Струмообмежуючий пристрій

Винахід віднесено до електроенергетики, а точніше до пристроїв, призначених для обмеження токів короткого замикання в аварійних режимах. Відомий пристрій обмеження току короткого замикання [1], що містить реактивний елемент у вигляді котушки індуктивності та електродинамічний механізм із рухливими і нерухомими секціями, призначений для розшунтування котушки індуктивності, тільки но з'явиться надлишковий струм. До недоліків цього пристрою слід віднести наявність коштовної котушки індуктивності, контактної групи, ускладнення конструкції електродинамічного механізму з метою підвищення його ефективності в області невисоких значень аварійних токів. Відомий також пристрій для аварійного автоматичного відключення електричного ланцюга [2], у якому рішення конкретної задачі по обмеженню струму короткого замикання є найбільше близьким за технологічною сутністю і технічному результату, що досягається, до запропонованого (прототип). У прототипі використовується реактивний елемент у вигляді рухливих і нерухомих магнітних секцій та електродинамічний механізм у вигляді рухливих і нерухомих електродинамічних секцій, причому електродинамічний механізм послідовно сполучений із ланцюжком обмоток, що прискорюють, кожна з яких розміщена на нерухомій магнітній секції. Тільки но з'явиться надлишковий струм, рухливі електродинамічні секції переміщаються в напрямку до магнітних секцій, а рухливі магнітні секції, завдяки обмоткам, що прискорюють, розміщеним на нерухомих магнітних секціях, починають наближатися до нерухомих магнітних секцій, що в сукупності сприяє збільшенню магнітного потоку і подальшому прискоренню прямування рухливих електродинамічних і магнітних секцій. Динаміка прямування рухливих секцій передбачена такою, при якій замикання магнітних секцій відбувається після входження найближчих до них сторін рухливих електродинамічних секцій усередину магнітопровода, а це призводить до різкого підвищення реактивного опору обмоток, що прискорюють, і рухливих електродинамічних секцій, що рівносильно введенню в мережу реактивного опору, розмір котрого приблизно в m / m0 разів вище початкового ( m - магнітна проникність магнитопровода магнітних секцій, m 0 магнітна проникність повітря). До недоліків прототипу варто віднести складність і громіздкість його конструкції, а також пофазне виконання, що в остаточному підсумку призводить до зниження надійності роботи пристрою в цілому. Винаходом, що пропонується, вирішується завдання спрощення конструкції струмообмежуючого пристрою за умови збереження ефективності струмообмеження. Для вирішення вказанного технічного завдання до струмообмежуючого пристрою, що містить електродинамічний механізм, що складається з електродинамічних секцій, що мають гнучкі струмопровідні перемички та пружні елементи, та реактивні елементи, що складаються з магнітних секцій, внесено, згідно даного винаходу, суттєві конструктивні зміни, а саме електродинамічний механізм виконано лише з рухомих електродинамічних секцій у вигляді трьох фаз-шин, що розташовані по вершинах одного рівнобокого трикутника та створюють в сукупності трифазний симетричний струмопровід, причому фази-шини струмопроводу мають напрямні для прямолінійного руху із такими, що співпадають з бісектрисами кутів рівнобокого трикутника подовжніми осями, що забезпечують, разом із пружними елементами і гнучкими струмопровідними перемичками, можливість зсуву фаз-шин струмопроводу в радіальному напрямку від подовжньої осі струмопроводу й обернено в режимі короткого замикання і їхньої фіксації по вершинах рівностороннього трикутника в нормальному режимі, а реактивні елементи, кожний за належністю до власної фази-шини струмопроводу, розташовані також по вершинах іншого рівнобокого трикутника, бісектриси якого збігаються з бісектрисами першого рівнобокого трикутника, причому інший рівнобокий трикутник за своїми розмірами більший за перший. Відмінною ознакою запропонованого пристрою від зазначеного вище відомого (прототип), найбільше близького до нього, є використання рухливих електродинамічних секцій у якості фаз-шин