Устройство для заземления нейтрали силового трансформатора

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (n)928522 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 07. 08. 80 (21) 2970528/24-07 с присоединением заявки ¹ 2970533/24-07 (23) Приоритет—

Р11М К з

Н 02 Н 9/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 1 05.82. Бюллетень ¹ 18 (33) УДК 621.316 .937(088.8) Дата опубликования описания,15.05 ° 82 (72) Автор изобретения

А.И. Назаров

Производственное энергетическое объединение Днепроэнерго (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Изобретение относится к электро,технике, в частности к устройствам, воздействующим комплексно на ограничение внутренних перенапряжений и токов короткого эаьыкания в мощных силовых сетях высокого напряжения.

Известно устройство для заземления нейтрали трансформатора, снижающее не только коммутационные перенапряжения,но и повышающее быстродействие и эффективность ограничения токов однофазного короткого замыкания, содержащее насыщающийся реактор, обмотка переменного тоКа которого включена в нейтраль обмоток силового трансформатора, а обмотка управления подсоединена к источнику постоянного тока, и которое снабжено защитным промежутком, трансформатором тока и быстродействующим автоматом, защитный промежуток и трансформатор тока включены в. цепь обмстки переменного тока, причем замыкающий контакт быстродействующего автомата подсоединен параллельно защитному промежутку, а размыкающий контакт включен в цепь обмотки управления постоянного тока (1) .

Недостатками данного устройства является то, что предварительно насыщенный реактор не ограничивает ток однофазного и двухфазного замыкания на землю и величину динамических воздействий на электрообору" дование от ударных токов короткого замыкания, в переходных режимах насыщения реактора возможно возникновение резонансных и феррорезонансных перенапряжений на линиях электропередач, внутренних перенапряжений на изоляции электротехнического оборудования и коммутационных перенапряжений на линейных выключателях, предварительное насыщение реактора до начала возникновения перенапряжений опасной величины приводит к необходимости иметь независимый источник питания постоянного тока, необходи.мость интенсификации увеличения сопротивления предварительно насыщенного реактора до оптимальной величины перед отключением линейным выключателем тока короткого замыкания приводит к .необходимости иметь в цепи постоянного тока специальный автомат гашения магнитного поля, невозможность комплексного воздействия устЗО ройства на ограничение и при необходи928522 мости снижениепараметров колебательных процессов:по токуинапряжениюдо безопасных величин.

Наиболее близким к изобретению является устройство для ограничения токов короткого замыкания и перена- 5 пряжений на высоковольтной подстанции, содержащее насыщающийся реактор, подключенный к нейтрали силового трансформатора, трехфазный трансформатор последовательного включения,10 первичные обмотки каждой фазы которого включены в цепи соответствующих обмоток силового трансформатора, а вторичные обмотки соединены паралич.. лельно и шунтированы последователь- )5 но соединенными элементами индуктивного сопротивления, один из которых шунтирован конденсаторной батареей, а параллельно второму подсоединена вторая диагональ KQTopo» 0 го подключена к обмотке управления насыщающегося реактора (2j.

Недостатками этого устройства являются невозможность одновременного комплексного воздействия устройства на основе функционального взаимодействия его элементов на ограничение и при необходимости снижение параметров колебательных процессов по напряжению и току до безопасных величин, необходимость больших диапазонов коэффициентов регулирования и токоограничения, приводящих к необходимым габаритам устройства, соизмеримым с габаритами силовых трансформаторов аналогичных мощностей, при возникновении максимальных токов короткого замыкания эффективность ограничения внутренних перенапряжений снижается, недостаточная эффективность ограничения внутренних перена- 40 пряжений и токов короткого замыкания при их одновременном появлении в сеях.

Цель изобретения — обеспечение бо-45 лее эффективного комплексного и функционального ограничения ударных токов, параметров аварийных токов и опасных перенапряжений не только при переходных, но и колебательных процессах до безопасных величин.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для заземления нейтрали силового трансформатора, содержащее дополнительный трансформатор, первичные обмотки. которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора, а вторичные обмотки соединены. между собой парал-.. лельно, насыщающийся реактор, рабочая обмотка которого включена в нейтраль

l 60 силового трансформатора, два последовательно соединенных элемента индуктивного сопротивления, включенные параллельно вторичным обмоткам дополнительного трансформатора, причем 65 параллельно одному из элементов подсоединена конденсаторная батарея, а параллельно второму подсоединена диагональ выпрямительного моста, вторая диагональ которого подсоединена к обмотке управления насыщающегося реактора, снабжено дополнительным выпрямительным мостом, одна диагональ которого подсоединена параллельно конденсаторной батарее, а вторая подсоединена к выводам обмотки управления, причем вентили в плечах выпрямительного моста, подклю ченные к обмотке управления насыщающегося реактора, имеют различное направление проводимости.

В предложенном устройстве элементы индуктивного сопротивления могут быть выполнены — тот, который шунтирован конденсатором — в виде нелинейного ферромагнитного элемента, а другой — в виде катушки индуктивности.

Кроме того, в предложенном устройстве оба элемента индуктивного сопротивления могут быть выполнены в виде нелинейных ферромагнитных элементов с различным напряжением насыщения, причем элемент, шунтированный батареей конденсаторов, выполнен с максимальным напряжением насыщения.

На фиг. 1 и 2 изображена принципиальная электрическая схема предложенного устройства.

На фиг. 1 к нейтрали 1 первичной обмотки силового трансформатора подключена непосредственно рабочая обмотка 2 насыщающегося реактора с подмаГничиванием, силовЫе обмотки 3 трансформатора последовательного включения включены в цепи переменного тока,а к его управляющим обмоткам 4,соеДиненным параллельно,подключенрезонансный контур> состоящий из элемента индуктивного сопротивления — катушки индуктивности 5 и конденсатора 6, который шунтирован элементом индуктивного сопротивления — нелинейным ферромагнитным элементом 7, выпрямительный блок 8 подключен к конденсатору, а выпрямительный блок

9 подключен к катушке индуктивности, противоположные диагонали указанных блоков соединены параллельно и подключены к обмотке управления 10 насыщающегося реактора. В нормальном режиме работы оптимальные электрические величины сопротивлений индуктивной катушки 5 и конденсатора 6 составляют последовательный резонансный контур, обеспечивающий работу трансформатора последовательного включения практически с весьма несу-. щественными для режима сопротивлениями его первичных обмоток 3, а подпитка выпрямительного блока 8 от конденсатора 6 обеспечивает необходимую величину выпрямленного тока в об928522

20 мотке управления 10, что в свою оче редь дает воэможность иметь необходимое сопротивление обмотки 2 с точки зрения требований по координации изоляции и динамической устойчивости электротехнического оборудования.

Электрические параметры срабатывания выпрямительного блока 9 превышают аналогичные параметры срабатывания выпрямительного блока 8, поэтому в данном режиме взаимные влияния между указанными выпрямительными блоками отсутствуют, а индуктивная катушка

5 никаких влияний на указанный выпрямительный блок 9 не оказывает.

Следовательно, уже в нормальном режиме работы, защитное устройство обеспечивает необходимую эффективность заземления нейтрали сети и под,готовлено для эффективного изменения результирующей величины сопротивления нулевой последовательности в случае возникновения переходных процессов или колебательных.

При возникновении перенапряжений в сети возросшие токи в обмотках 3 трансформатора последовательного включения приводят к увеличению токов в цепях управляющих обмоток 4 указанного трансформатора и повышению напряжения на конденсаторе 6, что в, свою очередь приводит к увеличению эффективности работы выпрямительного блока 8 и росту величины постоянного тока в обмотках управления 10 и соответствующим уменьшением сопротивления обмотки 2. Средняя величина напряжения насыщения нелиней-. ного ферромагнитного элемента 7 еще не проявляет заметного шунтнрующего действия по отношению к конденсатору б, а эффективность заземления нейтрали 1 силового трансформатора даже в случае некоторой расстройки последовательного резонансного контура состоящего из индуктивной катушки 5 и конденсатора 6 практически не изменяется. Повышение напряжения на сопротивлении индуктивной катушки 5 является в этом режиме еще недостаточным для срабатывания выпрямительного блока 9.

