Устройство добавочного активного тока для заземления нейтральной точки сети (УДАТ) Российский патент 2022 года по МПК H02H9/08 H01C1/84 H01C7/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для перевода изолированного режима нейтрали сети на резистивный, а компенсированного на комбинированный в электрических сетях напряжением 3-10 кВ с целью повышения надёжности и эффективности системы электроснабжения.

Уровень техники

Из уровня техники известны бетэловые резисторы (см. [1] Серов В.И., Щуцкий В.И., Ягудаев Б.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. Москва: Наука, 1985, 136 стр.) состоящие из: активной части, включающей в себя резистивный столб, покрытый защитной оболочкой с контактными электродами; несущей оболочки (фарфоровой покрышки); пружинно-контактного устройства; двух крышек с набором крепежных элементов и прокладок.

Из уровня техники известен способ изготовления высоковольтного объемного резистора (см. [2] авторское свидетельство СССР № 1026173, МПК H01C 17/00, опубл. 30.06.1983) предназначенный для кратковременного заземления нейтральной точки сети в режиме однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). Данные устройства мало пригодны для использования в режимах ОЗЗ длительностью более 10 секунд без их отключения. В случае неотключения бетэловых резисторов происходит их термическое разрушение, связанное с изменением их резистивных параметров в следствии формирования цементного камня при повышенной температуре вызванной плохим теплоотводом в длительном режиме ОЗЗ.

Устройства с резистивными элементами, закреплёнными на рамочном каркасе обладают несомненным преимуществом перед бетэловыми резисторами. Например, из уровня техники известен высокоомный резистор для заземления нейтрали (см. [3] патент РФ № 2176832, МПК H01C 7/04, опубл. 10.12.2001), содержащий рамочный каркас, внутри которого размещены резистивные элементы в виде набора пластин, электрически последовательно связанных между собой. Каждый резистивный элемент выполнен из композиционного материала, спрессованного в пластину, находящуюся в металлическом корпусе; при этом пластины вертикально ориентированы и закреплены с зазором между собой на основаниях каркаса по меньшей мере в виде двух рядов и электрически последовательно связаны между собой. Композиционный материал представляет собой смесь мелкодиспергированных компонентов на основе графита, окиси железа, корунда и ортофосфорной кислоты.

Недостаток данного устройства обусловлен тем, что при частых ОЗЗ или длительном протекании тока ОЗЗ от 6 часов и более происходит постепенное выгорание графитовых элементов в композиционном материале, что приводит к увеличению сопротивления устройства и, как следствие, к снижению величины добавочного активного тока, что уменьшает эффективность ограничения перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ, не обеспечивает условия селективной работы защит от ОЗЗ из-за уменьшения тока нулевой последовательности и не в полной мере ликвидирует условия возникновения феррорезонансных перенапряжений.

Непосредственным преимуществом перед резисторами из композиционного материала обладают проволочные резисторы. Например, известен проволочно-керамический резистор типа ШС (см. [4] Л.Е.Врублевский, Ю.В.Зайцев, А.Н.Тихонов. Силовые резисторы. М.: Энергоатомиздат, 1991, 256 с.), содержащий более стабильный и долговечный резистивный элемент из нихрома, но конструктивное выполнение этого резистора также не позволяет использовать его в работе длительное время без принудительного отвода тепла, т.к. нихромовый элемент закреплен на керамическом корпусе посредством эпоксидного компаунда, предельная температура которого составляет приблизительно 100 градусов по шкале Цельсия, что резко ограничивает мощность каждого элемента резистора.

Из уровня техники известно устройство для заземления нейтрали (см. [5] патент РФ № 54252, МПК H01C 7/04, опубл. 10.06.2006), в котором последовательно соединённые резисторы, закреплены на корпусе посредством опорных изоляторов, резисторы выполнены в виде асбестоцементных труб с навитой на них проволокой из тугоплавкого термостойкого сплава, например, нихрома, и соединены между собой посредством шунтов, закреплённых с возможностью их переключения на корпус устройства, дополнительно установлены блок управления, соединённый с трансформатором тока, вентиляторы, проходные изоляторы. Использование вентиляторов обеспечивает работу данного устройства в режиме продолжительного ОЗЗ.

Недостатком данного устройства является наличие открытой нихромовой спирали по которой в режиме ОЗЗ протекает ток и нагревает спираль до температуры способной воспламенить горюче-опасную среду, такую как угольная пыль, пары нефтепереработки, в следствие чего данное устройство имеет ограниченную возможность для применения.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для заземления нейтрали электрической сети (см. [6] патент на полезную модель Казахстана №2470, МПК H01C 7/04, опубл. 15.11.2017], содержащее корпус, вентиляторы, проходные и опорные изоляторы, блок управления, соединённый с трансформатором тока, резисторы, закреплённые к корпусу посредством опорных изоляторов, в котором резисторы помещены в металлические трубы, расположенные перпендикулярно поверхности земли, резисторы соединены параллельно, в качестве трансформатора использован трансформатор тока нулевой последовательности.

