СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМАХ ЗАЩИТЫ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD TO LIMIT SHORT-CIRCUIT CURRENT IN SYSTEMS OF PROTECTION AGAINST DAMAGE OF HIGH-VOLTAGE EQUIPMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, оно относится к способам и устройствам защиты высоковольтного электротехнического оборудования от разрушения. Изобретение позволяет создавать быстродействующие устройства защиты оборудования с рабочим напряжением 35-750 кВ от разрушения токами короткого замыкания до 350 кА без использования дорогостоящих токоограничивающих реакторов.
Уровень техники
Для защиты электрооборудования от разрушения токами короткого замыкания и вообще от сверхдопустимых токов, используют различные способы ограничения тока [1-5]. Наиболее часто используемым способом, см. Фиг.1 [6, 7], является способ включения токоограничивающего реактора (индуктивности) 1 в электрическую цепь от источника тока 9 последовательно перед нагрузкой 8. Параллельно реактору 1 подсоединяют ограничитель тока 2 (в данном примере - Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP) для систем в диапазоне напряжений 2,8-38 кВ), который в исходном состоянии накоротко его замыкает. В некоторых схемных решениях для ограничителей тока, выполненных в виде каскада размыкающих элементов 4, применяют делитель напряжения, например, с использованием электрических конденсаторов, с целью требуемого распределения и замедления роста напряжения между размыкающими элементами. Разъединители (отключатели без тока) 5 используют для кратковременного отсоединения разомкнутого ограничителя тока 2 при замене плавкого предохранителя 3 и размыкающих элементов 4 разового действия.
Реактор 1 рассчитывается, как правило, на относительно длительный период времени работы в режиме ограничения тока 3-9 с. Ток ограничивается реактором 1 до такого значения, которое может быть безопасно прервано отключателем 6. Реактор 1 должен выдерживать токи короткого замыкания в течение долей секунды, то есть до тех пор пока не произведут отключение нагрузки отключателем 6. Таким образом, период времени работы реактора в режиме ограничения тока определяется быстродействиями отключателя 6 и используемой автоматики, вырабатывающей сигнал отключения нагрузки (или временем реакции диспетчера - несколько десятков секунд, если отключение производят вручную). За этот период времени в электрической цепи возникают переходные процессы, которые показаны на Фиг.2. Ухудшение качества электроэнергии, импульсные помехи, пики напряжения и пр. возникают из-за быстрого подключения в цепь нагрузки индуктивной составляющей, т.е. реактора 1. Размеры реактора 1 определяются максимально возможным током короткого замыкания для конкретной нагрузки потребителя и параметрами отключателя 6. Но если максимальный ток размыкания отключателя 6 по паспорту меньше тока в цепи нагрузки в момент короткого замыкания, например, в точке 7 цепи у одного потребителя в 2 и более раз, то реактор становится громоздким и чрезвычайно дорогостоящим оборудованием. Также резко увеличивается стоимость реактора и снижается качество электроэнергии в момент короткого замыкания в цепи нагрузки при рабочих напряжениях более 35 кВ. Бывают случаи, когда уровень токов короткого замыкания увеличивается в силу изменения свойств потребителя электроэнергии, вследствие чего, чтобы удовлетворить новым условиям работы, потребителю приходится менять оборудование распределительного устройства, в том числе и токоограничивающий реактор. Причем у схемы ограничения тока с помощью реактора налицо огромные минусы: с одной стороны модернизация распределительного устройства приводит к большим капиталовложениям, с другой стороны применение реакторов ведет к потерям напряжения и всем вытекающим отсюда негативным последствиям [2].
Применение размыкателей, отключателей и ограничителей тока на основе отключающих коммутационных устройств взрывного типа (ОКУ-ВТ) с разрушаемым токопроводящим элементом "Ромашка", имеющих достаточно большие напряжения пробоя и допустимый ток на одном ОКУ, позволяет отказаться от традиционных дорогостоящих токоограничивающих реакторов. Это обусловлено тем, что современные размыкатели и отключатели на основе ОКУ обладают следующими свойствами:
- время срабатывания составляет не более 1 мс;
- напряжение пробоя размыкателя (отключателя) может быть сделано соизмеримым рабочему напряжению на нагрузке, то есть увеличено вплоть до 750 кВ;
- допустимый ток размыкания может быть сделан не меньше тока короткого замыкания в цепи нагрузки, то есть увеличен до 300 кА;
- надежность срабатывания составляет 100%;
- полностью исключен человеческий фактор в принятии решения об отключении нагрузки при коротких замыканиях и электрических пробоях.
В схеме на Фиг.1, если выполняются условия того, что длительность процесса токоограничения составит не более 0,1-3 с, то есть используется ОКУ, то токоограничивающий реактор может быть заменен простым реактивным сопротивлением.
Сущность изобретения
Ближайшими по назначению прототипом настоящего изобретения являются способ включения токоограничивающего реактора последовательно в цепь нагрузки с помощью ограничителя тока (размыкателя) на напряжение 38 кВ, реализованный, например, в схемном решении CLiP [7].
Предлагаемый в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно для ограничения больших токов, представлен на Фиг.3. От известных способов ограничения токов [2, 6, 7] с использованием токоограничивающих реакторов (индуктивных сопротивлений) он отличается тем, что:
- при возникновении короткого замыкания или сверхдопустимого тока (тока больше предельного значения для конкретной электрической цепи) ток в цепи нагрузки ограничивают активным сопротивлением, далее по тексту - токоограничивающее сопротивление (ТОС);
- включение ТОС в цепь нагрузки производят размыканием накоротко замыкающей его электрической цепи с помощью размыкателя с управляемым временем размыкания;
- период времени включения ТОС в цепь нагрузки устанавливают больше времени отключения нагрузки с требуемым запасом;
- теплоемкость и мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такими, чтобы за период времени включения его в цепь нагрузки при заданном максимально возможном значении ограничивающего тока оно не успело нагреться из-за выделяемой на нем мощности свыше допустимой (заданной с запасом) для него температуры;
- мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такой, чтобы при параллельном соединении его с замкнутым накоротко размыкателем при непрерывном режиме работы в цепи нагрузки температура ТОС незначительно превышала температуру окружающей среды;
- скорость роста напряжения на размыкателе до напряжения меньше его пробоя с заданным запасом замедляют с помощью электрического конденсатора на время, большее времени отключения тока нагрузки;
- сигнал на отключение нагрузки подают после ограничения тока и напряжения до значений, допустимых (заданных с запасом) для нормальной работы отключателя тока нагрузки;
- динамические параметры ТОС, размыкателя ТОС, отключателя тока нагрузки и аппаратуры управления без изменения основного оборудования могут быть в комплексе оптимизированы с точки зрения выполнения изменяющихся требований к функции защиты, размерам ТОС, потерям и ухудшению качества электроэнергии в цепях источника электроэнергии.
Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно к ограничению тока короткого замыкания до 300 кА при высоких рабочих напряжениях с использованием ТОС, работает следующим образом, см. Фиг.3.
В исходном состоянии в цепи 2 защищаемого от разрушения током короткого замыкания источника тока 1 и электрооборудования 9 в размыкателе 5 и отключателе 8 все ОКУ замкнуты. В цепи 2 нагрузки через размыкатель 5 и отключатель 8 штатной системы ток течет равным номинальному значению. Падения напряжений на размыкателе 5 и отключателе 8 близки к нулю. ТОС 7 замкнуто накоротко размыкателем 5 и ток через него мал. ТОС в исходном состоянии (в режиме ожидания) нагревается до температуры чуть выше температуры окружающей среды за счет выделения на нем незначительной мощности.
В момент регистрации тока короткого замыкания с помощью измерителя тока 3 и аппаратуры управления 4 сигналы на размыкание цепи сначала поступают на размыкатель 5. Последующее отключение производится штатной системой 8. После срабатывания ОКУ 5 ток в цепи нагрузки ограничивается ТОС 7 до такого значения, при котором отключатель 8 штатной системы способен отключить нагрузку безаварийно (без разрушения, пробоя). Интервал времени между моментами срабатывания размыкателя 5 и отключателя 8 может быть таким, чтобы обеспечить отсутствие перегрева ТОС 7. Потери и ухудшения качества электроэнергий в цепях источника электроэнергии становятся минимально возможными, поскольку отсутствуют фазосдвигающие эффекты от подключения индуктивности, а время плавного отключения нагрузки может быть оптимизировано в соответствии со свойствами нагрузки потребителя и составлять не более 1-3 мс. Отключатели 6 необходимы для замены разрушаемых элементов в ОКУ-ВТ. К ТОС могут быть подключены в параллель несколько сборок 10 с целью увеличения надежности и обеспечения резерва.
Заявленный в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования позволяет отказаться от использования для ограничения тока дорогостоящих и громоздких токоограничивающих реакторов.
Промышленная применимость
Способ испытан и может быть применен для ограничения тока в высоковольтном оборудовании с последующим автоматическим отключением нагрузки при рабочих напряжениях до 220 кВ и выше, с целью устранения разрушений токами короткого замыкания с возможными значениями до 300 кА. Изобретение позволяет разработать и быстро организовать производство российских дешевых, надежных и простых в эксплуатации систем защиты от разрушения электрооборудования от перегрузок взамен использования громоздких токоограничивающих реакторов со слаботочными аналогами ограничителей тока зарубежных фирм.
Использование изобретения в новых и модернизации действующих системах электроснабжения, электрических подстанциях и в других энергообъектах позволит исключить человеческий фактор в причинах аварий, устранить аварии от перегрузок по току и повысить их взрывобезопасность.
Список литературы
1. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. И.М.Адоньев, В.В.Афанасьев, и др. Под ред. В.В.Афанасьева: - Л: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1981, - 544 с.: с ил.
2. Коммутационные ограничители тока. П.Елагин. ООО "РОСПОЛЬ-ЭЛЕКТРО", Санкт-Петербург. Ж. "Новости электротехники", №4(28), 2004.
3. Патент WO 2003081741, заявка DE 0300896 13.03.2003 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Franke Henry (DE), Gnoerrlich Uwe (DE) и др.
4. Патент ЕР 0971470 А2 12.01.2000 Patentblatt 2000/02, приоритет 09.07.1998 DE 19832591, заявитель SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Rehaag Hans (DE), Pancke Andreas (DE).
5. Патент WO 2005027296, заявка DE2004001908 24.08.2004 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Buxton Clifford A. (US), Liebetruth Marc (DE) и др.
6. Коммутационные ограничители тока. Новые устройства для защиты электрооборудования. Авт. Павел Елагин. ООО "Росполь-Электро" г.Санкт-Петербург. Журнал "Новости Электротехники" №4(58) 2009. Информационно-справочное издание: info@news.elteh.ru.
7. Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP) For systems rated 2.8-38 kV, and continuous currents through 5000 A. G&W ELECTRIC CO. Catalog SG4-31J. Web site: gwelec.com. ISO 14001 Certifie.