RU2467446C2 - Method to limit short-circuit current in systems of protection against damage of high-voltage equipment - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: application: in the field of electrical engineering. A limiter of short-circuit current comprises a metre of current, a current-limiting active resistance and a regular disconnector in a circuit of electrical equipment, at the same time the current-limiting resistance is closed with the disconnector with a damaged element and a moderating capacitor, a signal to the disconnector arrives with the help of a current metre and control equipment, and switches are introduced into the disconnector circuit.

EFFECT: higher efficiency and reliability.

3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, оно относится к способам и устройствам защиты высоковольтного электротехнического оборудования от разрушения. Изобретение позволяет создавать быстродействующие устройства защиты оборудования с рабочим напряжением 35-750 кВ от разрушения токами короткого замыкания до 350 кА без использования дорогостоящих токоограничивающих реакторов.The invention relates to applied electrical engineering. More specifically, it relates to methods and devices for protecting high-voltage electrical equipment from destruction. The invention allows to create high-speed equipment protection devices with an operating voltage of 35-750 kV from destruction by short-circuit currents up to 350 kA without the use of expensive current-limiting reactors.

Уровень техникиState of the art

Для защиты электрооборудования от разрушения токами короткого замыкания и вообще от сверхдопустимых токов, используют различные способы ограничения тока [1-5]. Наиболее часто используемым способом, см. Фиг.1 [6, 7], является способ включения токоограничивающего реактора (индуктивности) 1 в электрическую цепь от источника тока 9 последовательно перед нагрузкой 8. Параллельно реактору 1 подсоединяют ограничитель тока 2 (в данном примере - Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) для систем в диапазоне напряжений 2,8-38 кВ), который в исходном состоянии накоротко его замыкает. В некоторых схемных решениях для ограничителей тока, выполненных в виде каскада размыкающих элементов 4, применяют делитель напряжения, например, с использованием электрических конденсаторов, с целью требуемого распределения и замедления роста напряжения между размыкающими элементами. Разъединители (отключатели без тока) 5 используют для кратковременного отсоединения разомкнутого ограничителя тока 2 при замене плавкого предохранителя 3 и размыкающих элементов 4 разового действия.To protect electrical equipment from destruction by short-circuit currents and, in general, from over-permissible currents, various current limiting methods are used [1-5]. The most commonly used method, see Figure 1 [6, 7], is a method of incorporating a current-limiting reactor (inductance) 1 in an electric circuit from a current source 9 in series before load 8. In parallel to reactor 1, a current limiter 2 is connected (in this example, Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) for systems in the voltage range 2.8-38 kV), which in the initial state short-circuits it. In some circuit designs for current limiters, made in the form of a cascade of disconnecting elements 4, a voltage divider is used, for example, using electric capacitors, with the aim of the required distribution and to slow down the growth of voltage between the breaking elements. Disconnectors (circuit-breakers without current) 5 are used for short-term disconnection of the open current limiter 2 when replacing the fuse 3 and the disconnecting elements 4 single-acting.

