Универсальное устройство для защиты от внутренних перенапряжений и частичной компенсации реактивной мощности (Гаситель-компенсатор)
UNIVERSAL DEVICE FOR PROTECTION AGAINST INTERNAL OVERVOLTAGES AND PARTIAL COMPENSATION OF REACTIVE POWER (EXTINGUISHER-COMPENSATOR)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для защиты электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий от внутренних перенапряжений, и может быть использовано для ограничения коммутационных перенапряжений, глубокого ограничения перенапряжений и ликвидации условий возникновения локальных резонансных явлений в режиме дугового однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), а также частичной компенсации реактивной мощности в сетях 3-10 кВ.
ровень техники
У
Из уровня техники известно внутрискважинное устройство для защиты от перенапряжений (см. [1] патент РФ на полезную модель №165160, МПК H01H 7/09, опубл. 05.04.2016), содержащее корпус с нелинейными варисторами. Корпус выполнен с возможностью соединения с погружным электродвигателем. Устройство защиты дополнительно содержит установленные в корпусе конденсаторы и резисторы, причем резисторы параллельно соединены с нелинейными варисторами, выходы резисторов и нелинейных варисторов последовательно соединены с конденсаторами, а выходы конденсаторов соединены с шинопроводами и заземляющим проводником.
Недостатками данного технического решения являются увеличение токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) за счет соединения нейтральной точки RC-цепей с землей и возможное разрушение конденсаторов при срабатывании нелинейных ограничителей перенапряжений, а также низкая термическая устойчивость устройства к воздействию высших гармоник тока и напряжения, так как с увеличением частоты тока и напряжения емкостное сопротивление снижается, что приводит к увеличению тока протекающего через резистор и его дополнительному нагреву, а размещение в одном герметичном корпусе резистора и конденсатора приводит к увеличению нагрева конденсатора и создает условия для его термического разрушения. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известен комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений (см. [2] патент РФ на изобретение №2394326, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 10.07.2010). Устройство состоит из последовательных RC-цепочек, включенных по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей. Параметры RC-цепочек рассчитываются по определенным формулам.
Недостатками данного устройства являются увеличение габаритов устройства за счет использования четырех RC-цепей, увеличение тока ОЗЗ в сетях 3-10 кВ за счет заземления нейтральной точки RC-цепей, собранных по схеме «звезда», через RC-цепь. Расчет параметров RC-цепей по специальным формулам указывает на то, что устройство не является универсальным и предназначено для защиты конкретного электродвигателя или трансформатора определенной мощности. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известно устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений (см. [3] патент РФ на полезную модель №44008, МПК H02H 9/04, H01C 7/12, опубл. 10.02.2005). Данное устройство состоит из трех однофазных RC-цепей, каждая помещается в герметичный металлический корпус, заполненный специальной жидкостью, каждый корпус имеет керамические выводы разной высоты и три RC-цепи, помещенные в общий металлический корпус для защиты RC-цепей от воздействия окружающей среды.
Недостатком данного устройства является то, что устройство обладает низкой термической устойчивостью к воздействию высших гармоник тока и напряжения, так как резистор и конденсатор каждой RC-цепи имеет единый герметичный корпус и в случае протекания токов высших гармоник за счет дополнительного тепла, выделяемого в резисторе в корпусе может создаться избыточное давление жидкости, приводящее к термическому разрушению RC-цепи и устройства в целом. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известно устройство для защиты вакуумно-коммутируемого оборудования от перенапряжений (см. [4] патент РФ на изобретение №2706637, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 10.07.2010), содержащее три конденсатора, одними выводами присоединяемые к объединенным пофазно выводам вакуумного выключателя и нагрузки, а вторыми выводами два конденсатора подключены к резисторам, которые вторыми выводами объединены, причем общая точка резисторов подключена ко второму выводу третьего конденсатора.