Недостатками данного устройства являются:

- расположение резисторов на основе нихрома в металлических трубах исключает непосредственное взаимодействие нагретой спирали с окружающей средой, но требует соблюдения необходимого воздушного зазора между проводящим элементом на основе нихрома и корпусом трубы во избежание электрического пробоя, что приводит к увеличению габаритов устройства и менее интенсивному отводу тепла даже при использовании вентиляторов, так как воздух обладает невысокой теплопроводностью;

- использование алюминиевых или медных шунтов для параллельного соединения резисторов не допускает их переключения на последовательную и комбинированную схему соединения, что ограничивает диапазон регулирования добавочного активного тока;

- использование двух опорных изоляторов для вертикального крепления одного резистора не обеспечивает необходимую механическую устойчивость конструкции к вибрациям и продольно-поперечным механическим воздействиям;

- использование трансформатора тока нулевой последовательности не обеспечивает стабильный коэффициент трансформации, что может привести к отказу в срабатывании вентиляторов и, следовательно, к возможному термическому разрушению в режиме длительного ОЗЗ;

- в устройстве отсутствует функция проверки работоспособности вентилятора в безаварийном режиме (отсутствии ОЗЗ в сети);

- в устройстве отсутствует вентиляционная решётка, что ограничивает эффективность системы охлаждения.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является создание добавочного активного тока величиной превышающей реактивный ток ОЗЗ, который обеспечивает устойчивое горение дуги в режиме дугового ОЗЗ, что позволяет ограничить перенапряжения в режиме дугового ОЗЗ до значения не превышающего двукратную величину номинального напряжения сети, являющегося достаточным условием для ликвидации возникновения феррорезонансных перенапряжений, снижения бросков собственных емкостных токов отдельных линий до полуторакратных значений в момент возникновения ОЗЗ и стабилизации величины первичного тока нулевой последовательности не зависящего от изменения конфигураций сети, что создаёт условия для высокой селективности токовых защит от ОЗЗ.

Техническим результатом является повышение надёжности электрических сетей 3-10 кВ за счёт эффективного ограничения перенапряжений, исключения условий возникновения феррорезонансных перенапряжений и достижения условий для селективной работы токовых защит от ОЗЗ; снижение габаритных размеров резисторов, возможность регулировать величину добавочного активного тока.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счёт устройства добавочного активного тока содержащего корпус, вентиляторы, проходные и опорные изоляторы, блок управления, соединённый с трансформатором тока, резистивные элементы, закреплённые на корпусе посредством опорных изоляторов, при этом резистивные элементы помещены в металлические трубы, расположенные перпендикулярно поверхности земли и соединены параллельно, причем воздушный зазор между резистивным элементом, состоящем из резистора, выполненного из нихромовой проволоки намотанной в виде спирали на асбестоцементной трубе заполнен электротехническим периклазовым порошком с высокой теплопроводностью, при этом каждая металлическая труба закрыта двумя металлическими фланцами с вводами, которые подключены к нихромовой проволоке намотанной в виде спирали, и соединена с корпусом устройства четырьмя опорными изоляторами, а для соединения резистивных элементов между собой использованы гибкие элементы, выполненные из высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины.

Технический результат также достигается за счёт того, что в качестве трансформатора тока используется двухобмоточный трансформатор.

Технический результат также достигается за счёт того, что блок управления содержит блок управления вентиляторами, регистратор событий, блок контактных реле или магнитного пускателя, кнопку проверки работоспособности вентиляторов.

Технический результат также достигается за счёт того, что блок управления вентиляторами выполнен с возможностью проверки работоспособности вентиляторов в безаварийном режиме и использовании регистратора событий в текущем режиме времени.

Технический результат также достигается за счёт того, что электротехнический периклазовый порошок с высокой теплопроводностью, используемый в качестве диэлектрика, засыпан между стенкой металлической трубы и резистором, а также внутрь асбестоцементной трубы.

Технический результат также достигается за счёт того, что ввода на фланцах могут быть выполнены из керамики, пластика.

Технический результат также достигается за счёт того, что ввода на фланцах могут быть выполнены из высоковольтных проводов с изоляцией из кремнийорганической резины.

