ТОКООГРАНИЧИТЕЛЬ

Область техники
Предложение относится к защите электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ) и, в частности, к средствам ограничения токов КЗ в электросетях переменного тока.
Уровень техники
Развитие электроэнергетики - ввод новых и расширение существующих электростанций, увеличение пропускной способности электрических сетей, приводит к постоянному росту токов КЗ в электрических сетях. Токи КЗ на ряде энергообъектов (например, в открытых распределительных устройствах крупных электростанций и подстанций с мощной трансформаторной связью) превышают значения максимальной отключающей способности установленных выключателей и даже в некоторых случаях максимальной отключающей способности любого серийно производимого в настоящее время коммутационного оборудования.
Одним из эффективных путей решения этой проблемы является применение быстродействующих управляемых токоограничителей на основе токоограничивающих реакторов и коммутационных ограничителей тока, снижающих ток КЗ до величины, которую способны коммутировать высоковольтные выключатели, установленные на соответствующем энергообъекте.
Известен выбранный в качестве прототипа токоограничитель, содержащий реактор, параллельно которому подключена коммутирующая цепь в виде плавкого предохранителя, шунтированного взрывным размыкателем. Запальный вход размыкателя через пороговый элемент подключен к датчику ограничиваемого тока. Конструкция, принцип действия и применение таких устройств описаны в [1, рис.3] и [2, рис.5].
Недостаток прототипа, который особенно сильно проявляется при его использовании в высоковольтных цепях электрических сетей, -необходимость выполнения коммутирующей цепи на напряжение, совпадающее с напряжением цепи, в которой осуществляется ограничение тока. Этот недостаток не позволяет экономически целесообразно применять известные управляемые ограничители в высоковольтных сетях напряжением выше 35 кВ. Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка.
Раскрытие полезной модели
Достигаемый технический результат заключается в улучшении массово-габаритных характеристик токоограничителя, получении возможности ограничивать токи КЗ в цепях, напряжение которых превышает напряжение, коммутирующемое устройством. Использование предлагаемого решения значительно расширяет возможности по оптимизации выбора мест установки токоограничителей в электрической сети, исходя из надежностных и экономических критериев.
Предметом полезной модели является токоограничитель, содержащий реактор, снабженный, по меньшей мере, одной вторичной обмоткой, к выводам которой подключена, по меньшей мере, одна коммутирующая цепь из плавкого предохранителя, шунтированного взрывным размыкателем, запальный вход которого предназначен для подключения к источнику команды на токоограничение.
Это позволяет получить указанный технический результат.
Полезная модель имеет развития, направленные на повышение эксплуатационных и массо-габаритных характеристик токоограничителя. Развития состоят в том, что:
- реактор и его вторичная обмотка выполнены из сверхпроводящего материала и помещены в криостат;
- взрывной размыкатель шунтирован ограничителем перенапряжения;
- коммутирующая цепь, подключена к выводам вторичной обмотки реактора через выключатель;
- управляющий вход выключателя предназначен для подключения к источнику команды на токоограничение или к источнику команды на автоматическое повторное включение;
- к выводам вторичной обмотки реактора подключено средство задания уровня токоограничения, например дополнительный реактор;
- к выводам вторичной обмотки реактора подсоединен измерительный
трансформатор напряжения, выход которого предназначен для
подключения к системе релейной защиты и автоматики.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
На фиг.1 представлена схема токоограничителя, иллюстрирующая осуществление полезной модели с учетом ее развитии. Схема содержит реактор 1, снабженный вторичной обмоткой 2. К выводам обмотки 2 могут быть подключены одна или несколько коммутирующих цепей 3, каждая из которых содержит плавкий предохранитель 4, шунтированный взрывным размыкателем 5. Запальный вход 6 размыкателя 5 предназначен для подключения к источнику команды на токоограничение. В качестве источника этой команды может быть использован датчик тока, установленный в первичной или во вторичной цепи реактора 1 и подключенный к входу 6 через быстродействующую схему управления, например пороговый элемент. Взрывной размыкатель может быть выполнен, например, в соответствии с [3].
Реактор 1 и его вторичная обмотка 2 могут быть выполнены из сверхпроводящего материала и помещены в криостат 7.
Цепь 3 может содержать ограничитель 8 перенапряжения (например, варистор или искровой разрядник), шунтирующий размыкатель 5.
Цепь 3 может быть подключена к выводам обмотки 2 непосредственно или через выключатель 9. При наличии в устройстве нескольких цепей 3 все они, за возможным исключением одной, подключаются к обмотке 2 через выключатели 9. Управляющие входы 10 выключателей 9 могут быть подключены к источнику команды на автоматическое повторное включение (АПВ) или к источнику команды на токоограничение.
К выводам обмотки 2 может быть подключено средство задания уровня токоограничения, например, в виде дополнительного реактора 11, а также измерительный трансформатор напряжения 12, выход которого предназначен для подключения к системе релейной защиты и автоматики.
Устройство работает следующим образом.
Реактор 1 включается своей первичной обмоткой последовательно в цепь ограничиваемого тока, например, в линию электропередачи. Одна из коммутирущих цепей 3 (рабочая) закорачивает выводы обмотки 2 (непосредственно или через замкнутый выключатель 9), а остальные цепи 3 отделены разомкнутыми выключателями 9.
В нормальном режиме работы линии при закороченной обмотке 2 реактор 1 функционирует подобно трансформатору в режиме короткого замыкания вторичной обмотки. Сопротивление, вносимое реактором 1 в цепь электропередачи, при этом минимально.
При КЗ на линии ток через реактор 1 и ток, наводимый в обмотке 2, многократно возрастают, в результате чего быстродействующий источник команды на токоограничение, контролирующий ток в линии, подает на вход 6 размыкателя 5, установленного в рабочей цепи 3, управляющий сигнал, обеспечивающий подрыв заряда размыкателя 5.
В результате взрыва размыкатель 5 срабатывает за время существенно меньшее полупериода промышленной частоты. При этом, однако, не возникает коммутационных перенапряжений, поскольку вторичный ток КЗ переходит в цепь предохранителя 4, шунтирующего размыкатель 5.
Ток, протекающий через предохранитель 4, обеспечивает разрыв плавкой вставки за время, определяемое ее времятоковой характеристикой, которое выбирается так, чтобы, с одной стороны, избежать недопустимых коммутационных перенапряжений, а с другой стороны, обеспечить разрыв цепи 3 до срабатывания релейной защиты, отключающей линейные выключатели. Выполнению этих условий способствует шунтирование размыкателя 5 ограничителем 9 перенапряжения.
Если обмотка 2 не нагружена, то после того, как коммутирующая цепь 3 оказывается разомкнутой, реактор 1 работает как трансформатор в режиме холостого хода. При этом сопротивление, вносимое реактором 1 в цепь электропередачи, максимально и определяется собственной индуктивностью реактора.
При наличии нагрузки, подключенной к выводам вторичной обмотки 2, ее сопротивление, приведенное к первичной обмотке, шунтирует сопротивление реактора 1. Поддержание ограничиваемого тока КЗ на уровне, с одной стороны, не превышающем отключающей способности выключателей, а с другой стороны, достаточным для последующего срабатывания релейной защиты, может быть обеспечено соответствующим выбором индуктивности дополнительного реактора 11.
Для выдачи в систему релейной защиты и автоматики (РЗА) сигнала о состоянии вторичной обмотки 2 реактора (разомкнута или замкнута коммутирующей цепью 3) к выводам обмотки 2 может быть подключен измерительный трансформатор напряжения 12.
Одна из цепей 3 может быть подключена к обмотке 2 как непосредственно, так и через выключатель 9. Дополнительное введение других (резервных) цепей 3, подключаемых каждая через свой выключатель 9, повышает удобство обслуживания и сокращает аварийные перерывы в электроснабжении.
После срабатывания релейной защиты и отключения выключателями, установленными на энергообъекте, тока КЗ, ограниченного предлагаемым устройством, сигнал на выходе источника команды на токоограничение меняет свое значение. Изменение сигнала может быть использовано для введения в работу очередной резервной цепи 3. В этом случае выключатели 9 управляются по входам 10 от источника команды на токоограничение. В тех случаях, когда система РЗА выдает команду на АПВ, выключатели 9 могут управляться по входам 10 от источника этой команды.
Размыкатель 4 и плавкий предохранитель 5 представляют собой коммутаторы однократного действия. Для снижения массогабаритных характеристик и обеспечения комплексности эксплуатационного обслуживания оборудования в качестве выключателей 9 также могут быть применены коммутаторы однократного действия - взрывные замыкатели, выполненные, например, согласно [4].
При выполнении реактора 1 и его вторичной обмотки 2 из сверхпроводящего материала с размещением в криостате 7, их сверхпроводящее состояние поддерживается как в нормальном режиме работы, так и в режиме КЗ. Это позволяет снизить потери, уменьшить массу и габариты токоограничителя и избежать необходимости применения пожароопасного масляного охлаждения.
Источники информации
1. П.Елагин. «Коммутационные ограничители тока. Новые устройства для защиты электрооборудования». Новости электротехники. Информационно справочное издание. №4(28) 2004 г.
2. П.Елагин, А. Малышев, Ю.Дементьев. «Коммутационные ограничители тока. Основные преимущества применения». Новости электротехники. Информационно справочное издание. №1 (55) 2009 г.
3. Взрывной размыкатель тока. Патент РФ №RU 2101795, МПК Н01Н 9/00, 1998 г.
4. Взрывной замыкатель. Патент РФ №RU 2076375, МПК Н01Н 39/00, 1997 г.