трифазного симетричного струмопроводу, зсув яких у режимі короткого замикання забезпечується за рахунок електродинамічних зусиль взаємодії між цими трьома фазами-шинами, а не за рахунок електродинамічних зусиль взаємодії між рухливою і нерухомою секціями електродинамічного механізму в одній фазі. Ця відмінна ознака пояснює можливість значного спрощення конструкції електродинамічного механізму і всього струмообмежуючого пристрою у цілому, тому що дозволяє виключити з електродинамічного механізму нерухомі секції і від однофазного виконання струмообмежуючого пристрою перейти до трифазного. Працездатність трифазного струмообмежуючого пристрою заснована на тому [3, с.73, с.67-84], що при трифазному короткому замиканні середні значення сил електродинамічної взаємодії між фазами симетричного струмопроводу протягом всього часу короткого замикання однакові і спрямовані по бісектрисах кутів рівнобокого трикутника, у вершинах якого знаходяться фази струмопроводу (при двухфазному короткому замиканні сила взаємодії між двома фазами декілька менше, проте незначно). Інша відмінна ознака полягає в такому. Миттєві значення електродинамічних зусиль взаємодії фаз-шин у симетричному струмопроводі, віднесені до кожної фазишини, хоча і не змінюють свій знак на протилежний, але усе ж змінюються в часі як по розміру, так і по напрямку [3, с.80, с.67-84]. З метою стабілізації прямування фаз-шин строго в радіальному напрямку кожна фаза-шина токопровода має направляючі для прямолінійного прямування, причому подовжні осі цих направляючих збігаються з бісектрисами кутів рівнобокого трикутника, по вершинах якого розміщені фази-шини. Ці ж направляючі, по закінченні режиму короткого замикання, за допомогою пружних елементів забезпечують повернення фаз-шин у початкове положення. Виконання струмообмежуючого пристрою у трифазному виконанні обумовило і його третю відмінну ознаку, що полягає в тому, що реактивні елементи, кожний по приналежності до власної фази-шини, повинні бути так само розташовані по вершинах рівнобокого трикутника, бісектриси якого збігаються з бісектрисами рівнобокого трикутника, по вершинах якого розміщені фази-шини струмопроводу, причому трикутник із реактивними елементами по розмірах повинен бути більше трикутника з фазами-шинами, тому що електродинамічні зусилля взаємодії між фазами-шинами струмопроводу діють у напрямку збільшення габаритів струмопроводу. Перелічені відмінні ознаки визначають оптимальну конструкцію запропонованого струмообмежуючого пристрою. Початкові міжфазові відстані, обумовлені розміром трикутника з фазами-шинами, вибираються з умови електричної тривкості між фазами-шинами і приймаються як можна меншими, що забезпечує максимальні значення електродинамічних зусиль взаємодії між ними в момент виникнення режиму короткого замикання і, відповідно, швидкодія струмообмеження. У процесі руху фаз-шин, із збільшенням міжфазних відстаней, електродинамічні зусилля взаємодії між ними достатньо різко слабшають, створюючи передумови до зменшення швидкодії струмообмеження, проте зменшення швидкодії не відбувається, тому що кожна фаза-шина, у міру просування в радіальному від центру симетричного струмопроводу напрямку, наближається до реактивного елемента, полюса магнітних секцій якого можна розглядати як феромагнітну стінку з нескінченно великою магнітною проникністю. При цьому збільшується магнітна провідність, а, отже, і магнітний потік фази-шини із струмом, збільшуючи електромагнітну енергію системи в цілому. На кожну фазу-шину починає діяти зусилля, що притягає її до полюсів магнітних секцій відповідного їй реактивного елемента. При розрахунках цих зусиль може бути застосований метод дзеркальних відображень [4, с.47], із якого випливає, що сили взаємодії провідника з током і ферромагнітною стінкою можна розглядати як електродинамічні зусилля взаємодії між двома провідниками з тим же струмом, що знаходяться друг від друга на відстані, у два рази більшій, ніж відстань між одним провідником із струмом і ферромагнітною стінкою. В міру зменшення цієї відстані електродинамічні зусилля взаємодії між фазою-шиною