УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для снижения уровня воздействующих коммутационных перенапряжений на электрооборудование, в частности на высоковольтные двигатели и трансформаторы, работающие в сетях 1-10 кВ с неэффективно заземленной нейтралью.
Известна электрическая сеть с малым током замыкания на землю (патент RU №2110878 С1, приоритет от 29.03.95, кл. Н02Н 9/06, H02J3/00), содержащая сборные шины и подключенные к ним через вакуумные выключатели присоединения с питающими трансформаторами и электродвигателями, ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).
Недостатком такой сети является неэффективное снижение уровня перенапряжений при коммутации нагрузки (двигателя или трансформатора). Ограничитель перенапряжений при подключении между фазными выводами и "землей" позволяет снизить перенапряжения в основном на главной изоляции электрооборудования; при этом количество повторных зажиганий и перенапряжений с крутыми фронтами, оказывающих негативное воздействие на межвитковую (продольную) изоляцию электрооборудования, уменьшается несущественно. Повторные зажигания приводят к постоянному нарастанию (эскалации) перенапряжений. "Срабатывание" ОПН происходит в том случае, когда напряжение на зажимах электрооборудовании за счет эскалации перенапряжений превышает величину остающегося напряжения. До момента "срабатывания" ограничителя перенапряжений на оборудование воздействуют перенапряжения с крутым фронтом. В данном случае ограничитель перенапряжений установлен параллельно контактам вакуумного выключателя, что приводит к небольшому снижению уровня перенапряжений, но не защищает оборудование от повторных зажиганий и не снижает крутизну нарастания напряжения при повторных зажиганиях.
Известна система питания трансформатора с изолированной нейтралью (авторское свидетельство SU №1427468 А1, приоритет от 26.02.1986, кл. Н02Н 9/04) с блоком защиты от перенапряжений, включающим в себя конденсаторы, подключенные к обмоткам высшего напряжения трансформатора, соединенным в звезду через коммутационный аппарат.
Недостатками известного технического решения являются значительные масса и габариты устройства, что обусловлено применением двух коммутационных аппаратов совместно с блоком защиты от перенапряжений, невысокая надежность работы устройства за счет большого числа операций при эксплуатации устройства, отсутствие резистора в блоке защиты от перенапряжений, отсутствие единого монолитного корпуса устройства из изоляционного материала.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений (патент на полезную модель RU №44008 U1, приоритет от 07.06.2004, кл. МПК Н02Н 9/04, Н02Н 9/06, H01C 7/12). Устройство содержит три однофазные RC-цепи, при этом каждая из которых заключена в свой герметичный корпус и содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор. Вход и выход RC-цепи выведены наружу с помощью двух проходных разноуровневых изоляторов. В каждом из трех герметичных корпусов резистор и конденсатор жестко закреплены и разделены диэлектрической, герметичной перегородкой,
Недостатками известного устройства являются большой уровень перенапряжений, а также большие габариты и масса устройства из-за применения проходных изоляторов и коробчатого металлического корпуса, высокая подверженность частей устройства, а именно проходных изоляторов, повреждению при механических воздействиях (удары, падения). Устройство имеет жесткий коробчатый корпус, а не монолитный корпус из эластичного и упругого электроизоляционного материала, выводы устройства выполнены без помощи гибких высоковольтных проводов.
Полезная модель направлена на решение задачи снижения уровня перенапряжений, уменьшения массы и габаритов устройства защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений и повышения надежности его работы.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений, включающем 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, 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".
В предлагаемой полезной модели выполнение внешних выводов каждой RC-цепочки в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами или в виде контактной площадки способствует уменьшению масса габаритных показателей и повышению защищенности от механических воздействий, так как позволяет отказаться от использования проходных изоляторов.
Выполнение конденсатора и резистора безындуктивными способствует уменьшению количества повторных зажиганий и обеспечивает эффективное снижение уровня перенапряжений за счет уменьшения крутизны и амплитуды воздействующих перенапряжений.
