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

Токоограничивающие реакторы

Реактор – это катушка с неизменной индуктивностью, предназначенная для поддержания напряжения на шинах и ограничения токов короткого замыкания в случае возникновения аварийных режимов работы. Для более детального понимания давайте рассмотрим рисунок ниже:

Сборные шины 2 получают питание от генератора 1. От этих шин идут линии 3 к потребителю. Рассмотрим два случая – за выключателем 4 реактор не установлен, а за выключателем 5 установлен реактор 6.

В случае возникновения трехфазного короткого замыкания за выключателем 4 ток короткого замыкания I_к1 будет определяться в основном индуктивным сопротивлением генератора:

Введем понятие относительного индуктивного сопротивления генератора, выраженного в процентах:

Где I_н.г – номинальный ток генератора.

Воспользовавшись формулами (1) и (2) получим:

В таком случае напряжение на сборных шинах станет равно нулю и, соответственно, на всех отходящих линиях напряжения тоже не будет.

Стоит также отметить, что выключатель 4 должен быть выбран по току короткого замыкания I_k1.

В случае короткого замыкания на линии с реактором ток короткого замыкания будет определяться суммарным сопротивлением реактора и генератора:

Введем относительное реактивное сопротивление реактора в процентах:

Обычно от одного источника питаются несколько десятков потребителей электрической энергии. Поэтому значение номинального тока линии намного меньше номинального тока генератора. Длительный ток реактора выбирается исходя из длительного тока линии, откуда следует I_н.р > Х_г. При этом можно написать:

При сделанных допущениях ток короткого замыкания будет определяться только параметрами реактора.

Реактор довольно надежный аппарат и его повреждение или выход из строя практически исключены. Поэтому выбор аппаратуры линии производят по току производят исходя из соотношения I_k2 > X_г, то в случае возникновения короткого замыкания практически все напряжение ложится на индуктивное сопротивление реактора и напряжение на шинах получается близким к номинальному (рисунок ниже а)):

В номинальном режиме работы через реактор проходит ток нагрузки. Потерю напряжения на реакторе можно определить по формуле:

Векторная диаграмма напряжения показана на рисунке выше б). При чисто индуктивной нагрузке φ = 90 0 потеря напряжения равна падению напряжения на реакторе. В случае работы на активную нагрузку с cosφ = 0,8 потеря напряжения равна 0,6 Х_р%. Отсюда следует, что потеря напряжения на реакторе в длительном режиме невелика.

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются специальные сдвоенные реакторы, у которых в номинальном режиме работы потеря напряжения еще меньше.

Поскольку выбор электрической аппаратуры распределительного устройства проводится с учетом ограничения тока короткого замыкания реактором, то к его надежности предъявляются особо высокие требования.

В номинальном режима работы обмотка реактора нагревается проходящим через него током. Мощность, которая выделяется в обмотке реактора, составляет несколько киловатт при малых токах, и несколько десятков киловатт при больших токах (I_н.р = 2000 А).

В случае короткого замыкания через реактор проходит ток во много раз превышающий номинальное значение. Данное явление приводит к быстрому повышению температуры реактора.

Поэтому в качестве основных параметров вводят длительный номинальный ток I_н и ток термической стойкости I_н.т, отнесенный к определенному времени t_н.т. Иногда термическая стойкость задается произведением:

Если индуктивное сопротивление реактора превышает 3%, то наибольший ток короткого замыкания, проходящий через реактор, задается соотношением:

Данный ток берется за основу при расчете электродинамической и термической стойкости реактора.

Источник

Как устроены и работают токоограничивающие и дугогасящие реакторы в энергетике

Ударный ток короткого замыкания: что это?

Для чего нужен реактор токоограничивающий на 10 кВ и более? Дело в том, что при номинальном режиме питающая высоковольтная энергия расходуется на преодоление максимального сопротивления активной электросхемы. Она, в свою очередь, состоит из активной и реактивной нагрузки, обладающей емкостными и индуктивными связями. В результате создается рабочий ток, который оптимизируется при помощи полного сопротивления цепи, мощности и показателя напряжения.

