Агрегат дугогасящий для компенсации емкостных токов в сетях среднего напряжения Российский патент 2017 года по МПК H01F29/14 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации емкостных токов замыкания в электрических сетях 6-35 кВ.

Большинство известных устройств компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью построены по схеме нейтралеобразующий трансформатор - дугогасящий реактор [1, 2, 3]. В электрических сетях 35 кВ, в голове которых установлены трансформаторы с выведенной нейтралью сети указанного уровня напряжения, необходимости в промежуточном трансформаторе нет и реактор подключается к нейтральному выводу питающего трансформатора. Установка отдельных трансформаторов для получения искусственной нейтрали и дугогасящих реакторов приводит к увеличению количества установленного оборудования, коммутирующих аппаратов, капитальных и эксплуатационных затрат.

Имеются однокорпусные агрегаты - совмещенные регулируемые реактор-трансформаторы трехфазного типа [2], но они предназначены для компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередач, т.е. используются в качестве шунтирующих, и не могут быть применены для дугогашения при однофазных замыканиях на землю в распределительных электрических сетях 6-35 кВ.

В [3] описан трехфазный однокорпусный агрегат заземления фаз с дополнительной обмоткой на стержне с воздушными зазорами. На четырех стержнях магнитопровода агрегата, находящихся в одной плоскости, совмещены нейтралеобразующий трехфазный трансформатор с соединением обмоток в «зигзаг» и дугогасящий реактор с воздушными зазорами. Магнитопровод агрегата содержит четыре стержня, которые находятся в одной плоскости. На трех стержнях магнитопровода расположены рабочие обмотки нейтралеобразующего трансформатора, а на крайнем, четвертом стержне, имеющем воздушные зазоры, установлена обмотка дугогасящего реактора с выводами, соединенными с нейтралью трансформатора и шиной заземления. При этом сечения стержней трансформаторной и реакторной частей магнитопровода выполняются одинаковыми. Для полного использования активной части по мощности в режиме металлического замыкания на землю необходимо, с учетом наложения на стержни трансформатора дополнительного магнитного потока от катушки реактора, чтобы сечения трех стержней трансформатора и реактора относились как 2/3: 2/3: 2/3: 1, т.е. сечение стержня реактора должно быть в 1,5 раза больше сечения стержня трансформатора. При этом предположении агрегат на едином магнитопроводе не имеет преимуществ по массе перед устройствами аналогичного назначения, собранных из комплекта трансформатор-реактор, но позволяет построить более компактную конструкцию системы компенсации емкостных токов замыкания на землю. Однако построить агрегат четырехстержневой конструкции с указанным соотношением сечений стержней трансформатора и реактора не представляется возможным по многим причинам.

Расположение всех стержней магнитопровода в одной плоскости приводит к магнитной несимметрии фаз. В обычных трехфазных трансформаторах магнитная несимметрия фаз не оказывает существенного влияния на их эксплуатацию. В совмещенном устройстве-прототипе намагничивающая сила, создаваемая током замыкания на землю, протекающая по трем основным обмоткам, будет значительной, и в ярмах будет иметь место наложение токов. Поэтому, чтобы исключить влияние асимметрии магнитных цепей фаз, находящихся в одной плоскости, требуется выбирать низкое значение индукции, что приводит к повышенному расходу материалов.

Кроме того, расположение рабочей обмотки реактора на крайнем стержне магнитопровода, имеющем воздушные зазоры, вблизи стенки бака приводит к росту активных потерь от потоков рассеяния, и для их снижения требуется увеличить массогабаритные размеры агрегата.

