Как устроены и работают токоограничивающие и дугогасящие реакторы в энергетике

Современные автоматические выключатели ликвидируют токи коротких замыканий с минимально возможной выдержкой времени. Но, они не могут противостоять действию электродинамических сил, которые развиваются в первоначальный момент аварии. Для ликвидации их ударного проявления используются другие технические решения, основанные на работе реакторов.

Термин «Реактор» используется для обозначения устройств, работающих за счет проявления сил различных реакций, когда создается ответное воздействие на протекание какого-то определенного процесса, например, биологического, химического, электрического. механического…

Если совершается какое-то действие (обозначаемое корнем слова «акция»), то техническое устройство контролирует этот процесс и осуществляет противодействие его развитию (определяется предлогом «ре»). Название «Реактор» обозначается термином, состоящим из этого корня и предлога. А его окончание завершает определение технического устройства.

Наиболее широко используются сухие реакторы в сетях 6 и 10 кВ. Они выполняются в виде обмотки из изолированного провода, закрепленной на бетонных колоннах. Монтируются с вертикальным, горизонтальным или ступенчатым расположением фаз, в отдельных камерах распределительного устройства. В сетях более высоких напряжений применяются реакторы с масляной изоляцией, с каркасом стержневой или тороидальной формы из изоляционного материала и стальным баком.

Реакторы различают: по исполнению — одинарные и сдвоенные, по месту включения — секционные и линейные, по характеристикам — с линейной или нелинейной характеристикой, управляемые и неуправляемые. Сухие бетонные реакторы относятся к неуправляемым реакторам с линейной характеристикой.

Виды реакторов в энергетике

В высоковольтных электрических системах реакторы работают на принципе контроля и ограничения аварийных токов, стихийно возникающих на оборудовании схемы.

По назначению конструкции они подразделяются на два вида:

1. уменьшающие величины токов коротких замыканий — токоограничивающие;

2. снижающих возникающую электрическую дугу — дугогасящие.

Первый вид электротехнических аппаратов создается для устранения действия ударного тока, образуемого при возникновении короткого замыкания.

Второй — дугогасящие реакторы увеличивают индуктивное сопротивление, противодействующее развитию дуги при аварийной ситуации, связанной с образованием однофазного замыкания на контур земли в сетях, использующих глухоизолированную нейтраль.

Оба вида этих электротехнических устройств при номинальном режиме работы оборудования вносят небольшую погрешность в выходные характеристики системы, но она лежит в пределах рабочих нормативов, вполне допустима.

Что такое ударный ток короткого замыкания

При номинальном режиме высоковольтная энергия питания расходуется на преодоление полного сопротивления подключенной электрической схемы, состоящего из активной и реактивной нагрузки с индуктивными и емкостными связями. При этом создается рабочий ток, сбалансированный приложенной мощностью, напряжением, полным сопротивлением цепи.

Во время короткого замыкания происходит шунтирование огромной мощности источника случайным подключением нагрузки с маленьким активным сопротивлением, характерным для металлов. В ней отсутствует реактивная составляющая.

Это КЗ устраняет созданное равновесие в рабочей схеме, формирует новые виды токов. При этом переход источника напряжения на режим короткого замыкания происходит не мгновенно, а слегка растянут по времени. Такой кратковременный период называют переходным. При его протекании токи нагрузки изменяют форму и величину от значения гармоничной синусоиды номинального режима до характеристик установившегося подключения к «металлическому замыканию».

В ходе протекания переходных процессов полный ток от КЗ представляет собой вид сложной формы, которую для упрощения расчетов и анализа разделяют минимум на две составляющие:

1. вынужденную периодическую;

2. свободную апериодическую.

Первая часть повторяет форму питающего напряжения, а вторая возникает скачком и постепенно убывает по величине. Она формируется за счет емкостной нагрузки номинального режима, который рассматривается как холостой ход для последующего короткого замыкания.

Обе составляющие, складываясь вместе, создают ток, изменяющийся во времени сложным видом. Его необходимо учитывать при создании защит для принятия действенных мер.

