ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01H77/10 

Изобретение относится к электроэнергетике, а точнее к устройствам, предназначенным для ограничения токов короткого замыкания в аварийных режимах.

Известно устройство ограничения тока короткого замыкания (1), содержащее реактивный элемент в виде катушки индуктивности и электродинамический механизм с подвижными и неподвижными секциями, предназначенный для расшунтирования катушки индуктивности при появлении избыточного тока. К недостаткам этого устройства относится наличие дорогостоящей катушки индуктивности, контактной группы, усложнение конструкции электродинамического механизма с целью повышения его эффективности в области невысоких значений аварийных токов.

Известно также устройство для аварийного автоматического отключения электрической цепи (2), в котором решение частной задачи по ограничению тока короткого замыкания является наиболее близким по технологической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому (прототип).

В прототипе используется реактивный элемент в виде подвижных и неподвижных магнитных секций и электродинамический механизм в виде подвижных и неподвижных электродинамических секций, причем электродинамический механизм последовательно соединен с цепочкой ускоряющих обмоток, каждая из которых размещена на неподвижной магнитной секции. При появлении избыточного тока подвижные электродинамические секции перемещаются по направлению к магнитным секциям, а подвижные магнитные секции благодаря ускоряющим обмоткам, размещенным на неподвижных магнитных секциях, начинают приближаться к неподвижным магнитным секциям, что в совокупности способствует увеличению магнитного потока и дальнейшему ускорению движения подвижных электродинамических и магнитных секций. Динамика движения подвижных секций предусмотрена такой, при которой замыкание магнитных секций происходит после вхождения ближайших к ним сторон подвижных электродинамических секций внутрь магнитопровода, а это приводит к резкому повышению реактивного сопротивления ускоряющих обмоток и подвижных электродинамических секций, что равносильно введению в сеть реактивного сопротивления, величина которого приблизительно в μ/μ₀ раз выше начального (μ - магнитная проницаемость магнитопровода магнитных секций, μ₀ - магнитная проницаемость воздуха).

К недостаткам прототипа следует отнести сложность и громоздкость его конструкции, а также пофазное исполнение, что в конечном итоге приводит к снижению надежности работы устройства в целом.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения конструкции токоограничивающего устройства при сохранении эффективности токоограничения.

Для решения указанной технической задачи в токоограничивающее устройство, содержащее электродинамический механизм, состоящий из электродинамических секций, снабженных гибкими токопроводящими перемычками и упругими элементами, и реактивные элементы, состоящие из магнитных секций, внесены, согласно данному изобретению, существенные конструктивные изменения, а именно электродинамический механизм выполнен лишь из подвижных электродинамических секций в виде трех фаз-шин, расположенных по вершинам одного равностороннего треугольника и образующих в совокупности трехфазный симметричный токопровод, причем фазы-шины токопровода снабжены направляющими для прямолинейного движения с совпадающими с биссектрисами углов равностороннего треугольника продольными осями, обеспечивающими совместно с упругими элементами и гибкими токопроводящими перемычками возможность смещения фаз-шин токопровода в радиальном направлении от продольной оси токопровода и обратно в режиме короткого замыкания и их фиксацию по вершинам равностороннего треугольника в нормальном режиме, а реактивные элементы, каждый по принадлежности к собственной фазе-шине токопровода, расположены также по вершинам другого равностороннего треугольника, биссектрисы которого совпадают с биссектрисами первого равностороннего треугольника, причем другой равносторонний треугольник по своим размерам больше первого.

Отличительным признаком предлагаемого устройства от указанного выше известного (прототип), наиболее близкого к нему, является использование подвижных электродинамических секций в качестве фаз-шин трехфазного симметричного токопровода, смещение которых в режиме короткого замыкания обеспечивается за счет электродинамических усилий взаимодействия между этими тремя фазами-шинами, а не за счет электродинамических усилий взаимодействия между подвижной и неподвижной секциями электродинамического механизма в одной фазе. Этот отличительный признак поясняет возможность значительного упрощения конструкции электродинамического механизма и всего токоограничивающего устройства в целом, т.к. позволяет исключить из электродинамического механизма неподвижные секции и от однофазного исполнения токоограничивающего устройства перейти к трехфазному. Работоспособность трехфазного токоограничивающего устройства основана на том (3, с. 73, с.67-84), что при трехфазном коротком замыкании средние значения сил электродинамического взаимодействия между фазами симметричного токопровода в течение всего времени короткого замыкания одинаковы и направлены по биссектрисам углов равностороннего треугольника, в вершинах которого находятся фазы токопровода (при двухфазном коротком замыкании сила взаимодействия между двумя фазами несколько меньше, однако незначительно).

