25.2. Токоограничивающие устройства

Токоограничивающее устройство (ТОУ) — это устройство, включаемое по­следовательно в цепь. Его сопротивле­ние при рабочем токе и токе перегрузки мало, а при КЗ значительно. Токоогра­ничивающее устройство должно ограни­чивать первую полуволну тока до уров­ня, соответствующего электродинамиче­ской стойкости установленного оборудо­вания, а также последующий ток до уровня, не превышающего номинальный ток отключения выключателей, установ­ленных в сети. В большинстве случаев ТОУ не является отключающим устрой­ством.

Электротехнические организации и исследовательские институты разных стран, в том числе и СССР, разрабо­тали ТОУ различных типов. Все много­образие разработанных ТОУ можно классифицировать по принципу действия. Наиболее разработаны ТОУ следующих типов: магнитосвязанные реакторы, маг-нитоуправляемые реакторы, коммута­ционные Токоограничивающие устрой­ства, резонансные ТОУ.

Магнитосвязанные реакторы могут выполняться либо с взаимной магнит­ной связью обмоток одноименных фаз различных присоединений (сдвоенные реакторы), либо с магнитной связью обмоток разных фаз одного присоедине­ния (Токоограничивающие реакторы ну-лувой последовательности). Реакторы могут выполняться с ферромагнитными магнитопроводами. Сдвоенные реакторы нашли широкое применение в сетях 6—10 кВ. В последнее время предло­жено использовать сдвоенные реакторы, выполненные на ферромагнитных магни-топроводах, в сетях 110 — 220 кВ. Токо-ограничивающий реактор нулевой после­довательности целесообразно применять для ограничения токов однофазного КЗ в сетях 330-750 кВ.

Магнитоуправляемые реакторы вы­полняются на ферромагнитных насы­щающихся магнитопроводах, которые подмагничивают постоянным током или вдоль основного магнитного потока от переменного тока или перпендикулярно

ему, поэтому различают реакторы с продольным или поперечным подмагни-чиванием. Они могут быть выполнены большой электромагнитной мощности для использования в сетях любого на­пряжения. Так, в 1953 г. в Великобри­тании был изготовлен трехфазный реак­тор с продольным подмагничиванием мощностью 100 Мвар.

Токоограничивающий реактор с про­дольным подмагничиванием выполня­ется на трехстержневом магнитопроводе (рис. 25.1). На крайних стержнях уста­новлены встречно соединенные обмотки, включаемые в фазу сети переменного тока защищаемой цепи. Обмотка, распо­ложенная на среднем стержне, подклю­чается к источнику постоянного тока. Магнитное поле этого тока насыщает магнитопровод в такой степени, чтобы переменное магнитное поле при рабочих токах и токах перегрузки в обмотках переменного тока не выводило магнито­провод из состояния насыщения. При этом индуктивное сопротивление обмо­ток переменного тока незначительно. Ток КЗ существенно больше тока пере­грузки, поэтому он размагничивает на­сыщенный магнитопровод. При этом индуктивное сопротивление обмоток пе­ременного тока возрастает и происходит ограничение тока КЗ. Существует опти­мальное соотношение степени подмаг-ничивания магнитопровода постоянным током и области рабочих токов, обеспе­чивающее наибольший эффект токоогра-ничения (рис. 25.2) [25.1].

Коммутационные Токоограничиваю­щие устройства основаны на исполь­зовании быстродействующих синхрон­ных выключателей, которые отключают

цепь переменного тока при первом прохождении тока КЗ через нуль. Разра­ботаны также коммутационные устрой­ства — ограничители тока, которые не только отключают ток КЗ при первом прохождении его через нуль, но и искус­ственно снижают первую полуволну тока. На базе быстродействующих выключа­телей разработаны упрощенные токоог-раничивающие устройства коммута­ционного типа, которые описаны ниже. Резонансные токоограничивающие устройства (РТОУ) представляют наи­больший интерес, так как могут вы­полнять не только функции ограничения токов КЗ, но и функции устройств продольной компенсации индуктивного сопротивления сети. Типичное резонанс­ное токоограничивающее устройство мостового типа [25.3] (рис. 25.3) состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых содержит реактор с индуктив­ностью L и батарею конденсаторов С. На перемычке установлен пороговый элемент, состоящий из резистора R и разрядника FV. В нормальных условиях сопротивление порогового элемента очень высоко. При этом сопротивление РТОУ близко к нулю, так как обе ветви настроены в резонанс на частоте сети. При КЗ сопротивление порогового элемента резко уменьшается из-за нели­нейной зависимости от напряжения. При

этом сопротивление РТОУ увеличива­ется до значения где

- частота сети. Необ­ходимое сопротивление РТОУ обеспечи­вается выбором соответствующих па­раметров X и R.

На рис. 25.4 приведены осцилло­граммы испытаний РТОУ с парамет­рами X = 14 Ом и R = 7 Ом при включении в цепь с эквивалентным сопротивлением Z_эк = 0,062 +j1,86, мощ­ностью S = 300 MB∙А и U_ном = 145 кВ. Как видно из рисунка, максимальный сквозной ток уменьшается от 120 до 15 к А, а периодическая составляющая тока — от 45 до 3 кА.