За основу расчета выбирается величина с максимальным мгновенным значением апериодической составляющей. Его и называют ударным током.

Как работает токоограничивающий реактор

Основу конструкции составляет обмотка катушки, обладающей индуктивным сопротивлением, включенным в разрыв основной цепи питания. Ее параметры подбирают таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации падение напряжения на ней не превышало четырех процентов от общей величины.

При возникновении аварийной ситуации в защищаемой схеме эта индуктивность гасит большую часть приложенного высоковольтного напряжения и таким образом ограничивает действие ударного тока.

Токоограничивающий реактор рассчитывают по величине максимального тока аварии Im, которому он может противостоять по выражению:

В формуле Iн обозначает значение номинального тока, а Xр — величину реактивного сопротивления обмотки.

Приведенная закономерность наглядно показывает, что увеличение индуктивности катушки ведет к уменьшению ударного тока.

Реактивные свойства обмоток обычно повышают подключением магнитопровода из стальных пластин. В конструкциях подобных реакторов при протекании больших токов по виткам происходит насыщение материала сердечника, что ведет к потере его токоограничивающих свойств. Поэтому от таких конструкций в большинстве случаев отказываются.

Токоограничивающие реакторы, как правило, изготавливают без использования стальных сердечников. Из-за необходимости достижения требуемой индуктивности они обладают повышенными габаритами и весом.

Конструкции токоограничивающих реакторов

По внутреннему исполнению они бывают:

Реакторы из бетонных блоков

Такие конструкции эксплуатируются довольно долгое время в сетях с напряжением до 35 кВ. Их обмотку делают из эластичных проводов, демпфирующих динамические и температурные нагрузки несколькими параллельными цепочками, равномерно распределяющими токи. Этим способом разгружают механическое воздействие на стационарную бетонную конструкцию.

Витки обмоток подобных реакторов выполнены многожильными проводами круглого сечения с изоляцией. Их заливают специальным сортом высокопрочного бетона, смонтированного в вертикальные колонки. При необходимости дополнения в конструкцию металлических частей используют исключительно немагнитные материалы.

Способ включения фазных катушек выбирают таким, что бы магнитные поля от них направлялись встречно. Этим приемом ослабляют динамические усилия при ударных токах КЗ.

Открытое расположение обмоток в пространстве позволяет обеспечивать хорошие условия для естественного охлаждения атмосферным воздухом. Когда тепловые нагрузки при номинальном режиме или коротких замыканиях способны превысить допустимые пределы нагрева обмоток, то применяют принудительный обдув вентиляторами.

При эксплуатации следует учитывать, что при сырой погоде бетон накапливает влажность из воздуха.

Подобные устройства до сих пор массово работают в высоковольтных сетях энергетики, успешно справляются с аварийными ситуациями, но считаются уже морально устаревшими.

Реакторы сухого типа

Они стали появляться благодаря разработке новых изоляционных материалов, основанных на кремнийорганической структуре. Она позволяет создавать изделия, успешно работающие на электрооборудовании до 220 кВ включительно.

Катушка обмотки наматывается прямоугольным многожильным кабелем повышенной прочности и покрывается слоем кремнийорганического лака. Дополнительные эксплуатационные преимущества обеспечивает покрытие кремнийорганической силиконовой изоляцией.

В результате этих доработок сухие токоограничивающие реакторы по сравнению с бетонными аналогами обладают:

меньшими габаритами и весом;

повышенной механической прочностью;

бо́льшим ресурсом работы.

У них медная обмотка проводников изолируется пропитанной кабельной бумагой и монтируется на изоляционных цилиндрах, помещенных в емкость с маслом либо другим жидким диэлектриком, одновременно выполняющим функцию отвода тепла.

Чтобы исключить нагрев металлического корпуса емкости от протекающего по виткам обмотки переменного поля промышленной частоты в подобную конструкцию включают магнитные шунты или электромагнитные экраны.

Магнитный шунт создают из магнитомягких листов стали. размещенных внутри масляной емкости около ее стенок. Образованный таким методом внутренний магнитопровод замыкает на себя магнитный поток, создаваемый обмоткой.

Электромагнитные экраны изготавливают в виде алюминиевых либо медных короткозамкнутых витков, смонтированных у стенок бака. В них индуцируется встречное электромагнитное поле, снижающее действие основного.

Создаются с сердечником. Учитывая возможность насыщения магнитопровода, такие изделия требуют точного расчета и тщательного анализа условий эксплуатации.

Броневые сердечники из электротехнических сортов стали позволяют снижать габариты и вес подобных конструкций реакторов, а заодно и стоимость.

Но при их использовании требуется обязательно учитывать то обстоятельство, чтобы ударный ток не превышал максимального возможного значения для этого типа устройств.

Защищают кабельную ЛЭП по другому принципу, чем их токоограничивающие аналоги.

Об опасности однофазных замыканий на контур земли в схеме с изолированной нейтралью

Энергетические сети с рабочим напряжением 6÷35 кВ создаются для работы на линиях электропередач с нейтралью, изолированной от земли. В этом случае между всеми проводниками образуется емкостное сопротивление, а они сами работают так же, как обкладки конденсатора, то есть накапливают заряды.

При нарушении изоляции любой из фаз на контур земли создается замкнутая электрическая цепочка, через которую начинает стекать только емкостной ток. Он не создает короткое замыкание. Поэтому подобную неисправность допускается действующими документами устранять не мгновенно, а с выдержкой времени до двух часов. Она необходима оперативному персоналу как резерв на изменение схемы питания потребителей поврежденной линии без перерыва их электроснабжения.

С этой целью релейные защиты ЛЭП настраиваются в работу на сигнал, а не на отключение питания. Однако в такой ситуации проявляется двойная опасность:

1. попадания человека под действие шагового напряжения, оказавшегося в случайном месте возникновения неисправности;

2. возникновения электрической дуги, когда емкостной ток станет превышать величину в 20 ампер.

Горение дуги разрушает изоляцию проводов и кабелей, переводит однофазное замыкание в двух- или трехфазное КЗ со всеми негативными последствиями. Ее действие ограничивают защитными устройствами.

Назначение дугогасящих реакторов

Обмотка катушки L включается между нейтралью генератора и контуром земли. Она обладает индуктивным сопротивлением, которое можно регулировать посредством переключения числа витков. Измерительный трансформатор ТА позволяет контролировать проходящий ток для принятия действенных мер.

Такой способ подключения обмотки катушки позволяет создавать последовательную цепочку, состоящую из емкости и индуктивности, к которой приложено напряжение источника фазы с поврежденной изоляцией.

Емкостной и индуктивный токи находятся в противофазе, сдвинуты на общий угол 180 градусов. Действие емкостного тока ограничивается индуктивным, направленным встречно. В итоге суммарная величина, проходящая через поврежденную изоляцию, значительно уменьшается.

Дугогасящие реакторы могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек для линий ограниченной длины или изготавливаться с возможностью регулировки индуктивного сопротивления катушки:

В первом случае изменение индуктивности осуществляется за счет переключения числа обмоток, подключенных к отпайкам.

Плавную регулировку выполняют:

плунжерные конструкции, регулирующие воздушный зазор магнитопровода;

реакторы с подмагничиванием постоянным током, использующие принципы магнитных усилителей.

Дугогасящие реакторы постоянной индуктивности создаются без систем управления.

Для регулирования индуктивности используются конструкции с:

ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;

приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;

измерителем емкости, позволяющим автоматически подстраивать индуктивность под результат замера за счет плавного регулирования тока.

Современные конструкции дугогасящих реакторов в управлении используют микропроцессорные технологии, облегчающие возможности эксплуатации предоставлением обслуживающему персоналу расширенной информации по статистике замыканий, поиску повреждений и другим полезным функциям.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Для чего применяется дугогасящий реактор

	Дугогосящие реакторы Одно из основных достоинств сетей с изолированной нейтралью – возможность сохранения их в работе при наиболее частом виде повреждения в линиях электропередачи – однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным критерием, вынуждающим отключать потребителей в режиме ОЗЗ, является величина тока в месте замыкания, обусловленная емкостью фаз сети относительно земли, приводящая к возникновению устойчивой дуги и, как следствие, тяжелым авариям. Постоянное развитие сетей ведет к росту этого емкостного тока, который может быть компенсирован специальными индуктивными (дугогасящими) аппаратами, вопрос правильного выбора и подключения которых каждый раз встает перед проектировщиками. Рассмотрению этого вопроса посвящена статья чебоксарских специалистов. ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ В СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Компенсация емкостных токов замыкания на землю Владимир Козлов, к.т.н., главный конструктор Михаил Петров, к.т.н., главный специалист по режимам нейтрали ООО «НПП Бреслер», г. Чебоксары Один из вариантов решения проблем ликвидации ОЗЗ был предложен в 1916 году Петерсеном [1] и заключается в компенсации емкостных токов от места замыкания посредством специальных индуктивностей – дугогасящих катушек (ДГК) или дугогасящих реакторов (ДГР). Включение ДГР, кроме снижения тока в месте замыкания, приводит к увеличению времени восстановления напряжения на поврежденной фазе, что способствует восстановлению диэлектрических свойств изоляции в месте повреждения. Одним из главных преимуществ сетей с компенсацией емкостных токов также является снижение кратности перенапряжений в случае дуговых замыканий до 2,4–2,6 U ф ( U ф – фазное напряжение сети) при резонансной настройке контура нулевой последовательности сети. В условиях развития сетей и изменения их конфигурации поддержание резонансной настройки требует новых подходов к автоматике управления ДГР [2]. Значения емкостных токов, при превышении которых требуется компенсация, и условия выбора дугогасящих аппаратов приведены в [3]. В настоящее время с целью повышения эффективности эксплуатации электрических сетей компенсацию применяют при токах, существенно меньших рекомендованных ПУЭ и ПТЭ. В условиях современной тенденции замены кабелей с маслонаполненной изоляцией на кабели со СПЭ-изоляцией, увеличиваются емкости относительно земли и актуальность задачи компенсации емкостных токов постоянно нарастает. В частности, этот факт отражен в Положении о технической политике ФСК ЕЭС [4], в котором определено, что «при новом строительстве, расширении и реконструкции сетей напряжением 6–35 кВ необходимо рассматривать варианты проектных решений сети с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор с автоматической компенсацией емкостных токов». СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДГР Принципиально ДГР должны быть установлены в каждой фазе сети (рис. 1). При таком техническом решении катушка, подключенная к конкретной фазе, компенсирует емкостный ток замыкания на землю этой фазы. Рис. 1. Эквивалентная схема трехфазной сети 6–35 кВ с пофазной компенсацией емкостных токов Высокая стоимость трехфазной системы компенсации емкостных токов, ее громоздкость и технические сложности в пофазной настройке ДГР привели к тому, что наибольшее распространение получило решение с установкой одного ДГР в нейтраль сети (рис. 2). Но оно требует наличия явно выраженной нейтрали сети, которая не всегда имеется. На рис. 2 ДГР подключен к сети посредством специального нейтралеобразующего трансформатора TN. Рис. 2. Эквивалентная схема сети с одним компенсирующим устройством Как правило, мощность ДГР выбирается с учетом перспективного развития сетей и возможности компенсации емкостных токов одним реактором при объединении секций шин (СШ) и выводе в ремонт реактора другой СШ. В [5] приводятся расчет мощности и выбор дугогасящих аппаратов. Многие положения этого документа устарели. НЕЙТРАЛЕОБРАЗУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Трансформаторы, использующиеся для создания искусственной нейтрали с целью присоединения к ней ДГР, принято называть нейтралеобразующими, подземляющими, присоединительными или фильтрами нулевой последовательности. Последнее название подчеркивает тот факт, что реактор при ОЗЗ создает контур для протекания токов нулевой последовательности сети. В качестве таких присоединительных трансформаторов могут применяться любые трехфазные трансформаторы соответствующей мощности. Первичные обмотки трансформатора должны быть соединены в звезду с выведенной нейтралью, к которой и подсоединяется ДГР. Кроме того, необходимо наличие вторичных обмоток, соединяемых в замкнутый треугольник, что обеспечивает малое сопротивление трансформатора токам нулевой последовательности сети. Малого сопротивления токам нулевой последовательности сети можно также добиться соединением обмоток трансформатора в зигзаг [6]. Первичная обмотка такого трансформатора разбита на две равные части, которые соединяются последовательно, встречно с половинкой обмотки другой фазы (рис. 3). В результате такого соединения суммарное количество витков, приходящихся на одну фазу, в 1,15 раза больше, чем в аналогичной обмотке при соединении просто в звезду. Однако отсутствие необходимости во вторичной обмотке, соединяемой в замкнутый треугольник, делает такое решение экономически оправданным для задачи искусственного создания нейтрали. Такие трансформаторы получили название – фильтры нулевой последовательности (ФМЗО). Рис. 3. Схема подключения ДГР посредством ФМЗО Если силовые трансформаторы (T на рис. 4) или трансформаторы собственных нужд сети имеют подходящее соединение вторичных обмоток, ДГР может быть подключен непосредственно к их нейтрали. В этом случае мощность реактора не должна превышать 7–10% номинальной мощности трансформатора. В качестве нейтралеобразующих трансформаторов могут применяться силовые масляные трансформаторы серий ТМ, ТМА, ТМГ с выведенной нейтралью и соединенной в треугольник вторичной обмоткой (TN на рис. 4). Рис. 4. Схема подключения ДГР к нейтрали сети 35 кВ и 6–10 кВ с помощью TN При проектировании системы компенсации емкостных токов необходимо обратить внимание на влияние сопротивления TN на выбор величины тока ДГР [5]. Истинное значение тока реактора можно рассчитать по формуле: где IL – максимальное паспортное значение тока реактора; XL – минимальное значение индуктивного сопротивления ДГР в заданном диапазоне регулирования; XTN – эквивалентное сопротивление TN токам нулевой последовательности. Последнее рассчитывается по формуле: где UK, UНОМ и SНОМ – соответственно напряжение КЗ трансформатора (паспортное значение в %) TN, номинальные напряжение и мощность трансформатора. ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ Дугогасящие реакторы выпускаются регулируемого и нерегулируемого исполнения. Регулируемые ДГР нашли широкое применение в распределительных сетях 6–35 кВ. По принципу регулирования ДГР подразделяются на ступенчато- и плавнорегулируемые. К первому типу относятся катушки типа ЗРОМ, РЗДСОМ и эксплуатировавшиеся в СССР с 1950–60 гг. реакторы типа CEUF (ГДР). В настоящее время данный тип реакторов практически не выпускается. Плавнорегулируемые ДГР представлены плунжерными реакторами, в которых регулирование индуктивности производится изменением немагнитного зазора сердечника, и ДГР с подмагничиванием сердечника, за счет которого изменяется рабочие точки на нелинейной характеристике магнитопровода, а следовательно, и индуктивность реактора. Попытки избавиться от основного недостатка плунжерных реакторов – наличия механического привода – привели к появлению разнообразных ДГР с подмагничиванием от внешнего источника продольного, поперечного и смешанного возбуждения. Однако большая потребляемая мощность, малый диапазон регулирования тока компенсации, наличие высших гармонических в токе рабочей обмотки, сложность автоматического управления сделали этот тип ДГР неконкурентоспособным на рынке электрооборудования. Большая часть этих реакторов демонтирована, а остальные постепенно выводятся из эксплуатации. КОНСТРУКЦИЯ ДГР Большинство ДГР, эксплуатируемых в электрических сетях России, выпускаются в двух- и трехстержневом исполнении. Двухстержневая конструкция характерна для ступенчато-регулируемых реакторов и реакторов серии РУОМ. Обе половинки рабочей обмотки реакторов соединяются параллельно. На стержнях дополнительно наматываются сигнальная обмотка и обмотка управления. Последняя рассчитывается на подключение активного сопротивления для снижения добротности контура нулевой последовательности сети. Плунжерные дугогасящие реакторы в основном имеют трехстержневую конструкцию магнитопровода. Регулирование индуктивного тока осуществляется изменением высоты немагнитного зазора в центральном стержне. Для этого центральный стержень разрезается на 2 части. Возможны два варианта регулирования индуктивности катушки: симметричное, когда зазор изменяется одновременно в обе стороны относительно центральной оси сердечника, и несимметричное, когда подвижной является лишь одна часть сердечника. В первом случае характеристика регулирования ДГР более плавная, чем во втором. Для снижения потерь в катушке и магнитопроводе мощные ДГР серии РЗДПОМ выполняются пятистержневыми (четырехлучевая звезда). Самые совершенные реакторы ASR и ZTC фирмы EGE выполняются по схеме – симметричная шестилучевая звезда. Такое конструктивное исполнение магнитопровода позволило минимизировать потери в стали, в том числе за счет упорядочения потоков рассеяния в немагнитных зазорах. ПРОИЗВОДИТЕЛИ ДГР Плунжерные катушки, за исключением России и стран СНГ, выпускают в пяти странах мира: Чехии, Австрии, Канаде, Китае и Индии. В СНГ ДГР плунжерного типа производят «Белэнергоремналадка» (Белоруссия), «ЭЛИЗ» (г. Запорожье, Украина), «Электрозавод» (г. Москва), филиал «Мосэнерго» ЦРМЗ (г. Москва), ВП «НТБЭ» (г. Екатеринбург) и «Свердловэлектроремонт» (г. Екатеринбург). В табл. 1 приведен список изготовителей и поставщиков плавнорегулируемых ДГР для электроэнергетики России. Отметим, что единственным предприятием, поставляющим ДГР сухого исполнения для закрытых подстанций, является фирма TRENCH. Табл. 1. Производители дугогасящих реакторов Реакторы РДМР РЗДПОМ РУОМ ASR, ZTC TRENCH Производитель «Свердлов-электроремонт», ВП «НТБЭ» «Белэнергоремналадка», «ЭЛИЗ», Электрозавод, ЦРМЗ «Мосэнерго» ОАО РЭТЗ «Энергия» EGE (Чехия), ООО «ЭНЕРГАН» (дилер EGE) TRENCH (Австрия), НПО «ТехноСервис-Электро» (дилер Trench) Охлаждение Масляное Масляное Масляное Масляное Масляное, сухое Исполнение Одинарное Одинарное Одинарное Одинарное, комбинированное Одинарное, комбинированное Класс напряжения, кВ 6, 10 6, 10, 20, 35 6, 10 6, 10, 20, 35 6, 10, 20, 35 Кратность регулирования 8–25 5 10 10 10 Диапазон мощностей, кВА 300–820(1520) 120–1520 90–1520 50–8000 100–1000 EGE и TRENCH также предлагают потребителям дугогасящие аппараты комбинированного исполнения, представляющие собой нейтралеобразующий трансформатор (ФМЗО) и дугогасящий реактор, установленные в одном маслонаполненном баке. Однако их применение в отечественной практике не соответствует нормативным документам, поскольку в п. 6.1 Инструкции [5] говорится, что «включение или отключение трансформаторов, предназначенных для подключения дугогасящих реакторов, допускается производить только при отключенном дугогасящем реакторе (разъединитель в цепи реактора должен быть отключен)». ВЫВОД В настоящее время наиболее перспективным типом дугогасящих аппаратов в сетях 6–35 кВ являются плунжерные реакторы. ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник