 |
КОММУТАЦИОННЫЕ
ОГРАНИЧИТЕЛИ ТОКА
Основные
преимущества применения
Павел Елагин,
ОАО «Росполь-Электро»,
г. Санкт-Петербург
Александр Малышев,
заместитель генерального директора –
директор Филиала
ОАО «НТЦ электроэнергетики» –
НИЦ ВВА, г. Москва
Юрий Дементьев,
начальник Департамента систем
передачи и преобразования
электроэнергии ОАО «ФСК ЕЭС»,
г. Москва
Мы уже затрагивали тему коммутационных ограничителей тока («Новости ЭлектроТехники» № 4(28) 2004) и ознакомили читателей с общим
принципом работы данного устройства.
В новой статье авторы из Санкт-Петербурга и Москвы возвращаются
к аппарату, приводя более подробный анализ его работы и примеры
использования.
В качестве устройств ограничения токов короткого замыкания (КЗ)
в сетях до 35 кВ, как правило, применяются предохранители и токоограничивающие реакторы. Применение предохранителей ограничено
номинальными токами (при номинальном токе 400 А токоограничение
практически отсутствует), в то время как реакторы, хоть и имеют ряд
преимуществ, обладают некоторыми существенными недостатками
(например, падение напряжения и потери), что заставляет искать
альтернативные методы ограничения токов КЗ. Различные схемные
решения и сверхбыстродействующие выключатели не позволяют
решить проблему ограничения ударного тока.
Конечно, современные разработки, такие как токоограничивающие
устройства, основанные на принципах сверхпроводимости, и новое
поколение полупроводниковых выключателей, имеют неоспоримые
преимущества перед другими решениями, но серийные образцы,
удовлетворяющие предъявляемым требованиям, будут готовы не
раньше 2012 года, а проблема ограничения токов КЗ существует на
сегодняшний день.
Обращаясь к зарубежной практике, в схемах электроснабжения
больших заводов и электростанций можно встретить коммутационные
ограничители тока. В отечественной литературе подобные устройства
известны под названием ограничителей ударного тока взрывного
действия (к сожалению, разработки данного аппарата в СССР не
привели к запуску его в производство).
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Каждая фаза коммутационного ограничителя тока состоит из трех
основных элементов: разъединительное устройство, параллельно
подключенный плавкий токоограничивающий предохранитель и блок
логических схем с трансформатором тока.
В нормальном режиме работы ток течет по медной шине, расположенной в патроне разъединительного устройства. При этом надо
отметить, что через параллельно подключенный предохранитель
проходит порядка 0,1% от номинального тока вследствие его большего сопротивления (сопротивление шины при рабочем токе 3000 А
составляет около 16 мкОм).
При возникновении КЗ логические схемы подают сигнал на детонатор, приводя к размыканию основной шины взрывом. Сигнал на
отключение подается только тогда, когда мгновенное значение тока
КЗ достигает заданной величины (с некоторой выдержкой времени,
зависящей от конкретных условий и в среднем составляющей 80 мкс,
для устранения возможности ложного срабатывания при временных
бросках тока), что имеет преимущества над принципом реагирования
по скорости изменения тока di/dt, применявшимся в более старых
разработках ограничителей взрывного действия. Скорость нарастания
тока при симметричном КЗ может достичь максимума в начальный
(нулевой) момент времени, в то время как при несимметричном КЗ
скорость нарастания тока достигает наибольшего значения в середине
первого полупериода, что во многих случаях приводит к неправильной
оценке аварийного режима. Поэтому в современных коммутационных
ограничителях тока приоритет отдается только значению тока КЗ, а
не скорости его изменения.
Пиротехнические заряды рвут шину в нескольких точках, тем
самым образуя несколько промежутков (типовое решение представляет собой 4 промежутка). Для обеспечения безопасности взрыв
происходит в патроне, сдерживающем выброс ионизированных газов
наружу.
После завершения процесса коммутации ток полностью переходит
на плавкий предохранитель. Вследствие малого времени горения
дуги на образовавшихся промежутках, а поэтому и малого уровня
ионизации, восстановление электрической прочности разъединителя
занимает примерно 50 мкс.
