Устройство ограничения токов короткого замыкания
Владельцы патента RU 2660177:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)
Устройство ограничения токов короткого замыкания относится к области электротехники, предназначено для использования в электрических сетях при токах короткого замыкания, превышающих предельные значения токов отключения выключателей, и позволяет повысить надежность работы, обеспечиваемую простотой его схемотехнического решения. Устройство содержит трансформатор, выполненный на магнитопроводе (1) с немагнитным зазором и с двухзаходной обмоткой из первого (2) и второго (3) проводов из алюминиевой фольги, изолированных друг от друга пленками диэлектрика (4), причем начало первого провода (2, 9) и конец второго провода (3, 12) образуют последовательный контур, содержащий выключатель 5, нагрузку электропитания 6 и сеть электропитания (7), при этом начало второго провода (3) и конец первого провода (2, 10) подсоединены к искровому промежутку 8. Вывод 9 начала первого провода (2), вывод (10) конца провода (1), вывод (11) начала провода (3) и вывод (12) конца провода (3) определяют цепь с распределенными параметрами. В случае короткого замыкания при резком уменьшении сопротивления нагрузки (6), под действием напряжения сети электропитания (7), ток нагрузки, протекающий в контуре, содержащем выключатель (5), провода (2 и 3), намотанные двухзаходно на магнитопровод (1), пленки диэлектрика (4), изолирующие друг от друга провода (2 и 3), резко увеличивается. Значительно возрастает напряжение на входе устройства относительно выводов (9, 12). Учитывая, что напряжение на выходе, на выводах (10), (11), то есть напряжение на искровом промежутке (8), в 2⋅Q раз больше напряжения на входе, происходит пробой искрового промежутка (8), и он становится замкнутым. Замыкание искрового промежутка (8) соответствует изменению граничных условий в цепи с квазираспределенными параметрами. Уменьшение сопротивления искрового промежутка (8) приводит к резкому возрастанию сопротивления на входе, выводах (9, 12). 3 ил.
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в электрических сетях при токах короткого замыкания, превышающих предельные значения токов отключения выключателей.
Известно токоограничивающее устройство для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях. Токоограничивающее устройство содержит трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель. Электрические аппараты высокого напряжения. Издательство СПб. ГПУ, 2005 г., с. 138-153. Александров Г.Н. и др. Под ред. Г.Н. Александрова.
Недостаток известного устройства состоит в том, что имеет место постоянное присутствие индуктивного сопротивления реактора в цепи нагрузки, что приводит к посадке напряжения на реакторе при протекании по нему тока номинального режима.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является изобретение: «Устройство ограничения токов короткого замыкания», патент РФ на полезную модель №69311, МПК H01F 27/30, опубл. 10.12.2007. Токоограничивающее устройство содержит трансформатор, батарею конденсаторов и выключатель, трансформатор выполнен двухобмоточным и содержит сетевую обмотку, магнитопровод, обмотку управления, причем батарея конденсаторов включена параллельно сетевой обмотке, а обмотка управления закорочена через искровой промежуток.
Недостатками такого устройства являются его конструктивная сложность, нерациональное использование материалов и проводников, громоздкость конструктивного и схемотехнического исполнения, а также большие массогабаритные показатели.
Технической задачей изобретения является многофункциональное использование проводников и диэлектриков, компактность конструктивного исполнения, снижение массогабаритных показателей.
Технический результат устройства ограничения токов короткого замыкания заключается в повышении надежности работы, обеспечиваемой простотой его схемотехнического решения.
Это достигается тем, что известное устройство ограничения токов короткого замыкания, содержащее трансформатор с магнитопроводом, нагрузку, искровой промежуток, сеть электропитания, выключатель, отличающееся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен с двухзаходной обмоткой из двух проводов из алюминиевой фольги, изолированных друг от друга пленками диэлектрика, причем начало первого провода и конец второго провода образуют последовательный контур, содержащий выключатель, нагрузку и сеть электропитания, а начало второго провода и конец первого провода подсоединены к искровому промежутку.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная условная схема соединения элементов устройства ограничения токов короткого замыкания, на фиг. 2 изображена эквивалентная схема замещения устройства ограничения токов короткого замыкания, на фиг. 3 показано расположение проводов и пленок диэлектрика при намотке двухзаходно на магнитопровод.
Устройство ограничения токов короткого замыкания содержит трансформатор, выполненный на магнитопроводе 1 с немагнитным зазором и с двухзаходной обмоткой из первого 2 и второго 3 проводов из алюминиевой фольги, изолированных друг от друга пленками диэлектрика 4, причем начало первого провода 2, 9 и конец второго провода 3, 12 образуют последовательный контур, содержащий выключатель 5, нагрузку электропитания 6 и сеть электропитания 7, при этом начало второго провода 3 и конец первого провода 2, 10 подсоединены к искровому промежутку 8. Вывод 9 начала первого провода 2, вывод 10 конца провода 1, вывод 11 начала провода 3 и вывод 12 конца провода 3 определяют цепь с распределенными параметрами.
Устройство ограничения токов короткого замыкания работает следующим образом.
