УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2014 года по МПК H02H9/00 

Область техники

Изобретение относится к области энергетики и электротехники и может быть использовано в энергосистемах, где возможно развитие аварий, сопровождающихся существенным ростом токов в линиях электропередач.

Уровень техники

Известно, что в крупных энергосистемах время от времени развиваются разрушительные аварии, вызванные перегрузками сверх максимально (аварийно) допустимых значений перетоков мощности (токов) по связям и линиям, приводящие в итоге к отключению целых энергорайонов (например, авария в системе Мосэнерго летом 2006 года, авария в штате New York в 90-х годах прошлого столетия и т.д.). Хорошо известно, что избежать таких аварий позволяют вставки постоянного тока [1]. Однако их строительство весьма дорогостоящее мероприятие, не всегда экономически оправданное.

Для ограничения аварийного тока известны устройства, называемые за рубежом коммутационными ограничителями тока, а в отечественной литературе ограничителями ударного тока взрывного действия [2]. Каждая фаза такого коммутационного ограничителя тока состоит из разъединительного устройства, параллельно подключенного плавкого токоограничивающего предохранителя и блока логических схем с трансформатором тока. В нормальном режиме работы ток течет по медной шине, расположенной в патроне разъединительного устройства. При возникновении короткого замыкания (КЗ) логические схемы подают сигнал на детонатор, приводя к размыканию основной шины взрывом. Пиротехнические заряды рвут шину в нескольких точках, тем самым образуя несколько промежутков. Достоинством такого устройства ограничения тока КЗ является, прежде всего, отсутствие потерь, вносимых устройством в нормальном режиме. Существенный недостаток - после устранения КЗ патроны разъединителя и предохранителя необходимо заменить, а взорванный кусок шины восстановить, на что требуется заметное время. Кроме того, данная аппаратура не является универсальной, т.к. используется для ограничений токов КЗ большой амплитуды, а для отключения сравнительно небольших токов дополнительно требуется другая аппаратура.

Известно также устройство для ограничения токов КЗ, называемое TPSC (Thyristor Protected Series Capacitor) [3], и представляющее собой конденсатор, включенный последовательно в линию электропередачи, параллельно которому включена цепь из последовательно включенных двунаправленного высоковольтного тиристорного вентиля (ВТВ) и реактора, в свою очередь параллельно ВТВ присоединен вакуумный выключатель, а к линии подключен блок логических схем с трансформатором тока, сигнал с которого подается на вход управления ВТВ. Устройство имеет достаточное быстродействие и отличается практически не ограниченным числом срабатываний без замены элементов. Недостатки данного технического решения: необходимость последовательного включения в линию высоковольтного блока конденсаторов большой емкости, который вносит в линию в нормальном режиме дополнительные потери или требует постоянной подстройки емкости в резонанс с индуктивностью линии, что делает устройство весьма дорогим и габаритным. Кроме того, и двунаправленный ВТВ - дорогое и объемное оборудование.

Сообщается [4] о токоограничивающем устройстве, содержащем трансформатор напряжения, первичная обмотка W1 которого включена по следовательно в линию электропередачи, а вторичная обмотка W2 в нормальном режиме закорочена через быстродействующий коммутационный элемент, представляющий собой металлический контакт, снабженный пиропатроном; также в линию включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством поджига пиропатрона. Это устройство обеспечивает достаточное быстродействие и сравнительно с [2] небольшой объем восстановительных работ после окончания аварии. Эффект ограничения токов КЗ достигается за счет разрыва вторичной обмотки трансформатора, что приводит к резкому росту сопротивления в этой обмотке, которое, пересчитываясь в первичную цепь пропорционально квадрату отношения числа витков первичной и вторичной обмоток (W₁/W₂)², приводит к резкому росту сопротивления и в первичной обмотке, то есть к росту сопротивления в линии и, соответственно, к ограничению тока в ней.

Обращаем внимание, что во всех случаях ограничение токов КЗ должно осуществляться до уровня срабатывания выключателей класса напряжения конкретной ВЛ (например, для напряжения 330 кВ значение срабатывания выключателей, равное 63 кА, является предельным [5]). Соответственно, если ток КЗ достиг, например, значения 70 кА, устройство ограничения КЗ должно уменьшить ток в ВЛ на 7 кА, то есть внести в ВЛ дополнительно сопротивление, составляющее 10% от сопротивления ВЛ.