Технический результат также достигается за счёт того, что сопротивление устройства может регулироваться за счёт изменения схемы соединения резисторов в зависимости от необходимой величины добавочного активного тока.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 – Вид сбоку УДАТ в сборе.

Фиг. 2 – Вид сверху УДАТ в сборе.

Фиг. 3 – Вид спереди УДАТ в сборе.

Фиг. 4 – Вид спереди УДАТ в сборе без решётки.

Фиг. 5 – Структурная схема УДАТ

Фиг. 6 – Резистивный элемент в разрезе.

Фиг. 7 – Вид сверху резистивного элемента в разрезе.

На фигуре обозначены следующие позиции: 1 – корпус устройства, 2 – проходные изоляторы устройства, 3 – двухобмоточный трансформатор тока, 4 – опорные изоляторы резистивного элемента, 5 – асбестоцементная труба с нихромовой спиралью, 6 – периклазовый порошок, 7 – металлическая труба, 8 – фланец, 9 – ввода резистивного элемента, 10 – гибкая медная перемычка с изоляцией из кремнийорганической резины, 11 – блок управления вентиляторами (системы охлаждения), 12 – регистратор событий (с функцией передачи данных в режиме текущего времени), 13 – вентиляторы, 14 – специальная вентиляционная решётка, 15 – резистивный элемент, 16 – блок контакт реле или магнитного пускателя, 17 – кнопка проверки работоспособности вентиляторов; 18 – блок управления.

Осуществление изобретения

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для заземления нейтральной точки сети 3-10 кВ через резистор.

Снижение перенапряжений в режиме дуговых ОЗЗ до уровня 2-2,2 номинального напряжения, достигается при условии, что добавочный активный ток, создаваемый резистором, равен емкостному току ОЗЗ в сетях с изолированным режимом нейтрали или реактивному току ОЗЗ в сетях с компенсированным режимом нейтрали, и гарантировано ограничивает величину перенапряжений до уровня не превышающего значения двукратного номинального напряжения сети при условии, что добавочный активный ток будет больше емкостного тока ОЗЗ в сетях с изолированным режимом нейтрали или реактивного тока ОЗЗ в сетях с компенсированным режимом нейтрали сети. Это также создаёт условия для высокой селективности защит от ОЗЗ и ликвидирует условия возникновения феррорезонансных перенапряжений. В случае увеличения тока ОЗЗ на 20% и более должен возрасти и добавочный активный ток за счёт снижения сопротивления устройства. Снижение сопротивления устройства достигается за счёт изменения схемы соединения резисторов.

Устройство добавочного активного тока содержит корпус 1 на котором установлены блок управления 18, вентиляторы 13, проходные 2 и опорные 4 изоляторы, трансформатор тока 3 (например, двухобмоточный трансформатор тока) соединённый с блоком управления 18, резистивные элементы 15, закреплённые на корпусе посредством опорных изоляторов 4. Резистивные элементы помещены в металлические трубы 7, расположенные перпендикулярно поверхности земли и соединены параллельно. Воздушный зазор между асбестоцементной трубой с нихромовой спиралью 5 и металлической трубой 7 резистивного элемента 15, состоящего из резистора, выполненного из нихромовой проволоки намотанной в виде спирали на асбестоцементной трубе 7 заполнен электротехническим периклазовым порошком с высокой теплопроводностью 6. Электротехнический периклазовый порошок засыпается также внутрь асбестоцементной трубы, которая является полой. Каждая металлическая труба 7 закрыта двумя металлическими фланцами 8 с вводами 9, которые подключены к нихромовой проволоке намотанной в виде спирали. Также каждая металлическая труба 7 соединена с корпусом устройства четырьмя опорными изоляторами 4, а для соединения резистивных элементов 15 между собой использованы гибкие элементы, выполненные из высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины. Блок управления 18 содержит блок управления вентиляторами 11, регистратор событий 12, блок 16 контактных реле или магнитного пускателя, кнопку проверки работоспособности вентиляторов 17.

Изобретение работает следующим образом.