Следовательно, при возникновении перенапряжений в сети автоматически снижается величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздействию устройства на основе функционального взаимодей ствия между обмоткой 2 насыщающегося реактора и o6MoTкой 3 трансформатора последовательного включенияв результате принятых электрических характеристик составляющих элементов. В то же время устройство обеспечило подготовленный режим управляющих обмоток

4 трансформатора последовательного включения гарантирующий успешное or-. раничение во времени токов короткогс замыкания, появление которых возможно в результате электрических пробоев изоляции ослабленной ниже допустимого уровня в условиях эксплуатации, до отключения линейной коммутационной аппаратуры. При возникновении токов короткого замыкания в сети и их протекании через силовые обмотки

3 трансформатора последовательного включения происходит полная расстройка резонансного контура состоящего из последовательно соедйнеиных индуктивной катушки 5 и конденсатора 6, что в свою очередь приводит к практически полному исчезновению противодействующего магнитного потока, создаваемого управляющими обмотками

4 указанного. трансформатора и его превращения по существу в линейный реактор с максимально расчетным сопротивлением обмоток 3 ° Более того, снижение напряжения на выпрямительном блоке 8 благодаря соответствующей шунтировки конденсатора б нелинейным ферромагнитным элементом 7 со средней величиной напряжения насыщения приводит к снижению величины выпрямительного тока в обмотке управления 10 и в случае необходимости его отключению выпрямительньва блоком

8, чем обеспечивается необходимое сопротивление обмотки 2 насыщакицегося реактора. Шунтировка конденсатора б ферромагнитным элементом 7 обеспечивает резкий подъем напряжения .на

З5 индуктивной катушке 5 и срабатывание выпрямнтельного блока 9, обеспечивающего: во-первых, совершенно не-. значительный ток в обмотке управления 10 с точки зрения влияния на из40 менение величины сопротивления обмотки 2 при токах короткого замыкания, а во-вторых гарантирующего надежную подготовку защитного устройства к ограничению перенапряжений, 45 появление которых возможно в результате тепловых повреждений изоляции и обрывов фаз линий электропередач.

Следовательно, при появлении токов короткого замыкания в сети автоматически возрастает до необходимого уровня результирующая величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздействию устройства вновь на основе функционального взаимодействия между обмотками 3 трансформатора последовательногб включения и обмоткой 2 насыщающегося реактора в результате изменившихся электрических параметров составляющих элементов. Прн одновременном воздействии внутренних перенапряжений и токов короткого замыкания в результате одновременного появления электрических и тепловых пробоев изоляции электротехнического

Ь5 оборудования и на линиях электропере928522 дач, обмотка 3 трансформатора после- . довательного включения работает в режиме реактора и ограничивает не только токи короткого замыкания в фазах, но и воздействующие перенапряжения в результате их распределения между последовательно соединенными индуктивностями линейного реактора, силового трансформатора и дросселя насыщения ° Более того, максимально расчетная величина напряжения на 10 индуктивной катушке 5 обеспечивает эффективную работу выпрямительного блока 9, соответствующий выпрямительный ток в обмотке управления 10, а поэтому вновь необходимую эффектив ность заземления нейтрали l силового трансформатора в результате снижения сопротивления обмотки 2 насыщающегося реактора. Следовательно, режим заземления нейтрали 1 силового трансформатора через рабочую обмотку 2 насыщающегося реактора и режим изменения величины сопротивления обмоток 3 трансформатора последовательного включения. обеспечивают даже при переходных и колебательных процессах получение необходимого результирующего сопротивления нулевой последовательности применительного к техничес <им требованиям одновременного or— раничения внутренних перенапряжений 30 и токов короткого замыкания в конкретных электрических сетях.

На фиг. 2 к нейтрали 1 первичной обмотки силового трансформатора подключена непосредственно обмотка 2 насыщающегося реактора с подмагничиванием, силовые обмотки 3 трансформатора последовательного включения включены в цепи переменного тока, а к его управляющим обмоткам .4, сое- 40 диненным параллельно, подключен резонансный контур, состоящий из нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора б, который шунтирован нелинейным ферромагнитным элементом 7, 45 выпрямительный блок 8 подключен к нелинейному ферромагнитному элементу, а выпрямительный блок 9 подключен к обмотке управления 10. В нормальном режиме работы оптимальные электричес- 0 кие величины сопротивлений нелинейного ферромагнитного элемента 5 с мини- мальной величиной напряжения насыщения и конденсатора б составляют последовательный резонансный контур, обеспечивающий работу трансформатора последовательного включения практически с весьма несущественными для режима сопротивлениями его первичных обмоток 3, а подпитка выпрямительного блока 8 от нелинейного ферромаг-60 нитного элемента 5 обеспечивает необходимую величину выпрямленного тока в обмотке управления 10, что в свою очередь дает возможность иметь необходимое сопротивление обмотки 2 65.в с точки зрения требований по координации изоляции и динамической устойчивости электротехнического оборудования. Электрические параметры срабатывания выпрямительного блока 9 превьаиают аналогичные параметры срабатывания выпрямительного блока 8, поэтому в данном режиме взаимные влияния между указанными выпрямительными блоками отсутствуют, а напряжение на обмотке управления 10 совершенно недостаточное для срабатывания выпрямительного блока 9, поэтому нелинейный ферромагнитный элемент 7 с максимальной величиной напряжения насыщения никаких влияний на режим работы не оказывает. Следовательно,уже в нормаль ном режиме работы защитное устройство обеспечивает необходимую эффективность заземления нейтрали сети и подготовлено для эффективного изменения результирующей величины сопротивления нулевой последовательности в случае возникновения переходных или колебательных процессов.

При возникновении перенапряжений в сети возросшие токи в обмотках 3 трансформатора последовательного включения приводят к увеличению токов в цепях управляющих обмоток 4 указанного трансформатора и возможному повышению напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5 с минимальной величиной напряжения насыщения, что в свою очередь приводит к определенному увеличению эффективности работы выпрямительного блока 8 и. росту величины постоянного тока в ч обмотке управления ХО с соответствующим уменьшением сопротивления обмотки 2. Эффективность заземления нейтрали 1 силового .трансформатора даже в случае некоторой расстройки последовательного резонансного контура, состоящего из нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора 6, практически изменяется незначительно. Однако величина напряжения на обмотке управления 10 является в этом режиме еще недостаточной для срабатывания выпрямительного блока 9 ° Следовательно, при возникновении перенапряжений в сети автоматически снижается величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздействию устройства на основе функционального взаимодействия между обмоткой 2 насыщающегося реактора и обмоткой 3 трансформатора последовательного включения в результате электрических характеристик составляющих элементов.

В то же время устройство обеспечило подготовительный режим управляющих обмоток 4 трансформатора последовательного включения гарантирующий успешное ограничение во времени токов короткого замыкания, появление

928522

Формула и зобретения которых возможно в результате элек— трических пробоев изоляции ослабленной ниже допустимого уровня в условиях эксплуатации, до отключения линейной коммутационной аппаратуры.

При возникновении токов короткого 5 замыкания в сети и их протекании через силовые обмотки 3 трансформатора последовательного включения происходит полная расстройка резонансного контура состоящего из последовательно соединенных нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора 6, что в свою очередь приводит к практически полному исчезновению противодействующего магнитного потока !5 создаваемого управляющими обмотками

4 указанного трансформатора и его

:превращения по существу в линейный реактор с максимально расчетным сопротивлением обмоток 3. Более того, ограничение напряжения на выпрямительном блоке 8 благодаря насыщению нелинейного ферромагнитного элемента с минимальным напряжением насыщения приводит к стабилизации величины выпрямительного тока в обмотке управления 10, чем обеспечивается необходимое сопротивление обмотки 2 насыщающегося реактора. Протекание токов короткого замыкания по обмотке

2 обеспечивает появление напряжения на обмотке управления 10 достаточное для срабатывания выпрямительного блока 9, что в свою очередь переводит нелинейный ферромагнитный элемент 7 с максимальной величиной напря- 35 жения насыщения в насыщенный режим,который в свою очередь, совместно с конденсатором б,способствуетприближению кпараллельному резонансному контуру содновременным дополнительным ограничени- 40 ем напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5 ° Однако наличие выпрямленного тока в обмотке управления 10 в результате работы выпрямительного блока 8 обеспечивает подготовку устройства к ограничению перенапряжений, появление которых возможно в результате тепловых повреждений изоляции и обрывов фаз линий электропередач.

Следовательно, при появлении токов короткого замыкания в сети автоматически возрастает до необходимого уровня результирующая величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздей55 ствию устройства вновь на основе функционального взаимодействия между обмотками 3 трансформатора последовательного включения и обмоткой 2 насыщающегося реактора в результате изменившихся электрических параметров составляющих элементов.

При одновременном воздействии внутренних перенапряжений и токов короткого замыкания в результате од- 65 новременного псявления электрическиМ и тепловых пробоев в изоляции электротехнического оборудования и на линияХ электропередач, обмотка 3 трансформатора последовательного включения работает в режиме реактора и ограничивает не олько токи короткого замыкания в фазах, ио и воздействующие перенапряжения в результате их распределения между последовательно соединенными индуктивностями линейного реактора, силового трансформатора и дросселя насыщения. Более того, максимально расчетная величина напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 7 с максимальной величиной напряжения насыщения в результате эффективной работы выпрямительного блока 9 обеспечивает возникновение параллельного резонансного контура между конденсатором б и указанным ферромагнитным элементом 7, что в свою очередь гарантирует: во-первых, стабильность реакторного режима обмоток 3 трансформатора последовательного включе-. ния, во-вторых, наличие необходимого напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5, достаточного для работы выпрямительного блока 8 и . наличие выпрямительного тока. в обмотке управления 10, что в свою очередь вновь обеспечивает необходимую .эффективность заземления нейтрали 1 силового трансформатора в результате снижения сопротивления обмотки 2 насыщающегося реактора.

Следовательно, режим заземления нейтрали 1 силового трансформатора через обмотку 2 насыщающегося реактора и режим изменения величины сопротивления обмоток 3 трансформатора последовательного включения обеспечивают даже при переходных и колебательных процессах получение необходимого результирующего сопротивления нулевой последовательности применительно к техническим требованиям одновременного ограничения внутренних перенапряжений и токов короткого замыкания в конкретных электрических сетях.

1. Устройство для заземления нейтрали силового трансформатора, содержащее дополнительный трансформатор, первичные обмотки которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора, а вторичные обмотки соецинены между собой параллельно, насыщающийся реактор, рабочая обмотка которого включена в нейтраль силового трансформатора,два последовательно соединенных элемента

928522 индуктивного сопротивления, включенные параллельно вторичным обмоткам дополнительного трансформатора, причем параллельно одному из элементов подсоединена конденсаторная батарея, а параллельно второму подсоединена диагональ выпрямительного моста, вторая диагональ которого подсоединена к обмотке управления насыщающе; гося реактора, о т л и ч а ю щ е-< е с я тем, что, с целью ограничения перенапряжений и токов короткого замыкания при переходных и колебательных процессах, оно снабжено дополнительным выпрямительным мостом, одна диагональ которого подсоединена па- раллельно конденсаторной батарее, а вторая подсоединена к выводам обмотки управления реактора, причем вентили B плечах выпрямительного моста, подключенные к обмотке управления насыщающегося реактора, выполнены с различным направлением проводимости

12

2. Устройство по п. 1, о т л и-. ч а ю щ е е с я тем, что элементы индуктивного сопротивления выполнены: первый, который шунтирован конденсатором, - в виде нелинейного ферромагнитного элемента, а второй— в виде катушки индуктивности.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что элементы индуктивного сопротивления выполне10 ны в виде нелинейных ферромагнитных элементов с различным напряжением насыщения, причем элемент, шунтиро-.. ванный батареей. конденсаторов, выпол-,. нен с максимальным напряжением насы15 щения..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 550713, кл. Н 02 Н 9/02, 1977 °

2. Авторское .свидетельство СССР . по заявке У 2943822/24-07, кл. Н 02 H. 9/00, 1979.

928522

Составитель Л. Дементьева

Техред Л. Бабинец Корректор М Коста

Редактор М. Товтин

Тираж 670 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобреТений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3275/70

Филиал ППП Патент, r. Ужгород,.ул. Проектная, 4