Устройства ограничения токов короткого замыкания

Устройства предназначены для ограничения уровней токов КЗ и сохранения живучести электроэнергетической системы.

Для ограничения токов короткого замыкания и в сетях энергосистем используются следующие методы:

- метод оптимизации структуры и параметров сети (схемные решения);

- метод оптимизации режима заземления нейтралей элементов электрических сетей;

- стационарного или автоматического деления сети;

- использования токоограничивающих устройств;

- изменения схем электрических соединений обмоток трансформаторов и автотрансформаторов.

В качестве средств ограничения токов КЗ соответственно используются или могут быть использованы:

- устройства автоматического деления сети;

- токоограничивающие реакторы;

- трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения;

- трансформаторы с повышенным напряжением КЗ;

- безынерционные токоограничивающие устройства различного типа (резонансные, реакторно-вентильные, со сверхпроводящими элементами и т.п.);

- токоограничивающие коммутационные аппараты;

- токоограничивающие резисторы;

- вставки постоянного тока;

- вставки переменного тока непромышленной частоты;

- автотрансформаторы, нормально выполненные без третичной обмотки, соединенной в треугольник;

- разземление нейтралей части трансформаторов;

- заземление нейтралей части трансформаторов и автотрансформаторов через реакторы, резисторы или иные токоограничивающие устройства;

- замена на связях распределительных устройств различного напряжения автотрансформаторов на трансформаторы;

- автоматическое размыкание в аварийных режимах третичных обмоток автотрансформаторов;

- специальные схемы соединения обмоток трансформаторов блоков.

В настоящее время в отечественных энергосистемах наиболее часто используются стационарное или автоматическое деление сети, токоограничивающие реакторы и аппараты, трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения, разземление нейтралей части трансформаторов и их заземление через реакторы и резисторы. Другие методы и средства ограничения токов КЗ находятся в стадии исследований, опытно-конструкторской разработки и проектной проработки.

Охарактеризуем рассмотренные методы и средства ограничения токов КЗ.

Схемные решения принимающиеся, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, мощных электростанций и сетей повышенного напряжения, состоят в выборе оптимальных (при поставленных условиях и ограничениях) схем выдачи мощности электростанций, структуры и параметров элементов сетей энергосистем.

Вариантами схемных решений могут быть:

- выделение части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой через сеть повышенного напряжения – периферийное или продольное разделение сетей (рисунок 29, а);

- наложение сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения – местное или поперечное разделение сетей (рисунок 29, б).

 

 

а)

б)

Рисунок 29 – Варианты схемных решений

 

Стационарное деление сети – это деление сети в нормальном режиме, осуществляемое с помощью секционных, шиносоединительных или линейных выключателей мощных присоединений электроустановок.

На подстанциях и электростанциях, имеющих распределительные устройства генераторного напряжения, деление сети может осуществляться как на высшем, так и на низшем напряжении.

На блочных электростанциях деление сети осуществляют в распределительных устройствах повышенного напряжения (рисунок 30). Так, на рисунке 30 а) представлена исходная схема, на рисунке 30 б) – деление распределительного устройства на две части, а на рисунке 30 в) – схема с удлиненными блоками.

Автоматическое деление сети осуществляется в аварийном режиме с целью облегчения работы коммутационных аппаратов при отключении ими поврежденной цепи. Оно выполняется на секционных или шиносоединительных выключателях, реже – на выключателях мощных присоединений.

а)	б)	в)

Рисунок 30 – Стационарное деление сети

 

Токоограничивающие реакторы классифицируют по разным признакам:

- с линейной, нелинейной и ограниченно-линейной (квазилинейной) характеристикой;

- без магнитопровода и с магнитопроводом;

- со стержневой, броневой, бронестержневой, тороидальной, цилиндрической и навитой магнитной системой;

- нерегулируемые, регулируемые, управляемые, насыщающиеся;

- с продольным, поперечным и кольцевым подмагничиванием;

- с масляной или сухой изоляцией;

- секционные, линейные и заземляющие;

- одинарные и сдвоенные.

