Токоограничивающие устройства. 
Электроэнергетические системы и сети. 
Токи короткого замыкания

К токоограничивающим устройствам предъявляются следующие основные требования:

• • не оказывать существенного влияния на нормальный режим работы сети;
• • иметь стабильные характеристики при изменении схемы сети;
• • поддерживать на возможно высоком уровне напряжение в узлах сети;
• • уменьшать, по возможности, сброс активной нагрузки генераторов электростанций;
• • обеспечивать в аварийном режиме условия, необходимые для действия чувствительной релейной защиты;
• • не вносить существенных нелинейных искажений в параметры режима сети, особенно при нормальном режиме работы.

Параметры токоограничивающих устройств при I < /_гр, где /_гр — граничный ток, при котором токоограничивающее устройство должно вступить в действие, должны удовлетворять следующим условиям:

Наиболее распространенными токоограничивающими устройствами являются токоограничивающие реакторы, которые при различном конструктивном исполнении и параметрах имеют следующую классификацию.

Реакторы с линейной характеристикой включаются последовательно в соответствующую линию по следующим основным схемам (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Схемы включения реакторов:

а — линейного; б — группового; в — секционного; г — сдвоенного Токоограничивающее действие линейного реактора характеризуется его сопротивлением, которое определяется формулами (4.48), (4.49). Эффект ограничения тока I_R < 1_К и поддержания остаточного напряжения на шинах Uo_CT>U_OCI при коротком замыкании за реактором иллюстрируется на рис. 17.7. С учетом этого обстоятельства в режиме короткого замыкания целесообразно иметь возможно большее значение индуктивного сопротивления реактора x_LR.

Рис. 17.7. Ток короткого замыкания и напряжение на шинах при отсутствии (а) и при наличии (б) реактора При нормальном режиме работы электроустановки в реакторе имеют место потери активной АР_{1Ян (т} ^и реактивной AQ, _Rhom мощности, потери энергии AW_LRhom, а также падение AU_LRhom и потеря П_ш ост напряжения. Применительно к схеме (рис. 17.8, а) справедливы следующие соотношения:

где x — время использования максимума потерь.

Рис. 17.8. Условия работы линейного реактора:

а — поясняющая схема; б — векторная диаграмма На векторной диаграмме (рис. 17.8, б) показаны: U_ifi — вектор фазного напряжения после реактора; |/ — угол дополнительного сдвига фаз, определяемый сопротивлением реактора x_LR в цепи короткого замыкания. Вектор jx_LRI, соответствующий отрезку АС, представляет падение напряжения в индуктивном сопротивлении реактора:

или в долях от номинального фазного напряжения сети.

Алгебраическая разность напряжений до реактора и после него (отрезок АВ) соответствует потере напряжения в реакторе. Опустив из точки С перпендикуляр на продолжение вектора U_iR в точку D и пренебрегая незначительной величиной отрезка DB, можно считать потерей напряжения отрезок AD. Из треугольника ACD с учетом формулы (17.2) выводится приближенное выражение потери напряжения в реакторе при протекании по нему тока 1 и заданном значении ср:

где U_H0M — номинальное напряжение установки, где используется данный реактор.

Допустимая потеря напряжения в линейном реакторе обычно не превышает 1,5—2%.

При прохождении по реактору тока короткого замыкания, превышающего его номинальный ток в 10—20 раз, падение напряжения в реакторе увеличивается во столько же раз, поскольку реакторы не имеют стального сердечника и пропорциональность падения напряжения току в них сохраняется во всем диапазоне проходящих токов. Так как ток короткого замыкания практически чисто индуктивный, падение напряжения можно считать равным потере напряжения (ф = 90° и вшф = 1). Эта величина называется остаточным напряжением на сборных шинах перед реактором, которое в целях обеспечения бесперебойности работы потребителей 6—10 кВ должно составлять не менее 70—65% U_H0M.

Таким образом, линейные реакторы имеют двойное назначение:

• 1) снижение токов короткого замыкания в распределительной сети, что позволяет потребителям устанавливать более легкие и дешевые коммутационные аппараты;
• 2) обеспечение остаточного напряжения на сборных шинах достаточного для надежной работы потребителей.

Секционные реакторы (рис. 17.6, в) ограничивают ток короткого замыкания на сборных шинах. По сравнению с линейными реакторами они оказывают меньшее токоограничивающее действие, которое зависит от соотношения сопротивления реактора и обобщенных сопротивлений питающих ветвей.

При условии равенства эквивалентных ЭДС обобщенных систем с обеих сторон реактора отношение тока короткого замыкания на шинах при наличии секционного реактора Qklr) и наибольшего тока короткого замыкания в той же точке при его отсутствии (7_К тах) составляет.

В отличие от линейных для секционных реакторов характерны небольшие потери мощности, энергии и напряжения в нормальном режиме работы электроустановки.

