Токоограничивающие реакторы. Типы, виды, устройство, расчет токоограничивающих реакторов.

Автоматические выключатели, осуществляя отключение цепей при коротких замыканиях, не защищают эти цепи от разрушающего действия электродинамических сил. В современных мощных сетях токи короткого замыкания, а следовательно, и электродинамические силы бывают настолько велики, что часто не представляется возможным выполнить установки с требуемой электродинамической и термической стойкостью. С целью ограничения ударного тока короткого замыкания (КЗ) в мощных сетях применяются Токоограничивающие реакторы, которые устанавливаются на отходящих фидерах (1 и 2) (рис. 3-1) и между секциями сборных шин (3). Кроме ограничения тока КЗ реакторы одновременно во время короткого замыкания поддерживают напряжение на питающих шинах на некотором определенном уровне.

Реактор представляет собой катушку с постоянным индуктивным сопротивлением х = ωL. Одним из основных параметров является его индуктивное сопротивление Хр, равное отношению падения напряжения на реакторе Uр при протекании по нему номинального тока к фазному напряжению Uф. Индуктивное сопротивление выражается в процентах. Если пренебречь омическим сопротивлением реактора, то

Индуктивное сопротивление фидерных реакторов выбирается обычно 6 — 8 %, а секционных 8-12%.

Рис. 3-1. Схема включения токоограничивающих реакторов: а – одинарных; б – сдвоенных.

1 – фидерный; 2 – фидерный групповой; 3 – межсекционный; 4 – сдвоенный.

Ударный ток короткого замыкания при расчете реакторов берется равным

Для поддержания постоянства индуктивного сопротивления токоограничивающие реакторы выполняются без стальных сердечников. При этом они получаются больших размеров и массы. Реакторы со стальными сердечниками при равной индуктивности имели бы меньшие размеры. Однако у них при больших токах сердечники насыщаются, индуктивное сопротивление таких реакторов резко снижается и реакторы теряют свои токоограничивающие свойства как раз в тот момент, когда они необходимы. Ввиду этого реакторы со стальными сердечниками не получили распространения.

Индуктивность L реакторов может быть рассчитана по следующим формулам (размеры даны в сантиметрах, L — в миллигенри):

1) для реактора с соотношением геометрических размеров подобно рис. 3-3, а и числом витков w

где α = 3/4 при 0,3 ≤ D/[2(h+b)]≤1 и α = 1/2 при 1 ≤ D/[2(h+b)]≤3;

2) для реактора, у которого h/D >> b/D (рис. 3-3, б)

где к1 = f(h/D) (кривая на рис. 3-3);

3) для реактора, у которого b/D >> h/D (рис. 3-3, в)

где к2 = f(b/D) (кривая на рис. 3-3);

Рис. 3-2. Распределение напряжений в цепи с сектором:

а – при номинальном токе; б – при коротком замыкании

Получили распространение сдвоенные реакторы 4 (см. рис. 3-1,6). Такой реактор питает два фидера. Катушки каждой фазы включены так, что создаваемые ими потоки направлены встречно. При номинальном токе индуктивность (следовательно, и потери напряжения) каждой из катушек снижается из-за размагничивающего действия другой. При равных токах и коэффициенте связи, стремящемся к единице, индуктивность реактора стремилась бы к нулю. Обычно коэффициент связи равен 0,4—0,6. Соответственно уменьшаются и потери напряжения. При коротком замыкании на одном из фидеров размагничивающим действием катушки другого фидера, обтекаемой номинальным током, можно пренебречь. Индуктивность и токоограничивающее действие сдвоенного реактора получаются такими же, как у одинарного.

На напряжения до 35 кВ и для внутренней установки почти исключительное распространение получили бетонные реакторы. Бетонный реактор (рис. 3-4, а) выполняется в виде концентрически расположенных витков 1 из специального круглого изолированного многожильного провода, залитых в радиально расположенные бетонные колонки 2. Благодаря своей эластичности провод демпфирует термические и динамические усилия и тем самым частично снимает напряжения с бетона. Обмотки реактора на большие токи выполняются из нескольких параллельных проводов с транспозицией этих параллелей, обеспечивающей равномерное распределение токов.

Рис. 3-3. К расчету индуктивности реактора.

Рис. 3-4. Общий вид фазы бетонного реактора (а) и трехфазный комплект реактора (б).

Рис. 3-5. Общий вид фазы масляного реактора.