і реактивним елементом різко зростають, компенсуючи ослаблення електродинамічних зусиль взаємодії між шинами-фазами струмопроводу. Оптимізація конструкції запропонованого струмообмежуючого пристрою полягає в правильному доборі міжфазових відстаней між фазами-шинами симетричного токопровода і міжфазових відстаней між реактивними елементами, тому що від раціонального компонування струмообмежуючого пристрою саме і залежить швидкодія і кратність посилення струмообмеження. У нормальному режимі феромагнітні маси реактивних елементів повинні бути достатньо віддалені від фаз-шин струмопроводу з тим, щоб зводити до мінімуму електромагнітний зв'язок між ними. У режимі короткого замикання, у міру переміщення фаз-шин, цей зв'язок різко зростає, причому характер зміни електромагнітного зв'язку визначається конфігурацією магнітних секцій реактивного елемента, що визначає співвідношення основного потоку і потоків розсіювання. У залежності від заданих параметрів струмообмежуючого пристрою, магнітна система реактивного елемента по відношенню до фази-шини можуть бути прийнята симетричною (наприклад, фаза-шина входить у паз між двома нерухомими рівнобіжними магнітними секціями, коли сталь є тільки з двох сторін від фази-шини, або, наприклад, фаза-шина входить усередину нерухомої магнітної секції, коли сталь є з трьох сторін, а з четвертої сторони є рухлива магнітна секція, що замикає основний магнітний потік після входження фази-шини усередину нерухомої магнітної секції) або несиметричною (наприклад, коли фаза-шина входить у паз нерухомої магнітної секції, коли сталь є лише з трьох сторін). При різноманітних конструктивних виконаннях системи "фаза-шина реактивний елемент" у кожному конкретному випадку враховуються основний потік, потоки розсіювання, зміни активного опору фаз-шин у результаті витиснення току і динаміка зміни цих параметрів. Крім того, кількість феромагнітної маси реактивних елементів вибирається з умови неприпустимості насичення стали. Основною причиною різкого збільшення реактивного опору фаз-шин є поява в кожній фазі-шині значної проти-е.д.с, що еквівалентно введенню в мережу індуктивного опору. Остаточний добір реактивного опору регулюється спільною довжиною фаз-шин і реактивних елементів, обраної уздовж подовжньої осі токопровода. Нижче даний приклад виконання винаходу з посиланням на креслення, на яких: Фіг.1 - загальний вид струмообмежуючого пристрою, вид попереду; Фіг.2 - те ж, вид зліва. Струмообмежуючий пристрій містить електродинамічний механізм, що складається з трьох рухливих секцій у вигляді фаз-шин 1, розташованих по вершинах рівнобокого трикутника й утворюючих тим самим трифазний симетричний струмопровід. Кожна фаза-шина 1 має реактивний елемент 2 у виді магнитопровода, що складається, загалом, із рухливих і нерухомих секцій. У даному конкретному прикладі реактивний елемент 2 складається з двох нерухомих магнітних секцій 3 і 4, що утворюють для кожної фази-шини 1 симетричну магнітну систему. Реактивні елементи 2 також розташовані по вершинах рівнобокого трикутника, бісектриси якого збігаються з бісектрисами рівнобокого трикутника, по вершинах якого розташовані фази-шини 1, причому трикутник із реактивними елементами 2 більше по розмірах трикутника з фазами-шинами 1. Монтаж фаз-шин 1 і реактивних елементів 2 провадиться на стійках 5 і 6 із стійкого матеріалу (наприклад склопластика й ін.) із підвищеними діелектричними властивостями. Відстань у світлі між стійками 5 і 6 задає довжину струмопроводу і реактивних елементів і в остаточному підсумку обумовлює заданий розмір індуктивного опору струмообмежуючого пристрою У стійках 5 і 6 виконані пази 7, подовжні осі яких розташовані під кутом 120° щодо один одного, тобто по збіжним між собою бісектрисам кутів обох рівнобоких трикутників. Магнітні секції 3 і 4 реактивних елементів 2 виконують по сумісництву роль кріпильних балок між стійками 5 і 6. Рухливі фази-шини 1 трифазного симетричного токопровода пропущені крізь пази 7 стійок 5 і 6 і мають направляючі 8, що забезпечують можливість зсуву кожної фази-шини в радіальному напрямку від центру стумопроводу і направляючі 9, що перешкоджають випадковому зсуву фаз-шин у напрямку подовжньої осі струмопроводу. Кожна фаза-шина 1 симетричного струмопроводу має пружний елемент 10, виконаний, наприклад, у виді гумового джгута, кінці якого прикріплені до стійок 5 і 6 із їхніх внутрішніх сторін по подовжній осі пазів 7 і перекинутим через обертові блочки 11, скріплені з фазами-шинами 1, причому товщина обертових блочков і діаметр джгута не перевищують товщини фази-шини 1. До виступаючим за зовнішні межі стійок 5 і 6 кінцям фаз-шин 1 електрично під'єднані гнучкі струмопровідні перемички 12, вільні кінці яких електрично під'єднані до виводів 13 для підключення кожної фази-шини в робочу мережу, а самі виводи 13 механічно кріпляться до діелектричних стійок 5 і 6. Струмообмежуючий пристрій працює наступним чином. У нормальному режимі при номінальних токах електродинамічні зусилля взаємодії між фазами-шинами 1 струмообмежуючого пристрою, виконаного у виді трифазного симетричного струмопроводу, малі і фазишини 1 за допомогою пружних елементів 10 утримуються в початковому положенні по вершинах рівнобокого трикутника, причому фіксація фаз-шин 1 у цьому положенні здійснюється основами пазів 7, виконаних у стійках 5 і 6. Пружні елементи 10 задають умови зрушення фаз-шин 1 у режимі короткого замикання і їхнє повернення в початкове положення після закінчення аварійного режиму. У аварійному режимі, при наростанні току короткого замикання, електродинамічні зусилля взаємодії між фазами-шинами 1 струмопроводу різко зростають і фазишини, долаючи зусилля пружних елементів 10, переміщаються в пазах 7 за допомогою направляючих 8 до реактивних елементів 2, при достатньому наближенні до яких різко зростають електродинамічні зусилля тяжіння між фазами-шинами 1 і реактивними елементами 2. Далі фазишини 1 входять у пази між магнітними акціями реактивних елементів. На початку процесу короткого замикання відбувається "м'яке" струмообмеження (за рахунок збільшення потоків розсіювання, швидкості зміни току з моменту зрушення, а також за рахунок збільшення міжфазових відстаней у симетричному струмопроводі), а при входженні фаз-шин 1 у пази магнітних секцій реактивних елементів 2 - "жорстке" струмообмеження (за рахунок різкого збільшення основного потоку й ефекту витиснення струму). Розмір проти-е.д.с. у процесі короткого замикання визначається параметрами електромагнітної системи "фаза-шина реактивний елемент", характеристики якої вибираються в залежності від поставленої задачі. Наявність протиударних механізмів в струмообмежуючому пристрої що зупиняють прямування фаз-шин, можливо, але не обов'язково (це залежить від зусиль пружних елементів, висоти паза магнітних секцій і т.д.). У приведеному прикладі виконання струмообмежуючого пристрою на Фіг.1 і на Фіг.2 застосування протиударних механізмів позбавлено змісту, тому що фази-шини при виході з паза з його зовнішньої сторони гальмуються самою електромагнітною системою і повертаються автоматично в "нейтральне" положення (як показано на Фіг.2 для верхньої фази-шини) на увесь час протікання току короткого замикання. Обмежений до сталого значення струм короткого замикання надалі відключається вимикачем через час, обумовлений релейним захистом ланцюга, після чого фази-шини 1 дією пружних елементів 10 повертаються в початкове положення й струмообмежуючий пристрій знову готовий до роботи. Виконання струмообмежуючого пристрою у трифазному виконанні відрізняється простотою конструкції, а, отже, меншими габаритами і меншою вартістю. Використана література: 1. Вязовик В.Я., Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Способ ограничения тока короткого замыкания и устройство для его осуществления. Патент РФ №2016459, опубл. 15.07.94, бюл. №13. 2. Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Устройство для аварійного автоматического отключения цепи. Патент РФ №2171524, опубл. 27.07.01, бюл. №21. 3. А.С. Овчаренко, С.И. Полещук. Токопроводы в электроснабжении промышленных предприятий. Киев, «Техника», 1982. 4. А.А. Чунихин. Электрические аппараты, Москва, Энергоатомиздат, 1988.