Комбинированный трехфазный резистивно-емкостный ограничитель перенапряжений

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями. Технический результат заключается в увеличении надежности и расширении области применения. Устройство состоит из последовательных RC-цепочек, включенных по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей. Параметры RC-цепочек рассчитываются по определенным формулам. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.

При отключении вакуумными выключателями электродвигательных присоединений возможны значительные перенапряжения, вызванные срезом тока и эскалацией напряжения. Также при срабатывании вакуумных выключателей возможно явление многократных повторных зажиганий дуги, что приводит к возникновению перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. На сегодняшний день отсутствуют эффективные меры их гашения, так как разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений, искровые промежутки как средство защиты от высокочастотных перенапряжений малоэффективны, в связи с резким подъемом их вольт-секундных характеристик при предразрядных временах менее 1 мкс.

Для защиты от перенапряжений, имеющих высокочастотный характер, все большее применение находят защитные RC-цепочки.

Известна высоковольтная сеть с электродвигателем, в которой защита от перенапряжений выполняется защитными RC-цепочками (последовательно соединенными резисторами и конденсаторами), включаемыми между фазными выводами электродвигателя и землей [1]. Такая схема защиты позволяет более глубоко снижать перенапряжения при оптимальном выборе параметров элементов [2].

Известна также схема, взятая в качестве прототипа, представляющая собой последовательные RC-цепочки, подключаемые между фазами кабеля, образуя межфазный треугольник [3].

Для представленной схемы [1] как отмечалось в [3] характерно то, что она позволяет снизить перенапряжения, в основном на главной изоляции электрооборудования (фазной изоляции относительно земли). Другая схема включения [3] соответственно будет обеспечивать хорошую защиту от междуфазных перенапряжений и меньшую при перенапряжениях между фазой и землей.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей заявляемого изобретения является создание надежной системы защиты от перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями, имеющей широкую область применения, минимальный набор необходимых элементов, малые габариты и вес.

Это достигается тем, что в известной сети защитные последовательные RC-цепочки подключены у защищаемого оборудования и соединены по схеме четырехлучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, параметры RC-цепочек рассчитываются по формулам:

где С_AN, R_AN - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазой и землей; С_AB, R_AB - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазами; - полные комплексные сопротивления; С_к.пог - погонная емкость кабеля по прямой последовательности; L_ш - индуктивность ошиновки; L_к=L_к.погl_к - индуктивность кабеля; L_к.пог - погонная емкость кабеля при высоких частотах; С_д - емкость фазы двигателя; l_к - длина кабеля, С_ф - фазная емкость питающего кабеля; ω - угловая частота сети; R_A, R_N, С_A, С_N, - сопротивления и емкости RC-цепочек в схеме после преобразования; - полные комплексные сопротивления; j - мнимая единица.

На фиг.1 представлена высоковольтная сеть, питающая электродвигатель с предлагаемой схемой защиты от перенапряжений. На схеме цифрами обозначены: 1 - трехфазный источник переменного напряжения; 2 - вакуумный выключатель; 3 - питающий кабель; 4 - электродвигатель; 5 - защитные RC-цепочки.

Устройство работает следующим образом. При отключении электродвигателя (4) вакуумным выключателем (2) от источника (1) в камере выключателя происходит расхождение контактов (подвижный контакт отходит от неподвижного) и разновременное размыкание контактов выключателя. После отключения первым полюсом выключателя тока в дугогасительной камере может возникнуть процесс повторных зажиганий дуги. Он возникает из-за того, что электрическая прочность межконтактного промежутка в некоторые моменты времени может оказаться меньше восстанавливающего напряжения на контактах выключателя. В результате происходит пробой межконтактного промежутка, что приводит к возникновению высокочастотного колебательного процесса.

Предлагаемая схема защиты позволяет устранить недостатки существующих схем включения [1, 3] и обеспечивает лучшую защиту от перенапряжений как на главной изоляции электрооборудования, так и между фазами.

Рассмотрим подробно вывод формул для расчета предлагаемой схемы защиты. В соответствии с [1] параметры RC-цепи, подключаемой между фазой и землей, предлагается выбирать из следующих соотношений:

где С_к.пог - погонная емкость кабеля по прямой последовательности; L_ш - индуктивность ошиновки; L_к.пог - погонная емкость кабеля при высоких частотах; С_д - емкость фазы двигателя; l_к - длина кабеля.

В соответствии с [3] параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, выбираются из следующих соотношений:

где С_ф - фазная емкость питающего кабеля; С_д - емкость электродвигателя; L_к - индуктивность кабеля на высоких частотах; L_ш - индуктивность ошиновки.

В общем случае для оптимальной защиты от перенапряжений, возникающих между фазой и землей и между двумя фазами, необходимо включить шесть RC-цепочек (3 между фазой и землей и 3 между фазами). Такое включение образует многоугольник сопротивлений, который можно преобразовать в эквивалентную звезду. В [4] приводятся формулы для преобразования звезды сопротивлений в эквивалентный многоугольник (фиг.2).

где

Получим формулы обратного преобразования полного многоугольника в многолучевую звезду. Так как элементы , симметричны, то можно записать:

Вычислим проводимость согласно (13) с учетом выражений (14)

Подставив (15) с учетом (14) в выражения (11) и (12) получим:

Из (17), выразив и подставив в (16), получим:

или

Подставив (18) в (17), получим

Таким образом, схема из шести RC-цепочек преобразуется в эквивалентную схему, содержащую четыре RC-цепи. Их параметры будут рассчитываться следующим образом:

1. по формулам (6)-(10) рассчитываем параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, между фазами и землей;

2. переходим к комплексным значениям сопротивлений по формулам:

где R_NA, C_NA - параметры RC-цепочек, подключаемых между фазой и землей, вычисляемые по формулам (6)-(8); R_AB, C_AB - параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами, вычисляемые по формулам (9), (10); ω - угловая частота сети.

3. по формулам (18), (19) вычисляем параметры RC-цепочек в эквивалентной схеме замещения;

4. осуществляем обратный переход от комплексных значений к действительным по формулам:

Исходя из всего вышеизложенного, получаем окончательные формулы для вычисления параметров предлагаемой защитной схемы, которые и представлены в выражениях (1)-(5).

Проиллюстрируем расчет параметров предлагаемой схемы на примере.

Пример 1. Требуется защитить электродвигатель 6 кВ мощностью 400 кВ с помощью RC-цепочки у его зажимов. Длина соединительного кабеля l_к=100 м, сечение 70 мм².

Вычисляем емкость двигателя, в соответствии с [1] она равна:

В соответствии с (1) вычисляем параметры RC-цепей, включаемых между фазой и землей. Емкость RC-цепочки, подключаемой между фазой и землей:

где С_к.пог=0,39 мкФ/км - погонная емкость кабеля по прямой последовательности.

Индуктивность схемы:

где L_ш=25·10^-6 Гн - индуктивность ошиновки, L_к.пог=0,1-10^-3 мГн/км - погонная индуктивность кабеля на высоких частотах.

Сопротивление RC-цепочки, подключаемой между фазой и землей, будет равно:

В соответствии с (2) вычисляем параметры RC-цепочек, подключаемых между фазами:

где L_к=L_к.погl_к=0,1·10^-3·0,1=1·10^-5 - индуктивность кабеля при высоких частотах; С_ф=С_к/1,825=С_к.пог·l/1,825=2,137·10^-8 Ф - фазная емкость кабеля (для кабелей с бумажно-масляной изоляцией 6-10 кВ и секторными жилами справедливы соотношения С_к=С_ф+3С_фф; С_фф=0,275С_ф [3]).

Вычисляем комплексы сопротивлений в соответствии с (3):

где R_AB, C_AB - сопротивление RC-цепи, подключаемой между фазами; R_NA, C_NA - сопротивление RC-цепи, подключаемой между фазой и землей.

Вычисляем комплексные сопротивления в схеме замещения по формулам (4):

В соответствии с (5) переходим к действительным значениям:

Подключение рассчитанных RC-цепочек осуществляется по схеме, представленной на фиг.1.

Литература

1. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. 2-е изд. [Текст]: РД 153-34.3-35.125-99: утв. РАО ЕЭС России 12.07.1999. - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999. - 353 с.

2. Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями [Текст] / Н.Н.Беляков // Электрические станции. - 1994. - №9.

3. Пат.2305887 Российская Федерация, МПК Н02Н 9/04, H02J 3/20. Высоковольтная электрическая сеть с электродвигателями [Текст] / Качесов В.Е.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. - №2005121361/09; заявл. 07.07.2005; опубл. 10.09.2007, Бюл.№25. - 12 с.: ил.

4. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. 3-е изд. [Текст]: РД 153-34.0-20.527-98: утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политики 23.03.1998. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2001. - 131 с.

Комбинированный трехфазный резистивно-емкостный ограничитель перенапряжений, состоящий из последовательных RC-цепочек, отличающийся тем, что защитные последовательные RC-цепочки подключены у защищаемого оборудования и соединены по схеме четырех лучевой звезды, три луча которой включены в защищаемые фазы, а один луч соединен с землей, параметры RC-цепочек рассчитываются по формулам





где C_AN, R_AN - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазой и землей; С_AB, R_AB - параметры RC-цепочек в схеме до преобразования, включаемые между фазами; - полные комплексные сопротивления; С_к.пог - погонная емкость кабеля по прямой последовательности; L_ш - индуктивность ошиновки; L_к=L_к.погl_к - индуктивность кабеля; L_к.пог - погонная емкость кабеля при высоких частотах; С_д - емкость фазы двигателя; l_к - длина кабеля; С_ф - фазная емкость питающего кабеля; ω - угловая частота сети; R_A, R_N, С_A, C_N - сопротивления и емкости RC-цепочек в схеме после преобразования; - полные комплексные сопротивления; j - мнимая единица.