Выполнение герметичного корпуса монолитным из эластичного и упругого электроизоляционного материала, при этом форма корпуса повторяет форму резистора с конденсатором, которые расположены один над другим так, что их продольные оси параллельны, позволяет уменьшить массу и габариты устройства, увеличивает устойчивость устройства к воздействию внешней среды и к воздействию воды, масел и бензина, повышает эксплуатационную надежность устройства в целом. Слой эластичного электроизоляционного материала, образующего монолитный корпус устройства, образует герметичную изоляционную оболочку устройства, толщина которой между поверхностью устройства и внутренними частями является фиксированной на всей боковой площади устройства.
Выполнение герметичного диэлектрического элемента с помощью литья так, что он занимает все свободное пространство внутри корпуса также способствует уменьшению габаритов и массы устройства, а также способствует надежной механической фиксации и электрической изоляции резистора и конденсатора в корпусе.
Выполнение закладных элементов, с помощью которых резистор и конденсатор каждой RC-цепочки жестко закреплены в корпусе, так, что они охватывают и резистор и конденсатор и повторяют форму поперечного сечения корпуса способствует повышению технологичности изготовления устройства.
Возможность электрического соединения RC-цепочек как по схеме "звезда" с изолированной нейтральной точкой, так и по схеме "треугольник" расширяет функциональные возможности и область применения устройства.
Оценим габаритные размеры и массу ближайшего аналога для случая использования в сети с напряжением 6 кВ при емкости конденсатора 0,1 мкф. Корпус устройства выполняется из металла, для вывода зажимов RC-цепи используются проходные изоляторы. Для изоляции контактных соединений конденсатора и резистора могут использоваться, во-первых - воздушные зазоры, во-вторых - твердая изоляция, например, эпоксидная смола.
В первом случае - при использовании воздушных зазоров в качестве изоляции - необходимо выдержать расстояния между конденсатором и заземленным дном и заземленными стенками корпуса для сети класса напряжения 6 кВ не менее 90 мм, расстояние между выводами резистора и конденсатора - не менее 100 мм /Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 5-й выпуск. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2006/. При расположении конденсатора и резистора в вертикальной плоскости друг над другом при помощи поддерживающих элементов из диэлектрических материалов, высота от дна корпуса до верха составляет приблизительно 435 мм, полная высота с учетом высоты изолятора составляет приблизительно 515 мм. Ширина и длина устройства составляет приблизительно 255 мм и 360 мм соответственно. Масса RC-цепи составляет приблизительно 5,4 кг.
Во втором случае - при использовании твердой изоляции - расстояние от дна блока RC-цепи до верха составляет 265 мм, полная высота с учетом размера изолятора составляет приблизительно 345 мм. Ширина и длина устройства примерно составляет 95 мм и 210 мм соответственно. Масса устройства составляет приблизительно 9,9 кг.
Габаритные размеры предлагаемого устройства в случае использования в сети с напряжением 6 кВ при емкости конденсатора 0.1 мкф не превышают 95×210×125 мм, что меньше в случае устройства с воздушными зазорами в 2,7×1,7×4,1 раза соответственно и в случае с применением твердого диэлектрического материала 1×1×2,8 раза соответственно. Масса предлагаемого изобретения не превышает 2,6 кг, что меньше массы ближайшего аналога в случае устройства с воздушными зазорами в 2,1 раза, и в случае с твердой изоляцией в 3,8 раза.
На фиг.1 приведен общий вид однофазной RC-цепи в корпусе внешними выводами в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами. На фиг.2 приведен общий вид однофазной RC-цепи с внешними выводами в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами без корпуса из эластичного материала. На фиг.3 приведен поперечный разрез однофазной RC-цепи с внешними выводами в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами.
На фиг.4 приведен общий вид блока однофазной RC-цепи в корпусе с внешними выводами в виде контактной площадки. На фиг.5 приведен общий вид однофазной RC-цепи с внешними выводами в виде контактной площадки без корпуса из эластичного материала. На фиг.6 приведен поперечный разрез однофазной RC-цепи с внешними выводами в виде контактной площадки.
