УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02H9/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству защиты трансформаторов среднего напряжения, которое используется для ослабления феррорезонансного состояния, возникающего, по меньшей мере, в одном из трех трансформаторов напряжения в трехфазной электрической сети среднего напряжения.

Предшествующий уровень техники

Для ослабления феррорезонансного состояния в электрооборудовании, и особенно в трансформаторах напряжения, обычно используется защитный резистор сопротивления на 24 Ом. Такой резистор связан с тремя дополнительными вторичными обмотками однофазных трансформаторов, формирующих открытую схему соединения треугольником. Хотя это решение является простым, оно, тем не менее, имеет существенные недостатки. В случае длительного разбалансирования в электрической сети маленькое значение сопротивления защитного резистора, который требуется для эффективного ослабления феррорезонансного колебания, вызывает опасность теплового повреждения трансформатора или непосредственно резистора. На практике используются ослабляющие резисторы мощностью в несколько сотен ватт и больше.

Решение проблемы теплового повреждения, связанной с наличием резистора гашения в случае значительной асимметрии сети, которая является результатом длительного замыкания на землю, раскрыто в патенте DE 1265836, где описана цепь для гашения феррорезонансных колебаний, в которой резистор гашения связан с открытой схемой соединения треугольником дополнительных обмоток трех однофазных трансформаторов напряжения посредством рабочих контактов передатчика или передатчиков, которые соединены со вторичными обмотками трансформаторов напряжения. Недостатком этого решения является то, что требуется дополнительная проводка между катушками передатчика и вторичными обмотками трансформаторов напряжения. Еще один недостаток этого решения заключается в том, что в случае небольшой асимметрии цепи, происходящей, например, при разбалансировании нагрузки, нулевая последовательность напряжения приведет к прохождению тока через резистор, поскольку разъединение возможно только в случае замыкания на землю. Это может привести к нежелательному нагреву резистора, а также нагрузке трансформаторов напряжения при нормальных условиях, поскольку описываемая цепь не содержит термочувствительного элемента. Проблема, заключающаяся в том, как избежать гашения нагрузки при нормальных условиях, раскрыта в патенте GB 1150865, где описана управляемая антиферрорезонансная цепь для однофазных емкостных трансформаторов напряжения, включающая гасящую нагрузку, управляемый затворный полупроводниковый переключатель переменного тока, предназначенный для соединения гасящей нагрузки с промежуточным трансформатором напряжения, когда переключатель является проводящим, и средство запуска, обеспечивающее перевод переключателя в проводящее состояние при возникновении нежелательных колебаний. Недостатком решения является то, что требуется средство для обнаружения нежелательных колебаний, чтобы сформировать сигнал, инициирующий проводимость полупроводникового переключателя в течение определенного времени, необходимого для гашения нежелательных колебаний.

Резисторы PTC, биметаллические выключатели или термические предохранители обычно используются совместно для защиты электрооборудования от теплового повреждения, вызванного перегрузкой напряжения.

Например, из DE 3621200 известен модуль для защиты телекоммуникационной системы, который состоит из термистора PTC, соединенного последовательно с обмоткой абонентской линии и диодным тиристором, который подключен параллельно между обмоткой абонентской линии и землей. Если нежелательное напряжение появляется в абонентской линии, то ток, текущий через диодный тиристор, нагревает его, при этом термистор также нагревается, так как диод связан с термистором PTC. В результате сопротивление термистора увеличивается и перегрузка по напряжению уменьшается.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства защиты трансформатора среднего напряжения, имеющего меньшие размеры по сравнению с известными устройствами защиты и которое позволит уменьшить феррорезонансные колебания и нечувствительно к малым значениям напряжения нуль-последовательности, возникающего при разбалансировании в трехфазной сети.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания устройства защиты трансформатора среднего напряжения, содержащего резистор ослабления, подключенный к открытой схеме соединения треугольником трех дополнительных вторичных обмоток трех однофазных трансформаторов, которые отключаются переключающим устройством, указанное устройство характеризуется тем, что переключающее устройство представляет собой термический предохранитель, подключенный последовательно между выводом дополнительной вторичной обмотки одного из однофазных трансформаторов и ослабляющим резистором посредством элемента, имеющего пороговое напряжение и токовую характеристику.

