Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования



Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования
Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования
Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования

 


Владельцы патента RU 2467446:

Закрытое акционерное общество "Специальные энергетические технологии" (RU)
Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания единой энергетической системы" (RU)
Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия и надежности. Ограничитель тока короткого замыкания содержит измеритель тока, токоограничивающее активное сопротивление и штатный отключатель в цепи электрооборудования, при этом токоограничивающее сопротивление замкнуто размыкателем с разрушаемым элементом и замедляющим конденсатором, сигнал на размыкатель поступает с помощью измерителя тока и аппаратуры управления, а в цепь размыкателя введены отключатели. 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, оно относится к способам и устройствам защиты высоковольтного электротехнического оборудования от разрушения. Изобретение позволяет создавать быстродействующие устройства защиты оборудования с рабочим напряжением 35-750 кВ от разрушения токами короткого замыкания до 350 кА без использования дорогостоящих токоограничивающих реакторов.

Уровень техники

Для защиты электрооборудования от разрушения токами короткого замыкания и вообще от сверхдопустимых токов, используют различные способы ограничения тока [1-5]. Наиболее часто используемым способом, см. Фиг.1 [6, 7], является способ включения токоограничивающего реактора (индуктивности) 1 в электрическую цепь от источника тока 9 последовательно перед нагрузкой 8. Параллельно реактору 1 подсоединяют ограничитель тока 2 (в данном примере - Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) для систем в диапазоне напряжений 2,8-38 кВ), который в исходном состоянии накоротко его замыкает. В некоторых схемных решениях для ограничителей тока, выполненных в виде каскада размыкающих элементов 4, применяют делитель напряжения, например, с использованием электрических конденсаторов, с целью требуемого распределения и замедления роста напряжения между размыкающими элементами. Разъединители (отключатели без тока) 5 используют для кратковременного отсоединения разомкнутого ограничителя тока 2 при замене плавкого предохранителя 3 и размыкающих элементов 4 разового действия.

Реактор 1 рассчитывается, как правило, на относительно длительный период времени работы в режиме ограничения тока 3-9 с. Ток ограничивается реактором 1 до такого значения, которое может быть безопасно прервано отключателем 6. Реактор 1 должен выдерживать токи короткого замыкания в течение долей секунды, то есть до тех пор пока не произведут отключение нагрузки отключателем 6. Таким образом, период времени работы реактора в режиме ограничения тока определяется быстродействиями отключателя 6 и используемой автоматики, вырабатывающей сигнал отключения нагрузки (или временем реакции диспетчера - несколько десятков секунд, если отключение производят вручную). За этот период времени в электрической цепи возникают переходные процессы, которые показаны на Фиг.2. Ухудшение качества электроэнергии, импульсные помехи, пики напряжения и пр. возникают из-за быстрого подключения в цепь нагрузки индуктивной составляющей, т.е. реактора 1. Размеры реактора 1 определяются максимально возможным током короткого замыкания для конкретной нагрузки потребителя и параметрами отключателя 6. Но если максимальный ток размыкания отключателя 6 по паспорту меньше тока в цепи нагрузки в момент короткого замыкания, например, в точке 7 цепи у одного потребителя в 2 и более раз, то реактор становится громоздким и чрезвычайно дорогостоящим оборудованием. Также резко увеличивается стоимость реактора и снижается качество электроэнергии в момент короткого замыкания в цепи нагрузки при рабочих напряжениях более 35 кВ. Бывают случаи, когда уровень токов короткого замыкания увеличивается в силу изменения свойств потребителя электроэнергии, вследствие чего, чтобы удовлетворить новым условиям работы, потребителю приходится менять оборудование распределительного устройства, в том числе и токоограничивающий реактор. Причем у схемы ограничения тока с помощью реактора налицо огромные минусы: с одной стороны модернизация распределительного устройства приводит к большим капиталовложениям, с другой стороны применение реакторов ведет к потерям напряжения и всем вытекающим отсюда негативным последствиям [2].

Применение размыкателей, отключателей и ограничителей тока на основе отключающих коммутационных устройств взрывного типа (ОКУ-ВТ) с разрушаемым токопроводящим элементом "Ромашка", имеющих достаточно большие напряжения пробоя и допустимый ток на одном ОКУ, позволяет отказаться от традиционных дорогостоящих токоограничивающих реакторов. Это обусловлено тем, что современные размыкатели и отключатели на основе ОКУ обладают следующими свойствами:

- время срабатывания составляет не более 1 мс;

- напряжение пробоя размыкателя (отключателя) может быть сделано соизмеримым рабочему напряжению на нагрузке, то есть увеличено вплоть до 750 кВ;

- допустимый ток размыкания может быть сделан не меньше тока короткого замыкания в цепи нагрузки, то есть увеличен до 300 кА;

- надежность срабатывания составляет 100%;

- полностью исключен человеческий фактор в принятии решения об отключении нагрузки при коротких замыканиях и электрических пробоях.

