ГИБРИДНЫЙ ТОКООГРАНИЧИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к гибридным токоограничителям (ГТО).
Известен гибридный токоограничитель индуктивного типа [1], в котором ток короткого замыкания (КЗ), первоначально протекающий через сверхпроводник под действием его нагрева переводится в индуктивную цепь, его шунтирующую. Недостатком [1] является то, что не рассматривается вся совокупность режимов энергосистемы и не ставится задача снижения объема сверхпроводника за счет исключения протекания через него токов при перегрузке и коммутациях.
Известно устройство [2], в котором первичная обмотка трансформатора включена продольно в цепь нагрузки, а во вторичные обмотки трансформатора включены сверхпроводники с резистивным или индуктивным шунтом. Недостатком [2] является то, что наличие электромагнитных связей трансформатора затрудняет выбор конструкции сверхпроводника, а само устройство из-за сложности имеет высокую стоимость.
За прототип принимается устройство [3], которое содержит: сверхпроводник СП, резистивный шунт, быстродействующий коммутационный аппарат, быстродействующий выключатель, сопротивление и ЭДС сети, индуктивность для вытеснения тока из СП в шунт. Устройство работает следующим образом. Рабочий ток протекает через коммутационный аппарат и выключатель. В момент короткого замыкания (КЗ) спустя 100 мкс аппарат размыкается, и ток переходит в СП. После быстрого нагрева СП и роста его сопротивления ток КЗ вытесняется в шунт.
Недостатком [3] является сложность выполнения аппарата, который должен обладать высоким быстродействием, большой пропускной способностью и высоким ресурсом, а также отсутствие координации работы при возникновении КЗ, коммутационных операциях и перегрузках.
Технической задачей является создание ГТО с ограниченным количеством сверхпроводника, позволяющего выбрать путь тока в зависимости от режима работы.
Техническим результатом является снижение стоимости сверхпроводника.
Технический результат достигается за счет того, что гибридный токоограничитель, содержащий сверхпроводник с последовательно соединенным быстродействующим выключателем и параллельно соединенным шунтирующим блоком, сопротивление и ЭДС системы, снабжен дополнительным медленнодействующим выключателем, шунтирующим выключателем, датчиками тока, датчиком напряжения сверхпроводника и системой управления и защиты. Сверхпроводник размещен в криостате с жидким азотом. Медленнодействующий выключатель соединен последовательно с шунтирующим блоком и шунтирующим выключателем. Входы системы управления и защиты соединены с датчиками тока и датчиком напряжения сверхпроводника. Выходы системы управления и защиты соединены с цепями управления выключателей. Выходы выключателей выполнены с возможностью их соединения с выключателями подстанции. Шунтирующий блок выполнен в трех исполнениях - в виде реактора, в виде резистора и в виде трансформатора.
Устройство поясняется чертежами, где
на фиг.1 показано устройство ГТО с шунтирующим блоком в виде реактора или резистора;
на фиг.2 показана форма тока трехфазного КЗ при отсутствии ГТО;
на фиг.3 показано форма тока КЗ при наличии ГТО;
на фиг.4 показано мощность тепловыделения [Дж];
на фиг.5 показана форма тока ГТО при включении холостого трансформатора с остаточным его намагничиванием
на фиг.6 показано устройство ГТО с шунтирующим блоком в виде трансформатора, во вторичную обмотку которого включен сверхпроводник.
Устройство содержит (фиг.1):
сверхпроводник 1 (СП) в криостате с жидким азотом, шунтирующий СП блок 2, основной выключатель 3, дополнительный выключатель 4, сопротивление 5 и ЭДС 6 системы, система управления и защиты 7, датчики тока в цепях ГТО 8, 9, 10, шунтирующий выключатель 11, датчик напряжения 12 СП 1.
В правой части фиг.1 сверху вниз отображены режимы:
I - близкое КЗ, II - удаленное КЗ, III - включение холостого трансформатора, IV - включение заторможенного двигателя. Сплошные линии соответствуют силовым цепям, редкий пунктир - цепи измерения, частый пунктир - цепи управления.
В качестве входных сигналов системы управления 7 используются: токи датчиков 8, 9, 10, напряжение от датчика 12, энергия тепловыделения СП и форма тока в нем, состояния выключателей 3, 4, 11 и коммутационных аппаратов, примыкающих к ГТО.
Шунтирующий блок 2 имеет несколько вариантов исполнения:
Вариант 1 - шунтирующий блок 2 исполнен в виде реактора или резистора;
Вариант 2 - шунтирующий блок 2 исполнен в виде трансформатора.