В [4] приводится описание дугогасящего агрегата пространственным, симметричным расположением трех стержней фаз нейтралеобразующего трансформатора, сдвинутых на 120° относительно друг друга, и четвертым, центральным стержнем, собранным из последовательно соединенных вставок магнитопровода и воздушных зазоров. Стержни магнитопровода трансформатора соединяются между собой с помощью верхних и нижних ярем по схеме симметричной звезды. На трех симметрично расположенных стержнях установлены обмотки нейтралеобразующего трансформатора, собранные по схеме «звезда-зигзаг» (Z₀), а на четвертом, центральном, стержне расположена рабочая обмотка дугогасящего реактора, выводы которого подключены между искусственной нейтралью, образованной обмоткой трансформатора схемы соединения Z₀ и шиной заземления. Соединение обмоток по схеме Z₀ позволяет получить высокое входное сопротивление со стороны источника питания (выводы А, В, С) в нормальном режиме работы электрической сети (режим холостого хода) и малое сопротивление токам нулевой последовательности в режиме замыкания на землю.

В данной конструкции дугогасящего агрегата при стыковке крайних стержней магнитопровода (верхних и нижних ярем) трансформатора возникает зазор, уменьшающий магнитное сопротивление магнитопровода трансформатора, и, следовательно, увеличивающий ток холостого хода трансформатора. Потребляемая мощность агрегатом увеличивается как за счет активных потерь в магнитопроводе, так и в обмотках трансформатора.

Второй отрицательной стороной присутствия зазора в месте стыка ярем трансформатора является выпучивание магнитного потока в области зазоров, которые, замыкаясь на металлических конструкциях, вызывают дополнительные потери мощности и нагрев оборудования.

Неравномерный зазор между ярмами стержней разных фазных обмоток приводит к небалансу фазных сопротивлений обмоток и возникновению смещения нейтральной точки трансформатора, которая является и нейтралью сети.

В предложенном [4] варианте конструкции четвертого стержня нет четкого представления о геометрических параметрах этой части магнитопровода, которые и определяют массогабаритные показатели всего агрегата. Примыкающие к верхним и нижним ярмам сердечника трансформатора части четвертого стержня имеют непосредственное влияние на магнитное сопротивление фазных стержней трансформатора и на потоки рассеяния между стержнями трансформатора и реактора. Наличие воздушных зазоров в непосредственной близости стыка между стержнями трансформатора и реактора и не охваченного рабочей обмоткой приводит к увеличению тока холостого хода трансформатора и потоков рассеяния в активной части реактора, а чрезмерное их удаление от стыков - неравномерному распределению потоков рассеяния, обусловленных распределенными зазорами, вне стержня и внутри обмоток реактора.

Массогабаритные показатели агрегата в целом определяются максимальным током нулевой последовательности трансформатора и мощностью реактора агрегата. При равенстве максимальных мощностей трансформатора и реактора массогабаритные показатели агрегата будут близки к оптимальным.

Целью предлагаемого изобретения являются снижение активных потерь электроэнергии и потребляемого тока, повышение надежности в эксплуатации и упрощение технического обслуживания.

Цель снижения активных потерь электроэнергии, потребляемого тока, материалоемкости и габаритных размеров достигается тем, что на стыках крайних стержней магнитопровода (верхних и нижних ярем) с наружной и внутренней стороны трансформатора и стержня реактора однокорпусного дугогасящего агрегата пространственной конструкции симметричным расположением сдвинутых на 120° относительно друг друга трех стержней фаз нейтралеобразующего трансформатора и центральным расположением четвертого стержня установлены магнитные шунты из электротехнической стали размерами, перекрывающими зазоры на стыках магнитопровода, а к вторичной обмотке трансформатора подключена конденсаторная батарея мощностью, равной реактивной мощности потребления трансформатора в режиме холостого хода. При правильном выборе мощности конденсаторной батареи ток холостого хода трансформатора снижается в 2-3 раза.

Магнитные шунты увеличивают магнитное сопротивление участков, содержащих зазоры, упорядочивают магнитные потоки между стержнями, вследствие чего устраняются потоки выпучивания в верхней и нижней частях магнитопровода агрегата. Верхняя и нижняя части магнитопровода четвертого, центрального стержня вплотную примыкают к стержням магнитопровода трансформатора, закрывая зазоры стержней трансформатора с внутренней стороны и имеют в том числе свойство описанного выше магнитного шунта, выполняя функции перераспределения магнитных потоков между стержнями трансформатора. Установка магнитных шунтов и конденсаторной батареи в цепи вторичной обмотки трансформатора позволяет снизить ток холостого хода и потребляемую мощность агрегатом.