В режиме ОЗЗ в сетях 3-10 кВ напряжение смещения нейтрали практически равное фазному напряжению сети прикладывается к вводам 2 устройства, ввода 2 подключены к резистивным элементам 15, по которым будет протекать добавочный активный ток. Добавочный активный ток также будет протекать по первичной обмотке трансформатора тока 3. Со вторичной обмотки трансформатора тока 3 снимается сигнал и подаётся в блок управления вентиляторами 11, в блоке управления срабатывает токовое реле и включает в работу вентиляторы 13 по средствам магнитного пускателя, в тоже время за счёт дополнительного блок контакта 16, токового реле или магнитного пускателя включается регистратор событий 12 и фиксирует время, дату и продолжительность ОЗЗ и передаёт данную информацию в режиме текущего времени на пульт управления системой электроснабжения. Воздушный поток, создаваемый вентиляторами 13 охватывает и охлаждает резистивные элементы и выходит с противоположной стороны от вентиляторов через специальную вентиляционную решётку 14. После отключения линии с ОЗЗ напряжение смещения нейтрали, приложенное к вводам 2 устройства исчезает, ток по резистивным элементам не протекает, также не протекает ток по первичной обмотке трансформатора 3, во вторичной обмотке трансформатора 3 сигнал исчезает что приводит к отключению токового реле с последующим отключением вентиляторов. В безаварийном режиме, когда отсутствует ОЗЗ с помощью кнопки 17 можно проверить работоспособность вентиляторов, по средствам нажатия на кнопку, в этом случае срабатывает магнитный пускатель и включает вентиляторы, подтверждая их работоспособность. При повторном нажатии на кнопку 17 вентиляторы 13 отключаются.

При протекании тока по нихромовой спирали намотанной на асбестоцементной трубе 5 резистивного элемента 15, резистивный элемент 15 начинает нагреваться. Интенсивному отводу тепла от резистивного элемента 15 способствует принудительная вентиляция с помощью вентиляторов 13, металлическая труба 7 и электротехнический периклазовый порошок, 6 теплопроводность которого в 20 раз выше чем у воздуха, засыпанный между асбестоцементной трубой с нихромовой спиралью 5 и металлической трубой 7, а также внутрь асбестоцементной трубы, являющуюся полой. Электротехнический порошок периклаз 6 в процессе засыпки утрамбовывается, что предотвращает механическое разрушение асбестоцементной трубы 5 и ослабление намотки нихромовой спирали 5. Для герметизации асбестоцементной трубы с нихромовой спиралью 5 и периклаза 6 от окружающей среды металлическая труба 7 обваривается торцевыми металлическими фланцами 8 со специальными вводами 9, которые могут быть выполнены из керамики, пластика и высоковольтного провода с изоляций из кремнийорганической резины, подключенными к нихромовой спирали 5. Соединение отдельных элементов устройства осуществляется с помощью гибких перемычек 10, выполненных из медного высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины. С помощью данных гибких перемычек 10 резистивные элементы 15 возможно собирать последовательно, параллельно или смешанно в зависимости от необходимой величины добавочного активного тока. При параллельном соединении величина добавочного активного тока будет максимальной, при последовательном соединении – минимальной, при смешанном соединении величина может изменяться от минимальной до максимальной. Выбор схемы соединения резистивных элементов 15 устройства определяется величиной добавочного активного тока, который должен быть больше величины емкостного тока ОЗЗ (или реактивного тока ОЗЗ в случае компенсации емкостного тока). Так как при величине добавочного активного тока больше емкостного тока ОЗЗ (или реактивного тока ОЗЗ в случае компенсации емкостного тока), происходит ограничение перенапряжений до уровня двукратного значения номинального напряжения сети, броски тока отдельных линий не превышают полуторакратных значений от собственных емкостных токов, что обеспечивает условия для селективной работы токовых защит и ликвидирует условия для возникновения феррорезонансных перенапряжений. В случае изменения конфигураций сети приводящих к росту тока ОЗЗ на 20% и более изменяется сопротивление устройства с помощью изменения схемы соединения резистивных элементов 15 устройства.

Технический результат заявленного изобретения достигается заявленными существенными признаками. УДАТ содержит четыре и более резистора, позволяющих ступенчато регулировать сопротивление устройства в зависимости от схемы их соединения, которая может включать как последовательное, параллельное, так и смешанное соединение, для обеспечения величины добавочного активного тока в режиме ОЗЗ, превышающего емкостной ток ОЗЗ (или реактивный ток ОЗЗ в случае компенсации емкостного тока). Для обеспечения термической устойчивости резисторов в режиме ОЗЗ и снижения их габаритных размеров используется принудительный отвод тепла на базе двух вентиляторов, включенных на параллельную работу и рассчитанных на интенсивный отвод тепла, что обеспечивает надёжный отвод тепла от резистора даже в случае выхода из строя одного вентилятора. Вентиляторы находятся в работе, когда существует режим ОЗЗ и включаются/отключаются блоком управления, состоящем из трансформатора тока, токового реле, магнитного пускателя. Регулирование схемы соединения резисторов осуществляется в случае изменения конфигураций сети, приводящего к увеличению емкостного тока ОЗЗ (или реактивного тока ОЗЗ в случае компенсации емкостного тока) на 20% и более, или использования кабелей, приводящих к увеличению ёмкости сети по отношению к земле, таких как кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. В таком случае требуется снижение сопротивления устройства за счёт переключения резисторов с помощью специальных гибких перемычек, выполненных из высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины. Применение регистратора событий предназначено для регистрации количества ОЗЗ в сети и анализа изменения их динамики.

