УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01F27/34 H01F29/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и может найти применение в токоограничивающих устройствах при коротких замыканиях в электрических сетях, обеспечивающих возможность использования установленных в сети выключателей при увеличении токов короткого замыкания сети свыше номинального тока отключения выключателей.

Известен токоограничивающий реактор, содержащий обмотку, состоящую из витков провода, образующих ряды, расположенные перпендикулярно оси обмотки и отделенные посредством изоляционных прокладок, в которых выполнены пазы и размещены витки провода, а прокладки, образующие колонки, скреплены в торцевых зонах стягивающими элементами и зафиксированы по поверхностям при помощи дистанцирующих элементов. Патент Российской Федерации №2184403, МПК: H01F 27/30, 2002.

Известен токоограничивающий реактор, содержащий обмотку, витки которой содержат n параллельных проводов, где n целое число, и m рядов, где m целое число, ряды расположены в осевом направлении перпендикулярно оси обмотки. Патент Российской Федерации №2170466, МПК: H01F 27/30, 2001.

Известно устройство, содержащее диэлектрический каркас, на который навита обмотка из обычного проводникового материала. Поверх обмотки навита обмотка, выполненная из сверхпроводящего материала и имеющая направление, противоположное намотке предыдущей обмотки. Поверх обмотки навита обмотка, выполненная из обычного проводникового материала. Патент Российской Федерации №2027240, 1995, H01F 38/02.

Известно токоограничивающее устройство (ТОУ) для ограничения токов короткого замыкания (к.з.) в электрических сетях. Токоограничивающее устройство содержит трансформатор, батарею конденсаторов т и выключатель. Электрические аппараты высокого напряжения. Издательство СПб ГПУ, 2005 г., с.138-153. Александров Г.Н. и др. Под ред. Г.Н.Александрова. Прототип.

Недостатком аналогов и прототипа является постоянство индуктивного сопротивления реактора, что приводит к посадке напряжения на реакторе при протекании по нему максимального тока нормального режима.

Данное изобретение устраняет указанный недостаток.

Техническим результатом изобретения является изменение реактивного сопротивления ТОУ при коротком замыкании, ограничение тока короткого замыкания до заданного уровня.

Технический результат достигается тем, что в токоограничивающем устройстве, содержащем трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель, трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток, сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода выбрано из условия: 10<∑F_я/F_ст<100, где ∑F_я - суммарное сечение ярем, F_ст - стержней.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 представлена однолинейная схема токоограничивающего устройства на основе УШРТ, где: В - выключатель, Х_с - индуктивное сопротивление сети, Z_N - полное сопротивление нагрузки, ИП - искровой промежуток, РМТ - реле максимального тока, С - батарея конденсаторов, 1 - сетевая обмотка, 2 - обмотка управления реактора, 3 - магнитопровод, 4 - коммутирующее устройство, например вакуумный разрядник многократного действия (искровой промежуток).

На фиг.2 представлена зависимость отношений максимальной и минимальной индуктивностей управляемого токоограничивающего устройства без основного стержня от отношения внутреннего диаметра сетевой обмотки к эквивалентной ширине магнитного потока при короткозамкнутой обмотке, где d₁ - внутренний диаметр сетевой обмотки, а₁ - толщина сетевой обмотки, а₂ - толщина обмотки управления, а₁₂ - ширина зазора между обмотками.

На фиг.3 представлена схема расположения обмоток и магнитопровода управляемого шунтирующего реактора, где 1 - сетевая обмотка, 2 - обмотка управления реактора, 3 - магнитопровод, d₁₂ - средний диаметр зазора, a₁ - толщина сетевой обмотки, а₂ - толщина обмотки управления, а₁₂ - ширина зазора между обмотками.

Токоограничивающее устройство (ТОУ) на основе управляемого шунтирующего реактора тока (УШРТ) - это параллельное соединение конденсатора С и управляемого шунтирующего реактора, содержащего сетевую обмотку 1, магнитопровод 3 и обмотку управления 2, причем батарея конденсаторов С включена параллельно сетевой обмотке 1 (фиг.1). ТОУ включают последовательно в цепь, в которой необходимо ограничивать ток короткого замыкания.

В нормальном режиме работы сети УШРТ работает в режиме холостого хода и его индуктивное сопротивление на два порядка превосходит реактивное сопротивление конденсатора С. Ток протекает в основном через конденсатор С, в связи с чем обеспечивается компенсация индуктивного сопротивления сети Хс и увеличивается ее пропускная способность.

Падение напряжения на конденсаторе ΔU_C ограничивают условиями работы сети, например, 5% от номинального напряжения. Соответственно выбирают емкость конденсатора.