Существенным недостатком устройства по [4] являются дополнительные активные потери, которые в нормальном режиме вносит включенная последовательно в линию обмотка W₁, и весьма большие вес и габариты устройства (в [4] сообщается о весе устройства для линии 110 кВ - 100 т.). Необходимость замены пиропатрона после каждой аварии снижает готовность устройства и также является его недостатком. Есть еще один существенный, хотя и менее очевидный, недостаток: из-за того, что изоляция трансформатора должна быть выполнена на полное напряжение защищаемой линии, толщина этой изоляции велика, что приводит к большому сопротивлению рассеяния в трансформаторе и, соответственно, даже в режиме короткого замыкания вторичной обмотки в первичную цепь вносится некоторое сопротивление, также увеличивающее потери в линии в нормальном (постоянном) режиме работы.

Сущность изобретения

Задача изобретения - снижение потерь в устройстве в штатном режиме работы электропередачи, снижение весогабаритных показателей и исключение ремонтных работ после каждого срабатывания.

Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи представляет собой п включенных последовательно ограничительных модулей, каждый из которых содержит трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, в которую также включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством управления коммутационным элементом, включенным последовательно с вторичной обмоткой трансформатора; первичная обмотка трансформатора выполнена в виде отрезка кабеля, так что число витков первичной обмотки равно единице, причем пропускная способность кабеля по току равна пропускной способности провода данной линии, а магнитопровод трансформатора выполнен из материала с максимальной рабочей индукцией, причем устройство управления соединено с источником питания, расположенным на потенциале провода линии электропередачи. В свою очередь, коммутационный элемент выполнен в виде включенных последовательно двунаправленных тиристоров и резистора, параллельно которым включен ограничитель перенапряжения на уровень ограничения, равный классу тиристоров. Источник питания устройства управления коммутационным элементом выполнен в виде третичной обмотки трансформатора, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя, выход которого соединен с устройством управления.

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения поясняет схема устройства для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи, изображенная на фиг.1.

Устройство содержит трансформатор 1, первичная обмотка W1 которого включена последовательно в линию электропередачи, в которую также включен блок логических схем 2, выход которого соединен с устройством управления 3 коммутационным элементом 4, включенным последовательно с вторичной обмоткой W₂; первичная обмотка выполнена в виде отрезка кабеля 5, так что W₁=1, причем кабель выбран таким образом, чтобы его пропускная способность по току была равна пропускной способности провода данной линии, а магнитопровод 6 трансформатора 1 выполнен из материала с максимальной рабочей индукцией. Устройство управления 3 соединено с источником питания 7, расположенным на потенциале провода линии электропередачи.

Обращаем внимание, что между первичной W₁ и вторичной W₂ обмотками трансформатора 1 напряжение практически отсутствует, поскольку ни один из элементов устройства не «привязан» к потенциалу «земли», а все находятся на потенциале фазного провода линии. Соответственно габариты трансформатора 1 зависят только от размеров магнитопровода, независимо от того, для ВЛ какого класса напряжения применяется ограничитель токов.

Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи работает следующим образом.

В нормальном режиме работы линии электропередачи, когда ток в линии равен номинальному (I₁=I_н), коммутационный элемент 4 разомкнут, и ток I₂ во вторичной обмотке W₂ трансформатора 1 равен нулю. Соответственно, магнитодвижущая сила во вторичной обмотке I₂*W₂ также равна нулю. Магнитодвижущая сила первичной обмотки W₁*I₁ ничем не скомпенсирована, что приводит к насыщению сердечника 6 трансформатора 1. В таком состоянии трансформатор 1 можно считать практически отсутствующим, поскольку никакого влияния на работу электропередачи он не оказывает.

При значительном росте тока в линии (возникновении режима КЗ) блок логических схем 2 формирует сигнал для устройства управления 3 коммутационным элементом 4, который замыкается. Ток во вторичной обмотке W₂ трансформатора 1 I₂=I₁/W₂ растет пропорционально росту тока в линии. Возникшая магнитодвижущая сила I₂*W₂=I₁ уравновешивает магнитодвижущую силу первичной обмотки W₁*I₁. Сердечник 6 выходит из насыщения, и внутреннее сопротивление R_н коммутационного элемента 4 трансформируется в соотношении (1/W₂)² в первичную обмотку W₁ трансформатора 1, тем самым увеличивая общее сопротивление линии Z на величину R_н/(W₂)² и соответственно снижая ток в ней.

Оценить эффект ограничения тока можно следующим ориентировочным расчетом. Положим необходимо снизить аварийный ток 70 кА на 10% в сети 330 кВ при том, что R_н=1 Ом, W₂=10, а магнитопровод ненасыщающийся. Тогда в фазный провод в случае КЗ трансформируется дополнительное сопротивление R_л=R_н/(W₂)²=1/(10)2=0,01 Ом, соответственно на внесенном сопротивлении упадет напряжение 0,01*70000=700 В. Это составляет 0,7/330~0.21%. Для получения 10% ограничения необходимо установить 10/0,21~48 ограничительных модулей. Если требуется ограничить ток в сети меньшего напряжения, потребуется меньшее количество модулей.

Таким образом, поставленная цель - снижение потерь в устройстве в штатном режиме работы электропередачи, снижение весогабаритных показателей и исключение ремонтных работ после каждого срабатывания, - достигнута.

Коммутационный элемент может быть выполнен, например, как показано на фиг.2, в виде последовательно включенных двунаправленных тиристоров 8, 9 и резистора 10 (сопротивление R_н) параллельно которым включен ограничитель перенапряжения 11 на уровень ограничения, равный классу тиристоров. Ограничитель 11 необходим для защиты тиристоров в переходных режимах включения от вероятных кратковременных перенапряжений

Возможный вариант реализации источника питания 7 показан на фиг.3. Источник состоит из третичной обмотки W3 трансформатора 1, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя 12, выход которого соединен с устройством управления 3.

Источники информации

1. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока: Энергия, Л-д, 1973.

2. Елагин Павел, Малышев Александр, Дементьев Юрий. Коммутационные ограничители тока. Новости электротехники, №1, 2009, с.40-42.

3. Use of High-Power Thyristor Technology for Short-Circuit Current Limitation in High Voltage Systems // Power Transmission and Distribution, May 2004, Vol.8.

4. Альтов B.A., Иванов C.C., Желтов B.B. и др. Токоограничивающие устройства трансформаторного типа. Электро, №5, 2010, стр.46-54.

5. Брилинский А.С., Плохих М.И., Смоловик СВ. Координация токов КЗ в сетях высокого напряжения мегаполиса (на примере энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области). Электро, №1, 2012, стр.11-16.

Использование - в электроэнергетике. Технический результат - снижение потерь в устройстве в штатном режиме работы электропередачи, снижение весогабаритных показателей и исключение ремонтных работ после каждого срабатывания. Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи содержит трансформатор, первичная обмотка W1 которого включена последовательно в линию и представляет собой отрезок кабеля. В линию также включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством управления коммутационным элементом, соединенным последовательно с вторичной обмоткой трансформатора. Коммутационный элемент выполнен в виде включенных последовательно двунаправленных тиристоров и резистора, параллельно которым включен ограничитель перенапряжения на уровень ограничения, равный классу тиристоров. Устройство управления соединено с посторонним источником питания, расположенным на потенциале линии электропередачи, который выполняется в виде третичной обмотки трансформатора, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя, выход которого соединен с устройством управления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи, содержащее n последовательно включенных ограничительных модулей, каждый из которых представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, в которую также включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством управления коммутационным элементом, включенным последовательно с вторичной обмоткой трансформатора, причем первичная обмотка трансформатора выполнена в виде отрезка кабеля, так что число витков первичной обмотки равно единице, пропускная способность кабеля по току равна пропускной способности провода данной линии, а магнитопровод трансформатора выполнен из материала с максимальной рабочей индукцией, причем устройство управления соединено с источником питания, расположенным на потенциале провода линии электропередачи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутационный элемент выполнен в виде включенных последовательно двунаправленных тиристоров и резистора, параллельно которым включен ограничитель перенапряжения на уровень ограничения, равный классу тиристоров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник питания устройства управления коммутационным элементом выполнен в виде третичной обмотки трансформатора, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя, выход которого соединен с устройством управления коммутационным элементом.