В настоящее время в энергосистемах для ограничения токов КЗ используются только нерегулируемые реакторы с линейной характеристикой. В сетях 35-220 кВ применяются масляные реакторы.

Токоограничивающее действие реактора, характеризуемое его сопротивлением, прямо пропорционально индуктивному сопротивлению и обратно пропорционально номинальному току реактора.

Линейный реактор, включаемый последовательно в соответствующую линию (присоединение), ограничивает ток КЗ и поддерживает относительно высокий уровень остаточного напряжения в узлах предвключенной сети. Однако в нормальном режиме в реакторе имеют место потери активной и реактивной мощностей, потери энергии, а также падение и потеря напряжения.

В отношении потерь напряжения и реактивной мощности лучшими характеристиками обладают сдвоенные реакторы, т.е. реакторы с выведенной центральной точкой обмотки. Наличие магнитной связи между ветвями сдвоенного реактора уменьшает потерю напряжения в реакторе в нормальном режиме без снижения токоограничивающей способности при КЗ в сети.

У сдвоенных реакторов различают одноцепный, двухцепный, продольный и комбинированный режимы. Каждому режиму соответствует своя величина результирующего индуктивного сопротивления реактора.

Секционные реакторы имеют при прочих равных условиях меньшее токоограничивающее действие, чем линейные реакторы, но в нормальном режиме работы для них характерны небольшие потери мощности, энергии и напряжения.

Возможные схемы включения линейных и секционных реакторов приведены на рисунке 31. Схемы на рисунке 31 а), б), в), д) иллюстрируют включение одинарных линейных реакторов, а схемы на рисунке 37 г), е), ж) – включение сдвоенных линейных реакторов. Включение одинарных секционных реакторов показано на рисунке 37 з), и).

Токоограничивающие коммутационные аппараты ограничивают ток КЗ в течение первого полупериода его появления и далее незамедлительно отключают КЗ. К ним относятся токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия.

Силовые токоограничивающие предохранители внутренней и наружной установок изготовляются на напряжения 3-110 кВ на относительно небольшие номинальные токи. Отличаются простотой конструкции и относительно небольшой стоимостью. Имеют ряд недостатков: одноразовость действия, неуправляемость от внешних устройств, нестабильные токовременные характеристики, трудность осуществления цикла АПВ, относительно небольшие номинальные токи.

Ограничители ударного тока взрывного действия представляют собой сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты одноразового действия с относительно большим номинальным током.

Конструктивно ограничитель ударного тока взрывного действия представляет собой герметизированный цилиндр, внутри которого располагается токонесущий проводник с вмонтированным пиропатроном. Сигнал на взрыв пиропатрона подается от внешнего управляющего устройства. Последнее получает информацию о КЗ от измерительного органа, реагирующего на величину тока КЗ и на его первую производную.

В настоящее время применяются в сетях с напряжением 0, 66…35 кВ и номинальным током 1000…4000 А.

а)	б)	в)			г)
д)	е)			ж)
з)			и)

 

Рисунок 31 – Схемы включения реакторов

 

Возможные схемы включения ограничителей ударного тока приведены на рисунке 32. Обозначения на рисунке 32: ТСН – трансформатор собственных нужд, ПРТСН – пуско-резервный трансформатор собственных нужд, с.н. – собственные нужды, РЗ – релейная защита, нг – нагрузка.

Схемы на рисунке 32 б), г), е), ж), з), и), к), л), м) отличаются различными способами шунтирования одинарных и сдвоенных реакторов; это позволяет ликвидировать потери мощности и напряжения в реакторе в рабочих режимах.

В схемах на рисунке 32 в), д) ограничители ударного тока позволяют осуществить режим параллельной работы частей электроустановки при недостаточной для этого режима стойкости и коммутационной способности сетевого оборудования.

В схеме на рисунке 32 н) ограничители ударного тока позволяют сохранить в работе блок при повреждении его ТСН и осуществить безопасный перевод питания собственных нужд с рабочего на резервный источник и обратно.

В схеме на рисунке 32 о) ограничитель ударного тока позволяет установить в цепи маломощного блока облегченный аппарат – выключатель нагрузки.

В схемах на рисунке 32 п), р) комбинация из двух ограничителей ударного тока с органами направления мощности позволяет обеспечить надежное питание от двух независимых источников.

В схеме на рисунке 32 с) ограничители ударного тока позволяют практически исключить влияние КЗ в трансформаторах подстанций на режим работы элементов внешней сети.

В схеме на рисунке 32 т) ограничитель ударного тока позволяет осуществить безынерционное автоматическое деление сети при КЗ.

В схеме на рисунке 32 у) ограничитель ударного тока осуществляет разземление нейтрали силового трансформатора при больших токах КЗ на землю.

В схеме на рисунке 32 ф) ограничитель ударного тока размыкает третичную обмотку автотрансформатора при возникновении в прилегающих сетях больших токов КЗ на землю.

 

 

а)	б)	в)	г)

 

 

д)	е)	ж)	з)

 

Рисунок 32 – Схемы включения ограничителей ударного тока

и)	к)	л)	м)

 

 

н)	о)	п)

 

 

р)	с)	т)

 

 

у)	ф)

 

Рисунок 32 – Схемы включения ограничителей ударного тока (продолжение)

 

Резонансные токоограничивающие устройства основаны на использовании эффекта резонанса напряжения при рабочих режимах соответствующей цепи и расстройки резонанса при аварийных режимах.

В настоящее время существует более сотни вариантов резонансных токоограничивающих устройств, отличающихся составом элементов и способом расстройки резонанса. Схемы основных типов таких устройств представлены на рисунке 33.

В данных схемах расстройка резонанса осуществляется следующими способами:

- реактором с нелинейной характеристикой (схема на рисунке 33 а);

- разрядником, который затем шунтируется выключателем или другим быстродействующим коммутационным аппаратом, рассчитанным на продолжительный сопровождающий ток (схема на рисунке 33 б);

- быстродействующим выключателем (схема на рисунке 33 в);

- путем насыщения магнитопровода и изменения параметров ветви намагничивания силового трансформатора последовательного включения (схема на рисунке 33 г);

- тиристорным выключателем (схемы на рисунке 33 д, е).

 

а)	б)
в)	г)
д)	е)

 

Рисунок 33 – Схемы основных типов резонансных токоограничивающих устройств

 

Действие токоограничивающих устройств со сверхпроводниками основано на том, что при температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы становятся сверхпроводниками, т.е. имеют практически нулевое электрическое сопротивление.

С помощью изменения напряженности магнитного поля на поверхности сверхпроводника и (или) его температуры, сверхпроводник можно перевести в резистивное состояние из сверхпроводящего. Поскольку этот перевод может быть выполнен мгновенно, явление сверхпроводимости материалов может быть использовано для ограничения токов КЗ в сетях.

Сверхпроводящие элементы классифицируются на два типа:

- элементы без внешнего управления (элементы резистивного типа);

- элементы с управлением внешним магнитным полем (криотроны).

Элемент резистивного типа может быть включен либо непосредственно в защищаемую линию, либо в цепь секционного (шиносоединительного) выключателя распределительного устройства. При КЗ в сети, когда ток в цепи сверхпроводящего элемента становится больше критического, сверхпроводник переходит в резистивное состояние, ограничивая ток КЗ.

Криотрон представляет собой сверхпроводник (СП) с управлением внешним магнитным полем под действием системы автоматики. Криотрон принципиально может быть включен по схемам, представленным на рисунке 34.

В схеме на рисунке 34 а) при КЗ в сети криотрон дешунтирует силовой резистор R, а в схеме на рисунке 34 б) – силовой реактор L. В схеме на рисунке 34 в) криотрон отключает одну из ветвей сдвоенного реактора, а в схеме на рисунке 34 г) дешунтирует ветвь сдвоенного реактора.

 

а)	в)
б)	г)

Рисунок 34 – Схемы токоограничивающих устройств со сверхпроводниками

 

Вставки постоянного тока предназначены для связи узлов сетей с одинаковыми или различными частотами. В отдельных случаях они могут иметь короткие линии электропередачи и выполнять функции токоограничивающих устройств.

Вставка постоянного тока (рисунок 35) содержит выпрямитель В, инвертор И, линию постоянного тока W, а также трансформаторы Т₁ и Т₂ соответственно выпрямителя и инвертора.

При наличии вставки постоянного тока ток короткого замыкания в точке К₁ на стороне выпрямителя определяется только параметрами примыкающей системы С₁. Подпитка со стороны вставки постоянного тока отсутствует. При коротком замыкании в точке К₂ на стороне инвертора ток в месте короткого замыкания определяется, в основном, параметрами системы С₂. Подпитка со стороны вставки постоянного тока не превышает ее номинального нагрузочного тока.

 

 

Рисунок 35 – Пример вставки постоянного тока

 

Вставки переменного тока непромышленной частоты предназначены для связи узлов сетей промышленной частоты. В отдельных случаях они могут иметь короткие линии электропередачи и выполнять функции токоограничивающих устройств.

Вставки переменного тока непромышленной частоты (рисунок 36) содержат ферромагнитный преобразователь (делитель) частоты П₁, линию электропередачи W, а также ферромагнитный преобразователь (умножитель) частоты П₂. При коротком замыкании в точке К₁ ток в месте КЗ определяется только параметрами системы С₁, а при коротком замыкании в точке К₂ – только параметрами системы С₂.

 

 

Рисунок 36 – Пример вставки переменного тока непромышленной частоты

 

Вставки переменного тока непромышленной частоты предпочтительны относительно вставок постоянного тока, поскольку стоимость ферромагнитных преобразователей частоты ниже стоимости выпрямительных и инверторных подстанций, схема установки и условия эксплуатации проще, а эксплуатационная надежность выше, чем у вставок постоянного тока.

Основным элементом токоограничивающих устройств трансформаторного типа является трансформатор последовательного включения, во вторичную цепь которого включено то или иное нелинейное сопротивление, в том числе и с релейной характеристикой. Параметры трансформатора последовательного включения выбираются так, чтобы при предельном токе КЗ в цепи и разомкнутой вторичной обмотке его магнитопровод не насыщался.

Некоторые схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа приведены на рисунке 37.

Токоограничение в схеме, показанной на рисунке 37 а), осуществляется путем размыкания вторичной обмотки трансформатора ограничителем ударного тока (ОТ) или другим безынерционным коммутационным аппаратом; в схеме на рисунке 37 б) – тиристорным коммутатором.

В схеме на рисунке 37 в) вторичная обмотка трансформатора замкнута на емкостное сопротивление, что позволяет компенсировать падение напряжения в первичной цепи токоограничивающего устройства. Тиристорный коммутатор позволяет регулировать входное сопротивление токоограничивающего устройства, а ограничитель ударного тока ОТ размыкает вторичную цепь при КЗ в первичной цепи.

 

а)	б)	в)

Рисунок 37 – Схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа

 

В токоограничивающих устройствах реакторно-вентильного типа используется комбинация реакторов и управляемых вентилей (рисунок 38).

Устройство в схеме на рисунке 38 а) отличается тем, что тиристорный коммутатор установлен в одной из ветвей сдвоенного реактора. В нормальном режиме и при КЗ во внешней сети ток выключателя составляет примерно половину тока защищаемой цепи; это облегчает условия выбора тиристоров. При КЗ в защищаемой цепи тиристорный коммутатор отключает одну ветвь сдвоенного реактора, благодаря чему сопротивление цепи значительно увеличивается. Далее отключение короткого замыкания производится соответствующими сетевыми выключателями. В данном токоограничивающем устройстве целесообразно применять сдвоенные реакторы, динамически стойкие к сквозным КЗ и с повышенным коэффициентом связи.

а)	б)

Рисунок 38 – Схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа

 

В устройстве, схема которого приведена на рисунке 38 б), тиристорные коммутаторы установлены в обеих ветвях сдвоенного реактора. Один из них в случае КЗ способствует значительному увеличению сопротивления, а второй отключает цепь при первом прохождении тока через нуль.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: