ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ПРОМЫШЛЕННО-ИНВЕСТИЦИОННАЯ КОМПАНИЯ "ЭНЕРГОТРАСТ" (Ленинский пр. 16 стр. 2, Москва 1, Moscow, RU)
MAREEV, Oleg Viktorovich (ul. Nemchinova, 1/25-99Moscow, 2, 12742, RU)
MAPEEB Олег Викторович (ул. Немчинова 1/25, кв. 99 Москв, 1 Moscow, RU)
формула изобретения
устройство ограничения токов короткого замыкания, содержащее трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель, отличающееся тем, что трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток, сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода выбрано из условия:
10 < σ F я / F cт < 100, где: у
F я - суммарное сечение ярем, F cт - сечение стержней. |
устройство ограничения токов короткого замыкания.
изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, может найти применение в токоограничивающих устройствах при коротких замыканиях в электрических сетях, обеспечивающих возможность использования установленных в сети выключателей при увеличении токов короткого замыкания сети свыше номинального тока отключения выключателей. известен токоограничивающий реактор, содержащий обмотку, состоящую из витков провода, образующих ряды, расположенные перпендикулярно оси обмотки и отделенные посредством изоляционных прокладок, в которых выполнены пазы и размещены витки провода, а прокладки, образующие колонки, скреплены в торцевых зонах стягивающими элементами и зафиксированы по поверхностям при помощи дистанцирующих элементов. патент российской федерации Ne 2184403, мпк: H01F27/30, 2002г.
известен токоограничивающий реактор, содержащий обмотку, витки которой содержат п параллельных проводов, где п целое число, и m рядов, где m целое число, ряды расположены в осевом направлении перпендикулярно оси обмотки. патент российской федерации JYo 2170466, мпк: H01F27/30, 2001г.
известно устройство, содержащее диэлектрический каркас, на который навита обмотка из обычного проводникового материала. поверх обмотки навита обмотка, выполненная из сверхпроводящего материала и имеющая направление противоположное намотке предыдущей обмотки. поверх обмотки
навита обмотка, выполненная из обычного проводникового материала. патент российской федерации JN° 2027240, H01F38/02 1995г.
известно устройство ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях, которое содержит трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель. электрические аппараты высокого напряжения. издательство спб гпу, 2005г, с.138- 153. александров
г.н. и др. под редакцией г.н. александрова. прототип.
недостатком аналогов и прототипа является постоянство индуктивного сопротивления реактора, что приводит к падению напряжения на реакторе при протекании по нему максимального тока нормального режима.
данное изобретение устраняет указанный недостаток. техническим результатом изобретения является изменение реактивного сопротивления устройства ограничения токов короткого замыкания до заданного уровня.
технический результат достигается тем, что в устройстве ограничения токов короткого замыкания, содержащем трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель, * трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток, сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода выбрано у у из условия: 10 < F я / F cт < 100, где: F я - суммарное сечение ярем, F cт - сечение стержней.
сущность изобретения поясняется на фиг. 1 - 3.
на фиг.l представлена однолинейная схема устройства ограничения токов короткого замыкания на основе управляемого шунтирующего реактора токов (ушрт), где: 1 - сетевая обмотка, 2
- обмотка управления реактора, 3 - магнитопровод, 4 - коммутирующее устройство, например вакуумный разрядник многократного действия (искровой промежуток), в - выключатель, X c - индуктивное сопротивление сети, Z N - полное сопротивление нагрузки, ип - искровой промежуток, PMT - реле максимального тока, с - батарея конденсаторов.
на фиг.2 представлена зависимость отношений максимальной и минимальной индуктивностей устройства ограничения токов короткого замыкания без основного стержня от отношения внутреннего диаметра сетевой обмотки к эквивалентной ширине магнитного потока при коротко замкнутой обмотке, где: Cl 1
- внутренний диаметр сетевой обмотки, аj - толщина сетевой обмотки, a 2 - толщина обмотки управления, aj 2 - ширина зазора между обмотками.
на фиг. 3 представлена схема расположения обмоток и магнитопровода управляемого шунтирующего реактора, где: 1 - сетевая обмотка, 2 - обмотка управления реактора, 3 - магнитопровод, dj 2 - средний диаметр зазора, аj - толщина сетевой обмотки, a 2 - толщина обмотки управления, a ]2 - ширина зазора между обмотками.
устройство ограничения токов короткого замыкания на основе управляемого шунтирующего реактора тока (ушрт) - это параллельное соединение конденсатора с и управляемого шунтирующего реактора, содержащего сетевую обмотку 1, магнитопровод 3 и обмотку управления 2, причем батарея
конденсаторов с включена параллельно сетевой обмотке 1 (фиг. l). устройство ограничения токов короткого замыкания включают последовательно в цепь, в которой необходимо ограничивать ток короткого замыкания.
в нормальном режиме работы сети ушрт работает в режиме холостого хода и его индуктивное сопротивление на два порядка превосходит реактивное сопротивление конденсатора с . ток протекает в основном через конденсатор с, в связи с чем обеспечена компенсация индуктивного сопротивления сети Xc и увеличена ее пропускная способность. падение напряжения на конденсаторе AUc ограничивают условиями работы сети - например, 5% от номинального напряжения. соответственно выбирают емкость конденсатора.
при максимальном токе нормального режима в цепи I нм
и допустимом падении напряжения на конденсаторе: щ:.д0ff z
°^ф, где Uψ - фазное напряжение линии, (1) необходимое сопротивление конденсатора:
Q _ 1 _ 1 HM _ 1 HMH „, ω - X c ω - δUдоп a - ω - U ф ' ^ ' для сетей сверхвысокого напряжения при установке устройства ограничения токов короткого замыкания в рассечку линии аналогично продольной емкостной компенсации максимальный ток нормального режима ограничен натуральным током линии.
Xc = -a - ψ t - = -a . Z B t (4)
где Z B - волновое сопротивление линии.
при возникновении короткого замыкания в сети ток через конденсатор с резко возрастает. возрастает и падение напряжения на нем. соответственно возрастает напряжение на обеих обмотках 1 и 2 утттрт до тех пор, пока не произойдет пробой искрового промежутка 4 в цепи обмотки управления 2. в случае относительно малых токов короткого замыкания искровой промежуток 4 не пробивается. лишь при достижении опасных значений тока происходит пробой искрового промежутка 4 (например, при увеличении напряжения на конденсаторе до 0,25U ф ). после пробоя искрового промежутка ушрт переходит в номинальный режим работы с минимальным индуктивным сопротивлением хL.н о м-
эквивалентное реактивное сопротивление устройства ограничения токов короткого замыкания становится равным:
Y X L.HOM ' X C э ~ ~ P TV ~ • ( 5 )
если х L.ном - -Xc эквивалентное сопротивление устройства ограничения короткого замыкания хэ = ∞ , ток через устройство не проходит. однако при этом падение напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания достигает фазного напряжения линии U ф , а ток в контуре достигает значения τ _ U ф _ 1 HM. (aл
1 тоу.макс ~ ~ 7г ~ ~ , ( о)
A Q а и, например, при а — 0,05 превосходит ток нормального режима в 20 раз. для снижения напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания и, соответственно, тока в нем, можно подобрать XLHOM < XQ-
эквивалентное сопротивление устройства может принимать любое значение от ∞ до 0. в этом случае сквозной ток через устройство определяется суммой сопротивлений устройства и включенного последовательно сопротивления сети X N ,, а ток короткого замыкания равен
/„, = _ u ф
X (8)
N где X N - сопротивление короткого замыкания сети. отношение этих токов о _ Iк з ог _ хь х ι н - Xc X
хь 1 + L H Xr (9)
XL н + Xc х ^ Nь X Lr H и + х ^.C
например, при X N = -Xc и X L н ~ -0, 5X C β = - = 0,5 ,
1 + 0,5 - 2 то есть ток короткого замыкания ограничивается вдвое, а падение напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания
чем больше отношение х L н /х с , тем больше ограничивается ток короткого замыкания и тем больше падение напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания (см. табл. 1).
таблица 1
ограничение тока короткого замыкания в сети оказывает влияния на работу релейной защиты, дающей команду на отключение поврежденной фазы линии. для обеспечения надежной работы релейной защиты измерение тока следует производить не в основной цепи, а в цепи присоединения ушрт к конденсатору с. в контуре ток возрастает в режиме короткого замыкания в несколько раз по сравнению с током нормального режима, что и обеспечивает надежную работу максимального токового реле (таблица 2).
таблица 2
отключение поврежденной линии (фазы линии) линейным выключателем в приводит к потере связи устройства ограничения токов короткого замыкания с источником напряжения. падение напряжения на устройстве уменьшается (из-за большого сопротивления обмоток 1 и 2 ушрт), что приводит к погасанию дуги в искровом промежутке 4. в результате сопротивление ушрт увеличивается на два порядка и устройство ограничения токов короткого замыкания оказывается подготовленным к работе в нормальном режиме. при этом воздействие повышенного напряжения на устройство и, соответственно, повышенного тока ограничено временем работы выключателя в, включая выдержку времени релейной защиты. это время для современных устройств автоматики и современных выключателей не превышает 100 мс.
таким образом, может быть обеспечена любая необходимая степень ограничения тока короткого замыкания в распределительной сети. номинальное напряжение U c. нoм конденсатора с и реактора должно быть значительно меньше наибольшего напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания. действительно, известно, что косинусные конденсаторы обычного исполнения допускают кратковременное четырехкратное повышение напряжения, а при специальном исполнении - до пятикратного. следовательно, номинальное напряжение конденсатора U сном может быть в пять раз ниже максимального. для изоляции ушрт повышение напряжения в режиме короткого замыкания следует рассматривать как редкое коммутационное перенапряжение.
для определения номинального напряжения изоляции реактора надо поделить максимальное напряжение устройства ограничения токов короткого замыкания на расчетную кратность K n.? внутренних перенапряжений для электроустановок рассматриваемого класса.
резкое кратковременное увеличение тока в реакторе в режиме короткого замыкания не может вызвать перегрева обмоток 1 и 2 и плотность тока в обмотках реактора 1 и 2 может доходить до юоа/мм , что обеспечивает снижение расхода проводникового материала (меди, алюминия).
увеличение тока в контуре L-C устройства ограничения токов короткого замыкания в режиме короткого замыкания по сравнению с номинальным режимом соответствует увеличению напряжения и равно Q2)
чем больше отношение х L.н /х с , тe м больше ограничивается ток короткого замыкания и тем больше падение напряжения на устройстве ограничения токов (таблица T).
например, при X LH /X C — - 0,5 сечение проводов алюминиевой обмотки может быть в 10 раз меньше сечения провода линии, поскольку ток в режиме короткого замыкания увеличивается в 10 раз, а допустимая плотность тока в 100 раз больше, чем в номинальном режиме. это позволяет изготовить магнитопровод 3, в котором сечение стержней магнитопровода и сечение ярем магнитопровода лежит в пределах:
10 < σ F я / F 0x < 100, где:
V F я - суммарное сечение ярем, F cт - сечение стержней.
такие устройства ограничения токов короткого замыкания в виде параллельного соединения батареи конденсаторов и ушрт применимы и для ограничения токов короткого замыкания в энергосистеме в целом. для этих целей устройства следует устанавливать в месте наибольшего тока короткого замыкания, разделяя в аварийном режиме систему на две электрически несвязанные или слабо связанные части.
в этом случае эквивалентное сопротивление сети в месте короткого замыкания равно
χ 2X N {2X N+ X э ) = 2X N + X 3 ( 13ч
^ э 2X N +2X N + X 3 N 4X N + X 3 V J
при этом ток короткого замыкания в системе с устройством ограничения токов короткого замыкания равен:
формула (16) позволяет получить необходимое эквивалентное сопротивление устройства ограничения токов короткого замыкания при любом требуемом токоограничении β.
необходимое сопротивление реактора в номинальном режиме
XLHOM~
при β ~ \ (ток короткого замыкания не ограничивается) X L = 0; при β = 0,5 X L =-X c =cc-Z в . соответственно отношение абсолютных значений индуктивного и емкостного сопротивлений устройства ограничения токов короткого замыкания в режиме короткого замыкания равно
сквозной ток через устройство получим делением фазного напряжения на сумму сопротивлений части системы и эквивалентного сопротивления устройства ограничения токов короткого замыкания
Uф Vф Vф ιTOу
2 аXл. N лf ++Xа,-а (19)
2 оXъ M + .4..X. 2β-l).
M 1-β 2X \
N
2β-l
при β = 1 ток через устройство ограничения токов короткого замыкания (Iтоv) равен половине тока короткого замыкания системы, а при β= 0,5 ток IT Oу = 0- напряжение на устройстве ограничения токов короткого замыкания будет равно ^TOY = 1 TOY • X э = 2U ф • i 1 ~ P) . (20)
относительная величина падения напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания
δU TO y
= 2-(l-β) ш (21) U ф
следовательно, при β= I AU TOу = 0, а при β= 0,5 δU TOу - U ф . с учетом кратковременности повышения напряжения на устройстве ограничения токов короткого замыкания (не более 100 мс) номинальное напряжение конденсаторов может быть в 4 í 5 раз меньше: U cнoм = 0,4U ф • (l - β) . (22)
ток в контуре L-C в режиме короткого замыкания определяется напряжением на устройстве ограничения токов короткого замыкания и сопротивлением параллельных ветвей. следовательно
пр F и β к = 0,'5 h= — а- Z y в - = - а ~I н и, следовательно, в 1/a раз превосходит натуральный ток линии или максимальный ток нагрузки в нормальном режиме работы линии.
изменение тока через реактор при 0,5≤β<\ приведено в таблице 3 вместе с другими параметрами щmX N =-X c ж а- 0,05.
таблица 3
сравнение таблиц 2 и 3 показывает, что в последнем случае возможный диапазон ограничения токов короткого замыкания вдвое меньше, чем в первом случае.
полученные соотношения могут быть обобщены на случай установки произвольного числа п устройств ограничения токов короткого замыкания в энергосистеме.
необходимое эквивалентное сопротивление каждого устройства ограничения токов короткого замыкания для обеспечения заданной степени ограничения тока короткого замыкания в энергосистеме будет равно:
- (24).