Устройство ограничения токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения

Авторы патента:

H02H9 - Схемы для защиты от аварий, осуществляющие ограничение избыточного тока или напряжения, без отключения нагрузки (конструктивные соединения защитных устройств с конкретными машинами или аппаратами см. подклассы, соответствующие этим машинам или аппаратам)

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам, предназначенным для ограничения токов короткого замыкания и улучшения условий работы коммутационного оборудования.

Предлагаемое устройство ограничения токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения содержит катушку индуктивности, установленную на опорных изоляторах, и конденсаторы, размещенные во внутренней полости по крайней мере одного опорного изолятора и соединенные с одним из вводов катушки индуктивности. Количество опорных изоляторов, во внутренней полости которых устанавливаются конденсаторы, определяется величиной требуемой емкости.

Базовая емкость, равная 9,6 нФ, определяется конструктивной возможностью ее размещения в одном опорном изоляторе. Она обеспечивает нормальную работу линейного выключателя класса напряжения U_Б=110 кВ по условиям переходного восстанавливающего напряжения, в цепи которого включена катушка индуктивности сопротивлением Х_Б=12 Ом.

Известно техническое решение, снижающее уровень токов короткого замыкания и ограничивающее скорости переходного восстанавливающегося напряжения высоковольтных линейных выключателей, которое заключается в подключении демпфирующего устройства к шинам распределительного устройства [Авторское свидетельство 231656]. Устройство состоит из сопротивления, выполненного в виде параллельно соединенных резистора, конденсатора и дросселя, подключенных между рабочей системой сборных шин и землей через выключатель, и включателя, время включения которого меньше времени отключения линейного выключателя.

Недостатком данного технического решения является задержка времени для отключения поврежденных присоединений, что значительно снижает надежность работы распределительного устройства. Кроме того, необходимо выделять дополнительные площади на территории подстанции для размещения крупногабаритной резисторной установки.

Известен токоограничивающий реактор, выполненный в виде катушки индуктивности, расположенной на опорных изоляторах, и предназначенный для ограничения токов короткого замыкания до допустимого уровня (www.e-m-z.ru). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения: использование только одного токоограничивающего реактора не обеспечивает нормальные условия работы высоковольтных выключателей по условиям переходного восстанавливающего напряжения, так как индуктивность отрицательно влияет на начальную скорость переходного восстанавливающегося напряжения, которая может превосходить нормируемые значения.

Целью предполагаемого технического решения является расширение области применения и улучшение массогабаритных показателей устройства ограничения токов короткого замыкания при условии обеспечения отключающей способности линейных выключателей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство ограничения токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения, содержащее катушку индуктивности, установленную на опорных изоляторах, дополнительно введены конденсаторы, размещенные во внутренней полости по крайней мере одного опорного изолятора и соединенные с одним из вводов катушки индуктивности, причем суммарная емкость конденсаторов определяется из соотношения:

, где

U_н - номинальное напряжение устройства (кВ),

U_Б - базовое напряжение (кВ);

, где

X_р - реактивное сопротивление катушки индуктивности, удовлетворяющее условию (Ом),

X_Б - базовое сопротивление (Ом);

I_о.ном - номинальный ток отключения выключателя в цепи катушки индуктивности (кА);

С_Б - базовая емкость (нФ);

причем количество опорных изоляторов, в которых размещены конденсаторы, определяется из соотношения:

при С_Б=9,6 нФ, U_Б =110 кВ X_Б=12 Ом.

На рис.1 представлено устройство ограничения токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения.

Устройство состоит из катушки индуктивности 1, выполненной в виде сухого токоограничивающего реактора, имеющей верхний ввод 2 и нижний ввод 3. Катушка индуктивности установлена на опорных изоляторах 4. Во внутренней области опорного изолятора 4 размещен конденсатор 5 определенной емкости. Первый вывод 6 конденсатора 5 соединен со сборной шинкой 7, второй вывод 8 конденсатора 5 - со сборной шинкой 9, которая соединена с заземляющим узлом 10.

Сущность полезной модели поясняется рис.2-3.

На рис.2 представлены варианты подключения устройства. На рис.2а цифрами обозначены: 1 - шина распределительного устройства подстанции, 2 - высоковольтная линия, 3 - линейный выключатель, 4 - токоограничивающий реактор; на рис.2б цифрами обозначены: 1 - шина распределительного устройства подстанции, 2 - высоковольтная линия, 3 - линейный выключатель, 4 - токоограничивающий реактор, 5 - дополнительная емкость (конденсатор).

На рис.3 представлены кривые переходного восстанавливающегося напряжения при отключении тока короткого замыкания на высоковольтной линии линейным выключателем, где 1 - условная граничная линия переходного восстанавливающегося напряжения, 2 - линия запаздывания, 3 - расчетная кривая переходного восстанавливающегося напряжения без подключения дополнительной емкости по рис.2, 4 - расчетная кривая переходного восстанавливающегося напряжения с подключением дополнительной емкости (конденсатора) по рис.3.

К шине распределительного устройства подстанции 1 присоединена высоковольтная линия 2 через линейный выключатель 3 (рис.2а). Для ограничения токов короткого замыкания до уровня, соответствующего отключающей способности линейного выключателя 3, последовательно с высоковольтной линией 2 включен токоограничивающий реактор 4. Так как реактивное сопротивление и индуктивность токоограничивающего реактора 4 имеют достаточно большие значения, а участок цепи от токоограничивающего реактора 4 до линейного выключателя 3 обладает малой емкостью (порядка 0,5 нФ), включение в цепь линейного выключателя 3 токоограничивающего реактора 4, обладающего индуктивностью большой величины, влечет за собой повышение скорости переходных восстанавливающихся напряжений на контактах линейного выключателя, при этом воздействие переходных восстанавливающихся напряжений на контактах линейного выключателя при отключении токов короткого замыкания превышает нормированные значения.

Из рис.3 видно, что расчетная кривая (3) переходного восстанавливающегося напряжения при отключении тока короткого замыкания на высоковольтной линии линейным выключателем пересекает не только кривую запаздывания (2), но и выходит за пределы условной граничной линии переходных восстанавливающихся напряжений (1). Таким образом, применение только токоограничивающего реактора не обеспечивает надежной работы линейного выключателя, что значительно ограничивает область применения токоограничивающего реактора.

Для обеспечения требуемой скорости нарастания переходных восстанавливающихся напряжений на участке от токоограничивающего реактора 4 до линейного выключателя 3 необходимо дополнительно включать емкость (конденсатор) 5 (рис.2б).

Из рис.3 видно, что при подключении дополнительной емкости (конденсатора) 5 расчетная кривая переходных восстанавливающихся напряжений (4) на контактах линейного выключателя соответствует нормированным значениям.

При традиционном исполнении устройства ограничения токов короткого замыкания, содержащего токоограничивающий реактор и блок конденсаторных батарей, требуется выделение производственных площадей под их установку, что вызывает затруднения в условиях ограниченности территории существующей подстанции.

Предлагаемое устройство позволяет решить проблему компактного расположения требуемого оборудования. В предлагаемом устройстве по существу конструктивно объединены токоограничивающий реактор и конденсаторная батарея за счет расположения конденсаторов во внутренней полости опорных изоляторов, на которых устанавливается токоограничивающий реактор.

Для обеспечения требуемых значений амплитуды переходного восстанавливающегося напряжения и начальной скорости роста восстанавливающегося напряжения при отключении короткого замыкания линейным выключателем, включенным последовательно с токоограничивающим реактором, на участке цепи между линейным выключателем и токоограничивающим реактором включается дополнительная емкость (конденсатор), величина которой пропорциональна индуктивности токоограничивающего реактора и определяется выражением (1).

В качестве дополнительной емкости используется набор конденсаторов, которые размещаются во внутренней полости опорных изоляторов. Такое конструктивное решение позволяет в широком диапазоне варьировать емкостью конденсаторов при соответствующем изменении индуктивности токоограничивающего реактора, а также при изменении соотношения отключаемых токов короткого замыкания к номинальному току отключения линейного выключателя в цепи токоограничивающего реактора. Необходимое количество опорных изоляторов, во внутренней полости которых устанавливаются конденсаторы, определяется величиной требуемой емкости. Причем набор требуемой величины емкости конденсаторов осуществляется посредством размещения их в нескольких опорных изоляторах, а выводы конденсаторов объединены соответствующими сборными шинками.

Необходимое количество опорных изоляторов с размещенными в них конденсаторами определяется из соотношения:

при этом в качестве базовой емкости принимается С_Б=9,6 нФ, которая определяется конструктивной возможностью ее размещения в одном опорном изоляторе и обеспечивает нормальную работу линейного выключателя класса напряжения U_Б=110 кВ по условиям переходного восстанавливающего напряжения, в цепи которого включена катушка индуктивности (токоограничивающий реактор) сопротивлением X_Б=12 Ом.

Предлагаемое устройство обеспечивает нормальные условия работы линейных выключателей при отключении токов короткого замыкания и позволяет снизить занимаемые производственные площади.

1. Устройство ограничения токов короткого замыкания в электроустановках высокого напряжения, содержащее катушку индуктивности, установленную на опорных изоляторах, отличающееся тем, что дополнительно введены конденсаторы, размещенные во внутренней полости по крайней мере одного опорного изолятора и соединенные с одним из вводов катушки индуктивности, причем суммарная емкость конденсаторов определяется из соотношения: