Способ снижения токов включения при многократных коммутациях трансформатора

 

Использование: в области электротехники, в частности при включении и выключении силовых трансформаторов. Сущность: при отключении трансформатора от сети, предшествующем его очередному включению, размыкание контактов выключателя производят в определенный момент времени, отсчитываемый от начала периода возрастания напряжения сети в одной из ее фаз, а замыкание контактов выключателя при очередном подключении трансформатора к сети производят в момент времени, отсчитываемый от такого же, как в предшествующем выключении, начала периода возрастания напряжения в той же самой фазе сети. Способ позволяет увеличить надежность работы трансформаторов, коммутационной и защитной аппаратуры за счет снижения электродинамических сил и коммутационных перенапряжений. 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторам, преимущественно силовым, и может быть использовано при частом их включении и выключении.

Возникающие при включениях броски намагничивающего тока трансформаторов (например, электропечных, т. е. питающих дуговые сталеплавильные печи ДСП) приводят к опасным электродинамическим силам в обмотках и токоведущих элементах; к перенапряжениям, особенно при коммутациях во время незатухающего процесса включения; ухудшают работу электрических фильтров, затрудняют настройку и работу релейной защиты.

Разработка специальных трансформаторов с малыми бросками тока включения (ТВ) бесперспективна по технико-экономическим соображениям, поэтому необходимы способы снижения бросков токов включения при помощи "внешних" устройств.

Известен способ снижения бросков ТВ путем включения последовательно с трансформатором пускового резистора или реактора [1] Способ имеет ряд недостатков: требуются специальные резисторы или реакторы, второй комплект выключателей, закорачивающий резисторы после окончания переходного режима, то есть для осуществления способа требуются большие дополнительные затраты. Поэтому он применяется редко, особенно сложно его применение на действующих подстанциях металлургических комбинатов.

Известен также способ снижения токов включения при многократных коммутациях трансформатора в трехфазной сети переменного тока, при котором замыкание контактов выключателя при подключении к сети осуществляют в заданный момент времени, который определяют величиной и полярностью остаточной индукции в стержнях трансформатора. Необходимая остаточная индукция достигается путем предварительного пропускания по обмоткам трансформатора постоянного намагничивающего тока [2] Этот способ является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту. Недостатком такого способа (прототипа) является необходимость дополнительного источника постоянного тока, специальной коммутационной аппаратуры, токоограничивающего реактора в цепи намагничивания, выполнения нескольких дополнительных коммутаций перед каждым включением трансформатора, что сложно осуществить, особенно в условиях действующих подстанций металлургических комбинатов.

Цель изобретения снижение бросков тока включения трансформаторов, увеличение надежности работы электротехнического оборудования (трансформаторы, коммутационная и защитная аппаратура) за счет снижения электродинамических сил и коммутационных перенапряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, согласно которому замыкание контактов выключателя при подключении к сети осуществляют в заданный момент времени, определяемый величиной и полярностью остаточной индукции в стержнях трансформатора, размыкание контактов выключателя при отключении трансформатора от сети, предшествующем его очередному включению, осуществляют в момент времени, который отсчитывают от начала периода изменения напряжения сети в одной из ее фаз и определяют по формуле , где f частота сети, cosϕ_мин и cosϕ_макс- минимальный и максимальный возможные коэффициенты мощности нагрузки и трансформатора относительно его сетевых вводов, а замыкание контактов выключателя при очередном подключении трансформатора к сети осуществляют в момент времени, который также отсчитывают от такого же, как в предшествующем выключении, начала периода изменения напряжения в той же самой фазе сети и определяют по формуле Способ поясняется чертежами, где изображено: на фиг.1 принципиальная схема осуществления способа снижения токов включения трансформаторов, на фиг. 2 структурная схема устройства синхронизации выключателя, обеспечивающего настройку постоянных моментов времени его отключения и включения, на фиг. 3 обмотки трехфазного трансформатора, на фиг. 4 зависимость от времени линейных токов включения, на фиг. 5 зависимость максимальных линейных токов включения трансформатора от момента времени включения трансформатора (Т_вкл) при неизменном значении момента отключения (Т_откл).

На чертежах обозначено: 1 питающая сеть, 2 сетевой выключатель, 3 - шины выключателя (3 фазы), 4 выключатель оперативный, которым по команде оператора с пульта управления осуществляют многократное включение и отключение трансформатора 5, 6 нагрузка трансформатора, например, дуговая сталеплавильная печь ДСП, 7 и 8 -трансформаторы напряжения, 9 трансформаторы тока, 10 и 11 катушки привода отключения и включения выключателя 4, 12 и 13 нормально закрытый (н. з. ) и нормально открытый (н.о.) блок-контакты выключателя 4, 14 устройство синхронизации выключателя, 16 регулятор установки момента включения трансформатора, 17 клеммы для сигнала на отключение от пульта управления выключателем 4, 18 клеммы для сигнала на включение, 19 выводы на осциллограф, 20 блок синхронизации с напряжением сети, 21 блок настройки момента отключения выключателя, 22 блок настройки момента включения выключателя, 23 и 24 формирователи сигналов управления, 25 и 26 логические элементы И, 27 и 28 преобразователи контактных сигналов в логические, 29 и 30 короткозамыкатели катушки отключения и катушки включения выключателя, 31, 32 и 33 сетевые обмотки (обмотки ВН) трансформатора, 34, 35 и 36 вторичные обмотки (НН), питающие нагрузку.