Электротехнический периклазовый порошок, засыпанный между стенкой трубы и резистором, обладающий высокой диэлектрической прочностью по сравнению с воздухом и высокой теплопроводностью, обеспечивает термическую устойчивость устройства за счёт эффективного охлаждения резистора и снижает габариты устройства.

Использование гибких элементов из высоковольтного медного провода с изоляцией из кремнийорганической резины позволяет обеспечивать соединение резисторов последовательно, параллельно или смешано, что расширяет диапазон регулирования величины сопротивления устройства и, как следствие, величины добавочного активного тока.

Использование металлических фланцев с вводами для металлической трубы обеспечивает герметичность резистивного элемента из нихрома, намотанного в виде спирали на асбестоцементной трубе, засыпанной периклазовым порошком, и не допускает контакта влаги и легко возгораемых частиц с раскалённой нихромовой спиралью в режиме ОЗЗ.

Использование четырёх опорных изоляторов для каждого резистивного элемента обеспечивает механическую устойчивость устройства как при вибрационных нагрузках, так и при продольно-поперечных механических воздействиях.

Использование двухобмоточного трансформатора тока позволяет сохранять стабильное значение коэффициента трансформации, обеспечивать устойчивую работу блока управления вентиляторами и, как следствие, исключает термическое разрушение устройства в длительном режиме ОЗЗ.

В блоке управления вентиляторами предусмотрена функция проверки работоспособности вентиляторов в безаварийном режиме, что позволяет заблаговременно обнаружить неисправность вентиляторов и своевременно их заменить, тем самым обеспечить более высокую термическую надёжность устройства.

Используется лицевая решётка специальной конструкции для предотвращения прямого попадания капель дождя вовнутрь устройства и в то же время позволяющая осуществлять активную вентиляцию резистивных элементов.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении надёжности системы электроснабжения, снижении габаритных размеров резисторов и достигается благодаря тому, что в устройстве добавочного активного тока резистивные элементы помещены в металлические трубы, расположенные перпендикулярно поверхности земли, и соединены параллельно, причем воздушный зазор между резистивным элементом, состоящим из резистора, выполненного из нихромовой проволоки, намотанной в виде спирали на асбестоцементной трубе, заполнен электротехническим периклазовым порошком с высокой теплопроводностью, при этом каждая металлическая труба закрыта двумя металлическими фланцами с вводами, которые подключены к нихромовой проволоке, намотанной в виде спирали, и соединена с корпусом устройства четырьмя опорными изоляторами, а для соединения резистивных элементов между собой использованы гибкие элементы, выполненные из высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство добавочного активного тока, содержащее корпус, вентиляторы, проходные и опорные изоляторы, блок управления, соединённый с трансформатором тока, резистивные элементы, закреплённые на корпусе посредством опорных изоляторов, при этом резистивные элементы помещены в металлические трубы, расположенные перпендикулярно поверхности земли, и соединены параллельно, отличающееся тем, что воздушный зазор между резистивным элементом, состоящим из резистора, выполненного из нихромовой проволоки, намотанной в виде спирали на асбестоцементной трубе, заполнен электротехническим периклазовым порошком с высокой теплопроводностью, при этом каждая металлическая труба закрыта двумя металлическими фланцами с вводами, которые подключены к нихромовой проволоке, намотанной в виде спирали, и соединена с корпусом устройства четырьмя опорными изоляторами, а для соединения резистивных элементов между собой использованы гибкие элементы, выполненные из высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве трансформатора тока используется двухобмоточный трансформатор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит блок управления вентиляторами, регистратор событий, блок контактных реле или магнитного пускателя, кнопку проверки работоспособности вентиляторов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок управления вентилятором выполнен с возможностью проверки работоспособности вентилятора в безаварийном режиме и использования регистратора событий в текущем режиме времени.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электротехнический периклазовый порошок с высокой теплопроводностью, используемый в качестве диэлектрика, засыпан между стенкой металлической трубы и резистором, а также внутрь асбестоцементной трубы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вводы на фланцах могут быть выполнены из керамики, пластика.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вводы на фланцах могут быть выполнены из высоковольтных проводов с изоляцией из кремнийорганической резины.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сопротивление устройства может регулироваться за счёт изменения схемы соединения резисторов в зависимости от необходимой величины добавочного активного тока.