Четвертый стержень собран из равномерно распределенных по длине вставок магнитопровода и воздушных зазоров, причем крайние зазоры установлены на расстоянии, равном толщине верхнего и нижнего ярем сердечника трансформатора. Сечение четвертого стержня и стержней трехфазного трансформатора относятся как 1,5:1:1:1, т.е. сечение сердечника реактора в 1,5 раза больше сечения стержней фаз трансформатора. Увеличение на указанный коэффициент сечения четвертого стержня обусловлено тем, что в режимах однофазного замыкания на землю магнитный поток четвертого стержня перераспределяется по стержням трансформатора и при равной мощности трансформатора и реактора создает в них равный по величине создаваемому первичной обмоткой трансформатора, дополнительный магнитный поток.

Выполнение однокорпусного дугогасящего агрегата на едином магнитопроводе и принятие приведенных выше мер по уменьшению потерь позволяют снизить затраты на материалы и массогабаритные показатели агрегата.

Цель повышения надежности работы в эксплуатации и упрощения обслуживания достигается снижением потребляемой агрегатом мощности в нормальном и аварийных режимах работы и отказе от коммутирующего аппарата (разъединителя) между нулевым выводом первичной обмотки трансформатора и рабочей обмоткой реактора.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что предложенный агрегат дугогасящий для компенсации емкостных токов в сетях среднего напряжения при его реализации обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении активных потерь электроэнергии, потребляемого тока, материалоемкости, габаритных размеров, повышении надежности в эксплуатации и упрощении технического обслуживания.

На фиг. 1а(б) изображены схемы электрические агрегата дугогасящего с пространственной схемой расположения стержней и обмоток: первичной, со схемой соединения «звезда-зигзаг» Z₀ (фиг. 1а) или «звезда-двойной зигзаг» 2Z₀ (фиг. 1б) с последовательно встречным соединением основной фазной обмотки с дополнительными обмотками соседних фаз с числом витков, в два раза меньше витков основной обмотки, и вторичной, с подключенным к ее выводам конденсаторной батареи, трансформатора; рабочей обмотки и обмотки управления, выполненных с отводами с трансформаторами тока в цепях этих обмоток, и сигнальной обмотки реактора.

Предлагаемый агрегат дугогасящий для компенсации емкостных токов замыкания на землю на фиг. 2 и 3 содержит совмещенный нейтралеобразующий трансформатор, выполненный на трех стержнях магнитопровода 4 с обмотками 1 на каждом стержне. Стержни 4 с обмотками в пространстве сдвинуты на 120° и соединяются между собой с помощью верхних и нижних ярем по схеме симметричной звезды. Между центральными частями верхних и нижних ярем установлен стержень магнитопровода реактора со вставками через воздушные зазоры 6. Центральный стержень 5 находятся внутри обмоток 2, 3. Рабочие обмотки трех фаз соединены по схеме Z₀ или 2Z₀ и образуют искусственную нейтраль, к которой подключается рабочая обмотка реактора. Приведенные схемы соединения обмоток позволяют получить высокое входное сопротивление со стороны источника питания (выводы А, В, С) в нормальном режиме работы электрической сети (режим холостого хода) и малое сопротивление токам нулевой последовательности в режиме замыкания на землю. С целью регулирования тока компенсации рабочая обмотка и вторичная обмотка управления реактора имеют регулировочные ответвления.

В нормальном режиме работы электрической сети при равенстве фазных проводимостей фаз сети на землю напряжение на нейтрали отсутствует. При возникновении замыкания на землю полный ток нулевой последовательности проходит через обмотку 2 реактора и возвращается в сеть с нейтралеобразующего трансформатора, суммарный ток 3-х фаз которого равен току реактора.