При исполнении шунтирующего блока 2 по варианту 1:
ном
ном
кр
ном
Работа устройства (фиг.1) состоит в следующем. В рабочем режиме при номинальном токе I и меньших значениях, выключатели 3 и 4 замкнуты. Ток протекает через сверхпроводник 1 и выключатель 4, т.к. сопротивление СП при значение I ниже критического тока СП - I близко к нулю. При возникновении КЗ (режимы I, II) сопротивление СП резко возрастает, ток переходит в шунтирующий блок 2, а выключатель 4 по сигналу от датчика тока 8 при повышении заданной уставки системы управления 7 (примерно 2-3I) отключается при первом переходе тока в выключателе через нуль. Ток КЗ в цепи СП отключается быстродействующим выключателем 3 примерно спустя 0,01 с после возникновения КЗ, а цепи шунтирующего блока 2 отключается спустя 0,1 с медленнодействующим выключателем 4.
пр
В системе управления и защиты 7 по сигналам от датчика тока 8 и напряжения 12 вычисляется мощность тепловыделения СП и его температура Т, так что при превышении Т значения Т сверхпроводника, система управления выдает сигнал на включение выключателя 11, однако в режимах I, II выключатель 11 заблокирован по сигналу от системы управления и защиты 7.
При коммутационных операциях (режимы III и IV - соответственно включение холостого трансформатора и заторможенного двигателя) уровень бросков тока намагничивания стали трансформатора или двигателя зависит от их мощности и обычно в 3-4 раза ниже токов КЗ, однако их длительность может достигнуть 100 периодов сети. В указанных режимах недопустимо отключение выключателя 3, т.е. системы управления и защиты 7 блокирует выключение выключателя 3 и разблокирует включение шунтирующего выключателя 11.
ном
Система управления и защиты 7 на основании сигналов коммутации аппаратов на подстанции, а также по величине тока в СП (датчик 8), либо мощности тепловыделения СП (датчики 8 и 12) включает выключатель 11, шунтирующий СП. Предварительно ток из-за нагрева сверхпроводника 1 переходит в шунтирующий блок 2. После включения выключателя 11 ток переходит в цепь выключателей 11 и 3. Спустя время 1-2 с (определяется длительностью цикла АПВ и постоянной времени остывания СП) выключатель 11 отключается. Обычно уставка тока и задержка срабатывания на включение выключателя 11 составляет 1,5I и 1-2 мс.
кр
ном
При возникновении перегрузки по току вследствие снижения нагрузки потребителей, когда ток в цепи СП превышает I, сопротивление сверхпроводника превышает сопротивление шунтирующего блока 2 и ток из СП за счет отключения выключателя 3 переходит в шунтирующий блок 2. По сигналу датчика тока 8 шунтирующий блок 2 обычно 1,3I и с выдержкой времени меньше тепловой постоянной времени изоляции реактора 2 (обычно 1-3 мин) система управления и защиты 7 включает выключатель 11 на время, определяемое длительностью перегрузки; выключатель 3 остается замкнутым.
Благодаря предлагаемому устройству по фиг.1 объем сверхпроводника и энергия тепловыделения в нем снижены примерно в 4 раза, т.к. мощность пропорциональна квадрату амплитуды тока и длительности его протекания. Амплитуда тока снижается за счет наличия шунтирующего блока 2, а длительность - наличием выключателей 3, 4 и 11.
кр
кр
Работа предлагаемого устройства иллюстрируется на фиг.2-4, применительно к энергосистеме 10 кВ мощностью 300 МВА, сопротивление системы индуктивное 0,4 Ом, добротность 50. Характер переходных процессов в резистивных токоограничителях ТО весьма специфичен. Из-за того, что сопротивление СП вначале процесса мало (при I<I), начальная часть процесса до четверти периода сети определяется ЭДС и сопротивлением сети (а также сопротивлением нагрузки). После достижения участка I>I сопротивление СП из-за нагрева резко возрастает и «хвост» тока определяется сопротивлением СП и шунтирующего блока 2 (фиг.1). Влияние рабочего тока весьма велико и худший расчетный случай соответствует максимуму рабочего тока.
На фиг.2 приведена форма тока трехфазного КЗ (режим I) при отсутствии ГТО. Амплитуды ударного тока КЗ и установившегося режима соответственно 44 и 22 кА (процесс затухает за время 0,6-0,8 с). На фиг.3 и 4 показаны формы тока КЗ и мощности тепловыделения в ГТО по схеме фиг.1, причем верхняя кривая фиг.3 соответствует отсутствию шунтирования СП (шунтирующий блок отсутствует), нижние кривые соответственно для индуктивной и резистивной шунтирования СП (различные варианты исполнения шунтирующего блока 2). Видно, что влияние шунтирования СП с помощью шунтирующего блока позволяет уменьшить токовую нагрузку СП с 2350А до 1745 (1727)А и снизить объем сверхпроводника, а так же мощность тепловыделения в криостате с 22,2 до 14(13) МВт.
ном
На фиг.5 показана форма тока ГТО (в выключателях 3 и 11) при включении холостого трансформатора (режим III) напряжением 10 кВ мощностью 10 МВА с остаточным его намагничиванием. Указанный случай соответствует замыканию контактов выключателей 3 и 11, причем 11 замыкается по сигналу срабатывания коммутационного аппарата III подстанции или от датчиков 8, 10, выявляющих резко несимметричную форму тока в цепи ГТО, при повышении тока уровня уставки ~2I. При этом ток в цепи СП и реактора отсутствует. Аналогично указанному режиму при возникновении перегрузки ток в ГТО протекает через выключатели 3 и 11.
