СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SHORT CIRCUIT CURRENT LIMITATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для ограничения тока короткого замыкания.
Известен (1) способ ограничения тока короткого замыкания, включающий в себя операцию расшунтирования токоограничивающего реактора посредством электродинамического механизма (ЭДМ).
Недостаток этого способа заключается в том, что устройство для его осуществления достаточно сложно, поскольку требуется конструкторская проработка не только ЭДМ, но и его электрических и механических взаимосвязей с другими элементами устройства (контактная группа, упругий элемент, диэлектрическая штанга и т.д.).
Известна (2) также конструкторская реализация способа ограничения тока короткого замыкания, включающего в себя операцию перемещения электродинамическими усилиями проводника с током в паз ферромагнитной массы. В этом случае в проводнике с током возникает противоЭДС, что эквивалентно вводу в сеть реактивного элемента, обладающего индуктивностью.
Известный (2) способ реализован в токоограничивающем устройстве, в котором в качестве ЭДМ используется трехфазный симметричный токопровод с подвижными фазами-шинами. В режиме короткого замыкания подвижные фазы-шины токопровода перемещаются под углом 120° друг к другу и входят в пазы ферромагнитных масс. Величина противоЭДС в каждой фазе-шине линейно зависима от совместной длины фазы-шины и ферромагнитной массы, а это, при «глубоком» токоограничении, приводит к увеличению веса и габаритов токоограничивающего устройства, к громоздкости его конструкции. К недостатку известного (2) способа следует отнести то, что при его реализации затруднительно расширять диапазон пропускной способности токоограничивающего устройства увеличением числа шин в пакете, т.к. это усложняет конструкцию устройства.
Реализованный в известном (2) устройстве способ является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому (прототип).
Предлагаемым изобретением решаются две технические задачи, одна из которых заключается в создании способа ограничения тока короткого замыкания, а другая в создании устройства для его осуществления, при этом эффективность способа и устройства по быстродействию желательно обеспечивать более рациональным использованием электродинамических усилий, а по токоограничивающей способности, уменьшению веса и габаритов применением ферромагнитных магнитопроводов. В основу решения поставленных технических задач заложен единый изобретательский замысел, тем более, что и для предлагаемого способа и для предлагаемого устройства наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату оказался один и тот же прототип.
Для решения первой технической задачи в известный способ ограничения тока короткого замыкания, включающий в себя пофазный ввод в сеть последовательно включенных с проводами линии электропередачи реактивных элементов, осуществляемый действием электродинамических усилий, внесены существенные изменения, заключающиеся в том, что сначала создают одинаковые по конструкции и номинальным параметрам реактивные элементы в виде соленоидов, в каждом из которых витки обмотки имеют возможность смещения относительно друг друга в аксиальном направлении, соленоиды соединяют между собой параллельно, образуя реактивные приемники с одинаковыми номинальными параметрами, затем реактивные приемники включают в сеть пофазно и последовательно с проводами линии электропередачи, кроме того, каждый соленоид снабжают магнитопроводом, состоящим из двух соосных ферромагнитных труб, которые располагают в радиальном направлении по разные стороны от обмотки соленоида, в нормальном режиме сети для увеличения воздушного промежутка в магнитопроводе внешнюю ферромагнитную трубу экранируют собственной обмоткой соленоида, для чего высоту обмотки соленоида принимают большей высоты ферромагнитных труб, в режиме короткого замыкания по мере сжатия соленоида аксиальными электродинамическими усилиями сначала выполняется плавное увеличение реактивного сопротивления соленоида, а с момента достижения соленоидом высоты, меньшей высоты ферромагнитных труб и когда снимается экранирующее воздействие обмотки соленоида на внешнюю ферромагнитную трубу, происходит многократное увеличение реактивного сопротивления каждого соленоида, а, следовательно, и увеличение реактивного сопротивления реактивного приемника в целом.
Отличительный признак предлагаемого способа заключается в том, что реактивный приемник, включаемый последовательно в цепь, состоит из нескольких параллельно включенных соленоидов, при этом изменение индуктивности каждого соленоида является следствием изменения протекаемого по нему тока.
В нормальном режиме эквивалентное индуктивное сопротивление параллельно включенных соленоидов мало, что обеспечивает и малые потери электроэнергии на реактивном приемнике.
