ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использована для защиты от сверхтоков оборудования высоковольтных линий электропередач энергосистем и потребителей переменного тока.
Использование современных быстродействующих выключателей взрывного типа, позволяющих существенно снизить величину ударных и установившихся токов при коротких замыканиях в энергосистемах, ограничивается относительно низким уровнем допустимого рабочего напряжения. В связи с этим для токоограничительных устройств высоковольтных энергосистем с быстродействующими выключателями рассматриваются трансформаторные схемы, в которых выключатели устанавливаются в цепи пониженного напряжения вторичной обмотки.
Известно токоограничивающее устройство, содержащее первый и второй магнитно-связанные реакторы и выключатель, причем первый вывод первого реактора подключен к входной клемме со стороны источника питания переменного тока, второй вывод первого реактора подключен к выходной клемме устройства, предназначенной для подключения нагрузки, первый вывод второго реактора подключен к первому выводу выключателя, а второй вывод второго реактора подключен ко второму выводу выключателя (Y.G.Shakarian, N.L.Novikov, V.S.Chuprikov, A.V.Malyshev, V.M.Batenin, A.S.Veselovsky, S.I.Kopylov, at al. Sort-Circuit Limiter for Electric Network Based on the Magnetic-Coupled Reactor and Fast-Operating Switch.- Paris, SIGRE 2010. A3_305_2010. P.3.).
Недостатками устройства являются высокая установленная мощность реактивных элементов силового оборудования и высокий уровень перенапряжений на выключателе при размыкании его контактов.
Для ограничения падения напряжения в цепи первого реактора токоограничивающего устройства в нормальном режиме необходимо снизить до минимума реактивное сопротивление первого реактора. Уменьшение реактивного сопротивления первого реактора обеспечивается компенсацией магнитного потока, генерируемого обмоткой первого реактора, за счет встречно направленного потока, генерируемого корокозамкнутой обмоткой второго реактора, магнитно-связанной с обмоткой первого реактора.
Индуктивность первого реактора выбирается по заданной кратности ограничения аварийного тока в цепи нагрузки при полном напряжении питающей сети, приложенному к нему в аварийной ситуации, а длительный ток его обмотки - по номинальному току нагрузки. Длительный ток обмотки второго реактора определяется соотношением витков первого и второго реакторов, т.е. коэффициентом трансформации, обеспечивающем необходимый уровень понижения напряжения на выключателе при его разомкнутом состоянии. При этом ток вторичной обмотки повышается на столько, на сколько понижается напряжение на ней по отношению к напряжению на первичной обмотке. Соответственно реактивная мощность второго реактора, обеспечивающего длительную работу в режиме компенсации реактивной мощности первого реактора, оказывается равной реактивной мощности первого реактора. Таким образом, в устройство закладывается двойная мощность реакторного оборудования.
Другим недостатком устройства является значительный уровень перенапряжения на контактах выключателя при разрывании им цепи обмотки второго реактора. Выключение происходит при аварийном токе, уровень которого существенно выше номинального тока. Для ограничения возникающего перенапряжения требуется применять дополнительные сложные схемотехнические решения, в том числе требующие замены выходящих из строя элементов, как например, плавких вставок.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является токоограничивающее устройство, содержащее реактор, выполненный по автотрансформаторной схеме и имеющий первую и вторую магнитно-связанные обмотки, выключатель и блок ограничения перенапряжений, включающий первый конденсатор, второй конденсатор и сопротивление, причем, первый вывод первой обмотки реактора подключен к выходной клемме со стороны источника питания переменного тока, предназначенный для подключения нагрузки и к первой клемме блока ограничения перенапряжений, к которой присоединен первый вывод первого конденсатора и первый вывод сопротивления, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора и со второй клеммой блока ограничения перенапряжений, подключенной ко второму выводу выключателя, второму выводу первой обмотки реактора и к первому выводу второй обмотки реактора, второй вывод которой соединен со второй выходной клеммой устройства со стороны источника переменного тока (патент на полезную модель №110556 "Токоограничивающее устройство трансформаторного типа". Бюл. №32, 2011 г. Авторы: Антонов Б.М., Копылов С.И. Прототип).
Недостатком устройства является ограниченность применения его в электросетях с высоким рабочим напряжением при оптимальных параметрах автотрансформатора. Это объясняется тем, что электрическая прочность быстродействующего выключателя относительно низкая - около 60-70 кВ (мгновенные значения). При напряжениях 110 кВ и выше использование этого устройства при коэффициенте трансформации обмоток защитного реактора равном двум, что обеспечивает его оптимальную конструкцию (минимальные вес и габариты), невозможно из-за чрезмерно высокого напряжения на выключателе после его размыкания. При этом использование автотрансформаторной схемы реактора не дает возможности для дальнейшего снижения его установленной мощности.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в снижении установленной мощности реакторного оборудования и в обеспечении области безопасной работы быстродействующих выключателей, шунтирующих токоограничивающий реактор, при их аварийном отключении.
Поставленная техническая задача решается тем, что в токоограничивающее устройство, содержащее первый реактор, первый выключатель, первый блок ограничения перенапряжений, включающий первый конденсатор, второй конденсатор и сопротивление, причем первый вывод первой обмотки первого реактора подключен к первой входной клемме устройства, предназначенной для подключения нагрузки, к первому выводу первого выключателя, к первой клемме первого блока ограничения перенапряжений, соединенной с первым выводом первого конденсатора и с первым выводом сопротивления, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора и со второй клеммой блока ограничения перенапряжений, соединенной со вторым выводом первого выключателя, дополнительно введены второй реактор, несколько выключателей в количестве к-1 и несколько блоков ограничения перенапряжений, количество которых соответствует количеству дополнительно введенных выключателей, причем, первый вывод обмотки второго реактора подключен ко второму выводу обмотки первого реактора, второй вывод обмотки второго реактора подключен ко второй входной клемме устройства со стороны источника переменного тока, а дополнительные выключатели последовательно включены между вторым выводом первого выключателя и вторым выводом обмотки первого реактора, при этом параллельно каждому дополнительному выключателю подключен соответствующий блок ограничения перенапряжений.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в снижении уровня напряжения, приходящегося на каждый выключатель за счет их последовательного включения. Равномерность деления напряжения при некотором разбросе моментов выключения последовательно соединенных быстродействующих выключателей обеспечивается присоединением параллельно каждому из них блока ограничения перенапряжений, состоящего из двух конденсаторов и сопротивления по предлагаемой схеме, служащей делителем напряжения. При этом также обеспечивается ограничение перенапряжений на выключателях за счет ограничения скорости изменения тока во втором реакторе в момент отключения. Таким образом, обеспечивается область безопасной работы быстродействующих выключателей в высоковольтных сетях энергосистем при отключении аварии.
Введение второго реактора необходимо для ограничения ударного импульса тока в системах с малым входным индуктивным сопротивлением. Величина его индуктивности мала и определяется из условий ограничения ударного тока с учетом имеющегося реактанса в конкретной сети.
Первый реактор в нормальном режиме работы исключен из цепи тока нагрузки и включается в цепь аварийного тока на время срабатывания защиты электросети, составляющее 0.1-0.2с. Его установленная мощность определяется не тепловым режимом, а механической прочностью конструкции при воздействии аварийного тока. При этом обмотки первого реактора могу выполняться из стали, а не из алюминия или меди. Все это значительно понижает его установленную мощность, вес и стоимость. Величина его индуктивности определяется из условия ограничения заданной величины тока короткого замыкания в данной энергосети с учетом индуктивности второго реактора. Сравнительные расчеты вариантов для линии электропередачи напряжением 127 кВ и ток 2 кА токоограничительного устройства (ТУ) прототипа с ТУ предлагаемой полезной модели показали, что вес реактора полезной модели более чем в сорок раз меньше реактора прототипа. Сравнивать конкретно установленные мощности реакторов этих устройств не представляется возможным, т.к. длительный режим ректора предлагаемой полезной модели не предусматривается и установленная мощность такого реактора не оценивалась. При этом очевидно, что установленная мощность реактора в предлагаемой полезной модели существенно меньше.
Индуктивность второго реактора должна быть равна индуктивности рассеяния реактора прототипа в режиме закороченного состояния второй обмотки, магнитно-связанной с первой обмоткой. Величина индуктивности рассеяния реактора прототипа составляет примерно 5% от его полной индуктивности, что определяется возможностями выполнения конструкции. Эта величина индуктивности и определяет амплитуду ударного тока в момент аварии при использовании для защиты устройства прототипа.
Однако значение амплитуды ударного тока в этом случае оказывается меньше допустимой величины ударного тока (Iд), определяющего реальную динамическую стойкость электротехнического оборудования.
Значения токов электродинамической и термической (Iт) стойкости ГОСТом не нормируется. Оценить уровень ударных токов, на который можно ориентироваться при расчетах ТУ для защиты электротехнического оборудования можно по Iд для трансформаторов тока (ТТ), в цепи защищаемого оборудования. Эти данные для ТТ по ГОСТу должны соответствовать электродинамической и термической стойкости оборудования, в цепи которых ТТ устанавливаются.
Ток динамической стойкости коррелируется с допустимым током термической стойкости соотношением
Iд≥1.8 √2 It
По ГОСТ 7746-78 ток термической стойкости ТТ имеет кратность (Кт) по отношению к номинальному току для различных уровней напряжения:
- для сети 330 кВ и выше
Кт≤100
- для сети 110 кВ -220 кВ
Кт≤55
- для сети до 35 кВ
Кт≤50
(Трансформаторы тока. В.В.Афанасьев, Н.Н.Адоньев, Л.В.Желалис и др. -Л.Энергия. Ленингр. отд., 1980. 334 с.)
Исходя из приведенных данных, в линиях электропередач, защищаемых с помощью ТУ можно допустить Кд≥100.
Для предлагаемой полезной модели это означает, что величина индуктивности, а соответственно, и установленной мощности второго реактора может быть меньше 1% от полной индуктивности реактора прототипа.
Группы из сопротивления и конденсаторов, входящие в блоки ограничения перенапряжений предлагаемой модели, по параметрам и кратковременному режиму работы аналогичны элементам блока ограничения перенапряжений прототипа.
Таким образом, суммарная установленная мощность и вес, а соответственно, и стоимость реакторного оборудования предлагаемой полезной модели существенно ниже показателей реактора прототипа. Структурная схема включения быстродействующих выключателей с защитными цепями в предлагаемой полезной модели обеспечивает надежную их работу и защиту высоковольтных линий электропередач.
На фиг.1 в однофазном варианте представлена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Токоограничивающее устройство для высоковольтных пиний электропередач содержит первый реактор 1, второй реактор 2, выключатель 3, блок ограничения перенапряжений 4, состоящий из первого конденсатора 5, сопротивления 6 и второго конденсатора 7, а также группу 8 из к-1 выключателей и группу 9 из к-1 блоков ограничения перенапряжений, причем первый вывод 10 обмотки первого реактора 1 подключен к первой входной клемме 11 устройства со стороны, предназначенной для подключения нагрузки, к первому выводу 12 выключателя 3 и к первой клемме 13 блока ограничения перенапряжений 4, к которой присоединены также первый вывод 14 первого конденсатора 5, первый вывод 15 сопротивления 6, второй вывод 16 которого соединен с первым выводом 17 второго конденсатора 7, второй вывод 18 которого соединен со вторым выводом 19 первого конденсатора 5 и со второй клеммой 20 блока ограничения перенапряжений 4, подключенной ко второму выводу 21 выключателя 3. Первый вывод 22 обмотки второго реактора 2 подключен ко второму выводу 23 обмотки первого реактора 1, второй вывод 24 обмотки второго реактора 2 подключен ко второй входной клемме 25 устройства со стороны источника переменного тока. Группа 8 дополнительных последовательно соединенных выключателей в количестве к-1 штук включена между вторым выводом 21 выключателя 3 и вторым выводом 23 обмотки первого реактора 1, а параллельно каждому из них подключен соответствующий блок ограничения перенапряжений из группы 9.
Полезная модель работает следующим образом.
В нормальном установившемся режиме ток нагрузки замыкается по контуру: входная клемма 11 устройства - первый выключатель 3 - группа 8 последовательно включенных к-1 выключателей - обмотка реактора 2 - выходная клемма 25 устройства. Все «к» выключателей замкнуты и реактор 1 исключен из цепи тока нагрузки. По обмотке реактора 2 замыкается цепь контура нагрузки во всех режимах.
При возникновении аварии по сигналу автоматики происходит отключение всех «к» выключателей, соединяющих входную клемму 11 устройства с выводом 23 обмотки реактора 1. В цепи нагрузки оказываются включенными последовательно первый и второй реакторы, что и обеспечивает ограничение аварийного тока на заданном уровне. При этом величина индуктивного сопротивления реактора 2 определяет амплитуду ударного тока, нарастающего до момента срабатывания быстродействующих выключателей.
Подключение параллельно каждому из выключателей блока ограничения перенапряжений, состоящих из двух конденсаторов и сопротивления, позволяет ограничить перенапряжение на их контактах за счет снижения скорости изменения тока при отключении и поглощении части энергии, накопленной в индуктивности реактора 2. Последовательное соединение блоков ограничения перенапряжений обеспечивает равномерное деление напряжения между соединенными с ними выключателями при некотором разбросе времени их отключения.
На фиг.2 представлены диаграммы электрических режимов элементов предлагаемой полезной модели токоограничивающего устройства. Диаграммы получены путем расчета аварийного процесса в системе с помощью компьютерной программы Micro-Cap 9. расчетная модель состояла из двух последовательно соединенных выключателей, каждый с параллельно включенным блоком ограничения перенапряжений. Поскольку допустимое напряжение на выключателях в разомкнутом состоянии 60-70 кВ, напряжение источника питания, с учетом обычного двойного перенапряжения при отключении, принято равным 55 кВ. Ориентируясь на быстродействие выключателей взрывного типа 1-3 мс, в расчете принято время отключения 2 мс. В программе заложен разброс времени срабатывания включателей, равный 5 мкс.
Как видно из диаграммы, представленной на фиг.2 (график №2), для нормального установившегося режима, при напряжении сети Uг=54.97 кВ (амплитудное значение, кривая Uг) напряжение на нагрузке Uнагр=54.78 кВ. Потеря напряжения на нагрузке за счет включения в силовую цепь реактора 2 составляет 190 В или 0.3%, при токе в линии от генератора Iг=3.65 кА (амплитудное значение, замер 1 на графике №1, кривая Iг). В этом режиме ток нагрузки замыкается по последовательно соединенным выключателям, минуя реактор 1. По кривой тока выключателей Iкл и тока источника питания Iг на графике №1 видно, что Iкл=Iг (замеры 1 и 2).
По графику №3 можно проследить состояние выключателей по напряжению на них. В нормальном состоянии напряжение на выключателях равно нулю, т.к. выключатели замкнуты.
Описанное выше состояние энергосистемы сохраняется до момента t1 возникновения аварии в нагрузке. В момент t1 сопротивление нагрузки, соответствующее номинальному режиму уменьшается на два порядка. Большее уменьшение сопротивления нагрузки не имеет смысла, т.к. характер аварийного процесса при этом определяется уже, в основном, потерями в элементах линии электропередачи.
В момент времени t1=75 мс возникает короткое замыкание в нагрузке и напряжение Uнагр становится практически равным нулю (кривая Uнагр на графике №2). С этого момента времени по кривой Iг на графике №1 видно резкое увеличение тока в цепи источника питания и тока Iкл в цепи выключателей, шунтирующих реактор 1. К моменту t2 отключения выключателей ток источника питания достигает величины Iг=37.78 кА. Это значение ударного тока более чем в 10 раз превосходит амплитуду тока номинального режима, что, по вышеизложенному, не представляет опасности для оборудования, оказавшегося в контуре короткого замыкания.
С момента t2=77 мс начала отключения выключателей напряжение на них увеличивается до уровня 56.98 кВ на выключателе, который отключается первым (Uкл1 на графике №3) и до 56.66 кВ на выключателе, который отключается вторым с запаздыванием на 5 мкс. Разница в максимальных напряжениях на выключателях составляет 305 В или 0.3%. Общее перенапряжение на цепочки выключателей равно двойному значению сетевого напряжения, что считается нормальным. В установившемся режиме короткого замыкания напряжение на каждом из выключателей равно половине сетевого напряжения. Таким образом, предложенная структурная схема предлагаемой полезной модели обеспечивает область безопасной работы быстродействующих выключателей в динамическом и установившемся режимах.
Ток короткого замыкания в цепи источника питания определяется разностью тока IL1 реактора 1 и тока Iс блока ограничения перенапряжений. Из анализа графика №1 по замерам 5,6 и 7 видно, что Iг=IL1-Iс. В данном примере ток аварийного режима источника питания превышает ток номинального режима в 4 раза. Выбирая параметры параллельно включающихся в аварийном режиме индуктивности реакторов и емкости блоков ограничения перенапряжений, можно изменять уровень установившегося значения аварийного тока.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели установленная мощность реакторного оборудования может быть существенно снижена. При этом обеспечивается безопасная область работы выключателей за счет снижения уровня и равномерного деления напряжения по цепочке последовательно включенных выключателей, при их отключении как в динамическом, так и установившемся режимах