ШУНТИРУЮЩИЙ ТОКООГРАНИЧИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к компенсационным (резонансным) токоограничителям аварийных сверхтоков в энергосистеме, в частности, при возникновении коротких замыканий.
Из уровня техники известно устройство резонансного ограничения тока, которое содержит основную цепь, состоящую из последовательно соединенных токоограничивающего реактора и конденсаторной батареи, причем последняя зашунтирована выключателем с малым временем коммутации в виде встречно-параллельно соединенных тиристоров (фототиристоров), на которые подается управляющий импульс от системы управления. Емкостное сопротивление конденсаторной батареи выбирается равным индуктивному сопротивлению реактора, так что в рабочем режиме эквивалентное сопротивление устройства ограничения токов на частоте 50 Гц равно нулю. Указанное устройство включается последовательно с существующим в энергосистеме основным выключателем токов короткого замыкания. При возникновении сверхтока, амплитуда которого превышает ток уставки, выключатель с малым временем коммутации замыкается, шунтируя конденсаторную батарею, благодаря чему ток короткого замыкания протекает только через токоограничивающий реактор и выключатель с малым временем коммутации. Ток короткого замыкания отключается основным выключателем токов короткого замыкания за время не более 0,1 с, (V.Gor, D.Povn, Lu Yichvan, E.Lerch, D.Retmann, SCCL-A New Type of FACTS Based Short-Circuit Current Limiter for Application In High-Voltage Systems., Международная конференция, 2004 г., стр.В4-209).
Недостатком известного устройства является понижение надежности работы энергосистемы, обусловленное наличием емкости последовательно соединенной с ненагруженным трансформатором или заторможенным двигателем энергосистемы, которые приводят к феррорезонансу напряжений и выгоранию обмоток трансформаторного оборудования.
Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является схема компенсационного токоограничителя, содержащая основную цепь с конденсаторной батареей, зашунтированной выключателем с малым временем коммутации, последовательно соединенным с двумя реакторами, причем система управления измеряет ток на входе компенсационного токоограничителя и напряжение на конденсаторной батарее. Компенсационный токоограничитель включается последовательно с существующим в энергосистеме основным выключателем токов короткого замыкания. В случае превышения уставок тока и напряжения система управления замыкает выключатель, пропуская ток короткого замыкания через оба реактора, минуя конденсаторную батарею. В рабочих режимах ток протекает через емкость конденсаторной батареи, которая компенсирует индуктивное сопротивление системы (Патент Германии №422265, МПК Н02Н 9/02, 1996 г.).
Недостатками известного устройства является необходимость повышать установленную мощность реактора и конденсаторной батареи, входящих в основную цепь, а также их стоимость из-за протекания через компенсационный токоограничитель, наряду с токами короткого замыкания, токов перегрузки и токов, возникающих при подключении холостых трансформаторов и пуске заторможенных двигателей. При этом, установленная мощность КТО может в 3-4 раза превысить номинальное значение мощности установки.
Технический результат заявленного решения заключается в снижении установленной мощности комплектующих шунтирующего токоограничителя и исключении феррорезонанса напряжений.
Поставленная техническая задача решается посредством того, что шунтирующий токоограничитель, содержащий конденсаторную батарею, зашунтированную выключателем с малым временем коммутации и реактором, который последовательно соединен с указанным выключателем, а также систему управления выключателем, согласно полезной модели, дополнительно снабжен токоограничивающим реактором, соединенным последовательно с конденсаторной батареей, и двумя выключателями с малым и длительным временем коммутации, при этом выключатель с малым временем коммутации параллельно соединен с токоограничивающим реактором, выключатель с длительным временем коммутации соединен параллельно с токоограничивающим реактором и конденсаторной батареей, а система управления выполнена с возможностью вариативного переключения выключателей.
Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 приведена схема шунтирующего ограничителя;
- на фиг.2 - график тока фазы при трехфазном коротком замыкании (без шунтирующего токоограничителя);
- на фиг.3 - график тока токоограничивающего реактора 2 (гладкая кривая) и ток выключателя 4 с малым временем коммутации;
- на фиг.4 - ток выключателей 4, 5;
- на фиг.5 - ток выключателей 4, 5, 6, 7.
Шунтирующий токоограничитель содержит цепь 1, состоящую из токоограничивающего реактора 2 и конденсаторной батареи 3, выключатель 4 с малым временем коммутации, снабженный реактором, шунтирует конденсаторную батарею 3, а выключатель 5 с малым временем коммутации шунтирует токоограничивающий реактор 2. Выключатель 6 с длительным временем коммутации соединен параллельно цепи 1. Шунтирующий токоограничитель включен в энергосистему, где последовательно шунтирующему токоограничителю включены основной выключатель 7 токов короткого замыкания существующей энергосистемы, сопротивление 8 энергосистемы, ЭДС 9 энергосистемы. Система 10 управления осуществляет сбор данных с датчиков тока 11, включенных в цепь 1, а также управляет выключателями 4, 5, 6, 7. Моделируются режимы: I, II - соответственно близкого и удаленного короткого замыкания, III - подключение холостого трансформатора, IV - пуск заторможенного двигателя.
Шунтирующий токоограничитель работает следующим образом.
ном
ном
ном
ном
ном
ном
В нормальном рабочем режиме ток протекает через цепь 1 и основной выключатель 7, выключатели 4, 5, 6 - разомкнуты. Эквивалентное сопротивление цепи равно нулю и потери в шунтирующем токоограничителе минимальны. При возникновении короткого замыкания (режим I - близкое короткое замыкание, режим II - удаленное короткое замыкание), если рабочий ток в датчиках 11 превышает уставку номинального тока ~3I, система 10 управления выдает сигнал на замыкание без задержки выключателя 4 с малым временем коммутации. Путь тока короткого замыкания 2-4-7, при этом сопротивление шунтирующего токоограничителя определяется индуктивностью токоограничивающего реактора 2, а ток короткого замыкания ограничен до допустимого для основного выключателя 7 уровня. Основной выключатель 7 отключается сигналом от системы 10 управления за время не более 3-5 периодов (до 0,1 с). Обратные переключения - спустя цикл автоматического повторного включения (~1 с). Выключатели 5, 6 в указанном режиме блокируются. Графики фиг.2, 3 соответствуют режиму трехфазного короткого замыкания на выводах (режим I) шунтирующего токоограничителя напряжением 10 кВ, номинальной мощностью 2,7 МВА (мощность системы 500 МВА). График фиг.2 соответствует току фазы при отсутствии шунтирующего токоограничителя и достигает 54/36 кА (соответственно амплитуды переходного и установившегося тока короткого замыкания). График фиг.3 соответствует указанному режиму при наличии шунтирующего токоограничителя и уставке срабатывания выключателя 4 с малым временем коммутации равной 3I. Амплитуда тока в реакторе составляет 22/11 кА (гладкая кривая графика фиг.3), амплитуда тока в выключателе 4 с малым временем коммутации составляет 29/14 кА, ток выключателя содержит высокочастотную ВЧ гармонику, ограниченную индуктивностью реактора выключателя 4 с малым временем коммутации. В момент времени 0,2 с отключается основной выключатель 7. При выполнении коммутационных операций III, IV (соответственно включение холостого трансформатора и пуск заторможенного двигателя) уровень бросков тока намагничивания стали трансформатора или двигателя зависит от их мощности и обычно в 3-4 раза ниже уровня токов короткого замыкания. В указанных режимах протекание тока по цепи 2-3-7 нецелесообразно из-за возможного возникновения феррорезонанса напряжений. В указанных режимах система 10 управления выявляет наличие коммутации на подстанции либо по характеру режима (по длительности, превышающей длительность короткого замыкания - 0,1 с), либо по амплитуде и спектральному составу: при коротком замыкании - 1-я гармоника, в указанных коммутационных режимах - 1-я, 3-я, 5-я гармоники. Если рабочий ток превышает уставку 1,5-2I, система 10 управления с задержкой 0,02-0,04 включает выключатели 4, 5 на время коммутации и блокирует выключение основного выключателя 7. Затем спустя 0,1 с включается выключатель 6 с длительным временем коммутации и, после чего выключатели 4, 5 выключаются. Путь тока - элементы 4-5-7, 6-7 сопротивление шунтирующего токоограничителя минимально, а длительность такого состояния порядка 1-60 с, после чего выключатель 6 с длительным временем коммутации размыкается. Графики фиг.4, 5 соответствуют режиму включения холостого хода трансформатора напряжением 10 кВ мощностью 10 МВА (режим III) с остаточным его намагничиванием. На графике фиг.4 показан ток выключателей 4, 5, которые замыкаются в момент 0,1 с. Амплитуда тока в цепи шунтирующего токоограничителя достигает 15,6 кА, в токе преобладают 1-я, 3-я, 5-я гармоники, появляются условия для возникновения опасного для изоляции оборудования феррорезонанса напряжений. На графике фиг.5 показан ток выключателей 4, 5, 6, 7, причем выключатели 4,5 включаются подачей импульса от системы 10 управления при превышении уставки 3I в момент 0,1 с, а затем выключаются после включения с выдержкой времени 0,1 с выключателя 6 с длительным временем коммутации, который остается включенным вплоть до момента затухания переходного режима (порядка 1 мин). Основной выключатель 7 в указанном режиме заблокирован. Из кривой графика фиг.5 сравнительно с фиг.4 следует, что амплитуда переходного тока снижается примерно в 4 раза, длительность переходного процесса не превышает 0,3 с, феррорезонансные явления отсутствуют. При возникновении перегрузки по току, вследствие изменения нагрузки потребителей, токоограничивающий реактор 2 и конденсаторная батарея 3 могут выдерживать 1,5 I в течение 10 мин (определяется тепловой постоянной времени изоляции) и с выдержкой времени порядка 1 с система 10 управления подает сигнал на включение выключателей 4, 5 и затем, при сохранении перегрузки 1,5 I, спустя 0,1 с замыкается выключатель 6 с длительным временем коммутации.
ном
уст
ном
уст
ном
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели позволяет снизить установленную мощность шунтирующего токоограничителя в 2-3 раза, т.к. она будет определяться уставкой токовой перегрузки (примерно 1,3 I). При этом установленная мощность оборудования S≈1,7 S вместо S≈3-4 S. Также исключается феррорезонанс напряжений.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для защиты от аварийных сверхтоков резонансным методом и может быть использован в существующих энергосистемах совместно с силовыми трансформаторами и синхронными/асинхронными двигателями;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.