Схема включения сдвоенного реактора и схема замещения приведены на рис. 4.7 и 17.6, г. Ветви сдвоенного реактора выполняют на одинаковый номинальный ток /_ном, а средний вывод — на удвоенный номинальный ток ветви 2/_ном. За номинальное сопротивление сдвоенного реактора принимают сопротивление ветви обмотки при отсутствии тока в другой ветви, по аналогии с формулами (4.46) — (4.49). Но при равенстве индуктивностей 1_1в = 1_2в и, соответственно, сопротивлений каждой ветви сдвоенного реактора х_1в = х_2в ^его общее сопротивление x'_LR Ф 2х_1в, поскольку особенности режимов его работы определяются наличием магнитной связи М (взаимоиндукции) между ветвями каждой фазы.

Отношение М к L называют коэффициентом связи:

Сдвоенные реакторы могут работать в сквозном, или двухцепном, режиме (рис. 17.9, а), продольном (рис. 17.9, б), одноцепном (рис. 17.9, в) и продольно-одноцепном, или комбинированном (рис. 17.9, г — е).

Рис. 17.9. Режимы работы сдвоенных реакторов.

Преимуществом сдвоенного реактора является то, что в зависимости от направления токов в обмотках индуктивное сопротивление его может изменяться. Это свойство используется для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме и ограничения токов при коротких замыканиях.

Подключение источника к средней точке сдвоенного реактора определяет сквозной, или двухцепный, режим (см. рис. 17.6, г, 17.9, а). С учетом взаимной индуктивности падения напряжения в ветвях.

Отсюда очевидно, что за счет взаимной индуктивности падение напряжения в сдвоенном реакторе меньше, чем в обычном с таким же индуктивным сопротивлением.

При равномерной загрузке ветвей (/] =1₂ = 1)

или в долях от номинального фазного напряжения сети.

При К_св = 0,5 падение напряжения в сдвоенном реакторе вдвое меньше по сравнению с обычным реактором с тем же сопротивлением и тем же номинальным током. Поэтому сдвоенные реакторы обладают лучшими характеристиками в отношении потерь напряжения и реактивной мощности в нормальном режиме, без снижения токоограничивающей способности при коротком замыкании. Сопротивление сдвоенного реактора в этом режиме при равенстве 1_г = 1₂

При согласном направлении токов в ветвях сдвоенного реактора рассматривается продольный режим (см. рис. 17.9, б). Падение напряжения в реакторе определится как.

или в долях от номинального фазного напряжения сети.

Сопротивление сдвоенного реактора в этом режиме относительно велико и при jК_св = 0,5.

При загрузке только одной ветви сдвоенного реактора режим называют одноцепным (см. рис. 17.9, е). Падение напряжения в нем равно падению напряжения в линейном реакторе с тем же номинальным сопротивлением и определяется выражениями (17.3), (17.4). Сопротивление реактора определяется как.

При продольно-одноцепном, или комбинированном, режиме работы сдвоенного реактора (см. рис. 17.9, г — е) источники питания, как и точки короткого замыкания, могут находиться со стороны каждой ветви реактора. Если короткое замыкание происходит со стороны ветви системы (см. рис. 17.9, г), то результирующее сопротивление реактора.

Если короткое замыкание происходит со стороны ветви 1 (см. рис. 17.6, б) или 2 (см. рис. 17.6, е), то при x_z >K_CBx_LR

а при x_s < K_CBx_LR

где Ху — эквивалентное сопротивление системы до точки подключения сдвоенного реактора.

К недостаткам сдвоенных реакторов следует отнести возможность повышения напряжения на слабо загруженной ветви при работе в одноцепном и сквозном режимах. Напряжение на слабо нагруженной ветви за счет магнитной связи ветвей обмотки реактора содержит составляющую ЭДС, которая индуцируется током короткого замыкания загруженной ветви:

В нормальном режиме, когда ток невелик, Е_м мало заметно. При коротком замыкании в ветви 1 напряжение у зажима 2 (см. рис. 17.9, а, в) может превышать номинальное напряжение сети:

где U_CK — напряжение со стороны среднего зажима сдвоенного реактора при коротком замыкании.

В долях от номинального фазного напряжения сети.

Пример 17.1.

При работе сдвоенного реактора в одноцепном режиме и коротком замыкании на зажиме ветви 1 (см. рис. 17.9, в), определить напряжение на зажиме 2 второй ветви при следующих параметрах: x_iR = 0,4 Ом; эквивалентное сопротивление системы х_с = 0,05 Ом; К_св = 0,5; 1/_ном = 10 кВ.

Решение. Ток короткого замыкания:

По формулам (17.17), (17.18) получаем:

Реакторы с нелинейной характеристикой. К этой группе относятся насыщающиеся и управляемые реакторы.

Насыщающийся реактор — неуправляемый реактор со сталью, с нелинейной характеристикой, которая определяется насыщением магнитопровода полем обмотки переменного тока. Эквивалентное сопротивление его растет с увеличением тока, что и используется в качестве токоограничивающего эффекта.