Число колонок определяется диаметром намотки. Основная изоляция реактора — бетон, который проходит специальный технологический режим и выпускается с высокими механическими свойствами. Весь реактор после изготовления подвергается сушке, пропитке и покрытию влагостойкими лаками. Каждая колонка реактора устанавливается на опорные изоляторы 3, которые обеспечивают изоляцию от земли и между фазами. Фазы могут быть расположены вертикально (рис. 3-4,6), а также горизонтально или ступенчато. Все металлические детали реактора выполняются из немагнитных материалов. При больших токах применяется искусственное охлаждение.

На напряжения свыше 35 кВ и для наружной установки используются масляные реакторы (рис. 3-5). Обмотки 3 из медных проводников, изолированных кабельной бумагой, укладываются на изоляционные цилиндры 4 и размещаются в баках (баке) 2, заливаемых маслом. Концы обмотки каждой фазы выводятся через проходные изоляторы 1 наружу. Масло служит и как изолирующая, и как охлаждающая среда.

Переменное поле катушек реактора, замыкающееся через стенки бака, может привести к чрезмерному нагреву этих стенок. Для снижения нагрева стенок (и масла) необходимо ограничить замыкающийся через них магнитный поток. Для этого служат электромагнитные экраны 5 или магнитные шунты. Электромагнитный экран представляет собой медные (алюминиевые) короткозамкнутые витки, расположенные концентрично относительно обмотки реактора у стенок бака. Индуцируемые в витках токи создают в стенках бака поле, направленное встречно основному, и почти полностью его компенсируют. Нагрев стенок снижается. Магнитный шунт представляет собой пакеты листовой стали, укрепленные около стенок бака с внутренней его стороны и создающие искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, значительно меньшим сопротивления стенок бака. Магнитный поток реактора замыкается по магнитному шунту, а не через стенки.

Источник

Токоограничивающий реактор

Здравствуйте! Токоограничивающий реактор предназначен для ограничения величины токов, возникающих при коротких замыканиях на линиях или шинах станций и подстанций. По сути, это катушка индуктивности, подчиняющаяся закону коммутации, который гласит, что ток в цепи с индуктивностью не может изменяться скачкообразно.

Характеристики

Реактор характеризуется следующими величинами:

• Индуктивное сопротивление, выраженное в процентах.

Увеличение активного сопротивления устройства, приводит к большему ограничению, протекающего через него, тока короткого замыкания.

Индуктивное сопротивление аппарата выражается в процентном соотношении и показывает, какая часть от номинального напряжения, при протекании заданного тока, рассеивается на индуктивном сопротивлении.

Применение

Токоограничивающие реакторы устанавливаются последовательно нагрузке, на отходящих линиях электростанций и подстанций, на участках, где требуется уменьшить величину тока короткого замыкания. Ограничение величины протекающего тока, позволяет применять менее сложную аппаратуру релейной защиты и автоматики, а также высоковольтные выключатели, с меньшим максимальным током отключения. Все это позволяет значительно уменьшить стоимость распределительных устройств.

Устройство и принцип действия

Конструктивно реактор представляет собой катушку индуктивности, обладающую большим индуктивным и малым активным сопротивлением. Катушка состоит и медного или алюминиевого провода, с сечением, допускающим протекание номинального тока электроустановки, намотанного на опору из изоляционного материала.

При нормальной работе сети, падение напряжения на обмотке реактора составляет 3 – 4%. В момент возникновения в электрической системе токов короткого замыкания, падение напряжения на нем многократно возрастает, что позволяет ограничить величину тока, до приемлемых величин.

В аппаратах ограничения тока не применяются стальные сердечники, так как при возникновении короткого замыкания на линии, происходит насыщение стали, и реактивное сопротивление катушки резко уменьшается, вследствие чего она теряет свои токоограничивающие свойства.

При проектировании схем следует помнить, что если на линиях электропередач применяется система высокочастотной связи или высокочастотной защиты от повреждений, установленный реактор может гасить частоты технологии PLC.

Виды реакторов

По типу установки реакторы делятся на:

• Устройства наружной установки. Предназначены для эксплуатации под открытым небом, без дополнительной защиты от непогоды.

• Аппараты внутреннего исполнения. Применяются только в закрытых помещениях (ЗРУ), обеспечивающих защиту от внешней среды.

По классу напряжения:

• Среднего напряжения (3 – 35 кВ).

