ДУГОГАСЯЩИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится к распределению электрической энергии, в частности, к устройствам для компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.
Известно устройство, применяемое для компенсации тока замыкания на землю, содержащее дугогасящую катушку плунжерного типа, у которой плавное изменение тока осуществляется изменением зазора между сердечниками магнитопровода [1] - плунжерный дугогасящий реактор. Большое время регулирования этого устройства, т.е. низкое быстродействие, снижает эффективность компенсации емкостных токов. Недостаток плунжерных дугогасящих реакторов - относительно большая стоимость. Кроме этого, перемещающиеся сердечники и связанные с ними конструктивные элементы подвергаются значительным вибрационным нагрузкам при длительном протекании тока в режиме замыкания на землю, что снижает надежность работы устройства, особенно в условиях низких температур.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности (прототипом) является дугогасящий реактор [2]. В этом реакторе обмотка разделена на части. От отдельных элементов обмотки выведены ответвления. Изоляция обмотки выполняется так же, как изоляция силовых трансформаторов. Выемная часть дугогасящего реактора с магнитопроводом и обмоткой с ответвлениями помещена в бак, заполненный трансформаторным маслом. Внутри бака размещен переключатель ответвлений, с помощью которого можно изменять индуктивный ток дугогасящего реактора. Привод переключателя выведен наружу на крышку бака или имеет штурвал с фиксатором положения. Обычно в таких дугогасящих реакторах ответвления выполнены таким образом, чтобы можно было регулировать ток компенсации в пределах 50-100%. Наиболее распространены обмотки дугогасящего реактора с пятью ответвлениями.
По сравнению с аналогом, переключаемый дугогасящий реактор с ответвлениями обмотки имеет существенно более простую конструкцию, поэтому он более надежен в эксплуатации и имеет существенно меньшую стоимость. Недостатками прототипа является то, что ступенчатое переключение такого дугогасящего реактора возможно только при отключении его от сети, что не позволяет обеспечить быстродействие переключения и исключает возможность автоматического переключения, которое обязательно в соответствии с современными требованиями нормативных документов по эксплуатации электрических сетей и к дугогасящим реакторам. Кроме этого, при малом числе ответвлений и большой мощности дугогасящего реактора шаг ступеней регулирования тока реактора оказываются большим, не удовлетворяющим современным требованиям к дугогасящим реакторам. Этот недостаток, например, не позволяет гасить дугу в сетях, где требуется более точная настройка остаточного тока при однофазном замыкании на землю в кабеле.
Цель изобретения - улучшение функциональных возможностей путем повышения быстродействия переключения, снижения шага ступеней регулирования тока и обеспечение автоматического переключения дугогасящего реактора в соответствии с современными требованиями нормативных документов по эксплуатации электрических сетей и требованиями к дугогасящим реакторам.
Поставленная цель достигается тем, что в дугогасящий реактор, содержащий электромагнитную часть в виде маслонаполненного бака с крышкой со вводами, внутри бака имеется выемная часть с магнитопроводом со стержнями и обмотками введен блок выключателей и система автоматического управления переключением выключателей, в крышке бака электромагнитной части реактора установлены дополнительные вводы, в баке размещены дополнительные реакторы, которые подключены к дополнительным вводам. К каждому вводу подключен одним контактом выключатель, а другие контакты выключателей подключены к общему сетевому вводу, при этом дополнительные реакторы имеют различные номинальные токи, например, соотношение номинальных токов 1:2:4:8:…, номинальный ток первого такого реактора не более нормированного тока ступени регулирования, сумма номинальных токов - не менее номинального тока дугогасящего реактора, ток одного из реакторов - не более нормированного минимального тока.
Устройство дугогасящего реактора поясняется схемой на фиг. 1. На фиг. 2 показаны две проекции выемной части с реакторами. На фиг. 3 показан один из возможных вариантов использования предложенного устройства в схеме комбинированного (составного) дугогасящего реактора.
