ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА БАЗЕ МАГНИТНО-СВЯЗАННЫХ РЕАКТОРОВ

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 с возможностью скачкообразного изменения в сторону увеличения индуктивного сопротивления реактора, последовательно включенного в линию электропередачи переменного тока, содержащее первый и второй реакторы, конденсатор и выключатель. Причем первый вывод первого реактора подключен к входной клемме от источника питания переменного тока, второй вывод первого реактора подключен к первому выводу конденсатора и к первому выводу второго реактора, второй вывод которого подключен ко второму выводу конденсатора и к выходной клемме, предназначенной доя подключения нагрузки (Б.Н.Неклепаев. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. - М.: Энергия. 1978. С.64).
При нормальной работе системы настроенные в резонанс первый реактор и конденсатор обеспечивают минимальное реактивное сопротивление индуктивного характера в линии, питающей нагрузку. При аварийном увеличении тока в цепи нагрузки и достижении им заданного значения происходит включение выключателя, подключающего второй реактор параллельно конденсатору, что срывает резонанс в цепи последовательно соединенных первого реактора и конденсатора. При этом скачком увеличивается индуктивное сопротивление в линии, питающей нагрузку, ограничивая аварийный ток цепи.
Недостатками устройства являются необходимость иметь второй реактор дополнительно к первому реактору, рассчитанному на полный ток нагрузки и полное напряжение сети, которое прикладывается к нему при коротком замыкании нагрузки, и высокая установленная мощность конденсатора, равная реактивной мощности первого реактора в длительном режиме работы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является токоограничивающее устройство, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы, выключатель и конденсатор, причем первый вывод первого реактора подключен к первой клемме со стороны источника питания переменного тока, второй вывод первого реактора подключен к выходной клемме, предназначенной для подключения нагрузки, а первый вывод второго реактора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом выключателя, второй вывод которого соединен со вторым выводом второго реактора (Б.Н.Неклепаев. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. - М.: Энергия. 1978. С.64. Прототип).
Недостатками устройства являются высокая установленная мощность реактивных элементов силового оборудования и высокий уровень перенапряжений на выключателе при размыкании его контактов.
Так, для компенсации падения напряжения в цепи первого реактора токоограничивающего устройства, реактивная мощность конденсатора, включенного через выключатель в цепь обмотки второго реактора, трансформаторно-связанной с обмоткой первого реактора, должна быть равной реактивной мощности 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. Соответственно реактивная мощность второго реактора, обеспечивающего длительную работу конденсатора в режиме компенсации реактивной мощности первого реактора, должна быть равной реактивной мощности первого реактора.
Таким образом, в устройство закладывается двойная мощность реакторного оборудования и установленная мощность реактора, равная мощности одного реактора.
Другим недостатком устройства является значительный уровень перенапряжения на контактах выключателя при разрывании им цепи обмотки второго реактора, в которую включен конденсатор. Выключение происходит при аварийном токе, уровень которого существенно выше номинального тока. Для ограничения возникающего перенапряжения требуется применять дополнительные схемотехнические решения.
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.
Поставленная техническая задача решается тем, что в токоограничивающее устройство, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы, выключатель и конденсатор, в котором первый вывод первого реактора подключен к входной клемме со стороны источника питания переменного тока, второй вывод первого реактора подключен к выходной клемме, предназначенной для подключения нагрузки, а первый вывод второго реактора соединен с первым выводом конденсатора, дополнительно введена структура электрических соединений элементов, при которой второй вывод второго реактора присоединен к входной клемме от источника переменного тока началом обмотки реактора, а первый реактор подключен к входной клемме концом обмотки, второй вывод конденсатора соединен с выходной клеммой устройства и с первым выводом выключателя, второй вывод которого подключен к первому выводу конденсатора.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении установленной мощности первого и второго реакторов за счет снижения в два раза токовой нагрузки их обмоток, т.к. они включены в цепь нагрузки параллельно и при встречном включении обмоток и их магнитной связи используется эффект индуктивного делителя токов. Снижение установленной мощности конденсатора обеспечивается за счет исключения протекания по нему тока нагрузки в нормальном режиме. Кроме того, присоединение конденсатора параллельно выключателю позволяет существенно ограничить перенапряжение на его контактах в момент выключения.
На фиг.1 в однофазном варианте приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Токоограничивающее устройство на основе магнитно-связанных реакторов, содержит первый реактор 1, второй реактор 2, магнитно-связанный с первым, выключатель 3, конденсатор 4, причем первый вывод 5 первого реактора 1 подключен к входной клемме 6 со стороны источника питания переменного тока концом обмотки, второй вывод 7 первого реактора 1 подключен к выходной клемме 8, предназначенной для подключения нагрузки, первый вывод 9 второго реактора 2 соединен с первым выводом 10 конденсатора 4, второй вывод 11 второго реактора 2 присоединен к входной клемме 6 от источника питания началом обмотки, второй вывод 12 конденсатора 4 соединен с выходной клеммой 8 устройства и с первым выводом 13 выключателя 3, второй вывод 14 которого подключен к первому выводу 10 конденсатора 4.
Полезная модель работает следующим образом.
В установившемся нормальном режиме ток нагрузки от источника питания замыкается по двум параллельным контурам устройства: 1) входная клемма устройства 6 - обмотка реактора 2 - замкнутые контакты выключателя 3 - выходная клемма устройства 8; 2) входная клемма устройства 6 - обмотка реактора 1 - выходная клемма устройства 8. В этом режиме конденсатор 4 исключен из контура тока нагрузки т.к. он закорочен замкнутыми контактами выключателя 3. Встречно-параллельное включение обмоток реакторов при равенстве их токов определяет уровень суммарного потока обмоток реакторов, близкий к нулю. Следовательно, реактивное сопротивление в цепи нагрузки минимально и зависит от уровня магнитной связи обмоток, определяемой, в основном, конструкцией реакторов. Практически потери напряжения на токоограничивающем реакторе в номинальном режиме могут составить (3-5)%.
Как видно из диаграммы, представленной на фиг.2 (график №1) при напряжении сети 3 кВ (амплитудное значение на кривой U сети) амплитуда напряжения на реакторе составляет 105.3 В, что составляет 3.5% сетевого напряжения. Ток нагрузки в этом режиме достаточно большой - составляет 1 кА (эффективное значение), что видно по кривой I сети на графике №2.
На графике №3 диаграммы видно, что токи обмоток реактора 1 (IL1) и реактора 2 (IL2) синфазны и имеют равные величины - по 700 А. Сумма их равна току нагрузки - 1400 А (с точностью до замера величин на компьютерной модели).
На графике №5 представлена кривая напряжения на выключателе 3 и, соответственно, на конденсаторе 4. По этой кривой видно, что в нормальном режиме напряжение на конденсаторе 4 равно нулю.
Описанное выше состояние энергосистемы сохраняется до момента времени t1 (график 4) возникновения аварии в нагрузке. В расчетной модели в этот момент сопротивление нагрузки уменьшено до такого уровня, чтобы на графиках  достаточно отчетливо были видны характер кривых переходных процессов в токах и напряжениях элементов системы и их соотношение.
Начиная с момента t1 (расчетное время на графиках диаграммы фиг.2 137.86 мс) на графиках №2 и №3 виден рост тока сети с высоким di/dt. Используя сигнал производной тока сети для контроля состояния системы, можно ускорить срабатывание токоограничивающего устройства в аварийной ситуации.
На графике №3 видно, что токи реактора 1 и реактора 2 совпадают по фазе до момента отключения выключателя 3 в момент t2 (расчетное время модели 141.93 мс). В связи с этим ударный ток в нагрузке максимален вблизи момента t2. В данном примере он составляет 5.3 кА и равен сумме токов реакторов, каждый из которых составляет 2.59 кА по замерам на графике №2.
С расчетного времени 142.34 мс фазы токов IL1 b IL2 расходятся, т.к. в цепь второго реактора последовательно включается конденсатор 4 после срабатывания выключателя 3. По кривым токов на графике №3 видно, что ток IL1 в обмотке первого реактора приобретает чисто идуктивный характер и отстает по фазе на 90 электрических градусов от активной составляющей тока нагрузки, фаза которой обозначена на графике пунктиром, а ток IL2 обмотки второго реактора приобретает емкостный характер и опережает по фазе активный ток нагрузки на 90 электрических градусов. В связи с этим токи обмоток первого и второго реакторов практически противофазны, что видно на графике №3. Учитывая, что обмотки реакторов включены встречно, их магнитные потоки при противофазных токах будут складываться, увеличивая реактивное сопротивление в цепи нагрузки. Так, на графике №2 по кривой I сети видно, что установившееся значение аварийного тока при некоторых принятых параметрах элементов может быть меньше рабочего тока нагрузки. Такое ограничение аварийного тока существенно облегчает работу выключателя, который должен, в конечном итоге, отключить аварийного потребителя или поврежденную электросеть, на что уходит несколько десятков миллисекунд. Именно столько времени находится в цепи тока конденсатор 4, что и определяет возможность снижения его установленной мощности по сравнению с мощностью конденсатора, постоянно включенного в цепь тока нагрузки в устройстве прототипа.
На диаграмме фиг.2 отключение аварийного потребителя после ввода в действие токоограничивающего устройства не производилось с тем, чтобы показать установившееся значение аварийного тока.
Проведенные расчеты показали, что чем ближе значения токов индуктивного и емкостного характера в параллельных контурах между входной клеммой 6 и выходной клеммой 8, сформированных после срабатывания выключателя 3, тем меньше установившееся значение аварийного тока в сети. Из графиков №2 и №3 диаграммы следует, что ток сети равен разности токов этих контуров, т.е. Iсети=IL1-IL2. При равенстве этих токов в аварийной цепи ток будет равен нулю, т.е. возникает режим резонанса токов. При приближении к этому режиму абсолютные значения токов в контурах увеличиваются, вместе с ними увеличиваются и напряжения на элементах контуров. Отсюда следует, что выбирать параметры элементов токоограничивающего устройства необходимо из оптимизационного расчета, соотнося желательный уровень аварийного тока с возможностями используемого оборудования.
Анализируя быстродействие современных выключателей, используемых в энергетических системах, можно для выключателя 3 ориентироваться на времена отключения порядка 1-3 мс, характерные для взрывных предохранителей, которые находят все большее применение для защиты в электрических сетях. Системы управления взрывными предохранителями, учитывающие скорость нарастания аварийного тока, позволяют существенно ограничить величину ударного тока, вводя в действие токоограничивающее устройство на ранней стадии развития аварии. Так, по графику №2 диаграммы видно, что при уставке срабатывания защиты, равной 2.6 I сети, ударный ток достигает значения 5.3 кА (мгновенное значение) при расчетном установившемся значении тока короткого замыкания в цепи нагрузки 28.6 кА, являющимся эффективным расчетным значением без включения токоограничивающего устройства. Поскольку время реакции токоограничивающего устройства на аварию в электросети менее полупериода частоты переменного тока, устройство способно ограничивать уровень ударного тока в аварийном процессе.
При срабатывании выключателя 3 параллельно его расходящимся контактам подключается конденсатор 4, что обеспечивает пологий фронт нарастающего на выключателе напряжения, как показано на графике №5, кривая UL1. Такой фронт и уровень напряжения на взрывном предохранителе обеспечивает надежное гашение возникающей при его отключении электрической дуги. Расчеты показали, что перенапряжение на выключателе при его срабатывании не превышает 2.5 кратного значения амплитуды сетевого напряжения, что не требует дополнительных мер по защите элементов оборудования полезной модели.
Таким образом, в предложенной полезной модели установленная мощность магнитно-связанных реакторов уменьшена в два раза по сравнения с прототипом, а установленная мощность конденсатора по сравнению с прототипом уменьшается благодаря кратковременному режиму его работы. При этом может быть использован тип конденсаторов, не предназначенный для длительной работы в цепи переменного тока и, соответственно, более дешевый. Кроме того, не требуется принимать дополнительные схемотехнические решения для защиты выключателя от перенапряжений в случае его отключения при аварии в нагрузке или в цепи источника электропитания.