Недостатком данного устройства является то, что использование двух резисторов в устройстве приводит к появлению напряжения смещения нейтрали между нейтральной точкой устройства и землей за счет неравномерности и несимметрии параметров отдельных фаз устройства, что снижает эффективность ограничения коммутационных перенапряжений (КП), так как величина коммутационного импульса обратно пропорциональна заряду на конденсаторе. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известна система выключателя с внутренним ограничителем напряжения (см. [5] патент РФ на изобретение №2734166, МПК H02H 9/00, опубл. 13.10.2020), содержащая выключатель, имеющий корпус с внутренней областью, отделенной от внешней области, окружающей корпус; электрический прерыватель, имеющий первую пару из первого и второго электрических контактов, подвижных между первым положением и вторым положением, причем первое положение определяет положение соединения, которое обеспечивает электрическое соединение между первой парой контактов, а второе положение определяет положение разъединения, которое предотвращает электрическое соединение между первой парой электрических контактов; ограничитель напряжения, соединенный с первой парой электрических контактов, для приема и рассеяния переходного напряжения, когда первая пара электрических контактов перемещается из первого положения во второе положение; при этом внутренняя область корпуса предназначена для вмещения первой пары электрических контактов, ограничителя напряжения и диэлектрического материала.
Недостатком данного устройства является то, что устройство относится к выключателям с внутренней защитой от перенапряжений, но не к устройствам для защиты от перенапряжений, что принципиально отличает его от предлагаемого устройства.
Из уровня техники известно устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений (см. [6] патент РФ на полезную модель №92256, МПК H02H 9/04, H01C 7/12, опубл. 10.03.2010), включающее преимущественно три RC-цепи, каждая из которых выполнена в виде блока с внешними выводами, заключенного в герметичный корпус и содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор, закрепленные в корпусе и разделенные между собой герметичным диэлектрическим элементом, при этом предлагается в каждой RC-цепи конденсатор и резистор выполнить безындуктивными, внешние выводы выполнить в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами или в виде контактных площадок, герметичный корпус выполнить монолитным из эластичного упругого электроизоляционного материала, при этом форма корпуса повторяет форму резистора с конденсатором, которые расположены один над другим так, что их продольные оси параллельны, а герметичный диэлектрический элемент выполнен с помощью литья и занимает все свободное пространство внутри корпуса. Резистор и конденсатор RC-цепи могут быть закреплены в корпусе с помощью закладных элементов, охватывающих резистор и конденсатор и повторяющих форму их поперечного сечения. RC-цепи электрически могут быть соединены по схеме «звезда» с изолированной нейтральной точкой или по схеме «треугольник».
Недостатком данного устройства является то, что резисторы и конденсаторы размещаются в одном монолитном литом корпусе из эластичного, упругого электроизоляционного материала, что затрудняет отвод тепла от RC-цепи во внешнюю среду. В связи с этим при протекании токов высших гармоник по RC-цепям и выделении добавочного тепла на резисторе, RC-цепи могут быть подвержены термическому разрушению. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести выполнение устройства в монолитном корпусе, что исключает возможность обслуживания и ремонтопригодность.
Из уровня техники известно устройство защиты контактной сети от перенапряжений (см. [7] CN 208401544, МПК H02H3/20; H02H9/06, опубл. 18.01.2019), а также известен самовосстанавливающийся низковольтный конденсатор с защитой от перенапряжений (см. [8] CN CN112421648, МПК H02H7/16, опубл. 26.02.2021). Недостатком данных устройств является то, что они подключаются только по схеме звезда с заземленным нулем, что увеличивает ток ОЗЗ в сети, что является критичным в сетях 1-10 кВ, также к недостаткам можно отнести отсутствие корпуса.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений (см. [10] патент РФ на изобретение №2414032, МПК H02H 9/04, опубл. 10.03.2011) включающее преимущественно три RC-цепи, каждая из которых выполнена в виде блока с внешними выводами, заключенного в герметичный корпус, и содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор, закрепленные в корпусе и разделенные между собой герметичным диэлектрическим элементом, причем в каждой RC-цепи конденсатор и резистор выполнены безындуктивными, внешние выводы выполнены в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами или в виде контактных площадок, герметичный корпус выполнен монолитным из эластичного упругого электроизоляционного материала, при этом форма корпуса повторяет форму резистора с конденсатором, которые расположены один над другим так, что их продольные оси параллельны, а герметичный диэлектрический элемент выполнен с помощью литья и занимает все свободное пространство внутри корпуса.
