Универсальное устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений (RC-гаситель)
UNIVERSAL DEVICE FOR PROTECTING ELECTRICAL EQUIPMENT FROM SWITCHING OVERVOLTAGES (RC-QUENCHER)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для защиты электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий от перенапряжений, возникающих при коммутации электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий любым типом коммутационных аппаратов на основе гашения (снижения, ограничения) амплитуды коммутационного импульса, снижения скорости нарастания напряжения в импульсе.
ровень техники
У
Из уровня техники известно внутрискважинное устройство для защиты от перенапряжений (см. [1] патент РФ на полезную модель №165160, МПК H01H 7/09, опубл. 05.04.2016), содержащее корпус с нелинейными варисторами. Корпус выполнен с возможностью соединения с погружным электродвигателем. Устройство защиты дополнительно содержит установленные в корпусе конденсаторы и резисторы, причем резисторы параллельно соединены с нелинейными варисторами, выходы резисторов и нелинейных варисторов последовательно соединены с конденсаторами, а выходы конденсаторов соединены с шинопроводами и заземляющим проводником.
Недостатками данного технического решения являются увеличение токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) за счет соединения нейтральной точки RC-цепей с землей и возможное разрушение конденсаторов при срабатывании нелинейных ограничителей перенапряжений, а также низкая термическая устойчивость устройства к воздействию высших гармоник тока и напряжения, так как с увеличением частоты тока и напряжения емкостное сопротивление снижается, что приводит к увеличению тока протекающего через резистор и его дополнительному нагреву, а размещение в одном герметичном корпусе резистора и конденсатора приводит к увеличению нагрева конденсатора и создает условия для его термического разрушения. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известен комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений (см. [2] патент РФ на изобретение №2394326, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 10.07.2010). Устройство состоит из последовательных RC-цепочек, включенных по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей. Параметры RC-цепочек рассчитываются по определенным формулам.
Недостатками данного устройства являются увеличение габаритов устройства за счет использования четырех RC-цепей, увеличение тока ОЗЗ в сетях 3-10 кВ за счет заземления нейтральной точки RC-цепей, собранных по схеме «звезда», через RC-цепь. Расчет параметров RC-цепей по специальным формулам указывает на то, что устройство не является универсальным и предназначено для защиты конкретного электродвигателя или трансформатора определенной мощности. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известно устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений (см. [3] патент РФ на полезную модель №44008, МПК H02H 9/04, H01C 7/12, опубл. 10.02.2005). Данное устройство состоит из трех однофазных RC-цепей, каждая помещается в герметичный металлический корпус, заполненный специальной жидкостью, каждый корпус имеет керамические выводы разной высоты и три RC-цепи, помещенные в общий металлический корпус для защиты RC-цепей от воздействия окружающей среды.
Недостатком данного устройства является то, что отдельные RC-цепи можно собрать только по схеме «звезда». Указанное устройство обладает низкой термической устойчивостью к воздействию высших гармоник тока и напряжения, так как резистор и конденсатор каждой RC-цепи имеет единый герметичный корпус и в случае протекания токов высших гармоник за счет дополнительного тепла, выделяемого в резисторе в корпусе может создаться избыточное давление жидкости, приводящее к термическому разрушению RC-цепи и устройства в целом. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известно устройство для защиты вакуумно-коммутируемого оборудования от перенапряжений (см. [4] патент РФ на изобретение №2706637, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 10.07.2010), содержащее три конденсатора, одними выводами присоединяемые к объединенным пофазно выводам вакуумного выключателя и нагрузки, а вторыми выводами два конденсатора подключены к резисторам, которые вторыми выводами объединены, причем общая точка резисторов подключена ко второму выводу третьего конденсатора.
Недостатком данного устройства является то, что использование двух резисторов в устройстве приводит к появлению напряжения смещения нейтрали между нейтральной точкой устройства и землей за счет неравномерности и несимметрии параметров отдельных фаз устройства, что снижает эффективность ограничения коммутационных перенапряжений (КП), так как величина коммутационного импульса обратно пропорциональна заряду на конденсаторе, а конденсатор в цепи которого отсутствует резистор будет обладать меньшим зарядом по сравнению с конденсатором в цепях которого присутствует резистор. В следствие этого ограничение коммутационного импульса в фазе, которой подключен конденсатор без резистора будет менее эффективным. Также к недостаткам можно отнести отсутствие описания конструкции кабельной перемычки для подключения устройства к зажимам электрического двигателя или трансформатора.
Из уровня техники известна система выключателя с внутренним ограничителем напряжения (см. [5] патент РФ на изобретение №2734166, МПК H02H 9/00, опубл. 13.10.2020), содержащее выключатель, имеющий корпус с внутренней областью, отделенной от внешней области, окружающей корпус; электрический прерыватель, имеющий первую пару из первого и второго электрических контактов, подвижных между первым положением и вторым положением, причем первое положение определяет положение соединения, которое обеспечивает электрическое соединение между первой парой контактов, а второе положение определяет положение разъединения, которое предотвращает электрическое соединение между первой парой электрических контактов; ограничитель напряжения, соединенный с первой парой электрических контактов, для приема и рассеяния переходного напряжения, когда первая пара электрических контактов перемещается из первого положения во второе положение; при этом внутренняя область корпуса предназначена для вмещения первой пары электрических контактов, ограничителя напряжения и диэлектрического материала.
Недостатком данного устройства является то, что устройство относится к выключателям с внутренней защитой от перенапряжений, но не к устройствам для защиты от перенапряжений, что принципиально отличает его от предлагаемого устройства.
Из уровня техники известно устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений (см. [6] патент РФ на полезную модель №92256, МПК H02H 9/04, H01C 7/12, опубл. 10.03.2010), включающее 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, при этом 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».
Недостатком данного устройства является то, что резисторы и конденсаторы размещаются в одном монолитном литом корпусе из эластичного, упругого электроизоляционного материала, что затрудняет отвод тепла от RC-цепи во внешнюю среду. В связи с этим при протекании токов высших гармоник по RC-цепям и выделении добавочного тепла на резисторе, RC-цепи могут быть подвержены термическому разрушению. Также к недостаткам можно отнести выполнение устройства в монолитном корпусе, что исключает возможность обслуживания.
Из уровня техники известно устройство защиты контактной сети от перенапряжений (см. [7] CN 208401544, МПК H02H 3/20; H02H 9/06, опубл. 18.01.2019), а также известен самовосстанавливающийся низковольтный конденсатор с защитой от перенапряжений (см. [8] CN CN 112421648, МПК H02H 7/16, опубл. 26.02.2021). Недостатком данных устройств является то, что они подключаются только по схеме звезда с заземленным нулем, что увеличивает ток ОЗЗ в сети, что является критичным в сетях 1-10 кВ, также к недостаткам можно отнести отсутствие корпуса.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений (см. [10] патент РФ на изобретение №2414032, МПК H02H 9/04, опубл. 10.03.2011) включающее 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, причем в каждой RC-цепи конденсатор и резистор выполнены безындуктивными, внешние выводы выполнены в виде гибких высоковольтных проводов с гибкими вводными элементами или в виде контактных площадок, герметичный корпус выполнен 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.
Недостатком прототипа является то, что резисторы и конденсаторы размещаются в одном монолитном литом корпусе из эластичного, упругого электроизоляционного материала, что затрудняет отвод тепла от RC-цепи во внешнюю среду. В связи с этим при протекании тока высших гармоник по RC-цепям и выделении добавочного тепла на резисторе, RC-цепи могут быть подвержены термическому разрушению. Также к недостаткам можно отнести выполнение устройства в монолитном корпусе, что исключает возможность обслуживания.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание устройства для защиты от КП, в том числе для защиты электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий от КП на основе RC-цепей с универсальными параметрами, позволяющего осуществлять гашение (снижение, ограничение) амплитуды коммутационного импульса, снижение скорости нарастания напряжения в коммутационном импульсе и повышение термической устойчивости устройства к высшим гармоникам тока и напряжения, независимо от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов и параметров кабельных линий.
Техническим результатом является повышение эффективности ограничения КП независимо от типа и мощности электродвигателей и трансформаторов, и параметров кабельных линий, обеспечение высокой термической устойчивости к высшим гармоникам тока и напряжения, возможность соединения RC-цепей как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник».
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет универсального устройства для защиты от КП, содержащего корпус с отверстием для ввода кабеля, внутри которого на выдвижной металлической раме, установленной в корпусе на направляющих, закреплены три отдельные однофазные RC-цепи при помощи элементов крепления, которые собираются по схеме «звезда» или «треугольник» при помощи трех гибких перемычек, выполненных из высоковольтных гибких проводов с изоляцией из кремнийорганической резины, каждая однофазная RC-цепь выполнена в виде безындукционного конденсатора и двух резисторов, при этом безындукционный конденсатор выполнен в герметичном корпусе отдельном от резисторов и представляет собой конденсатор повышенной мощности, рассчитанной для работы в цепях с наличием высших гармоник тока и напряжения, при этом резисторы вынесены из герметичного корпуса конденсатора и навинчены на шпильки каждого ввода конденсатора.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что корпус выполнен металлическим пыле-влаго-искро непроницаемым.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что каждый резистор представляет собой керамическую трубку, на которой намотана нихромовая спираль таким образом, чтобы резистор не обладал индуктивностью, при этом в верхней части резистора расположена латунная крышка со шпилькой, соединенная с нихромовой спиралью, а в нижней части резистора расположена латунная крышка с резьбовым отверстием, предназначенная для навинчивания на шпильку ввода конденсатора.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что отверстие для ввода кабеля, может быть выполнено на боковых стенках или нижней части корпуса и оснащено герметичной втулкой.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что на выдвижной металлической раме, вдоль или поперек RC-цепей, расположены текстолитовые диэлектрические перегородки. Использование выдвижной металлической рамы обеспечивает удобство сборки устройства на стадии его производства и обслуживания при его эксплуатации, а использование поперечных или продольных диэлектрических пластин позволяет уменьшить расстояние между RC-цепями и вводами RC-цепей, что снижает габариты устройства и обеспечивает подвод силового кабеля к устройству снизу.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - RC-гаситель однофазный (вид сбоку).
Фиг. 2 - RC-гаситель однофазный (вид спереди).
Фиг. 3 - RC-гаситель однофазный (вид сверху).
Фиг. 4 - Резистор RC-гасителя.
Фиг. 5 - RC-гаситель трехфазный без корпуса (вид спереди).
Фиг. 6 - RC-гаситель трехфазный без корпуса (вид сверху).
Фиг. 7 - RC-гаситель в корпусе ввод сбоку.
Фиг. 8 - RC-гаситель в корпусе ввод снизу с перегородками.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - однофазная RC-цепь, 2 - конденсатор повышенной мощности, рассчитанный для работы в цепях при наличии высших гармоник тока и напряжения, 3 - резистор, выполненный с возможностью навинчиваться на ввод конденсатора, 4 - элемент крепления RC-цепи, 5 - резистор - керамическая трубка на которой намотана нихромовая спираль, таким образом, чтобы резистор был безындукционным, 6 - латунная крышка со шпилькой, 7 - латунная крышка с резьбовым отверстием, 8 - металлический пыле-влаго-искро непроницаемый корпус устройства, 9 - выдвижная металлическая рама, 10 - направляющие, 11 - отверстия для ввода кабеля с заглушками, 12 - текстолитовые диэлектрические пластины, 13 – высоковольтный медный провод с изоляцией из кремнийорганической резины для соединения отдельных RC-цепей.
Осуществление изобретения
Универсальное устройство для защиты от КП состоит из корпуса (8) с отверстием (11) для ввода кабеля. Отверстие (11) для ввода кабеля, предназначенное для подключения устройства к зажимам электродвигателя или трансформатора, может быть выполнено на боковых стенках или нижней части корпуса (8) и оснащено герметичной втулкой (заглушкой), предотвращающей попадание пыли и влаги в устройство. Внутри корпуса (8) на выдвижной металлической раме (9), установленной в корпусе на направляющих (10), закреплены три отдельные однофазные RC-цепи (1) при помощи элементов крепления (4), которые собираются по схеме «звезда» или «треугольник» при помощи трех гибких перемычек, выполненных из высоковольтных проводов с изоляцией из кремнийорганической резины. Каждая однофазная RC-цепь выполнена в виде безындукционного конденсатора (2) и двух резисторов (3). Безындукционный конденсатор (2) выполнен в герметичном корпусе и представляет собой конденсатор повышенной мощности, рассчитанной для работы в цепях с наличием высших гармоник тока и напряжения, при этом резисторы (3) вынесены из герметичного корпуса конденсатора и навинчены на шпильки каждого ввода конденсатора, что обеспечивает высокую термическую устойчивость устройства к протеканию высших гармоник тока и напряжения, так как обеспечивается эффективный отвод тепла от резистора в окружающую среду и практически исключается нагрев конденсатора за счет дополнительного тепла выделяемого в резисторе из-за высших гармоник тока и напряжения.
Каждый резистор (3) представляет собой керамическую трубку (5), на которую намотана нихромовая спираль таким образом, чтобы резистор не обладал индуктивностью, при этом в верхней части резистора расположена латунная крышка (6) со шпилькой, соединенной с нихромовой спиралью и вводами, а в нижней части резистора расположена латунная крышка с резьбовым отверстием (7), для навинчивания на шпильку ввода конденсатора.
Намотка нихромовой нити на керамическую трубку выполняется каким-либо способом таким образом, чтобы резистор не обладал индуктивностью.
Корпус (8) выполнен металлическим пыле-влаго-искро непроницаемым, обеспечивающим отсутствие прямого контакта RC-цепей с внешней средой и эффективно отводящим тепло во внешнюю среду от устройства в целом.
Для соединения RC-цепей (1) по схеме «звезда» или «треугольник» используются три гибкие перемычки, выполненные из высоковольтных проводов с изоляцией из кремнийорганической резины (13), снаружи корпуса, помещенные в металлический гофрорукав, что повышает как термическую, так и диэлектрическую прочность устройства, так как изоляция из кремнийорганической резины работает в диапазоне от -50 до +180°C, а ее диэлектрическая прочность превышает диэлектрическую прочность кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и пластиковой изоляцией в 1,4 раза.
В зависимости от схемы соединения обмоток защищаемого объекта «звезда» или «треугольник» выбирается схема соединения RC-цепей соответственно «звезда» или «треугольник», что позволяет отдельной RC-цепи включаться параллельно обмотки электродвигателя или трансформатора.
В случае изготовления устройства с нижним вводом кабеля для снижения габаритных размеров устройства могут применяться продольные или поперечные пластины/перегородки (12), расположенные на выдвижной металлической раме (9) между RC-цепями (1). Перегородки выполнены из диэлектрических текстолитовых пластин для ликвидации условий возникновения пробоя воздушного промежутка, который может произойти в случае сокращения расстояния между резисторами без использования перегородок или недиэлектрических перегородок. Использование поперечных или продольных диэлектрических пластин (перегородок) позволяет уменьшить расстояние между RC-цепями и вводами RC-цепей, что снижает габариты устройства и обеспечивает подвод силового кабеля к устройству снизу.
Направляющие (10) позволяют задвигать и выдвигать RC-цепи (1) и текстолитовые диэлектрические пластины (12), расположенные на единой металлической раме (9), в корпус (8) устройства, что обеспечивает удобство сборки и обслуживания, а также сокращает время на обслуживание устройства.
Универсальность устройства состоит в том, что параметры RC-цепей являются универсальными и не требуется их подбор и изменение для определенного электродвигателя и трансформатора, и подбор параметров кабельных линий, подключенных к вводам электродвигателей и трансформаторов. Параметры RC-цепей выбраны таким образом, что практически гасят коммутационный импульс на зажимах электродвигателей мощностью от 200 кВт до 10 МВт, так как величина КП находится в диапазоне 1,5-1,7 Uном и обеспечивают ограничение коммутационного импульса на зажимах трансформаторов мощностью от 100 кВА до 100 МВА, так как величина КП находится в диапазоне 1,5-2,6 Uном.
Комплексное использование конденсаторов с вынесенными резисторами, навинченными на каждый ввод конденсатора, которые расположены и помещены в специальный пыле-влаго-искро непроницаемый корпус, обеспечивает высокую термическую устойчивость при протекании высших гармоник тока и напряжения, защищает RC-цепи от внешних механических воздействий и обеспечивает герметичность RC-цепей внутри устройства по отношению к окружающей среде.
Изобретение работает следующим образом.
При коммутации электродвигателей или трансформаторов возникает реальный (вакуумные или элегазовые выключатели) или виртуальный (масляные, воздушные и электромагнитные выключатели) срез тока. Запасенная энергия в обмотках трансформатора или электродвигателя начинает разряжаться на емкость обмотки по отношению к земле, возникает высокочастотный колебательный процесс, приводящий к росту напряжения на зажимах электродвигателя или трансформатора, в следствие чего возникают КП. Подключение вышеописанного устройства к зажимам электродвигателя или трансформатора снижает волновое сопротивление защищаемого объекта (электродвигателя или трансформатора) за счет емкости устройства. Это приводит к гашению или ограничению амплитуды коммутационного импульса и снижению скорости нарастания напряжения в коммутационном импульсе, тем самым исключается негативное воздействие процесса коммутации на изоляцию обмоток электродвигателя или трансформатора, а также на изоляцию кабеля подключенного к зажимам электродвигателя или трансформатора.
В случае протекания высших гармоник тока по RС-цепям устройства, повышенная мощность конденсатора позволяет обеспечить термическую устойчивость конденсатора к высшим гармоникам, а расположение резисторов не в едином корпусе с конденсатором по средствам навинчивания резисторов на ввода конденсатора исключает нагрев конденсатора от дополнительного тепла, выделяемого в резисторе, при протекании высших гармоник тока, в результате обеспечивается высокая термическая устойчивость устройства к высшим гармоникам тока и напряжения.