УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2006 года по МПК H02H9/00 H02H9/06 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты электроустановок и линий электропередач в сетях 6÷220 кВ с изолированной и 110÷220 кВ с эффективно заземленной нейтралями путем ограничения до безопасных величин напряжений, токов и частот при меняющихся режимах энергосистем, технологических режимах предприятий, аварийных состояниях, феррорезонансных, переходных и колебательных процессах.

Известно устройство ограничения феррорезонансных процессов и резонансных перенапряжений (см. авторское свидетельство СССР №1834601, Н 02 Н 9/04, 1990), содержащее силовой трансформатор, нейтраль первичной обмотки которого заземлена через дугогасящую катушку, трансформатор напряжения, нейтраль первичной обмотки которого заземлена через высокоомный резистор. Нейтрали трансформаторов соединены между собой через низкоомный резистор, шунтируемый выключателем. Кроме этого, к нейтрали силового трансформатора подключен однофазный трансформатор напряжения, во вторичную обмотку которого включено реле напряжения, в цепь заземления дугогасящей катушки включено реле тока, а выходы обоих реле включены в цепь управления выключателя, шунтирующего низкоомный резистор. Устройство эффективно ограничивает перенапряжения и токи резонансного и феррорезонансного процессов повышенных мощностей в питающей сети с силовыми трансформаторами, чем обеспечивается повышенная эффективность ограничения указанных процессов в питаемой сети промышленных предприятий, особенно при наличии дуговых печей.

Однако устройство не обеспечивает снижение перенапряжений до безопасных величин при длительном воздействии дуговых замыканий на землю, коммутационных процессов и резонансных явлений. Кроме этого, применение большого количества составных элементов снижают надежность устройства, повышают его стоимость.

Известно комбинированное трансформаторное устройство высоковольтных сетей с изолированной нейтралью (см. патент СССР №1838859, Н 02 Н 9/06, 1990), которое содержит силовой трансформатор, высоковольтный реактор, включенный между нейтралью высоковольтной обмотки силового трансформатора и землей, а также низковольтный реактор, включенный в разомкнутую цепь "треугольника" вторичной обмотки силового трансформатора. Для обеспечения совместной или раздельной работы реакторов применена схема автоматики с использованием блока высоковольтных резисторов, подсоединенных непосредственно к нейтрали высоковольтной обмотки силового трансформатора параллельно реактору.

Однако данное устройство также не устраняет опасных воздействий переходных и колебательных процессов, не обеспечивает требуемого качества электрической энергии при сложных технологических режимах в дуговых печах или аварийных ситуациях и не обеспечивает должного симметрирующего эффекта при изменениях фазных напряжений в процессе технологического расплава шихты в дуговых и рудно-термических печах. К недостаткам устройства следует отнести сложность системы управления, наличие достаточного количества электронных и электромеханических составляющих, что снижает надежность работы. Наличие двух токоограничивающих ректоров и системы управления их параметрами повышает стоимость и снижает конкурентоспособность такого решения.

Известно устройство ограничения параметров электромагнитных процессов при технологических и аварийных режимах в высоковольтных электрических сетях промышленных предприятий (см. патент Украины №29262 А, Н 02 Н 7/04, 9/00, 1998), содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", однофазный высоковольтный реактор, соединенный с выводами вторичной обмотки. При этом нейтраль первичной обмотки силового трансформатора подсоединена к высоковольтному вводу реактора, а низковольтный вывод реактора заземлен. Устройство обеспечивает повышение надежности работы высоковольтных электрических сетей и снижение затрат на защиту электрооборудования.

Данное устройство принимаем за прототип.

Недостатками прототипа являются:

- устройство не обеспечивает ограничение внутренних высокочастотных перенапряжений в режиме недокомпенсации однофазных токов замыкания на землю в аварийных режимах;

- устройство применимо только для сетей 6-10-35 кВ с изолированной нейтралью и не может быть использовано для сетей 110-150-220 кВ с эффективным заземлением нейтрали;

- устройство недостаточно эффективно ограничивает колебательные процессы в сети при режимах недокомпенсации в связи с отсутствием гасительных сопротивлений.

В основу изобретения поставлена задача разработки устройства ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях, обеспечивающего эффективную защиту от перенапряжений в меняющихся технологических, аварийных и послеаварийных режимах высоковольтных сетей с изолированной и эффективно заземленной нейтралями, повышение качества электрической энергии и снижение электрических потерь.

Решение поставленной задачи обеспечивает устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях, содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор, соединенный с выводами разомкнутой цепи вторичной обмотки и при этом высоковольтным вводом - с нейтралью, а низковольтным выводом - с заземляющей цепью, за счет того, что содержит коммутационный аппарат с цепью управления и сопротивление, соединенные последовательно и предназначенные для шунтирования реактора, трансформатор напряжения, высоковольтная обмотка которого соединена одним выводом с нейтралью, другим - с заземляющей цепью, а к низковольтной обмотке подсоединена цепь управления коммутационного аппарата, в заземляющей цепи реактора заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления, содержащей токовые и промежуточные реле, трансформатор тока, через первичную обмотку которого соединяется низковольтный вывод реактора с вторичной обмоткой силового трансформатора, а к вторичной обмотке подсоединена цепь управления заземляющего коммутационного аппарата, второе сопротивление, подсоединенное последовательно в заземляющую цепь реактора и шунтируемое заземляющим коммутационным аппаратом, второй трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в заземляющую цепь реактора, а к вторичной обмотке подсоединена цепь управления заземляющего коммутационного аппарата.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения:

- обеспечивается ограничение внутренних высокочастотных перенапряжений в режиме недокомпенсации однофазных токов замыкания на землю в аварийных режимах;

- применяется не только для сетей 6-10-35 кВ с изолированной нейтралью, но и может быть использовано для сетей 110-150-220 кВ с эффективным заземлением нейтрали;

- эффективно ограничиваются колебательные и переходные процессы в сети при режимах недокомпенсации, благодаря наличию гасительных сопротивлений;

- снижаются внутренние перенапряжения высоких частот, возникающие из-за наличия емкостных связей между питающими обмотками высокого и питаемыми обмотками низкого напряжений силовых трансформаторов;

- ограничиваются до регламентируемых величин перенапряжения при однофазных токах короткого замыкания в сетях 110÷220 кВ с эффективным заземлением нейтрали;

- обеспечивается электромагнитная совместимость заявляемого устройства с линейными токоограничивающими реакторами и батареями конденсаторов;

- обеспечивается симметрирующий эффект при технологических колебаниях фазных напряжений.

Заявляемое устройство поясняется нижеприведенными описанием и схемой (см. Фиг.1). По изобретению устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях содержит силовой трехфазный трансформатор Т, у которого первичная обмотка 1 соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью 2 и с помощью коммутатора QF подключена к питающей системе шин 3, а вторичная обмотка 4 соединена по схеме разомкнутый "треугольник", регулируемый реактор L, подсоединенный высоковольтным вводом к нейтрали 2 и к одному из выводов разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки 4, а низковольтным выводом через первичную обмотку 5 трансформатора ТА1 к другому выводу разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки 4, коммутационный аппарат 6 и сопротивление R1, соединенные последовательно и предназначенные для шунтирования реактора, трансформатор напряжения TV, высоковольтная обмотка 7 которого подсоединена одним выводом к нейтрали 2, другим - к заземляющей цепи, а к низковольтной обмотке 8 подсоединена цепь управления коммутационным аппаратом 6, содержащая реле напряжения KV и промежуточное реле KL1.

В заземляющую цепь реактора последовательно через первичную обмотку 9 второго трансформатора тока ТА2 подсоединено заземляющее сопротивление R2, шунтируемое заземляющим коммутационным аппаратом 10. К вторичным обмоткам 11 и 12 трансформаторов тока ТА1, ТА2 подсоединена цепь управления заземляющим коммутационным аппаратом 10, содержащая реле тока КА1, КА2 и промежуточные реле KL2 и KL3.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при нормальном режиме эксплуатации электрических сетей 6÷220 кВ с изолированной и 110÷220 кВ с эффективно заземленной нейтралями устройство находится в режиме "ожидания", т.е. при включенном коммутаторе QF силовой трансформатор Т находится под напряжением питающей секции 3 в режиме холостого хода. Устройство работает в автономном режиме со своими функциональными связями управления от трансформатора напряжения TV и трансформаторов тока ТА1 и ТА2 через соответствующие реле напряжения KV и реле тока КА1, КА2, а также промежуточные реле KL1, KL2, KL3 и не зависит от существующих на подстанции средств релейной защиты, автоматики и телемеханики, имея только индивидуальную токовую отсечку без выдержки времени, действующую на отключение в случае возможного повреждения его элементов.

При возникновении в сети емкостного тока однофазного замыкания на землю сугубо металлического между выводами реактора L появляется фазное напряжение, которое обеспечивает появление в цепи его обмотки, а следовательно, и в месте замыкания индуктивного тока, равного по величине или незначительно превышающего величину емкостного тока замыкания на землю, что исключает вероятность возникновения больших повреждений изоляции, особенно кабельной изоляции между фазами в результате теплового эффекта. Режим эффективной компенсации исключает возникновение междуфазных коротких замыканий, приводящих к аварийному отключению поврежденного фидера от источника питания с нарушениями технологических процессов потребителей.

В условиях эксплуатации сетей напряжением 6÷35 и 110÷220 кВ в большинстве случаев возникают дуговые замыкания на землю при пробоях компаундной изоляции кабелей или перекрытиях поверхностей наружной изоляции, загрязняемой промышленными уносами в период туманов или мелко моросящих дождей, приводящие к перенапряжениям между неповрежденными фазами и землей до уровня как минимум 3,6÷5,5 U_ф и 2,5÷3,5 U_ф соответственно, а между изолированной нейтралью первичных обмоток силовых трансформаторов до уровня 2,1÷2,8 U_ф при частотах порядка 2,5÷3,8 кГц указанных перенапряжений. При возникновении внутренних перенапряжений указанных величин и частот с целью исключения вероятности повреждения изоляции нейтрали 2 первичной обмотки 1 и выводов разомкнутого "треугольника" вторичной обмотки 4 силового трансформатора Т, а также непосредственно реактора L, во вторичной цепи однофазного трансформатора напряжения TV срабатывает реле напряжения KV, которое через промежуточное реле KL1 включает шунтирующий коммутационный аппарат 6, подключающий шунтирующее сопротивление R1 параллельно реактору L и вторичной обмотке 4, чем обеспечивается повышение эффективности заземления нейтрали 2 первичной обмотки 1, а следовательно, снижение до безопасной величины напряжения между выводами вторичной обмотки 4 при сохранении допустимого режима максимального насыщения и эффективности не только компенсации однофазных токов дуговых замыканий на землю, но и снижения сопутствующих им внутренних перенапряжений до величин на неповрежденных фазах не более 1,9÷2,0 U_ф, а в нейтрали 2 до 1,1÷1,2 U_ф при практически промышленной частоте.

В случае токовой перегрузки вторичной обмотки 4 срабатывает реле тока КА1 во вторичной цепи трансформатора тока ТА1 и через промежуточное реле KL2 отключается заземляющий коммутационный аппарат 10, чем обеспечивается автоматическое подключение в нейтраль 2 заземляющего сопротивления R2, обеспечивающего необходимое снижение напряжения между выводами реактора L и вторичной обмотки 4 до исчезновения дугового замыкания.

