КОМБИНИРОВАННЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
COMBINED THREE-PHASE CAPRISTOR EXCESS-VOLTAGE SUPPRESSOR

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.
При отключении вакуумными выключателями электродвигательных присоединений возможны значительные перенапряжения, вызванные срезом тока и эскалацией напряжения. Также при срабатывании вакуумных выключателей возможно явление многократных повторных зажиганий дуги, что приводит к возникновению перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. На сегодняшний день отсутствуют эффективные меры их гашения, так как разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений, искровые промежутки как средство защиты от высокочастотных перенапряжений малоэффективны, в связи с резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразрядных временах менее 1 мкс.
Для защиты от перенапряжений, имеющих высокочастотный характер, все большее применение находят защитные RC-цепочки.
Известна высоковольтная сеть с электродвигателем, в которой защита от перенапряжений выполняется защитными RC-цепочками (последовательно соединенными резисторами и конденсаторами), включаемыми между фазными выводами электродвигателя и землей [1]. Такая схема защиты позволяет более глубоко снижать перенапряжения при оптимальном выборе параметров элементов [2].
Известна также схема, взятая в качестве прототипа, представляющая собой последовательные RC-цепочки, подключаемые между фазами кабеля, образуя межфазный треугольник [3].
Для представленной схемы [1] как отмечалось в [3] характерно то, что она позволяет снизить перенапряжения, в основном на главной изоляции электрооборудования (фазной изоляции относительно земли). Другая схема включения [3] соответственно будет обеспечивать хорошую защиту от междуфазных перенапряжений и меньшую при перенапряжениях между фазой и землей.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей заявляемого изобретения является создание надежной системы защиты от перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями, имеющей широкую область применения, минимальный набор необходимых элементов, малые габариты и вес.
Это достигается тем, что в известной сети защитные последовательные RC-цепочки подключены у защищаемого оборудования и соединены по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, параметры RC-цепочек рассчитываются по формулам:
AN
AN
AB
AB
к.пог
ш
к
к.пог
к
к.пог
д
к
ф
A
N
A
N
где С, R - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазой и землей; С, R - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазами;  - полные комплексные сопротивления; С - погонная емкость кабеля по прямой последовательности; L - индуктивность ошиновки; L=Ll - индуктивность кабеля; L - погонная емкость кабеля при высоких частотах; С - емкость фазы двигателя; l - длина кабеля, С - фазная емкость питающего кабеля; ω - угловая частота сети; R, R, С, С, - сопротивления и емкости RC-цепочек в схеме после преобразования;  - полные комплексные сопротивления; j - мнимая единица.
На фиг.1 представлена высоковольтная сеть, питающая электродвигатель с предлагаемой схемой защиты от перенапряжений. На схеме цифрами обозначены: 1 - трехфазный источник переменного напряжения; 2 - вакуумный выключатель; 3 - питающий кабель; 4 - электродвигатель; 5 - защитные RC-цепочки.
Устройство работает следующим образом. При отключении электродвигателя (4) вакуумным выключателем (2) от источника (1) в камере выключателя происходит расхождение контактов (подвижный контакт отходит от неподвижного) и разновременное размыкание контактов выключателя. После отключения первым полюсом выключателя тока в дугогасительной камере может возникнуть процесс повторных зажиганий дуги. Он возникает из-за того, что электрическая прочность межконтактного промежутка в некоторые моменты времени может оказаться меньше восстанавливающего напряжения на контактах выключателя. В результате происходит пробой межконтактного промежутка, что приводит к возникновению высокочастотного колебательного процесса.
Предлагаемая схема защиты позволяет устранить недостатки существующих схем включения [1, 3] и обеспечивает лучшую защиту от перенапряжений как на главной изоляции электрооборудования, так и между фазами.
Рассмотрим подробно вывод формул для расчета предлагаемой схемы защиты. В соответствии с [1] параметры RC-цепи, подключаемой между фазой и землей, предлагается выбирать из следующих соотношений:
к.пог
ш
к.пог
д
к
где С- погонная емкость кабеля по прямой последовательности; L - индуктивность ошиновки; L - погонная емкость кабеля при высоких частотах; С - емкость фазы двигателя; l - длина кабеля.
В соответствии с [3] параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, выбираются из следующих соотношений:
ф
д
к
ш
где С - фазная емкость питающего кабеля; С - емкость электродвигателя; L - индуктивность кабеля на высоких частотах; L - индуктивность ошиновки.
В общем случае для оптимальной защиты от перенапряжений, возникающих между фазой и землей и между двумя фазами, необходимо включить шесть RC-цепочек (3 между фазой и землей и 3 между фазами). Такое включение образует многоугольник сопротивлений, который можно преобразовать в эквивалентную звезду. В [4] приводятся формулы для преобразования звезды сопротивлений в эквивалентный многоугольник (фиг.2).
где
Получим формулы обратного преобразования полного многоугольника в многолучевую звезду. Так как элементы , симметричны, то можно записать:
Вычислим проводимость согласно (13) с учетом выражений (14)
Подставив (15) с учетом (14) в выражения (11) и (12) получим:
Из (17), выразив и подставив в (16), получим:
или
Подставив (18) в (17), получим
Таким образом, схема из шести RC-цепочек преобразуется в эквивалентную схему, содержащую четыре RC-цепи. Их параметры будут рассчитываться следующим образом:
1. по формулам (6)-(10) рассчитываем параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, между фазами и землей;
2. переходим к комплексным значениям сопротивлений по формулам:
NA
NA
AB
AB
где R, C - параметры RC-цепочек, подключаемых между фазой и землей, вычисляемые по формулам (6)-(8); R, C - параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, вычисляемые по формулам (9), (10); ω - угловая частота сети.
3. по формулам (18), (19) вычисляем параметры RC-цепочек в эквивалентной схеме замещения;
4. осуществляем обратный переход от комплексных значений к действительным по формулам:
Исходя из всего вышеизложенного, получаем окончательные формулы для вычисления параметров предлагаемой защитной схемы, которые и представлены в выражениях (1)-(5).
Проиллюстрируем расчет параметров предлагаемой схемы на примере.
к
2
Пример 1. Требуется защитить электродвигатель 6 кВ мощностью 400 кВ с помощью RC-цепочки у его зажимов. Длина соединительного кабеля l=100 м, сечение 70 мм.
Вычисляем емкость двигателя, в соответствии с [1] она равна:
В соответствии с (1) вычисляем параметры RC-цепей, включаемых между фазой и землей. Емкость RC-цепочки, подключаемой между фазой и землей:
к.пог
где С=0,39 мкФ/км - погонная емкость кабеля по прямой последовательности.
Индуктивность схемы:
ш
к.пог
-6
-3
где L=25·10 Гн - индуктивность ошиновки, L=0,1-10 мГн/км - погонная индуктивность кабеля на высоких частотах.
Сопротивление RC-цепочки, подключаемой между фазой и землей, будет равно:
В соответствии с (2) вычисляем параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами:
к
к.пог
к
ф
к
к.пог
к
ф
фф
фф
ф
-3
-5
-8
где L=Ll=0,1·10·0,1=1·10 - индуктивность кабеля при высоких частотах; С=С/1,825=С·l/1,825=2,137·10 Ф - фазная емкость кабеля (для кабелей с бумажно-масляной изоляцией 6-10 кВ и секторными жилами справедливы соотношения С=С+3С; С=0,275С [3]).
Вычисляем комплексы сопротивлений в соответствии с (3):
AB
AB
NA
NA
где R, C - сопротивление RC-цепи, подключаемой между фазами; R, C - сопротивление RC-цепи, подключаемой между фазой и землей.
Вычисляем комплексные сопротивления в схеме замещения по формулам (4):
В соответствии с (5) переходим к действительным значениям:
Подключение рассчитанных RC-цепочек осуществляется по схеме, представленной на фиг.1.
Литература
1. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. 2-е изд. [Текст]: РД 153-34.3-35.125-99: утв. РАО ЕЭС России 12.07.1999. - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999. - 353 с.
2. Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями [Текст] / Н.Н.Беляков // Электрические станции. - 1994. - №9.
3. Пат.2305887 Российская Федерация, МПК Н02Н 9/04, H02J 3/20. Высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями [Текст] / Качесов В.Е.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. - №2005121361/09; заявл. 07.07.2005; опубл. 10.09.2007, Бюл.№25. - 12 с.: ил.
4. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. 3-е изд. [Текст]: РД 153-34.0-20.527-98: утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политики 23.03.1998. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2001. - 131 с.