УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ УСТАНОВКИ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

Полезная модель относится к электроэнергетике и может использоваться на электрических станциях и подстанциях для защиты высоковольтных выпрямителей установок плавки гололеда постоянным током.
В настоящее время плавка гололеда на воздушных линиях электропередачи производится постоянным или переменным током высокого напряжения. Плавка гололеда постоянным током имеет основное значение по сравнению с плавкой переменным током. Это объясняется возможностью плавления гололеда на линиях большей длины и простотой регулирования тока при использовании управляемых выпрямителей.
Одним из основных элементов установки плавки гололеда постоянным током является неуправляемый или управляемый высоковольтный выпрямитель.
Аварии выпрямителей часто связаны с повреждением неуправляемых или управляемых вентилей (далее для краткости оба вида названы вентилями). Аварии, вызванные повреждением вентилей, сопровождаются протеканием в схеме токов короткого замыкания (КЗ). При этом по неповрежденным вентилям протекают недопустимые по величине токи, которые приводят к тепловому пробою вентилей. Кроме того, пробой плеча преобразователя сопровождается появлением значительной постоянной составляющей в токе КЗ, не позволяющей произвести отключение установки плавки гололеда постоянным током собственным выключателем.
Наиболее простым общеизвестным устройством защиты выпрямителей являются плавкие предохранители [Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М: Энергоатомиздат, 1992, с. 270]. Из-за отсутствия выпускаемых промышленностью мощных предохранителей высокого напряжения такие устройства в установках для плавки гололеда не применяются.
Известно устройство защиты выпрямителя, состоящее из автоматического силового выключателя и короткозамыкателей. Последние подключают к входам выпрямителя и выполняют с возможностью создавать металлическое КЗ на входе выпрямителя при повреждении последнего [Кузнецов О.А. и др. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергия, 1966, с. 128-129].
Недостатком данного устройства является невысокое быстродействие существующих высоковольтных короткозамыкателей. С момента повреждения вентиля до создания короткозамыкателем металлического КЗ на зажимах выпрямителя при использовании современных быстродействующих вакуумных выключателей без учета времени срабатывания защиты проходит время порядка 30-70 мс. За это время неповрежденный вентиль может получить тепловой пробой.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является быстродействующий высоковольтный дуговой короткозамыкатель, предназначенный для защиты высоковольтных неуправляемых преобразователей (высоковольтных выпрямителей) установки плавки гололеда постоянного тока, содержащий шунтирующие искровые промежутки, подключенные параллельно замыкаемой цепи, т.е. полюсам высоковольтного неуправляемого преобразователя (высоковольтного выпрямителя), и поджигающий искровой промежуток, подключенный к независимому источнику напряжения и установленный в упомянутом шунтирующем промежутке, причем все электроды короткозамыкателя подключены к соответствующим полюсам высоковольтного неуправляемого преобразователя (высоковольтного выпрямителя) [Авторское свидетельство СССР №612557. Генрих Г.А., Никонец Л.Α., Хрущ П.Р., Гриценко А.В., Нейман А.А. Быстродействующий высоковольтный дуговой короткозамыкатель. Заявл. 11.08.1972. Опубл. 23.09.1991. Бюл. №35].
Указанное техническое решение имеет два недостатка.
Первым недостатком прототипа является то, что после возникновения электрических дуг между силовыми электродами в быстродействующем высоковольтном дуговом короткозамыкателе высоковольтный неуправляемый преобразователь (высоковольтный выпрямитель) полностью не шунтируется, поскольку сопротивления открытых электрических дуг превышают сопротивление плеч высоковольтного неуправляемого преобразователя (защищаемого выпрямителя) при приложении напряжения в прямом направлении. В результате возможен тепловой пробой неповрежденных вентилей при внутренних повреждениях высоковольтного неуправляемого преобразователя (высоковольтного выпрямителя).
Вторым недостатком прототипа является то, что после пробоя вентилей одного из плеч высоковольтного неуправляемого преобразователя (высоковольтного выпрямителя) ток через силовой выключатель установки плавки гололеда постоянным током в течение длительного отрезка времени не проходит через нулевое значение. В результате выключатель не может отключить аварийный ток и может отказать с катастрофическими последствиями (взрыв, пожар и др.).
С целью устранения второго недостатка в настоящее время в случае повреждения высоковольтного неуправляемого преобразователя (защищаемого выпрямителя) установки плавки гололеда не отключают ее выключатель, а отключают питающие трансформаторы или автотрансформаторы подстанций. В результате на подстанциях со схемами распределительных устройств «трансформатор (автотрансформатор) - шины» имеют место разрывы связей между объединенными электроэнергетическими системами или их частями, что может приводить к системным авариям в Единой энергетической системе России. Это снижает надежность работы, как самой подстанции, так и энергосистемы в целом в осенне-зимний период в условиях гололеда.
С целью устранения постоянной составляющей в отключаемом токе применяют сочетание управляемого дугового и металлического короткозамыкателей. Однако это требует установки дополнительного быстродействующего выключателя. Так время включения современных вакуумных выключателей составляет 30-70 мс, то в течение указанного отрезка времени сохраняется опасность теплового пробоя неповрежденных вентилей.
Задачей полезной модели является исключение теплового пробоя неповрежденных вентилей и обеспечение условий селективного отключения выключателями установок плавки гололеда постоянным током поврежденных высоковольтных неуправляемых и управляемых преобразователей (высоковольтных выпрямителей).
Технические результаты, получаемые при использовании полезной модели, заключаются в следующем:
- исключается тепловой пробой неповрежденных вентилей при внутренних повреждениях высоковольтных выпрямителей. В результате сокращаются стоимость и объем послеаварийного ремонта высоковольтных выпрямительных установок плавки гололеда постоянным током после внутренних повреждений входящих в их состав высоковольтных выпрямителей;
- исключается необходимость отключения силовых трансформаторов (автотрансформаторов) на сторонах 220-330-500 кВ подстанций. В настоящее время при повреждении высоковольтных выпрямителей установок плавки гололеда постоянным током отключают трансформаторы (автотрансформаторы) подстанций вместо отключения выключателей установок плавки гололеда постоянным током, т.к. последние не могут коммутировать токи КЗ с высоким содержанием постоянной составляющей.
Благодаря применению полезной модели при внутренних повреждениях высоковольтных выпрямителей установок плавки гололеда постоянным током исключаются отключения трансформаторов (автотрансформаторов) и систем шин напряжением 220, 330 и 500 кВ и, соответственно, устраняется опасность разрыва связей между объединенными электроэнергетическими системами или их частями в условиях осенне-зимнего периода.
Поставленная задача решается тем, что устройство защиты высоковольтного выпрямителя установки плавки гололеда постоянным током содержит устройство управления работой разрядников, имеющее входные выводы, выполненные с возможностью подключения к датчикам информации, и выходные выводы, которые подключены к управляющим входам четырех управляемых дуговых вакуумных разрядников, каждый их которых имеет первый и второй силовые выводы, причем первые силовые выводы трех управляемых дуговых вакуумных разрядников выполнены с возможностью подключения к высоковольтному выпрямителю на стороне переменного тока, а вторые силовые выводы соединены вместе, создавая схему включения вышеуказанных разрядников «звезда без нулевого провода», а первый и второй силовые выводы четвертого управляемого дугового вакуумного разрядника выполнены с возможностью подключения к высоковольтному выпрямителю на стороне постоянного тока.
На фигуре приведена совмещенная функциональная схема предлагаемого устройства защиты 1 высоковольтного выпрямителя установки плавки гололеда постоянным током, самой установки плавки гололеда постоянным током 2 с нагрузкой 3 (воздушной линией, на которой производят плавку гололеда) и источника питания (питающей подстанции) 4.
В целях упрощения чертежа схема источника питания приведена в однолинейном изображении.
В состав устройства защиты 1 высоковольтного выпрямителя установки плавки гололеда постоянным током 2 входят устройство управления работой разрядников (УУР) 5 и четыре управляемых дуговых вакуумных разрядника 6, 7, 8, 9. Входные выводы 10, 11, 12, 13 (УУР) 5 предназначены для соединения с датчиками информации, а выходные выводы 14, 15, 16, 17 соединены с управляющими входами 18, 19, 20, 21 управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8, 9. Первые силовые выводы 22, 23, 24 управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8 выполнены с возможностью подключения к высоковольтному выпрямителю (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2 на стороне переменного тока. Вторые силовые выводы 25, 26, 27 управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8 соединены вместе, создавая схему включения вышеуказанных разрядников «звезда без нулевого провода». Силовые выводы 28, 29 управляемого дугового вакуумного разрядника 9 выполнены с возможностью подключения к высоковольтному выпрямителю (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2 на стороне постоянного тока.
Установка плавки гололеда постоянным током 2 содержит в своем составе следующие последовательно соединенные элементы: выключатель 30, трансформаторы тока (ТТ) 31 и высоковольтный выпрямитель (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2, имеющий выводы 33, 34, 35 на стороне переменного тока и выводы 36, 37 на стороне постоянного тока. Вторичные обмотки трансформаторов тока (ТТ) 31 соединены в звезду и имеют выводы 38, 39, 40, 41.
К выводам постоянного тока 36, 37 высоковольтного выпрямителя (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2 подключена нагрузка (Н) 3 - воздушная линия, на которой происходит плавка гололеда.
В состав источника питания (питающей подстанции) 4 входят:
- автотрансформатор (AT) 42;
- распределительное устройство высшего напряжения (РУВН) 43 с выключателями 44, 45, 46, к которому подключены автотрансформатор (AT) 42 и части электроэнергетической системы 47 и 48;
- распределительное устройство среднего напряжения (РУСН) 49 с выключателем ввода 50. Последний соединяет автотрансформатор (AT) 42 с (РУСН) 49;
- распределительное устройство низшего напряжения (РУНН) 51, подключенное к автотрансформатору (AT) 42 через последовательно соединенные выключатель ввода 52 и токоограничивающий ректор 53.
Устройство управления работой разрядников (УУР) 5 входными выводами 10, 11, 12, 13 соединено с выходами датчиков информации 38, 39, 40, 41 (в качестве датчиков информации на фигуре показаны трансформаторы тока (ТТ) 31).
Первые силовые выводы 22, 23, 24 управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8 соединены с выводами 33, 34, 35 на стороне переменного тока высоковольтного выпрямителя (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2. Силовые выводы 28, 29 управляемого дугового вакуумного разрядника 9 соединены с выводами 36, 37 на стороне постоянного тока высоковольтного выпрямителя (В) 32 установки плавки гололеда постоянным током 2.
Установка плавки гололеда постоянным током 2 подключена к распределительному устройству низшего напряжения (РУНН) 51 источника питания (питающей подстанции) 4 через выключатель 30.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
Плавка гололеда на воздушной линии может быть реализована, например, с помощью вакуумного выключателя 30 серии ВВЭ-10-31,5/2000У3 и объекта защиты - выпрямителя (В) 32. В качестве последнего может быть использован выпрямитель ВУКН-1200-8000 или В-ТПП-1.6к-14к-У1. Источниками информации для работы устройства управления работой разрядников (УУР) 5 устройства защиты выпрямителя 1 установки плавки гололеда постоянным током 2 могут быть трансформаторы тока (ТТ) 31 типа ТОЛ-10-2000/5.
В качестве управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8, 9, могут быть использованы, например, аппараты типа РВУ-31, разработанные ОАО ВЭИ [Применение быстродействующих управляемых коммутирующих устройств в электроэнергетике / Алферев Д.Ф., Белкин Г.С, Будовский А.И., Иванов В.П., Сидоров В.Α., Дорф Г.Л. - Электричество, 1998, №7], имеющие следующие технические данные:
- рабочее напряжение 0,5-40 кВ;
- рабочий ток 60 кА;
- ресурс (количество включений разрядника) составляет 105-106 раз;
- время срабатывания разрядника не превышает 0,1 мс;
- падение напряжения на сработавшем разряднике не превышает нескольких десятков вольт.
В нормальном режиме при включенной нагрузке (Н) 3 по высоковольтному выпрямителю (В) 32 протекают токи, обеспечивающие плавку гололеда на воздушной линии. Выключатели 44, 45, 46 (РУВН) 43 и 50 (РУСН) 49 источника питания (питающей подстанции) 4 включены и части электроэнергетической системы 47, 48 имеют связь друг с другом. Токи трансформаторов тока (ТТ) 31 не достаточны для срабатывания устройства управления работой разрядников (УУР) 5. На выходах 14, 15, 16, 17 устройства управления работой разрядников (УУР) 5 сигналы отсутствуют. Управляемые дуговые вакуумные разрядники 6, 7, 8, 9 находятся в несработанном состоянии.
При повреждении любого плеча высоковольтного выпрямителя (В) 32 первичный ток одного или двух трансформаторов тока (ТТ) 31 превышает уставку срабатывания устройства управления работой разрядников (УУР) 5. Вторичные токи трансформаторов тока (ТТ) 31 через выводы 38, 39, 40, 41 поступают на входные выводы 10, 11, 12, 13 устройства управления работой разрядников (УУР) 5. Последнее срабатывает и на его выходных выводах 14, 15, 16, 17 появляются управляющие импульсы, вызывающие срабатывание управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8, 9. При срабатывании последних происходит шунтирование высоковольтного выпрямителя (В) 32 по входу и выходу. Форма тока КЗ становится практически синусоидальной, что позволяет выключателю установки плавки гололеда 30 отключиться и тем самым прекратить протекание тока КЗ по поврежденному высоковольтному выпрямителю (В) 32.
Шунтирование высоковольтного выпрямителя (В) 32 по входу и выходу с помощью управляемых дуговых вакуумных разрядников 6, 7, 8, 9 создает два положительных эффекта:
1. Ток КЗ, протекающий по неповрежденным плечам высоковольтного выпрямителя (В) 32 резко уменьшается, благодаря чему исключается возможность теплового пробоя вентилей неповрежденных плеч выпрямителя.
Например, в управляемых выпрямителях установок плавки гололеда постоянным током используются тиристоры Т183-2000-52-72. Каждое плечо высоковольтного выпрямителя собирается из восьми последовательно включенных тиристоров. Динамическое сопротивление в открытом состоянии одного тиристора составляет 0,24 мОм, соответственно, сопротивление восьми тиристоров составляет около 0,002 Ом.
Падение напряжения на открытой силовой дуге (без учета околокатодного и околоанодного напряжений) в управляемом дуговом (не вакуумном) разряднике при расстоянии между электродами 10 мм и токе 10 кА составляет около 15 В. Аналогичное падение напряжения на электрической дуге в управляемом вакуумном разряднике составляет единицы вольт, поэтому эффект шунтирования неповрежденных тиристоров управляемым дуговым вакуумным разрядником будет более значительным.
2. Ток, протекающий через выключатель 30 установки плавки гололеда постоянным током 2, благодаря шунтированию высоковольтного выпрямителя (В) 32 управляемыми дуговыми вакуумными разрядниками 6, 7, 8, 9, достаточно быстро (в течение нескольких периодов частоты 50 Гц) приближается по форме к синусоидальному и имеет переходы через нулевое значение. Вследствие этого указанный выключатель 30 способен отключить ток КЗ. Отсутствует необходимость отключения питающего трансформатора или автотрансформатора (AT) 42 источника питания (питающей подстанции) 4 выключателями 44, 45, 46, 50 и, соответственно, исключается разрыв связей между частями объединенных электроэнергетических систем 47, 48. В результате снижается вероятность возникновения системных аварий в электроэнергетической системе при плавке гололеда на воздушных линиях в период осенне-зимнего максимума нагрузки.
Предлагаемое устройство 1 обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
- по сравнению с металлическим короткозамыкателем управляемый дуговой вакуумный разрядник имеет высокое быстродействие. Время его срабатывания не превышает 0,1 миллисекунды, что исключает появление теплового пробоя вентилей неповрежденных плеч. Современный вакуумный выключатель имеет время включения 30-70 мс, т.е. имеет недостаточное быстродействие;
- падение напряжения на сработавшем управляемом дуговом вакуумном разряднике не превышает нескольких десятков вольт, что по сравнению с прототипом усиливает его шунтирующее действие на поврежденный выпрямитель. С учетом околокатодного и околоанодного напряжения суммарное напряжение на открытой силовой дуге превышает напряжение на вакуумной дуге в несколько раз. Благодаря этому, в отличие от управляемого (не вакуумного) дугового разрядника, ток, протекающий при повреждении высоковольтного выпрямителя по его неповрежденным вентилям, значительно меньше и не способен вызвать их тепловой пробой;
- благодаря наличию управляемого дугового вакуумного разрядника форма тока КЗ при повреждении выпрямителя близка к синусоидальной. Указанный ток имеет переходы через нуль, что облегчает условия отключения поврежденного высоковольтного выпрямителя силовым выключателем установки плавки гололеда постоянным током;
- при повреждении высоковольтного выпрямителя установки плавки гололеда постоянным током отсутствует необходимость отключения питающего трансформатора или автотрансформатора подстанции и, соответственно, исключается разрыв связей между объединенными электроэнергетическими системами или их частями. В результате снижается вероятность возникновения системных аварий в электроэнергетической системе при плавке гололеда на воздушных линиях в период осенне-зимнего максимума нагрузки;
- исключается необходимость параллельного включения управляемого дугового разрядника и металлического короткозамыкателя, что упрощает устройство защиты;
- в существующих установках плавки гололеда постоянным током на воздушных линиях используется быстродействующий дуговой высоковольтный короткозамыкатель (нестандартное оборудование, поставляемое Львовским политехническим институтом, Украина). [МУ 34-70-028-82. Методические указания по плавке гололеда постоянным током. Часть 2 - М.: ОРГРЭС, 1982]. В предлагаемом устройстве используются отечественные комплектующие, в частности, выпускаемые ОАО «ВЭИ» (г. Москва) управляемые дуговые вакуумные разрядники.