Автоматическое подключение активных сопротивлений R1 и R2 в зависимости от режима компенсации дуговых замыканий на землю исключает вероятность возникновения феррорезонансных явлений в трансформаторах напряжения контроля изоляции, установленных на питающих системах шин, а также устраняют возможность появления перенапряжений при неполнофазных режимах. Естественно, после устранения дуговых замыканий на землю исключается появление переходных и колебательных процессов на питающих секциях.

При полном обесточивании системы шин 110÷220 кВ с изолированной или эффективно заземленной нейтралями коммутационным аппаратом, например, воздушным выключателем с емкостными делителями напряжений (на схеме не показан), на отделителях возникают феррорезонансные явления между индуктивностью трансформатора контроля изоляции типа НКФ и результирующей емкостью отделителей воздушного выключателя, приводящие к появлению на шинах перенапряжений, достигающих величин порядка 2,1÷2,2 U_ф с частотами 3,5 и 7 гармоник. Наличие напряжения, превышающего фазную величину, исключает возможность работы автоматического повторного включения (АПВ) (на схеме не показан) системы шин 3 под напряжение со стороны источников питания, что приводит к необоснованному и длительному ограничению потребителей электрической энергии, нарушению технологических процессов на предприятиях, а также возможному возникновению аварийных режимов. Более того, указанные высокочастотные перенапряжения приводят к электрическим пробоям изоляции указанных трансформаторов напряжения, подсоединенных к питающим системам шин, а перенасыщение их магнитопроводов магнитным потоком с соответствующим снижением индуктивных сопротивлений высоковольтных обмоток является причиной теплового пробоя их изоляции.

Однако наличие устройства исключает вероятность возникновения данных явлений, благодаря шунтированию существующих трансформаторов напряжения контроля изоляции первичной 1 и вторичной 4 обмотками силового трансформатора Т, сопротивления которых могут эффективно снижаться, благодаря допустимому перенасыщению их магнитной системы.

В случае недостаточной эффективности снижения напряжения между нейтралью 2 и заземляющей цепью, возросшее напряжение на высоковольтной обмотке трансформатора напряжения TV вновь приводит к срабатыванию реле напряжения KV и промежуточного реле KL1 с последующим включением шунтирующего коммутационного аппарата 6, а следовательно, подключением шунтирующего сопротивления R1, обеспечивающего частичное шунтирование реактора L и вторичной обмотки 4, повышение результирующей эффективности заземления нейтрали, что приводит к снижению напряжения до безопасных величин, исключающих полностью вероятность возникновения указанного явления.

Если в процессе полного обесточивания системы шин 3 возникают неполнофазные режимы в результате отказа одной или двух фаз коммутационного аппарата со стороны источников питания, то возникает резонанс напряжения, при котором напряжение на реакторе L и выводах вторичной обмотки 4 может превышать допустимую величину, а следовательно, появляется необходимость включения уже указанной электрической связи вторичной цепи.

В случае возникновения резонанса тока срабатывает реле тока КА2 во вторичной цепи трансформатора тока ТА2 и через промежуточное реле KL3 отключается заземляющий коммутационный аппарат 10, чем обеспечивается введение в цепь сопротивления R2, падение напряжения на котором снижает напряжение на выводах вторичной обмотки 4 и реактора L до безопасной величины.

При возникновении в сетях 110÷220 кВ с любым режимом заземления нейтрали однофазных токов короткого замыкания на расстоянии до 15-20 км от питающей подстанции могут возникать явления так называемых, "километрических эффектов", представляющих собой резонансные колебательные контуры между результирующими индуктивностью и емкостью сети. В процессе отключения указанных токов короткого замыкания на расходящихся контактах коммутационного аппарата (на схеме не показан) неповрежденных фаз возникают высокочастотные напряжения, которые превышают величину напряжения их электрической прочности, а между расходящимися контактами коммутационного аппарата закороченной фазы появляется пульсирующая дуга, ток которой соизмерим по величине с однофазным током короткого замыкания. Указанные режимы приводят к повреждению коммутационных аппаратов, полному обесточиванию системы шин и развитию аварий во многих случаях в циклично-каскадной последовательности с большими экономическими убытками.