При коротком замыкании происходит шунтирование источника посредством случайного подключения максимальной нагрузки в сочетании с минимальным активным сопротивлением, что характерно для металлов. При этом наблюдается отсутствие реактивной составляющей фазы. Короткое замыкание нивелирует равновесие в рабочей схеме, образуя новые типы токов. Переход от одного режима к другому происходит не мгновенно, а в затянутом режиме.

Во время этой кратковременной трансформации изменяются синусоидные и общие величины. После короткого замыкания новые формы тока могут приобретать вынужденную периодическую либо свободную апериодическую сложную форму.

Первый вариант способствует повторению конфигурации питающего напряжения, а вторая модель предполагает преобразование показателя скачками с постепенным убыванием. Формируется она посредством емкостной нагрузки номинального показателя, рассматриваемого как холостой ход для последующего короткого замыкания.

Принцип действия токоограничивающих реакторов

В основу конструкции входит катушечная обмотка, имеющая индуктивное сопротивление. Оно включено в разрыв главной питающей цепи. Характеристики этого элемента подбираются таким образом, чтобы при стандартных эксплуатационных условиях напряжение не падало выше 4% от общей величины.

Если в защитной схеме возникает аварийная ситуация, токоограничивающий реактор за счет индуктивности гасит преимущественную часть приложенного высоковольтного воздействия, одновременно сдерживая ударный ток.

Схема работы прибора доказывает тот факт, что при увеличении индуктивности катушки прослеживается снижение воздействия ударного тока.

Результирующее сопротивление цепи КЗ с учетом реактора

Рисунок 6.2-Схема подстанции

Рисунок 6.3 – Схема ТЭЦ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Основные данные и технические параметры приведены в таблице 1

Таблица 1 – Технические параметры

Дополнительную информацию Вы можете найти в нашем коммерческом предложении.

Принцип работы дугогасящего реактора. Виды и особенности применения

В высоковольтных линиях передач при аварийном режиме возникают емкостные токи, происходит это, когда одна из фаз пробивает на землю. Эти емкостные токи образуют электрическую дугу при этом разрушая изоляцию подходящих кабелей и всю релейную защиту. Чтобы избежать этого, применяют дугогасящие реакторы. Они способствуют уменьшению действия электрической дуги.

Дугогасящий реактор

В современных схемах электроснабжения применяются многочисленные системы и аппаратура защиты. Чтобы избежать перебоев в электроснабжении потребителей, применяют одно из специальных средств защиты при однофазном замыкании на землю – дугогасящие реакторы. Они представляют собой электрические аппараты, предназначенные для компенсации емкостной составляющей тока при замыкании на землю.

Используются реакторы в основном в сетях с изолированной нейтралью напряжением от 6 до 35 кВ. В сетях напряжением от 110 до 750 кВ используют глухозаземленную нейтраль.

Виды и состав реакторов

Дугогасящие реакторы, как и любое специализированное оборудование, разделяют по некоторым категориям.

По точности регулировки реакторы разделяют на несколько видов:

По способу настройки выделяют:

По управлению реакторы разделяют на:

Дугогасящие реакторы представляют собой обычный трансформатор. В зависимости от условий, изготавливают сухие и маслонаполненные, с постоянным зазором между сердечником и катушкой, а также с изменяемым.

Принцип действия

Для того чтобы избежать перебоев в электроснабжении потребителей, применяют компенсацию активной составляющей путем выравнивания при помощи индуктивной составляющей.

На этом и основан принцип дугогасящего реактора. Индуктивный и емкостной токи противоположны по фазе, равны по значению, и по отношению к источнику энергии взаимно компенсируются в точке замыкания на землю, что приводит к затуханию электрической дуги.

Это позволяет сохранить токоведущие части в нетронутом состоянии, а также избежать выхода из строя оборудования при замыкании на землю.

Работа сети электрического тока с изолированной нейтралью не превышает 6 часов, чего вполне достаточно для того, чтобы найти и устранить неисправность на линии передач. Быстрое устранение неисправности – залог стабильной работы оборудования потребителей.

Устройство и принцип действия

Реактор — это катушка с постоянным индуктивным сопротивлением, включенная в цепь последовательно. В большинстве конструкций токоограничивающие реакторы не имеют ферромагнитных сердечников. В нормальном режиме на реакторе наблюдается падение напряжения порядка 3—4 %, что вполне допустимо. В случае короткого замыкания бо́льшая часть напряжения приходится на реактор. Значение максимального ударного тока короткого замыкания рассчитывается по формуле:

где I_H — номинальный ток сети, Xp — реактивное сопротивление реактора.

Соответственно, чем выше будет реактивное сопротивление, тем меньше будет значение максимального ударного тока в сети.

Реактивность прямо пропорциональна индуктивному сопротивлению катушки. При больших токах у катушек со стальными сердечниками происходит насыщение сердечника, что резко снижает реактивность, и, как следствие, реактор теряет свои токоограничивающие свойства. По этой причине реакторы выполняют без стальных сердечников, несмотря на то, что при этом, для поддержания такого же значения индуктивности, их приходится делать больших размеров и массы.
В случае если в линии электропередач 0,4—110 кВ имеются устройства передачи данных по технологии PLC, то реактор будет гасить эти частоты[источник не указан 1041 день].

Масляные варианты

Данное электротехническое оборудование оснащается проводниками с изолирующей кабельной бумагой. Устанавливается оно на специальных цилиндрах, которые находятся в резервуаре с маслом или аналогичным диэлектриком. Последний элемент также играет роль детали для отвода тепла.

Для нормализации нагрева металлического корпуса в конструкцию включают магнитные шунты или экраны на электромагнитах. Они позволяют уравновесить поля промышленной частоты, проходящие по виткам обмотки.

Шунты магнитного типа изготавливаются из стальных листов, размещающихся в середине масляного резервуара, непосредственно возле стенок. В результате образуется внутренний магнитопровод, который на себе замыкает поток, создаваемый обмоткой.

Экраны электромагнитного типа создаются в виде короткозамкнутых витков из алюминия или меди. Устанавливаются они около стенок емкости. В них происходит индукция встречного электромагнитного поля, уменьшающего воздействие основного потока.

Применение

Дугогасящие реакторы применяются для заземления нейтрали трёхфазных сетей 6, 10, 35 кВ.

Из-за распределённой по линии электропередачи или кабелю ёмкости, при ОЗЗ в месте повреждения изоляции возникает ёмкостный ток. Если он превышает 20—30 А, возникает электрическая дуга, горение которой разрушает изоляцию и проводник кабеля, что может приводить к переходу ОЗЗ в двух- или трёхфазное замыкание и отключению линии релейной защитой. Таким образом потребитель электроэнергии может временно лишиться электроснабжения.

Этого не происходит, когда нейтраль сети заземлена через дугогасящий реактор, индуктивность которого во время ОЗЗ такова, что емкостная проводимость распределённой ёмкости сети и индуктивная проводимость реактора на промышленной частоте равны. Происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания с равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (обычно не более 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией. По действующим нормам допускается работа сети с изолированной нейтралью при ОЗЗ в течение 2 часов, предоставляемых персоналу для поиска и устранения повреждений изоляции.

Особенности

Рассматриваемый электрический аппарат оснащен обмотками, которые имеют магнитный провод из стальных пластин, служащий для повышения реактивных свойств. В таких агрегатах в случае прохождения больших токов по виткам наблюдается насыщение материала сердечника, а это приводит к снижению его токоограничивающих параметров. Следовательно, подобные приспособления не нашли широкого применения.

Преимущественно реакторы-токоограничители не оборудуются стальными сердечниками. Связано это с тем, что достижение необходимых характеристик индуктивности сопровождается значительным увеличением массы и габаритов приспособления.

ДГР, регулируемые без напряжения

Рис. 55. Схема ДГР. регулируемого без напряжения пересоединением зажимов.

Таблица 2. Основные напряжения, мощности и предельные токи реакторов со ступенчатым регулированием. Реактор имеет практически линейную вольт-амперную характеристику при увеличении напряжения до 1,1 U. Высшие гармоники в токе реактора отсутствуют (K = 0). Активные потери реактора не превышают 2,5 % номинальной мощности (р = 0,025). Для реакторов с максимальным током более 50 А остаточный ток превышает 5 А. Технология изготовления ЭРОМ и РЗДСОМ разработана сравнительно давно и полностью отвечает требованиям серийного производства. Рис. 56. Принципиальная схема (а) и стилизованный разрез (б) реактора типа ЗРОМ (РЗДСОМ).

Источник