СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЕТИ Российский патент 2008 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ограничения тока короткого замыкания в сети.

Известен способ ограничения тока короткого замыкания в сети, при котором в качестве токоограничивающего устройства используют последовательно включенный в сеть линейный неуправляемый электрический реактор [1]. Этот способ имеет ряд недостатков. Главный недостаток заключается в том, что оказывается невозможным одновременно обеспечить взаимно противоречивые требования - минимальную потерю напряжения при нагрузке линии (из-за падения напряжения на дугогасящем реакторе) и существенно ограничить ток короткого замыкания. При этом способе невозможно изменять или регулировать уровень ограничения тока короткого замыкания.

Этот недостаток удается частично компенсировать, применив способ ограничения тока короткого замыкания, при котором в качестве токоограничивающего устройства используют последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор [2]. Этот способ, являющийся наиболее близким к предлагаемому, имеет ряд недостатков, из-за которых он практически не применялся: нелинейные искажения в токе и напряжении электрической сети, недостаточное снижение потери напряжения на реакторе в режимах нагрузки, низкий диапазон ограничения ударного и длительного тока короткого замыкания.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков прототипа - снижение потери напряжения на реакторе в режимах нагрузки, снижение искажений в токе и напряжении электрической сети, регулирование и расширение диапазона ограничения ударного и. длительного тока короткого замыкания с использованием современного уровня внедренных достижений теории и разработок управляемых подмагничиванием реакторов.

Поставленная цель достигается тем, что, применяя способ ограничения тока короткого замыкания в сети, при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор, при каждом изменении тока нагрузки сети ток подмагничивания реактора регулируют до достижения режима полнопериодного насыщения, при этом ограничивают минимальный ток подмагничивания до 10% от тока полнопериодного режима при номинальном токе нагрузки сети. После короткого замыкания в сети подмагничивание реактора изменяют до величины, соответствующей режиму нормированного тока длительного короткого замыкания. При этом индуктивности реактора выбирают из следующих условий:

где L_ост - индуктивность режима полнопериодного насыщения реактора,

L_0,5 - индуктивность режима полупериодного насыщения реактора,

U_ном - номинальное линейное напряжение сети,

ΔU%=100%×ΔU/(U_ном/√3) - нормированная потеря напряжения на реакторе в процентах от номинального фазного напряжения сети,

ΔU - нормированная потеря напряжения на реакторе,

I_ном - номинальный ток сети,

I_{уд. норм.} - нормированный ударный ток короткого замыкания,

К_уд=I_{уд. норм.}/(√2I_{КЗ расч.}) - ударный коэффициент тока короткого замыкания,

I_{КЗ расч.} - действующее значение расчетного тока короткого замыкания,

ω - угловая частота.

Предлагаемый способ ограничения тока короткого замыкания в сети поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема одной фазы трехфазной сети с токоограничивающим управляемым подмагничиванием реактором. На фиг.2-4 даны осциллограммы, иллюстрирующие предлагаемый способ.

В предлагаемом способе последовательно в цепь между источником электрической энергии сети 1, имеющим внутренние сопротивления индуктивное 2 и активное 3, и нагрузкой, состоящей из активного сопротивления 4 и индуктивного 5, включают токоограничивающий управляемый подмагничиванием реактор 6. В состав электротехнического комплекса реактора 6 вводят электромагнитную часть 7 с магнитопроводом и обмотками, источник подмагничивания 8 (выпрямитель), питаемый от сети собственных нужд подстанции или от обмоток реактора и регулируемый системой автоматического управления 9.

В режиме нормальной работы сети в источник 8 подают команду от системы управления 9 для создания в цепи управления реактора 6 приведенного тока подмагничивания, равного амплитуде тока сети (приведенный ток цепи управления в режиме полнопериодного насыщения равен току сетевой обмотки, помноженному на отношение числа витков сетевой обмотки к числу витков обмотки подмагничивания). Только в режиме полнопериодного насыщения при последовательном соединении реактора 6 и нагрузки 4 и 5 получают чисто синусоидальные (без нелинейных искажений) кривые тока сети (фиг.2, кривая 10), напряжения на нагрузке (кривая 11) и напряжения на реакторе (кривая 12 - кривая потери напряжения).

При изменении тока сети с помощью регулирования тока подмагничивания снижают потери в обмотке управления по сравнению с вариантом, когда ток управления оставляют постоянным на уровне номинального тока.

Минимальный ток подмагничивания ограничивают до 10% от тока полнопериодного режима при номинальном токе нагрузки сети. При этом получают максимальное быстродействие при переходе от одного тока к другому току сети и таким образом не допускают режим холостого хода, переход от которого к режиму нагрузки имеет сниженное быстродействие, а также в переходном режиме сопровождается нелинейными искажениями тока и напряжения сети. Данное условие представлено соотношением:

где I_{подм. мин.} - минимальный ток подмагничивания,

I_{подм. ном.,} - ток подмагничивания в номинальном режиме.

Таким образом, основным режимом управляемого реактора выбирают режим полнопериодного насыщения, при котором его индуктивность - так называемая остаточная индуктивность реактора L_ост - минимальна из всех возможных режимов подмагничивания реактора. Это важно для получения минимальной потери напряжения. Под потерей напряжения ΔU на токоограничивающем реакторе понимают падение напряжение на реакторе при нагрузке сети. В технической документации потерю напряжения ΔU% нормируют при номинальном токе, обычно в процентах от фазного напряжения сети U_ном/√3. Это основное нормативное требование к токоограничивающему реактору обеспечивают выполнением соотношения параметров:

где L_ост - индуктивность режима полнопериодного насыщения реактора (остаточная индуктивность реактора),

ΔU - нормированная потеря напряжения на реакторе,

ω - угловая частота,

I_ном - номинальный ток сети,

U_ном - номинальное фазное напряжение сети,

ΔU%=100%×ΔU/(U_ном/√3) - нормированная потеря напряжения на реакторе в процентах от номинального фазного напряжения сети.

Условием (4), фактически задают соотношение геометрических размеров реактора для любых типов управляемых подмагничиванием реакторов.

Например, для реактора с двумя круглыми в сечении стержнями, на которых размещены сетевые обмотки, соотношение (4) задают, используя формулу для остаточной индуктивности

В итоге соотношение (4) задают в виде соотношения размеров реактора:

где w, D и h - число витков, расчетный диаметр и высота сетевой обмотки,

μ₀=0,4π×10^-6 - магнитная постоянная.

При помощи системы управления 9 при токах сети, меньших номинального, на источник 8 подают сигнал на снижение тока подмагничивания до уровня, соответствующего меньшему току подмагничивания текущего режима, но также обеспечивающего режим полнопериодного насыщения. Если ток подмагничивания держать произвольным или постоянным на высоком уровне (как в прототипе), потери мощности в обмотке управления будут максимальными.

При возникновении на стороне нагрузки короткого замыкания в сети возникает переходный процесс с увеличенным током короткого замыкания (кривая 13 на фиг.2), содержащим переменную составляющую, равную напряжению сети, деленному на сумму полных сопротивлений сети и реактора, и затухающую апериодическую составляющую. Максимум переходного тока 14 - это ударный ток короткого замыкания I_{уд. норм}, который нормируется (т.е. задается при проектировании токоограничивающего устройства сети) и который обеспечивают данным способом.

При номинальной нагрузке напряжение на реакторе - потеря напряжения - обычно составляет величину порядка 10% от номинального фазного напряжения сети. При коротком замыкании напряжение на реакторе скачком увеличивается на порядок (кривая 75) - оно оказывается равным почти полному напряжению сети (несколько меньшим из-за падения напряжения на сопротивлении сети). При таком резком увеличении напряжения на реакторе и тока реактора увеличивается и ток подмагничивания (кривая 16).

Реактор, имеющий в начале процесса короткого замыкания индукцию в стали стержней не менее индукции насыщения (реактор до момента начала короткого замыкания поддерживают в режиме полнопериодного насыщения), мгновенно переходит в режим полупериодного насыщения. В этом режиме ток короткого замыкания ограничивают индуктивностью L_0,5, которая для управляемых подмагничиванием реакторов принципиально всегда больше, чем индуктивность режима полнопериодного насыщения L_ост.

Необходимую величину ударного тока короткого замыкания не более нормированного значения I_{уд. норм.} обеспечивают следующим соотношением параметров:

где К_уд=I_{уд. норм.}/(√2_{КЗ расч}) - ударный коэффициент тока короткого замыкания, обычно принимаемый при расчетах равным 1,8,

I_{КЗ расч}=(U_ном/√3)/(x_сети+ωL_0,5) - действующее значение расчетного тока короткого замыкания.

Так же, как и для (4), задавая соотношение параметров (7), фактически задают соотношение геометрических размеров реактора в общем виде для всех типов реакторов.

Например, для ранее рассмотренного реактора с двумя круглыми в сечении стержнями, на которых размещены сетевые обмотки и обмотки управления, используют формулу для индуктивности режима полупериодного насыщения:

и соотношение параметров (7) получают в следующем виде:

где L'_ОУ=μ₀×w²×πD_ОУ ²/4h - индуктивность обмотки управления при полном насыщении стали стержня,

D_ОУ - расчетный диаметр обмотки управления,

I_{КЗ расч}=(U_ном/√3)/(x_сети+ωL_0,5) - действующее значение расчетного тока короткого замыкания (при расчетах тока короткого замыкания активным сопротивлением сети и реактора можно пренебречь),

x_сети - индуктивное сопротивление сети.

Для других типов управляемых подмагничиванием реакторов соотношения размеров (6) и (9) задают в другом виде, они по требованию экспертизы могут быть предоставлены.

В технической документации обычно нормируют ток режима длительного короткого замыкания - установившийся ток с действующим значением I_{КЗ норм}. В предложенном способе это обеспечивают тем, что после возникновения короткого замыкания в сети при помощи системы управления автоматически изменяют подмагничивание реактора до величины, соответствующей режиму нормированного тока длительного короткого замыкания I_{КЗ норм}. Такое изменение обычно проводят с форсировкой напряжения подмагничивания (для увеличения быстродействия). На фиг.3 кривая 17 - затухающая кривая тока короткого замыкания в режиме форсированного сброса тока подмагничивания. Для сравнения приведена кривая тока неуправляемого реактора (кривая 18) с незатухающей переменной составляющей. При помощи системы управления 9 в источник 8 подают сигнал на остановку форсированного размагничивания в момент, когда ток соответствует току режима нормированного тока длительного короткого замыкания I_{КЗ норм}. Как видно, предлагаемым способом обеспечивают широкий диапазон получения величины тока длительного короткого замыкания вплоть до номинального тока сети и даже очень малого тока холостого хода реактора - фактически до полного отключения сети.

По сравнению с прототипом усовершенствованные операции управления подмагничиванием и выбор оптимальных соотношений параметров дают новые положительные эффекты. Так, на фиг.2 видно, что при использовании предлагаемого способа токоограничивания нелинейные искажения отсутствуют в кривых тока сети (фиг.2, кривая 10), напряжения на нагрузке (кривая 11) и напряжения на реакторе (кривая 12). При использовании прототипа-способа токоограничения с применением управляемого подмагничиванием реактора, но имеющего произвольные, а не оптимизированные параметры, искажены и напряжение на реакторе 19 (фиг.4), и ток 20, и напряжение электрической сети - напряжение на нагрузке 21 (это видно при сравнении с синусоидальной кривой эдс сети - кривой 22).

Преимуществом является то, что уменьшается потеря напряжения на реакторе, это видно при сравнении кривой 12 на фиг.2 и кривой 19 на фиг.4 (потеря напряжения существенно ниже на фиг.2).

Как указывалось ранее, по сравнению с прототипом предложенный способ расширяет диапазон ограничения ударного и длительного тока короткого замыкания. Расчеты показали (результаты могут быть предоставлены дополнительно), что с применением предложенного способа при конкретном проектировании элементов, входящих в комплект электротехнического токоограничивающего оборудования, получают экономию активных материалов (стали и меди).

