Токоограничивающее устройство

 

Изобретение относится к электроэнергетике, а точнее к устройствам для ограничения токов короткого замыкания в аварийных режимах. Устройство содержит полый электродинамический механизм с подвижными и неподвижными электродинамическими секциями, толщина стенок которых больше значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого они выполнены, и ферромагнитную массу фасонной конфигурации, размещенную внутри полости электродинамического механизма. В режиме короткого замыкания подвижные электродинамические секции перемещаются в пазухи ферромагнитной массы, обусловливая резкое увеличение магнитного потока и появление в электродинамическом механизме значительной противоЭДС, что эквивалентно вводу в сеть индуктивного сопротивления, величина которого задается техническими условиями. Техническим результатом является упрощение конструкции токоограничивающего устройства и повышение надежности его работы. 3 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, а точнее к устройствам, предназначенными для ограничения токов короткого замыкания в аварийных режимах.

Известно устройство ограничения тока короткого замыкания (1), содержащее реактивный элемент в виде катушки индуктивности и электродинамический механизм с подвижными и неподвижными секциями, предназначенный для расшунтирования катушки индуктивности при появлении избыточного тока. К недостаткам этого устройства относится наличие дорогостоящей катушки индуктивности, контактной группы, усложнение конструкции электродинамического механизма с целью повышения его эффективности в области невысоких значений аварийных токов.

Известно также токоограничивающее устройство (2), которое является наиболее близким по технологической сути и достигаемому техническому результату к предлагаемому (прототип).

В данном известном решении используется полый электродинамический механизм с подвижными и неподвижными электродинамическими секциями. Подвижные и неподвижные электродинамические секции снабжены гибкими токопроводящими перемычками и упругими элементами. В этом устройстве также применена контактная группа, которая посредством подвижных и неподвижных электродинамических секций расшунтирует токоограничивающий элемент, подключенный параллельно к электродинамическому механизму. Сам же токоограничивающий элемент размещен внутри полости электродинамического механизма, толщина стенок которого выбрана не менее значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого он выполнен. Токоограничивающий элемент представляет собой стержень из ферромагнитного проводникового материала с большим температурным коэффициентом сопротивления с охватывающим его магнитопроводом.

Основным недостатком известного токоограничивающего устройства является сложность его конструкции и наладки при эксплуатации, что вызвано применением расшунтирующей контактной группы с системой дугогашения, и, как следствие этого, понижение надежности и быстродействия токоограничения. В большей степени это объясняется тем, что в начальный момент короткого замыкания электродинамическим усилиям сжатия, действующим на подвижные электродинамические секции, необходимо преодолевать не только усилия упругих элементов, но и усилия контактных нажатий в контактной группе.

Цель настоящего изобретения - упрощение конструкции токоограничивающего устройства и повышение надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в известное токоограничивающее устройство, содержащее полый электродинамический механизм с толщиной стенок его полости не менее значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого он изготовлен, состоящий из подвижных и неподвижных электродинамических секций, выполненных в виде продольных участков полости, снабженных гибкими токопроводящими перемычками и упругими элементами, реактивный элемент, размещенный внутри полости электродинамического механизма, включающий в себя магнитопровод, внесены следующие конструктивные изменения, а именно каждая подвижная электродинамическая секция в своем поперечном сечении представляет собой лопасть с осью вращения, которая параллельна продольной оси полости электродинамического механизма и размещена на одном из концов лопасти с возможностью поворота каждой подвижной электродинамической секции относительно собственной оси вращения внутрь полости и обратно до ее первоначальных габаритов, а реактивный элемент, выполненный в виде снабженного пазухами магнитопровода, максимально заполняет внутренний объем полости электродинамического механизма за вычетом объема пазух магнитопровода, предоставляющих возможность осуществления поворота подвижных электродинамических секций внутрь полости, а также двух одинаковых частей объема полости, каждая из которых занимает место по ее продольным концам.

В результате конструктивных изменений, внесенных в прототип, в предлагаемом устройстве отсутствуют контактная группа с системой дугогашения и стержень из ферромагнитного проводникового материала с большим температурным коэффициентом сопротивления, в результате чего сокращается технологическая цепочка процесса токоограничения, т.к. кроме дополнительного времени на преодоление контактных усилий контактной группы, исключены также процесс нагрева токоограничивающего стержня с присущей ему некоторой инерционностью и процесс дугогашения, который заканчивается лишь в момент окончательного погасания дуги. В нормальном режиме, когда подвижные электродинамические секции удерживаются упругими элементами в первоначальном положении, отсутствует электромагнитная связь внешнего поля электродинамического механизма и ферромагнитной массы внутри него, т.к. толщина стенок подвижных и неподвижных секций электродинамического механизма выбрана не менее значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого он выполнен. Потоками рассеивания, которые могут иметь место благодаря технологическим воздушным зазорам между подвижными и неподвижными электродинамическими секциями, можно пренебречь. С целью уменьшения потоков рассеивания по торцам устройства (краевой эффект) длина магнитопровода, размещенного внутри полости электродинамического механизма, выбирается меньшей, чем длина самого электродинамического механизма, и концы магнитопровода несколько утоплены в полости электродинамического механизма и равно отстоят от ее продольных концов. При появлении избыточного тока электродинамические усилия сжатия, действующие на боковую поверхность электродинамического механизма, резко возрастают, и подвижные электродинамические секции, преодолев усилия упругих элементов, начинают вращение относительно своей оси и, изменяя свое геометрическое положение, нарушают электромагнитную “изоляцию” ферромагнитной массы, находящейся в полости электродинамического механизма. В результате этого подвижные и неподвижные электродинамические секции с некоторого момента представляют собой проводники с током вблизи ферромагнитной массы, а это обеспечивает увеличение магнитного потока Ф электромагнитной системы “электродинамический механизм - реактивный элемент”. Как в процессе движения подвижных электродинамических секций, так и в их притянутом к ферромагнитной массе положении в подвижных и неподвижных электродинамических секциях наводится противоЭДС , что приводит к резкому повышению реактивного сопротивления электродинамического механизма и эквивалентно вводу в цепь индуктивного сопротивления, величина которого примерно в μ/μ₀ раз выше начального, где μ - магнитная проницаемость материала магнитопровода, μ₀ - магнитная проницаемость воздуха. Быстродействие предлагаемого токоограничивающего устройства зависит не только от значений электродинамических усилий сжатия боковой поверхности электродинамического механизма (или его граней), но и от электродинамических усилий притяжения, действующих между подвижными электродинамическими секциями и магнитопроводом, которые возникают между ними при электромагнитном рассогласовании первоначального состояния системы “электродинамический механизм - реактивный элемент” и которые увеличиваются по мере продвижения подвижных электродинамических секций до их фиксации в определенном положении. Количество ферромагнитной массы магнитопровода выбирается из условия недопустимости насыщения стали.

Основным отличительным признаком предлагаемого токоограничивающего устройства по сравнению с прототипом является значительное упрощение его конструкции за счет снижения номенклатуры входящих в него изделий (отсутствие контактной группы и системы дугогашения, стержня с большим температурным коэффициентом сопротивления) и более рациональной компоновки устройства, обеспечивающей высокую степень прогнозируемости токоограничения по быстродействию и усилению токоограничивающих свойств.

На фиг.1 и 2 показан один пример выполнения предлагаемого токоограничивающего устройства, на фиг.3 - другой.

Токоограничивающее устройство на фиг.1 и 2 содержит электродинамический механизм 1, состоящий из подвижных 2 и неподвижных 3 электродинамических секций. Подвижные электродинамические секции 2 по своим продольным концам снабжены гибкими токопроводящими перемычками 4, которые электрически соединяют их с продольными концами неподвижных электродинамических секций 3. Подвижные электродинамические секции 2 снабжены также гибкими упругими элементами 5, выполненными, например, из резинового жгута, каждый из которых своими концами крепится соответственно к подвижной секции 2 и перекинут через монтажные обода 6, которые выполнены из диэлектрического материала и предотвращают возможность вращения подвижных электродинамических секций 2 в сторону увеличения первоначальных габаритов электродинамического механизма 1, выполненного из трубы кольцевого сечения. В поперечном сечении подвижные электродинамические секции 2 могут быть представлены в виде лопастей, снабженных на одном из своих концов осями вращения 7 и имеющих возможность поворота относительно этих осей внутрь объема электродинамического механизма. Толщина стенок подвижных и неподвижных электродинамических секций 2 и 3 выбрана не менее значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого состоит электродинамический механизм. Реактивный элемент 8 размещен в полости электродинамического механизма 1, притом с большим коэффициентом ее заполнения, и представляет собой шихтованный магнитопровод, снабженный фасонными пазухами 9, обеспечивающими возможность поворота подвижных электродинамических секций 2 внутрь объема полости электродинамического механизма и их фиксацию в заданном положении. С целью устранения краевого эффекта длина токопровода 8 выбрана меньшей длины электродинамического механизма 1 и продольные концы магнитопровода оказываются сдвинутыми на одинаковое расстояние в глубь электродинамического механизма по его продольной оси. Реактивный элемент 8 механически скреплен с неподвижными секциями 3 электродинамического механизма 1. Для подключения токоограничивающего устройства в рабочую сеть используются клеммы 10, размещенные на продольных концах неподвижных электродинамических секций 3.

Пример выполнения токоограничивающего устройства на фиг.3 аналогичен примеру токоограничивающего устройства на фиг.1 и 2 за исключением того, что электродинамический механизм 1 в поперечном сечении представляет собой коробчатую шину, которая может быть выполнена полностью составной. Верхняя часть этой шины разрезана пополам, и каждая половина выполняет роль подвижных электродинамических секций 2, а роль неподвижных электродинамических секций выполняет остальная часть составной шины. Позиции деталей токоограничивающего устройства на фиг.3 и их функциональное назначение то же, что и на фиг.1 и 2. Изменением является лишь то, что позиция 6 на фиг.3 означает монтажные стойки с блочками вращения, выполненные из немагнитного материала и скрепленные с электродинамическим механизмом 1 по его торцам. Предотвращение поворота подвижных электродинамических секций 2 за внешние пределы первоначальных габаритов электродинамического механизма 1 исключено конструктивно показанным на фиг.3 размещением осей вращения 7.

Работает токоограничивающее устройство следующим образом.

При номинальной нагрузке электродинамические усилия сжатия, действующие на внешнюю боковую поверхность электродинамического механизма 1, незначительны, а их доля, приходящаяся на подвижные электродинамические секции 2, уравновешивается посредством упругих элементов 5. Из закона полного тока следует, что напряженность электромагнитного поля внутри полости электродинамического механизма 1 равна нулю и, следовательно, отсутствует электромагнитная связь электродинамического механизма как проводника с током с ферромагнитной массой, находящейся внутри его. Потоками рассеивания за счет незначительных технологических воздушных зазоров в теле электродинамического механизма и подавления краевого эффекта можно пренебречь. Именно поэтому токоограничивающее устройство в нормальном режиме можно рассматривать как усиленную по сечению часть рабочей цепи с малым активным и индуктивным сопротивлениями, обеспечивающими малые потери электроэнергии как непосредственно в токоограничивающем устройстве, так и в линиях электропередачи за счет уменьшения реактивной составляющей тока нагрузки. В аварийном режиме, при резком возрастании тока, электродинамические усилия сжатия боковых поверхностей (или граней) электродинамического механизма 1 многократно увеличиваются. В результате подвижные электродинамические секции 2, вращаясь относительно своих осей 7, входят в пазухи 9 реактивного элемента 8, чем обеспечивается приращение магнитного потока. Скорость вращения подвижных электродинамических секций 2 с момента появления рабочего воздушного зазора между электродинамическим механизмом 1 и реактивным элементом 8 увеличивается также за счет электродинамических усилий притяжения, возникающих между подвижными электродинамическими секциями 2 и магнитопроводом реактивного элемента 8, которое по мере уменьшения воздушного зазора в пазухах магнитопровода становится еще больше и еще больше увеличивает скорость уменьшения воздушного зазора. Все это в совокупности обеспечивает быстродействие токоограничения и усиление токоограничивающих свойств устройства, что особенно важно в начальный момент короткого замыкания, когда пики тока короткого замыкания максимальны. Резкое уменьшение воздушного зазора вызывает резкое приращение магнитного потока и вызывает появление в подвижных 2 и неподвижных 3 секциях электродинамического механизма 1 значительной противоЭДС, что эквивалентно вводу в рабочую сеть значительного индуктивного сопротивления. После фиксации подвижных электродинамических секций 2 в пазухах 9 реактивного элемента 8 (или после “складывания” подвижных электродинамических секций 2 с неподвижными электродинамическими секциями 3 на фиг.3) токоограничивающее устройство представляет собой часть цепи со сталью с расчетным индуктивным сопротивлением, что и обеспечивает заданный уровень установившегося тока короткого замыкания.

После отключения выключателем аварийного присоединения подвижные электродинамические секции 2 действием упругих элементов 5 возвращаются в исходное состояние и токоограничивающее устройство вновь готово к работе.

Предлагаемое токоограничивающее устройство отличается простотой конструкции, надежностью, малыми габаритами и повышенными токоограничивающими свойствами.

Использованная литература

1. Вязовик В.Я., Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Способ ограничения тока короткого замыкания и устройство для его осуществления. Патент РФ №2016459, опубл. 15.07.94, бюл. №13.

2. Сергеев Д.А., Мрыхин В.И. Токоограничивающее устройство. Патент РФ №2178217, опубл. 10.01.02., бюл. №1.

Формула изобретения

Токоограничивающее устройство, содержащее полый электродинамический механизм с толщиной стенок его полости не менее значения глубины проникновения электромагнитной волны в проводниковый материал, из которого он изготовлен, состоящий из подвижных и неподвижных электродинамических секций, выполненных в виде продольных участков стенок полости, снабженных гибкими токопроводящими перемычками и упругими элементами, реактивный элемент, размещенный внутри полости электродинамического механизма, включающий в себя магнитопровод, отличающееся тем, что каждая подвижная электродинамическая секция в своем поперечном сечении представляет собой лопасть с осью вращения, которая параллельна продольной оси полости электродинамического механизма и размещена на одном из концов лопасти с возможностью поворота каждой подвижной электродинамической секции относительно собственной оси вращения внутрь полости и обратно до ее первоначальных габаритов, а реактивный элемент, выполненный в виде снабженного пазухами магнитопровода, максимально заполняет внутренний объем полости электродинамического механизма за вычетом объема пазух магнитопровода, представляющих возможность осуществления поворота подвижных электродинамических секций внутрь полости, а также двух одинаковых частей объема полости, каждая из которых занимает место по ее продольным концам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3