РТОУ обладает неоценимым досто­инством, заключающимся в том, что токоограничение практически не зависит от мощности системы. Так, например, в рассматриваемых условиях при умень­шении сопротивления системы в 2 раза ограниченный ток КЗ увеличивается только на 1 %. Стоимость РТОУ высока (она пропорциональна мощности), а раз­меры и занимаемая площадь значи-

тельны. Такие устройства целесообразно применять при напряжении 110 кВ и выше.

В сетях 330 кВ и выше часто при­меняют устройства продольной компен­сации (УПК). С этой целью в линию включают батарею конденсаторов соот­ветствующей емкости. Если шунтиро­вать батарею низкоомным резистором R с последовательно включенным разряд­ником (рис. 25.5), то такое устройство приобретает свойства РТОУ. В нормаль­ном режиме конденсатор С компенси­рует индуктивность воздушной линии. При КЗ разрядник пробивается и кон­денсатор шунтируется. Результирующее сопротивление электропередачи увеличи­вается и ток КЗ ограничивается. Такое устройство позволяет снизить расходы на сооружение РТОУ, поскольку при этом используется конденсаторная бата­рея, предназначенная для другой цели.

Упрощенные токоограничивающие устройства. Наибольшие трудности тех­нического и экономического порядка представляет требование ограничения первой полуволны тока КЗ. Конструк­ция ТОУ может быть значительно упрощена, если отказаться от этого требования.

Предложены следующие виды упро­щенных ТОУ [25.4], в которых первая волна не ограничена:

а) устройства, состоящие из токоог-раничивающего реактора и параллельно включенного быстродействующего вы­ключателя с соответствующей релейной защитой (рис. 25.6, в). В нормальных условиях выключатель замкнут и со­противление близко к нулю. При КЗ выключатель размыкает свои контакты в течение нескольких миллисекунд и в цепь после большой полуволны тока вводится реактор, ограничивающий по-

следующий ток (см. осциллограмму). Такое устройство в дальнейшем обозна­чается РБВ (реактор, быстродействую­щий выключатель);

б) устройство, состоящее из быстро­действующего выключателя с соответ­ствующей релейной защитой (рис. 25.6, г). В нормальных условиях выключатель замкнут. При КЗ, как симметричном, так и асимметричном, он размыкает цепь при первой нуле тока. Такое устройство в дальнейшем обозначается БВ (быстродействующий выключатель).

Схемы и осциллограммы, приведен­ные на рис, 25.6, поясняют отличие уп­рощенных ТОУ от идеального ТОУ, отвечающего всем требованиям (рис. 25.6,б). Осциллограмма, приведенная на рис. 25.6, а, соответствует неограничен­ному току КЗ.

В качестве выключателей для ТОУ упрощенного вида могут быть исполь­зованы однопериодные выключатели, производство которых освоено за рубе­жом. Таким образом, для построения упрощенных ТОУ не требуются новые разработки.

Упрощенные ТОУ обладают доста­точным быстродействием, чтобы в тече-

ние одного периода ограничить ток КЗ до уровня, соответствующего номиналь-. ному току отключения выключателей. При этом быстродействии не требуется увеличивать время релейной защиты у выключателей, установленных в сети. Так как механическая нагрузка, вы­званная электродинамическими силами при КЗ, резко ограничена во времени,

потенциальная возможность поврежде­ния электрического оборудования резко уменьшена. Этот вопрос детально рас­смотрен ниже.

На рис. 25.7 показаны типичные схемы размещения ТОУ упрощенного вида в РУ станции. Устройства типа БВ могут быть использованы, в каче­стве секционных выключателей или для отключения ветвей с источниками энер­гии. Устройства типа РБВ могут быть использованы для введения в цепь реак­тора, ограничивающег.о ток КЗ.

Устройства РБВ, с реактором, огра­ничивающим ток КЗ приблизительно в 2 раза, могут быть введены в цепь без заметного снижения напряжения. Они обладают следующими преимуществами по сравнению с устройствами БВ: .

а) в установках с быстродействую­ щим АПВ при КЗ и срабатывании РБВ в цепь вводится реактор, который оста­ ется включенным в течение всего про­ цесса повторного включения. Поскольку число устойчивых КЗ составляет от 5 до 25 %, реактор существенно ограни­ чивает ток КЗ в значительном числе случаев;

б) как известно из предыдущего (см. § 10.7), включение ненагруженной линии представляет значительные трудности для. выключателя. При введении реакто­ ра с помощью. РБВ эти трудности полностью ртпадают.

Возможность и целесообразность применения упрощенных ТОУ, не огра­ничивающих первую полуволну тока КЗ, обосновывается следующими соображе­ниями (поясненными ниже):

1. исследования и опыт показывают, что первая неограниченная полуволна тока с амплитудным значением, превы­ шающим номинальный ток электродина­ мической стойкости электрооборудова­ ния в 1,6 раза, не вызывает поврежде­ ний или вызывает такие повреждения, которые не нарушают основных функций электрооборудования:

2. расчеты показывают, что вероят­ ность возникновения тяжелых КЗ, при которых возможны указанные выше повреждения, ничтожно мала (порядка 1 раза в 10 лет).

