Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Токоограничивающие устройства в электроэнергетике 13
1.1. Токоограничивающие устройства со сверхпроводниками 13
1.2. Токоограничивающие устройства с магнитными элементами 15
1.3. Токоограничивающие устройства с резистором РТС 16
1.4. Токоограничивающие устройства с запираемыми тиристорами 17
1.5. Резонансные токоограничивающие устройства 18
1.6. Токоограничивающее устройство с регулируемым сопротивлением 19
1.7. Смешанные токоограничивающие устройства 20
1.8. Токоограничивающие устройства трансформаторного типа 21
1.9. Вставки постоянного тока и переменного тока непромышленной частоты 22
1.10. Тиристорное токоограничивающее устройство Института Энергетической Электроники отдела электроэнергетических проблем РАН 24
Глава 2. Токоограничивающее устройство на основе управляемого искровым промежутком реактора трансформаторного типа 26
2.1. Классификация токоограничивающих устройств резонансного типа 26
2.2. Устройство и принцип действия ТОУ на основе УИПРТ 28
2.3. Динамический процесс в интервале между моментами к.з. линии и пробоя разрядника УИПРТ 30
2.4. Динамические процессы в линии передачи после пробоя ИП разрядника КТОУ в результате к.з. в линии 35
2.5. Оценка габаритов конденсатора для токоограничителя квазирезонансного типа 47
2.6. Приближенный расчет сопротивления аварийного короткого замыкания трансформатора 48
2.7. Определение параметров КТОУ по заданной степени ограничения тока к.з. в линии 53
Глава 3. Магнитное поле и схема замещения управляемого искровым промежутком реактора трансформаторного типа при коротком замыкании линии 65
3.1. Режимы работы УИПРТ 65
3.2. Непригодность Т-образной схемы замещения трансформатора для расчета аварийных режимов 66
3.3. Описание установки для исследования магнитного поля в двухстержне- вом трансформаторе 68
3.4. Наблюдение антипотока в стержне двухстержневого трансформатора 72
3.5. Наблюдение сверхпотока в стержне двухстержневого трансформатора 74
3.6. Антипотоки и сверхпотоки в двухобмоточном трансформаторе броневого типа 75
3.7. 2Т-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора для установившегося режима 79
3.8. Динамические 2Т-образные схемы замещения трансформатора при сверхнапряжениях сети 82
3.9. Расчет магнитных потоков по 2Т-образной схеме замещения сверхвозбужденного трансформатора при к.з 87
3.10. Распределение магнитных потоков и расчет электродинамических сил, действующих на слои обмоток в УИПРТ при установившемся режиме к.з 90
3.11. Расчет внезапного к.з. в линии передачи с использованием сверхвозбужденных 2Т-образных схем замещения УИПРТ 93
3.12. Расчет внезапного к.з. в линии передачи с использованием полусверх- возбужденных 2Т-образных схем замещения УИПРТ 101
3.13. Сравнение кривых для тока внезапного к.з., полученных с помощью различных моделей УИПРТ 105
3.15.Тепловые потери в УИПРТ 107
Глава 4. Квазиферрорезонансное токоограничивающее устройство с неуправляемым реактором 112
4.1. Устройство и принцип действия квазиферрорезонансного токоогра- ничивающего устройства (КФТОУ) с неуправляемым реактором 112
4.2. Динамические схемы замещения неуправляемого реактора при сверхнапряжениях сети 114
4.3. Определение конструктивных параметров реактора КФТОУ 117
4.3. Распределение магнитных потоков и расчет электродинамических сил, действующих на слои обмоток в реакторе при установившемся режиме к.з 119
4.5. Уравнения состояния линии с КФТОУ при внезапном к.з 121
4.6. Тепловые потери в неуправляемом реакторе КФТОУ 123
4.7. О невозможности создания физической модели для ТОУ в лабораторных условиях вуза 126
4.8. Выводы по главе 4 128
Заключение 129
Список литературы 131
Приложение 147
- Токоограничивающие устройства с магнитными элементами
- Динамический процесс в интервале между моментами к.з. линии и пробоя разрядника УИПРТ
- Определение параметров КТОУ по заданной степени ограничения тока к.з. в линии
- Наблюдение антипотока в стержне двухстержневого трансформатора
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Возрастающее потребление электроэнергии во всем мире приводит к увеличению мощности короткого замыкания (к.з.) в электрических сетях, что неизбежно приводит к возрастанию токов короткого замыкания (т.к.з.) при аварии линии передачи. Это ухудшает условия работы электротехнического оборудования в аварийных режимах [17, 19, 22-24, 28, 37, 38, 42, 43, 49, 50, 77]. Ток короткого замыкания в электрических сетях является одним из определяющих параметров при выборе оборудования подстанций и линий электропередачи [46]. Чем больше значение этого тока, тем более высокую отключающую способность должны иметь выключатели, тяжелее конструкцию ошиновки, опорных изоляторов и разъединителей, жестче требования* по термической устойчивости кабельных линий [11, 48, 51, 53, 55, 56; 58, 66, 78, 84, 85]. Поэтому по мере развития энергосистем большое внимание уделяется; ограничению токов короткого замыкания; Ограничение т.к.з. является актуальной задачей и с точки зрения повышения устойчивости работы энергосистемы в целом; Общие требования к токоограничивающим устройствам (ТОУ), помимо ограничения тока к.з., также включают [55]:
ограничение во времени продолжительности протекания тока к.з.;
не оказывать существенного влияния нанормальный режим работы сети;
обеспечить в аварийном режиме условия, необходимые для действия релейной защиты сети;
иметь стабильные характеристики при изменении схемы сети;
в идеальном случае при к.з. сопротивление ТОУ должно быть равно Хнагр, предшествующему к.з.
Для удовлетворения перечисленных выше общих требований и условий токоограничивающее устройство должно обладать нелинейной характеристикой. Помимо использования ТОУ со сверхпроводящими элементами, требующими специального криогенного оборудования и вставок постоянного и переменного тока непромышленной частоты, также весьма высокой стоимости, в общем случае решение этой задачи возможно следующими путями [81]:
повышение быстродействия традиционной коммутационной аппаратуры;
создание и использование новых сверхбыстродействующих коммутационных аппаратов, способных безынерционно, т.е. в течение первого полупериода, ограничить и отключить ток к.з [64, 75, 83, 86];
использование безынерционных и инерционных токоограничивающих устройств.
Наибольшее ограничение тока к.з. достигается при использовании второго пути [97, 99-104, 135-138], однако такое решение задачи в настоящее время сдерживается либо отсутствием указанных устройств с необходимыми параметрами и эксплуатационными характеристиками, либо их высокой стоимостью. При использовании синхронизирования или тиристорных выключателей (отключение тока при переходе через нуль) не ограничивается ударный ток [52], хотя это и позволяет снизить термическое действие тока к.з. на электротехнические оборудования. В настоящее время пристальным вниманием пользуются безынерционные токоограничивающие устройства, такие как резонансные ТОУ (РТОУ) и квазирезонансные ТОУ (КТОУ), наиболее дешевые по стоимости, некоторые из которых не содержат коммутационные аппаратуры. При этом происходит ограничение ударного тока к.з. В настоящее время известно более 100 вариантов и модификаций (РТОУ), отличающееся по составу элементов. Из них наиболее простым по конструкции является безынерционное РТОУ, разработанное Александровым Г.Н., в котором используется управляемый искровым промежутком реактор трансформаторного типа (УИПРТ) [1, 5, 7]. В основе лежит идея резкого изменения сопротивления РТОУ в результате пробоя искрового промежутка во вторичной обмотке УИПРТ, возникающего из-за резкого повышения напряжения на трансформаторе РТОУ при внезапном к.з. в линии. Диссертация посвящена исследованию как этого типа ТОУ, так и его модификациям с целью оптимизации конструкции этих устройств. При этом учтено, что, независимо от типа и конструкции РТОУ и КТОУ, все они при к.з. линии попадают под повышенное напряжение, на порядок превышающее их напряжение при нормальном режиме работы линии. Из сказанных следует, что рассмотренные в диссертации вопросы, связанные с разработкой КТОУ и созданием общей методики исследования переходных процессов в линиях передачи с такими ТОУ при внезапных к.з., имеют большую актуальность и значение для защиты линий электропередач и электротехнического оборудования.
