ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использована для защиты от сверхтоков линий электропередач энергосистем и потребителей переменного тока.
Известно токоограничивающее устройство, обладающее относительно низкой установленной мощностью реактора, с возможностью скачкообразного изменения в сторону увеличения индуктивного сопротивления реактора, последовательно включенного в линию электропередачи переменного тока, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы, конденсатор и выключатель. Причем, первый вывод первого реактора подключен к входной клемме со стороны источника питания переменного тока концом обмотки, второй вывод первого реактора подключен к выходной клемме, предназначенной для подключения нагрузки, первый вывод второго реактора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод второго реактора присоединен к входной клемме от источника питания началом обмотки, второй вывод конденсатора соединен с выходной клеммой устройства и с первым выводом выключателя, второй вывод которого подключен к первому выводу конденсатора (патент на полезную модель №88861 "Токоограничивающее устройство на базе магнитно-связанных реакторов", Бюл. №32, 2009 г. Антонов Б.М.).
Антипараллельное включение обмоток реакторов обеспечивает в нормальном режиме работы деление тока нагрузки по обмоткам пополам и установленная суммарная мощность реакторов, соответственно, уменьшается в два раза по сравнению с установленной мощностью реакторов в токоограничивающих устройствах трансформаторного типа.
Недостатком устройства является повышенное напряжение на контактах выключателя при его размыкании, определяемое полным напряжением сети и сопутствующим перенапряжением.
Использование современных быстродействующих выключателей взрывного типа, позволяющих существенно снизить величину ударных и установившихся токов при коротких замыканиях в энергосистемах, ограничивается относительно низким уровнем допустимого рабочего напряжения. В связи с этим для токоограничивающих устройств высоковольтных энергосистем с быстродействующими выключателями рассматриваются трансформаторные схемы, в которых выключатели устанавливаются в цепи пониженного напряжения вторичной обмотки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является токоограничивающее устройство, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы и выключатель, причем первый вывод первого реактора подключен к входной клемме со стороны источника питания переменного тока, второй вывод первого реактора подключен к выходной клемме устройства, предназначенной для подключения нагрузки, первый вывод второго реактора подключен к первому выводу выключателя и к первому выводу плавкого предохранителя, а второй вывод второго реактора подключен ко второму выводу выключателя и ко второму выводу плавкого предохранителя (Y.G.Shakarian, N.L.Novikov, V.S.Chuprikov, A.V.Malyshev, V.M.Batenin, A.S.Veselovsky, S.I.Kopylov, at al. Sort-Circuit Limiter for Electric Network Based on the Magnetic-Coupled Reactor and Fast-Operating Switch. - Paris, SIGRE 2010. A3_305_2010. P.3. Прототип).
Недостатками устройства являются высокая установленная мощность реактивных элементов силового оборудования и высокий уровень перенапряжений на выключателе при размыкании его контактов, который ограничивается падением напряжения в дуге при сгорании плавкого предохранителя. При этом каждый раз после срабатывания защиты необходимо вместе с разрушенным элементом взрывного выключателя менять сгоревшую плавкую вставку.
Для ограничения падения напряжения в цепи первого реактора токоограничивающего устройства в нормальном режиме необходимо снизить до минимума реактивное сопротивление первого реактора. Уменьшение реактивного сопротивления первого реактора обеспечивается компенсацией магнитного потока, генерируемого обмоткой первого реактора, за счет встречно направленного потока, генерируемого корокозамкнутой обмоткой второго реактора, магнитно-связанной с обмоткой первого реактора.