Другой отличительный признак заключается в следующем. Мгновенные значения электродинамических усилий взаимодействия фаз-шин в симметричном токопроводе, отнесенные к каждой фазе-шине, хотя и не меняют свой знак на противоположный, но все же изменяются во времени как по величине, так и по направлению (3, с. 80, с.67-84). С целью стабилизации движения фаз-шин строго в радиальном направлении каждая фаза-шина токопровода снабжена направляющими для прямолинейного движения, причем продольные оси этих направляющих совпадают с биссектрисами углов равностороннего треугольника, по вершинам которого размещены фазы-шины. Эти же направляющие, по окончании режима короткого замыкания, посредством упругих элементов обеспечивают возврат фаз-шин в первоначальное положение.

Выполнение токоограничивающего устройства в трехфазном исполнении обусловило и его третий отличительный признак, который заключается в том, что реактивные элементы, каждый по принадлежности к собственной фазе-шине, должны быть так же расположены по вершинам равностороннего треугольника, биссектрисы которого совпадают с биссектрисами равностороннего треугольника, по вершинам которого размещены фазы-шины токопровода, причем треугольник с реактивными элементами по размерам должен быть больше треугольника с фазами-шинами, т.к. электродинамические усилия взаимодействия между фазами-шинами токопровода действуют в направлении увеличения габаритов токопровода.

Перечисленные отличительные признаки определяют оптимальную конструкцию предлагаемого токоограничивающего устройства. Первоначальные междуфазовые расстояния, обусловленные размером треугольника с фазами-шинами, выбираются из условия электрической прочности между фазами-шинами и принимаются как можно меньшими, что обеспечивает максимальные значения электродинамических усилий взаимодействия между ними в момент возникновения режима короткого замыкания и, соответственно, быстродействие токоограничения. В процессе движения фаз-шин, с увеличением междуфазовых расстояний, электродинамические усилия взаимодействия между ними достаточно резко ослабевают, создавая предпосылки к уменьшению быстродействия токоограничения, однако уменьшения быстродействия не происходит, т.к. каждая фаза-шина, по мере продвижения в радиальном от центра симметричного токопровода направлении, приближается к реактивному элементу, полюса магнитных секций которого можно рассматривать как ферромагнитную стенку с бесконечно большой магнитной проницаемостью. При этом увеличивается магнитная проводимость, а следовательно, и магнитный поток фазы-шины с током, увеличивая электромагнитную энергию системы в целом. На каждую фазу-шину начинает действовать усилие, притягивающее ее к полюсам магнитных секций соответствующего ей реактивного элемента. При расчетах этих усилий применим метод зеркальных отображений (4, с.47), из которого следует, что силы взаимодействия проводника с током и ферромагнитной стенки можно рассматривать как электродинамические усилия взаимодействия между двумя проводниками с тем же током, находящимися друг от друга на расстоянии, в два раза большем, чем расстояние между одним проводником с током и ферромагнитной стенкой. По мере уменьшения этого расстояния электродинамические усилия взаимодействия между фазой-шиной и реактивным элементом резко возрастают, компенсируя ослабление электродинамических усилий взаимодействия между шинами-фазами токопровода.

Оптимизация конструкции предлагаемого токоограничивающего устройства заключается в правильном подборе междуфазовых расстояний между фазами-шинами симметричного токопровода и междуфазовых расстояний между реактивными элементами, т.к. от рациональной компоновки токоограничивающего устройства как раз и зависит быстродействие и кратность усиления токоограничения. В нормальном режиме ферромагнитные массы реактивных элементов должны быть достаточно удалены от фаз-шин токопровода с тем, чтобы свести к минимуму электромагнитную связь между ними. В режиме короткого замыкания, по мере перемещения фаз-шин, эта связь резко возрастает, причем характер изменения электромагнитной связи определяется конфигурацией магнитных секций реактивного элемента, которая определяет соотношение основного потока и потоков рассеивания. В зависимости от заданных параметров токоограничивающего устройства магнитная система реактивного элемента по отношению к фазе-шине может быть принята симметричной (например, фаза-шина входит в паз между двумя неподвижными параллельными магнитными секциями, когда сталь имеется только с двух сторон от фазы-шины, или, например, фаза-шина входит внутрь неподвижной магнитной секции, когда сталь имеется с трех сторон, а с четвертой стороны имеется подвижная магнитная секция, которая замыкает основной магнитный поток после вхождения фазы-шины внутрь неподвижной магнитной секции) или несимметричной (например, когда фаза-шина входит в паз неподвижной магнитной секции, когда сталь имеется лишь с трех сторон). При различных конструктивных исполнениях системы фаза-шина - реактивный элемент в каждом конкретном случае учитываются основной поток, потоки рассеивания, изменения активного сопротивления фаз-шин в результате вытеснения тока и динамика изменения этих параметров. Кроме того, количество ферромагнитной массы реактивных элементов выбирается из условия недопустимости насыщения стали. Основной причиной резкого увеличения реактивного сопротивления фаз-шин является появление в каждой фазе-шине значительной противоЭДС, что эквивалентно введению в сеть индуктивного сопротивления. Окончательный подбор реактивного сопротивления регулируется совместной длиной фаз-шин и реактивных элементов, выбранной вдоль продольной оси токопровода.

Ниже дан пример выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - общий вид токоограничивающего устройства, вид спереди;

фиг.2 - то же, вид слева.

Токоограничивающее устройство содержит электродинамический механизм, состоящий из трех подвижных секций в виде фаз-шин 1, расположенных по вершинам равностороннего треугольника и образующих тем самым трехфазный симметричный токопровод. Каждая фаза-шина 1 снабжена реактивным элементом 2 в виде магнитопровода, состоящего, в общем, из подвижных и неподвижных секций. В данном частном примере реактивный элемент 2 состоит из двух неподвижных магнитных секций 3 и 4, которые образуют для каждой фазы-шины 1 симметричную магнитную систему. Реактивные элементы 2 также расположены по вершинам равностороннего треугольника, биссектрисы которого совпадают с биссектрисами равностороннего треугольника, по вершинам которого расположены фазы-шины 1, причем треугольник с реактивными элементами 2 больше по размерам треугольника с фазами-шинами 1. Монтаж фаз-шин 1 и реактивных элементов 2 производится на стойках 5 и 6 из высокопрочного материала (например, стеклопластика и др.) с повышенными диэлектрическими свойствами. Расстояние в свету между стойками 5 и 6 задает длину токопровода и реактивных элементов и в конечном итоге обусловливает заданную величину индуктивного сопротивления токоограничивающего устройства. В стойках 5 и 6 выполнены пазы 7, продольные оси которых расположены под углом 120° относительно друг друга, т.е. по совпадающим между собой биссектрисам углов обоих равносторонних треугольников. Магнитные секции 3 и 4 реактивных элементов 2 выполняют по совместительству роль крепежных балок между стойками 5 и 6. Подвижные фазы-шины 1 трехфазного симметричного токопровода пропущены сквозь пазы 7 стоек 5 и 6 и снабжены направляющими 8, обеспечивающими возможность смещения каждой фазы-шины в радиальном направлении от центра токопровода и направляющими 9, препятствующими случайному смещению фаз-шин в направлении продольной оси токопровода. Каждая фаза-шина 1 симметричного токопровода снабжена упругим элементом 10, выполненным, например, в виде резинового жгута, концы которого прикреплены к стойкам 5 и 6 с их внутренних сторон по продольной оси пазов 7 и перекинутым через вращающиеся блочки 11, скрепленные с фазами-шинами 1, причем толщина вращающихся блочков и диаметр жгута не превышают толщины фазы-шины 1. К выступающим за внешние пределы стоек 5 и 6 концам фаз-шин 1 электрически подсоединены гибкие токопроводящие перемычки 12, свободные концы которых электрически подсоединены к выводам 13 для подключения каждой фазы-шины в рабочую сеть, а сами выводы 13 механически крепятся к диэлектрическим стойкам 5 и 6.

Токоограничивающее устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме при номинальных токах электродинамические усилия взаимодействия между фазами-шинами 1 токограничивающего устройства, выполненного в виде трехфазного симметричного токопровода, малы и фазы-шины 1 посредством упругих элементов 10 удерживаются в первоначальном положении по вершинам равностороннего треугольника, причем фиксация фаз-шин 1 в этом положении осуществляется основаниями пазов 7, выполненных в стойках 5 и 6. Упругие элементы 10 задают условия трогания фаз-шин 1 в режиме короткого замыкания и их возврат в первоначальное положение после окончания аварийного режима. В аварийном режиме, при нарастании тока короткого замыкания, электродинамические усилия взаимодействия между фазами-шинами 1 токопровода резко возрастают и фазы-шины, преодолевая усилия упругих элементов 10, перемещаются в пазах 7 посредством направляющих 8 к реактивным элементам 2, при достаточном приближении к которым резко возрастают электродинамические усилия притяжения между фазами-шинами 1 и реактивными элементами 2. Далее фазы-шины 1 входят в пазы между магнитными секциями реактивных элементов. В начале процесса короткого замыкания происходит “мягкое” токоограничение (за счет увеличения потоков рассеивания, скорости изменения тока с момента трогания, а также за счет увеличения междуфазовых расстояний в симметричном токопроводе), а при вхождении фаз-шин 1 в пазы магнитных секций реактивных элементов 2 - “жесткое” токоограничение (за счет резкого увеличения основного потока и эффекта вытеснения тока). Величина противоЭДС в процессе короткого замыкания определяется параметрами электромагнитной системы фаза-шина - реактивный элемент, характеристики которой выбираются в зависимости от поставленной задачи. Наличие противоударных механизмов в токоограничивающем устройстве, останавливающих движение фаз-шин, возможно, но не обязательно (это зависит от усилий упругих элементов, высоты паза магнитных секций и т.д.). В приведенном примере выполнения токоограничивающего устройства на фиг.1 и на фиг.2 применение противоударных механизмов лишено смысла, т.к. фазы-шины при выходе из паза с его внешней стороны тормозятся самой электромагнитной системой и возвращаются автоматически в “нейтральное” положение (как показано на фиг.2 для верхней фазы-шины) на все время протекания тока короткого замыкания. Ограниченный до установившегося значения ток короткого замыкания в дальнейшем отключается выключателем через время, определяемое релейной защитой цепи, после чего фазы-шины 1 действием упругих элементов 10 возвращаются в первоначальное положение и токоограничивающее устройство вновь готово к работе.

Исполнение токоограничивающего устройства в трехфазном исполнении отличается простотой конструкции, а следовательно, меньшими габаритами и меньшей стоимостью.

Источники информации:

1. Вязовик В.Я., Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Способ ограничения тока короткого замыкания и устройство для его осуществления. Патент РФ №2016459, опубл. 15.07.94, бюл. №13.

2. Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Устройство для аварийного автоматического отключения цепи. Патент РФ №2171524, опубл. 27.07.01, бюл. №21.

3. А.С.Овчаренко, С.И.Полещук. Токопроводы в электроснабжении промышленных предприятий, Киев, Техника, 1982.

4. А.А.Чунихин. Электрические аппараты, Москва, Энергоатомиздат, 1988.

Изобретение относится к электроэнергетике. В токоограничивающем устройстве в качестве электродинамического механизма используется трехфазный симметричный токопровод с подвижными фазами-шинами. В режиме короткого замыкания подвижные фазы-шины токопровода, перемещаясь в радиальном направлении под углом 120° друг к другу, входят в пазы ферромагнитных масс, при этом в подвижных фазах-шинах возникают значительные противоЭДС, что эквивалентно вводу в сеть реактивных сопротивлений. После окончания аварийного режима подвижные фазы-шины возвращаются в исходное положение действием упругих элементов. Техническим результатом является упрощение конструкции при сохранении эффективности токоограничения. 2 ил.

Токоограничивающее устройство, содержащее электродинамический механизм, состоящий из электродинамических секций, снабженных гибкими токопроводящими перемычками и упругими элементами, и реактивные элементы, состоящие из магнитных секций, отличающееся тем, что электродинамический механизм выполнен лишь из подвижных электродинамических секций в виде трех фаз-шин, расположенных по вершинам одного равностороннего треугольника и образующих в совокупности трехфазный симметричный токопровод, причем фазы-шины токопровода снабжены направляющими для прямолинейного движения с совпадающими с биссектрисами углов равностороннего треугольника продольными осями, обеспечивающими совместно с упругими элементами и гибкими токопроводящими перемычками возможность смещения фаз-шин токопровода в радиальном направлении от продольной оси токопровода и обратно в режиме короткого замыкания и их фиксацию по вершинам равностороннего треугольника в нормальном режиме, а реактивные элементы, каждый по принадлежности к собственной фазе-шине токопровода, расположены также по вершинам другого равностороннего треугольника, биссектрисы которого совпадают с биссектрисами первого равностороннего треугольника, причем другой равносторонний треугольник по своим размерам больше первого.