В режиме короткого замыкания, по мере нарастания тока в каждой из параллельных ветвей приемника, увеличивается и реактивное сопротивление каждого соленоида за счет запланированной предлагаемым способом его деформации, а именно за счет уменьшения высоты соленоида и его объема. Возможность запланированной деформации соленоида объясняется тем, что в качестве соленоида выступает обычная цилиндрическая винтовая пружина сжатия, которая навивается пружинной токопроводящей проволокой и своими крайними витками подключается к сети, выполняя одновременно роль пружины-соленоида. В аварийных режимах пружина - соленоид испытывает на себе действие электродинамических усилий, которые подразделяются на усилия, действующие на витки в аксиальном направлении, и на усилия, действующие на витки в радиальном направлении (3, с. 204-206). В предлагаемом способе аксиальные электродинамические усилия используются как полезные для сжатия пружины-соленоида, а радиальные электродинамические усилия рассматриваются как вредные и обнуляются конструкцией пружины-соленоида. Сжатие пружины соленоида сопровождается приращением реактивного сопротивления и, наоборот, при распрямлении пружины-соленоида реактивное сопротивление соленоида уменьшается.
Еще один отличительный признак заключается в следующем. Известно, что для усиления магнитного потока используются ферромагнитные магнитопроводы, однако при больших токах существует вероятность насыщения стали магнитопроводов, что в общем приводит к уменьшению индуктивности цепи и снижению эффективности токоограничения (4, с. 622). В предлагаемом способе выстроены барьеры, исключающие возможность насыщения магнитопроводов. Во-первых, само по себе деление номинального тока или тока короткого замыкания по параллельным ветвям реактивного приемника уже служит залогом предотвращения насыщения, поскольку величина тока определяет величину магнитного потока, а равномерность распределения тока по ветвям приемника выдерживается автоматически саморегулированием как в отдельно взятой ветви, так и между ветвями приемника в целом, что объясняется одинаковой конструкцией всех реактивных элементов, составляющих приемник. Во-вторых, во избежание насыщения магнитопровода используется известная особенность магнитного поля соленоида, которая заключается в том, что если высота соленоида достаточно велика по сравнению с его диаметром, то напряженность магнитного поля с наружной стороны соленоида равна нулю (5, с. 23, 475). Поэтому, если вдвинуть соленоид в полость между двумя разными по диаметру и соосными между собой ферромагнитными трубами, высота которых меньше высоты соленоида, то в нормальном режиме при отсутствии сжимающих соленоид усилий труба, расположенная с наружной стороны, намагничиваться не будет, т.к. обмотка соленоида по отношению к наружной трубе выполняет роль магнитного экрана. Получается, что в нормальном режиме магнитная цепь каждого соленоида выглядит в виде воздушного магнитопровода с ферромагнитной вставкой, представленной внутренней ферромагнитной трубой, которая сосредотачивает в себе магнитные силовые линии, обеспечивает их параллельность и направляет в пространство, где они и замыкаются, минуя наружную ферромагнитную трубу.
В режиме короткого замыкания при сжатии пружины-соленоида реактивное сопротивление соленоида растет постепенно до тех пор, пока высота пружины-соленоида не станет равной или меньшей высоты ферромагнитных труб. В момент этого равенства и дальнейшего уменьшения высоты пружины-соленоида магнитная цепь соленоида с воздушным магнитопроводом и ферромагнитной вставкой преобразуется в магнитную цепь соленоида с ферромагнитным магнитопроводом и двумя малыми воздушными промежутками, а это влечет за собой резкое увеличение магнитного потока и, соответственно, резкое увеличение реактивного сопротивления за счет увеличения противоЭДС. Число параллельных соленоидов в приемнике подбирается таким, чтобы в режиме короткого замыкания эквивалентное реактивное сопротивление приемника обеспечивало бы заданный уровень токоограничения на присоединении, а подвергшийся ограничению ток короткого замыкания, приходящийся на одну из параллельных ветвей приемника, не приводил бы к насыщению магнитопровода в каждом соленоиде. Соблюдение этого условия не представляет особой сложности и достигается обычным инженерным расчетом. По окончании режима короткого замыкания каждая пружина-соленоид возвращается в исходное положение, восстанавливается нормальный режим сети с первоначальными номинальными параметрами присоединения, поскольку эквивалентное реактивное сопротивление приемника становится равным доаварийному значению.