Управляемый реактор — это регулируемая индуктивность. В управляемых реакторах со стальным сердечником изменение сопротивления происходит путем подмагничивания магнитопровода полем постоянного (выпрямленного) тока. В нормальном режиме сопротивление реактора с сердечником снижается за счет подмагничивания. Степень снижения сопротивления реактора (при номинальных токах в обмотке переменного и соответствующем токе подмагничивания в обмотке постоянного токах x_LRh) по сравнению с его сопротивлением в режиме без подмагничивания x_LR характеризуется коэффициентом регулирования.

При коротком замыкании сопротивление реактора увеличивается до x_LRk3 и степень его увеличения характеризуется коэффициентом токоограничения.

В управляемых реакторах без сердечника изменение индуктивности обеспечивается за счет изменения объема, занятого магнитным потоком. С этой целью внутри первой (основной) обмотки устанавливается вторая (обмотка управления), включенная на какой-либо ключ. При разомкнутом ключе ток в обмотке управления отсутствует и реактор работает как неуправляемый. При замкнутой накоротко обмотке управления индуктируемый в ней ток препятствует проникновению магнитного потока в область, ею ограниченную, что приводит к уменьшению эффективного сечения магнитного потока и индуктивного сопротивления реактора. Отношение индуктивностей при разомкнутой L и замкнутой L_min

обмотке управления может быть доведено до-= 2,5 + 4.

^min.

Пример 17.2.

Предполагается установить реактор с относительным сопротивлением х = 5% и номинальным током /_ном = 2 кА в сети Н_ном = 10 кВ при токе корот;

кого замыкания 1_К= 10 кА. Эквивалентное сопротивление до места установки реактора х_с = 0,24 Ом.

Решение. Сопротивление реактора при номинальных параметрах.

При наличии реактора ток короткого замыкания равен.

откуда необходимое сопротивление x_LRyCT устанавливаемого реактора должно быть.

Это сопротивление в ^LRycT = =2,5 раза больше допустимого сопро;

x_LR 0,144.

тивления реактора в нормальном режиме. В подобных случаях целесообразно применение управляемого реактора без магнитного сердечника.

Трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения также широко применяются для снижения токов короткого замыкания. Они используются в качестве повышающих для формирования укрупненных блоков электростанций (особенно ГЭС) и понижающих — на подстанциях энергосистем и промышленных предприятий, а также в системе собственных нужд крупных электростанций. Характерные схемы замещения таких трансформаторов приведены на рис. 4.4—4.6, а основные выражения для расчета сопротивлений обмоток представлены формулами (4.36)—(4.43).

Токоограничивающие коммутационные аппараты уменьшают ударный ток короткого замыкания, т. е. являются аппаратами безынерционного действия. К ним относятся токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия.

Токоограничивающие предохранители изготавливаются на напряжение 3—35 кВ, отличаются простотой конструкции и относительно небольшой стоимостью. Однако у них имеются и недостатки: одноразовое действие, плохая совместимость с устройствами РЗ и А, нестабильность токовременных характеристик, ограниченная зона использования, пониженная надежность. Поэтому они используются в системах электроснабжения неответственных потребителей.

Ограничители ударного тока взрывного действия (ОУТ) представляют собой сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты одноразового действия. Сигнал на взрыв вмонтированного в герметизированный токонесущий проводник пиропатрона подается от внешнего управляющего устройства, получающего информацию о коротком замыкании от измерительного органа, фиксирующего величину тока короткого замыкания и его производную. Полное время отключения цепи составляет примерно 5 мс, т. е. 0,25 периода промышленной частоты. Область использования ограничителей весьма широка:

• • шунтирование реакторов в нормальных рабочих режимах с целью уменьшения потерь мощности и напряжения (рис. 17.10, а, б);
• • осуществление параллельной работы в схемах коммутации с электрооборудованием, обладающим недостаточной стойкостью по параметрам режима короткого замыкания (рис. 17.10, в);

зоз.

• • построение схем питания особо ответственных потребителей, не допускающих перерывов электроснабжения (рис. 17.10, г);
• • автоматическое деление сети (рис. 17.10, 0);
• • разземление нейтрали силового трансформатора при больших токах замыкания на землю (рис. 17.10, е);
• • размыкание третичной обмотки автотрансформатора при возникновении в прилегающих сетях больших токов замыкания на землю (рис. 17.10, ж).

Рис. 17.10. Схемы включения ограничителей ударного тока

Кроме того, известны и другие перспективные токоограничивающие устройства:

• • резонансные, основанные на использовании эффекта резонанса напряжения при рабочих режимах работы соответствующей цепи и расстройки его при аварийных режимах (рис. 17.11, а);
• • трансформаторного типа, основным элементом которого является трансформатор последовательного включения, во вторичную цепь которого включено то или иное нелинейное сопротивление (НС) (рис. 17.11, б);
• • реакторно-вентильного типа, когда используется комбинация реакторов и управляемых вентилей (рис. 17.11, в);
• • вставки постоянного и переменного тока непромышленной частоты (см. рис. 16.2);
• • сверхпроводниковые с включением сверхпроводящих элементов в цепь секционного (шиносоединительного) выключателя.

Рис. 17.11. Возможные схемы включения токоограничивающих устройств