УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ОДНОФАЗНЫХ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ ЗАМЫКАНИЯ И ОГРАНИЧЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2006 года по МПК H02H9/00 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты электроустановок и линий электропередачи в высоковольтных сетях 6-220 кВ с изолированной нейтралью при наличии трансформаторов больших мощностей посредством компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений, повышения отключающей способности коммутационных аппаратов, исключения вероятности возникновения резонансных и феррорезонансных явлений при неполнофазных режимах и полном обесточении системы шин, сокращения по времени переходных и устранения возможности возникновения колебательных процессов при возможном развитии аварийных режимов.

Известно устройство заземления нейтрали трансформатора (см. авторское свидетельство бывшего СССР №864423, Н 02 Н 9/02, 1/16, 1979), содержащее насыщающийся реактор, рабочая обмотка которого подсоединена в нейтраль высоковольтной обмотки силового трансформатора через искровой промежуток, шунтируемый, при необходимости, замыкающим контактом быстродействующего автоматического выключателя, а обмотка управления подсоединена к источнику постоянного тока через нормально замкнутый контакт автоматического выключателя гашения поля, причем с целью повышения эффективности компенсации указанных токов и ограничения перенапряжений насыщающийся реактор снабжен дополнительной обмоткой, магнитно связанной с другими обмотками реактора и подсоединенной к выводам разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки силового трансформатора.

Недостатками указанного устройства являются необходимость использования источника постоянного тока, возникновение перенапряжений высоких частот при пробое искрового промежутка в нейтрали высоковольтной обмотки силового трансформатора, нарушающих равномерное распределение напряжений между витками в катушках, между катушками обмоток и между обмотками трансформатора, невозможность компенсации емкостного тока однофазного замыкания предварительно насыщенным реактором, вероятность возникновения резонансных и феррорезонансных явлений в переходных режимах насыщения реактора с появлением длительных колебательных процессов на питающей системе шин, а следовательно, во всей электрически связанной сети.

Известно устройство для ограничения перенапряжений и токов замыкания на высоковольтной подстанции (см. авторское свидетельство бывшего СССР №907682, Н 02 Н 9/00, 1980), содержащее дроссель насыщения с отводами, подсоединенный в нейтраль высоковольтной обмотки силового трансформатора и изменяющий величину своего индуктивного сопротивления в зависимости от изменения напряжения между выводами разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки силового трансформатора, шунтируемыми дополнительной обмоткой силового трансформатора, при этом один из выводов указанной обмотки подсоединен к отпайке дросселя насыщения, а другой - к его заземленному выводу.

Однако устройство исключает возможность глухого заземления нейтрали высоковольтной обмотки силового трансформатора, не обеспечивает эффективного снижения индуктивного сопротивления между выводами его вторичной обмотки, соединенной по схеме разомкнутый "треугольник" с целью ограничения перенапряжений, недостаточно компенсирует однофазные емкостные токи замыкания в связи со снижением результирующего индуктивного сопротивления в нейтрали при параллельном соединении части обмотки дросселя насыщения и дополнительной обмотки силового трансформатора. Кроме этого, предлагаемое устройство обладает определенной степенью магнитной инерционности при переходе от режима ограничения внутренних перенапряжений к режиму ограничения однофазных токов замыкания до их отключения линейными коммутационными аппаратами, работа которых в таких случаях усложняется из-за возникновения вышеуказанных явлений и процессов, приводящих к развитию аварий в циклично-каскадной последовательности.

Известно устройство для ограничения токов замыкания и перенапряжений (см. авторское свидетельство бывшего СССР №1594643, Н 02 Н 9/06, 1988), содержащее резисторную установку и защитный разрядник, соединенные параллельно и подсоединенные непосредственно между нейтралью высоковольтной обмотки силового трансформатора и заземляющим устройством, причем резисторная установка представляет собой делитель напряжения, содержащий два последовательно соединенных резистора, между общей точкой которых и заземляющим устройством включены параллельно соединенные реактор и конденсатор.

Недостатками указанного устройства являются:

- возможность теплового повреждения одного из двух последовательно соединенных резисторов током молнии при возникновении грозовых перенапряжений вследствие шунтирования конденсатором другого сопротивления, что приводит к выходу установки из строя;

- высокая вероятность пробоя изоляции конденсатора повышенным напряжением промышленной частоты нейтрали высоковольтной обмотки силового трансформатора, возникающего при коммутационных перенапряжениях в результате неполнофазных режимов работы линейных выключателей или обрывов фаз питающих линий электропередач и;

- возникновение феррорезонансных явлений в результате полного обесточения системы шин воздушными выключателями с наличием емкостных делителей напряжения на отделителях и сохранением в схеме индуктивностей высоковольтных обмоток с глухим заземлением нейтрали электромагнитного трансформатора напряжения контроля изоляции, приводящих к колебательным процессам повышенных токов и напряжений высоких частот между конденсатором и реактором и, как следствие, повреждению витковой изоляции реактора;

- возникновение и длительные воздействия резонансных явлений по напряжению между индуктивностью высоковольтной обмотки силового трансформатора и емкостью конденсатора, а также резонансных явлений по току между емкостью конденсатора и индуктивностью реактора, приводящих к повреждению разрядника с последующим повреждением изоляции высоковольтной обмотки силового трансформатора.

Вышеперечисленные недостатки могут вызвать резкие изменения, в относительно широких пределах, эффективности результирующего заземления нейтрали сети при возникновении аварийных режимов и их возможного развития в циклично-каскадной последовательности по причине отказов в работе современных устройств релейной защиты, средств автоматики и телемеханики.

Известно устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях (см. патент Украины №51323 А; Н 02 Н 9/00, 9/06; 2002), содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью, а вторичная - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор, подключенный к выводам вторичной обмотки и при этом высоковольтным вводом - к нейтрали, а низковольтным выводом - к заземляющему контуру, коммутационный аппарат с цепью управления и шунтирующий резистор, соединенные последовательно и шунтирующие реактор, трансформатор напряжения, трансформаторы тока, заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления, заземляющий резистор.

Данное устройство принимаем за прототип.

Недостатки прототипа:

- подключение шунтирующего резистора параллельно и подсоединение заземляющего резистора последовательно обмотке реактора с помощью включения и отключения соответствующих коммутационных аппаратов не обеспечивают при быстро изменяющихся параметрах переходных и колебательных процессов достаточный уровень эффективности работы защитного устройства по причине определенной инерционности и возможности отказов указанных аппаратов при сложных коммутациях;

- при наличии двух трансформаторов тока, один из которых находится в цепи вторичной обмотки силового трансформатора параллельно реактору, а другой - последовательно в заземляемом выводе реактора, возможно нарушение режимов селективности работы устройств релейной защиты в их вторичных цепях при резко изменяющихся во времени аварийных режимах в питаемой сети;

- отсутствует стабильный режим заземления нейтрали через соответствующее активное сопротивление и возможность изменения его величины при необходимости повышения эффективности ограничения внутренних перенапряжений;

- отсутствие отводов в реакторе исключает возможность эффективного изменения его индуктивности при изменяющихся режимах работы дуговых и рудно-термических печей, особенно при возникновениях технологических коротких замыканий между электродами, а также несимметричных и возможных неполнофазных режимов в начальной стадии расплавления шихты.

В основу изобретения поставлена задача разработки устройства компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений в высоковольтных сетях 6-220 кВ с изолированной нейтралью с эффективными электромагнитными связями напряжений и токов между его элементами как при промышленной, так и повышенных частотах, т.е. обеспечить устройству электромагнитную совместимость с установленным ранее электрооборудованием на подстанциях и уже существующими распределительными и магистральными линиями электропередачи указанных напряжений.

Решение поставленной задачи обеспечивает устройство компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений в высоковольтных сетях, содержащее трехфазный силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная - по схеме разомкнутый "треугольник", однофазный трансформатор напряжения и реактор между нейтралью и заземляющим устройством, трансформатор тока, резисторы, основной и шунтирующий коммутационные аппараты с цепями управления, за счет того, что дополнительно содержит второй реактор, подсоединенный последовательно первому с одновременным паралельным подсоединением к выводам вторичной обмотки и шунтирующего коммутационного аппарата, при этом реакторы подсоединены посредством основного коммутационного аппарата к нейтрали, а через трансформатор тока к заземляющему устройству и шунтируются паралельно соединенными резисторами, один резистор имеет линейную характеристику, другой - нелинейную, цепь управления основным коммутационным аппаратом содержит реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата содержит реле напряжения и промежуточное реле во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения:

- обеспечение эффективных функциональных связей между обмотками силового трансформатора и последовательно соединенными реакторами с основным и шунтирующим коммутационными аппаратами с помощью упрощенных цепей управления работой указанных элементов на основе контроля тока в заземленной через реакторы нейтрали, а также контроля максимального напряжения в нейтрали без использования существующих разновидностей измерительной техники и средств релейной защиты на подстанциях;

- повышение уровня эффективности заземления нейтрали устройства применительно к действующим электрическим сетям указанных напряжений даже при отключении основного коммутационного аппарата за счет наличия в нейтрали первичной обмотки силового трансформатора подсоединенных непосредственно к заземляющему устройству двух резисторов;

- ограничение до безопасных величин параметров электромагнитных процессов всего спектра частот при возникновении емкостных токов замыкания и внутренних перенапряжений, сокращение времени переходных и устранение колебательных процессов в высоковольтных электрических сетях.

Заявляемое устройство поясняется нижеприведенными описанием и схемой. По изобретению устройство компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений в высоковольтных сетях содержит силовой трансформатор Т с коэффициентом трансформации, равным 1, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора QF подключена к питающей системе шин, а вторичная обмотка соединена по схеме разомкнутый "треугольник". Между нейтралью и заземляющим устройством подсоединены последовательно основной коммутационный аппарат 1 и реакторы L1 и L2, при этом ввод и вывод реактора L2 соединены с выводами вторичной обмотки указанного силового трансформатора Т и шунтирующего коммутационного аппарата 2. Кроме этого, между нейтралью и заземляющим устройством подсоединены непосредственно два резистора - R1 с линейной и R2 с нелинейной характеристиками. Токовая цепь управления основным коммутационным аппаратом 1 содержит в заземляемом выводе реактора L2 трансформатор тока ТА, реле тока 3 и промежуточное реле 4 в его вторичной цепи. Цепь управления по напряжению шунтирующим коммутационным аппаратом 2 содержит между нейтралью и заземляющим устройством однофазный трансформатор напряжения TV с реле напряжения 5 и промежуточным реле 6 в его вторичной цепи.

Устройство работает следующим образом. При нормальном режиме работы электрических сетей указанных напряжений при включенном 1 и отключенном 2 коммутационных аппаратах устройство находится в режиме ожидания.

В момент возникновения однофазных емкостных токов замыкания на линиях электропередачи, питаемых от системы шин, реакторы L1 и L2 в нейтрали силового трансформатора Т при включенном основном коммутационном аппарате 1 мгновенно ограничивают их величины еще до момента начала отключения коммутационных аппаратов поврежденных линий, чем обеспечивается снижение до безопасных величин коммутационных перенапряжений, исключается вероятность "километрических эффектов" при близких токах замыканий, т.е. изоляционная прочность между расходящимися контактами выключателей превышает возникающие напряжения между ними.

Наличие двух резисторов R1 и R2 не только способствует эффективному ограничению коммутационных перенапряжений, но и исключает появление резонансных напряжений промышленной частоты с одновременным сокращением времени высокочастотных переходных процессов.

