Устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для демпфирования апериодической составляющей тока в линейных выключателях, коммутирующих линии электропередачи, оснащенные шунтирующими реакторами (ШР). Наличие апериодической составляющей в токе отключения линейных выключателей неповрежденных фаз может вызывать «нештатное» (с задержкой) отключение линейных элегазовых выключателей и провоцировать развитие аварийных ситуаций (технологических нарушений). Устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя состоит из демпфирующих резисторов, включенных между нейтральными выводами шунтирующих реакторов и контуром заземления подстанции. Параллельно демпфирующим резисторам подключен основной трехполюсный шунтирующий выключатель среднего напряжения (ВСН) и нелинейные ограничители перенапряжений. Контакты двух полюсов дублирующего ВСН присоединены к нейтральным выводам шунтирующих реакторов фаз «А» и «В», и «В» и «С»; контакты третьего полюса присоединены к нейтральному выводу шунтирующего реактора фазы «В» и контуру заземления. Нормально включенные основной и дублирующий ВСН отключаются на 200 мс за 100 мс до включения линейного выключателя. Технический эффект - подавление апериодической составляющей в линейном выключателе и надежное быстрое отключение линии, оснащенной ШР.

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для демпфирования апериодической составляющей тока в линейных выключателях, коммутирующих линии электропередачи (ЛЭП), оснащенные шунтирующими реакторами (ШР). Наличие апериодической составляющей в токе отключения линейных выключателей неповрежденных фаз после одностороннего включения линии может вызывать ее «нештатное» (с задержкой) отключение и провоцировать развитие аварийных ситуаций (технологических нарушений) [Качесов В.Е., Качесов Д.В., Тетерин С.Ю. О требованиях к алгоритмам коммутаций поперечно компенсированных ВЛ СВН/ XVI-ая Научно-техническая конференция «Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств Р3А и ПА в энергосистемах Урала», Екатеринбург, 19-22 апреля, 2010; Kachesov V.Е, Kachesov D.V. Requirements for Switching Algorithms of EHV Shunt Compensated OHL by SF₆ Circuit Breakers // Proc. of the International Conference on Power Systems Transients (IPST2011), Delft, The Netherlands, June 14-17, 2011].

Известно устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейных выключателях, которое представляет синхронизатор включения линейного выключателя в заданный момент времени [Kachesov V.Е, Kachesov D.V. Requirements for Switching Algorithms of EHV Shunt Compensated OHL by SF₆ Circuit Breakers // Proc. of the International Conference on Power Systems Transients (IPST2011), Delft, The Netherlands, June 14-17, 2011]. При включении поперечно компенсированной линии электропередачи (с подключенными ШР) в момент максимального по модулю фазного напряжения со стороны источника (электрической системы) апериодическая составляющая в ШР не возникает. Поэтому в токе линейного выключателя, состоящего из зарядного тока ЛЭП и тока ШР, апериодическая составляющая также отсутствует, и не создается задержка прерывания тока при быстром отключении выключателя в случае возникновения короткого замыкания после постановки линии под напряжение. Недостатком применения данного устройства является повышенные коммутационные перенапряжения на линейной изоляции и на оборудовании, подключенном к линии, поскольку включение в максимум напряжения источника приводит к возникновению наибольшей переходной компоненты и, соответственно, к наибольшим коммутационным перенапряжениям. Трехфазное автоматическое повторное включение (ТАПВ) ЛЭП может происходить с остаточным током в ШР, формирующим в момент включения линии дополнительную апериодическую составляющую в линейном выключателе. Поэтому такое устройство не позволяет устранить апериодическую составляющую, когда длительность бестоковой паузы ТАПВ менее ~45 с.

Известно также устройство демпфирования апериодической составляющей тока в линейных выключателях (взятое в качестве прототипа), которое представляет предвключаемый резистор, встраиваемый в высоковольтный выключатель [Kachesov V.Е, Kachesov D.V. Requirements for Switching Algorithms of EHV Shunt Compensated OHL by SF₆ Circuit Breakers // Proc. of the International Conference on Power Systems Transients (IPST2011), Delft, The Netherlands, June 14-17, 2011]. Предвключаемый резистор включен последовательно с вспомогательными контактами выключателя и вводится в работу в процессе включения ЛЭП на время порядка полупериода промышленной частоты. Включение линии, оснащенной ШР, таким устройством приводит к возникновению апериодической составляющей в ШР и линейном включателе с малой амплитудой и быстрым ее затуханием, поэтому возможные задержки в отключении выключателей неповрежденных фаз при быстром отключении линии в случае короткого замыкания минимальны.

Недостатком этого устройства выступает большая энергия, выделяемая в предвключаемом резисторе при включении линии с коротким замыканием. В этом случае предвключаемый резистор должен поглотить без собственного разрушения энергию, выделяемую в нем до момента его шунтирования главными контактами выключателя. Энергия равна:

или

где

R - сопротивление предвключаемого резистора;

- круговая промышленная частота;

U - фазное максимальное напряжение источника (электрической системы);

- угол включения (вспомогательных контактов выключателя);

t_R - время предвключенного состояния резистора.

Поскольку выделяемая в предвключаемом резисторе энергия зависит от угла включения , то для определения ее максимального значения необходимо взять производную от выражения (2) по углу включения, приравнять ее к нулю. По найденному из полученного уравнения значению угла (_max) определяется максимальная энергия E _R.

Однако, если принять время включенного состояния резистора равным полупериоду промышленной частоты (t _R=10 мс, =100), то энергия становится инвариантной по отношению к фазе включения, и выражение существенно упрощается:

.

При включении на короткое замыкание, например, ЛЭП 500 кВ от шин бесконечной мощности через предвключаемый резистор с сопротивлением R=400 Ом в нем выделится энергия E_R =2,3 МДж (U=429 кВ). Значительная энергия, выделяемая в предвключаемом резисторе, снижает надежность устройства (высоковольтного выключателя (ВВ)). В цикле ТАПВ к моменту повторного включения в ШР имеется остаточный ток, который дополнительно увеличивает апериодическую составляющую тока в ШР и в линейном выключателе. За время предвключенного состояния t_R апериодический ток в выключателях неповрежденных фаз (и в ШР) не успевает затухнуть, что приводит к задержке прерывания тока, и провоцирует развитие аварийных ситуаций. Дополнительным недостатком является присутствие предвключаемого резистора в самом высоковольтном выключателе, что, в целом, снижает надежность сложного и дорогостоящего коммутационного аппарата.

Таким образом, анализ современного состояния техники указывает на необходимость разработки устройства демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя без снижения надежности работы линейного выключателя - одного из самых ответственных элементов в цепи передачи электрической энергии.

Достижение выше обозначенной цели достигается тем, что устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя, состоит из демпфирующих резисторов, включенных между нейтральными выводами всех фаз шунтирующих реакторов и контуром заземления станции (подстанции). Параллельно выводам демпфирующих резисторов подключен основной трехполюсный шунтирующий выключатель среднего напряжения (ВСН) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Контакты двух полюсов дублирующего трехполюсного ВСН присоединены к нейтральным выводам шунтирующих реакторов фаз «A» и «B», и «B» и «C»; контакты третьего полюса присоединены к нейтральному выводу фазы «B» и контуру заземления.

На фиг.1. приведена схема устройства демпфирования апериодической составляющей тока в ШР и, соответственно, в линейном выключателе. Между нейтральными выводами ШР (1) - нижние на схеме выводы катушек индуктивности и контуром заземления включены демпфирующие резисторы R_д (2) (они обозначены только для одной из фаз ШР). Параллельно каждому фазному демпфирующему резистору подключен основной выключатель среднего напряжения ВСН (3) и ОПН (4). Контакты двух полюсов дублирующего ВСН (5) присоединены к нейтралям шунтирующих реакторов фаз «A» и «B», и «B» и «C»; контакты третьего полюса дублирующего ВСН присоединены к нейтральному выводу ШР фазы «В» и контуру заземления. Высоковольтный выключатель (6) подключен между высоковольтным выводом ШР (верхний на схеме вывод катушки индуктивности) и ЛЭП, соединенной с электрической системой через линейный (высоковольтный) выключатель (7). Основной (3) и дублирующий (5) ВСН имеют трехполюсное исполнение, их контакты приводятся в движение единым приводом.

Устройство работает следующим образом. Сопротивление демпфирующего резистора R_д рассчитывают из условия эффективного затухания апериодической составляющей в ШР за время цикла включение/отключение современных высоковольтных элегазовых выключателей, которое составляет не более t_в100 мс. Сопротивление резистора равно: R_д3L/t_в, где L - индуктивность ШР. Характеристики ОПН выбирают из условия защиты изоляции нейтрали ШР и остального оборудования, подключенного к ней.

В нормальном состоянии основной (3), дублирующий ВСН (5) и выключатель ШР (6) включены. При трехфазном включении линии электропередачи (плановое включение, ТАПВ) за 100 мс до подачи команды на включение линейного выключателя подается команда на отключение обоих (основного и вспомогательного) ВСН. Поэтому к моменту включения линейного выключателя (7) контакты обоих ВСН уже разомкнуты. После отключения оба ВСН автоматически включаются с временной задержкой t=200 мс и шунтируют демпфирующие резисторы R_д . За время отключенного состояния ВСН апериодическая составляющая в токе ШР (и в линейном выключателе) затухает, что позволяет успешно (штатно) отключать ЛЭП линейным выключателем (7) в течение 60100 мс после ее включения.

На фиг.2 в качестве примера показаны токи в линейных выключателях неповрежденных фаз при трехфазном автоматическом повторном включении линии электропередачи 500 кВ с несколькими ШР. Время затухания апериодической составляющей в токе линейных выключателей неповрежденных фаз без применения специального устройства достигает ~1 с, что приводит к значительной задержке отключения линии и негативно сказывается на работе самого выключателя. Использование предлагаемого устройства позволяет прервать ток в линейных выключателях (отключить линию) в течение 80 мс (R_д=150 Ом, время отключенного состояния ВСН - t=200 мс, см. фиг.3).

Максимальная энергия, рассеваемая в демпфирующем резисторе R_д в единичной коммутации планового включения линии, приблизительно определяется по выражению:

,

где .

Энергия, выделяемая в демпфирующем резисторе RR при включении линии электропередачи 500 кВ, составляет ~0.9 МДж, что в два с лишним раза меньше, чем в предвключаемом резисторе линейного выключателя при включении линии электропередачи с однофазным коротким замыканием.

При ТАПВ благодаря предварительному вводу (перед включением линейных выключателей) демпфирующего резистора последовательно с ШР существенно затухают свободные колебания в ЛЭП. Поэтому включение ЛЭП происходит с незначительными переходной компонентой и коммутационными перенапряжениями, что повышает надежность постановки ее под напряжение.

Таким образом, предлагаемое устройство демпфирования апериодической составляющей тока в линейном выключателе позволяет надежно отключать ЛЭП в цикле включение/быстрое отключение за требуемое время 60100 мс.

Устройство демпфирования апериодической составляющей в токе линейного выключателя, состоящее из демпфирующих резисторов, отличающееся тем, что они включены между нейтральными выводами всех трех фаз шунтирующих реакторов и контуром заземления подстанции, параллельно демпфирующим резисторам подключен основной трехполюсный шунтирующий выключатель среднего напряжения и нелинейные ограничители перенапряжений, контакты двух полюсов дублирующего трехполюсного выключателя среднего напряжения присоединены к нейтральным выводам шунтирующих реакторов фаз «А» и «В», и «В» и «С», контакты третьего полюса дублирующего выключателя присоединены к нейтральному выводу шунтирующего реактора фазы «В» и контуру заземления.