При максимальном токе нормального режима в цепи I_Н.М и допустимом падении напряжения на конденсаторе:

необходимое сопротивление конденсатора:

откуда необходимая емкость конденсатора:

Для сетей сверхвысокого напряжения при установке ТОУ в рассечку линии аналогично продольной емкостной компенсации максимальный ток нормального режима ограничен натуральным током линии.

где Z_B - волновое сопротивление линии.

При возникновении короткого замыкания в сети ток через конденсатор С резко возрастает. Возрастает и падение напряжения на нем. Соответственно возрастает напряжение на обеих обмотках 1 и 2 УШРТ до тех пор, пока не произойдет пробой искрового промежутка 4 в цепи обмотки управления 2.

В случае относительно малых токов короткого замыкания искровой промежуток 4 не пробивается. Лишь при достижении опасных значений тока происходит пробой искрового промежутка 4 (например, при увеличении напряжения на конденсаторе до 0,25U_Ф).

После пробоя искрового промежутка УШРТ переходит в номинальный режим работы с минимальным индуктивным сопротивлением X_L.HOM. Эквивалентное реактивное сопротивление ТОУ становится равным:

Если X_L.HOM=-Х_С, эквивалентное сопротивление ТОУ Х_Э=∞ и ток через ТОУ не проходит. Однако при этом падение напряжения на ТОУ достигает фазного напряжения линии U_Ф, а ток в контуре достигает значения

и, например, при α=0,05 превосходит ток нормального режима в 20 раз. Для снижения напряжения на ТОУ и соответственно тока в нем можно подобрать X_L.HOM.<Х_С. Эквивалентное сопротивление ТОУ может принимать любое значение от ∞ до 0. В этом случае сквозной ток через ТОУ определяется суммой сопротивлений ТОУ и влюченного последовательно сопротивления сети Х_N, а ток короткого замыкания равен

тогда как без ТОУ он был равен

где Х_N - сопротивление короткого замыкания сети.

Отношение этих токов

Например, при Х_N=-Х_C и Х_L.H.=-0,5Х_C

то есть ток короткого замыкания ограничивается вдвое, а падение напряжения на ТОУ

будет равно

Чем больше отношение Х_L.H./Х_C, тем больше ограничивается ток короткого замыкания и тем больше падение напряжения на ТОУ (см. табл.1).

Таблица 1.X_L.H/X_C-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1β0,50,40,30,20,10ΔU_C/U_Ф0,50,60,70,80,91,0U_C.HOM/U_Ф0,10,120,140,160,180,2I_MAKC/I_M.Н101214161820

Ограничение тока короткого замыкания в сети оказывает влияния на работу релейной защиты, дающей команду на отключение поврежденной фазы линии. Для обеспечения надежной работы релейной защиты измерение тока следует производить не в основной цепи, а в цепи присоединения УШРТ к конденсатору С.

В контуре ток возрастает в режиме к.з. в несколько раз по сравнению с током нормального режима, что и обеспечивает надежную работу максимального токового реле (см. таблицу 2).

Таблица 2X_L.H/X_C-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1β0,50,40,30,20,10ΔU_C/U_Ф0,50,60,70,80,91,0U_C.HOM/U_Ф0,10,120,140,160,180,2I_MAKC/I_M.Н101214161820

Отключение поврежденной линии (фазы линии) линейным выключателем В приводит к потере связи ТОУ с источником напряжения. Падение напряжения на ТОУ быстро уменьшается (из-за большого сопротивления обмоток 1 и 2 УШРТ), что приводит к погасанию дуги в искровом промежутке 4. В результате сопротивление УШРТ увеличивается на два порядка и ТОУ оказывается подготовленным к работе в нормальном режиме. При этом воздействие повышенного напряжения на ТОУ и соответственно повышенного тока ограничено временем работы выключателя В, включая выдержку времени релейной защиты. Это время для современных устройств автоматики и современных выключателей не превышает 100 мс.

Таким образом, может быть обеспечена любая необходимая степень ограничения тока короткого замыкания в распределительной сети. Номинальное напряжение U_C.HOM конденсатора С и реактора должно быть значительно меньше наибольшего напряжения на ТОУ. Действительно, известно, что косинусные конденсаторы обычного исполнения допускают кратковременное четырехкратное повышение напряжения, а при специальном исполнении - до пятикратного.

Следовательно, номинальное напряжение конденсатора U_C.HOM может быть в пять раз ниже максимального. Для изоляции УШРТ повышение напряжения в режиме к.з. следует рассматривать как весьма редкое коммутационное перенапряжение.

Для определения номинального напряжения изоляции реактора надо поделить максимальное напряжение на ТОУ на расчетную кратность К_П.Р внутренних перенапряжений для электроустановок рассматриваемого класса.