В схеме на Фиг.1, если выполняются условия того, что длительность процесса токоограничения составит не более 0,1-3 с, то есть используется ОКУ, то токоограничивающий реактор может быть заменен простым реактивным сопротивлением.

Сущность изобретения

Ближайшими по назначению прототипом настоящего изобретения являются способ включения токоограничивающего реактора последовательно в цепь нагрузки с помощью ограничителя тока (размыкателя) на напряжение 38 кВ, реализованный, например, в схемном решении CLiP® [7].

Предлагаемый в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно для ограничения больших токов, представлен на Фиг.3. От известных способов ограничения токов [2, 6, 7] с использованием токоограничивающих реакторов (индуктивных сопротивлений) он отличается тем, что:

- при возникновении короткого замыкания или сверхдопустимого тока (тока больше предельного значения для конкретной электрической цепи) ток в цепи нагрузки ограничивают активным сопротивлением, далее по тексту - токоограничивающее сопротивление (ТОС);

- включение ТОС в цепь нагрузки производят размыканием накоротко замыкающей его электрической цепи с помощью размыкателя с управляемым временем размыкания;

- период времени включения ТОС в цепь нагрузки устанавливают больше времени отключения нагрузки с требуемым запасом;

- теплоемкость и мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такими, чтобы за период времени включения его в цепь нагрузки при заданном максимально возможном значении ограничивающего тока оно не успело нагреться из-за выделяемой на нем мощности свыше допустимой (заданной с запасом) для него температуры;

- мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такой, чтобы при параллельном соединении его с замкнутым накоротко размыкателем при непрерывном режиме работы в цепи нагрузки температура ТОС незначительно превышала температуру окружающей среды;

- скорость роста напряжения на размыкателе до напряжения меньше его пробоя с заданным запасом замедляют с помощью электрического конденсатора на время, большее времени отключения тока нагрузки;

- сигнал на отключение нагрузки подают после ограничения тока и напряжения до значений, допустимых (заданных с запасом) для нормальной работы отключателя тока нагрузки;

- динамические параметры ТОС, размыкателя ТОС, отключателя тока нагрузки и аппаратуры управления без изменения основного оборудования могут быть в комплексе оптимизированы с точки зрения выполнения изменяющихся требований к функции защиты, размерам ТОС, потерям и ухудшению качества электроэнергии в цепях источника электроэнергии.

Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно к ограничению тока короткого замыкания до 300 кА при высоких рабочих напряжениях с использованием ТОС, работает следующим образом, см. Фиг.3.

В исходном состоянии в цепи 2 защищаемого от разрушения током короткого замыкания источника тока 1 и электрооборудования 9 в размыкателе 5 и отключателе 8 все ОКУ замкнуты. В цепи 2 нагрузки через размыкатель 5 и отключатель 8 штатной системы ток течет равным номинальному значению. Падения напряжений на размыкателе 5 и отключателе 8 близки к нулю. ТОС 7 замкнуто накоротко размыкателем 5 и ток через него мал. ТОС в исходном состоянии (в режиме ожидания) нагревается до температуры чуть выше температуры окружающей среды за счет выделения на нем незначительной мощности.

В момент регистрации тока короткого замыкания с помощью измерителя тока 3 и аппаратуры управления 4 сигналы на размыкание цепи сначала поступают на размыкатель 5. Последующее отключение производится штатной системой 8. После срабатывания ОКУ 5 ток в цепи нагрузки ограничивается ТОС 7 до такого значения, при котором отключатель 8 штатной системы способен отключить нагрузку безаварийно (без разрушения, пробоя). Интервал времени между моментами срабатывания размыкателя 5 и отключателя 8 может быть таким, чтобы обеспечить отсутствие перегрева ТОС 7. Потери и ухудшения качества электроэнергий в цепях источника электроэнергии становятся минимально возможными, поскольку отсутствуют фазосдвигающие эффекты от подключения индуктивности, а время плавного отключения нагрузки может быть оптимизировано в соответствии со свойствами нагрузки потребителя и составлять не более 1-3 мс. Отключатели 6 необходимы для замены разрушаемых элементов в ОКУ-ВТ. К ТОС могут быть подключены в параллель несколько сборок 10 с целью увеличения надежности и обеспечения резерва.

Заявленный в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования позволяет отказаться от использования для ограничения тока дорогостоящих и громоздких токоограничивающих реакторов.

Промышленная применимость

Способ испытан и может быть применен для ограничения тока в высоковольтном оборудовании с последующим автоматическим отключением нагрузки при рабочих напряжениях до 220 кВ и выше, с целью устранения разрушений токами короткого замыкания с возможными значениями до 300 кА. Изобретение позволяет разработать и быстро организовать производство российских дешевых, надежных и простых в эксплуатации систем защиты от разрушения электрооборудования от перегрузок взамен использования громоздких токоограничивающих реакторов со слаботочными аналогами ограничителей тока зарубежных фирм.

Использование изобретения в новых и модернизации действующих системах электроснабжения, электрических подстанциях и в других энергообъектах позволит исключить человеческий фактор в причинах аварий, устранить аварии от перегрузок по току и повысить их взрывобезопасность.

Список литературы

1. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. И.М.Адоньев, В.В.Афанасьев, и др. Под ред. В.В.Афанасьева: - Л: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1981, - 544 с.: с ил.

2. Коммутационные ограничители тока. П.Елагин. ООО "РОСПОЛЬ-ЭЛЕКТРО", Санкт-Петербург. Ж. "Новости электротехники", №4(28), 2004.

3. Патент WO 2003081741, заявка DE 0300896 13.03.2003 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Franke Henry (DE), Gnoerrlich Uwe (DE) и др.

4. Патент ЕР 0971470 А2 12.01.2000 Patentblatt 2000/02, приоритет 09.07.1998 DE 19832591, заявитель SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Rehaag Hans (DE), Pancke Andreas (DE).

5. Патент WO 2005027296, заявка DE2004001908 24.08.2004 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Buxton Clifford A. (US), Liebetruth Marc (DE) и др.

6. Коммутационные ограничители тока. Новые устройства для защиты электрооборудования. Авт. Павел Елагин. ООО "Росполь-Электро" г.Санкт-Петербург. Журнал "Новости Электротехники" №4(58) 2009. Информационно-справочное издание: info@news.elteh.ru.

7. Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) For systems rated 2.8-38 kV, and continuous currents through 5000 A. G&W ELECTRIC CO. Catalog SG4-31J. Web site: gwelec.com. ISO 14001 Certifie.

Ограничитель тока короткого замыкания, содержащий измеритель тока, токоограничивающее активное сопротивление и штатный отключатель в цепи электрооборудования, при этом токоограничивающее сопротивление замкнуто размыкателем с разрушаемым элементом и замедляющим конденсатором, сигнал на размыкатель поступает с помощью измерителя тока и аппаратуры управления, а в цепь размыкателя введены отключатели.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ограничения тока замыкания токов замыкания от низкого до сверхвысокого напряжений. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических генераторных системах для ограничения тока генератора. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции индуктивного токоограничивающего устройства, и может быть использовано в системах передачи и распределения электрической энергии переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники. .

Изобретение относится к электротехнике, к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей и систем от аварий и перегрузок. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к модулю сверхпроводящего резистивного ограничителя тока и его варианту, которые предназначены для защиты от перегрузок и токов короткого замыкания в сети.

Изобретение относится к электротехнике, к ограничителям тока повреждения. Технический результат состоит в экономичной и эффективном повышении качества электрического тока путем уменьшения гармонических искажений. Способ качественного улучшения тока включает этапы, на которых пропускают первичный ток (1) через первичную обмотку (2), обеспечивают связь вторичной обмотки (3) с первичной обмоткой (2) через общий магнитный поток. Вторичная обмотка (3) содержит сверхпроводник, выполненный с возможностью ослабления. Ослабление вызывает переход сверхпроводника из состояния сверхпроводимости с низким сопротивлением в ослабленное состояние с высоким сопротивлением, и направляют большую часть (8) общего магнитного потока первичной обмотки (2) и вторичной обмотки (3) в ферромагнитную среду (5а). При ослаблении общий магнитный поток перенаправляют таким образом, что в ослабленном состоянии с высоким сопротивлением сверхпроводника большая часть (17) общего магнитного потока направляется снаружи ферромагнитной среды (5а). 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках питания с защитой от перегрузки по току без использования датчика тока, преимущественно в системах управления космических аппаратов. Технический результат заключается в снижении массы и габаритов коммутатора напряжения и повышении точности при изменении электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры. Для этого заявленное устройство содержит электронный коммутатор с МОП структурой, который подает питание в блок нагрузки. Подключенный к общей точке коммутатора и блока нагрузки электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор снижают погрешность формирования уровня срабатывания релейного элемента с гистерезисом, который управляют с помощью первого и второго элементов И включением и выключением питания блока нагрузки. При наличии перегрузки по току осуществляется отключение питания от блока нагрузки. 1 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках питания с защитой от перегрузки по току без использования датчика тока, преимущественно в системах управления космических аппаратов. Технический результат заключается в снижении массы и габаритов коммутатора напряжения и повышении точности при изменении сопротивления электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры. Для этого заявленное устройство содержит электронный коммутатор с МОП структурой, который подает питание в блок нагрузки. Последовательно соединенные источник опорного напряжения, второй электронный ключ, резистор и терморезистор обеспечивают срабатывание релейного элемента с гистерезисом, практически независимым от температуры. Подключенный к общей точке коммутатора и блока нагрузки электронный ключ, выход которого соединен с входом сумматора, позволяют исключить из схемы датчик тока, который требует значительного отвода тепла. При наличии перегрузки по току осуществляется отключение питания от блока нагрузки. 1 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности коммутации в условиях изменения температуры при снижении массы и габаритов коммутатора. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит элемент И, последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки и дополнительно введенные генератор тока, терморезистор, задатчик тока, блок сравнения и блок определения фактического значения коммутируемого тока, включающий блок хранения заданных значений, сравнивающее устройство, блок умножения, сумматор и блок деления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение эффективного охлаждения сверхпроводящего элемента при срабатывании токоограничивающего устройства. Модуль ограничителя тока включает, по меньшей мере, один сверхпроводящий элемент, расположенный в керамической капсуле и находящийся в термическом контакте с материалом капсулы, где капсула выполнена из термостойкой теплопроводной керамики с коэффициентом теплопроводности не менее 1 Вт/м/К, электрическим сопротивлением не менее 105∙Ом·м и электрической прочностью свыше 400 В/мм. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к ограничителям тока утечки. Технический результат состоит в повышении кпд путем повышения отношения индуктивностей. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки, включающий в себя нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3), сверхпроводящую, короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки. Система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально. Система (4) вторичной катушки включает в себя первую секцию (4a) катушки и вторую секцию (4b) катушки. Первая секция (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри витков (3) системы (2) первичной катушки. Вторая секция (4b) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально снаружи витков (3) системы (2) первичной катушки. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - ускорение восстановления сверхпроводящих свойств сверхпроводящего ограничителя тока (СОТ) после токоограничения за счет увеличения открытости сверхпроводящей ленты для жидкого азота с обеспечением жесткости предлагаемой конструкции и ее устойчивости к действию пондеромоторных сил. СОТ содержит изоляционный каркас, в котором размещен спиральный бифиляр из ленты с подложкой и изоленты, которая наклеена на подложку с помощью пленки. Изоляционный каркас выполнен из стянутых резьбовым соединением основной части и фиксирующей части. Каждая часть выполнена в виде наружного кольца и центральной планки. Кольцо и планка жестко связаны ребрами. Ребра основной части изоляционного каркаса имеют пазы, в которых размещен спиральный бифиляр из ленты сверхпроводника. Спиральный бифиляр охвачен двумя дуговыми вставками, закрепленными в периферийных пазах. Пазы в ребрах изоляционного каркаса выполнены с возрастающим от центра к периферии шагом для уменьшения разницы воздействия пондеромоторных сил на витки бифиляра различной кривизны и обеспечения необходимых изоляционных расстояний при токоограничении. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - улучшение рабочей характеристики ограничителя. Ограничитель тока содержит магнитно насыщаемый сердечник, который включает в себя первый стержень, второй стержень с первой катушкой переменного тока, намотанной на втором стержне, третий стержень со второй катушкой переменного тока, намотанной вокруг третьего стержня, причем первая и вторая катушки переменного тока намотаны последовательно и соединены с источником переменного тока первой фазы, и четвертый стержень. Первый блок подмагничивания выполнен с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи в первом стержне и втором стержне, имеющей первое направление магнитного потока, а вторая катушка выполнена с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи в третьем стержне и четвертом стержне, имеющей второе направление магнитного потока, причем первое направление магнитного потока противоположно второму направлению магнитного потока. Первая и вторая катушки переменного тока выполнены с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи переменного тока во втором и третьем стержнях в направлении магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока. 19 з.п. ф-лы, 33 ил., 1 табл.
Наверх