Реакция электрооборудования на пер­вую полуволну тока КЗ с амплитудой, превышающей электродинамическую стойкость в 1,6 раза

Токопроводы с жесткими проводниками:

а) частота свободных колебаний то- копроводов 110 кВ и выше весьма мала. Поэтому от момента КЗ до мо­ мента, когда отклонения проводника и головки изолятора становятся макси­ мальными, проходит значительное время (рис. 25.8). Следовательно, при продол­ жительности, уменьшенной до одной полуволны, действие тока КЗ на то- копровод будет значительно ослаблено;

б) наибольшие напряжения и дефор­ мации возможны в токопроводах с час­ тотой свободных колебаний, близкой к 100 Гц, вследствие резонанса при затянувшемся КЗ. При уменьшении про­ должительности тока до одной полу­ волны возможность резонанса исклю­ чена.

Токопроводы с гибкими проводниками:

а) частота свободных колебаний то- копроводов с гибкими проводниками настолько мала, что отклонение прово­ дов от нормального положения под действием электродинамических сил при междуфазных КЗ, ограниченных одной полуволной, весьма мало. Поэтому воз­ можность схлестывания проводов ис­ ключена;

б) в токопроводах с расщепленными проводниками при КЗ возникают элект­ родинамические силы, стремящиеся

сблизить провода в пределах каждой фазы. Тяжение проводов при этом увеличивается пропорционально расстоя­нию a₁ между ними. Однако при уве­личении расстояния между проводами значительно увеличивается и время от момента КЗ до момента наступления максимума тяжения и смыкания про­водов, как показано на рис. 25.9. По­этому увеличение тяжения под действием первой полуволны тока незначительно.

Разъединители: опыт показы­вает, что наиболее опасными являются двухфазные КЗ между соседними полю­сами. Разъединители с более высоким номинальным напряжением обладают большей электродинамической стой­костью вследствие большей инерции и больших расстояний между полюсами. Опыт также показывает, что в равных условиях электродинамическая стой­кость разъединителей заметно превы­шает стойкость выключателей.

Выключатели:

а) в баковых выключателях при отключении тока КЗ масло, разлагаю­ щееся под действием дуги, создает значительное давление на проходные изоляторы. Это давление во много раз превышает электродинамическую на­ грузку на U-образный токоведущий контур выключателя. Однако, если ток КЗ ограничивается раньше размыкания контактов сетевых выключателей, давле­ ния на изоляторы, вызванного электри­ ческой дугой, можно не опасаться;

б) способность выключателей к

включению на КЗ с посадкой на защелку должна быть обеспечена в условиях, когда ударный ток превышает электро­динамическую стойкость выключателя. Это требование обеспечивается, так как продолжительность тока уменьшена то-' коограничивающим устройством до одной полуволны;

в) наибольшую опасность для вы­ключателей представляет вибрация кон­тактов при включении. В промежутках между контактами образуется дуга, под действием которой металл плавится, и возникает опасность сваривания кон­тактов. Надежность работы контактов нуждается в дальнейшем изучении.

Трансформаторы: электроди­намическая стойкость современных трансформаторов очень высока. Они рассчитаны на работу в мощных си­стемах. Необходимость обеспечения электродинамической стойкости транс­форматоров не является препятствием к применению упрощенных ТОУ.

Вероятность возникновения тяже­лых КЗ, при которых возможны по­вреждения электрооборудования

а) Частота КЗ: частота возникно­ вения КЗ зависит от номинального напряжения сети. Чем выше напряжение, тем реже КЗ. Так, например, согласно данным статистики СССР на линиях 110 кВ с металлическими опорами число КЗ составляет 1,28 на 100 км в год. На линиях 500 кВ число КЗ составляет только 0,21 на 100 км в год.

б) Асимметрия тока КЗ: ана­ лиз осциллограмм тока КЗ показывает, что число замыканий с высокой асим-

метрией исключительно мало. Так, на­пример, КЗ с асимметрией, превышаю­щей 0,6, составляет только от 7 до 1 %. Под асимметрией здесь понимается отношение Асимметрия за-

висит от фазы включения, а также от отношения (рис. 25.10), где R

включает в себя сопротивление дуги и земли.

в) Рабочая мощность систе- м ы: значительную часть времени в году часть генераторов отключена. Следова­ тельно, в течение этого времени ток КЗ не достигает расчетного значения.

г) Использование выключа­ телей: эксплуатационный опыт пока­ зывает, что в течение большей части времени (98 %) выключатели включены. Они подлежат отключению только при ремонте оборудования, что составляет 2 % всего времени. Отсюда следует, что в РУ, выполненных по кольцевым схемам, в подавляющем числе случаев через выключатель проходит только по­ ловина тока КЗ.

Упрощенные ТОУ, описанные выше, следует рассматривать как попытку практического решения задачи ограни­чения токов КЗ в электрических сетях. Однако эти устройства в настоящее время еще не реализованы.