Предложенный дугогасящий реактор состоит из трех элементов (фиг. 1): электромагнитной части 1 - маслонаполненного бака с выемной частью, блока выключателей 2 и системы автоматического управления 3 переключением выключателей. В баке в выемной части установлены реакторы 4. Эти реакторы 4 могут быть, например, ярмового типа (фиг. 2). Каждый такой реактор 4 содержит магнитопровод с двумя стержнями 5 и двумя ярмами 6, а также две обмотки 7. Две обмотки на двух стержнях каждого реактора могут быть соединены последовательно или параллельно. Стержни 5 выполнены из магнитных вставок 8, между которыми имеются немагнитные зазоры 9. Маслонаполненный бак 1 имеет съемную крышку 10, на которой размещены вводы 11. Один отвод каждой обмотки 7 соединен со своим вводом 11, другой конец - с одним общим вводом 12. Выключатели блока выключателей 2 одним концом присоединены к вводам 11, а другим концом - ко второму общему вводу 13. От системы автоматического управления 3 к выключателям блока 2 идут кабели управления выключателями 14. На некоторых стержнях 5 при необходимости могут располагаться дополнительно низковольтная сигнальная обмотка и обмотка управления (на схеме не показаны). Система управления 3 соединена с устройством регистрации состояния емкости сети и измерительными трансформаторами тока, а также с низковольтной сетью (на схеме не показаны).
В технических требованиях на дугогасящий реактор обычно нормируется максимальный номинальный ток реактора (100%), минимальный ток реактора (обычно в пределах 0-50%) и ступень регулирования тока (обычно не более 2-5%). Если нормированный минимальный ток более 0%, например 40%, то один из реакторов в баке с выемной частью 1 должен иметь номинальный ток 40% (если минимальный ток равен 0%, то такой реактор отсутствует). Еще один реактор должен иметь номинальный ток не более нормированного тока ступени регулирования, например 2%. Другие более мощные реакторы должны иметь номинальный ток 4%, 8%, 16%, 32% (в соответствии с отношением 1:2:4:8:16). Сумма номинальных токов всех реакторов должна быть не ниже 100%. В выбранном примере
40%+2%+4%+8%+16%+32%=102%,
и число реакторов 4 в выемной части 1 бака должно быть равно шести. Номинальная реактивная мощность каждого реактора и их сумма Q с учетом параллельного включения пропорциональна их номинальному или суммарному номинальному току I, т.к. Q=U×I, где U - номинальное фазное напряжение реакторов, равное номинальному фазному напряжению сети. При однофазном замыкании на землю это напряжение возникает на дугогасящем реакторе.
Предложенное устройство может использоваться в схеме комбинированного (составного) дугогасящего реактора, параллельно включенного с другим дугогасящим реактором. Таким реактором может быть, например, дугогасящий реактор 15 (фиг. 4) с обмоткой 16, имеющей ответвления. Ответвления переключаются выключателями в блоке 17. В этом случае реактор 15 является переключаемым реактором грубой регулировки, а реактор с электромагнитной частью 1 - реактором тонкой регулировки. Максимальный ток комбинированного дугогасящего реактора равен сумме максимального тока реактора 15 и сумме номинальных токов реакторов с электромагнитной частью 1. Минимальный нормированный ток компенсации равен минимальному току реактора 15, Число реакторов 4 электромагнитной части 1 может быть небольшим. Например, если в реакторе 15 одна ступень составляет 12,5%, то при трех реакторах 4 ступень изменения тока может быть равна 12,5%:7=1,79% (это равно току одного из реакторов 4), т.е. комбинированный реактор обеспечит практически плавную регулировку тока. Возможны различные варианты конструкции комбинированного реактора: выемная часть реактора 15 с обмоткой, имеющей ответвления может быть размещена внутри бака вместе с электромагнитной частью 1, реактор 15 может быть обычным нерегулируемым реактором и др.
Управляемый дугогасящий реактор работает следующим образом.
После подключения дугогасящего реактора (фиг. 1) к сети общими вводами 12 (к земле) и 13 (к нейтрали сети - к нейтрали трансформатора или реактору, создающему «искусственную землю» - нейтралеру) система управления 3 устанавливает необходимый ток компенсации возможного в сети однофазного замыкания на землю и дает команду на включение выключателей в блоке 2. В выбранном примере возможно при определенном порядке включения выключателей устанавливать ток от 40% до 102% с интервалом 2%. Например, при 40% необходимо включить только один (первый) выключатель. При этом дугогасящий реактор будет иметь ток первого соответствующего этому выключателю реактора в выемной части 1. Этот первый реактор должен иметь номинальный ток 40%. Если нужен ток 42%=40%+2%, то должны быть включены первые два реактора (у второго реактора номинальный ток 2%). Если 44%=40%+4%, то включаются первый и третий реакторы (у третьего реактора номинальный ток 4%), если 46%=40%+4%+2%, то первые 3 реактора, если 48%=40%+8%, то первый и четвертый и т.д. Продолжая этот процесс, можно убедиться, что разные комбинации срабатывания выключателей реакторов (из общего числа шести), обеспечивают 32 ступени регулирования (т.е. число различных токов компенсации).
При изменении конфигурации электрической сети (например, при отключении части сети, при ремонте или подключении новых участков сети) изменяется емкость сети, при этом система автоматического управления 3 на основании новых данных, полученных от устройства регистрации состояния емкости сети (мониторинга емкости сети), перестраивается на включение других выключателей. Поэтому дугогасящий реактор оказывается с высоким быстродействием (в соответствии со временем срабатывания привода выключателей) постоянно подготовленным к гашению дуги однофазного короткого замыкания в сети. При возникновении аварийного короткого замыкания на землю реактор практически без задержки времени своим реактивным током компенсирует емкостной ток дуги. Остаточный ток дуги оказывается равным или меньше, чем ток ступени регулирования (в выбранном примере 2% - ток ниже тока, поддерживающего дугу). Дуга гаснет, тем самым предотвращая разрушение изоляции и переход однофазного замыкания на землю в двух и трехфазное короткое замыкание.
Комбинированный (составной) дугогасящий реактор (фиг. 3), т.е. реактор по схеме фиг. 1 с параллельно включенным другим дугогасящим реактором, работает принципиально так же, как это описано для реактора на фиг. 1.
Предлагаемый дугогасящий реактор предотвращает опасные последствия однофазных замыканий на землю в сетях с незаземленной нейтралью - в основных распределительных сетях напряжением 6-35 кВ. Его индуктивный ток компенсирует емкостный ток сети в месте замыкания, обеспечивая самопогасание дуги или безопасное ее горение. При этом одновременно снижаются опасные для изоляции перенапряжения, которые могут приводить к пробою или перекрытию других фаз и, следовательно, к междуфазным замыканиям и аварийному отключению линии. При весьма больших токах дуга опасна своим тепловым разрушающим воздействием на изоляцию, которое в конце концов также приводит к междуфазным коротким замыканиям и авариям.
Функциональные возможности предлагаемого реактора шире, чем реактора для гашения дуги при однофазных замыканиях в сетях с изолированной нейтралью: это линейный быстродействующий переключаемый с малыми ступенями реактор - универсальная по области применения индуктивность, автоматически регулируемая в широких пределах.
Предлагаемый дугогасящий реактор соответствует современному уровню дугогасящей техники. По сравнению с аналогами, имеющими более сложную конструкцию и повышенную стоимость, дугогасящий реактор гораздо проще в производстве и более дешев. Так по сравнению с плунжерными реакторами имеется преимущество по быстродействию. По сравнению с реакторами, управляемыми подмагничиванием, в предлагаемом реакторе ток не практически имеет высших гармоник. По сравнению с прототипом он обеспечивает автоматическую настройку тока и необходимое по нормативным требованиям быстродействие.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лихачев Ф.А. Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов: «Энергия», 1971. 152 с. с илл.
2. Черников А. А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. М., «Энергия», 1974. 96 с. с илл. (Б-ка электромонтера. Вып. 397).