ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к средствам защиты высоковольтного электротехнического оборудования от разрушения токами короткого замыкания и, в частности, к токоограничивающим реакторам, предназначенным для использования совместно с быстродействующими, например взрывными, коммутаторами. Уровень техники
Известно применение токоограничивающего реактора совместно с шунтирующим его быстродействующим взрывным размыкателем [П.Елагин, А.Малышев, Ю.Дементьев. «Коммутационные ограничители тока. Основные преимущества применения». Новости электротехники. Информационно справочное издание. №1 (55) 2009 г]. В известном устройстве используется токоограничивающий реактор, предназначенный для длительной работы в режиме токоограничения, и поэтому имеющий значительные габариты, вес и стоимость.
Заявляемый реактор предназначен для кратковременного ограничения тока КЗ до величины, которую способны коммутировать штатные высоковольтные выключатели, установленные на соответствующем энергообъекте.
Для ограничения тока КЗ на требуемом уровне реактор должен иметь соответствующее индуктивное сопротивление и выдерживать без разрушения (от перегрева и пондеромоторных сил) режим ограничения тока в течение времени, достаточного для срабатывания штатного выключателя, отключающего КЗ, а также пиковые перенапряжения на клеммах реактора, возникающие в момент его введения в защищаемую цепь.
Требуемое значение индуктивности определяется необходимой кратностью ограничения тока КЗ, выделяемая тепловая мощность может быть снижена до допустимой величины за счет уменьшения активного сопротивления обмотки реактора, а приемлемый уровень пондеромоторных сил должен быть обеспечен его конструкцией.
Развитие электрических сетей для удовлетворения растущих потребностей в электроэнергии приводит к увеличению токов КЗ. К 2015 году в электрических сетях мегаполисов напряжением 35-750 кВ ожидается увеличение возможных токов КЗ до 140-200 кА, в то время как максимальная отключающая способность установленных в этих сетях выключателей не превышает 63 кА.
В качестве прототипа выбран реактор [пат. RU 68177 U1 МПК H01F 38/02, 27/30, 27/08, 2007 г.], предназначенный для применения в качестве токоограничивающего и содержащий секционированную катушку индуктивности, каждая секция которой имеет два ряда витков с противоположным направлением намотки.
Недостаток прототипа состоит в том, что его применение в электрических сетях с вышеуказанными напряжениями и токами КЗ, сопровождается возникновением мощного магнитного поля рассеяния и, как следствие, разрушающим воздействием пондермоторных сил, причем устранение этого недостатка традиционными средствами (например, магнитными шунтами) влечет за собой существенное увеличение массы, габаритов и стоимости оборудования. Кроме того, при коммутационных перенапряжениях в высоковольтных сетях возможны перекрытия между выводными клеммами прототипа из-за их близкого расположения.
Раскрытие полезной модели
Предметом полезной модели является реактор, содержащий две секционированные катушки индуктивности, каждая из которых имеет форму половины эллиптического тора, разделенного по длинной оси, на которой у противоположных торцов катушек индуктивности размещены внешние клеммы,, при этом катушки индуктивности состыкованы своими торцами, имеют противоположные направления намотки и подключены к внешним клеммам встречно-параллельно с возможностью формирования суммарного тороидального магнитного поля.
Это позволяет уменьшить магнитное поле рассеяния и пондермоторные силы, действующие на обмотки и другие, металлические элементы конструкции реактора, исключить пробои между его клеммами из-за коммутационных перенапряжений, а также повысить технологичность конструкции.
Полезная модель имеет развития, дополнительно повышающие технологичность устройства.
Эти развития состоят в том, что
- секции катушек индуктивности соединены последовательно;
- секции катушек индуктивности имеют трапецеидальную форму в продольном сечении.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
На фиг.1 представлен схематичный чертеж реактора с учетом развитии полезной модели.
Реактор содержит две катушки индуктивности 1 и 2, каждая из которых имеет форму половины эллиптического тора, разделенного по его длинной оси. Катушка 1 состоит из секций 3, 4, 5, образующих половину эллиптического тора, расположенную по одну сторону длиной оси эллиптического тора. Катушка 2 состоит из секций 6, 7, 8, образующих другую половину эллиптического тора, расположенную по другую сторону длиной оси эллиптического тора. Секции каждой катушки соединены между собой последовательно.
Все секции катушек 1 и 2 имеют трапецеидальную форму в продольном сечении.
У противоположных торцов катушек 1 и 2 на длиной оси эллиптического тора размещены внешние клеммы 9 и 10. Катушки 1 и 2 состыкованы своими торцами, имеют противоположные направления намотки и подключены к клеммам 9 и 10 встречно-параллельно. При этом катушки формируют суммарное тороидальное магнитное поле, практически не выходящее за пределы реактора.
Работа реактора описывается ниже на примере его использования совместно с быстродействующим взрывным размыкателем в составе коммутатационного ограничителя тока, ограничивающего ток КЗ до величины, которую способны коммутировать высоковольтные выключатели, установленные на соответствующем энергообъекте.
Реактор включается клеммами 9 и 10 последовательно с защищаемой цепью, например с линией электропередачи, и шунтируется быстродействующим коммутатором, например взрывным размыкателем, включенным между клеммами 9 и 10. При отсутствии КЗ взрывной размыкатель, управляемый быстродействующим датчиком КЗ в линии, замыкает между собой клеммы 9 и 10. Ток линии по катушкам 1 и 2 не протекает и магнитный поток в реакторе отсутствует.
При возникновении КЗ на линии быстродействующий датчик тока КЗ срабатывает и подает команду на размыкание коммутатора, шунтирующего реактор. Напряжение между клеммами 9 и 10 резко возрастает, а ток КЗ переходит в катушки 1 и 2 реактора, поровну распределяясь между ними. По мере установления тока в катушках 1 и 2 напряжение между клеммами 9 и 10 спадает, а индуктивное сопротивление реактора оказывается введенным в цепь КЗ. Ток, установившийся в линии после введения в нее реактора, существенно меньше возможного (расчетного) тока КЗ в линии без реактора и может быть отключен штатным выключателем, срабатывающим, как правило, через несколько полупериодов частоты сети.
В конструкции предлагаемого.реактора катушки индуктивности не имеют открытых торцов, являющихся источниками поля рассеяния. Магнитный поток рассеяния за пределами эллиптического тора обусловлен только неизбежной погрешностью в идентичности характеристик катушек 1 и 2. Это позволило уменьшить пондермоторные силы, действующие на обмотки и другие металлические элементы конструкции реактора. Размещение внешних клемм реактора на максимальном расстоянии друг от друга позволяет исключить пробои между ними из-за коммутационных перенапряжений. Выполнение катушек из секций, имеющих трапецеидальную форму в продольном сечении, делает конструкцию реактора более технологичной.
Проведенные расчеты и эксперименты подтвердили возможность использования заявляемого токоограничивающего реактора в сетях напряжением 35-750 кВ с расчетными токами КЗ до 350 кА с получением указанного выше технического результата.