УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ОТ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ ОБМОТКИ

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты управляемых шунтирующих реакторов, и может быть использовано для защиты от витковых замыканий и замыканий на корпус обмоток управляемых шунтирующих реакторов, подмагничивание которых осуществляется постоянным током, протекающим по защищаемым сетевым обмоткам.
Известны устройства релейной защиты от коротких замыканий, применяемые на шунтирующих реакторах: максимальная токовая защита, продольная дифференциальная токовая защита, токовая защита нулевой последовательности, газовая защита (Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М. Энергоатомиздат, 1992 [1]). Однако эти виды защит не обеспечивают достаточной чувствительности и быстродействия при витковых замыканиях обмотки, которые являются одним из основных видов повреждений, вызывающих тяжелые последствия. Продольная дифференциальная защита, по своему принципу работы, не реагирует на витковые замыкания. Токовая защита нулевой последовательности имеет большую выдержку времени. Газовая защита рассматривается, как правило, только в качестве резервной, а время ее срабатывания достаточно большое.
Известно устройство релейной защиты управляемого реактора от внутренних коротких замыканий, состоящее из защиты нулевой последовательности с блокировкой по напряжению и с изменяемой уставкой срабатывания (Патент RU №2126195, кл. Н02Н 7/045, опубл. 10.02.1999 г. Устройство защиты управляемого реактора от внутренних коротких замыканий [2]). Однако данное устройство, по принципу работы, не позволяет определить конкретную фазу реактора, в которой произошло короткое замыкание, что приводит к увеличению затрат на ремонтно-восстановительные работы, связанные с поиском места повреждения.
Наиболее близким техническим решением является устройство защиты от витковых замыканий обмотки на основе поперечной защиты и дифференциального трансформатора тока (Патент RU №2224343, кл. Н02Н 7/045, опубл. 20.02.2004 г. Устройство защиты от витковых коротких замыканий обмотки индукционного аппарата [3]). Данное устройство защиты использует конструктивную особенность высоковольтных шунтирующих реакторов, а именно - расщепление сетевой обмотки реактора на две параллельные обмотки, что позволяет обеспечить сравнение токов двух параллельных обмоток в дифференциальном трансформаторе тока, вторичная обмотка которого подключена к реагирующим органам защиты.
Однако данное устройство, в заявленном виде, не может работать в схеме управляемого шунтирующего реактора при протекании в сетевой обмотке постоянного тока подмагничивания, создаваемом внешним источником постоянного тока, подключаемом между заземляемыми выводами сетевой обмотки, из-за насыщения трансформатора тока. Мощные высоковольтные шунтирующие реакторы, как правило, выполняют однофазными. Трехфазный шунтирующий реактор состоит из трех однофазных.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении работы защиты управляемого шунтирующего реактора от витковых замыканий и замыканий обмоток на корпус в условиях протекания в сетевых обмотках токов, содержащих постоянную составляющую, одновременно позволяя выявлять конкретную фазу трехфазного реактора, в котором происходит повреждение, т.е. защита должна быть пофазной.
Техническим результатом является пофазная быстродействующая чувствительная защита управляемого шунтирующего реактора от витковых замыканий обмотки.
Технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве защиты шунтирующего реактора от витковых замыканий обмотки, имеющего две параллельные сетевые обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопровода, каждая из которых расщеплена на две части и соединена с нейтральным выводом, содержащее трансформаторы тока с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, подключенной к реагирующим органам защиты, новым является то, что управляемый шунтирующий реактор выполнен с источником постоянного тока подмагничивания, подключенным к сетевым обмоткам через нейтральные выводы, при этом первичные обмотки трансформаторов тока соединены последовательно с расщепленными частями этих же обмоток, расположенными на разных стержнях магнитопровода, а вторичные обмотки подключены к реагирующим органам защиты по дифференциальной схеме.
Такое включение трансформаторов тока позволяет исключить влияние постоянной составляющей тока, протекающей в сетевых обмотках, на подмагничивание трансформаторов тока, т.к. обеспечивает взаимную компенсацию магнитного потока в магнитопроводе трансформатора тока от составляющей постоянного тока в первичных обмотках и суммирование потока, и, следовательно, тока, от составляющей переменного тока. Таким образом, на вторичных обмотках каждого из двух трансформаторов тока получается сумма переменных составляющих токов двух из четырех обмоток шунтирующего реактора.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Управляемый шунтирующий реактор проектируется и изготавливается так, чтобы минимизировать технологические различия в характеристиках стержней магнитопровода и сетевых обмоток. Кроме того, трансформаторы тока специально подбираются парами по характеристикам намагничивания, поэтому при включении вторичных обмоток трансформаторов тока по дифференциальной схеме в реагирующем органе защиты будет протекать практически только ток небаланса защищаемых обмоток.
Предлагаемое устройство, показанное на фиг.1, представляет собой одну фазу трехфазного управляемого шунтирующего реактора с устройством защиты.
Однофазный управляемый шунтирующий реактор, показанный на фиг.1, содержит общую магнитную систему с двумя стержнями 1 и 2, намагничиваемыми источником постоянного тока подмагничивания 3 в противоположных направлениях. На каждом стержне магнитопровода расположена сетевая обмотка, расщепленная на две части. Расщепленная сетевая обмотка 4, 5 расположена на первом стержне магнитопровода, а расщепленная сетевая обмотка 6, 7 на втором. Сетевые обмотки стержней имеют общий линейный вывод 8, при этом каждая расщепленная часть соединена с отдельными нейтральными выводами 9, 10, выводимыми на крышку бака (на фиг. не показан) шунтирующего реактора. Через эти же нейтральные выводы источник постоянного тока подмагничивания 3 подключен к сетевым обмоткам. Устройство защиты содержит трансформаторы тока 11, 12 с двумя первичными обмотками 13 и вторичной обмоткой 14. Вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к реагирующим органам защиты 15.
Ток шунтирующего реактора регулируется в результате насыщения стержней магнитопроводов 1, 2 однофазных реакторов постоянным магнитным потоком, создаваемым внешним источником постоянного тока подмагничивания 3, подключенного к нейтральным выводам 9, 10 сетевых обмоток реактора. Направление протекания постоянного тока по сетевым обмоткам реактора и первичным обмоткам 13 трансформаторов тока 11, 12 показано на фиг.1 тонкими стрелками. Переменный магнитный поток (толстые стрелки) в стержнях возбуждается напряжением сети, приложенным к общему линейному вводу 8 сетевой обмотки реактора. Направление магнитного потока от постоянного тока, в отличие от магнитного потока от напряжения сети, не изменяется во времени.
Как показано на фигуре, в течение одного полупериода частоты сети, постоянный (тонкая стрелка) и переменный (толстая стрелка) магнитные потоки в первом стержне 1 однофазного реактора направлены встречно, во втором стержне 2 - согласно. Стержень с согласным направлением потоков частично или полностью насыщается и по его обмотке течет ток, имеющий вид однополупериодного выпрямления. Стержень со встречным направлением потоков остается ненасыщенным, ток в его обмотке практически отсутствует. В течение следующего полупериода переменный поток изменяет свое направление. В первом стержне направление потоков становится согласным, он насыщается и по его обмотке течет ток, имеющий вид однополупериодного выпрямления другой полярности. Во втором стержне потоки направлены встречно, стержень ненасыщен, ток практически отсутствует. Далее процесс повторяется. Таким образом, во вторичных обмотках 14 трансформаторов тока 11, 12, суммирующих токи обмоток разных стержней, протекает только переменный ток, образованный полуволнами токов разной полярности, сдвинутыми на полпериода частоты сети. Вторичные обмотки 14 трансформаторов тока 11, 12 включают по дифференциальной схеме и подключают к входу реагирующих органов защиты 15.
В нормальном режиме, при отсутствии замыканий в обмотках, при любых внешних возмущениях дифференциальный ток двух трансформаторов тока имеет минимальную величину, определяемую током небаланса и от которой отстраиваются реагирующие органы защиты. Схемотехника реагирующего органа защиты может быть реализована на любой элементной базе - электромеханической, полупроводниковой или цифровой.
При витковых замыканиях в, какой либо, сетевой обмотке одной из фаз трехфазного управляемого шунтирующего реактора, дифференциальный ток возрастает, что приводит к срабатыванию реагирующих органов защиты и отключению либо одной фазы, либо полностью управляемого шунтирующего реактора. При этом сразу определяется фаза реактора, в которой произошло короткое замыкание. Это позволяет существенно уменьшить временные и материальные затраты на ремонтно-восстановительные работы. Проектирование и изготовление управляемого шунтирующего реактора с учетом минимизации технологических различий характеристик стержней магнитопровода и сетевых обмоток, а также подбор трансформаторов тока по характеристикам намагничивания обеспечивает высокую чувствительность и быстродействие предлагаемого устройства защиты управляемого шунтирующего реактора.
Заявляемое устройство применяется для защиты от витковых замыканий и замыканий на корпус управляемых шунтирующих реакторов, используемых для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на высоковольтных линиях электропередачи переменного тока и подстанциях электроэнергетических систем.
Источники информации:
1. Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М. Энергоатомиздат, 1992.
2. Патент RU №2126195. Устройство защиты управляемого реактора от внутренних коротких замыканий. Кл. Н02Н 7/045, опубл. 10.02.1999 г.
3. Патент RU №2224343. Устройство защиты от витковых коротких замыканий обмотки индукционного аппарата. Кл. Н02Н 7/045, опубл. 20.02.2004 г. (прототип).