В случае короткого замыкания при резком уменьшении сопротивления нагрузки 6, под действием напряжения сети электропитания 7, ток нагрузки, протекающий в контуре, содержащем выключатель 5, провод 2 и 3, намотанные двухзаходно на магнитопровод 1, пленки диэлектрика 4, изолирующие друг от друга провода 2 и 3, резко увеличивается. Значительно возрастает напряжение на входе устройства относительно выводов 9, 12. Учитывая, что напряжение на выходе, на выводах 10, 11, то есть напряжение на искровом промежутке 8, в 2⋅Q раз больше напряжения на входе, происходит пробой искрового промежутка 8 и он становится замкнутым.
Замыкание искрового промежутка соответствует изменению граничных условий в цепи с квазираспределенными параметрами. Резкое уменьшение сопротивления искрового промежутка приводит к резкому возрастанию сопротивления на входе, выводах 9, 12. В цепи, содержащей сеть электропитания 7, выключатель 5, происходит ограничение тока короткого замыкания.
Возрастание сопротивления на входе, выводах 9, 12 обусловлено режимом резонанса токов в эквивалентной части схемы. Значения резонансных частот для исходного режима устройства при резонансе напряжений, когда искровой промежуток 8 разомкнут, и при резонансе токов, когда искровой промежуток 8 замкнут, в режиме ограничения тока короткого замыкания, практически совпадают.
Эквивалентная схема замещения устройства ограничения токов короткого замыкания представляет собой цепь с квазираспределенными параметрами, в которой каждая индуктивность, с межиндуктивными связями со всеми остальными, соответствует сосредоточенному элементу, а провод 2 с выводами 9,10 и провод 3 с выводами 11,12, изолированные друг от друга пленками диэлектрика 4, проявляются как конденсатор, элемент с распределенными параметрами. Схема представлена относительно выводов 9, 10 провода 2 и выводов 11,12 провода 3, представляет собой цепь с распределенными параметрами, содержащую совокупность элементарных ячеек. В каждой ячейке схемы R0 и G0 определяют соответственно потери в проводах 2, 3, магнитопроводе 1 и диэлектрике 4, С0 - значение емкости и L0 - значение эквивалентной индуктивности на единицу длины проводов - l.
При разомкнутом искровом промежутке 8, вход устройства относительно начала провода 2, вывод 9, и конца провода 3, вывод 12, на основе синтеза представляется цепью соответствующей резонансу напряжений.
При замкнутом искровом промежутке 8 вход устройства относительно начала провода 2, вывод 9 и конца провода 3, вывод 12, на основе синтеза представляется цепью, соответствующей резонансу токов.
В исходном положении, в номинальном режиме, в соответствии с принципиальной схемой устройства фиг. 1, выключатель 5 замкнут, искровой промежуток 8 разомкнут, под действием напряжения сети электропитания 7 ток нагрузки протекает в контуре, содержащем выключатель 5, провод 2, провод 3, провода 1, 2 намотаны двухзаходно на магнитопровод 1, пленки диэлектрика 4, изолирующие друг от друга провода 2 и 3, и нагрузку 6. Ток между проводами 2 и 3 представляет собой ток электрического смещения. Значения электрической емкости, определяемой пленками диэлектрика 4 и проводами 2, 3, как в конденсаторе, индуктивности проводов на основе магнитопровода с немагнитным зазором определяют резонансную частоту. При этом сопротивление относительно входа между началом провода 2, вывод 9, и концом провода 3, вывод 12, много меньше сопротивления нагрузки 6. Имеет место режим резонанса напряжений. В соответствии со схемой устройства с эквивалентным представлением схемы цепи относительно выводов 9, 12 сопротивление относительно выводов 9, 12 как входа при резонансной частоте может быть вычислено по выражению:
.
Из условия 
резонансная частота определяется как:
В исходном положении, когда на входе относительно выводов 9, 12 значение напряжения много меньше напряжения на нагрузке 6, напряжение на искровом промежутке 8, как на выходе, хотя и больше в 2⋅Q раз напряжения на входе, но недостаточно для пробоя, и искровой промежуток 8 остается разомкнутым. Добротность Q определяется выражением
.
Использование изобретения позволяет повысить надежность работы устройства на основе обеспечения простоты его схемотехнического решения. Уменьшение массогабаритов предлагаемого устройства достигается за счет многофункционального применения проводников и диэлектриков в проводах и конденсаторе, использования в одном и том же устройстве режимов резонанса напряжений и резонанса токов, обеспечения функции повышающего трансформатора и возможности компактного конструктивного его исполнения.
Устройство ограничения токов короткого замыкания, содержащее трансформатор с магнитопроводом, нагрузку, искровой промежуток, сеть электропитания, выключатель, отличающееся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен с двухзаходной обмоткой из двух проводов из алюминиевой фольги, изолированных друг от друга пленками диэлектрика, причем начало первого провода и конец второго провода образуют последовательный контур, содержащий выключатель, нагрузку и сеть электропитания, а начало второго провода и конец первого провода подсоединены к искровому промежутку.
