Способ ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники. Способ позволяет получить технический результат - повысить эффективность токоограничения и стабилизировать напряжение сети. Устройство имеет упрощенную конструкцию и небольшие массогабариты. Указанный технический результат достигается тем, что в способе к линии электропередачи подсоединяют трансформатор (Т) с последовательным включением первичной обмотки, к вторичной обмотке которого параллельно подсоединяют батарею конденсаторов (БК) и управляемый переключатель (УП). В рабочем режиме УП замыкают, накоротко замыкая БК и вторичную обмотку Т. В аварийном режиме УП размыкают, обеспечивая резонанс токов контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления холостого хода Т с последовательным соединением индуктивного сопротивления короткого замыкания Т и емкостного сопротивления БК. В устройстве Т выполнен из магнитопровода (М) и отрезка коаксиального кабеля (КБ) с внутренней жилой, подсоединенной к отрезку линии передачи, и с проводящей оболочкой, окружающей внутреннюю жилу. КБ выполнен навитым на М, а проводящая оболочка разделена по меньшей мере двумя кольцевыми прорезями и подсоединена параллельно к БК и УП. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, электроэнергетики и может быть использовано для ограничения сверхтоков аварийных режимов линий электропередачи.

Известен способ ограничения токов короткого замыкания, основанный на использовании эффекта резонанса напряжения при рабочих режимах и расстройки резонанса при аварийных режимах. Резонанс напряжений в рабочем режиме достигается последовательным включением в линию электропередачи батареи конденсаторов с небольшим емкостным сопротивлением $$X_c=-\frac{1}{\omega C}$$ , где ω=314 1/сек - круговая частота колебаний, С - емкость батареи конденсаторов, и управляемого реактора, индуктивное сопротивление которого X_L=ωL_p, где L_p - индуктивность реактора в рабочем режиме, которая выбирается из условия

где К_p - коэффициент расстройки резонанса, W_L - энергия в индуктивности, W_C - энергия в емкости, I_p - действующее значение тока реактора, U_c - действующее значение напряжения на емкости. При этом условии суммарное сопротивление устройства Х_Σ=X_L+X_C в рабочем режиме незначительно влияет на его характеристики.

В аварийном режиме путем изменения индуктивности реактора осуществляется расстройка резонанса, суммарное сопротивление цепочки X_L+X_C возрастает, ограничивая тем самым величину тока аварийного режима. Примеры токоограничивающих устройств, выполненных в соответствии с этим способом, в том числе с использованием батареи конденсаторов и управляемого переключателя, известны (Крючков И.П. и др. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования. Москва, 2005 г., с.222, 223).

Недостатком данного способа является необходимость выполнения устройств, его реализующих, на величину рабочего напряжения, превышающую рабочее напряжение линии электропередачи, из-за достаточно больших величин перенапряжений в переходном режиме, что затрудняет их практическое использование.

Известно также трасформаторно-резонансное токоограничивающее устройство, в котором первичная обмотка трансформатора и батарея конденсаторов последовательно включены в линию электропередачи и их реактивные сопротивления в режиме холостого хода соответствуют условию (1) (GB №1143568).

Ограничение тока короткого замыкания осуществляется увеличением реактивного сопротивления устройства при переключении батареи конденсаторов в аварийном режиме параллельно индуктивности холостого хода трансформатора. Для данного устройства этот эффект является вторичным, так как практически сложно выполнить соотношение (1) при переключении батареи конденсаторов. Кроме того, сохраняются все недостатки предыдущего аналога.

Наиболее близким по технической сущности является токоограничивающее устройство трансформаторно-резонансного типа, первичная обмотка трансформатора которого включена последовательно в линию электропередачи, а к вторичной обмотке параллельно подключены батарея конденсаторов и реактор, ток через который регулируется управляемым переключателем (CN №2353213).

