ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
CURRENT LIMITING DEVICE OF ELECTRIC NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ограничения тока короткого замыкания в сети.
Известно токоограничивающее устройство, представляющее собой последовательно включенный в сеть линейный неуправляемый электрический реактор [1]. Это устройство - токоограничивающий секционный реактор, включенный в сеть последовательно (в разрыв). Такой линейный реактор, соединяющий две части (секции) электрической сети (ЛЭП), снижает ток короткого замыкания (КЗ) по сравнению с током в этой точке ЛЭП без секционного реактора. Одновременно линейный реактор выполняет роль вставки переменного тока, так как он осуществляет связь между двумя частями ЛЭП, позволяя в случае необходимости заимствовать из соседней части ЛЭП активную или реактивную мощность.
Токоограничивающее устройство-аналог имеет ряд недостатков. Главный заключается в том, что оказывается невозможным одновременно обеспечить взаимно противоречивые требования - минимальную потерю напряжения при нагрузке линии (из-за падения напряжения на реакторе) и существенно ограничить ток короткого замыкания. При этом способе также невозможно оптимальным образом изменять или регулировать напряжение на двух частях (секциях) ЛЭП и одновременно обеспечивать необходимый нормированный уровень ограничения тока короткого замыкания.
Этот недостаток удается частично компенсировать в токоограничивающем устройстве резонансного типа [2] - прототипе предлагаемого устройства. Это токоограничивающее устройство (преимущественно трехфазном) - в виде двух частей, с включенным регулируемым токоограничивающим устройством (токоограничивающим реактором) между частями, при этом линейный токоограничивающий реактор включен последовательно в сеть и одним концом соединен с одной частью сети. В каждой из фаз имеется заземляющий нулевой провод. В известное устройство дополнительно введена батарея конденсаторов с выключателем, напряжение на конденсаторе компенсирует падение напряжения в рабочих режимах ЛЭП. Однако при КЗ необходимо конденсатор шунтировать в первый же момент его возникновения. Для этого приходится вводить в схему другие устройства, дополнительно использовать сложные быстродействующие устройства (выключатели, синхронные замыкатели, разрядники, полупроводниковые преобразователи и др.). Кроме того, оказывается невозможным регулировать напряжения в частях ЛЭП, соединяемых токоограничивающим устройством.
Целью изобретения является ликвидация недостатков известного устройства-прототипа, стабилизация напряжения сети за счет введения в него новых элементов и новых связей, а также расширение технологических возможностей за счет плавного регулирования реактивной мощности.
Указанная цель достигается тем, что в токоограничивающее устройство электрической сети в виде двух частей, преимущественно трехфазное, с включенным регулируемым токоограничивающим устройством между частями в каждой из фаз, заземляющим нулевым проводом, причем указанное устройство включает в себя линейный токоограничивающий реактор, батарею конденсаторов с выключателем, при этом линейный токоограничивающий реактор включен последовательно в сеть и одним концом соединен с одной частью сети, дополнительно введены включенные батарея конденсаторов через выключатель и два управляемых шунтирующих реактора. Линейный токоограничивающий реактор вторым концом подключен ко второй части сети, одна батарея конденсаторов и управляемый шунтирующий реактор (УШР) соединены параллельно и подсоединены одним своим концом к концу линейного токоограничивающего реактора, а другим - к заземляющему нулевому проводу. Другая батарея конденсаторов и другой управляемый шунтирующий реактор соединены параллельно и подсоединены одним своим концом ко второму концу линейного токоограничивающего реактора, а другим - к заземляющему нулевому проводу. При этом соотношение размеров и параметров токоограничивающего реактора соответствует условию:
PT
фазн.сети
КЗнорм.
КЗмак
сети мин
x≥U/(I-I)-x,
мощность батареи конденсаторов каждой части электрической сети соответствует условию:
БК
нагр.
PT
Q≥Q+Q/2,
а номинальная мощность управляемого реактора каждой части электрической сети - условию
УР
БК
Q≥0,5 Q,
РТ
где х - индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора,
РТ
0
PT
PT
сети мин
фазн.сети
КЗнорм.