Реактор 1 рассчитывается, как правило, на относительно длительный период времени работы в режиме ограничения тока 3-9 с. Ток ограничивается реактором 1 до такого значения, которое может быть безопасно прервано отключателем 6. Реактор 1 должен выдерживать токи короткого замыкания в течение долей секунды, то есть до тех пор пока не произведут отключение нагрузки отключателем 6. Таким образом, период времени работы реактора в режиме ограничения тока определяется быстродействиями отключателя 6 и используемой автоматики, вырабатывающей сигнал отключения нагрузки (или временем реакции диспетчера - несколько десятков секунд, если отключение производят вручную). За этот период времени в электрической цепи возникают переходные процессы, которые показаны на Фиг.2. Ухудшение качества электроэнергии, импульсные помехи, пики напряжения и пр. возникают из-за быстрого подключения в цепь нагрузки индуктивной составляющей, т.е. реактора 1. Размеры реактора 1 определяются максимально возможным током короткого замыкания для конкретной нагрузки потребителя и параметрами отключателя 6. Но если максимальный ток размыкания отключателя 6 по паспорту меньше тока в цепи нагрузки в момент короткого замыкания, например, в точке 7 цепи у одного потребителя в 2 и более раз, то реактор становится громоздким и чрезвычайно дорогостоящим оборудованием. Также резко увеличивается стоимость реактора и снижается качество электроэнергии в момент короткого замыкания в цепи нагрузки при рабочих напряжениях более 35 кВ. Бывают случаи, когда уровень токов короткого замыкания увеличивается в силу изменения свойств потребителя электроэнергии, вследствие чего, чтобы удовлетворить новым условиям работы, потребителю приходится менять оборудование распределительного устройства, в том числе и токоограничивающий реактор. Причем у схемы ограничения тока с помощью реактора налицо огромные минусы: с одной стороны модернизация распределительного устройства приводит к большим капиталовложениям, с другой стороны применение реакторов ведет к потерям напряжения и всем вытекающим отсюда негативным последствиям [2].The reactor 1 is calculated, as a rule, for a relatively long period of time in the mode of current limitation 3-9 s. The current is limited by reactor 1 to a value that can be safely interrupted by switch 6. Reactor 1 must withstand short-circuit currents for fractions of a second, that is, until the load is disconnected by switch 6. Thus, the period of operation of the reactor in current limitation is determined by the speed of switch 6 and the automation used, which generates a load shedding signal (or by the controller’s response time - several tens of seconds if the trip is done manually). During this period of time, transients occur in the electrical circuit, which are shown in FIG. 2. Deterioration in the quality of electricity, impulse noise, voltage peaks, etc., arise due to the fast connection of the inductive component to the load circuit, i.e. reactor 1. The dimensions of reactor 1 are determined by the maximum possible short circuit current for a specific consumer load and the parameters of switch 6. But if the maximum opening current of switch 6 in the passport is less than the current in the load circuit at the time of the short circuit, for example, at point 7 of the circuit at one consumer in 2 or more times, the reactor becomes bulky and extremely expensive equipment. The cost of the reactor also sharply increases and the quality of electricity decreases at the time of a short circuit in the load circuit at operating voltages of more than 35 kV. There are cases when the level of short-circuit currents increases due to changes in the properties of the consumer of electricity, as a result of which, in order to meet the new working conditions, the consumer has to change the equipment of the switchgear, including the current-limiting reactor. Moreover, the circuit for limiting the current with the help of the reactor has huge disadvantages: on the one hand, modernization of the switchgear leads to large investments, on the other hand, the use of reactors leads to voltage losses and all the negative consequences arising from this [2].

Применение размыкателей, отключателей и ограничителей тока на основе отключающих коммутационных устройств взрывного типа (ОКУ-ВТ) с разрушаемым токопроводящим элементом "Ромашка", имеющих достаточно большие напряжения пробоя и допустимый ток на одном ОКУ, позволяет отказаться от традиционных дорогостоящих токоограничивающих реакторов. Это обусловлено тем, что современные размыкатели и отключатели на основе ОКУ обладают следующими свойствами:The use of circuit breakers, circuit breakers and current limiters based on explosive-type disconnecting switching devices (OKU-VT) with a camomile destructible conductive element having sufficiently high breakdown voltages and permissible current on one OKU allows abandoning traditional expensive current-limiting reactors. This is due to the fact that modern open-circuit-breakers and circuit breakers based on CMC have the following properties:

- время срабатывания составляет не более 1 мс;- response time is not more than 1 ms;

- напряжение пробоя размыкателя (отключателя) может быть сделано соизмеримым рабочему напряжению на нагрузке, то есть увеличено вплоть до 750 кВ;- breakdown voltage of the circuit breaker (circuit breaker) can be made comparable to the operating voltage at the load, that is, increased up to 750 kV;

- допустимый ток размыкания может быть сделан не меньше тока короткого замыкания в цепи нагрузки, то есть увеличен до 300 кА;- the permissible breaking current can be made no less than the short circuit current in the load circuit, that is, increased to 300 kA;

- надежность срабатывания составляет 100%;- reliability of operation is 100%;

- полностью исключен человеческий фактор в принятии решения об отключении нагрузки при коротких замыканиях и электрических пробоях.- the human factor is completely excluded in the decision to disconnect the load during short circuits and electrical breakdowns.

В схеме на Фиг.1, если выполняются условия того, что длительность процесса токоограничения составит не более 0,1-3 с, то есть используется ОКУ, то токоограничивающий реактор может быть заменен простым реактивным сопротивлением.In the circuit of FIG. 1, if the conditions are satisfied that the duration of the current limiting process is no more than 0.1-3 s, that is, a GCC is used, then the current-limiting reactor can be replaced by a simple reactance.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Ближайшими по назначению прототипом настоящего изобретения являются способ включения токоограничивающего реактора последовательно в цепь нагрузки с помощью ограничителя тока (размыкателя) на напряжение 38 кВ, реализованный, например, в схемном решении CLiP® [7].The closest to the purpose of the prototype of the present invention is a method of connecting a current-limiting reactor in series in the load circuit using a current limiter (circuit breaker) to a voltage of 38 kV, implemented, for example, in the CLiP® circuit design [7].

Предлагаемый в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно для ограничения больших токов, представлен на Фиг.3. От известных способов ограничения токов [2, 6, 7] с использованием токоограничивающих реакторов (индуктивных сопротивлений) он отличается тем, что:Proposed as an invention, a method for limiting short circuit current in protection systems against destruction of high-voltage equipment, for example, with respect to limiting high currents, is presented in FIG. 3. It differs from the known methods of limiting currents [2, 6, 7] using current-limiting reactors (inductive resistances) in that:

- при возникновении короткого замыкания или сверхдопустимого тока (тока больше предельного значения для конкретной электрической цепи) ток в цепи нагрузки ограничивают активным сопротивлением, далее по тексту - токоограничивающее сопротивление (ТОС);- in the event of a short circuit or excess current (current is greater than the limit value for a specific electrical circuit), the current in the load circuit is limited by active resistance, hereinafter referred to as current-limiting resistance (TOC);

- включение ТОС в цепь нагрузки производят размыканием накоротко замыкающей его электрической цепи с помощью размыкателя с управляемым временем размыкания;- the inclusion of TOC in the load circuit is made by opening the short-circuiting circuit with a circuit breaker with a controlled opening time;

- период времени включения ТОС в цепь нагрузки устанавливают больше времени отключения нагрузки с требуемым запасом;- the period of time the TOC is turned on in the load circuit is set to be longer than the load off time with the required margin;

- теплоемкость и мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такими, чтобы за период времени включения его в цепь нагрузки при заданном максимально возможном значении ограничивающего тока оно не успело нагреться из-за выделяемой на нем мощности свыше допустимой (заданной с запасом) для него температуры;- the heat capacity and power of the dissipated heat of the TOC is made such that for a period of time it is included in the load circuit at a given maximum possible value of the limiting current, it does not have time to heat up due to the power allocated to it above the permissible temperature (set with a margin) for it;

- мощность рассеиваемого тепла ТОС делают такой, чтобы при параллельном соединении его с замкнутым накоротко размыкателем при непрерывном режиме работы в цепи нагрузки температура ТОС незначительно превышала температуру окружающей среды;- the power of the dissipated heat of the TOC is made such that when it is connected in parallel with a short-circuit breaker during continuous operation in the load circuit, the temperature of the TOC is slightly higher than the ambient temperature;

- скорость роста напряжения на размыкателе до напряжения меньше его пробоя с заданным запасом замедляют с помощью электрического конденсатора на время, большее времени отключения тока нагрузки;- the growth rate of the voltage on the circuit breaker to a voltage less than its breakdown with a given margin is slowed down with an electric capacitor for a time longer than the load current disconnection time;

- сигнал на отключение нагрузки подают после ограничения тока и напряжения до значений, допустимых (заданных с запасом) для нормальной работы отключателя тока нагрузки;- a signal to disconnect the load is supplied after limiting the current and voltage to values acceptable (set with a margin) for the normal operation of the load current switch;

- динамические параметры ТОС, размыкателя ТОС, отключателя тока нагрузки и аппаратуры управления без изменения основного оборудования могут быть в комплексе оптимизированы с точки зрения выполнения изменяющихся требований к функции защиты, размерам ТОС, потерям и ухудшению качества электроэнергии в цепях источника электроэнергии.- dynamic parameters of CBT, CBB circuit breaker, load current circuit breaker and control equipment without changing the main equipment can be complexly optimized in terms of fulfilling the changing requirements for the protection function, CBT sizes, losses and deterioration of the quality of electricity in the power source circuits.

Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования, например, применительно к ограничению тока короткого замыкания до 300 кА при высоких рабочих напряжениях с использованием ТОС, работает следующим образом, см. Фиг.3.The method of limiting the short-circuit current in the systems of protection against destruction of high-voltage equipment, for example, with regard to limiting the short-circuit current to 300 kA at high operating voltages using TOC, works as follows, see Figure 3.

В исходном состоянии в цепи 2 защищаемого от разрушения током короткого замыкания источника тока 1 и электрооборудования 9 в размыкателе 5 и отключателе 8 все ОКУ замкнуты. В цепи 2 нагрузки через размыкатель 5 и отключатель 8 штатной системы ток течет равным номинальному значению. Падения напряжений на размыкателе 5 и отключателе 8 близки к нулю. ТОС 7 замкнуто накоротко размыкателем 5 и ток через него мал. ТОС в исходном состоянии (в режиме ожидания) нагревается до температуры чуть выше температуры окружающей среды за счет выделения на нем незначительной мощности.In the initial state, in the circuit 2 of the current source 1 protected from destruction by a short circuit, the current source 1 and electrical equipment 9 in the disconnector 5 and the switch 8 are all closed circuits. In circuit 2 of the load through the disconnector 5 and the switch 8 of the standard system, the current flows equal to the nominal value. The voltage drop across the circuit breaker 5 and the switch 8 is close to zero. TOC 7 is short-circuited by circuit breaker 5 and the current through it is small. CBT in its initial state (in standby mode) is heated to a temperature slightly above ambient temperature due to the release of insignificant power on it.

В момент регистрации тока короткого замыкания с помощью измерителя тока 3 и аппаратуры управления 4 сигналы на размыкание цепи сначала поступают на размыкатель 5. Последующее отключение производится штатной системой 8. После срабатывания ОКУ 5 ток в цепи нагрузки ограничивается ТОС 7 до такого значения, при котором отключатель 8 штатной системы способен отключить нагрузку безаварийно (без разрушения, пробоя). Интервал времени между моментами срабатывания размыкателя 5 и отключателя 8 может быть таким, чтобы обеспечить отсутствие перегрева ТОС 7. Потери и ухудшения качества электроэнергий в цепях источника электроэнергии становятся минимально возможными, поскольку отсутствуют фазосдвигающие эффекты от подключения индуктивности, а время плавного отключения нагрузки может быть оптимизировано в соответствии со свойствами нагрузки потребителя и составлять не более 1-3 мс. Отключатели 6 необходимы для замены разрушаемых элементов в ОКУ-ВТ. К ТОС могут быть подключены в параллель несколько сборок 10 с целью увеличения надежности и обеспечения резерва.At the time of recording the short circuit current using a current meter 3 and control equipment 4, the signals for opening the circuit are first supplied to the circuit breaker 5. The subsequent shutdown is performed by the standard system 8. After the OKU 5 is activated, the current in the load circuit is limited by TOC 7 to the value at which the circuit breaker 8 standard system is able to disconnect the load accident-free (without destruction, breakdown). The time interval between the moments of operation of the circuit breaker 5 and the switch 8 can be such as to ensure that the TOC 7 does not overheat. Losses and deterioration in the quality of electric power in the power source circuits become minimized, since there are no phase-shifting effects from connecting the inductance, and the time for a smooth load disconnection can be optimized in accordance with the properties of the consumer load and be no more than 1-3 ms. Switches 6 are necessary to replace destructible elements in OKU-VT. Several assemblies 10 can be connected in parallel to the TOC in order to increase reliability and provide a reserve.

Заявленный в качестве изобретения способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования позволяет отказаться от использования для ограничения тока дорогостоящих и громоздких токоограничивающих реакторов.Claimed as an invention, a method for limiting short-circuit current in protection systems against destruction of high-voltage equipment eliminates the use of expensive and bulky current-limiting reactors to limit current.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Способ испытан и может быть применен для ограничения тока в высоковольтном оборудовании с последующим автоматическим отключением нагрузки при рабочих напряжениях до 220 кВ и выше, с целью устранения разрушений токами короткого замыкания с возможными значениями до 300 кА. Изобретение позволяет разработать и быстро организовать производство российских дешевых, надежных и простых в эксплуатации систем защиты от разрушения электрооборудования от перегрузок взамен использования громоздких токоограничивающих реакторов со слаботочными аналогами ограничителей тока зарубежных фирм.The method has been tested and can be applied to limit the current in high-voltage equipment, followed by automatic load shedding at operating voltages up to 220 kV and higher, in order to eliminate damage by short-circuit currents with possible values up to 300 kA. The invention allows to develop and quickly organize the production of Russian cheap, reliable and easy-to-use systems of protection against destruction of electrical equipment from overloads instead of using bulky current-limiting reactors with low-current analogs of current limiters of foreign companies.

Использование изобретения в новых и модернизации действующих системах электроснабжения, электрических подстанциях и в других энергообъектах позволит исключить человеческий фактор в причинах аварий, устранить аварии от перегрузок по току и повысить их взрывобезопасность.The use of the invention in new and modernization of existing power supply systems, electrical substations and in other power facilities will eliminate the human factor in the causes of accidents, eliminate accidents from overcurrents and increase their explosion safety.

Список литературыBibliography

1. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. И.М.Адоньев, В.В.Афанасьев, и др. Под ред. В.В.Афанасьева: - Л: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1981, - 544 с.: с ил.1. Handbook of high voltage electrical apparatus. I.M. Adoniev, V.V. Afanasyev, and others. Ed. V.V. Afanasyeva: - L: Energoatomizdat. Leningrad branch, 1981, 544 p.: With ill.

2. Коммутационные ограничители тока. П.Елагин. ООО "РОСПОЛЬ-ЭЛЕКТРО", Санкт-Петербург. Ж. "Новости электротехники", №4(28), 2004.2. Switching current limiters. P. Elagin. OOO "ROSPOL-ELEKTRO", Saint Petersburg. J. "News of Electrical Engineering", No. 4 (28), 2004.

3. Патент WO 2003081741, заявка DE 0300896 13.03.2003 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Franke Henry (DE), Gnoerrlich Uwe (DE) и др.3. Patent WO2003081741, application DE 0300896 03/13/2003 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), authors: Franke Henry (DE), Gnoerrlich Uwe (DE), etc.

4. Патент ЕР 0971470 А2 12.01.2000 Patentblatt 2000/02, приоритет 09.07.1998 DE 19832591, заявитель SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Rehaag Hans (DE), Pancke Andreas (DE).4. Patent EP 0971470 A2 01/12/2000 Patentblatt 2000/02, priority 09.07.1998 DE 19832591, applicant SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), authors: Rehaag Hans (DE), Pancke Andreas (DE).

5. Патент WO 2005027296, заявка DE2004001908 24.08.2004 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), авторы: Buxton Clifford A. (US), Liebetruth Marc (DE) и др.5. Patent WO 2005027296, application DE2004001908 08/24/2004 from SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE), authors: Buxton Clifford A. (US), Liebetruth Marc (DE), etc.

6. Коммутационные ограничители тока. Новые устройства для защиты электрооборудования. Авт. Павел Елагин. ООО "Росполь-Электро" г.Санкт-Петербург. Журнал "Новости Электротехники" №4(58) 2009. Информационно-справочное издание: [email protected].6. Switching current limiters. New devices for protecting electrical equipment. Auth. Pavel Elagin. LLC "Rospol-Electro" St. Petersburg. Magazine "News of Electrical Engineering" No. 4 (58) 2009. Information and reference publication: [email protected].

7. Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) For systems rated 2.8-38 kV, and continuous currents through 5000 A. G&W ELECTRIC CO. Catalog SG4-31J. Web site: gwelec.com. ISO 14001 Certifie.7. Currrrentt Liimiittiing Prrottecttor (CLiP®) For systems rated 2.8-38 kV, and continuous currents through 5000 A. G&W ELECTRIC CO. Catalog SG4-31J. Website: gwelec.com. ISO 14001 Certifie.

Claims (1)

Ограничитель тока короткого замыкания, содержащий измеритель тока, токоограничивающее активное сопротивление и штатный отключатель в цепи электрооборудования, при этом токоограничивающее сопротивление замкнуто размыкателем с разрушаемым элементом и замедляющим конденсатором, сигнал на размыкатель поступает с помощью измерителя тока и аппаратуры управления, а в цепь размыкателя введены отключатели. A short-circuit current limiter containing a current meter, current-limiting active resistance and a standard switch in the electrical circuit, while the current-limiting resistance is closed by a breaker with a destructible element and a slow-down capacitor, the signal is sent to the breaker using a current meter and control equipment, and switches are inserted into the circuit breaker .

Images