Индуктивность первого реактора выбирается по заданной кратности ограничения аварийного тока в цепи нагрузки при полном напряжении питающей сети, приложенному к нему в аварийной ситуации, а длительный ток его обмотки - по номинальному току нагрузки. Длительный ток обмотки второго реактора определяется соотношением витков первого и второго реакторов, т.е. коэффициентом трансформации, обеспечивающем необходимый уровень понижения напряжения на выключателе при его разомкнутом состоянии. При этом ток вторичной обмотки повышается на столько, на сколько понижается напряжение на ней по отношению к напряжению на первичной обмотке. Соответственно реактивная мощность второго реактора, обеспечивающего длительную работу в режиме компенсации реактивной мощности первого реактора, оказывается равной реактивной мощности первого реактора. Таким образом, в устройство закладывается двойная мощность реакторного оборудования.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в снижении установленной мощности основных элементов силового оборудования устройства и ограничении уровня перенапряжения на контактах выключателя при его аварийном отключении без применения сменных элементов в устройстве защиты выключателя от перенапряжений.
Поставленная техническая задача решается тем, что в токоограничивающее устройство, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы и выключатель, в котором первый вывод первого реактора подключен к входной клемме устройства со стороны источника питания переменного тока, первый вывод второго реактора подключен к первому выводу выключателя, а второй вывод второго реактора подключен ко второму выводу выключателя, дополнительно введены первый и второй конденсаторы и сопротивление, при этом второй вывод первого реактора подключен к первому выводу второго реактора, к первому выводу выключателя, к первому выводу первого конденсатора и к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом сопротивления, второй вывод которого подключен ко второму выводу выключателя, второму выводу первого конденсатора, второму выводом второго реактора и выходной клемме устройства, предназначенной для подключения нагрузки.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении установленной мощности первого реактора по сравнению с установленной мощностью прототипа за счет того, что его индуктивность выбирается меньше необходимой по расчету для ограничения установившегося значения аварийного тока на величину индуктивности второго реактора, который при размыкании выключателя включается в данной структуре электрических связей последовательно с первым реактором в цепь нагрузки и, таким образом, общая величина индуктивности в аварийной цепи достигает расчетного значения. Установленная мощность второго реактора уменьшается по сравнению с установленной мощностью второго реактора прототипа за счет того, что в нормальном режиме работы энергосистемы при коротком замыкании обмотки второго реактора по ней проходит разность тока нагрузки и тока короткого замыкания, имеющим встречное направление, как это свойственно режимам работы автотрансформаторов. Таким образом, суммарная установленная мощность реакторов предлагаемой модели меньше установленной мощности одной обмотки реактора прототипа.
Присоединение группы из двух конденсаторов и сопротивления по предлагаемой схеме параллельно выключателю позволяет существенно ограничить перенапряжение на его контактах за счет ограничения скорости изменения тока в момент выключения. При этом не требуется заменять какие-либо элементы в устройстве защиты выключателя от перенапряжений при срабатывании защиты, как это происходит в прототипе.
Уровень напряжения, приложенного к контактам выключателя в разомкнутом состоянии в установившемся режиме, определяется так же, как и у прототипа, коэффициентом трансформации, т.е. соотношением витков обмоток первого и второго реакторов.
На фиг.1 в однофазном варианте представлена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Токоограничивающее устройство трансформаторного типа содержит первый реактор 1, второй реактор 2, магнитно-связанный с первым, выключатель 3, первый конденсатор 4, второй конденсатор 5, сопротивление 6, причем первый вывод 7 первого реактора 1 подключен к входной клемме 8 со стороны источника питания переменного тока, первый вывод 9 второго реактора 2 подключен к первому выводу 10 выключателя 3, а второй вывод 11 второго реактора 2 подключен ко второму выводу 12 выключателя 3, второй вывод 13 первого реактора 1 подключен к первому выводу 9 второго реактора 2, к первому выводу 10 выключателя 3, к первому выводу 14 первого конденсатора 4 и к первому выводу 15 второго конденсатора 5, второй вывод 16 которого соединен с первым выводом 17 сопротивления 6, второй вывод 18 которого соединен со вторым выводом 12 выключателя 3, вторым выводом 19 первого конденсатора 4, вторым выводом 11 второго реактора 2 и выходной клеммой 20 устройства, предназначенной для подключения нагрузки.
Полезная модель работает следующим образом.
В нормальном установившемся режиме ток нагрузки от источника питания замыкается по контуру: входная клемма 8 устройства-обмотка реактора 1 - обмотка реактора 2 - выходная клемма 20 устройства. Структура электромагнитных связей и электрических соединений элементов устройства такова, что первый и второй реакторы представляют собой единое целое - автотрансформатор, в котором первичная обмотка составлена из последовательно и согласованно включенных обмоток первого и второго реакторов. Вторичной обмоткой служит обмотка второго реактора. Коэффициент трансформации этого автотрансформатора определяется отношением суммы витков обмоток первого и второго реакторов к количеству витков второго реактора.
В нормальном режиме выключатель 3 замыкает обмотку второго реактора. При этом ток короткого замыкания вторичной обмотки автотрансформатора определяет магнитный поток, противоположный по направлению и равный по величине магнитному потоку, формируемого током первичной обмотки. Таким образом, суммарный магнитный поток, связанный с обмотками первого и второго реакторов близок к нулю и индуктивное сопротивление токоограничивающего устройства минимально. Определяется оно потоками рассеяния, которые при хорошей магнитной связи обмоток ограничивают потери напряжения в цепи нагрузки в номинальном режиме практически на уровне 3-5%.
При возникновении аварии, по сигналу автоматики происходит отключение выключателя 3 и контур короткого замыкания вторичной обмотки автотрансформатора разрывается. В цепи нагрузки оказываются включенными первый и второй последовательно соединенные реакторы с полным индуктивным сопротивлением, что и обеспечивает ограничение значения тока короткого замыкания на заданном уровне.
Как видно из диаграммы, представленной на фиг.2 (график №3) при напряжении сети 110 кВ (на кривой Uген=154.8 кВ амплитудное значение, замер 1) напряжение на нагрузке составляет 149,6 кВ (замер 2). Потери напряжения за счет включения токоограничивающего реактора составляют 3.54 кВ (эффективное значение), или 3.23% от сетевого напряжения.
Эффективное значение тока нагрузки Iнагр в нормальном режиме составляет 965 А (на графике №1 Iнагр=1.361 кА, замер 1. Здесь и далее приводятся амплитудные значения токов). Ток обмотки второго реактора IL2=2.983 кА, замер 2 на графике №1. Ток Iккл контура короткого замыкания обмотки второго реактора (или ток ключа в этом режиме) равен 4.35 кА.
Анализируя значения рассматриваемых токов этого режима можно, во-первых, определить коэффициент трансформации (Ктр) автотрансформатора. В данном случае: Ктр=Iккл/Iнагр=3.2. Во-вторых, можно вычислить ток IL2 обмотки второго реактора, величина которого определяется как разность тока контура короткого замыкания и тока нагрузки, т.е. IL2=Iккл-Iнагр. Действительно, IL2=4.351 А-1361 А=2990 А, что равно значению, полученному по кривой IL2 на графике №1 (замер 2), с точностью до замера на компьютерной модели и составляющего 2983 А. Отсюда следует, что мощность второго реактора предлагаемой полезной модели по сравнению с мощностью второго реактора прототипа будет меньше, т.к. ток его обмотки меньше тока обмотки второго реактора прототипа на величину тока нагрузки.
Включенное состояние выключателя 3 прослеживается по кривой Uкл напряжения на ключе на графике №2. По этой кривой видно, что в нормальном режиме напряжение на выключателе 3 равно нулю.
Описанное выше состояние энергосистемы сохраняется до момента времени t1 возникновения аварии в нагрузке. В расчетной модели в этот момент сопротивление нагрузки, соответствующее номинальному режиму, уменьшается на два порядка. Сравнительные расчеты показали, что этот уровень сопротивления в цепи короткого замыкания меньше уровня сопротивлений различных элементов контура короткого замыкания, величина которых и определяет, в основном, характер аварийных процессов.
По кривой Uнагр на графике №3 видно, что в момент времени t1=55 мс напряжение на нагрузке становится равным нулю (замер 3). С этого момента времени по кривой тока Iнагр на графике №1 видно резкое увеличение тока в контуре нагрузки.
Ориентируясь на быстродействие современных быстродействующих выключателей взрывного типа, составляющее 1-3 мс, в расчете принята уставка сигнала на отключение на уровне двойной перегрузки по току нагрузки и выбрано среднее быстродействие выключателя - 2 мс. Время выдачи сигнала на отключение может быть сокращено с учетом высокой скорости нарастания аварийного тока в цепи нагрузки.
Используя масштабы кривых токов на графике №1 можно определить, что двойной уровень рабочего тока Iнагр достигается примерно через 1 мс после возникновения аварии. Через 2 мс после этого, в момент времени t2 происходит отключение выключателя 3 (расчетное время 58 мс). Таким образом, отключение нагрузки от источника питания происходит через 3 мс с момента t1 возникновения аварии. За это время ток в контуре нагрузки достиг величины 5.54 кА (замер 5 на кривой Iнагр графика №1). Это означает, что величина ударного тока больше амплитуды рабочего тока всего в четыре раза при допустимых ударных токах для электротехнического оборудования выше номинального тока в 10 и более раз.
Установившееся значение аварийного тока источника питания составляет величину 1.42 кА (замер 7 на графике №1). Превышение аварийного тока в данном случае над номинальным током нагрузки равно 1.044. Незначительное превышение установившегося значения тока контура короткого замыкания над номинальным током объясняется возникновением резонансного эффекта при выбранных параметрах индуктивности токоограничивающего реактора и конденсаторов, включенных параллельно разомкнутому выключателю и, соответственно, параллельно обмотке второго реактора. Ограниченный ток аварии облегчает отключение аварийного режима с помощью сетевого выключателя.
Используемые в настоящее время быстродействующие выключатели имеют существенное ограничение по уровню приложенного напряжения. Предельным значением безопасного напряжения после отключения для них служит уровень в 60 кВ.
В предлагаемой полезной модели уровень приложенного к разомкнутым контактам выключателя в установившемся режиме обеспечивается так же, как и в прототипе за счет включения его в цепь вторичной обмотки трансформатора (в данном случае - автотрансформатора), имеющей пониженное рабочее напряжение. На графике №2 по кривой Uкл напряжения на выключателе видно, что максимальный уровень перенапряжения на разомкнутых контактах выключателя составляет 39.28 кВ (замер 2 в момент расчетного времени 58.88 мс). Далее напряжение устанавливается на уровне 24.9 кВ (амплитудное значение). Кратность перенапряжения составляет менее 1.6 от установившегося напряжения. Низкий уровень перенапряжения на выключателе обеспечивается структурой электрических соединений элементов, при которой выбором параметров элементов можно контролировать скорость нарастания тока в процессе отключения контура ключа и, следовательно, уровень перенапряжения на расходящихся контактах выключателя.
Как отмечалось выше, современные взрывные выключатели производят надежное отключение аварийной нагрузки при уровне напряжения на его разомкнутых контактах не более 60 кВ. В предлагаемой полезной модели это условие может быть обеспечено с запасом.
Элементы токоограничивающего устройства, включаемые параллельно выключателю, испытывают электрическую нагрузку только в интервале времени между выключением быстродействующего выключателя и отключением аварийного контура сетевым выключателем. Это время составляет 0.1-02 с. При этом может быть использован тип конденсаторов, не предназначенный для длительной работы в цепях переменного тока и, следовательно, более дешевый. Сопротивление в цепи демпфирования переходных процессов может выбираться с учетом ограниченного термического воздействия и, практически, без охлаждения. Эти условия позволяют снизить стоимость перечисленных элементов.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели установленная мощность реакторного оборудования может быть существенно снижена при обеспечении надежной работы быстродействующего выключателя. При этом упрощается эксплуатация всего устройства за счет исключения из структуры выключателя плавких предохранителей, требующих замены после срабатывания защиты.