КЗмакс
БК
нагр.
PT
УР
0
PT
PT
2
х=KωµwF/h, x - индуктивное сопротивление той из двух частей электрической сети, в которой это индуктивное сопротивление минимально, U - расчетное фазное напряжение каждой части электрической сети, I - нормируемый максимально допустимый ток короткого замыкания электрической сети, I - расчетный ток короткого замыкания при разомкнутом линейном токоограничивающем реакторе в той из двух частей электрической сети, в которой этот ток максимален, Q - реактивная мощность батареи конденсаторов каждой части электрической сети, Q- реактивная мощность нагрузки каждой части электрической сети,  - расчетная реактивная мощность линейного токоограничивающего реактора, I - расчетный ток линейного токоограничивающего реактора в длительном режиме, Q - номинальная реактивная мощность управляемого шунтирующего реактора каждой части электрической сети, ω - угловая частота сети, µ- магнитная постоянная, w - число витков обмотки, F- расчетная площадь сечения обмотки, h- высота обмотки, K - расчетный коэффициент.
В предложенном токоограничивающем устройстве электрической сети мощность батареи конденсаторов каждой части электрической сети может также соответствовать условию:
нагр.
где S - полная (кажущаяся) мощность нагрузки каждой части электрической сети,
S
K=1÷3 - расчетный коэффициент.
На фиг.1 представлена схема однофазной электрической сети, на фиг.2 - схема трехфазной сети.
Однофазная электрическая сеть (фиг.1) разделена на две части.
В первой части имеются активная нагрузка - сопротивление 7, и реактивная нагрузка - индуктивность 2. Источники мощности 3 этой части сети - генераторы и подходящие питающие сети - отображены электродвижущей силой (ЭДС), имеющей внутреннее активное сопротивление 4, и индуктивность 5.
Во второй части электрической сети (фиг.1) также имеются активная нагрузка - сопротивление 6, реактивная нагрузка - индуктивность 7, источник мощности 8, имеющий внутреннее активное сопротивление 9 и индуктивное сопротивление - индуктивность 10.
Между двумя частями электрической сети включено регулируемое токоограничивающее устройство 11. В состав устройства 11 входит линейный токоограничивающий реактор 12 и два регулируемых источника реактивной мощности (ИРМ) 13 и 14. В первом ИРМ 13 имеется батарея конденсаторов 15 и УШР 16 (например, плавно регулируемый управляемый подмагничиванием реактор). Во втором ИРМ 14 также имеется батарея конденсаторов 17 и УШР 18. Токоограничивающий реактор 12 подключен в линию последовательно, он соединяет между собой две части электрической сети (вводы 19 и 20). Каждый ИРМ 13 и 14 подключен в сеть одним своим концом к концам линейного токоограничивающего реактора 12 - вводам 19 и 20, а другим - к заземляющему проводу 21. Батареи конденсаторов подключены к вводам 19 и 20 через выключатели 22 и 23.
В трехфазной электрической сети (фиг.2) каждая из трех фаз сети (А, В и С) содержит все те же элементы, которые есть в однофазной сети (фиг.1). Поэтому в фазе А повторены все элементы фиг.1. Таким образом, в первой (левой) и второй (правой) частях имеются активные нагрузки (1, 6, 24-27), реактивные нагрузки (2, 7, 28-31), ЭДС (3, 8, 32-35), сопротивления сети (4, 9, 36-39), индуктивности сети (5, 10, 40-43). Между частями сети установлены токоограничивающие устройства (11, 44, 45), имеющие линейные вводы (19 и 20, 46 и 47, 48 и 49) и подсоединенные к заземлению 21.
Устройство работает следующим образом.
КЗ1
КЗнорм.
При возникновении аварийного короткого замыкания в первой части электрической сети - замыкания между вводом 19 (или близкой к нему точкой сети) и заземляющим проводом (землей, нейтралью сети) - точкой 21 - возникает ток КЗ. Этот ток является суммой двух токов КЗ. Первый ток КЗ I создается источником мощности 3 первой части сети и ограничен внутренним сопротивлением (сопротивлением 4 и индуктивностью 5) первой части сети. Второй ток КЗ создается источником мощности 8 второй части сети и ограничен суммой внутреннего сопротивления 9 и 10 второй части сети (в основном индуктивным сопротивлением 9) и сопротивлением линейного токоограничивающего реактора 12. Из-за наличия линейного токоограничивающего реактора 12 суммарный ток оказывается меньшим, чем ток КЗ при его отсутствии. При заданном (нормируемом) максимально допустимом по условиям эксплуатации электрооборудования сети токе КЗ I индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора равно
PT1
где x - индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора,
сети 2
x - индуктивное сопротивление второй части электрической сети,
фазн.сети
U - расчетное фазное напряжение каждой части электрической сети,
КЗнорм.
I - нормируемый максимально допустимый ток КЗ электрической сети,
КЗ1
I - расчетный ток КЗ в первой части электрической сети при разомкнутом линейном токоограничивающем реакторе.
КЗнорм.
Соответственно при возникновении аварийного короткого замыкания во второй части электрической сети - замыкания между вводом 20 (или близкой к нему точкой сети) и заземляющим проводом 21 также возникает ток КЗ. При заданном (нормируемом) токе КЗ электрической сети I индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора должно быть равно
РТ2
где x - индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора,
сети 1
x - индуктивное сопротивление первой части электрической сети,
КЗ2
I - расчетный ток КЗ во второй части электрической сети при разомкнутом линейном токоограничивающем реакторе.
КЗнорм
Для того чтобы ток КЗ сети был не выше нормируемого тока I, необходимо, чтобы реактор 12 имел максимальное из двух возможных сопротивлений, т.е. необходимо выполнение условия:
сети мин
где x - индуктивное сопротивление той из двух частей электрической сети, в которой это индуктивное сопротивление минимально,
КЗмакс
I - расчетный ток КЗ при разомкнутом линейном токоограничивающем реакторе в той из двух частей электрической сети, в которой этот ток максимален.
Обычно линейный токоограничивающий реактор выполняется в виде круглой цилиндрической обмотки, в этом случае индуктивное сопротивление реактора равно
где ω - угловая частота сети,
0
µ - магнитная постоянная,
w - число витков обмотки,
PT
F - расчетная площадь сечения обмотки,
PT
h- высота обмотки,
K - расчетный коэффициент.
Таким образом, задание индуктивного сопротивления линейного токоограничивающего реактора - это фактически задание соотношения геометрических размеров обмотки реактора.
В нормальных условиях работы электрической сети (не аварийных КЗ) может оказаться частный случай, когда обе части сети одинаковые, и ток в линейном токоограничивающем реакторе 12 отсутствует. Однако в других случаях существует переток активной и реактивной мощности из одной части в другую, что является второй необходимой функцией устройства (первая функция - ограничение тока КЗ). В этом общем случае на реакторе 12 возникает падение напряжения - потеря напряжения сети. Кроме того, из-за потребления нагрузкой реактивной мощности и перетока реактивной мощности в частях сети напряжение также может недопустимо снижаться по сравнению с номинальным (в дневное время, при максимуме потребления электроэнергии). Возможно и недопустимое повышение напряжения (в ночное время, при минимальной нагрузке). В этих случаях необходимый уровень напряжения поддерживается за счет компенсации реактивной мощности источниками реактивной мощности 13 и 14.
В первом случае при избытке в сети реактивной мощности она компенсируется при подключении батарей конденсаторов 15 и 17 выключателями 22 и 23 и переводе УШР 16 и 18 в режим их минимальной мощности - режим холостого хода. Реактивная мощность нагрузки и реактивная мощность линейного токоограничивающего реактора компенсируется при соблюдении условия (2):
БК
нагр.
РТ
Q≥Q+Q/2,
БК
где Q - реактивная мощность батареи конденсаторов каждой части электрической сети,
нагр.
Q - реактивная мощность нагрузки каждой части электрической сети,
- расчетная реактивная мощность линейного токоограничивающего реактора,
РТ
I - расчетный ток линейного токоограничивающего реактора в длительном режиме.