Недостатком прототипа является то, что резисторы и конденсаторы размещаются в одном монолитном литом корпусе из эластичного, упругого электроизоляционного материала, что затрудняет отвод тепла от RC-цепи во внешнюю среду. В связи с этим при протекании тока высших гармоник по RC-цепям и выделении добавочного тепла на резисторе, RC-цепи могут быть подвержены термическому разрушению. Компенсация реактивной мощности менее эффективна, так как последовательно с конденсатором включен резистор. Также к недостаткам можно отнести выполнение устройства в монолитном корпусе, что исключает возможность обслуживания и ремонтопригодности, то есть замены одного из элементов (резистор или конденсатор) в случае выхода его из строя.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является более глубокое ограничение перенапряжений при дуговых ОЗЗ до уровня 1,75 Unom, ликвидация условий возникновения локальных резонансных явлений в режиме дугового ОЗЗ в точках подключения индуктивных нагрузок к электрическим сетям 3-10 кВ, частичная компенсация реактивной мощности, а также ограничение перенапряжений при коммутации электродвигателей и трансформаторов.
Техническим результатом является:
• снижение потерь электрической энергии в сетях 3-10 кВ за счет частичной компенсации реактивной мощности нагрузки,
• увеличение межфазной емкости сети в точках подключения индуктивной нагрузки, что позволяет повысить эффективность ограничения внутренних перенапряжений в сетях с резистивным и комбинированным заземлением нейтрали таких как перенапряжения при дуговых ОЗЗ,
• снижение коммутационных перенапряжений,
• ликвидация условий возникновения локальных резонансных перенапряжений в точках подключения индуктивной нагрузки и
• повышение качества электроэнергии за счет фильтрации высших гармоник кратных трем.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет универсального устройства для защиты от внутренних перенапряжений и частичной компенсации реактивной мощности содержащего корпус с отверстием для ввода-вывода кабеля в боковой стенке или в днище, внутри которого на выдвижной металлической раме, установленной в корпусе на направляющих, закреплены при помощи элементов крепления три конденсатора повышенной мощности, рассчитанные для работы в цепях при наличии высших гармоник тока и напряжения, при этом конденсаторы представляют собой высоковольтные конденсаторы с емкостью по меньшей мере 0,6 мкФ, собранные по схеме «треугольник» с помощью гибких высоковольтных проводов с изоляцией из кремнийорганической резины с медными наконечниками, усиленными высоковольтной термоусадочной трубкой, при этом между конденсаторами и корпусом установлены текстолитовые диэлектрические пластины.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что корпус выполнен металлическим пыле-влаго-искро непроницаемым и имеет антикоррозийное покрытие.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что отверстие для ввода-вывода кабеля оснащено герметичной втулкой.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля в бок (вид спереди).
Фиг.2 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля в бок (вид сверху).
Фиг.3 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля в бок (вид сбоку).
Фиг.4 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля вниз (вид спереди).
Фиг.5 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля вниз (вид сверху).
Фиг.6 - Трехфазный гаситель-компенсатор на кассете/раме с формированием ввода-вывода кабеля вниз (вид сбоку).
Фиг.7 - Трехфазный гаситель-компенсатор в корпусе с вводом кабеля в боковую стенку шкафа/корпуса.
Фиг.8 - Трехфазный гаситель-компенсатор в корпусе с вводом кабеля в днище шкафа/корпуса.
Фиг.9 - Устройство высоковольтного провода с изоляцией из кремнийорганической резины с медным наконечником, усиленным высоковольтной термоусадочной трубкой.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - металлический пыле-влаго-искронепроницаемый корпус, 2 - отверстия для ввода кабеля с заглушками, 3 - выдвижная металлическая рама, 4 - направляющие, 5 - элемент крепления конденсатора, 6 - конденсатор повышенной мощности, 7 - высоковольтные медные провода с изоляцией из кремнийорганической резины, 8 - медный наконечник, 9 - высоковольтная термоусадочная трубка, 10 - текстолитовые диэлектрические пластины/перегородки.
Осуществление изобретения
Универсальное устройство для защиты от внутренних перенапряжений и частичной компенсации реактивной мощности содержит металлический пыле-влаго-искро непроницаемый корпус (1) с антикоррозийным покрытием. В корпусе имеются отверстия (2) с герметичной втулкой для ввода-вывода кабеля наружу корпуса. При этом отверстие может быть выполнено в боковой стенке или в днище корпуса, в зависимости от места размещения. Внутри корпуса на выдвижной металлической раме (3), установленной на направляющих (4), закреплены при помощи элементов крепления (5) три конденсатора (6) повышенной мощности. Конденсаторы рассчитаны для работы в цепях при наличии высших гармоник тока и напряжения. Конденсаторы представляют собой высоковольтные конденсаторы с емкостью по меньшей мере 0,6 мкФ собранные по схеме «треугольник». Сборка конденсаторов осуществляется с помощью гибких перемычек из высоковольтных медных электрических проводов (7) с изоляцией из кремнийорганической резины с медными наконечниками (8), усиленными высоковольтной термоусадочной трубкой (9), что увеличивает диэлектрическую прочность токоведущих частей по отношению к земле. Для уменьшения габаритов устройства между конденсаторами и корпусом установлены текстолитовые пластины (10).
Заявленное изобретение может быть использовано для ограничения внутренних перенапряжений в сетях 3-10 кВ с резистивным и комбинированным режимом нейтрали на основе высоковольтных конденсаторов с емкостью 0,6 мкФ и более, собранных по схеме «треугольник». Корпус оснащается откидной крышкой с шестью внутренними замками, закрывающимися с натяжением, а между крышкой и корпусом проложены по периметру две уплотнительные объемные резинки, для переноса устройства используются четыре складные ручки. Для крепления устройства к стене предусмотрены четыре пластины (ушки) две из которых расположены в верхней части устройства, две в нижней части. Для крепления устройства на фундамент или горизонтальную полку в нижней части устройства предусмотрены специальные крепления из П-образного швеллера с соответствующими отверстиями. Между конденсатором и корпусом устройства установлены текстолитовые пластины (перегородки), которые позволяют уменьшить габариты устройства за счет сокращения расстояния между конденсаторами, предотвращающая пробой воздушного промежутка при сближении конденсаторов.
Поставленная техническая задача решается за счет использования высоковольтных конденсаторов собранных по схеме «треугольник» с емкостью каждого конденсатора 0,6 мкФ и более, данная емкость является универсальной и не требует изменения ее величины в зависимости от типа и мощности электродвигателя или трансформатора при выполнении функции более глубокой защиты электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий от перенапряжений, возникающих при дуговых ОЗЗ и ликвидации локальных резонансных явлений в сетях с резистивным или комбинированным режимами нейтрали. Использование схемы сборки конденсаторов «треугольник» позволяет увеличить термическую устойчивость к воздействию высших гармоник, так как фильтруются гармоники кратные трем, что снижает общий ток, протекающий через конденсаторы в сетях с наличием высших гармоник широкого спектра. Защита электродвигателей и трансформаторов от КП будет наиболее эффективна если первичные обмотки трансформатора и обмотки электродвигателя собраны по схеме «треугольник», в этом случае каждый конденсатор устройства включается параллельно каждой обмотке электродвигателя и трансформатора. В случае отключения электродвигателя или трансформатора от сети вакуумным или элегазовым выключателем, магнитная энергия, запасенная в обмотках трансформатора или электродвигателя будет разряжаться независимо друг от друга через свой конденсатор, который включен параллельно обмотке, что приведет к более эффективному ограничению КП. Конденсаторы, собранные по схеме «треугольник», по сравнению с RC-цепями, собранными по схеме «треугольник», приводят к более глубокому снижению общего тока, протекающего по линейным проводам, так как отсутствует активная составляющая тока обусловленная резистором RC-цепи, а, следовательно, потери активной электрической энергии в элементах системы электроснабжения, включая кабельно-воздушные линии и трансформаторы будут меньше.
Изобретение работает следующим образом.