• Высокого напряжения (110 – 500 кВ).

• Межсекционные. Предназначены для создания электрической связи между секциями распределительного устройства, включаются они последовательно с межсекционным выключателем. В момент возникновения короткого замыкания на одной из секций, токоограничивающий аппарат предотвратит бросок тока на неповрежденной секции и предотвратит ложное срабатывание ее защит.

• Фидерные. Устанавливаются на отходящие фидерные линии и предназначены для дугогашения при коротком замыкании на линии. Дугогасительный реактора ограничит ток и не даст развиться дуге, предотвратив повреждение оборудования. Применяются в сетях с глухозаземленной нейтралью.

• Фидерные групповые. Имеют то же назначение и принцип действия, что и фидерные реакторы, но предназначены для установки на группу отходящих присоединений.

• Броневые. Для экономии дорогостоящих материалов, при условии точного расчета токов короткого замыкания, способных возникнуть в электрической сети, допускается применять токоограничивающие реакторы с сердечником из броневой конструкции из электротехнической стали. Данные устройства обладают меньшей массой, нежели их аналоги, изготовленные по другим технологиям, размерами и стоимостью. К недостаткам броневого реактора можно отнести возможность потери им токоограничивающих свойств, при прохождении в сети токов короткого замыкании, выше, чем токи, на которые он рассчитан.

• Бетонные. Широко распространены на подстанциях до 35 кВ. Имеют малую стоимость и неприхотливы к условиям эксплуатации. Аппаратам такого рода требуется минимальное техническое обслуживание (осмотр и протяжка соединений), так как они изготавливаются из витков многожильного, изолированного провода, залитого в бетонное основание. При возникновении токов короткого замыкания, все детали устройства испытывают большие механические нагрузки, поэтому бетон для изготовления основания применяется особой прочности (вибрационный замес). При прохождении больших токов, бетонные реакторы могут быть оснащены принудительным охлаждением, в таком случае в маркировку аппарата добавляется буква «Д» — дутье. Катушки реактора располагаются встречно, для уменьшения суммарных магнитных потоков, возникающих при больших токах короткого замыкания.

• Масляные. Применяются в высоковольтных сетях (свыше 35 кВ). На каждую фазу приходится свой герметичный бак с маслом, в котором уложены витки катушки индуктивности. Масло является изолятором и одновременно охлаждает катушку, предотвращая ее перегрев и разрушение реактора. Стенки бака предохраняются от нагрева при помощи специальных магнитных шунтов и электромагнитных экранов.

Магнитный шунт. Представляет собой пакеты листовой, электротехнической стали, установленные внутри масляного бака реактора. Шунт обладает очень малым магнитным сопротивлением, благодаря чему магнитный поток катушки реактора замыкается через него, а не через стенки бака.

Электромагнитный экран. Обмотки реактора обкладываются короткозамкнутыми витками из медного или алюминиевого провода, возникающее в этих витках электромагнитное поле, противодействует полю, наводимому катушками устройства. В результате чего, сила действия основного поля значительно ослабевает или исчезает вовсе.

Во избежание разрыва бака, при перегреве реактора и в результате повышенном газообразовании масла, все аппараты, рассчитанные на напряжение 500 кВ и выше, оснащаются специальными устройствами газовой защиты (газовыми реле). Которые при закипании масла выдают команду на отключение реактора, либо на сигнал обслуживающему персоналу.

• Сдвоенные. Используются для уменьшения падения напряжения на линиях большой протяженностью. Конструктивно представляют две обмотки на каждой фазе, включаемые встречно, в результате чего индуктивность реактора стремиться к нулю, а падение напряжение уменьшается. При возникновении токов короткого замыкания, магнитное поле катушки резко возрастает и реактора работает в обычном режиме токоограничения. К недостаткам устройства можно отнести его большие массу и габариты, а также значительную стоимость (примерно в два раза, по сравнению с реактором другого исполнения).

• Сухие. Являются самой новой разработкой, внедряемой в промышленность. Они широко применяются в сетях с напряжением до 220 кВ. Сухой реактор представляет собой катушку индуктивности из кабелей, намотанную на диэлектрическом каркасе. Аппараты сухого исполнения имеют малую стоимость и хорошие показатели, как по ограничению токов короткого замыкания, так и по охлаждению обмоток.

