СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
METHOD AND DEVICE FOR LIMITING SHORT CIRCUIT CURRENT IN ELECTRIC NETWORKS

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей и систем от аварий и перегрузок.
В настоящее время для ограничения токов короткого замыкания КЗ в энергосистемах наиболее часто используется секционирование сети, установка линейных токоограничивающих реакторов, а также применение в качестве активных элементов резисторов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Существующие ограничители токов КЗ на основе индуктивных элементов имеют ряд принципиальных недостатков. Основным из них является то, что введение индуктивного элемента в энергетические сети снижает эффективность передачи энергии, поскольку компенсация дополнительной реактивной составляющей в электрических сетях требует дополнительных затрат мощности. Кроме того, энергия, накопленная в индуктивном ограничителе при КЗ в цепи, создает сложности при отключении линии коммутационным аппаратом.
Известен «Способ ограничения тока в электроэнергетических системах с использованием приборов на эффекте Холла», патент США №-6469490, кл. МПК G01R 33/00, Кл. НКИ США 324/117 Н. с приоритетом от 26.06.2000 г., заявитель ABB Inc., Ralcing, NC (US).
Данный способ и устройство на его основе работает по принципу действия магниторезистора, в котором используют в качестве активного элемента материал с управляемым магнитным полем сопротивлением. Эффект Холла - это возникновение поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле, а Х - постоянная Холла, которая зависит от концентрации и подвижности носителей тока и от типа проводимости. К таким материалам относятся полупроводниковые материалы с большой подвижностью носителей заряда (арсенид индия, арсенид галлия и т.п.). В этих веществах удается достигнуть очень высоких значений изменения сопротивления за счет эффекта геометрического магнитного сопротивления - эффекта Холла. Прибор на эффекте Холла по данному патенту расположен между первым и вторым контактами, создающими магнитное поле. Таким образом, на холловский прибор воздействует объединенное магнитное поле, создаваемое двумя контактами. Ток протекает от электроэнергетической системы к первому контакту, создающему магнитное поле. В результате на другую часть электроэнергетической системы или на другую электроэнергетическую систему передается ограниченный ток.
Недостатками данного способа и устройства являются значительные затраты мощности и высокая стоимость за счет увеличения количества элементов и невозможность формирования импульса тока КЗ заданной формы.
Вторым способом ограничения токов КЗ с использованием активных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой является способ, реализованный на основе высокотемпературного сверхпроводника авторов С.Г.Овчинникова и др. «Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника», Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.10. В данной статье предложена новая концепция защиты сети переменного тока на основе комбинации сверхпроводящего ограничителя тока КЗ и размыкателя электрической сети. В качестве активного элемента сверхпроводящего ограничителя тока использован высокотемпературный сверхпроводник в виде стопки плоских колец и размыкателя цепи, электрические контакты которого выполнены из композитных материалов, не содержащих серебро.
Недостатками данного способа и устройства является использование дорогостоящего криогенного оборудования.
Наиболее близким способом и устройством для ограничения тока короткого замыкания является комбинированный способ ограничения токов КЗ путем ввода токоограничителя при превышении номинального тока в сети, например, с помощью «Устройства для ограничения токов несимметричных коротких замыканий в многофазной высоковольтной сети», патент РФ №-2216086, Кл. МПК Н02Н 9/00, 3/20, опубликован 10.11.2003 г. Устройство содержит два токоограничителя - резистор с линейной вольт-амперной характеристикой, подключенный к нейтрали устройства переменного тока, коммутационный аппарат и цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора с нелинейной вольт-амперной характеристикой с датчиком тока, подключенную последовательно к резистору с линейной вольт-амперной характеристикой. В качестве резистора с нелинейной вольт-амперной характеристикой используется ограничитель перенапряжения (ОПН). Величина статического сопротивления резистора с нелинейной вольт-амперной характеристикой не превышает величину сопротивления резистора с линейной вольт-амперной характеристикой при максимальном значении тока несимметричного короткого замыкания.
