Устройство для заземления нейтрали силового трансформатора

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублики 1928522(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 07,08,80 (21) 2970528/24-07с присоединением заявки Но 2970533/24-07(1 М Кл 3 Н 02 Н 9/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторизобретения А.И. Назаров 71) Заявител оизводственное энергетическое объединен ффДнепроэнерго( 54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА 2 и ектроствамограний и техн воэде чение токо мощн напр ко 10 0 2н бретение относится к э е, в частности к устро ствующим комплексно на внутренних перенапряжекороткого эаьыкания ых силовых сетях высо яжения. Известно устройство для заземления нейтрали трансформатора, снижающее не только коммутационные перенапряжения,но и повышающее быстродейст вие и эффективность ограничения токов однофазного короткого замыкания,. содержащее насыщающийся реактор, обмотка переменного тоКа которого вклю чена в нейтраль обмоток силового трансформатора, а обмотка управления подсоединена к источнику постоянного тока, и которое снабжено защитным промежутком, трансформатором тока и быстродействующим автоматом, защитный промежуток и трансформатор тока включены в. цепь обмотки переменного тока, причем замыкающий контакт быстродействующего автомата подсоедине параллельно защитному промежутку, а размыкающий контакт включен в цепь обмотки управления постоянного тока (13. Недостатками данного устройства является то, что предварительно насыщенный реактор не ограничивает ток однофазного и двухфазного замыкания на землю и величину динамических воздействий на электрообору" дование от ударных токов короткого замыкания, в переходных режимах насыщения реактора возможно возникновение резонансных и феррорезонансных перенапряжений на линиях электропередач, внутренних перенапряжений на изоляции электротехнического оборудования и коммутационных перенапряжений на линейных выключателях, предварительное насыщение реактора до начала возникновения перенапряжений опасной величины приводит к необходимости иметь независимый источник питания постоянного тока, необходимость интенсификации увеличения сопротивления предварительно насыщенного реактора до оптимальной величины перед отключением линейным выключателем тока короткого замыкания приводит к,необходимости иметь в цепи постоянного тока специальный автомат гашения магнитного поля, невозможность комплексного воздействия устройства на ограничение и при необходи 928522мости снижениепараметров колебательных процессов:по токуинапряжениюдо безопасных величин.Наиболее близким к изобретению является устройство для ограничения токов короткого замыкания и перенапряжений на высоковольтной подстанции, содержащее насыщающийся реактор, подключенный к нейтрали силового трансформатора, трехфазный трансформатор последовательного включения,10первичные обмотки каждой фазы котороЦель изобретения - обеспечение более эффективного комплексного ифункционального ограничения ударныхтоков, параметров аварийных токов иопасных перенапряжений не только припереходных, но и колебательных процессах до безопасных величин. 50 Поставленная цель достигается тем,что устройство для заземления нейтрали силового трансформатора, содержащее дополнительный трансформаторпервичные обмотки. которого включеныпоследовательно с обмотками силового трансформатора, а вторичные обмотки соединены. между собой парал-лельно, насыщающийся реактор, рабочаяобмотка которого включена в нейтральсилового трансформатора, два последовательно соединенных элемента ин"дуктивного сопротивления, включенныепараллельно вторичным обмоткам дополнительного трансформатора, причем 65 го включены в цепи соответствующихобмоток силового трансформатора, авторичные обмотки соединены паралич. лельно и шунтированы последовательно соединенными элементами индуктивного сопротивления, один из которых шунтирован конденсаторной батареей,а параллельно второму подсоединена диагональ, вторая диагональ которо"20го подключена к обмотке управления насыщающегося реактора 2).Недостатками этого устройства являются невозможность одновременного комплексного воздействия устройства на основе функционального взаимодействия его элементов на ограничение и при необходимости снижение параметров колебательных процессов по напряжению и току до безопасных величин, необходимость больших диапазонов коэффициентов регулирования итокоограничения, приводящих к необходимым габаритам устройства, соизмеримым с габаритами силовых трансформаторов аналогичных мощностей, З при возникновении максимальных токов короткого замыкания эффективность ограничения внутренних перенапряжений снижается, недостаточная эффективность ограничения внутренних перена пряжений и токов короткого замыкания при их одновременном появлении в сетях. параллельно одному из элементов подсоединена конденсаторная батарея, а параллельно второму подсоединена диагональ выпрямительного моста, вторая диагональ которого подсоединена к обмотке управления насыщающегося реактора, снабжено дополнительным выпрямительным мостом, одна диагональ которого подсоединена параллельно конденсаторной батарее, а вторая подсоединена к выводам обмотки управления, причем вентили в плечах выпрямительного моста, подключенные к обмотке управления насыщающегося реактора, имеют различное направление проводимости.В предложенном устройстве элементы индуктивного сопротивления могутбыть выполнены - тот, который шунтирован конденсатором - в виде нелинейного ферромагнитного элемента, а другой - в виде катушки индуктивности.Кроме того, в предложенном устройстве оба элемента индуктивного сопротивления могут быть выполнены ввиде нелинейных ферромагнитных элементов с различным напряжением насыщения, причем элемент, шунтированныйбатареей конденсаторов, выполнен смаксимальным напряжением насыщения.На фиг. 1 и 2 изображена принципиальная электрическая схема предложенного устройства,На фиг. 1 к нейтрали 1 первичнойобмотки силового трансформатора подключена непосредственно рабочая обмотка 2 насыщающегося реактора с подмаГничиванием, силовИе обмотки 3трансформатора последовательноговключения включеныв цепипеременноготока,а к его управляющим обмоткам 4,соединенным параллельно, подключен резонансный контур состоящий из элемента индуктивного сопротивления - катушки индуктивностн 5 и конденсатора б, который шунтирован элементоминдуктивного сопротивления - нелинейным ферромагнитным элементом 7,выпрямительный блок 8 подключен кконденсатору, а выпрямительный блок9 подключен к катушке индуктивности,противоположные диагонали указанныхблоков соединены параллельно и подключены к обмотке управления 10 насыщающегося реактора, В нормальномрежиме работы оптимальные электрические величины сопротивлений индуктивной катушки 5 и конденсатора б составляют последовательный резонансный контур, обеспечивающий работутрансформатора последовательноговключения практически с весьма несу-.щественными для режима сопротивлениями его первичных обмоток 3, а подпитка выпрямительного блока 8 от конденсатора б обеспечивает необходимуювеличину выпрямленного тока в об15 20 мотке управления 10, что в свою оче" редь дает воэможность иметь необходимое сопротивление обмотки 2 с точки зрения требований по координацииизоляции и динамической устойчивостиэлектротехнического оборудования.Электрические параметры срабатываниявыпрямительного блока 9 превышаютаналогичные параметры срабатываниявыпрямительного блока 8, поэтому вданном режиме взаимные влияния междууказанными выпрямительными блокамиотсутствуют, а индуктивная катушка5 никаких влияний на указанный выпрямительный блок 9 не оказывает.Следовательно, уже в нормальном режиме работы, защитное устройствообеспечивает необходимую эффективность заземления нейтрали сети и под,готовлено для эффективного изменения результирующей величины сопротивления нулевой последовательности в случае возникновения переходных процессов или колебательных.При возникновении перенапряжений в сети возросшие токи в обмотках 3 трансформатора последовательного включения приводят к увеличению токов в цепях управляющих обмоток 4 указанного трансформатора и повышению напряжения на конденсаторе б, что в, свою очередь приводит к увеличению эффективности работы выпрямительного блока 8 и росту величины постоянного тока в обмотках управления 10 и соответствующим уменьшением сопротивления обмотки 2. Средняя величина напряжения насыщения нелиней-.ного ферромагнитного элемента 7еще не проявляет заметного шунтнрующего действия по отношению к конденсатору б, а эффективность заземления нейтрали 1 силового трансформатора даже в случае некоторой расстройки последовательного резонансного контура состоящего из индуктивной катушки 5 и конденсатора б практически не изменяется. Повышение напряжения на сопротивлении индуктивной катушки 5 является в этом режиме еще недостаточным для срабатывания выпрямительного блока 9. Следовательно, при возникновении перенапряжений в сети автоматически снижается величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздействию устройства на основе функционального взаимодействия между обмоткой 2 насыщающегося реактора и обмоткой 3 трансформатора последовательного включенияв резуль" тате принятых электрических характеристик составляющих элементов. В то же время устройство обеспечило подготовленный режим управляющих обмоток 4 трансформатора последовательного включения гарантирующий успешное ограничение во времени токов короткогсзамыкания, появление которых возможно в результате электрических пробоевизоляции ослабленной ниже допустимого уровня в условиях эксплуатации,до отключения линейной коммутационной аппаратуры. При возникновениитоков короткого замыкания в сети иих протекании через силовые обмотки3 трансформатора последовательноговключения происходит полная расстройка резонансного контура,состоящего из последовательно соедйнеиныхиндуктивной катушки 5 и конденсатора б, что в свою очередь приводит к практически полному исчезновениюпротиводействующего магнитного потока,создаваемого управляющими обмотками4 указанного. трансформатора и егопревращения по существу в линейныйреактор с максимально расчетным сопротивлением обмоток 3Более того,снижение напряжения на выпрямительном блоке 8 благодаря соответству-ющей шунтировки конденсатора б нелинейным ферромагнитным элементом 7со средней величиной напряжения насыщения приводит к снижению величинывыпрямительного тока в обмотке управления 10 и в случае необходимостиего отключению выпрямительньач блоком8, чем обеспечивается необходимое сопротивление обмотки 2 насыщающегосяреактора. Шунтировка конденсатора бферромагнитным элементом 7 обеспечивает резкий подъем напряжения .на З 5 индуктивной катушке 5 и срабатывание выпрямнтельного блока 9, обеспечивающего: во-первых, совершенно незначительный ток в обмотке управления 10 с точки зрения влияния на из менение величины сопротивления обмотки 2 при токах короткого замыкания, а во-вторых гарантирующего надежную подготовку защитного устройства к ограничению перенапряжений, 45 появление которых возможно в результате тепловых повреждений изоляциии обрывов фаз линий электропередач.Следовательно, при появлении токовкороткого замыкания в сети автоматически возрастает до необходимогоуровня результирующая величина сопротивления нулевой последовательностиблагодаря комплексному воздействиюустройства вновь на основе функционального взаимодействия между обмотками 3 трансформатора последовательного включения и обмоткой 2 на"сыщающегося реактора в результатеизменившихся электрических параметров составляющих элементов. Прн одб 0 новременном воздействии внутреннихперенапряжений и токов короткого замыкания в результате одновременногопоявления электрических и тепловыхпробоевизоляции электротехнического Ь 5 оборудования и на линиях электропере928522 дач, обмотка 3 трансформатора после-.довательного включения работает врежиме реактора и ограничивает нетолько токи короткого замыкания вфазах, но и воздействующие перенапряжения в результате их распределения между последовательно соединенными индуктивностями линейного реактора, силового трансформатора и дросселя насыщенияБолее того, максимально расчетнаявеличина напряжения на 10индуктивной катушке 5 обеспечиваетэффективную работу выпрямительногоблока 9, соответствующий выпрямительный ток в обмотке управления 10, апоэтому вновь необходимую эффективность заземления нейтрали 1 силовоготрансформатора в результате снижения сопротивления обмотки 2 насыщающегося реактора. Следовательно,режим заземления нейтрали 1 силовоготрансформатора через рабочую обмотку 2 насыщающегося реактора и режимизменения величины сопротивленияобмоток 3 трансформатора последовательного включения обеспечивают дажепри переходных и колебательных процессах получение необходимого результирующего сопротивления нулевой последовательности применительного к техническим требованиямодновременного ог - раничения внутреннихперенапряжений 30 и токов короткого замыкания в конкретных электрических сетях.На Фиг. 2 к нейтрали 1 первичнойобмотки силового трансформатора подключена непосредственно обмотка 2насыщающегося реактора с подмагничиванием, силовые обмотки 3 трансформатора последовательного включениявключены в цепи переменного тока,а к его управляющим обмоткам .4, сое- Щ диненным параллельно, подключен резонансный контур, состоящий из нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора б, который шунтирован нелинейным ферромагнитным элементом 7, 45 выпрямительный блок 8 подключен к нелинейному ферромагнитному элементу, а выпрямительный блок 9 подключен к обмотке управления 10. В нормальном режиме работы оптимальные электрические величины сопротивлений нелинейного ферромагнитного элемента 5 с мини-мальной величиной напряжения насыщения и конденсатора б составляют последовательный резонансный контур, обеспечивающий работу трансформатора последовательного включения практически с весьма несущественными для режима сопротивлениями его первичных обмоток 3, а подпитка выпрямитель- ного блока 8 от нелинейного Ферромагнитного элемента 5 обеспечивает необходимую величину выпрямленного тока в обмотке управления 10, что в свою очередь дает возможность иметь необходимое сопротивление обмотки 2 65.вс точки зрения требований по координации изоляции и динамической устойчивости электротехнического оборудования, Электрические параметры срабатывания выпрямительного блока 9 превьаиают аналогичные параметры срабатывания выпрямительного блока 8, поэтому в данном режиме взаимные влияния между указанными выпрямитель- ными блоками отсутствуют, а напряжение на обмотке управления 10 совершенно недостаточное для срабатывания выпрямительного блока 9, поэтому нелинейный ферромагнитный элемент 7 с максимальной величиной напряжения насыщения никаких влияний на режим работы неоказывает.Следовательно,уже в нормаль ном режиме работы защитное уст" ройство обеспечивает необходимую эффективность заземления нейтрали сети и подготовлено для эффективного изменения результирующей величины сопротивления нулевой последовательности в случае возникновения переходных или колебательных процессов. При возникновении перенапряжений в сети возросшие токи в обмотках 3 трансформатора последовательного включения приводят к увеличению токов в цепях управляющих обмоток 4 указанного трансформатора и возможному повышению напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5 с минимальной величиной напряжения насыщения, что в свою очередь приводит к определенному увеличению эффективности работы выпрямительного блока 8 и. росту величины постоянного тока в чобмотке управления 10 с соответствующим уменьшением сопротивления обмотки 2. Эффективность заземления нейтрали 1 силового .трансформатора даже в случае некоторой расстройки последовательного резонансного контура, состоящего из нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора б, практически изменяется незначительно. Однако величина напряжения на обмотке управления 10 является в этом режиме еще недостаточной для срабатывания выпрямительного блока 9Следовательно, при возникновении перенапряжений в сети автоматически снижается величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздействию устройства на основе функционального взаимодействия между обмоткой 2 насыщающегося реактора и обмоткой 3 трансформатора последовательного включения в результате электрических характеристик составляющих элементов. В то же время устройство обеспечило подготовительный режим управляющих обмоток 4 трансформатора последовательного включения гарантирующий успешное ограничение во времени токов короткого замыкания, появлениеФормула и зобретения которых возможно в результате элек - трических пробоев изоляции ослабленной ниже допустимого уровня в условиях эксплуатации, до отключения линейной коммутационной аппаратуры.При возникновении токов короткого 5 замыкания в сети и их протекании через силовые обмотки 3 трансформатора последовательного включения происходит полная расстройка резонансного контура состоящего из последователь- О но соединенных нелинейного ферромагнитного элемента 5 и конденсатора б, что в свою очередь приводит к практически полному исчезновению противодействующего магнитного потока 5 создаваемого управляющими обмотками 4 указанного трансформатора и его :превращения по существу в линейный реактор с максимально расчетным сопротивлением обмоток 3. Более того, ограничение напряжения на выпрями- тельном блоке 8 благодаря насыщению нелинейного ферромагнитного элемента с минимальным напряжением насыщения приводит к стабилизации величины выпрямительного тока в обмотке управления 10, чем обеспечивается необходимое сопротивление обмотки 2 насыщающегося реактора. Протекание токов короткого замыкания по обмотке 2 обеспечивает появление напряжения на обмотке управления 10 достаточное для срабатывания выпрямительного блока 9, что в свою очередь переводит нелинейный ферромагнитный элемент 7 с максимальной величиной напря жения насыщения в насыщенныйрежим,который всвою очередь,совместнос конденсатором б,способствуетприближению кпараллельному резонансному контуру содновременным дополнительным ограничени ем напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5Однако наличие выпрямленного тока в обмотке управления 10 в результате работы выпрямительного блока 8 обеспечивает подготовку устройства к ограничению перенапряжений, появление которых возможно в результате тепловых повреждений изоляции и обрывов фаз линий электропередач.50Следовательно, при появлении токов короткого замыкания в сети автоматически возрастает до необходимого уровня результирующая величина сопротивления нулевой последовательности благодаря комплексному воздей 55 ствию устройства вновь на основе функционального взаимодействия между обмотками 3 трансформатора последовательного включения и обмоткой 2 насыщающегося реактора в результате 60 изменившихся электрических параметров составляющих элементов.При одновременном воздействии внутренних перенапряжений и токов короткого замыкания в результате од новременного псявления электрическиМ и тепловых пробоев в изоляции электротехнического оборудования и на линияХ электропередач, обмотка 3 трансформатора последовательного включения работает в режиме реактора и ограничивает не только токи короткого замыкания в фазах, ио и воздействующие перенапряжения в результате их распределения между последовательно соединенными индуктив" ностями линейного реактора, силового трансформатора и дросселя насыщения. Более того, максимально расчетная величина напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 7 с максимальной величиной напряжения насыщения в результате эффективной работы выпрямительного блока 9 обеспечивает возникновение параллельного резонансного контура между конденсатором б и указанным Ферромагнитным элементом 7, что в свою очередь гарантирует: во-первых, стабильность реакторного режима обмоток 3 трансФорматора последовательного включе-. ния, во-вторых, наличие необходимого напряжения на нелинейном ферромагнитном элементе 5, достаточного для работы выпрямительного блока 8 и наличие выпрямительного тока в обмотке управления 10, что в свою очередь вновь обеспечивает необходимую .эффективность заземления нейтрали 1 силового трансформатора в результате снижения сопротивления обмотки 2 насыщающегося реактора.Следовательно, режим заземления нейтрали 1 силового трансформатора через обмотку 2 насыщающегося реактора и режим изменения величины сопротивления обмоток 3 трансформатора последовательного включения обеспечивают даже при переходных и колебательных процессах получение необходимого результирующего сопротивления нулевой последовательности применительно к техническим требованиям одновременного ограничения внутренних перенапряжений и токов короткого замыкания в конкретных электрических сетях. 1. Устройство для заземления нейтрали силового трансформатора, содержащее дополнительный трансформатор, первичные обмотки которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора, а вторичные обмотки соецинены между собой параллельно, насыщающийся реактор, рабочая обмотка которого включена в нейтраль силового трансформатора,два последовательно соединенных элемента928522 индуктивного сопротивления, включенные параллельно вторичным обмоткамдополнительного трансформатора, причем параллельно одному из элементовподсоединена конденсаторная батарея,а параллельно второму подсоединенадиагональ выпрямительного моста,вторая диагональ которогоподсоединена к обмотке управления насыщающе;гася реактора, о т л и ч а ю щ е-е с я тем, что, с целью ограниченияперенапряжений и токов короткого замыкания при переходных и колебательных процессах, оно снабжено дополнительным выпрямительным мостом, однадиагональ которого подсоединена па-раллельно конденсаторной батарее,а вторая подсоединена к выводам обмотки управления реактора, причемвентили в плечах выпрямительногомоста, подключенные к обмотке управления насыщающегося реактора, выполнены с различным направлением проводимости 122. Устройство по п. 1, а т л ич а ю щ е е с я тем, что элементыиндуктивного сопротивления выполнены; первый, который шунтирован конденсатором, - в виде нелинейного5 ферромагнитного элемента, а второй -в виде катушки индуктивности,3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что элементыиндуктивного сопротивления выполне 10 ны в виде нелинейных Ферромагнитныхэлементов с различным напряжениемнасыщения, причем элемент, шунтиро-ванный батареей. конденсаторов, выпол-,нен с максимальным напряжением насы 15 щения. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 550713, кл. Н 02 Н 9/02, 19772. Авторское.,свидетельство СССР .по заявке 9 2943822/24-07,кл. Н 02 Н. 9/00, 1979.928522 Составитель Л. ДементьеваТехред Л. Бабинец Корректор М Кос едактор М. Товтин Тираж 670 Подпис ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/