• Сглаживающие реакторы. Этот электрический аппарат следует отметить отдельно. Сглаживающие реакторы применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепях питания мощных электродвигателях электровозов и электропоездов. Устройство представляет собой катушку со стальным сердечником, обладающую малым активным сопротивлением, в результате чего, реактор не оказывает влияния на постоянную составляющую выпрямленного тока. Однако переменный ток, присутствующий в цепи, рассеивается на индуктивном сопротивлении катушки.

Заключение

В статье рассказано о назначении и видах реакторов, применяемых для ограничения тока в цепи. Самым важным в работе этих устройства является снижение тока короткого замыкания, который должен разорвать высоковольтный выключатель и уменьшение возникающей дуги (для дугогасящих реакторов) в сетях с глухозаземленной нейтралью. Дуга не возникает, так как для ее создания не хватит тока в цепи, в результате чего, оборудование останется неповрежденным, и будет снижен риск для жизни и здоровья обслуживающего персонала.

Однако следует помнить, что применение токоограничивающего реактора, требует проведения более сложных расчетов для устройств релейной защиты и автоматики, а также то, что несоответствие параметров аппарата, значениям сети, не обеспечит необходимого снижения тока.

Источник

Межсекционные и фидерные реакторы

Межсекционные реакторы включаются между секциями для ограничения токов и поддержания напряжения в одной из секций, при к.з. в другой секции. Фидерные и фидерные групповые устанавливаются на отходящих фидерах (групповые являются общими для несколько фидеров).

11 Схемы включения реакторов в электрических системах.

Рис. 1. Схемы включения токоограничивающих реакторов: а — индивидуальный одинарный реактор для одной линии; б — групповой одинарный реактор; в — групповой сдвоенный реактор

Для изоляции реакторов различных фаз между собой и от заземленных конструкций их устанавливают на фарфоровые изоляторы.

Наряду с одинарными реакторами нашли применение сдвоенные реакторы. В отличие от одинарных реакторов сдвоенные реакторы имеют две обмотки (две ветви) на фазу. Обмотки имеют одно направление витков. Ветви реактора выполняются на одинаковые токи и имеют одинаковые индуктивности. К общему выводу присоединяется источник питания (чаще трансформатор), к выводам ветвей — нагрузка.

Между ветвями фазы реактора существует индуктивная связь, характеризуемая взаимной индуктивностью М. В нормальном режиме, когда в обеих ветвях протекают примерно равные токи, потеря напряжения в сдвоенном реакторе за счет взаимной индукции меньше, чем в обычном реакторе с таким же индуктивным сопротивлением. Это обстоятельство позволяет эффективно применять сдвоенный реактор в качестве группового.

При КЗ на одной из ветвей реактора ток в этой ветви становится значительно больше тока в другой неповрежденной ветви. При этом влияние взаимной индукции снижается, и эффект ограничения тока КЗ определяется в основном собственным индуктивным сопротивлением ветви реактора.

В процессе эксплуатации реакторов производят их осмотр. При осмотре обращают внимание на состояние контактов в местах присоединения шин к обмоткам реактора по цветам побежалости, индикаторным термопленкам, на состояние изоляции обмотки и наличие деформации витков, на степень запыленности и целость опорных изоляторов и их арматуры, на состояние бетона и лакового покрытия.

Увлажнение бетона и снижение его сопротивления особенно опасны при КЗ и перенапряжениях в сети из-за возможных перекрытий и разрушений обмоток реактора. В нормальных условиях эксплуатации сопротивление изоляции обмоток реактора относительно земли должно быть не менее 0,1 МОм. Проверяют исправность систем охлаждения (вентиляции) реакторов. При обнаружении неисправности вентиляции должны быть приняты меры к снижению нагрузки. Перегрузка реакторов не допускается.

Дугогасящие реакторы.

Одним из наиболее часто встречающихся повреждений в электрической сети является замыкание на землю токоведущих частей электроустановки. В сетях 6—35 кВ этот вид повреждений составляет не менее 75% всех повреждений. При замыкании; на землю одной из фаз (рис. 2) трехфазной электрической сети, работающей с изолированной нейтралью, напряжение поврежденной фазы С относительно земли становится равным нулю, а двух других фаз А и В возрастает в 1,73 раза (до линейного напряжения). Это можно наблюдать по вольтметрам контроля изоляции, включенным во вторичную обмотку трансформатора напряжения.

Рис. 2. Замыкание фаз на землю в трехфазной электрической сети с компенсацией емкостных токов: 1 — обмотка силового трансформатора; 2 — трансформатор напряжения; 3 — дугогасящий реактор; Н — реле напряжения

Ток поврежденной фазы С, протекающий через точку замыкания на землю, равен геометрической сумме токов фаз А и В:

где: Iс— ток замыкания на землю, А; Uф — фазное напряжение сети, В; ω=2πf— угловая частота, с-1; С0 — емкость фаз относительно земли, отнесенная к единице длины линии, мкФ/км; L — длина сети, км.

Из формулы видно, что чем больше длина сети, тем больше значение тока замыкания на землю.

Замыкание фазы на землю в сети с изолированной нейтралью не нарушает работы потребителей, так как симметрия линейных напряжений сохраняется. При значительных токах IС замыкания на землю могут сопровождаться появлением в месте повреждения перемежающейся дуги. Это явление в свою очередь приводит к тому, что в сети появляются перенапряжения до (2,2—3,2) Uф.

При наличии ослабленной изоляции в сети такие перенапряжения могут вызвать пробой изоляции и междуфазные КЗ. Кроме того, тепловое ионизирующее воздействие электрической дуги, возникающей при замыкании на землю, создает опасность возникновения междуфазных КЗ.

Учитывая опасность замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью, применяют компенсацию емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов.

Однако исследования и опыт эксплуатации показали, что в сетях 6 и 10 кВ целесообразно применять дугогасящие реакторы уже при значениях емкостных токов замыкания на землю, достигающих соответственно 20 и 15 А.

Ток, протекающий по обмотке дугогасящего реактора, возникает в результате воздействия напряжения смещения нейтрали. Оно в свою очередь возникает на нейтрали при замыкании фазы на землю. Ток в реакторе носит индуктивный характер и направлен встречно емкостному току замыкания на землю. Таким образом, в месте замыкания на землю происходит компенсация тока, что способствует быстрому погасанию дуги. При таких условиях воздушная и кабельная сети могут длительно работать с замыканием фазы на землю.

Изменение индуктивности в зависимости от конструкции дугогасящего реактора выполняется путем переключения ответвлений обмотки, изменением зазора в магнитной системе, подмагничиванием сердечника постоянным током.

Выпускаются реакторы типа ЗРОМ на напряжение 6—35 кВ. Обмотка такого реактора имеет пять ответвлений. В некоторых энергосистемах изготавливаются дугогасящие реакторы, изменение индуктивности которых происходит путем изменения зазора в магнитной системе (например, реакторы типа КДРМ, РЗДПОМ на напряжение 6-10 кВ, мощностью 400 – 1300 кВА)

Рис. 3. Схема обмоток дугогасящего реактора типа РЗДПОМ (КДРМ): А – Х – главная обмотка; а1 – х1 – обмотка управления 220 В; а2 – х2 – обмотка сигнальная 100 В, 1А.

В электрических сетях находятся в эксплуатации дугогасящие реакторы подобного типа производства ГДР, ЧССР и других стран. Конструктивно дугогасящие реакторы типов КДРМ, РЗДПОМ состоят из трехстержневого магнитопровода и трех обмоток: силовой, управления, сигнальной. Схема обмоток приведена на рис. 3. Все обмотки расположены на среднем стержне трехстержневого магнитопровода.

Рис. 4. Схемы включения дугогасящих реакторов

Магнитопровод с обмотками помещен в бак с трансформаторным маслом. Средний стержень выполнен из одной неподвижной и двух подвижных частей, между которыми образуются два регулируемых воздушных зазора.

В силовой обмотке вывод А присоединяется к нулевому выводу силового трансформатора, вывод X через трансформатор тока заземляется. Обмотка управления а1—х1 предназначена для подключения регулятора настройки дугогасящего реактора (РНДК).

Сигнальная обмотка а2—х2 используется для подключения к ней контрольно-измерительных приборов. Настройка дугогасящего реактора производится автоматически с помощью электропривода. Ограничение хода подвижных частей магнитопровода осуществляется конечными выключателями. Схемы включения дугогасящих реакторов приведены на рис.4.

На рис. 4 а показана универсальная схема, позволяющая подключать дугогасящие реакторы к любому из трансформаторов. На рис. 4,б дугогасящие реакторы включаются каждый на свою секцию. Мощность дугогасящего реактора выбрана из расчета компенсации емкостного тока замыкания на землю сети, питающейся от соответствующей секции шин.

Источник