Во втором случае при недостатке в сети реактивной мощности она компенсируется переводом УШР 16 и 18 в режим их максимальной мощности при отключении выключателей 22 и 23, т.е. при отключении батарей конденсаторов 15 и 77.
В промежуточных режимах плавным регулированием мощности УШР (автоматическим или ручным) и коммутацией выключателей 22 и 23 осуществляется плавное регулирование напряжения в сети на двух ее участках. Для того чтобы плавное регулирование было во всем диапазоне от выдаваемой максимальной реактивной мощности - суммарной мощности батарей конденсаторов 15 и 77 - до потребляемой максимальной реактивной мощности - суммарной номинальной мощности УШР 16 и 18 - необходимо соблюдение условия (3)
УР
БК
Q≥0,5Q,
УР
БК
т.е, чтобы мощность каждого УШР 16 и 18 Q была более половины мощности батареи конденсаторов 0,5Q.
При возможном аварийном отключении источника мощности одной из частей сети, например при отключении источника 8, нагрузка 6 и 7 в этой части системы будет получать электрическую энергию из первой части системы от источника 3 через линейный токоограничивающий реактор 12. При этом напряжение на нагрузке 6 и 7 резко упадет из-за большого падения напряжения на реакторе 12 и сопротивлениях 4 и 5. В этом предельном случае предлагаемое устройство обеспечивает поддержание напряжения на необходимом уровне, но при этом мощность батарей конденсаторов должна быть существенно увеличена по сравнению с предельным минимальным значением по условию (2). В целях предотвращения неблагоприятных последствий (отключения части сети) при возможном аварийном отключении источника мощности одной из частей сети в предлагаемом устройстве мощность батареи конденсаторов каждой части электрической сети должна соответствовать условию:
нагр.
где S - полная (кажущаяся) мощность нагрузки каждой части электрической сети,
S
K=1÷3 - расчетный коэффициент.
Это необходимо для того, чтобы создать перекомпенсацию реактивной мощности, так как ток из неаварийной в аварийную часть сети (ток реактора 72) носит не индуктивный, а емкостной характер. При этом на индуктивности линейного токоограничивающего реактора 12 возникает не снижение напряжения, а его возрастание. Этим и поддерживается напряжение на нагрузке аварийной части сети.
В рассматриваемом случае затраты на установку дополнительных батарей конденсаторов в десятки раз меньше затрат на альтернативный вариант - резервирование активной мощности, т.е. установку резервной электростанции. Таким образом, предлагаемое управляемое токоограничивающее устройство дополнительно увеличивает надежность работы электрической сети.
По сравнению с аналогами и прототипом предложенное устройство обеспечивает указанный ранее положительный эффект. Индуктивное сопротивление линейного токоограничивающего реактора может быть выбрано достаточно большой величины для того, чтобы ток короткого замыкания не был больше нормированного, так как источники реактивной мощности позволяют плавно компенсировать снижение напряжения в зависимости от нагрузки в сети. В известных токоограничивающих устройствах это не всегда может быть обеспечено, так как возникает большая потеря напряжения в сети и отсутствует возможность ее плавной компенсации.
Предложенное устройство расширяет технологические возможности, так как позволяет плавно регулировать реактивную мощность сети, регулировать и стабилизировать напряжение сети. При отключении источника электрической энергии в одной из частей электрической сети оказывается возможным передача энергии из соседней части сети при сохранении необходимого уровня напряжения за счет компенсации падения напряжения на линейном токоограничивающем реакторе. Таким образом, предложенное устройство является регулируемой вставкой переменного тока и приводит к повышению надежности работы электрической сети.
В настоящее время проведены всесторонние расчетные исследования регулируемых токоограничивающих устройств - вставок переменного тока - на нескольких математических моделях и разработаны технические предложения по установке их в нескольких крупных электрических сетях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др. /Под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 416 с., стр.210, рис.9.14, а.
2. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др. /Под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 416 с., стр.222, рис.9.19 м.