В процессе короткого замыкания реактивное сопротивление каждого соленоида складывается из индуктивного сопротивления соленоида, динамического индуктивного сопротивления соленоида и из эквивалента индуктивного сопротивления, создаваемого эффектом противоЭДС.
К отличительному признаку предлагаемого способа относится и то, что каждый соленоид, участвующий в реализации способа, является устройством прямого действия, в котором отсутствуют какие-либо передаточные звенья, поскольку исполнительным органом, реагирующим на величину тока, является сам соленоид, одновременно выполняющий роль цилиндрической винтовой пружины сжатия и роль электродинамического механизма, что обусловливает малогабаритность и компактность соленоида в качестве реактивного элемента. Поскольку соленоиды одинаковы по конструкции и номинальным параметрам, то каждый из них можно рассматривать как единичный модуль, из множества которых путем их параллельно-последовательных соединений можно образовывать реактивные приемники с заранее заданными параметрами.
Для решения второй технической задачи в устройство ограничения тока короткого замыкания, содержащее электродинамический механизм, состоящий из электродинамических секций, магнитопровод, состоящий из магнитных секций, пружины, гибкие токопроводящие перемычки, сборочный узел, внесены существенные конструктивные изменения, заключающиеся в том, что сборочный узел состоит из двух соосных разных по диаметру концентричных труб, ограниченных с двух сторон плоскими стойками, перпендикулярными оси труб, при этом трубы и стойки выполнены из немагнитного изолирующего материала, магнитные секции магнитопровода представлены двумя равновысокими разными по диаметру концентричными ферромагнитными трубами, соосными с трубами сборочного узла, при этом высота ферромагнитных труб меньше высоты труб сборочного узла, а торцы ферромагнитных труб находятся на одинаковом расстоянии от плоскостей стоек сборочного узла, взаимное расположение труб сборочного узла и труб магнитопровода в радиальном направлении выбрано из условия, при котором труба сборочного узла с меньшим диаметром охватывает снаружи скрепленную с ней трубу магнитопровода с меньшим диаметром, труба магнитопровода с большим диаметром охватывает снаружи скрепленную с ней трубу сборочного узла с большим диаметром, в свободную концентричную полость, ограниченную стойками и концентричными трубами сборочного узла, введена цилиндрическая винтовая пружина сжатия с высотой, равной высоте труб сборочного узла, причем навивка пружины выполнена токопроводящей пружинной проволокой, при этом средний виток пружины скреплен с одной или обеими трубами сборочного узла и делит пружину на две одинаковые по высоте части, расположенные по разные стороны от среднего витка, прилегающие к стойкам сборочного узла крайние витки пружины подогнуты и сошлифованы и подсоединены к гибким токопроводящим перемычкам, служащим для подключения к сети, с момента подключения к сети пружина выполняет также роль соленоида с шагом обмотки, равным шагу пружины, и роль электродинамического механизма с двумя электродинамическими секциями, представленными одинаковыми по высоте частями пружины-соленоида, считая от среднего витка пружины-соленоида, кроме того, в нормальном режиме сети, когда высота обмотки соленоида больше высоты ферромагнитных труб, обмотка соленоида выполняет еще и роль магнитного экрана для внешней ферромагнитной трубы, в режиме короткого замыкания под действием аксиальных электродинамических усилий витки обмоток электродинамических секций перемещаются к среднему витку, уменьшая высоту и объем пружины-соленоида, плавно увеличивая реактивное сопротивление соленоида, а с момента достижения соленоидом высоты, меньшей высоты ферромагнитных труб и снятия в результате этого экранирующего воздействия обмотки соленоида на внешнюю ферромагнитрую трубу, выполняется многократное увеличение реактивного сопротивления каждого соленоида, а, следовательно, и увеличение реактивного сопротивления реактивного приемника в целом.