При возникновении внутренних перенапряжений в результате отключения слабо нагруженных силовых трансформаторов или холостых линий электропередачи, появлении несимметричных режимов питания в электрических сетях, включая неполнофазные режимы в результате возможных обрывов фаз, повышение напряжения в нейтрали силового трансформатора Т фиксируется однофазным трансформатором напряжения TV, и в его вторичной цепи срабатывает реле максимального напряжения 5 и промежуточное реле 6, которые без выдержки времени включают шунтирующий коммутационный аппарат 2, чем обеспечивается при включенном основном коммутационном аппарате 1 повышение эффективности заземления нейтрали питающей электрической сети и снижение перенапряжений при вышеуказанных режимах до безопасных величин для изоляции электрооборудования.

Применение двух резисторов R1 и R2 исключает при аварийных режимах вероятность возникновения колебательных процессов промышленной частоты и резонансов напряжений повышенных частот на питающих системах шин.

Однако, при развитии аварийного режима в каскадной последовательности с возможным вариантом недопустимых токовых перегрузок, приводящих к возникновению резонансных токов соответствующих частот, во вторичной цепи трансформатора тока ТА срабатывает реле тока 3 и промежуточное реле 4, которые без выдержки времени отключают основной коммутационный аппарат 1 при отключенном шунтирующем коммутационном аппарате 2, чем обеспечивается снижение токовых перегрузок устройства с одновременным устранением резонанса токов за счет наличия в нейтрали силового трансформатора Т двух резисторов R1 и R2, а также применения схемы разомкнутый "треугольник" его вторичной обмотки.

Возникшие в электрических сетях аварийные режимы циклично-каскадной последовательности, приводящие к последовательно чередующимся колебательным процессам перенапряжений, фиксируемых однофазным трансформатором напряжения TV, и появлению резонансных или феррорезонансных токов, фиксируемых трансформатором тока ТА, ограничиваются вышеуказанными режимами работы устройства посредством коммутаций шунтирующего 2 и основного 1 коммутационных аппаратов, управляемых соответствующими вторичными цепями.

Применение устройства компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях:

- повышает надежность эксплуатации существующего электрооборудования;

- обеспечивает требуемое качество электроэнергии;

- снижает электрические потери;

- уменьшает затраты на защиту электрооборудования.

Использование: в области электротехники для защиты электроустановок и линий электропередачи в высоковольтных сетях с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в повышении эффективности работы защитного устройства и обеспечение электромагнитной совместимости с установленным ранее электрооборудованием на подстанциях и линиями электропередачи. Устройство компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений в высоковольтных сетях содержит трехфазный силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная - по схеме разомкнутый "треугольник", однофазный трансформатор напряжения и реактор между нейтралью и заземляющим устройством, трансформатор тока, резисторы, основной и шунтирующий коммутационные аппараты, каждый со своей цепью управления. Дополнительно устройство содержит второй реактор, подсоединенный последовательно первому с одновременным параллельным подсоединением к выводам вторичной обмотки и шунтирующего коммутационного аппарата, при этом реакторы подсоединены посредством основного коммутационного аппарата к нейтрали, а через трансформатор тока к заземляющему устройству и шунтируются параллельно соединенными резисторами, один резистор имеет линейную характеристику, другой - нелинейную, цепь управления основным коммутационным аппаратом содержит реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока, цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата содержит реле напряжения и промежуточное реле во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство компенсации однофазных емкостных токов замыкания и ограничения внутренних перенапряжений в высоковольтных сетях, содержащее трехфазный силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная - по схеме разомкнутый "треугольник", однофазный трансформатор напряжения и реактор между нейтралью и заземляющим устройством, трансформатор тока, резисторы, основной и шунтирующий коммутационные аппараты с цепями управления, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй реактор, подсоединенный последовательно первому с одновременным параллельным подсоединением к выводам вторичной обмотки и шунтирующего коммутационного аппарата, при этом реакторы подсоединены посредством основного коммутационного аппарата к нейтрали, а через трансформатор тока к заземляющему устройству и шунтируются параллельно соединенными резисторами.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один резистор имеет линейную характеристику, другой - нелинейную.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления основным коммутационным аппаратом содержит реле тока и промежуточное реле во вторичной цепи трансформатора тока.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления шунтирующего коммутационного аппарата содержит реле напряжения и промежуточное реле во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения.