Спосіб обмеження струмів коротких замикань у електричних мережах змінного струму нелінійними обмежуючими елементами

Реферат: Винахід використовується у електричних мережах змінного струму усіх класів напруг для усунення небезпечних явищ під час короткого замикання у колах змінного струму, а саме виникнення струмів КЗ, падіння напруги на шинах вузла живлення, часткової або повної компенсації реактивної потужності, спожитої засобами генерації, трансформації та перетворення електричної енергії, а також як частотний фільтр для електричних коливань з частотами, відмінними від резонансної частоти. Спосіб полягає у тому, щоб на початку та в кінці ділянки одного електричного кола зі спільним струмом розташовувати ємнісний та відповідно індуктивний опори однакових номіналів, утворюючи тим самим послідовний коливальний контур з нелінійних обмежуючих елементів. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення функціональних можливостей та швидкодії запобіжних елементів. UA 115635 C2 (12) UA 115635 C2 UA 115635 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід використовується у електричних мережах змінного струму усіх класів напруг для усунення небезпечних явищ під час короткого замикання (КЗ) у колах змінного струму, а саме виникнення струмів КЗ, падіння напруги на шинах вузла живлення, часткової або повної компенсації реактивної потужності, спожитої засобами генерації, трансформації та перетворення електричної енергії, а також як частотний фільтр для електричних коливань з частотами, відмінними від резонансної частоти, що позитивно вплине на якісні показники напруги у мережі. Основним видом електроенергії, яку споживає промисловість та населення у світі, є синусоїдальна змінна напруга та струм з промисловою частотою 50/60 Гц, оскільки він є зручним для генерації, трансформації, передачі на відстань та перетворення у інші види енергії. Сьогодні у більшості економічно-розвинутих країн світу електрична енергія є основним видом енергії для потреб промисловості та цивільного використання. Значення та об'єми використання електричної енергії з кожним роком зростають, а засоби та системи для її генерації, передачі, розподілу та перетворення стають дедалі потужнішими та складнішими. Окремі локальні електромережі (ЕМ) об'єднуються у цілі енергосистеми, а найбільші з них охоплюють території декількох країн. Одним з найнебезпечніших явищ, яке може виникнути у електричних мережах є короткі замикання на лініях електропередач та у електричних установках (генераторах, двигунах, трансформаторах тощо). Явища КЗ супроводжуються різким багаторазовим перевищенням номінального рівня електричного струму на ділянці КЗ та сусідніх електрично пов'язаних з нею ділянках мережі. Наслідком цього є різке падіння напруги на ділянці КЗ та електрично пов'язаних з нею ділянках ЕМ, а також значне теплове та механічне навантаження в електроустаткуванні та електромережі зумовлене протіканням по їхніх струмопровідних частинах струмів, значення яких часом перевищує номінальні значення у десятки та сотні разів, що може призвести до їх виходу з ладу, перевантаження ЕМ, а у гірших випадках до розбалансування енергосистеми чи пожежі. Для зменшення негативного впливу КЗ електроустановки та ЕМ проектують з урахуванням максимальних значень струмів КЗ та їх тривалості, а у самих ЕМ за допомогою технічних засобів здійснюють обмеження (струмообмежуючі реактори, активні опори тощо) та максимально швидке відімкнення пошкоджених ділянок ЕМ (запобіжники, автоматичні вимикачі тощо). Близьким аналогом до даного винаходу є струмообмежуючий реактор (реактор), який являє собою котушку індуктивності з заданим індуктивним опором та незначним активним опором. Даний реактор послідовно вмикається в ЕМ і виконує роль додаткового реактивного опору обмежуючи струм КЗ при виникненні КЗ до заданого значення. Оскільки даний реактор є постійно ввімкненим у мережу він обмежує струм постійно. Як наслідок реактор з мережі споживає деяку реактивну потужність, а на його клемах є деякий спад напруги. Ці два фактори необхідно компенсувати шляхом додаткової генерацій реактивної потужності або шляхом підвищення напруги на шинах вузла живлення. Також у струмопровідних частинах реактора внаслідок їх активного опору частина електроенергії переходить у теплову. Через вище перелічені фактори струмообмежуючі реактори мають обмежене використання. Іншим близьким аналогом є швидкодіючий шунтуючий запобіжник, фіг. 1, який являє собою ланку з послідовно з'єднаних конденсаторної батареї та котушки індуктивності з рівними номіналами реактивних опорів ташвидкодіючий пристрій шунтування конденсаторної батареї. В нормальному режимі шунтуючий пристрій розімкнений (конденсаторна батарея не зашунтована), а ємнісний та індуктивні опори взаємно компенсовані. В момент виникнення КЗ автоматика вмикає шунтуючий пристрій і конденсаторна батарея закорочується, баланс реактивних опорів порушується і струм КЗ обмежується індуктивним опором котушки. В даному винаході пропонується проектувати та будувати ЕМ таким чином, щоб при виникненні КЗ в ЕМ та електричних установках (ЕУ) струми КЗ та спади напруги на ділянці КЗ та сусідніх електрично пов'язаних з нею ділянках не перевищували номінальних або проектних значень. Суть винаходу полягає у тому, щоб на початку та в кінці ділянки одного електричного кола зі спільним струмом розташовувати ємнісний та відповідно індуктивний опори, фіг. 2, тобто утворити послідовний коливальний контур з нелінійних обмежуючих елементів (НОЕ). Для прикладу їх можна встановити на лінії трансформатор-трансформатор, генератортрансформатор, трансформатор-споживач тощо. Повний опір ділянки електричного кола між ємнісним та індуктивним НОЕ (ділянки кола) для вибраної частоти струму становитиме: Z д  ( XL  X C )2  R 2 , де д 1 UA 115635 C2 Z д - повний опір ділянки кола, X C - імпеданс ємнісного НОЕ, XL - імпеданс індуктивного НОЕ, R д - активний опір ділянки кола. Реактивна потужність кола становитиме: 5 Q  I2  X C  I2  X L  I2  ( X C  X L ) , де Q - повна реактивна потужність ділянки кола, I - струм електричного кола. При умові рівності номіналів ємнісних та індуктивних опорів загальний реактивний опір та реактивна потужність даної ділянки кола будуть рівні нулю: XL  X C ; X  XL  X C  0 ; 10 15 20 25 30 Q  I2  X  0 , де X - сумарний реактивний опір (імпеданс) ділянки кола. А загальний опір ділянки кола становитиме: Z д  ( XL  X C )2  R 2  R д . д Тобто тільки активний опір в лінії. У випадку короткого замикання у електричному колі між ємнісним та індуктивними опорами струм КЗ протікатиме через точку КЗ, а його сила обмежується не скомпенсованим реактивним опором (з однієї сторони ємнісним, з іншої індуктивним). Також у нормальному режимі утворений послідовний коливальний контур виступатиме частотним фільтром для електричних коливань з частотами відмінними від резонансної частоти, що позитивно вплине на якісні показники напруги в мережі. Для ділянки трифазного електричного кола, обмеженого ємнісним та індуктивним НОЕ можливі варіанти КЗ показані на фіг. 2. Опір ділянки кола Z при КЗ у відповідних точках становитиме: K1 для ділянки C  K1 при КЗ однієї фази (С) на землю у мережах із глухо заземленою нейтраллю при умові XL  R становитиме: 2 Z  XL  R 2  XL , де Z, R - повний та відповідно активний опори ділянки кола від НОЕ до точки КЗ. K1 для ділянки C  K1 при КЗ однієї фази (С) на землю у мережах із глухо заземленою нейтраллю при умові XC  R становитиме: 2 Z  XC  R2  XC ; K 2 для ділянки A  K 2  B при КЗ між двома фазами (А, В) при умові XL  R становитиме: Z  (2  X L ) 2  R 2  2  X L ; K 2 для ділянки A  K 2  B при КЗ між двома фазами (А, В) при умові XC  R становитиме: 35 Z  (2  X C ) 2  R 2  2  X C ; K 3 для кожної з ділянок A  K 3 ; B  K 3 ; C  K3 при трьохфазному КЗ при умові XL  R становитиме: 2 Z  XL  R 2  XL ; K 3 для кожної з ділянок A  K3 ; B  K3 ; C  K3 при трифазному КЗ при умові XC  R становитиме: 40 45 Z  X C2  R 2  X C . Для симетричного трифазного електричного кола, на кінцях якого приєднані трансформатор або електрична машина, захист всього електричного кола можна здійснити шляхом приєднання НОЕ до кінців обмоток трансформатора чи електричної машини, як це показано на фіг 3. Такий варіант приєднання НОЕ дасть змогу захистити електричне коло від струмів КЗ при виникненні КЗ у будь-якій точці електричного кола. Можливі варіанти КЗ для симетричного трифазного електричного кола, де обмотки електричних машин/трансформаторів з'єднані за схемою зірказірка показані на фіг. 3. Опір ділянки кола Z при КЗ у відповідних точках становитиме: 2 UA 115635 C2 K 4 для ділянки C  K 4 при КЗ однієї фази (С) на землю у мережах із глухо заземленою нейтраллю при умові XL  R , становитиме: 5 Z  (XL  X C )2  R 2  XL  LC , де L C - Індуктивний опір обмоток фази С електричної машини/трансформатора М1; K 4 для ділянки C  K 4 при КЗ однієї фази (С) на землю у мережах із глухо заземленою нейтраллю при умові XC  R , X C  L C становитиме: 10 Z  ( X C  LC )2  R 2  X C  LC , де L C  - Індуктивний опір обмоток фази (С) електричної машини/трансформатора М 2; K 5 для ділянки O  XL  L A  K5  LB  XL при КЗ між двома фазами (А та В) при умові XL  R становитиме: Z  (2  XL  L A  LB )2  R2  2  XL  L A  LB , де L A , LB - Індуктивні опори обмоток фаз (А та В) електричної машини/трансформатора М1;     K 5 для ділянки O  X C  L A  K 5  LB  X L при КЗ між двома фазами (А, В) при умові   XC  R , X C  L A , X C  LB становитиме: 15 20 25 Z  (2  XC  L A  LB )2  R2  2  XC  L A  LB , ДЕ L A  , L B - Індуктивні опори обмоток фаз (А та В) електричної машини/трансформатора М 2; K 6 для кожної з ділянок O  XL  L A  K 6 , O  XL  LB  K 6 , O  XL  LC  K 6 , при трьохфазному КЗ при умові XL  R становитиме: Z  (XL  L* )2  R 2  XL  L A , де - Індуктивні опори обмоток будь-якої з фаз (А, В, С) електричної L* машини/трансформатора М1       K 6 для кожної з ділянок O  X C  L A  K 6 , O  X C  LB  K 6 , O  X C  L C  K 6 , при трифазному КЗ при умові XC  R , X C  LB , X C  L C становитиме: Z  ( X C  L* )2  R 2  X C  L A , де - Індуктивні опори обмоток будь-якої з фаз (А, В, С) електричної L * машини/трансформатора М2 K 8 для ділянки O  XL  LB  K8  LC  XL при КЗ між двома фазовими обмотками (В та С) електричної машини/трансформатора М2 при умові XC  R становитиме: Z  ( 2  X L  LB  L C  LB  L C  ) 2  R 2  * * * , де * 30  2  X L  LB  L C  LB  L C LB , L C - Індуктивні опори обмоток фаз (В та С) електричної машини/трансформатора М 1, 35 L B  , L C  - індуктивний опір незакороченої частини фазових обмоток (В та С) електричної машини/трансформатора М2 збоку О; K 8 для ділянки O  X C  K 8  X C при КЗ між двома фазовими обмотками (В та С) електричної машини/трансформатора М2 при умові XC  R , X C  LB , X C  L C становитиме: * * Z  (2  X C  LB  L C ) 2  R 2  2  X C  LB  L C , де * * * * LB , LC - індуктивний опір незакороченої частини фазових обмоток (В та С) електричної машини/трансформатора М2 збоку O ; * * 3 UA 115635 C2 5 10 Струм КЗ ділянки становитиме: IКЗ  UНОМ / Z , де IКЗ - струм КЗ, UНОМ - номінальна напруга мережі. Запропоновані схеми зручно використовувати для нерозгалужених ділянок електромереж зі спільним струмом. За таких умов виконується умова рівноваги реактивних потужностей у мережі незалежно від зміни струму у колі, а номінали реактивних опорів залишаються незмінними, оскільки через усі елементи електричного кола протікає спільний струм: Q  I2  X C  I2  X L  I2  ( X C  L) , де Q - повна реактивна потужність ділянки електромережі. У випадку складних електричних кіл з широко розгалуженою системою паралельних приєднань споживачів та вузлів живлення, фіг. 4 повинна забезпечуватись умова балансу реактивних потужностей: QC  QL  15 20 n  Ii2  Xi , i 1 m 2  Ik  X k , k 1 Q  QL  QC  0 , де QL , QC - індуктивна та ємнісна реактивні потужності електричного кола, Ii , X i - струм та імпеданс i-го ємнісного елемента, Ik , Xk - струм та імпеданс k-го індуктивного елемента. Як видно з вищенаведеної формули реактивна потужність (ємнісна та індуктивна) прямо пропорційні до імпедансу нелінійного обмежуючого елемента (ємнісного чи індуктивного) та пропорційна квадрату струму, який через нього протікає. Струм кожної гілки визначається опорами навантаження, а відтак для забезпечення балансу реактивних потужностей у колі при зміні струму у його гілках необхідно змінювати імпеданси нелінійних обмежуючих елементів (НОЕ) гілок таким чином, щоб виконувалась умова: Q  QL  QC  0 , n 25 QC  X Секв  Ii2 , QL  30 35 40 45 i 1 n 2 X Lе кв Ik i 1  , де X Lе кв , X Секв - еквівалентний імпеданс всіх індуктивних та відповідно всіх ємнісних НОЕ приєднаних до електричного кола. Як видно з фіг. 4а при нормальних умовах експлуатації ЕМ струми від вузлів живлення протікають до споживачів. При виникненні КЗ на лінії у т. K7 фіг. 46 струми від вузлів живлення та споживачів прямуватимуть у т. КЗ K7. У цьому випадку баланс реактивної потужності порушується, а в точку КЗ K7 по кожній гілці протікатиме струм КЗ, обмежений кожним НОЕ до заданого значення: 2 IКЗ  UНОМ / XHOE  R 2 , При XHOE  R : IКЗ  UНОМ / XHOE , де X HOE - імпеданс HOE, R - активний опір ділянки кола. Лінійна напруга UКЗ між вузлом живлення та НОЕ становитиме: 2 UКЗ  E  IКЗ  (ZHOE  z) , де UКЗ - лінійна напруга на ділянці кола між вузлом живлення та НОЕ, IКЗ - струм КЗ, ZHOE загальний опір НОЕ, z - внутрішній загальний опір вузла живлення. При XHOE  z спад напруги на шинах вузла живлення буде не значним, що виключить ймовірність просадки напруги в ЕМ. Напруга на клемах НОЕ послідовно встановлених у електричне коло становитимуть: Ux  I  X, де Ux - напруга на клемах НОЕ, I - струм електричного кола, X - опір НОЕ. 4 UA 115635 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Тобто напруга на клемах НОЕ прямо пропорційна струму, що протікає через НОЕ та його опору. Для запобігання перевантаженню мережі за струмом, на приклад при коротких замиканнях, які можуть виникнути за межами ділянки кола обмеженої НОЕ, один з НОЕ (на приклад ємнісний) слід шунтувати вакуумним або газорозрядним розрядником. Таким чином при протіканні понад номінальних значень струмів через шунтований НОЕ напруга на його клемах зросте до напруги спрацювання розрядника. В результаті через розрядник протікатиме більша частина струму (струм шунтування НОЕ), баланс реактивних потужностей порушиться, а нешунтований (індуктивний) НОЕ обмежуватиме струм у колі до заданого значення. Далі засобами релейного захисту мережі здійснюється відімкнення пошкодженої ділянки кола. Розрядник слід вибирати з якомога нижчим опором електричної дуги при його спрацюванні (пробої). Доцільно шунтувати саме ємнісний НОЕ (конденсаторну батарею), оскільки при одночасному електричному пробої розрядника та конденсаторної батареї струм кола буде обмежуватись до заданого рівня нешунтованим індуктивним НОЕ. Для захисту розгалужених мереж (шинних, кільцевих, радіальних, крос-фідерних, тощо) з багатьма фідерними приєднаннями до джерела живлення (трансформатор, генератор, тощо) від струмів перевантаження при КЗ в цій мережі фіг. 5 доцільно встановити індуктивний та ємнісний шунтований розрядником НОЕ одразу після джерела живлення. Це дасть змогу захистити мережу від перевантажень по струму при виникненні КЗ на будь-якому з приєднань. Номінальні значення імпедансів НОЕ слід підбирати таким чином, щоб у разі виникнення КЗ струми КЗ, що обмежується НОЕ не перевищував, наприклад, номінального або робочого значення струму при повному навантаженні ділянки електричного кола у нормальному режимі. НОЕ, зокрема індуктивні НОЕ, слід виготовляти з якомога вищою добротністю для обраної частоти. Індуктивні НОЕ з постійним імпедансом доцільно виготовляти у вигляді соленоїда або тороїдальної котушки індуктивності, намотаних на осердя з магнітом'якого матеріалу зокрема пермалоїв. Індуктивні НОЕ зі змінним імпедансом виготовляти у вигляді котушки індуктивності насаджених на рухоме осердя з магнітом'якого матеріалу. Обмотку індуктивного НОЕ для зменшення активних втрат доцільно виготовляти з матеріалів з мінімальним активним опором або з високотемпературних надпровідних матеріалів. На Фіг. 1 зображений швидкодіючий шунтуючий запобіжник, де K - швидкодіючий нормально розімкнений ключ, С, L - ємнісний та індуктивний опори послідовного коливального контуру. На Фіг. 2 зображена повітряна або кабельна лінія трифазної симетричної електромережі змінної напруги, де А, А', В, В', С, С - початок та кінець відповідних фаз (А, В, С) лінії електропередачі (ЛЕП), XL, XC - ємнісний та індуктивний НОЕ послідовного коливального контуру, F - розрядник, точки K1-K3 - точки короткого замикання на лінії електропередачі, 1кабельна або повітряна ЛЕП. На Фіг. 3 зображена трифазна симетрична електромережа змінної напруги, де М1, М2 електрична машина або трансформатор на початку та відповідно в кінці лінії ЕМ з відповідними обмотками LA, LB, Lc, LA', LB', Lc'; A, A', B, B', C, C - початок та кінець відповідних фаз (А, В, С) лінії електропередачі, XL, XC - ємнісний та індуктивний НОЕ послідовного коливального контуру, ввімкнені послідовно до обмоток М1 та М2 відповідно, точки K4-K6- точки короткого замикання на лінії електропередачі, K8 - точка КЗ ЕУ М2 1 - кабельна або повітряна ЛЕП. На Фіг. 4 зображене розгалужене електричне коло з кількістю приєднань n+m із зазначенням нормального напрямку руху струмів (а), та схема руху струмів КЗ до точки КЗ (б), де G1-Gn, G1Gn, L1-Lm, Нав1-Навm, - відповідно вузли живлення, змінні ємнісні НОЕ, змінні індуктивні НОЕ та споживачі (навантаження) приєднані до електричного кола, K7 - точка К3, 2 - умовні напрямки руху струмів від вузлів живлення до споживачів, 3 умовні напрямки руху струмів від вузлів живлення та споживачів до точки КЗ. На Фіг. 5 зображене розгалужене електричне коло з джерелом живлення Т, навантаженнями Нав1-Навk, XL, XC - ємнісний та індуктивний НОЕ послідовного коливального контуру, F розрядник. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Спосіб обмеження струмів коротких замикань у електричних мережах змінного струму нелінійними обмежуючими елементами, який полягає у тому, що до лінії електропередачі (ЛЕП) приєднують нелінійні обмежуючі елементи з реактивними ємнісним та індуктивним імпедансами, який відрізняється тим, що принаймні один нелінійний обмежуючий елемент з реактивним ємнісним імпедансом (ємнісний НОЕ), одну ЛЕП та один нелінійний обмежуючий елемент з реактивним індуктивним імпедансом (індуктивним НОЕ) з'єднують послідовно таким 5 UA 115635 C2 5 10 чином, що вони утворюють послідовний коливальний контур з нульовим реактивним опором і резонансною частотою, рівною частоті передачі змінного електричного струму по ЛЕП, реактивні опори ємнісного НОЕ та індуктивного НОЕ на заданій частоті є рівними між собою, номінальний опір ємнісного НОЕ та індуктивного НОЕ вибирають таким чином, щоб при короткому замиканні (КЗ) на ЛЕП між ємнісним НОЕ та індуктивним НОЕ струм КЗ та спад напруги за межами коливального контуру не перевищували заданого рівня номінального значення струму ЛЕП, щонайменше один ємнісний НОЕ, що входить до складу послідовного коливального контуру, шунтують розрядником для захисту від перевантажень по напрузі при протіканні через нього понадномінальних струмів, а також для обмеження цих струмів іншим нешунтованим індуктивним НОЕ внаслідок порушення умови балансу реактивних потужностей, що генеруються та споживаються шунтованим та нешунтованим НОЕ відповідно. 6 UA 115635 C2 7 UA 115635 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8