Недостатками данного устройства являются низкая скорость переключения и большие потери мощности в сетях в номинальном режиме, а также невозможность формирования заданной формы импульса тока КЗ.
При создании данного изобретения решалась задача создания комбинированного способа и устройства с безынерционным управлением параметрами тока в течение длительного времени (не менее ~0,5 с) ограничения тока КЗ. Кроме того, решалась задача снижения затрат на изготовление и эксплуатацию ограничителя тока многоразового действия, отрабатывающего несколько циклов с ограничением ударного тока до амплитуды порядка 18 величин и с ограничением номинального тока КЗ до амплитуды порядка 7 величин от номинального тока при напряжении в сети от 10 кВ до 1000 кВ.
Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение скорости переключения, уменьшение потерь мощности в сетях в номинальном режиме и формирование импульса тока КЗ заданной формы.
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях путем ввода токоограничителя при превышении номинального тока в сети в заявляемом способе производят удержание импульса тока короткого замыкания токоограничителем в две ступени, на первой из которых осуществляют быстрое ограничение ударного тока короткого замыкания за время T многоэлементным сопротивлением с активными элементами, основанными на эффекте Холла с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а на второй ступени осуществляют поддержание номинального тока короткого замыкания в течение времени Т многоэлементным сопротивлением с активными элементами с положительным температурным коэффициентом сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой, причем на обеих ступенях ограничение производят при выравнивании напряжения. Время T на первой ступени выбрано не более 2 мс, а время T на второй ступени выбрано не менее 500 мс.
III
V
Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с известным устройством ограничения тока короткого замыкания в электрической сети, содержащим два токоограничителя, в заявляемом устройстве первый токоограничитель состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных полупроводниковых магниторезисторов, твердотельный активный элемент каждого из которых выполнен в виде диска Корбино из полупроводникового материала n-типа AB, расположенных внутри соленоида, а второй токоограничитель состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных терморезисторов, твердотельный активный элемент каждого из которых выполнен из материала с положительным коэффициентом температурного сопротивления (ПТКС).
При решении задачи ограничения тока в линиях электропередач в течение времени ограничения импеданс ограничителя сопоставим или больше импеданса нагрузки. Использование резисторов предполагает передачу в тепло значительной части мощности в течение времени ограничения. Рассеяние большой мощности в виде тепла сложно технически и нецелесообразно экономически. Поэтому резисторы с активными элементами с нелинейной вольт-амперной характеристикой могут быть использованы в ограничителях тока в линиях электропередач большой мощности как элементы, позволяющие осуществить мягкое протекание процессов в сети.
На первой ступени осуществляют безынерционное включение и быстрое ограничение ударного тока КЗ активным элементом, например, из поликристаллического антимонита индия. Это вещество является магниторезистивным материалом, рост сопротивления в котором зависит от величины магнитного поля, приложенного к веществу. Ограничение тока в нем может происходить практически мгновенно. При наличии магнитного поля поперечная проводимость этих материалов снижается примерно на два порядка. Причиной увеличения поперечной проводимости является изменение под действием магнитного поля линий тока, из прямых радиальных в диске Корбино в спиралевидные. Зависимость поперечной проводимости от напряженности поля квадратичная. Соленоид целесообразно питать током цепи, поскольку при этом обеспечивается положительная обратная связь при протекании тока из безынерционного элемента в резистор рассеяния. Однако эти элементы не могут обеспечивать рассеяние мощности длительное время. Поэтому необходима вторая ступень медленного (теплового) ограничения и поддержание номинального тока короткого замыкания. На этой ступени использованы терморезисторы с ПТКС, например керамика из легированного редкоземельными металлами титаната бария или легированной хромом окиси ванадия, а также полимеры с проводящим углеродным наполнителем. При протекании тока в эти элементах происходит омический разогрев. При достижении температуры 80-100°С сопротивление пластинки резко увеличивается и приводит к падению тока через элементы. К максимуму тока элементы переходят в плохо проводящее состояние. В течение относительно короткого времени в элементах рассеивается омическая мощность до 30 МВт. Поэтому на этой стадии для поддержания номинального тока КЗ эти материалы наиболее пригодны. Кроме того, целесообразно обе ступени ограничения производить с выравниванием напряжения. Для этого выполнено параллельное подсоединение шунтирующих резисторов. Это предотвращает перегрев активного элемента и, как следствие, рост напряжения в нем. Если, например, одна пластина с ПТКС начнет переходить в диэлектрическое состояние, то часть тока пойдет через шунтирующий резистор, тем самым уменьшив дальнейший разогрев пластины. Такая многосекционная система обладает большой устойчивостью по отношению к неоднородностям материала.
1
2
1
2
кзу
ном
ном
2
Время Т на первой ступени выбрано не более 2 мс, а время T на второй ступени выбрано не менее 500 мс. Это обусловлено тем, что при протекании ударного тока КЗ за время T более двух миллисекунд может произойти разрушение оборудования, а время Т не менее 500 мс необходимо для срабатывания защитных устройств. Как показано на фиг.1, при отсутствии ограничения ударный ток короткого замыкания может более чем в 100 раз превысить номинальный ток. Ограничение ударного тока КЗ значением 18 номинальных токов (2,55 I≈18I) предотвращает разрушение оборудования. Затем осуществляется поддержание тока КЗ на уровне 7I в течение времени T.
2
Магниторезистивный ограничитель тока включается практически мгновенно и позволяет ограничить ток короткого замыкания до требуемых значений. Однако удержание тока КЗ в течение длительного времени (Т) приводит к рассеянию большой энергии в ограничителе (до 50 МДж для линии 10 кВ/1 кА), поэтому требуется большой объем активного элемента. Вследствие высокой стоимости полупроводниковых элементов стоимость ограничителя тока резко возрастает. Тепловой ограничитель инерционен - ему требуется время для разогрева активного элемента. Активное вещество теплового ограничителя тока очень дешевое (например, полиэтилен с сажей), поэтому использование его на стадии удержания снижает стоимость ограничителя. Таким образом, наиболее оптимальным способом является заявляемый комбинированный способ ограничения, в котором на первой ступени происходит быстрое ограничение тока магниторезистивными элементами, а удержание его в течение длительного времени - тепловыми элементами.
На фиг.1 изображен характерный вид кривой тока КЗ в сети с номинальным током 1 кА, где сплошная линия без ограничения тока, а пунктирная с ограничением.
На фиг.2 изображена функциональная схема ограничения тока по
заявляемому способу и устройству.
На фиг.3 изображен полупроводниковый магниторезистор с активным
элементом на эффекте Холла.
На фиг.4 изображен терморезистор с активным элементом на основе
материала с ПТКС.
На фигурах обозначено:
1 - первый токоограничитель;
2 - второй токоограничитель;
3 - механический размыкатель;
4 - нагрузка;
5 - магниторезистор первого токоограничителя;
6 - терморезистор с ПТКС второго токоограничителя;
7 - шунт магниторезистора;
8 - шунт терморезистора;
9 - активный элемент магниторезистора - диск Корбино первого токоограничителя;
10 - соленоид;
11 - изолятор;
12 - электроды;
13 - активный элемент терморезистора с ПТКС второго токоограничителя;
14 - основные электроды;
15 - проводящие пластины.
1
2
1
2
В заявляемом способе ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях путем ввода токоограничителя при превышении номинального тока в сети удержание импульса тока короткого замыкания токоограничителем производят в две ступени, на первой из которых осуществляют быстрое ограничение ударного тока короткого замыкания за время Т многоэлементным сопротивлением с активным элементом 9, основанным на эффекте Холла с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а на второй ступени осуществляют поддержание номинального тока короткого замыкания в течение времени Т многоэлементным сопротивлением с активным элементом 13 с положительным температурным коэффициентом сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Обе ступени ограничения производят при выравнивании напряжения. Время первой ступени T выбрано не более 2 мс, а время второй ступени T выбрано не менее 500 мс.
III
V
Заявляемое устройство ограничения тока короткого замыкания в электрической сети содержит два токоограничителя 1 и 2, первый 1 из которых состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных с помощью шунтов 7 полупроводниковых магниторезисторов 5, твердотельный активный элемент 9 каждого из которых выполнен в виде диска Корбино из полупроводникового материала n-типа AB, расположенных внутри соленоида 10, второй токоограничитель 2 состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных с помощью шунтов 8 терморезисторов 6, твердотельный активный элемент 13 каждого из которых выполнен из материала с положительным коэффициентом температурного сопротивления. Кроме того, устройство содержит механический размыкатель 3, нагрузку 4, изолятор 11, расположенный между смежными дисками Корбино 9, электроды 12 в магниторезисторе, основные электроды 14 и промежуточные электроды 15 в резисторе с ПТКС.
1
2
В примере реализации способа первую ступень ограничения производят следующим образом. За время Т удержание импульса тока короткого замыкания токоограничителем осуществляют многоэлементным сопротивлением с активными элементами, основанными на эффекте Холла с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а на второй ступени осуществляют поддержание номинального тока короткого замыкания в течение времени T многоэлементным сопротивлением с активным элементом с положительным температурным коэффициентом сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой, причем на обеих ступенях ограничение производят при выравнивании напряжения на элементах.
16
-3
3
В примере реализации заявляемого устройства каждый из магниторезисторов выполнен в виде набора дисков Корбино 9 из InSb. Диски Корбино вставлены в соленоид 10 и подключены встречно в схеме ограничителя, для устранения собственного магнитного поля. Диски Корбино и соленоид включены в цепь последовательно. Диски 9 могут быть выполнены из поликристаллического InSb n-типа с концентрацией подвижных носителей заряда 10 см. Внутренний диаметр диска - 10 мм, внешний - 20 мм, толщина - 2 мм. Полное количество пластин - 20 пар. Каждый диск Корбино шунтирован сопротивлением 0,015 Ом (поз.7 на фиг.2). Каждый из терморезисторов выполнен из последовательного набора пластин 13 с выводами для параллельного подсоединения шунтирующих резисторов 8. Пластины изготовлены из полиэтилена с углеродным наполнением (с концентрацией наполнителя 50% по объему) или титаната бария. Размеры пластин 200×200×2 мм. Количество пластин - 100 шт. Между пластинами проложены медные проводники 15, соединенные параллельно с шунтирующими резисторами номиналом 0,01 Ом.
Работает заявляемое устройство следующим образом. При протекании номинального тока по ограничителю 1 магнитное поле соленоида 10 оказывается много меньше одного тесла, поэтому проводимость магниторезистора оказывается менее 0,005 Ом, а напряжение на нем менее 5 В (при токе 1 кА). Сопротивление терморезистора также менее 0,001 Ом. При протекании тока КЗ магнитное поле в соленоиде достигает 2 Тл (действующее значение), а сопротивление возрастает до 0,1 Ом. В этом случае ток протекает через шунтирующие резисторы 7 и составляет 15 кА (=10кВ/(40×0,015)), т.е. происходит ограничение ударного тока. Через время 0,02 с вследствие нагревания терморезистора с ПТКС 13 его сопротивление возрастает до 1 Ом, и ток начинает протекать через шунтирующие резисторы 8 и ток в цепи ограничивается до 7 кА (последовательно включенные магнито- и терморезисторы). Через время, равное 0,5 с, срабатывает механический размыкатель 3 и цепь разрывается.
Таким образом, по сравнению с прототипом с помощью заявляемого способа и устройства для его реализации удалось сформировать импульс тока КЗ заданной формы, вдвое увеличить скорость переключения и существенно снизить потери мощности в сетях в номинальном режиме.