При исполнении шунтирующего блока 2 по варианту 2:
На фиг.6 приведен пример реализации ГТО, в котором шунтирующий блок 2 выполнен в виде трансформатора, во вторичную обмотку которого включен сверхпроводник 1 последовательно с выключателем 4, причем первичная обмотка шунтирующего блока 2 зашунтирована выключателем 11. Обозначения элементов соответствуют фиг.1. Выключатель 4 обеспечивает снижение длительности протекания тока КЗ в сверхпроводнике; выключатель 3 отключает ток КЗ в цепи нагрузки и согласован с настройками релейной защиты; выключатель 11 шунтирует шунтирующий блок 2 и СП 1 в режимах коммутационных операций и перегрузки. Система управления и защиты 7 аналогично фиг.1 различает аварийные, коммутационные и перегрузочные режимы, выбирая путь тока в ГТО.
Устройство в схеме фиг.6 работает следующим образом. В рабочем режиме выключатели 3, 4 замкнуты, выключатель 11 разомкнут. Ток нагрузки протекает через первичную обмотку шунтирующего блока 2 и выключатель 3. Постоянный ток подмагничивания от вспомогательного источника протекает через СП (элемент 1) и вторичную обмотку шунтирующего блока 2 (указанная цепь соответствует [3] и не показана).
В момент возникновения КЗ (режимы I, II) по сигналу от датчика тока 8 система управления и защиты 7 выдает сигнал на отключение быстродействующего выключателя 4. Ток подмагничивания разрывается и шунтирующий блок 2 выходит из насыщенного состояния с резким увеличением сопротивления шунтирующего блока 2, которое ограничивает ток КЗ.
Медленнодействующий выключатель 3 отключает ограниченный ток КЗ спустя 0,1 с по сигналу от системы управления и защиты 7. После ликвидации КЗ выключатели 3 и 4 возвращаются в исходное замкнутое состояние, выключатель 11 заблокирован.
ном
В режимах III, IV по сигналам от датчиков 8, 9, 10, а также сигналов замыкания блок - контактов выключателей подстанции, система управления и защиты 7 при превышении уставки тока ~2I и резко несинусоидальной форме тока в первичной обмотке шунтирующего блока 2 (от датчика 9) выдает сигнал на включение быстродействующего шунтирующего выключателя 11. Аналогичная процедура выполняется при получении сигнала о перегреве СП (от датчиков 8 и 12).
ном
В режимах длительной нагрузки, когда ток в первичной обмотке шунтирующего блока 2 (от датчика 9) синусоидален и ток по амплитуде и длительности превышает заданные уставки система управления и защиты 7, аналогично предыдущим режимам III, IV выдает сигнал замыкание выключателя 11, размыкание выключателя 4, а выключатель 3 остается во включенном состоянии. При получении сигнала от датчика 10 о снижении тока в цепи нагрузки (от датчика 10) до номинального значения I выключатель 11 размыкается, а 3 замыкается.
Применение устройства по фиг.6 целесообразно на высоких напряжениях (110 кВ и выше), однако более затратно чем по фиг.1, т.к. стоимость удельной установленной мощности шунтирующего блока 2 в варианте исполнения в виде трансформатора примерно втрое выше стоимости шунтирующего блока 2 в варианте исполнения в виде реактором или резистором.
Схема ГТО на фиг.1 предпочтительна на низкие напряжения 1-10 кВ и может быть реализована на основе уже установленных сухих и бетонных реакторов и медленнодействующих выключателей 3, с добавлением сверхпроводника в криостате 1, коммутационных аппаратов (быстродействующих) 4 и 11, системы управления и защиты 7 и датчиков тока 8, 9, 10 и напряжения 12.
Схема ГТО по фиг.6 может быть реализована на любой класс напряжения (110 кВ и выше), однако является более дорогостоящей, чем фиг.1, т.к. требуется разработка специального тороидального трансформатора с комбинированной изоляцией и сверхпроводником в среде жидкого азота [3].
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент США №3703664, класс H02H 9/02, опубликован 21.11.1972
∧
2. Е. Oyarbide Usabiaga, F. Gil Garcia, L. Garcha-Tabarus, J.L. Peral, R. Jturbe, J.M. Rodrhguez, Е. Urretavizcaya, P. Martiner Cid, X. Granados. Superconducting Hybrid Fault Current Limiter Manufacturing, Modeling and Simulations, IEE Trans of Applied Superconductivity, 9(2), 1999
3. M. Steurer, H. Brechna, К. Frohlich. A Nitrogen Gas Cooled, Hybrid, High Temperature Superconducting Fault Current Limiter, Swiss Federal Institute of Technology ETH, CH-8092 Zurich, Switzerland (прототип)