Известно, что величина коммутационных перенапряжений пропорциональна току среза выключателя и волновому сопротивлению защищаемого объекта в роли которого могут выступать электродвигатели и трансформаторы. Волновое сопротивление - это корень квадратный из соотношения индуктивности обмотки электродвигателя или трансформатора к емкости, с которой связана данная обмотка по отношению к земле или емкости подключенной к началу и концу обмотки. В первом случае емкость состоит из последовательно соединенных емкостей начала и конца обмотки и поэтому имеет небольшое значение по сравнению с емкостью, которая может быть искусственно подключена между началом и концом обмотки. Поэтому схема соединения конденсаторов «треугольником» приводит к увеличению емкости между началом и концом обмотки, а, следовательно, к более эффективному ограничению коммутационных перенапряжений.
k
Установлено, что максимальное значение перенапряжений при дуговых ОЗЗ пропорциональны (1-k), где  представляет собой соотношение: названия нет как пи число
где  (межфазная емкость сети,  (емкость фазы сети по отношению к земле.
k
k
Очевидно, что при искусственном увеличении межфазной емкости сети числитель в формуле коэффициента  будет возрастать быстрее знаменателя, следовательно, коэффициент  будет возрастать, а максимальное перенапряжение при дуговых ОЗЗ снижаться. Это указывает на то, что увеличение межфазной емкости сети, за счет искусственной емкости предлагаемого устройства приведет к снижению перенапряжений в сетях с комбинированным или резистивным режимами нейтрали.
Установлено, что резонансные перенапряжения могут возникать как при ОЗЗ, так и при коммутации трансформаторов и электродвигателей (неполнофазный режим), при условии, что длина электрокабеля между выключателем и трансформатором (электродвигателем) не превышает 250 метров. Подключенный кабель и индуктивность трансформатора (электродвигателя) создают колебательный контур, емкость которого с учетом межфазной емкости сети не должна превышать 0,45 мкФ. Увеличение межфазной емкости до 0,6 мкФ и более приводит к увеличению емкости в колебательном контуре, превышающем критическое значение 0,45 мкФ, а, следовательно, к ликвидации условий возникновения локальных резонансных явлений. Частичная компенсация реактивной мощности достигается за счет емкостного тока, создаваемого конденсаторами устройства.
Для сборки конденсаторов и подключения их к электродвигателю или трансформатору используются гибкие перемычки в виде высоковольтного кабеля с изоляцией из кремнийорганической резины, у которых медные наконечники усилены высоковольтной термоусадочной трубкой.
Сборка конденсаторов по схеме «треугольник» позволяет осуществлять фильтрацию высших гармоник кратных трем.
Наибольшая эффективность по ограничению коммутационных перенапряжений и ликвидации локальных резонансных явлений, приводящих к перенапряжениям, достигается если обмотки электродвигателя и первичная обмотка трансформатора собраны по схеме «треугольник». Сборка конденсаторов по схеме «треугольник» позволяет увеличить межфазную емкость сети и тем самым ограничить перенапряжения при дуговых ОЗЗ в сетях 3-10 кВ с резистивным или комбинированным режимом нейтрали до уровня 1,75 Unom. Конденсаторы емкостью 0,6 мкФ и более, собранные по схеме «треугольник» и подключенные к зажимам индуктивной нагрузки, в роли которой могут выступать электродвигатели и трансформаторы, практически исключают возникновение колебательного контура, обусловленного емкостями фаз сети по отношению к земле и индуктивностью нагрузки как в режиме дугового ОЗЗ, так и при коммутации электрической нагрузки, так как энергия, запасенная в емкостях фаз сети по отношению к земле, и энергия, запасенная в обмотках индуктивной нагрузки, будет разряжаться через межфазную емкость, образованную конденсаторами собранными по схеме «треугольник», что исключает возникновение локальных резонансных явлений и эффективно ограничивает коммутационные перенапряжения. Схема сборки конденсаторов «треугольник» позволяет осуществлять частичную компенсацию индуктивного тока нагрузки в пределах от 2 А и более в сетях 6 кВ и от 3,4 А и более в сетях 10 кВ. Таким образом данное устройство выполняет одновременно четыре функции: производит более глубокое ограничение перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ, ликвидирует условия возникновения локальных резонансных явлений (перенапряжений), эффективно ограничивает коммутационные перенапряжения, частично компенсирует реактивную мощность нагрузки. При этом в заявленном изобретении не используются резисторы, что позволяет исключить потери активной энергии на резисторах и снизить габариты устройства.