В настоящее время в электрических сетях практически применяют только способ ограничения тока короткого замыкания, при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть линейный неуправляемый электрический реактор [1]. Поэтому приводится сравнение предложенного способа с этим аналогом. Главное преимущество по сравнению с аналогом заключается в том, что при одной и той же величине нормированной потери напряжения при номинальной нагрузке сети (из-за падения напряжения на токоограничивающем реакторе) предложенный способ позволяет существенно больше ограничить ток короткого замыкания. На фиг.3 представлены кривые номинального режима и короткого замыкания в двух вариантах токоограничения - по аналогу и по предложению. Видно, что на реакторе с постоянной индуктивностью и на управляемом реакторе до возникновения короткого замыкания кривые напряжения (кривая 12 в начале графиков) и кривые тока (кривая 10) совпадают. При возникновении короткого замыкания ток по предлагаемому способу (кривая 17) существенно меньше тока неуправляемого реактора (кривая 18), в приведенном примере ударный ток короткого замыкания ниже примерно в 2 раза.

В настоящее время разработаны технические предложения для практической реализации предложенного метода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др.; Под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005, стр.204-210.

2. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др.; Под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005, стр.211-213.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ограничения тока короткого замыкания в сети. В способе ограничения тока короткого замыкания в сети, при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор, при каждом изменении тока нагрузки сети ток подмагничивания реактора регулируют до достижения режима полнопериодного насыщения, при этом ограничивают минимальный ток подмагничивания до 10% от тока полнопериодного режима при номинальном токе нагрузки сети. После короткого замыкания в сети изменяют подмагничивание реактора до величины, соответствующей режиму нормированного тока длительного короткого замыкания. При этом индуктивности реактора задают из следующих условий: L_ост≤ΔU/(ωI_ном) и L_0,5≥√2U_номК_уд/(√3ωI_{уд. норм.}), где L_ост - индуктивность режима полнопериодного насыщения реактора, L_0,5 - индуктивность режима полупериодного насыщения реактора, U_ном - номинальное линейное напряжение сети, ΔU%=100%×ΔU/(U_ном/√3) - нормированная потеря напряжения на реакторе в процентах от номинального фазного напряжения сети, ΔU - нормированная потеря напряжения на реакторе, I_ном - номинальный ток сети, I_{уд. норм.} - нормированный ударный ток короткого замыкания, К_уд=I_{уд. норм.}/(√2I_{КЗ расч.}) - ударный коэффициент тока короткого замыкания, I_{кз расч.} - действующее значение нормированного тока длительного короткого замыкания, ω - угловая частота. Техническим результатом является снижение потери напряжения на реакторе в режимах нагрузки, снижение искажений в токе и напряжении электрической сети, регулирование и расширение диапазона ограничения ударного и длительного тока короткого замыкания, снижение потерь в обмотке управления. 4 ил.

Способ ограничения тока короткого замыкания в сети, при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор, отличающийся тем, что при каждом изменении тока нагрузки сети ток подмагничивания реактора регулируют до достижения режима полнопериодного насыщения, при этом ограничивают минимальный ток подмагничивания до 10% от тока полнопериодного режима при номинальном токе нагрузки сети, а после короткого замыкания в сети изменяют подмагничивание реактора до величины, соответствующей режиму нормированного тока длительного короткого замыкания, при этом индуктивности реактора задают из следующих условий:

L_ост≤ΔU/(ωI_ном),

L_0,5≥√2U_номК_уд/(√3(ωI_{уд. норм.}),

где L_ост - индуктивность режима полнопериодного насыщения реактора, L_0,5 - индуктивность режима полупериодного насыщения реактора, U_ном - номинальное линейное напряжение сети, ΔU%=100%·U/(U_ном/√3) - нормированная потеря напряжения на реакторе в процентах от номинального фазного напряжения сети, ΔU - нормированная потеря напряжения на реакторе, I_ном - номинальный ток сети, I_{уд. норм.} - нормированный ударный ток короткого замыкания, К_уд=I_{уд. норм.}/(√2_{кз расч.}) - ударный коэффициент тока короткого замыкания, I_{кз расч.} - действующее значение нормированного тока длительного короткого замыкания, ω - угловая частота.