Целью работы разработка и оптимизация параметров квазирезонансных токоограничивагощих устройств для защиты линий электропередач высоких классов напряжения от токов внезапного к.з. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
исследование особенностей распределения магнитного поля в УИПРТ и разработка его схем замещения;
уточнение динамических процессов в линиях при наличии в ней КТОУ, содержащих УИПРТ, и оптимизация параметров УИПРТ;
исследование динамических процессов в линии, содержащей квазифер- рорезонансное токоограничивающее устройство (КФТОУ);
создание методики проектирования и оптимизации параметров неуправляемого реактора КФТОУ; сравнение КФТОУ с КТОУ других типов.
Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы методы теории электрических и магнитных цепей, в том числе метод переменных состояния, теория магнитоэлектрических схем замещения, математическое моделирование и имитационное моделирование.
Научная новизна:
представлены физические особенности процессов в КТОУ с УИПРТ на всех этапах внезапного к.з. в линии, включая этап от момента к.з. до момента пробоя искрового промежутка и время после его пробоя до отключения линии силовым выключателем; разработаны схемы замещения УИПРТ, позволяющие учитывать сверхнасыщение (глубокое насыщение при р, |!0) отдельных участков его магнитопровода при возникновении
на УИПРТ сверхнапряжений (напряжений, на порядок превышающих номинальное) при внезапных к.з. в линиях электропередач;
разработаны устройство и схема замещения неуправляемого реактора КФТОУ, учитывающая степень глубокого насыщения его магнитопрово- да при сверхнапряжениях, вызванных внезапным к.з. в линии электропередач.
Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается физической и математической корректностью постановки задачи и методами их решения на основе теоретических основ электротехники и теории электрических аппаратов. Ряд научных положений и выводов подтвержден экспериментальными исследованиями на установках, созданных в ходе работы над диссертацией, послуживших основой для создания схем замещения УИПРТ и неуправляемого реактора КФТОУ.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработан метод исследования переходных процессов при внезапном к.з. в линии при наличии в ней КТОУ с УИПРТ с учетом реального порядка сложности системы;
представлена методика оптимизации параметров УИПРТ;
созданы реальные макеты по наблюдению явлений возникновения сверхпотоков (т.е. потоков, превышающих поток холостого хода (х.х.)) и антипотоков (т.е. потоков, имеющих направление, противоположенное потоку х.х.) в трансформаторах в режиме к.з.; представлены геометрические параметры этих макетов, что делает доступным создание их про]
тотипов в обычной лаборатории по теории цепей в университетах; представленные результаты экспериментов ставят вопрос.о создании кор' ректных схем замещения трансформатора, учитывающих перечисленные явления в режиме к.з. одной из его обмоток;
созданы основы общей методики проектирования и оптимизации параметров КФТОУ.
Реализация результатов работы: Представлены методика и комплекс
программ для расчета динамических процессов при внезапных к.з. в линиях, содержащих резонансные или квазирезонансные ТОУ. На основе созданных экспериментальных установок подготовлены лабораторные работы по наблюдению явлений возникновения сверх- и антипотоков в трансформаторах на кафедре ТОЭ СПбГПУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика и алгоритм анализа переходных процессов в сетях с квазирезонансным токоограничивающим устройством, содержащим УИПРТ;
оптимизация конструкции УИПРТ по массогабаритным параметрам реактора;
созданная при участии автора лабораторная база, состоящая из макетов двухобмоточных трансформаторов броневого типа для наблюдения анти- и сверхпотоков при к.з. одной из его обмоток;
схемные модели трансформаторов при сверхнасыщенном состоянии их магнитопроводов, использованные при разработке схем замещения УИПРТ и реактора КФТОУ;
методика оптимизации конструкции КФТОУ и алгоритм анализа переходных процессов при внезапных к.з. в линии с КФТОУ.
