Ограничитель токов короткого замыкания
Владельцы патента RU 2762827:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (RU)
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в электрических сетях при токах короткого замыкания, превышающих предельные значения токов отключения выключателей. Технический результат заключается в повышении надежности работы, повышении быстродействия, обеспечиваемые простотой его схемотехнического решения, и достигается тем, что известный ограничитель токов короткого замыкания, содержащий сеть электропитания, выключатель, трансформатор, включающий в себя магнитопровод с двухзаходной обмоткой, нагрузку, управляемый искровой промежуток, согласно изобретению снабжен резистором согласования, а двухзаходная обмотка магнитопровода трансформатора выполнена из двух изолированных друг от друга пленками диэлектрика первого и второго проводов в виде металлической фольги, причем начало первого провода и конец второго провода образуют последовательный контур, содержащий сеть электропитания, выключатель и нагрузку, а начало второго провода и конец первого провода подсоединены к последовательному соединению управляемого искрового промежутка и резистора согласования. 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 данного технического решения заключается 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 полезная модель «Устройство ограничения токов короткого замыкания» [патент РФ на полезную модель № 69311, МПК H01F 27/30, опубл. 10.12.2007]. Устройство ограничения токов короткого замыкания 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 данного технического решения являются его конструктивная сложность, нерациональное использование материалов и проводников, большая длительность переходного процесса и связанная с этим низкая надежность работы, громоздкость конструктивного и схемотехнического исполнения, а также высокие массогабаритные показатели.
Технической задачей предлагаемого изобретения является многофункциональное использование проводников и диэлектриков, компактность конструктивного исполнения, сокращение длительности переходного процесса, снижение массогабаритных показателей.
Технический результат заключается в повышении надежности работы, повышении быстродействия, обеспечиваемое простотой его схемотехнического решения.
Это достигается тем, что известный ограничитель токов короткого замыкания, содержащий сеть электропитания, выключатель, трансформатор, включающий в себя магнитопровод с двухзаходной обмоткой, нагрузку, управляемый искровой промежуток, согласно изобретению снабжен резистором согласования, а двухзаходная обмотка магнитопровода трансформатора выполнена из двух изолированных друг от друга пленками диэлектрика первого и второго проводов в виде металлической фольги, причем начало первого провода и конец второго провода образуют последовательный контур, содержащий сеть электропитания, выключатель и нагрузку, а начало второго провода и конец первого провода подсоединены к последовательному соединению управляемого искрового промежутка и резистора согласования.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная, условная схема соединения элементов ограничителя токов короткого замыкания. На фиг. 2 изображена эквивалентная схема замещения ограничителя токов короткого замыкания. На фиг. 3 показано расположение проводов и пленок диэлектрика при намотке двухзаходной обмотки на магнитопровод.
Ограничитель токов короткого замыкания (см. фиг. 1) содержит сеть электропитания 1, выключатель 2, трансформатор, включающий в себя магнитопровод 3 с немагнитным зазором с двухзаходной обмоткой из первого провода 4 и второго провода 5 из металлической фольги, например, алюминиевой, изолированных друг от друга пленками диэлектрика 6, причем начало 7 первого провода 4 и конец 8 второго провода 5 образуют последовательный контур, содержащий сеть электропитания 1, выключатель 2, нагрузку 9, при этом начало 10 второго провода 5 и конец 11 первого провода 4 подсоединены к последовательному соединению управляемого искрового промежутка 12, как ключа, и резистора согласования 13.
Начало 7 первого провода 4, конец 11 первого провода 4, и начало 10 второго провода 5 и конец 8 второго провода 5 характеризуют цепь с распределенными параметрами (см. фиг. 2).
Ограничитель токов короткого замыкания работает следующим образом.
В исходном положении, в номинальном режиме, в соответствии с принципиальной схемой устройства фиг. 1, выключатель 2 замкнут, управляемый искровой промежуток 12, как ключ, разомкнут, под действием напряжения сети электропитания 1 ток нагрузки протекает в контуре содержащем выключатель 2, первый провод 4, второй провод 5, первый и второй провода 4, 5, намотанные двухзаходно на магнитопровод 3, пленки диэлектрика 6, изолирующие друг от друга первый и второй провода 4 и 5, и нагрузку 9. Ток между проводами 4 и 5 представляет собой ток электрического смещения как ток в конденсаторе. Значения электрической емкости, определяемой пленками диэлектрика 6 и первым и вторым проводами 4, 5, индуктивности проводов на основе магнитопровода с немагнитным зазором определяют резонансную частоту. При этом сопротивление относительно входа между началом 7 первого провода 4 и концом 8 второго провода 5 много меньше сопротивления нагрузки 9. Между началом 7 и концом 8 имеет место режим резонанса напряжений. Эквивалентная схема замещения ограничителя токов короткого замыкания (см. фиг. 2) представляет собой цепь с квазираспределенными параметрами, в которой каждая индуктивность ячейки с индуктивными связями со всеми остальными ячейками соответствует сосредоточенному элементу, а конденсатор проявляется как элемент с распределенными параметрами. Так как, каждая индуктивность ячейки индуктивно связана со всеми остальными ячейками, то индуктивность ограничителя токов короткого замыкания в целом соответствует сосредоточенному элементу, и время задержки прохождения сигнала в цепи, как в линии, равно нулю.
Схема фиг. 2, представляющая собой цепь с распределенными параметрами, является эквивалентной схемой цепи ограничителя токов короткого замыкания фиг. 1. Эквивалентная схема содержит совокупность элементарных ячеек. В каждой ячейке схемы значение резистора R0 учитывает потери в первом и втором проводах 4, 5, магнитопроводе 3, значение проводимости G0, учитывает потерн в диэлектрике 6, С0 - значение емкости и L0 - значение эквивалентной индуктивности на единицу длины каждого из первого и второго проводов 4, 5 длиной - .
При разомкнутом управляемом искровом промежутке 12, как ключе, вход устройства относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5 представляется цепью соответствующей резонансу напряжений со входным сопротивлением много меньшим модуля сопротивления нагрузки 9.
В соответствии с эквивалентным представлением схемы цепи относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5 значение сопротивления относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5, как входа, при резонансной частоте может быть вычислено по выражению:
Из условия 
резонансная частота определяется как:
В исходном положении, при разомкнутом управляемом искровом промежутке 12, на входе устройства относительно начала 7 первого провода 4 и концом 8 второго провода 5 значение напряжения много меньше напряжения на нагрузке 9. Напряжение на выходе устройства относительно начала 10 второго провода 5 и конца 11 первого провода 4, равное напряжению на разомкнутом управляемом искровом промежутке 12, так же мало.
В случае короткого замыкания при резком уменьшении сопротивления нагрузки 9, в соответствии с принципиальной схемой устройства фиг. 1, напряжение сети электропитания 1 оказывается приложенным к входу устройства, т.е. началу 7 первого провода 4 и концу 8 второго провода 5. Возрастание напряжения на входе относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5 приводит к замыканию управляемого искрового промежутка 12, как ключа. При этом управляемый искровой промежуток 12 обеспечивает подключение в цепь резистора согласования 13. Замыкание ключа соответствует изменению граничных условий в цепи с квазираспределенными параметрами (см. фиг. 2). При замыкании управляемого искрового промежутка 12, фактически подключении выхода устройства, образованному началом 10 второго провода 5 и концом 11 первого провода 4, к резистору согласования 13, обеспечивается режим согласования. При этом вход устройства относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5, находясь в режиме согласования, определяется резистором согласования 13.
В режиме согласования, соответствующем режиму безразличного резонанса, входное сопротивление относительно начала 7 первого провода 4 и конца 8 второго провода 5 становится равным сопротивлению резистора согласования 13. Ток выключателя 2, при этом резко ограничивается, так как он определяется действием напряжения сети электропитания 1 и возникшим в контуре сопротивлением резистора согласования 13. Значение сопротивление резистора согласования может быть вычислено как:
Использование изобретения позволяет повысить надежность работы и быстродействие ограничения токов короткого замыкания, сократить длительность переходного процесса при обеспечении простоты его схемотехнического решения. Уменьшение массогабаритов предлагаемого устройства достигается, благодаря многофункциональному применению проводников и диэлектриков в проводах индуктивной катушки и конденсаторе, использования в одном и том же устройстве режимов резонанса напряжений и режима согласования, обеспечения возможности компактного конструктивного его исполнения.
Ограничитель токов короткого замыкания, содержащий сеть электропитания, выключатель, трансформатор, включающий в себя магнитопровод с двухзаходной обмоткой, нагрузку, управляемый искровой промежуток, отличающийся тем, что снабжен резистором согласования, а двухзаходная обмотка магнитопровода трансформатора выполнена из двух изолированных друг от друга плёнками диэлектрика первого и второго проводов в виде металлической фольги, причём начало первого провода и конец второго провода образуют последовательный контур, содержащий сеть электропитания, выключатель и нагрузку, а начало второго провода и конец первого провода подсоединены к последовательному соединению управляемого искрового промежутка и резистора согласования.