Как видно из фиг. 2 и 3, на верхнем и нижнем ярмах наружной части сердечника трансформатора установлены магнитные шуты 7, а крайние вставки стержня магнитопровода реактора непосредственно примыкают к ярмам сердечника трансформатора изнутри, что приводит к упорядочиванию магнитных потоков в месте стыков фазных стержней 4, устранению потоков рассеяния в верхней и нижней частях магнитопровода между фазными со вставками и воздушными зазорами, в результате чего снижаются активные потери, уменьшается материалоемкость и габаритные размеры агрегата, а отсутствие разъединителя в цепи рабочей обмотки реактора повышает надежность и упрощает техническое обслуживание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / М.: Энергия. - 1971. - 152 с.

2. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные регуляторы / Монография. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, Энергоатомиздат. - 2003. 436 с.

3. Р. Вильгейм, М. Уотерс. Заземление нейтрали в высоковольтных системах / М.: ГЭИ. - 1959. - 416 с.

4. Петров М.И. и др. Патент на изобретение №2551952. Дугогасящий агрегат для компенсации емкостных токов замыкания на землю. Опубл. 20.04.2015 в бюл. №11. Приоритет от 11.10.2014.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для компенсации емкостных токов замыкания в электрических сетях 6-35 кВ. Сущность изобретения: дугогасящий агрегат содержит нейтралеобразующий трансформатор и реактор, выполненные на едином магнитопроводе из 4-х стержней: на 3-х пространственных стержнях, сдвинутых на угол 2π/3 относительно друг друга, установлены рабочие обмотки нейтралеобразующего трансформатора, соединенные по схеме «звезда-зигзаг» или «звезда-двойной зигзаг» и дополнительная обмотка, собранная по схеме Y или Z; на 4-м стержне магнитопровода, имеющего воздушные зазоры и встроенного в центр трехфазной магнитной системы, установлены рабочая и вторичная обмотки с отводами и последовательно включенные с обмотками трансформаторы тока. Стыки между сердечниками трансформатора в месте их соприкосновения закрыты с наружной части трансформатора магнитными шунтами, а соотношение сечений 3-х стержней трансформатора и стержня реактора определяется как 1:1:1:1,5, причем воздушные зазоры на центральном стержне расположены равномерно по длине сердечника с отступом от краев на толщину стержня трансформатора. Достигаемый технический результат: снижение активных потерь электроэнергии, материалоемкости и габаритных размеров, повышение надежности в эксплуатации и упрощение технического обслуживания. 4 ил.

Однокорпусный агрегат дугогасящий пространственной конструкции с симметричным расположением сдвинутых на 120° относительно друг друга трех стержней фаз нейтралеобразующего трансформатора и центральным расположением четвертого стержня с обмотками, отличающийся тем, что над стыками верхних и нижних ярем стержней трансформатора с наружной и внутренней стороны магнитопровода установлены магнитные шунты из электротехнической стали размерами, перекрывающими зазоры между стыками, а к вторичной, дополнительной обмотке трансформатора подключена конденсаторная батарея мощностью, равной реактивной мощности потребления трансформатора в режиме холостого хода, центральный, четвертый стержень, сечение которого относится к сечениям трех стержней трансформатора как 1,5:1:1:1, состоит из последовательно соединенных магнитных вставок и воздушных зазоров, причем крайние зазоры установлены на удалении, равном толщине ярем трансформатора, общий вывод трех фаз первичной обмотки трансформатора, выполненных по схеме «звезда-зигзаг» Z₀ или «звезда-двойной зигзаг» 2Z₀, соединен с началом имеющей отводы рабочей обмотки реактора, расположенной на четвертом стержне, а конец этой обмотки через трансформатор тока подключен к общей шине сети, вторичная обмотка реактора, имеющая отводы, оснащена трансформатором тока.