Однако и при данных аварийных режимах, уже в начальный период возникновения однофазного короткого замыкания устройство снижает вероятность появления "километрических эффектов", благодаря тому, что резонансные напряжения ограничиваются повышением эффективности заземления нейтрали сети шунтирующим сопротивлением R1 при включении шунтирующего коммутационного аппарата 6 в результате срабатывания его цепи управления (реле напряжения KV и промежуточное реле KL1), подключенную к вторичной обмотке 8 трансформатора напряжения TV, а резонансные токи ограничиваются заземляющим сопротивлением R2 при отключении заземляющего коммутационного аппарата 10 в результате срабатывания его цепи управления (реле тока КА2 и промежуточное реле KL3), подключенной к вторичной обмотке 12 трансформатора тока ТА2.

В вышеотмеченных аварийных режимах в процессе возникающих коммутаций целого ряда коммутационных аппаратов в электрически связанной сети высоких напряжений возможно возникновение переходных и колебательных процессов с перенапряжениями и токами опасных величин. Однако и в этом случае допустимое перенасыщение магнитной системы устройства с одновременным снижением индуктивных сопротивлений первичной 1 и вторичной 4 обмоток, а также шунтирование выводов реактора L и вторичной обмотки 4 обеспечивают в комплексе снижение перенапряжений до безопасных величин, в то время, как введение сопротивления R2 в нейтраль 2 первичной обмотки 1 силового трансформатора Т ограничивает до регламентируемого уровня величину тока.

При исчезновении (устранении) ненормальных режимов устройство автоматически возвращается в исходное состояние.

Использование: для защиты электроустановок и линии электропередач в сетях 6÷220 кВ с изолированной и 110÷220 кВ с эффективно заземленной нейтралями. Технический результат заключается в повышении надежности работы сетей, качества электрической энергии, снижении электрических потерь и затрат на защиту электрооборудования. Устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор, соединенный с выводами разомкнутой цепи вторичной обмотки и при этом высоковольтным выводом - с заземляющей цепью. Устройство также содержит коммутационный аппарат с цепью управления и сопротивление, соединенные последовательно и предназначенные для шунтирования реактора, трансформатор напряжения, высоковольтная обмотка которого соединена одним выводом с нейтралью, другим - с заземляющей цепью, а к низковольтной обмотке подсоединена цепь управления коммутационного аппарата. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство ограничения параметров электромагнитных процессов в высоковольтных сетях, содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме "звезда" с выведенной нейтралью и с помощью коммутатора подключена к питающей системе шин, а вторичная обмотка - по схеме разомкнутый "треугольник", реактор, соединенный с выводами разомкнутой цепи вторичной обмотки и при этом высоковольтным вводом - с нейтралью, а низковольтным выводом - с заземляющей цепью, отличающееся тем, что содержит коммутационный аппарат с целью управления и сопротивление, соединенные последовательно и предназначенные для шунтирования реактора, трансформатор напряжения, высоковольтная обмотка которого соединена одним выводом с нейтралью, другим - с заземляющей цепью, а к низковольтной обмотке подсоединена цепь управления коммутационного аппарата.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит в заземляющей цепи реактора заземляющий коммутационный аппарат с цепью управления, содержащей реле тока и промежуточные реле.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что содержит трансформатор тока, через первичную обмотку которого соединяется низковольтный вывод реактора с вторичной обмоткой силового трансформатора, а к вторичной обмотке подсоединена цепь управления заземляющего коммутационного аппарата.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что содержит второе сопротивление, которое подсоединено последовательно в заземляющую цепь реактора и шунтируется заземляющим коммутационным аппаратом.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что содержит второй трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в заземляющую цепь реактора, а к вторичной обмотке подсоединена цепь управления заземляющего коммутационного аппарата.