Емкость батареи конденсаторов в аварийном режиме выбирается из условия обеспечения резонанса напряжений при К_р≈1 в последовательном контуре, образованном индуктивным сопротивлением трансформатора в режиме короткого замыкания и емкостью батареи конденсаторов, что позволяет компенсировать падение напряжения в первичной цепи трансформатора в номинальном режиме. Токоограничение осуществляется увеличением реактивного сопротивления трансформатора при регулировании тока реактора.

Таким образом, обобщая изложенное, устройство реализует способ ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи, заключающийся в том, что к линии электропередачи подсоединяют трансформатор с последовательным включением первичной обмотки, к вторичной обмотке которого параллельно подсоединяют батарею конденсаторов и управляемый переключатель, при этом обеспечивают резонанс контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления трансформатора и емкостного сопротивления батареи конденсаторов (CN №2353213).

Известное устройство ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи содержит отрезок линии электропередачи, трансформатор, батарею конденсаторов и управляемый переключатель, причем первичная обмотка трансформатора последовательно подсоединена к отрезку линии электропередачи, к вторичной обмотке трансформатора параллельно подсоединена батарея конденсаторов и управляемый переключатель (CN №2353213).

Недостатком данного устройства и способа являются низкая эффективность токоограничения из-за большого энергосодержания W_L и W_C в индуктивности и емкости в рабочем режиме, большие перенапряжения в переходном режиме, сложность конструкции из-за введения дополнительного реактора во вторичную цепь трансформатора, большие массогабариты.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплутационных характеристик.

Технический результат, который получен при осуществлении изобретения, состоит в упрощении конструкции, в повышении эффективности токоограничения, в стабилизации напряжения сети за счет плавного регулирования реактивных мощностей, в снижении массогабаритов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи, заключающемся в том, что к линии электропередачи подсоединяют трансформатор с последовательным включением первичной обмотки, к вторичной обмотке которого параллельно подсоединяют батарею конденсаторов и управляемый переключатель, при этом обеспечивают резонанс контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления трансформатора и емкостного сопротивления батареи конденсаторов, согласно изобретению в рабочем режиме управляемый переключатель замыкают, накоротко замыкая батарею конденсаторов и вторичную обмотку трансформатора, а в аварийном режиме при замыкании нагрузки управляемый переключатель размыкают, обеспечивая резонанс токов контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления холостого хода трансформатора с последовательным соединением индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора и емкостного сопротивления батареи конденсаторов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи, содержащем отрезок линии электропередачи, трансформатор, батарею конденсаторов и управляемый переключатель, причем первичная обмотка трансформатора последовательно подсоединена к отрезку линии электропередачи, к вторичной обмотке трансформатора параллельно подсоединена батарея конденсаторов, к которой параллельно подсоединен управляемый переключатель, согласно изобретению трансформатор исполнен в виде магнитопровода и отрезка коаксиального кабеля с внутренней жилой, подсоединенной к отрезку линии передачи, и с проводящей оболочкой, окружающей внутреннюю жилу, отрезок коаксиального кабеля выполнен навитым на магнитопровод, а проводящая оболочка разделена по меньшей мере двумя кольцевыми прорезями и подсоединена к батарее конденсаторов и управляемому переключателю.

Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы коаксиальный кабель был выполнен со слоем изоляции, расположенным между внутренней жилой и проводящей оболочкой, и с наружной изоляцией, в наружной изоляции и в проводящей оболочке до слоя изоляции выполнены по меньшей мере две кольцевые прорези, проводящая оболочка подсоединена проводами к батарее конденсаторов и управляемому переключателю через кольцевые прорези в наружной изоляции.

Таким образом, известный способ ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи основан на использовании эффекта резонанса напряжения трансформатора и батареи конденсаторов в рабочем режиме и расстройки резонанса в аварийном режиме, а заявленный способ - на отсутствии резонанса в рабочем режиме и использовании эффекта резонанса тока в аварийном режиме короткозамыкания.

Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются с помощью лучшего варианта выполнения устройства, осуществляющего заявленный способ, со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает заявленное устройство;

Фиг.2 - эквивалентную схему устройства на фиг.1;

Фиг.3 - блок-схему устройства на фиг.1 для исследования его работы в аварийном режиме.

Поскольку предлагаемый способ ограничения тока короткого замыкания реализуется при функционировании устройства (фиг.1), то заявленный способ подробно раскрыт в разделе описания его работы.

Устройство ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи (фиг.1) содержит отрезок 1 линии электропередачи, трансформатор 2, батарею 3 конденсаторов и управляемый переключатель 4. Первичная обмотка трансформатора 2 последовательно подсоединена к отрезку 1 линии электропередачи, к вторичной обмотке трансформатора 2 параллельно подсоединена батарея 3 конденсаторов, к которой параллельно подсоединен управляемый переключатель 4.

Трансформатор 2 исполнен в виде магнитопровода 5 и отрезка коаксиального кабеля с внутренней жилой 6, подсоединенной к отрезку 1 линии передачи, и с проводящей оболочкой 7, окружающей внутреннюю жилу 6. Отрезок коаксиального кабеля выполнен навитым на магнитопровод 5, а проводящая оболочка 7 разделена по меньшей мере двумя кольцевыми прорезями 8 и подсоединена к батарее 3 конденсаторов и управляемому переключателю 4.

Коаксиальный кабель выполнен со слоем изоляции 9, расположенным между внутренней жилой 6 и проводящей оболочкой 7, и с наружной изоляцией 10. В наружной изоляции 10 и в проводящей оболочке 7 до слоя изоляции 9 выполнены по меньшей мере две кольцевые прорези 8. Проводящая оболочка 7 подсоединена проводами 11 к батарее 3 конденсаторов и управляемому переключателю 4 (параллельно, как показано на фиг.1, к обращенным друг к другу краям проводящей оболочки 7) через кольцевые прорези 8 в наружной изоляции 10).

В устройстве (фиг.1) внутренняя жила 6 отрезка коаксиального кабеля служит первичной обмоткой трансформатора 2, а проводящая оболочка 7 вторичной обмоткой. Количество кольцевых прорезей 8, разделяющих проводящую оболочку 7 на равные части, определяет коэффициент трансформации, в данном случае на фиг.1 равный двум.

Верхние края проводящей оболочки 7, разделенной кольцевыми прорезями 8 (фиг.1), соединены проводами 11 параллельно и являются одним выводом вторичной обмотки, нижние также соединены проводами 11 параллельно - вторым выводом. К выводам вторичной обмотки параллельно подключены проводами 11 управляемый переключатель 4 и батарея 3 конденсаторов.

На фиг.1 показан трансформатор 2, выполненный с магнитопроводом 5 стержневого типа, но для уменьшения массогабаритов без какого-либо существенного усложнения конструкции могут быть использованы различные типы магнитопроводов 5: с замкнутым, или разомкнутым, или ярмового типа магнитопроводами 5.

Работа устройства ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи (фиг.1) поясняется с помощью использования его эквивалентной схемы (фиг.2), где трансформатор представлен Г-образной схемой замещения.

На фиг.2 показаны:

Х_Х.Х - реактивное сопротивление трансформатора 2 в режиме холостого хода,

Х_Л - реактивное сопротивление линии электропередачи,

Х_К.З - реактивное сопротивление трансформатора 2 в режиме короткого замыкания,

Х_С - реактивное сопротивление батареи 3 конденсаторов емкостью С,

4 - управляемый переключатель тока,

12 - короткозамыкатель,

13 - нагрузка потребителя,

14-14 - выводы первичной обмотки трансформатора,

15-15 - выводы вторичной обмотки трансформатора,

16 - генераторная подстанция.

В номинальном режиме переключатель тока 4 замкнут, шунтируя батарею 3 конденсаторов, обеспечивая тем самым режим короткого замыкания трансформатора 2. В этом режиме падение напряжения ΔU на трансформаторе 2 не должно превышать 0,05 U_ф, определяемое ГОСТ 13109-97, где U_ф - номинальное фазное напряжение линии электропередачи.

Влияние индуктивного сопротивления линии электропередачи на качество электроэнергии, поставляемой потребителю, обычно оценивается процентным отношением индуктивного падения напряжения при номинальном токе I_Н к номинальному фазному напряжению

Потеря напряжения в сети, т.е. разность напряжений между питающим фидером линии электропередачи и фидером нагрузки, зависит от угла сдвига фаз тока и напряжения в линии. В линии без реактора эта разность компенсируется повышением напряжения на питающем фидере.

Включение в линию электропередачи (фиг.2) последовательного трансформатора 2 в режиме короткого замыкания, т.е. дополнительной индуктивности Х_К.З, приводит к дополнительному снижению напряжения на нагрузке 13.

Анализ векторной диаграммы напряжения и тока в линии электропередачи с дополнительной индуктивностью Х_К.З показал, что с достаточной для практики точностью потери напряжения ΔU в линии в том случае, когда точно неизвестен угол сдвига фаз тока и напряжения, рассчитывается по формуле:

При допустимом ΔU=5%U_ф для трансформатора 2 в режиме короткого замыкания (номинальном режиме устройства) выполняется условие

В аварийном режиме при достижении током заданного значения происходит размыкание управляемого переключателя 4 тока и вторичная обмотка 15-15 замыкается на батарею 3 конденсаторов с реактивным сопротивлением Х_С.

Индуктивное сопротивление X_Х.Х в этом режиме будет определяться индуктивностью соленоида, образованного внутренней жилой 6 коаксиального кабеля, а емкостное сопротивление Х_C емкостью батареи 3 конденсаторов.

При выполнении условия Х_Х.Х≅Х_С, обеспечивающем резонанс токов, в линию включается резонансный контур X_Х.Х||Х_К.З+Х_С с большим сопротивлением в установившемся режиме, что приводит к ограничению тока короткого замыкания в линии электропередачи.

Для исследования технических характеристик работы устройства (фиг.1) в аварийном режиме использовалась блок-схема (фиг.3).

На фиг.3 относительно фигуры 2 дополнительно показаны:

17 - блок управления (БУ),

18 - датчик тока вторичной обмотки трансформатора 2 (ДТ 1),

19 - датчик тока первичной обмотки трансформатора 2 (ДТ 2),

20 - датчик напряжения на батарее 3 конденсаторов (ДН),

i₁ - мгновенное значение тока в реактивном сопротивлении X_Х.Х,

i₂ - мгновенное значение тока в реактивном сопротивлении Х_К.З,

i_Л - мгновенное значение тока в реактивном сопротивлении Х_Л.

В аварийном режиме (для короткого замыкания линии 1 передачи или нагрузки 13) при увеличении тока i₂ выше максимального значения номинального тока I_Н при заданном отношении i₂/I_Н.макс датчик 18 тока ДТ 1 подает сигнал на блок 17 управления для отключения управляемого переключателя 4. При этом БУ 17 может работать в различных режимах, задаваемых алгоритмом его управления.

Например, сигналом от БУ 17 происходит мгновенное размыкание управляемого переключателя 4 и вторичная обмотка трансформатора 2 замыкается на реактивное сопротивление Х_С батареи 3 конденсаторов. При выполнении условия Х_Х.Х≅Х_С в линию включается резонансный контур X_Х.Х||Х_К.З+Х_С с большим сопротивлением. Численные и модельные исследования показали, что при мгновенном размыкании управляемого переключателя 4 величина X_Х.Х в этом режиме определяет величину ударного тока переходного процесса при срабатывании управляемого переключателя 4, а коэффициент расстройки $$\frac{{Х}_{Х.Х}}{{Х}_{С}},$$ определяет величину тока установившегося режима. При выборе X_Х.Х, обеспечивающем трехкратное превышение ударного тока по отношению к току I_H номинального режима, ток установившегося режима I_У в зависимости от соотношения $$\frac{{Х}_{Х.Х}}{{Х}_{С}},$$ будет меняться в пределах:

$$0\le \frac{I_{У}}{I_{Н}}\le 1$$ при выполнении условия

Величина Х_Х.Х определяет массогабариты (а, следовательно, себестоимость трансформатора), уменьшается до минимального значения с сохранением кратности максимального тока аварийного режима при регулировке тока управляемого переключателя 4 в переходном режиме с обеспечением условия

где u_c - мгновенное значение напряжения на емкости С батареи 3 конденсаторов.

Управляемый переключатель 4 в этом режиме должен обладать высоким быстродействием, что достигается при использовании управляемого переключателя 4 на базе мощных силовых транзисторов. Увеличение или уменьшение тока i₂ за счет изменения падения напряжения ΔU на индуктивном сопротивлении X_К.З приводит к соответствующему изменению напряжения u_c. Регулировка тока управляемого переключателя 4 осуществляется сигналами управления силового транзистора на основе сравнения величин u_c, i₁ и i₂, поступающими на блок 17 управления от датчиков 18, 19 тока ДТ 1 и ДТ 2 и датчика 20 напряжения ДН, чтобы обеспечить условие (6).

При выполнении условия (6) обеспечивается протекание квазирезонансного процесса (К_р≈1) в контуре, образованном параллельным соединением Х_Х.Х||Х_К.З+Х_С в переходном режиме, а ток линий i_л не превышает установившегося тока аварийного режима.

Выполнение условия (4) достигается в трансформаторе 2, обмотка которого выполнена коаксиальным силовым кабелем, внутренняя жила 6 которого служит первичной обмоткой трансформатора 2, а проводящая оболочка 7 служит вторичной обмоткой, параллельно которой подключен быстродействующий управляемый переключатель 4 тока, например, на основе силовых транзисторов или сверхпроводника и батарея 3 конденсаторов, реактивное сопротивление которых обеспечивает резонансный процесс тока в аварийном режиме.

При выполнении трансформатора 2 из коаксиального кабеля внутренняя жила 6 кабеля отделена от проводящей оболочки 7 слоем изоляции 9, толщина которой выбирается по величине U_ф.

В рабочем режиме (фиг.1) управляемый переключатель 4 тока замкнут, шунтируя кольцевые прорези 8 проводящей оболочки 7 коаксиального кабеля и батарею 3 конденсаторов, обеспечивая тем самым режим короткого замыкания трансформатора 2. В этом режиме ток проводящей оболочки 7 коаксиального кабеля равен току внутренней жилы 6 коаксиального кабеля, а магнитное поле сосредоточено в пространстве между внутренней жилой 6 и проводящей оболочкой 7. Индуктивное сопротивление устройства в этом режиме определяется длиной коаксиального кабеля и его погонным сопротивлением

,

где ω=314 1/с - круговая частота, $$L_K^{\text{'}}$$ - погонная индуктивность коаксиального кабеля [Гн/м], l_К - длина коаксиального кабеля [м].

Для выполнения условия (4) l_К должно удовлетворять:

Расчеты показывают, что, поскольку погонная индуктивность коаксиального кабеля относительно невелика (0,1±0,3 мк Гн/м) при оптимальном выборе типа и размеров магнитопровода 5, условие (7) выполнимо в широком диапазоне номинальных и аварийных токов.

Оптимальный выбор типа и параметров магнитопроводов 5 и коэффициента трансформации трансформатора 2 позволяет выполнить устройство, не превышающее по габаритам неуправляемые реакторы, но с существенно большим токоограничением. Или, наоборот, с подобным пределом токоограничения, но с существенно меньшими массогабаритами. Возможно также обеспечение промежуточных вариантов исполнения устройства, в которых они имеют по сравнению с аналогами большее токоограничение с намного меньшими массогабаритами.

Была исследована модель устройства (фиг.1, 3). Трансформатор 2 был выполнен с магнитопроводом 5 броневого типа и немагнитным зазором в сердечнике с коэффициентом трансформации, равным единице (две кольцевые прорези 8 на концах коаксиального кабеля в наружной изоляции 10), из коаксиального кабеля марки РК50-4-11 с диаметром внутренней жилы 6 d_Ж=1,37 мм и внешним диаметром d_ВН=9,6 мм. Переключение тока осуществляется IGBT - транзистором типа IRGPS40B120UD. Связь в сети с блоком 17 управления осуществлялась датчиками 18, 19 тока LAH 50-Р и датчиком 20 напряжения LV25-P/SP5.

Магнитопровод 5 выполнен из листовой стали 3114. Диаметр сердечника (внутренний диаметр намотки) составил 100 мм с воздушным зазором l_З=3 мм. Высота обмотки трансформатора 2 составила 100 мм. При общем количестве витков W=100 индуктивность трансформатора 2 в режиме холостого хода составляла 30 мГн, что соответствует Х_Х.Х=ωL_Х.Х=9,4 Ом. В режиме короткого замыкания Х_К.З=10^-3 Ом при длине кабеля обмотки l_K=20 м.

Батарея 3 конденсаторов выполнена из шести конденсаторов GLI 1450-601 общей емкостью 360 мкФ, что соответствует Х_С=8,8 Ом.

Коэффициент К_р расстройки контура при этом равен

Испытания проводились на экспериментальном стенде, обеспечивающем номинальный ток I_Н, равный 5 А, и ток аварийного режима I_AB без токоограничивающего устройства, равный 50 А при напряжении U_H=220 В. Для параметров стенда длина кабеля l_К хорошо удовлетворяет условию (7).

.

Испытания показали, что при отключении управляемого переключателя 4 тока при мгновенном значении тока в цепи i_л=8,5 А максимальный ударный ток был равен i_макс=15 А, а действующее значение установившегося тока

I_У=4,8 А.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают расчеты, положенные в основу данного изобретения.

Наиболее успешно заявленный способ ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи и устройство для его осуществления промышленно применимы для ограничения максимальных токов аварийных режимов линий электропередачи.

1. Способ ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи, заключающийся в том, что к линии электропередачи подсоединяют трансформатор с последовательным включением первичной обмотки, к вторичной обмотке которого параллельно подсоединяют батарею конденсаторов и управляемый переключатель, при этом обеспечивают резонанс контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления трансформатора и емкостного сопротивления батареи конденсаторов, отличающийся тем, что в рабочем режиме управляемый переключатель замыкают, накоротко замыкая батарею конденсаторов и вторичную обмотку трансформатора, а в аварийном режиме при замыкании нагрузки управляемый переключатель размыкают, обеспечивая резонанс токов контура, образованного параллельным соединением индуктивного сопротивления холостого хода трансформатора с последовательным соединением индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора и емкостного сопротивления батареи конденсаторов.

2. Устройство ограничения тока короткого замыкания в линии электропередачи, содержащее отрезок линии электропередачи, трансформатор, батарею конденсаторов и управляемый переключатель, причем первичная обмотка трансформатора последовательно подсоединена к отрезку линии электропередачи, к вторичной обмотке трансформатора параллельно подсоединена батарея конденсаторов, к которой параллельно подсоединен управляемый переключатель, отличающееся тем, что трансформатор исполнен в виде магнитопровода и отрезка коаксиального кабеля с внутренней жилой, подсоединенной к отрезку линии передачи, и с проводящей оболочкой, окружающей внутреннюю жилу, отрезок коаксиального кабеля выполнен навитым на магнитопровод, а проводящая оболочка разделена по меньшей мере двумя кольцевыми прорезями и подсоединена к батарее конденсаторов и управляемому переключателю.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коаксиальный кабель выполнен со слоем изоляции, расположенным между внутренней жилой и проводящей оболочкой, и с наружной изоляцией, в наружной изоляции и в проводящей оболочке до слоя изоляции выполнены по меньшей мере две кольцевые прорези, проводящая оболочка подсоединена проводами к батарее конденсаторов и управляемому переключателю через кольцевые прорези в наружной изоляции.