Основной отличительный признак предлагаемого токоограничивающего устройства заключается в многофункциональности одного и того же примененного в устройстве конструктивного элемента. Действительно, пружина сжатия в предлагаемом устройстве, помимо основного предназначения, предстает еще и соленоидом и электродинамическим механизмом с двумя электродинамическими секциями. Значение собственной индуктивности соленоида находится в прямой зависимости от величины протекающего по нему тока. При номинальном токе конфигурация пружины-соленоида неизменна и соленоид характеризуется номинальной индуктивностью. При ударном и установившемся токе короткого замыкания пружина-соленоид начинает сжиматься, меняя свою конфигурацию и объем, плавно увеличивая индуктивность соленоида (6, с. 247-253), а когда высота пружины-соленоида оказывается меньше высоты труб магнитопровода, то с этого момента в связи с разэкранированием магнитопровода реактивное сопротивление каждого соленоида резко возрастает и достигает своего максимального значения за счет увеличения магнитного потока и, соответственно, роста противоЭДС.
Другой отличительный признак - компактность предлагаемого устройства. Это объясняется тем, что основные элементы устройства разнесены по отношению друг к другу в радиальном направлении и выполнены в виде симметричных концентричных цилиндрических труб, что в целом влечет за собой уменьшение объема предлагаемого устройства, а, следовательно, и уменьшение размеров, массы и металлоемкости. В значительной мере фактор компактности объясняется применением ферромагнитного магнитопровода (4, с. 622). Такая оптимизированная конструкция предлагаемого устройства предопределила и отношение к этому устройству как к единичному модулю, обладающему признаками «эксплуатационной мобильности». Именно поэтому появилась возможность компоновки групп модулей с различными вариантами их параллельно -последовательного соединения. Наиболее перспективными являются группы модулей с параллельным соединением, поскольку такая схема соединений обеспечивает высокую пропускную способность устройства, минимальные потери электроэнергии в нормальном режиме, исключает возможность насыщения стали магнитопровода при избыточных токах, сохраняет заданный уровень токоограничения.
Ниже дан пример выполнения предлагаемого устройства со ссылкой на чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - общий вид токоограничивающего устройства в разрезе при нормальном режиме;
фиг. 2 - то же, при избыточных токах.
Предлагаемое токоограничивающее устройство содержит сборочный узел, состоящий из концентричных цилиндрических труб 1 и 2, закрепленных в стойках 3 и 4, при этом трубы и стойки сборочного узла выполняются из немагнитного изолирующего материала, например, из высокопрочного стеклопластика с повышенными диэлектрическими свойствами. Соосно с трубами 1 и 2 сборочного узла располагаются концентричные цилиндрические секции 5 и 6 магнитопровода, при этом труба 2 сборочного узла снаружи охватывает скрепленную с ней секцию 6 магнитопровода, а секция 5 магнитопровода снаружи охватывает скрепленную с ней трубу 1 сборочного узла. Секции 5 и 6 магнитопровода представляют из себя отрезки ферромагнитных труб, цельных или намотанных из листов электротехнической стали (с целью уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание). В свободную полость между трубами 1 и 2 сборочного узла вводится цилиндрическая винтовая пружина сжатия 7, крайние витки 12 которой посредством гибких перемычек 14 подключаются к сети, придавая тем самым пружине еще и свойства соленоида, при этом намотка пружины-соленоида производится проволокой из пружинного токопроводящего материала.(7, с. 650-655) Нижняя часть пружины-соленоида 7, считая от его среднего витка 8, образует электродинамическую секцию 9, верхняя часть - электродинамическую секцию 10. С целью оптимизации электромагнитных процессов средний виток 8 пружины-соленоида 7 зафиксирован относительно магнитных секций 5 и 6, например, посредством буртиков 11, принадлежащих трубе 2. Крайние витки 12 пружины-соленоида 7 снабжены втулками 13 из изоляционного материала, предохраняющими эти витки от развивки в режиме короткого замыкания. Пути замыкания магнитного потока в нормальном режиме и в режиме короткого замыкания на фиг. 1 и на фиг. 2 указаны стрелками.