U_НОМ, кВ3, 6, 1035110-220330500750К_П.Р43,532,72,52,1       

Кратковременное резкое увеличение тока в реакторе в режиме к.з. не может вызвать значительного перегрева обмоток 1 и 2 и плотность тока в обмотках реактора 1 и 2 может доходить до 100 А/мм², что обеспечивает снижение расхода проводникового материала (меди, алюминия).

Увеличение тока в контуре L-C ТОУ в режиме к.з. по сравнению с номинальным режимом соответствует увеличению напряжения на ТОУ и равно

Чем больше отношение X_L.H/X_C, тем больше ограничивается ток короткого замыкания и тем больше падение напряжения на ТОУ (см. табл.2.).

Например, при X_L.H/X_C =-0,5 сечение проводов алюминиевой обмотки может быть в 10 раз меньше сечения провода линии, поскольку ток в режиме к.з. увеличивается в 10 раз, а допустимая плотность тока в 100 раз больше, чем в номинальном режиме. Это позволяет изготовить магнитопровод 3 в котором сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода лежит в пределах: 10<∑F_я/F_ст<100, где ∑F_я - суммарное сечение ярем, F_ст - стержней.

Такие ТОУ в виде параллельного соединения батареи конденсаторов и УШРТ могут применяться и для ограничения токов короткого замыкания в энергосистеме в целом.

Для этой цели ТОУ следует устанавливать в месте наибольшего тока к.з., разделяя в аварийном режиме систему на две электрически несвязанные или слабо связанные части.

В этом случае эквивалентное сопротивление сети в месте короткого замыкания равно

При этом ток короткого замыкания в системе с ТОУ равен

где

Разрешая уравнение относительно эквивалентного сопротивления ТОУ, получаем

Формула (15) позволяет получить необходимое эквивалентное сопротивление ТОУ при любом требуемом токоограничении β

Необходимое сопротивление реактора в номинальном режиме

При β=1 (ток к.з. не ограничивается) Х_L=0; при β=0,5

X_L=-X_C=α·Z_B.

Соответственно отношение абсолютных значений индуктивного и емкостного сопротивлений ТОУ в режиме к.з. равно

Сквозной ток через ТОУ получим делением фазного напряжения на сумму сопротивлений части системы и эквивалентного сопротивления ТОУ

При β=1 ток через ТОУ равен половине тока короткого замыкания системы, а при β=0,5 ток I_ТОУ=0. Напряжение на ТОУ будет равно

Относительная величина падения напряжения на ТОУ

Следовательно, при β=1 ΔU_ТОУ=0, а при β=0,5 ΔU_ТОУ=U_Ф.

С учетом кратковременности повышения напряжения на ТОУ (не более 100 мс) номинальное напряжение конденсаторов может быть в 4-5 раз меньше:

Ток в контуре L-C в режиме к.з. определяется напряжением на ТОУ и сопротивлением параллельных ветвей. Следовательно,

При β=0,5

и, следовательно, в 1/α раз превосходит натуральный ток линии или максимальный ток нагрузки в нормальном режиме работы линии. Изменение тока через реактор при 0,5≤β≤1 приведено в таблице 3 вместе с другими параметрами при Х_N=-Х_C и α=0,05.

Таблица 3Р0,50,60,70,80,91,0X_L/X_C-1,0-0,89-0,75-0,57-0,330ΔU_ТОУ/U_Ф1,00,80,60,40,20U_С.НОМ/U_Ф0,20,160,120,080,040I_L/I_H201816141210

Сравнение таблиц 2 и 3 показывает, что в последнем случае возможный диапазон ограничения токов к.з. вдвое меньше, чем в первом случае.

Полученные соотношения могут быть обобщены на случай установки произвольного числа n токоограничивающих устройств в энергосистеме. Необходимое эквивалентное сопротивление каждого ТОУ для обеспечения заданной степени ограничения тока к.з. в энергосистеме будет равно:

Использование: в электротехнике, в частности в трансформаторостроении. Технический результат заключается в обеспечении возможности изменения реактивного сопротивления токоограничивающего устройства при коротком замыкании и ограничения тока короткого замыкания до заданного уровня. Токоограничивающее устройство содержит трансформатор, батерею конденсаторов и выключатель, при этом трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток, сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода выбрано из условия: 10<ΣF_я/F_ст<100, где ΣF_я - суммарное сечение ярем, F_ст - сечение стержней. 3 ил., 3 табл.

Токоограничивающее устройство, содержащее трансформатор, батерею конденсаторов и выключатель, отличающееся тем, что трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток, сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода выбрано из условия 10<ΣF_я/F_ст<100, где ΣF_я - суммарное сечение ярем, F_ст - сечение стержней.