На фиг.7 приведена электрическая схема однофазной RC-цепи. На фиг.8 приведена электрическая схема устройства защиты, в котором три RC-цепи включены по схеме "звезда с землей". На фиг.9 приведена электрическая схема устройства, в котором три RC-цепи включены по схеме "звезда без земли". На фиг.10 приведена электрическая схема устройства, в котором три RC-цепи включены по схеме "треугольник". Схемы соединения "звезда без земли" и "треугольник" являются более предпочтительными, т.к. при таких схемах подключения не происходит увеличения тока однофазного замыкания на землю, что является критичным в сетях 1-10 кВ.
На фиг.11 приведен пример использования предлагаемого устройства защиты в электрической сети с ненагруженным трансформатором. На фиг.12 приведены расчетные кривые напряжения (uтрА, uтрВ, uтрС, uN - напряжения на фазах А, В, С трансформатора и его нейтрали соответственно) при отключении ненагруженного трансформатора, полученные путем математического моделирования. На фиг.13 приведены расчетные кривые напряжения на фазах трансформатора uтрА, uтрВ, uтрС и его нейтрали uN при математическом моделировании по схеме замещения фиг.11 при подключении между трансформатором и выключателем защитных RC-цепей по схеме "треугольник".
Предлагаемое устройство защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений содержит три одинаковые однофазные RC-цепи. Каждая RC-цепь представляет собой автономный блок, заключенный в герметичный корпус 1 и включающий в себя в первом варианте, приведенном на фиг.1, закладную металлическую пластину 2, внешние выводы с гибкими вводными элементами 3 и гибкими высоковольтными проводами 4. Внутри корпуса 1 на металлической пластине 2 с помощью эластичных закладных элементов 5, установлены конденсатор 6 и резистор 7, образующие RC-цепь. -
Конденсатор 6 и резистор 7 последовательно соединены закреплены в корпусе 1 и разделены между собой герметичным диэлектрическим элементом. Конденсатор 6 и резистор 7 выполнены безындуктивными. Герметичный корпус 1 выполнен монолитным из эластичного упругого электроизоляционного материала, при этом форма корпуса повторяет форму резистора 7 с конденсатором 6, 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 1.
Блок RC-цепи не содержит оголенных контактных поверхностей, подключение его к защищаемому электрооборудованию осуществляется с помощью высоковольтных проводов 4, присоединенных к внутренним частям блока через вводные элементы 3 в корпусе 1. Металлическая пластина 2 не имеет гальванической связи с внутренними токоведущими частями блока и служит для его крепления в заданном положении.
На фиг.2 изображен блок RC-цепи в собранном состоянии без монолитного корпуса 1. Элементы RC-цепи - конденсатор 6 и резистор 7 - устанавливаются один над другим с помощью эластичных закладных элементов 5, которые крепятся на металлической пластине 2. После этого смонтированный блок RC-цепи помещается в литьевую металлическую форму и заливается электроизоляционным эластичным материалом, в результате чего образуется корпус 1 и, одновременно, герметичный диэлектрический элемент, занимающий все свободное пространство внутри корпуса 1, причем внешние контуры корпуса в точности совпадают с контурами закладных элементов и компонентов, образующих RC-цепь, как показано на фиг.3.
На фиг.4,5 приведен второй вариант выполнения блока RC-цепи, который содержит конденсатор 6, резистор 7, эластичные закладные элементы 5, а также металлические закладные пластины 10 и контактные площадки 9, расположенные на торцах блока RC-цепи, заключенного в корпус 8. Такое исполнение позволяет осуществлять крепление блока с помощью контактных площадок 9 непосредственно на открытые токоведущие части (жесткие шины) с помощью болтовых соединений, что способствует уменьшению вероятности повреждения при падениях. Резистор 7 и конденсатор 6 соединены с контактными площадками 9 при помощи закладных элементов из эластичного электроизоляционного материала 5 и не имеют между собой жесткой механической связи. Внешняя форма корпуса 8 повторяет форму закладных элементов и компонентов блока, как показано на фиг.6, что способствует уменьшению массогабаритных показателей устройства.
На фиг.11 приведен пример использования предлагаемого устройства защиты в электрической сети с ненагруженным трансформатором. На фиг.11 приведена трехфазная схема замещения, содержащая трехфазную систему 11 электроснабжения, соединенную через первый кабель 12, вакуумный выключатель 13, второй кабель 14 и устройство 15 защиты от коммутационных перенапряжений с ненагруженным трансформатором 16. Устройство 15 защиты включает в себя три RC-цепи, включенных по схеме соединения «треугольник».
Устройство защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений работает следующим образом.
При разведении контактов в вакуумной дугогасящей камере вакуумного выключателя 13 возникает дуга, горящая в парах металла (Фиг.11). Из-за малой величины тока ненагруженного трансформатора 16 обрыв тока во всех трех фазах происходит практически одновременно при отсутствии разброса в работе полюсов вакуумного выключателя 13. При этом происходит переход магнитной энергии, запасенной в индуктивности трансформатора 16, в энергию, запасенную в емкостных элементах трансформатора 16, выражающийся в значительном повышении напряжения на зажимах трансформатора 16. Переход электромагнитной энергии можно описать выражением:
где L - индуктивность ненагруженного трансоформатора,
С - входная емкость трансформатора,
0
i - величина тока в момент обрыва,
u - напряжение на зажимах трансформатора
При увеличении напряжения на зажимах трансформатора 16 происходит увеличение напряжения между контактами выключателя 13. При достаточно высокой скорости повышения напряжения, приложенного к межконтактному промежутку, происходит повторное зажигание. Повторные зажигания приводят к повреждению межвитковой изоляции и выходу из строя оборудования. Незначительная входная емкость трансформатора 16 и наличие электромагнитных связей между фазами приводит к значительному числу повторных зажиганий. Повторные зажигания приводят к возникновению волн напряжения с крутым фронтом, воздействующих на витковую изоляцию. Скорость нарастания напряжения на зажимах нагрузки может быть найдена согласно следующему выражению:
На фиг.12 приведены расчетные кривые напряжения (uтрА, uтрВ, uтрС, uN -напряжения на фазах А, В, С трансформатора и его нейтрали соответственно) при отключении ненагруженного трансформатора 16, полученные путем математического моделирования с учетом /M.Popov, E.Acha. Overvoltages due to switching off an unloaded transformer with a vacuum circuit breaker. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.14, No.4, October 1999, pp.1317-1322/ по схеме замещения фиг.11. Мощность трансформатора 2000 кВА, входная емкость "фаза-земля" трансформатора СФТ=2,66 нФ и "фаза-фаза" трансформатора СФФТ=0,53 нФ, длина кабеля между трансформатором и выключателем 45 м и между выключателем и системой шин 200 м. Скорость восстановления межконтактной прочности принимается равной k=20 кВ/мс. Количество повторных зажиганий составило 27, 28 и 12 шт. для фаз А, В и С соответственно, максимальные перенапряжения составляют 9,6 кВ (1,96 Uфmах).
Предлагаемое устройство защиты от коммутационных перенапряжений 15 позволяет уменьшить скорость нарастания напряжения, приложенного между контактами выключателя 13, за счет существенного увеличения входной емкости нагрузки (емкость трансформатора или емкость двигателя), тем самым уменьшая количество повторных зажиганий, вероятность их возникновения и крутизну воздействующего напряжения.
На фиг.13 приведены расчетные кривые напряжения на фазах трансформатора uтрА, uтрВ, uтрС и его нейтрали uN при математическом моделировании по схеме замещения фиг.11 при подключении между трансформатором 16 и выключателем 13 устройства 15 защиты, в котором три RC-цепи включены по схеме "треугольник" (при емкости конденсатора С=100 нФ и сопротивлении резистора R=50 Ом). Количество повторных зажиганий составило 1, 4 и 0 шт. для фаз А, В и С соответственно, максимальные перенапряжения не превышают 5,93 кВ (1,21 Uфmax).
Таким образом, установка защитных RC-цепей позволила существенно сократить количество повторных зажиганий и существенно снизить уровень воздействующих перенапряжений.
Заявляемое устройство защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений эффективно понижает уровень перенапряжений при уменьшенных массогабаритных показателях и повышенной надежности работы устройства защиты электрооборудования в целом.