Апробация работы: основные результаты работы докладывались на XVI Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки», февр. 2009 г.; на XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы: «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», май, 2009г, а также на заседаниях кафедр «Электрические и электронные аппараты» (2008 г.), «Электрические системы и сети» (2009 г.) и «Теоретические основы электротехники» (2009 г.).
Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них две статьи опубликованы в издании «Научно-технические ведомости СПбГПУ», входящем в Перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертационных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Работа изложена на 165 страницах печатного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, который насчитывает 150 наименований, и 5 приложений. Работа содержит 10 таблиц и 55 рисунок.
Сокращения, принятые в работе
ИП - искровой промежуток; КТОУ - квазирезонансное токоограничивающее устройство; КФТОУ - квазиферрорезонапсное токоограничивающее устройство; ОУ - обмотка управления; РТОУ - токоограничивающее устройство резонансного типа; СО - сетевая обмотка; ТОУ - токоограничивающее устройство; УИПРТ - управляемый искровым промежутком реактор трансформаторного типа;
УС - уравнения состояния;
Обозначения
Ьс - эквивалентная индуктивность линии; Яс - эквивалентное активное сопротивление линии; ЬР - эквивалентное индуктивное сопротивление реактора в устано- вившемся режиме к.з. линии; г - активное сопротивление реактора;
ит - амплитуда фазного напряжения линии; С - емкость конденсаторной батареи; Х^ - эквивалентное реактивное сопротивление ТОУ при нормальном режиме линии;
Хгоу - эквивалентное реактивное сопротивление ТОУ при к.з. в линии; ^соар ~ эквивалентное индуктивное сопротивление трансформатора УИПРТ со стороны СО в режиме к.з. линии; /р - ток в реакторе; /со - ток в сетевой обмотке УИПРТ;
Т^мвар - амплитуда установившегося тока к.з. линии при наличии ТОУ; Iп - амплитуда установившегося тока к.з. линии при отсутствии ТОУ; I'*2 - амплитуда установившегося тока к.з. до пробоя ИП; ыра6 - напряжения срабатывания КТОУ;
Р - степень ограничения тока к.з. в установившемся режиме; коэффициент ограничения ударного тока;
всплеск напряжения на ТОУ при внезапном к.з. линии; коэффициент срабатывания;
степень продольной компенсации индуктивности линии; отношение между реактивными сопротивлениями конденсатора и реактора;
,огр
наиб
ас аР
крит
критерий оптимизации для выбора параметров КТОУ;
\]/м - начальная фаза напряжения в момент к.з. линии; ^ - момент пробоя разрядника;
магнитная проницаемость воздуха;
Х^ - индуктивное сопротивление к.з. трансформатора без сердечника; ^ - число витков СО УИПРТ; уу2 - число витков ОУ УИПРТ;
расход активных материалов;
Оп - средний диаметр зазора между обмотками УИПРТ;
б ,-е - площадь сечения стержня;
/ст - длина пути магнитного потока в реакторе;
J^ъгp - допустимая плотность тока в СО и ОУ при к.з. в линии. 5пр0В - площадь сечения обмотки; коб - высота обмотки; ах - толщина СО; а2 - толщина ОУ;
кт - коэффициент изоляции обмоток; кзап - коэффициент заполнения обмоток; К3 - коэффициент заполнения круга стержня; К* - коэффициент добавочных потерь; кв - весовой коэффициент;
Ф0 - поток в режиме холостого хода трансформатора; ^кзвнеш _ коэффИцИент магнитного состояния стержня при к.з. внешней обмотки;
^кзвиут _ коэффициент магнитного состояния стержня при к.з. внутренней обмотки;
^кзвнеш _ коэффИцИент магнитного состояния бокового ярма при к.з. внешней обмотки;
^кзвнут _ коэффИцИент магнитного состояния бокового ярма при к.з. внутренней обмотки;
Осждоп - допустимое сжимающее механическое напряжение для меди; Орасх д0„ - допустимое растягивающее механическое напряжение для меди; с - удельная теплоемкость меди; т - масса меди; А0 - превышение температуры меди;
УСТРОЙСТВА
Токоограничивающие устройства с магнитными элементами
Токоограничивающие устройства с магнитными элементами Принципиальная схема токоограничивающего устройства насыщающегося типа называют также токоограничивающим устройством насыщающегося типа. Это устройство состоит из магнитопроводов, первичной и вторичной обмотки, внешнего источника постоянного тока DC. С помощью постоянного тока можно обеспечить насыщение магнитопроводов при нормальном режиме линии. Таким образом, реактор будет иметь малое сопротивление в нормальном режиме сети и не влиять на систему. При возникновении тока к.з., магнитопроводы реакторов периодически теряют насыщение, что приводит к повышению индуктивного сопротивления каждого реактора в соответствующем периоде, что и приводит к ограничению тока к.з. Недостатком ТОУ такого типа является то, что в обмотках постоянного тока будет индуктироваться ЭДС переменного тока. Однако, если мощность к.з. мала, то цепь постоянного тока может быть заменена постоянным магнитом [119, 125, 126, 131]. Очевидно для большой мощности к.з. создать такое ТОУ невозможно.
Резистор с положительным температурным коэффициентом {positive temperature coefficient (РТС)) представляет собой резистор с нелинейной характеристикой. При низкой температуре он имеет низкое сопротивление, а при повышении температуры до определенного значения, его сопротивление резко увеличивается. Можно воспользовать эту характеристику для создания токоо- граничивающих устройств. Токоограничивающие устройства с резистором РТС [114, 124] сделано из активного проводящего вещества металлического или неметаллического проводящего композита. В нормальном режиме сети сопротивление ТОУ очень мало, напряжение на ТОУ тоже мало, потери в нем небольшие, поэтому специально мероприятий теплоотвода от ТОУ не требуется. Тепловой баланс реализован теплопередачей, конвекцией и излучением в воздух. А когда произойдет к.з. в сети, ток увеличивается до критического значения, приводящего к резкому повышению сопротивления резистора РТС в течение порядка микросекунды и ограничению тока к.з. в сети. Эти устройства имеют применение в американских военных кораблях.
Однако при увеличении температуры сопротивление ТОУ увеличивается до миллиона кратностей сопротивления в нормальном режиме сети. При ограничении тока к.з. в сети с индуктивной нагрузкой возникает большое напряжение на ТОУ. Поэтому необходимо параллельно ТОУ установить дополнительное устройство ограничения повышения напряжения. Кроме того, поскольку в процессе ограничения тока к.з. объем резистора РТС будет расширяться, необходимо предусмотреть специальное закрепление, которое имеет достаточные тепловую и механическую прочность. Так как у каждого резистора РТС номинальные параметры небольшие (несколько сотен вольт и ампер), то для создания требуемого ТОУ необходимо последовательно подключить нескольких таких резисторов, что ограничивает применение резистора РТС в высоковольтных системах. Следует иметь в виду, после отключения тока к.з. резистор РТС восстанавливается в нормальное состояние, на что требуется несколько минут, и следовательно при таком ТОУ не могут быть реализовано АПВ. Кроме того необходима замена резистора РТС после несколько раз его использования из-за нарушения качества материала.
Динамический процесс в интервале между моментами к.з. линии и пробоя разрядника УИПРТ
При наличии вставки постоянного тока (рис. 1.9,а) 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 тока. Но использование этой вставки ограничивается их технико-экономическими характеристиками и эксплуатационной надежностью.
Вставки переменного тока непромышленной частоты (рис. 1.9,6) предназначены для связи узлов сетей промышленной частоты. При коротком замыкании в точке К1 ток в месте короткого замыкания определяется только параметрами системы С1, а при коротком замыкании в точке К2 - только параме1рами системы С2. Вставки непромышленной частоты в принципе более экономично за счет того, что стоимости ферромагнитных преобразователей частоты ниже стоимости выпрямительных и инверторпых подстанций.
В России в Институте Энергетической Электроники отдела электроэнергетических проблем РАН разработали тиристорное токоограничивающее устройство, принцип которого основан на эффекте гибридного контакт- по-бесконтактного коммутационного аппарата. Включение ТОУ при возникновении в сети 6кВ короткого замыкания обеспечивает автоматическое снижение апериодической ударной волны тока КЗ по неисправному присоединению. Отключение ТОУ происходит после отключения МВ неисправного присоединения. Установка ТОУ на подстанциях позволяет увеличить коммутационную способность существующих электромеханических выключателей и повысить надежность работы систем электроснабжения. Его микроконтроллерная система управления ТОУ выполняет следующие функции [75]: 1. автоматическое включение ТОУ спустя 0,02 секунды после возникновения короткого замыкания на одном из присоединений подстанции; 2. автоматическая подача команды на отключение выключателя неисправного присоединения после включения ТОУ; 3. автоматическое отключение ТОУ после ликвидации аварийного режима короткого замыкания.
Но применение такого устройства в более мощной сети ограничено большой себестоимостью от потребления затраты для многочисленных тиристоров, причем в нем дополнительно внедрена система управления, которая осложняет режим работы ТОУ и повышает себестоимость на ограничение тока к.з.
Поиск новых типов и конструкций более надежных и более дешевых по стоимости ТОУ продолжается и в настоящее время. В связи с этим особый интерес представляют ТОУ резонансного типа, отличающиеся простотой конструкции, причем некоторые из них не содержат коммутирующих элементов. Последние находятся в центре внимания последующих глав диссертации. Во второй и третьей главах рассматривается квазирезонансное токоограничивающее устройство (КТОУ) на основе управляемого искровым промежутком реактора трансформаторного типа (УИПРТ), рассмотренного ранее в работе Г.Н. Александрова и C.B. Смоловика [7], с целью уточнения характера динамических процессов при аварии в линии. Необходимость уточнения вызвана тремя причинами: 1) процессы в линии с КТОУ на основе УИПРТ описываются дифференциальным уравнением 3-го порядка (а не 2-го, как было принято на первом этапе исследования в [7]); 2) возможностью использования более точных моделей трансформатора УИПРТ при сверхнапряжениях, под которые попадает все устройство КТОУ при внезапном к.з.; 3) важностью выяснения связей между параметрами КТОУ и физическими процессами в УИПРТ при к.з.
Последнее сыграло важную роль в разработке еще более простой конструкции КТОУ с неуправляемым (сильно насыщающимся при к.з.) реактором, которому посвящена
Определение параметров КТОУ по заданной степени ограничения тока к.з. в линии
Возрастающее потребление электроэнергии во всем мире приводит к увеличению мощности короткого замыкания (к.з.) в электрических сетях, что неизбежно приводит к возрастанию токов короткого замыкания (т.к.з.) при аварии линии передачи. Это ухудшает условия работы электротехнического оборудования в аварийных режимах [17, 19, 22-24, 28, 37, 38, 42, 43, 49, 50, 77]. Ток короткого замыкания в электрических сетях является одним из определяющих параметров при выборе оборудования подстанций и линий электропередачи [46]. Чем больше значение этого тока, тем более высокую отключающую способность должны иметь выключатели, тяжелее конструкцию ошиновки, опорных изоляторов и разъединителей, жестче требования по термической устойчивости кабельных линий [11, 48, 51, 53, 55, 56; 58, 66, 78, 84, 85]. Поэтому по мере развития энергосистем большое внимание уделяется; ограничению токов короткого замыкания; Ограничение т.к.з. является актуальной задачей и с точки зрения повышения устойчивости работы энергосистемы в целом; Общие требования к токоограничивающим устройствам (ТОУ), помимо ограничения тока к.з., также включают [55]: ограничение во времени продолжительности протекания тока к.з.; не оказывать существенного влияния нанормальный режим работы сети; обеспечить в аварийном режиме условия, необходимые для действия релейной защиты сети; иметь стабильные характеристики при изменении схемы сети; в идеальном случае при к.з. сопротивление ТОУ должно быть равно Хнагр, предшествующему к.з.
