ТОКООГРАНИЧИТЕЛЬ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам ограничения тока короткого замыкания в электрической сети и его последующего отключения.
Известны токоограничивающие устройства с последующим отключением тока короткого замыкания (КЗ) в поврежденной цепи электрической сети, представляющие собой последовательно включенные в цепь электрической сети неуправляемый реактор и коммутационный аппарат (выключатель) [1. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учебных заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.204, рис.9.8]. Такой реактор ограничивает ток короткого замыкания на защищаемых шинах до уровня, соответствующего коммутационной способности выключателя, нормируемой для выключателей всех типов и классов напряжения.
Основной недостаток данного устройства-аналога заключается в невозможности одновременного выполнения требования существенно ограничить ток короткого замыкания и иметь минимальные потери напряжения при протекании рабочих токов в цепи (из-за падения напряжения на токоограничивающем реакторе).
Данный недостаток компенсируется применением в схемах токоограничивающих устройств быстродействующих коммутационных аппаратов, к которым, например, относятся силовые токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия [2. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учебных заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.217-221, рис.9.18 б, г, е, ж, м], отличающихся различными способами шунтирования одинарных и сдвоенных реакторов.
Основной недостаток данных устройств-аналогов заключается в том, что они характеризуются однократностью действия и значительным временем, необходимым для замены коммутационных аппаратов и восстановления исходной схемы защиты от коротких замыканий.
В наибольшей степени указанные недостатки удается скомпенсировать в токоограничивающем устройстве реакторно-вентильного типа [3. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учебных заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.226, рис.9.21 д] - прототипе предлагаемого устройства. Известный токоограничитель-выключатель содержит два магнитно-связанных реактора (сдвоенный реактор) с последовательно включенными выключателями в обеих ветвях сдвоенного реактора. В качестве выключателей использованы твердотельные полупроводниковые (тиристорные) выключатели. Обе ветви реактора включены параллельно.
При возникновении КЗ в защищаемой цепи выключение одного из двух полупроводниковых выключателей способствует значительному увеличению индуктивного сопротивления токоограничителя, а второй выключатель отключает поврежденную цепь при первом переходе тока КЗ через нуль.
Основным недостатком прототипа является высокая стоимость устройства и значительные активные потери, что определяется наличием в схеме двух полупроводниковых выключателей, находящихся под высоким потенциалом, работающих в нормально-замкнутом режиме (т.е. через тиристоры постоянно протекает ток нагрузки защищаемой ветви) и требующих для своего функционирования принудительного (водяного или воздушного) охлаждения.
При параллельной работе магнитно-связанных реакторов с последовательно включенными выключателями в каждой ветви, требования к уровням напряжения, которые должны выдерживать полупроводниковые выключатели, почти в два раза превышают амплитуду фазного напряжения сети. Это происходит из-за того, что при отключении одного из полупроводниковых выключателей в процессе ограничения тока КЗ ко второму выключателю прикладывается сумма фазного напряжения сети и напряжения взаимоиндукции от работающей ветви сдвоенного реактора, которое при высоком коэффициенте связи почти равно фазному напряжению.
Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно, снижение потерь напряжения и мощности в устройстве, упрощение и снижение стоимости устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в токоограничителе-выключателе, содержащем два магнитно-связанных реактора, два выключателя, вторые выводы которых соединены и подключены к выходной клемме устройства, реакторы включены встречно-последовательно, при этом первый вывод первого реактора подключен к входной клемме устройства, второй вывод второго реактора соединен с первым выводом первого выключателя, а общая точка реакторов соединена с первым выводом второго выключателя.
В предложенном токоограничителе-выключателе в качестве второго выключателя может использоваться полупроводниковый выключатель или управляемый вакуумный разрядник.
В предложенном токоограничителе-выключателе в качестве первого выключателя может использоваться полупроводниковый выключатель, а в качестве второго - управляемый вакуумный разрядник.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Схема предлагаемого устройства, показанная на фиг.1 (а, б, в, г), представляет собой одну фазу трехфазного токоограничителя-выключателя.
На фиг.1 (а) токоограничитель-выключатель содержит магнитно-связанные реакторы 1 и 2, первый выключатель 3, второй выключатель 4, управляющее устройство 5, которое осуществляет управление работой выключателей, входящих в схему токоограничителя-выключателя. Первый вывод реактора 1 соединен с входной клеммой устройства. Реакторы 1 и 2 включены встречно-последовательно, их общая точка соединена с первым выводом второго выключателя 4. Второй вывод реактора 2 соединен с первым выводом выключателя 3, вторые выводы выключателей 3 и 4 соединены с выходной клеммой устройства.
На фиг.1 (б) показан токоограничитель-выключатель, в котором второй выключатель выполнен в виде полупроводникового выключателя.
На фиг.1 (в) показан токоограничитель-выключатель, в котором второй выключатель выполнен в виде управляемого вакуумного разрядника.
На фиг.1 (г) показан токоограничитель-выключатель, в котором первый выключатель выполнен в виде полупроводникового выключателя, а второй выключатель выполнен в виде управляемого вакуумного разрядника. Такое включение обеспечивает наименьшую общую длительность процесса отключения, не превышающую 10-15 мс, а устройство обеспечивает ограничение ударного тока короткого замыкания.
Устройство работает следующим образом.
p
св
1
В нормальном режиме работы сети в устройстве выключатель 3 замкнут, а выключатель 4 разомкнут. Реакторы сопротивлением X каждый, при последовательно встречном включении и коэффициенте магнитной связи К, имеют суммарное сопротивление X равное:
с
p
с
При возникновении короткого замыкания на выключатель 4 подается сигнал от управляющего устройства 5 на его включение, а на выключатель 3 сигнал на его отключение. Так как при замыкании выключателя 4 цепь реактора 2 с выключателем 3 оказывается зашунтированной, то существенно облегчаются условия размыкания выключателя 3 и перевод тока из ветви выключателя 3 в ветвь выключателя 4: восстанавливаемое напряжение на контактах соответствует напряжению взаимоиндукции, которое меньше, чем фазное напряжение сети. При учете внешнего сопротивления сети X, в зависимости от соотношения параметров X и X, восстанавливаемое напряжение на контактах может быть значительно ниже, чем напряжение сети. Уменьшение тока в цепи реактора 2 в процессе размыкания выключателя 3 и перехода тока в цепь выключателя 4 приводит к росту суммарного сопротивления устройства. После того как выключатель 3 разомкнет цепь с реактором 2 сопротивление устройства станет равным
св
2
1
Например, К=0,9, тогда Х/X=5, т.е. сопротивление устройства возрастает в 5 раз, что и определяет высокую эффективность токоограничения. Таким образом, через выключатель 4 проходит ток короткого замыкания, ограниченный сопротивлением устройства, что облегчает работу выключателя 4 по его последующему отключению. Сигнал на отключение выключателя 4 подается через некоторое время после сигнала на включение, так, чтобы он отключился после погасания тока в выключателе 3 при первом переходе тока через ноль. Так как выключатель 4 в нормальном состоянии отключен, т.е. не проводит ток, и, кроме того, работает кратковременно (10÷60 мс, в зависимости от характеристик выключателя 3), то, в отличие от аналога, система охлаждения этого выключателя существенно упрощается. Это позволяет использовать в качестве данного выключателя не только полупроводниковый выключатель без принудительного охлаждения (фиг.1б), но и управляемый (например, вакуумный) разрядник (фиг.1в). Все это в целом позволяет существенно упростить и повысить технико-экономические характеристики токоограничителя-выключателя.
Заявляемое устройство применяется для ограничения токов коротких замыканий и отключения поврежденного участка на высоковольтных линиях электропередачи переменного тока и подстанциях электроэнергетических систем.
Источники информации:
1. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.204, рис.9.8.
2. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.217-221, рис.9.18б, г, е, ж, м.
3. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений /И.П.Крючков, Б.Н.Неклепаев, В.А.Старшинов и др./; под ред. И.П.Крючкова и В.А.Старшинова. - 2-е изд., стер. - М: Издательский центр «Академия», 2006 - 416 с. стр.226, рис.9.21 д. (прототип).