СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроснабжения, а именно к системам электроснабжения и защиты электрических линий высокого напряжения.
Защита электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ) является актуальной задачей. Одним из распространенных методов ее решения является коммутация. Для этого системы электроснабжения снабжаются коммутационными аппаратами (выключателями, контакторами, предохранителями). Выбор того или иного устройства зависит от требований, предъявляемых к ним в отношении уровней рабочих напряжений, величин номинальных токов и токов КЗ, уровней перенапряжений, "жесткости" цепей (сочетания постоянных L - индуктивности, С - емкости, и R - активного сопротивления, от которых зависит скорость восстановления напряжения), атмосферных условий, степени быстродействия и прочих.
Известны схемы передачи электрической энергии, содержащие электрическую станцию с электрогенератором, повышающим трансформатором и коммутирующими устройствами, см. "Электрические сети, электрические системы" под редакцией В.А.Строева, М., Высшая школа, 1998 г. Стр.511.
Недостатком известного является большое время срабатывания коммутирующих устройств, составляющее 5-6 периодов колебания тока в сети.
Для эффективной защиты системы электроснабжения необходимо создавать коммутационное оборудование, обеспечивающее требуемое количество отключений токов КЗ и токов нагрузки, ограничение тока и устойчивость системы.
Для того чтобы при КЗ сохранить устойчивую работу по возможности в большинстве случаев нужно быстро отключить аварийный участок. В конечной стадии размыкания цепи между контактами отключающего устройства возникает промежуток, который кроме нулевой проводимости должен также иметь достаточно высокую электрическую прочность, чтобы противостоять действию восстанавливающегося на нем напряжения цепи.
Для повышения быстродействия высоковольтных выключателей, ограничения токов КЗ, безинерционного разрыва поврежденной цепи используются токоограничители в виде токоограничивающих реакторов, трансформаторов и автотрансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения, сверхбыстродействующие, в том числе "синхронизированные", выключатели с собственным временем отключения 0,5-2 периода, тиристорные выключатели с естественной и искусственной коммутацией, ограничители ударного тока взрывного действия, безинерционные токоограничивающие устройства на базе резонансных схем с нелинейными пороговыми элементами, иные токоограничивающие устройства, состоящие из комбинаций линейных, нелинейных пороговых элементов, в том числе многоцелевые вставки постоянного тока, см. статью П Елагина "Сверхпроводниковый токоограничитель. Коммутационный аппарат будущего" в журнале Новости электротехники №3(33) 2005 г. изд.ЗАО "Новости электротехники"Санкт-Петербург, стр.28-31.
Наиболее близким к данной полезной модели является система электроснабжения, содержащая электрическую станцию с генератором и трансформатором, линию электропередачи и два коммутирующих устройства, одно из которых включено между электрической станцией и линией электропередачи, а другое между линией электропередачи и нагрузкой и токоограничивающее устройство в виде трансформатора, первичная обмотка которого включена последовательно с защищаемым участком, см. книгу Б.Н.Неклепаев "Координация и оптимизация уровней короткого замыкания в электрических системах", М., Энергия, 1978 г., стр.152.
Недостатком известного являются большие токи короткого замыкания, приводящие к увеличению габаритов коммутирующих устройств, уменьшению надежности работы трансформаторов из за больших электродинамических усилий и нагрева, уменьшению устойчивости работы системы из за уменьшения напряжения генератора при КЗ, а также большое время срабатывания защиты. Целью полезной модели является уменьшение времени срабатывания защиты, уменьшение токов короткого замыкания, уменьшение габаритов и мощности коммутирующих устройств, увеличение надежности работы трансформаторов, повышение устойчивости работы генератора.
Эта цель достигается тем, что система электроснабжения и защиты электрических линий высокого напряжения, содержащая электрическую станцию
с генератором и трансформатором, линию электропередачи и два блока в виде последовательно соединенных коммутирующего и токоограничивающего устройств, один из которых включен между электрической станцией и линией электропередачи, а другой между линией электропередачи и нагрузкой, токоограничивающее устройство выполнено в виде трансформатора с первичной обмоткой включенной последовательно с защищаемым участком и вторичной обмоткой, причем вторичная обмотка трансформатора токоограничивающего устройства выполнена короткозамкнутой из высокотемпературного сверхпроводящего материала, например, иттриевой керамики. Обмотки токоограничивающего устройства могут быть размещены симметрично чередующимися.
Сущность данной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 дана принципиальная схема системы электроснабжения.
На фиг.2 показана конструкция токоограничивающего устройства с дисковыми обмотками.
На фиг.3 приведена конструкция токоограничивающего устройства с концентрическими обмотками.
На фиг.4 дана зависимость тока в линии от напряжения на защищаемом участке в относительных единицах.
