энергии электрической дуги в среде сухого перегретого водяного пара, образованного за счет нагрева воды током проводимости через ограничитель и превращающегося в плазму. Плазма поступает в электролизеры, вырабатывающие водород и кислород. Накопленные в хранилищах водород и кислород могут быть использованы для питания топливных элементов, предназначенных для производства электроэнергии, а также в других целях. Технический результат - утилизация тепловой энергии электрической дуги при ликвидации перенапряжений. 1 ил.

Способ утилизации тепловой энергии, образующейся при ликвидации перенапряжений в электрических сетях, с помощью размыкателей, плавких предохранителей и ограничителя перенапряжений с высоконелинейными резисторами, размещенного в герметичной оболочке и находящегося на потенциале Земли, отличающийся тем, что оболочку ограничителя перенапряжений помещают в сосуд, заполненный дистиллированной водой, шунтируют ограничитель перенапряжений электрическими цепями, в состав каждой из которых входят размыкатель, плавкий предохранитель и приемник энергии электрической дуги, состоящий из электродов, находящихся внутри высокопрочного герметичного корпуса, изготовленного из жаростойкого материала и заполненного сухим перегретым водяным паром, образованным из дистиллированной воды в сосуде с ограничителем перенапряжений за счет ее нагрева током проводимости, протекающим через ограничитель перенапряжений, и обеспечивают возникновение электрической дуги между электродами приемника энергии электрической дуги под действием волны перенапряжения расчетного уровня в период, когда ограничитель перенапряжений еще имеет высокое сопротивление высоконелинейных резисторов, а энергию электрической дуги используют для образования из сухого перегретого пара в корпусе приемника энергии электрической дуги плазмы, которую направляют в электролизер, где осуществляют ее разложение на кислород и водород, а полученные кислород и водород выводят из электролизера к местам хранения и используют для выработки электроэнергии в топливных элементах или для других целей.