Стоит обратить внимание, что отключение происходит не при
естественном переходе тока через нулевое значение, в чем и заключается отличие токоограничивающих устройств от традиционных
выключателей и выхлопных предохранителей.
После устранения КЗ патроны разъединителя и предохранителя
заменяются.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Перед рассмотрением нескольких простых примеров применения
коммутационных ограничителей тока в схемах следует отметить
следующее:
- работа коммутационных ограничителей тока является прогнозируемым процессом, т.е. характер изменения тока КЗ можно смоделировать и представить в виде графика до ввода устройства в эксплуатацию;
- данные аппараты устанавливаются для ограничения токов КЗ с большой амплитудой, а для отключения небольших токов КЗ и токов перегрузки должны применяться традиционные устройства, например силовые выключатели (при этом никаких дополнительных требований к уставкам защит не требуется). В связи с этим средний интервал между отключениями токов КЗ коммутационным ограничителем тока составляет 5–10 лет, а в некоторых случаях не возникает условий срабатывания ограничителя более 20 лет (по опыту эксплуатации);
- данные ограничители не являются универсальным устройством – каждая схема должна рассматриваться отдельно на целесообразность установки такого аппарата. Например, параллельное соединение с реактором (оно будет рассмотрено ниже) не всегда имеет смысл, если рассматривать случаи, когда существует вероятность возникновения очень частых КЗ с токами большой величины, приводящих к многократным отключениям ограничителя.
Пример 1
Схема, представленная на рис. 1, иллюстрирует ситуацию, которая
может возникнуть в нескольких случаях: выход из строя токоограничивающего реактора; изменение режима работы, приводящее
к возрастанию ожидаемого тока КЗ; поиск решения по экономии
средств при новом строительстве и т.д. На вводе возможно появление
большого тока КЗ (в нашем случае действующее значение 75 кА),
в то время как нижестоящее оборудование рассчитано на гораздо
меньшие токи (действующее значение 40 кА), т.е. оборудование уже
установлено либо планируется снизить затраты на установку более
«тяжелой» аппаратуры.
В данном варианте коммутационный ограничитель тока можно
установить на вводе, отказываясь от реактора. Как видно из анализа
(рис. 2), ограничитель отключается до достижения током наибольшего
пикового значения, выдерживаемого выключателем.
Нельзя не отметить выгоду применения коммутационных ограничителей тока для защиты трансформаторов, генераторов и конденсаторов. Например, уже давно в России существует проблема стойкости
трансформаторов при КЗ, вызванная рядом причин: игнорирование многими производителями (как отечественными, так и зарубежными)
полноценных испытаний своих изделий, использование производителями устаревшей методики расчета электродинамической стойкости,
ошибочная политика сертификации, отсутствие периодических испытаний на стойкость и др. В связи с этим установка ограничителя
тока позволит обеспечить надежную защиту трансформаторов от
действия больших токов КЗ.
Пример 2
В последнее время многие потребители в России проявляют
интерес к сооружению собственного источника электроснабжения.
Рис. 3 иллюстрирует ситуацию, когда в схему добавляется генератор,
приводящий к увеличению суммарного тока КЗ. Изначально ток КЗ в
точке К составлял 18 кА (действующее значение), и соответственно
было установлено коммутационное оборудование с отключающей
способностью 20 кА. Включение генератора в цепь увеличивает ток
до 28 кА.
Применение реакторов нежелательно, а в некоторых случаях невозможно. Коммутационный ограничитель тока можно установить на
ввод от системы или непосредственно на генераторное присоединение
(как показано на схеме). Анализ ситуации приведен на рис. 4: после
возникновения КЗ с током большой величины генератор отключается
от системы до достижения током значения, превосходящего электродинамическую стойкость выключателей, после чего КЗ отключается
выключателем на отходящей линии.
Пример 3
Недостатком коммутационного ограничителя тока по сравнению с
реакторами и новыми разработками, такими как сверхпроводниковый
ограничитель, является то, что при его срабатывании защищаемая
цепь отключается от питания (если не реализованы прочие схемные
решения), что в некоторых случаях недопустимо.
Поэтому достаточно часто можно встретить параллельное соединение коммутационного ограничителя тока с реактором. Данное решение позволяет сохранять питание потребителей после отключения
ограничителя, а также исключить негативные стороны применения
реактора в нормальном режиме работы, при этом имеет место значительная экономия электроэнергии, т.к. в нормальном режиме работы
реактор шунтируется и активные потери практически отсутствуют.
Например, при потере в реакторе 20 кВт на фазу экономия составит
примерно 250 МВт·ч в течение года (при 50% нагрузке), что при цене
1 руб./кВт·ч сэкономит 250 тыс. руб. в год на один реактор.
На рис. 5 представлен пример параллельного соединения. В схеме применяются выключатели с отключающей способностью до
20 кА. Действующее значение ожидаемого тока КЗ составляет 30 кА,
установленный реактор ограничивает ток до 16 кА. В нормальном
режиме работы ток течет через коммутационный ограничитель тока,
что исключает воздействие реактора на систему. В случае возникновения КЗ, приводящего к срабатыванию ограничителя, ток переходит
на реактор. То есть реактор коммутируется в цепь только в случае
короткого замыкания с током большой величины и работает в послеаварийном режиме до тех пор, пока не будут заменены разъединительное устройство и предохранитель ограничителя.
В зависимости от требований для предотвращения неполнофазного
режима в качестве В1 применяется выключатель, который отключается по сигналу ограничителя, тем самым разрывая номинальный ток в
рабочих фазах. Анализ приведенного примера показан на рис. 6.
Пример 4
Возвращаясь к примеру 2, необходимо отметить, что при наличии
в схеме двух вводов от энергосистемы наибольшая эффективность
дополнительного источника достигается при параллельном режиме
работы. Однако параллельный режим приводит к значительному
увеличению токов короткого замыкания.
Рассмотрим простой пример применения в данном случае ком-
мутационного ограничителя тока (рис. 7), позволяющий решить
проблему увеличивающихся токов КЗ без реконструкции обору-
дования подстанции (применение ограничителей для данной цели
составляет примерно 50% от всех встречающихся схем с установкой
этих аппаратов).
Допустим, действующее значение тока КЗ до ввода генератора
составляло 18 кА от каждого трансформатора, при этом выключатели
выбраны с током отключения 40 кА, что позволяет осуществлять
параллельный режим работы. При вводе генератора ожидаемый
ток КЗ возрастает на 12 кА, что заставляет потребителя проводить
реконструкцию или выполнять более сложную схему.
При установке коммутационного ограничителя (анализ приведен
на рис. 8) проблема возросших токов решается просто – при КЗ огра-
ничитель «мгновенно» разделяет систему на две секции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, рассмотрев основные принципы работы и примеры практического применения, а также основываясь на зарубежном опыте эксплуатации (более 20 лет), можно сделать следующие выводы:
- коммутационные ограничители тока представляют собой токоограничивающие предохранители, которые коммутируются в цепь при КЗ с помощью взрывного устройства, тем самым устраняя недостатки предохранителей, увеличивая диапазон номинальных токов (до 6000 А) и позволяя отключать КЗ с токами большой величины (более 300 кА, действующее значение);
- скорость отключения токов КЗ ограничителями (до достижения ударного тока в пределах первого полупериода при несимметричных и четверти периода при симметричных КЗ) превосходит скорости отключения выключателей (обычно составляющие от двух до пяти периодов), обеспечивая токоограничение и значительно меньшее значение интеграла Джоуля;
- основные направления применения ограничителей в сетях среднего напряжения: защита вводных и отходящих присоединений (в том числе трансформаторов, генераторов, резонансных устройств, конденсаторов и фильтров гармоник); использование в качестве генераторных выключателей для основных цепей и ответвлений на собственные нужды; использование в схемах секционирования при параллельном режиме работы; одновременное применение с реакторами (для устранения недостатков реакторов); улучшение качества электроэнергии; повышение уровня безопасности;
- применение коммутационных ограничителей тока позволяет устанавливать распределительное оборудование с меньшими токами электродинамической стойкости и отключающей способностью, чем ожидаемый ток КЗ;
- способ определения КЗ, основанный на измерении значения, а не скорости нарастания тока, исключает ошибочные отключения;
- применение коммутационных ограничителей тока одновременно с токоограничивающими реакторами обеспечивает бесперебойное питание потребителя, а также значительно уменьшает потери электроэнергии.
| 
|