Реализация способа поясняется на примере схемы питания от сети 1 дуговой сталеплавильной печи 6 через электропечной трансформатор 5.

При каждом очередном отключении трансформатора 5 выключателем 4 подают сигнал на срабатывание привода 10 выключателя (на короткозамыкатель 29), но не непосредственно, а через устройство синхронизации выключателя 14. Это устройство задерживает сигнал на отключение таким образом, чтобы с учетом собственного времени срабатывания привода срабатывание выключателя 4 началось через время после перехода через нуль напряжения одной из фаз трансформатора (например, фазы А, т.е. напряжения U_ab, см. фиг. 3). Для такой синхронизации работы выключателя в устройство 14 вводят опорное напряжение сети U_ab от трансформатора напряжения Т, которое подают на блок синхронизации 20, который формирует короткий импульс в момент перехода U_ab через ноль с возрастанием напряжения, т.е. с положительной производной. Этот импульс поступает в блок настройки 21, формирующий необходимое время задержки. Блок настройки 21 содержит регулятор (например, многопозиционный переключатель) 15, позволяющий с малым шагом (порядка 1 2 мс для частоты f=50 Гц) изменять момент формирования сигнала управления выключателем относительно переходов через нуль входного напряжения в диапазоне 20 мс (360 градусов). Блок 23 формирует импульс заданной длительности и мощности для управления короткозамыкателем 28. Логический элемента И 25 разрешает прохождение этого импульса управления на короткозамыкатель 29 при готовности выключателя 4 (контролируется по его блок-контакту 12) и наличии команды на его отключение на клеммах 17. Короткозамыкатель 29 подключает постоянное напряжение 220 В к катушке отключения выключателя.

Так как отключение трансформатора происходит каждый раз при одной и той же фазе напряжения, то в трех стержнях сердечника трехфазного трансформатора оказывается одно и то же распределение остаточных индукций Bra, Brb и Brc. В связи с тем, что при отключении выключателем переменного тока отсоединение трансформатора от сети происходит не в момент расхождения контактов, а в момент перехода тока через нуль (между контактами выключателя горит дуга, по которой проходит ток, обрываясь при переходе этого переменного тока через нуль), при нагрузке различного характера получается несколько различное распределение остаточных индукций по стержням. Так, при чисто активной нагрузке (cosϕ 1,0) разрыв активного тока при переходе через нуль соответствует моменту максимума индукции в стержне, при этом получаются максимальные остаточные индукции в стержне. При чисто индуктивной нагрузке (cosϕ0) разрыв цепи реактивного тока соответствует минимальным остаточным индукциям в стержнях. Поэтому момент времени расхождения контактов (Т_откл) устанавливается в соответствии с характером нагрузки (v arctg r/x), где x и r индуктивное и активное сопротивления цепи нагрузки и трансформатора. В формуле Т_откл, в частности, учтено, что, если характер нагрузки неизменен (например, cosϕ 0,71 const), то неизменно и время Т_откл=2,5 мс (arccosϕ_max= arccosϕ_min = arccos0,71=π/4, 2arccos 0,71/6,28/50 0,025 c 2,5 mc или 45 градусов). Если характер нагрузки изменяется в каких-то пределах (от ϕ_мин до ϕ_макс), то формула определяет усредненное время задержки. В итоге при данном способе отключение трансформатора позволяет получить каждый раз одно и то же соотношение остаточных индукций в стержнях трансформатора, подготавливая его последующее очередное включение в одном и том же начальном состоянии намагниченности стержней (это получено расчетными исследованиями и подтверждено экспериментально).

Разброс момента времени отключения с (±30 градусов) допустим из-за того, что при различных в пределах этого разброса моментах времени начала срабатывания выключателя (начала расхождения его контактов) отсоединение трансформатора от сети (обрыв дуги переменного тока) происходит в один и тот же момент прохождения тока через нуль. Дополнительные расчетные исследования показали, что и при увеличенном разбросе (±60 градусов) способ по изобретению работает, но с меньшим эффектом.

При каждом очередном включении трансформатора оперативным выключателем 4 сигнал подают на срабатывание привода выключателя (на короткозамыкатель 30 катушки привода 11) через устройство синхронизации выключателя 14 так же, как и при отключении. Сигнал на включение при этом задерживают таким образом, чтобы с учетом собственного времени срабатывания выключателя 4 замыкание контактов происходило через определенное время

которое отсчитывают от такого же, как в предшествующем включении, начала периода изменения напряжения в той же самой фазе сети. Любой из двух в течение одного периода переходов переменного напряжения сети через нуль можно рассматривать как начало изменения напряжения, поэтому под "таким же началом изменения напряжения" следует понимать одинаковый переход через нуль с возрастанием напряжения как при отключении, так и при включении. Работа блоков 20, 22, 24, 26, 28 и 30 в устройстве синхронизации на фиг. 2 аналогична ранее описанной работе при отключении трансформатора.

Поясним смысл формулы для Т_вкл. При произвольном включении трансформатора в трехфазную сеть возникают броски тока включения, которые при неблагоприятном сочетании остаточных индукций в стержнях и фазы включения могут достигать больших значений. На фиг. 4 приведен вид линейных токов фаз A, B и C, каждый из которых имеет максимальное значение Iа, Ib и Ic в первом периоде.

На фиг. 5 приведены зависимости этих максимальных линейных токов от фазы включения при определенном сочетании остаточных индукций в стержнях, обеспеченном синхронным отключением, описанным выше (кривые получены расчетом по программе на ЭВМ и подтверждены экспериментально). Из фиг. 5 видно, что момент времени включения соответствует максимальным значениям токов, показанных на фиг. 4. При моменте времени включения бросков тока включения вообще нет (все три тока нулевые линии), нет их и в "мервой зоне" что объясняет предлагаемый метод и формулу для Т_вкл этого метода. Важно подчеркнуть, что, судя по результатам расчета, приведенным на фиг. 5, способ действует с меньшим эффектом в расширенной зоне однако при этом возникают токи включения, но относительно небольшие, вполне приемлемые в эксплуатации (до 10 20% от максимального значения). На фиг. 5 максимальный ток Iа составляет примерно 5 номинальных токов.

Для осуществления способа по изобретению требуется индивидуальная настройка Т_вкл и Т_откл для каждого экземпляра выключателя, т.к. каждый выключатель имеет индивидуальное собственное время включения и отключения. Настройку производят при помощи регуляторов 15 и 16 в блоках 21 и 22 при пробных включениях и отключениях выключателя с контролем напряжений и токов по осциллограммам. Возможен и другой способ настройки, когда проводят серии пробных циклов включения-отключения трансформатора с осциллографированием токов включения. Каждый цикл проводят при фиксированном значении Т_откл и изменяемых значениях Т_вкл в диапазоне периода частоты сети. Число циклов по Т_откл из-за периодичности 3-фазной сети можно варьировать только в пределах периода.

Следует указать, что формула Т_откл дана для варианта включения обмоток трансформатора в треугольник. Если обмотки включены по другой схеме (звезда, зигзаг, треугольник с продолженными сторонами и др.), то в формулу для Т_откл должно быть введено корректирующее слагаемое вида где k= (-1) (+1) в зависимости от вида схемы включения сетевых обмоток трансформатора.

Способ по изобретению может применяться для снижения бросков тока не только в трехфазных, но и в однофазных и любых многофазных сетях.

Способ подтвержден теоретическими расчетами по специально разработанным программам на ЭВМ, а также экспериментами на трансформаторах типа ЭТИНД-160000/35, установленных в цепях питания печей типа ДСП-10046 Молдавского металлургического завода. При этом были использованы макеты устройства синхронизации выключателей типа УСВ-35/1, реализующие способ по настоящему изобретению. Эксперименты показали, что без применения способа по изобретению максимальные значения бросков тока включения составляли 7,5 8 кА, что соответствует пятикратному значению номинального тока. При применении способа максимальные броски тока снижены до 1,3 кА, а в 90% случаев они вообще отсутствуют (возникновение малых бросков тока включения вместо нулевых значений объясняется, вероятно, разбросом времени срабатывания выключателя и другими второстепенными причинами).

Формула изобретения

Способ снижения токов включения при многократных коммутациях трансформатора в трехфазную сеть переменного тока, при котором замыкание контактов выключателя при подключении к сети осуществляют в заданный момент времени, который определяют величиной и полярностью остаточной индукции в стержнях трансформатора, отличающийся тем, что размыкание контактов выключателя при отключении трансформатора от сети, предшествующем его очередному включению, осуществляют также в определенный момент времени, который отсчитывают от начала периода возрастания напряжения сети в одной из ее фаз и определяют по формуле

где f частота сети;
cosϕ_мин и cosϕ_макс- минимальный и максимальный возможный коэффициент мощности нагрузки и трансформатора относительно его сетевых вводов,
а замыкание контактов выключателя при очередном подключении трансформатора к сети осуществляют в момент времени, который также отсчитывают от такого же, как в предшествующем выключении, начала периода возрастания напряжения в той же самой фазе сети, и определяют по формуле
о

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5