Полезная модель содержит электрическую станцию, включающую генератор 1 и повышающий трансформатор 2.К выходу трансформатора 2 подключен один блок 3 из коммутирующего устройств 4 соединенного последовательно с токоограничивающим устройством 5. На другом конце линии электропередачи 6 к ней подключен второй блок 7 аналогичный первому, содержащий коммутирующее устройство 8 и токоограничивающее устройство 9. Эта система электроснабжения осуществляет питание нагрузки 10.Токоограничивающее устройство на фиг.2 представляет собой трансформатор с бронестержневой магнитной системой 11 и дисковыми обмотками первичной 12 и вторичной 13. Обмотки токоограничивающего устройства по фиг.2 расположены симметрично чередующимися, если смотреть сверху вниз: первичная, вторичная, первичная. На фиг.3 представлена конструкция токоограничивающего устройства с концентрическими обмотками. Здесь вторичная обмотка 13 расположена между двумя слоями первичной обмотки 12. Они установлены также симметрично чередующимися, если смотреть слева направо: первичная, вторичная, первичная. Такая конструкция токоограничивающего устройства обеспечивает максимальное отношение его индуктивных сопротивлений в проводящем и сверхпроводящем состояниях
вторичной обмотки, что способствует более существенному снижению тока короткого замыкания в системе.
Вторичная обмотка 13 выполнена в виде колец из высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала, например, из иттриевой керамики и представляет собой короткозамкнутую обмотку.
1
1
4
2
Работа устройства происходит следующим образом. При нормальной работе системы электроснабжения, через первичную обмотку токоограничивающих устройств 5, 9 протекает ограничиваемый ток, являющийся номинальным током линии (I<1 на кривой 14 фиг.4.) Вторичная обмотка находится в сверхпроводящем состоянии. В номинальном режиме работы импеданс токоограничивающего устройства является фактически импедансом трансформатора в режиме короткого замыкания и имеет низкое значение. При возникновении короткого замыкания ток в первичной обмотке возрастает, что вызывает рост тока во вторичной обмотке. Её температура растет, вследствие чего происходит переход ВТСП колец в нормальное несверхпроводящее состояние. При этом возникает активное сопротивление, которое соответствует материалу с удельным сопротивлением в десятки и сотни раз большим, чем удельное сопротивление алюминия и меди, из которых обычно изготавливается первичная обмотка. Импеданс токоограничивающего устройства принимает значение импеданса трансформатора в режиме холостого хода, то есть импеданс существенно возрастает. Ток в линии будет определяться зависимостью 15 на фиг.4, если при достижении током этих значений короткое замыкание не будет устранено. Таким образом, видно, что происходит ограничение тока короткого замыкания от максимального значения на соответствующем участке кривой 14 до величин, определяемых зависимостью 15. При устранении причин, вызывающих короткое замыкание, значение тока в линии будет возвращаться по кривой 16 в исходном* состояние на кривой 14. При этом состояние ВТСП колец, которые по существу являются вторичными обмотками токоограничивающего устройства, возвращается в рабочее - сверхпроводящее состояние. Таким образом существенно уменьшается действующее значение токов короткого замыкания. Процесс изменения тока в линии в сторону уменьшения в условиях наличия короткого замыкания занимает практически /-/ периода колебания тока, что существенно меньше, чем в известных системах электроснабжения. При возникновении короткого замыкания одновременно со срабатыванием токоограничивающего устройства, в соответствии с приведенным описанием процесса, подается сигнал на срабатывание коммутирующего устройства при
достижении максимального допустимого значения тока по кривой 14. Поскольку при возникновении короткого замыкания происходит практически мгновенное ограничение тока в линии, в месте, где оно произошло, габариты и мощность коммутирующих устройств существенно уменьшаются, по сравнению с применяемыми коммутирующими устройствами в известных схемах. Одновременно повышается надежность трансформатора 2, поскольку токи короткого замыкания не успевают достигнуть значений, приводящих к ухудшению условий его использования. В данной системе электроснабжения напряжение генератора 1, в условиях короткого замыкания, больше, чем в известных системах, что свидетельствует о повышении устойчивости его работы. Осуществимость данной полезной модели подтверждена моделированием процессов на экспериментальной установке. В ней функции генератора и повышающего трансформатора выполняет источник переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. В качестве магнитопровода токоограничивающего устройства, использован сердечник, навитый из ленты из специальной электротехнической стали, сохраняющей свои магнитные свойства при низких температурах, соответствующих жидкому азоту. Магнитное поле насыщения такого сердечника составляет 1,3 Т. Первичная обмотка состоит из двух или нескольких медных обмоток, имеющих одинаковые числа витков. Вторичная обмотка выполнена в виде ВТСП колец из керамики на основе YbaCbO. Она помещена в криостат с жидким азотом при температуре 77 К. Для измерений использовался многоканальный цифровой осциллограф с дифференциальным вводом, позволяющий обрабатывать результаты измерений с помощью прилагаемого к нему программного обеспечения.