Для удовлетворения перечисленных выше общих требований и условий токоограничивающее устройство должно обладать нелинейной характеристикой. Помимо использования ТОУ со сверхпроводящими элементами, требующими специального криогенного оборудования и вставок постоянного и переменного тока непромышленной частоты, также весьма высокой стоимости, в общем случае решение этой задачи возможно следующими путями [81]: повышение быстродействия традиционной коммутационной аппаратуры; создание и использование новых сверхбыстродействующих коммутационных аппаратов, способных безынерционно, т.е. в течение первого полупериода, ограничить и отключить ток к.з [64, 75, 83, 86]; использование безынерционных и инерционных токоограничивающих устройств.
Наибольшее ограничение тока к.з. достигается при использовании второго пути [97, 99-104, 135-138], однако такое решение задачи в настоящее время сдерживается либо отсутствием указанных устройств с необходимыми параметрами и эксплуатационными характеристиками, либо их высокой стоимостью. При использовании синхронизирования или тиристорных выключателей (отключение тока при переходе через нуль) не ограничивается ударный ток [52], хотя это и позволяет снизить термическое действие тока к.з. на электротехнические оборудования. В настоящее время пристальным вниманием пользуются безынерционные токоограничивающие устройства, такие как резонансные ТОУ (РТОУ) и квазирезонансные ТОУ (КТОУ), наиболее дешевые по стоимости, некоторые из которых не содержат коммутационные аппаратуры. При этом происходит ограничение ударного тока к.з. В настоящее время известно более 100 вариантов и модификаций (РТОУ), отличающееся по составу элементов. Из них наиболее простым по конструкции является безынерционное РТОУ, разработанное Александровым Г.Н., в котором используется управляемый искровым промежутком реактор трансформаторного типа (УИПРТ) [1, 5, 7]. В основе лежит идея резкого изменения сопротивления РТОУ в результате пробоя искрового промежутка во вторичной обмотке УИПРТ, возникающего из-за резкого повышения напряжения на трансформаторе РТОУ при внезапном к.з. в линии. Диссертация посвящена исследованию как этого типа ТОУ, так и его модификациям с целью оптимизации конструкции этих устройств. При этом учтено, что, независимо от типа и конструкции РТОУ и КТОУ, все они при к.з. линии попадают под повышенное напряжение, на порядок превышающее их напряжение при нормальном режиме работы линии. Из сказанных следует, что рассмотренные в диссертации вопросы, связанные с разработкой КТОУ и созданием общей методики исследования переходных процессов в линиях передачи с такими ТОУ при внезапных к.з., имеют большую актуальность и значение для защиты линий электропередач и электротехнического оборудования.
Наблюдение антипотока в стержне двухстержневого трансформатора
Токоограничивающее устройство (ТОУ) - элемент электропередачи, предназначенный для защиты электрооборудования от воздействия токов внезапного короткого замыкания (к.з.) путем прерывания тока к.з. или его существенного уменьшения [96]. Поэтому созданию ТОУ всегда уделялось большое внимание [7, 22-24, 28, 37, 38, 42, 55, 78, 81, 83]. В начале 90-ых годов прошлого века Американская электроэнергетический институт (EPRI — Electric Power Research Institute) проводил подробное анкетирование электроэнергетических компаний по имеющимся разработкам ТОУ и перспективам их совершенствования [123]. В 1996 году Международный Совет по большим электрическим системам высокого напряжения (CIGRE — Working Group А 3.10) начал проводить разработку нормализации для токоограничивающих устройств [98]. В данной главе представлен обзор существующих ТОУ и их классификация.
Известно, что некоторые материалы при температурах, близких к абсолютному нулю, становятся сверхпроводниками (СП). Но это явление наблюдается только в зоне, где напряженность магнитного поля Н на поверхности сверхпроводника меньше критической напряженности поля Нкр при определенной температуре, которая меньше критической температуры Э , являющейся высшей температурой сверхпроводящего состояния. Согласно [55], что зона сверхпроводящего состояния указанных материалов ограничивается кривой описываемой выражением где Н0 - критическая напряженность магнитного поля при температуре, равной абсолютному нулю.
Изменяя напряженность магнитного поля на поверхности сверхпроводника или его температуру, сверхпроводник можно перевести из сверхпроводящего состояния в резистивное. Это процесс осуществляется практически мгновенно без задержания, что позволяет использовать сверхпроводник для ограничения токов к.з. в электрических сетях [12, 28, 53, 145].
В ряде стран были разработаны опытные ограничители токов к.з., использующие явление низкотемпературной сверхпроводимости, но эти установки оказались весьма дорогими из-за высокой стоимости охлаждающего элемента. Поэтому ТОУ со сверхпроводниками целесообразно использовать там, где явление сверхпроводимости используется также и в других элементах электроустановки (генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи) и где, следовательно, может быть использована централизованная охлаждающая (рефрижераторная) установка. Принципиальные схемы токоограничивающих устройств со сверхпроводниками приведены на рис. 1.1. На схеме рис. 1.1,а показан простейший сверхпроводящий элемент без внешнего управления (элемент резистивного типа), предложенный в 1936 г в СССР Калашниковым К.Н. [55].
При к.з. в сети ток в цепи СП резко увеличивается до критического (ток, который соответствует критической напряженности магнитного поля Якр), сверхпроводник переходит в резистивное состояние, ограничивая ток к.з. Окончательно цепь отключается силовым выключателем. Следует отметить, что в схеме рис. 1.1 ,а должны быть приняты меры для защиты самого сверхпроводника от перегорания при переходе его в резистивное состояние. В противном случае он разорвет цепь, как обычной токоограничивающий предохранитель, выйдет из строя и будет непригоден для дальнейшей эксплуатации. Более совершенным коммутационным аппаратом является криотрон, т.е. сверхпроводник с управлением внешним магнитным полем (под действием системы автоматики). Его включение может быть выполнено по схемам рис. 1.1 ,б...д.
Начиная с середины 80-ых годов прошлого века для создания ТОУ, пытаются использовать явление высокотемпературной сверхпроводимости. Для охлаждения стали оказалось возможным использовать жидкий азот с температурой, равной 77 К. Ряд фирм из Японии, США, Франции, Германии, Великобритании и других стран ведут разработки опытно-промышленных образцов таких устройств для энергосистем. Разрабатываются устройства двух типов: резистивного и индуктивного. Последнее использует экранирующий эффект сверхпроводников (см. рис. 1.1,е).
Несомненным преимуществом ТОУ со СП являются: 1) быстрое ограничение тока в момент к.з. в сети; 2) практически нулевые потери мощности в ТОУ в нормальном режиме работы электроэнергетической системы. Однако в настоящее время токоограничивающие устройства со сверхпроводниками еще не получили широкое применение в энергосистеме. Их применение ограничено условиями: 1) из-за весьма длительного времени для восстановления проводников от резистивного состояния до сверхпроводящего не может быть реализован АПВ, 2) эти устройства имеют высокую себестоимость из-за применения специального материала и специальной системы охлаждения.