Предпочтительно тепловой термический предохранитель выполнен в виде биметаллического прерывателя цепи, а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой выполнен в виде двух полупроводниковых стабилитронов, соединенных друг с другом по двухтактной схеме.

Альтернативно, тепловой термический предохранитель выполнен в виде резистора PTC, а элемент с пороговой характеристикой выполнен в виде двух полупроводниковых стабилитронов, соединенных друг с другом по двухтактной схеме.

Предпочтительно тепловой термический предохранитель представляет собой резистор PTC, а элемент с пороговой характеристикой представляет собой варистор.

Альтернативно, тепловой термический предохранитель представляет собой биметаллический прерыватель цепи, а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой представляет собой варистор.

Преимуществом заявленного устройства является то, что оно гарантирует ослабление феррорезонансных колебаний, и при этом нечувствительно к малым значениям напряжения нуль-последовательности, которое возникает при небольшом разбалансировании в трехфазной сети. В случае длительного напряжения нуль-последовательности, например в результате короткого замыкания на землю одной из фаз, использование теплового термического предохранителя обеспечивает дополнительную защиту трансформаторов и элементов устройства защиты, которое защищает трансформаторы от повреждения. Использование тепловой защиты позволяет уменьшать тепловую мощность ослабляющего резистора по сравнению с известными решениями. Именно поэтому предложенное устройство эффективно, кроме того, его размеры меньше по сравнению с известными устройствами защиты.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает устройство трансформаторов напряжения, соединенных с устройством защиты;

фиг.2 - первый вариант выполнения устройства защиты FDC1 согласно изобретению;

фиг.3 - второй вариант выполнения устройства защиты FDC2 согласно изобретению;

фиг.4 - третий вариант выполнения устройства защиты FDC3 согласно изобретению;

фиг.5 - четвертый вариант выполнения устройства защиты FDC4 согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Дополнительные обмотки трех однофазных трансформаторов напряжения VT1, VT2 и VT3 (фиг.1) соединены друг с другом для образования открытой схемы соединения треугольником. Первичные обмотки A-N напрямую соединены с трехфазной цепью RST и заземлены. Терминалы вторичных обмоток a-n индивидуальных трансформаторов являются рабочими выходами этих трансформаторов. Терминалы дополнительных вторичных обмоток da и dn трансформаторов соединены друг с другом таким образом, что терминал da вторичной дополнительной обмотки трансформатора VT1 соединен со входом устройства защиты FDC, выход которой соединен с терминалом dn дополнительной вторичной обмотки третьего трансформатора VT3, терминал которой da соединен с терминалом dn дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора VT2.Далее, терминал da второго трансформатора VT2 соединен с терминалом dn первого трансформатора VT1. При работе устройства между терминалом da первого трансформатора VT1 и терминалом dn третьего трансформатора VT3 возникает напряжение U₀, которое действует на терминалы устройства защиты FDC.

Устройство защиты FDC содержит разветвления, соединенные параллельно. В первом варианте выполнения устройства защиты FDC1 одно ответвление содержит ослабляющий резистор R1, два полупроводниковых стабилитрона D1, D2, соединенных по двухтактной схеме, и биметаллический прерыватель цепи TF1, соединенные последовательно. Два полупроводниковых стабилитрона, соединенных по двухтактной схеме, могут быть заменены одним полупроводниковым стабилитроном (не показан). Другое ответвление системы содержит резистор R2.

Во втором варианте выполнения устройства FDC2 одно ответвление содержит резистор R1, два полупроводниковых стабилитрона D1, D2, соединенных по двухтактной схеме, и резистор PTC, соединенные последовательно. Два полупроводниковых стабилитрона, соединенных по двухтактной схеме, могут быть заменены одним двунаправленным полупроводниковым стабилитроном (не показан). Другое ответвление системы содержит резистор R2.

В третьем варианте выполнения устройства FDC3 одно ответвление содержит резистор R1, варистор и резистор PTC, соединенные последовательно. Другое ответвление системы содержит резистор R2.