Работает предложенное устройство следующим образом. Принцип работы устройства базируется на известных из электротехники знаниях. Так, если высота соленоида намного превышает собственный диаметр, то напряженность магнитного поля с наружной стороны соленоида равна нулю, а напряженность магнитного поля внутри соленоида есть величина постоянная (5, с. 23, 475), зависящая не только от ампервитков соленоида, но и опять же от отношения высоты соленоида к его диаметру. Чем больше это отношение, тем больше протяженность пути замыкания магнитных силовых линий и тем меньше напряженность магнитного поля внутри соленоида. В этих случаях расчет магнитной цепи сводится к расчету воздушного магнитопровода с ферромагнитной вставкой, которая представлена магнитной секцией 6, используемой в нормальном режиме для сосредоточения магнитного поля в данном пространстве магнитной цепи.
Таким образом, предложенное токоограничивающее устройство в нормальном режиме представляет собой соленоид, на магнитный поток которого почти не сказывается наличие в устройстве магнитных секций 5 и 6, что облегчает выход на заданное первоначальное значение индуктивного сопротивления соленоида. В режиме короткого замыкания витки пружины-соленоида 7 испытывают электродинамические усилия, направленные на увеличение его диаметра, однако каждый такой виток представляет собой в механическом отношении достаточно прочный и надежный конструктивный элемент, за исключением двух крайних витков, прочность которых на разрыв усилена втулками 13. Поэтому индуктивность пружины-соленоида 7 зависит лишь от аксиальных электродинамических усилий, которые сжимают соленоид по высоте, смещая витки электродинамических секций 9 и 10 навстречу друг к другу, по направлению к среднему витку 8. Наступает момент, когда высота пружины-соленоида 7 (т.е. суммарная высота электродинамических секций 9 и 10) оказывается меньше высоты магнитных секций 5 или 6, а это означает, что автоматически произошла замена воздушного магнитопровода на ферромагнитный с двумя воздушными промежутками, обусловливая тем самым резкое увеличение реактивного сопротивления. Воздушные промежутки сохраняются намеренно, исключая дополнительно возможность насыщения магнитопровода при больших токах. Сама же противоЭДС в катушках с ферромагнитным магнитопроводом пропорциональна произведению дифференциальной индуктивности и скорости изменения тока, протекающего по катушке (8, с. 86-89). Исключение возможности замыкания между собой витков пружины-соленоида 7 в аварийном режиме может быть достигнуто по-разному, например, в частном случае, применением намоточного провода в изолирующей оболочке.
Применив принцип плотной упаковки, заключающийся в размещении наибольшего возможного числа элементов конструкции в определенных габаритах, определяется единичное изделие, которое условно принимается за модуль, обладающий фиксированными параметрами. Путем последовательно-параллельных соединений модулей в группы получают результирующее токоограничивающее устройство, предназначенное для установки на конкретное присоединение.
Эффективность токоограничения посредством предлагаемого токоограничивающего устройства поясняется следующим отвлеченным примером. Допустим, что образовано токоограничивающее устройство из двух параллельно включенных модулей, каждый из которых характеризуются индуктивным сопротивлением 1 Ом. В этом случае эквивалентное сопротивление устройства в нормальном режиме 0,5 Ом. В режиме короткого замыкания индуктивное сопротивление модуля возрастает, допустим, до 10 Ом, тогда эквивалентное сопротивление двух параллельно включенных модулей равно 5 Ом. Получается, что токоограничивающая способность двух параллельно включенных модулей в режиме короткого замыкания возрастает в 10 раз, а в нормальном режиме потери электроэнергии снижаются в два раза.
Источники информации
1. Вязовик В.Я., Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Способ ограничения тока короткого замыкания и устройство для его осуществления. Патент РФ №2016 459, опубл. 15.04.94 Бюл. №13
2. Мрыхин В.И., Сергеев Д.А. Токоограничивающее устройство. Патент РФ №2 230 388, опубл. 10.06.2004 Бюл. №16
3. Э.Г Калашников. Электричество. Издательство «Наука».Главная редакция физико-математической литературы Москва 1977
4. А.А. Чунихин. Электрические аппараты. Москва, Энергоатомиздат, 1988.
5. К. Шимони. Теоретическая электротехника. Издательство «Мир», Москва, 1964, перевод с немецкого, под редакцией проф. К.М. Поливанова.
6. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. Ленинград, Энергоатомиздат, 1986
7. И.Я. Левин. Справочник конструктора точных приборов. Оборонгиз, Москва, 1962.
8. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Издательство «Высшая школа», Москва - 1973.