В четвертом варианте выполнения устройства FDC4 одно ответвление содержит резистор R1, варистор и биметаллический прерыватель цепи TF1, соединенные последовательно. Другое ответвление системы содержит резистор R2.

Во всех вариантах выполнения устройства резистор R2 имеет значение значительно выше, чем сопротивление резистора R1.

Устройство согласно изобретению работает следующим образом.

В случае полного равновесия в трехфазной цепи, напряжение нуль-последовательности U₀ имеет значение, равное 0, и через устройство защиты FDC ток не проходит. В случае незначительного дисбаланса в трехфазной цепи напряжение U₀ имеет значение, которое не равно 0, но которое меньше порогового напряжения элемента с пороговым напряжением и токовой характеристикой. В этом случае ток со значением U₀/R2 проходит через устройство защиты FDC. Так как сопротивление резистора R2 имеет большое значение (R2 >> R1), то ток, который проходит через устройство защиты FDC, имеет небольшую величину. И тепло, которое выделяется в устройстве защиты FDC, в этом случае будет незначительным. Например, если R2 имеет величину 200 Ом, то при величине U₀ = 10 В, тепловая энергия, выделяющаяся в системе FDC, имеет значение 0,5 Вт.

Если в трехфазной цепи имеет место феррорезонансное состояние, напряжение U₀ имеет значение, которое превышает пороговое напряжение элемента с пороговым напряжением и токовой характеристикой. В этом случае ток проходит через резистор R1. Из-за небольшой величины резистора R1 происходит быстрое ослабление феррорезонансных колебаний. Так как ответвление с резистором R1 работает очень короткое время, тепловая энергия, которая выделяется в этом ответвлении, имеет очень незначительную величину. Таким образом, не происходит перегрева элементов ответвления и не приводится в действие термический предохранитель.

В случае, когда имеет место длительное разбалансирование трехфазной сети, которое спровоцировано, например, замыканием на землю одного из фазовых проводников, напряжение U₀ имеет также значение, большее, чем напряжение элемента с пороговым напряжением и токовой характеристикой. Следовательно, ток высокой интенсивности проходит через ответвление с резистором R1. Но так как это состояние не требует действия ослабляющего резистора, тепловой предохранитель в виде биметаллического предохранителя или резистора РТС вызывает большое повышение сопротивления в ответвлении, которое содержит резистор R1, или его полное разъединение. После этого ток не протекает через это ответвление, или ток, проходящий через него, имеет низкое значение. Когда причина разбалансирования исчезает и тепловой предохранитель охлаждается, устройство возвращается к исходному режиму работы.

Использование: для защиты трансформаторов среднего напряжения путем ослабления феррорезонансных состояний. Технический результат заключается в уменьшении феррорезонансных колебаний и габаритов устройства. Устройство содержит элемент (1) с пороговым напряжением и токовой характеристикой и термическим предохранителем (2), который подключен последовательно между ослабляющим резистором (R1) и выходом дополнительной вторичной обмотки одного из однофазных трансформаторов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство защиты трансформаторов среднего напряжения, содержащее ослабляющий резистор (R1), подключенный к открытой схеме соединения треугольником трех дополнительных вторичных обмоток трех однофазных трансформаторов (VT1, VT2, VT3), который отключается переключающим устройством, отличающееся тем, что переключающее устройство представляет собой термический предохранитель (2), подключенный последовательно между выводом дополнительной вторичной обмотки одного из однофазных трансформаторов (VT1, VT2, VT3) и ослабляющим резистором (R1) посредством элемента (1) с пороговым напряжением и токовой характеристикой.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термический предохранитель (2) выполнен в виде биметаллического прерывателя цепи (TF1), а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой выполнен в виде двух полупроводниковых стабилитронов (D1, D2), соединенных друг с другом по двухтактной схеме.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термический предохранитель выполнен в виде резистора РТС, а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой выполнен в виде двух полупроводниковых стабилитронов, соединенных друг с другом по двухтактной схеме.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термический предохранитель (2) является резистором РТС, а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой является варистором.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термический предохранитель (2) является биметаллическим прерывателем цепи (TF1), а элемент с пороговым напряжением и токовой характеристикой является варистором.