RU2504884C1

RU2504884C1 - Device for short-circuit current limitation in power transmission lines

Info

Publication number: RU2504884C1
Application number: RU2012129420/07A
Authority: RU
Inventors: Мария Копельевна Гуревич; Юрий Александрович Шершнев; Андрей Сергеевич Бондаренко; Алексей Викторович Репин; Андрей Юрьевич Шершнев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-технический центр Единой энергетической системы" (ОАО "НТЦ ЕЭС")
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-20
Also published as: RU2012129420A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device for short-circuit current limitation in power transmission lines contains transformer, which primary winding W1 is connected in series to the line; it represents a cable section. The line includes also a block of logic circuits which output is connected to switching element control device connected in series to secondary winding of transformer. Switching element is made as in-series bidirectional thyristors and resistor with surge suppressor connected in parallel to them; limitation level of surge suppressor is equal to thyristor class. Control device is connected to exterior power supply source located at potential of power transmission line; it is made as tertiary winding of transformer connected to input of non-controlled rectifier which output is connected to control device.

EFFECT: reducing losses in the device in standard operation mode for power transmission; reducing weigh and overall dimensions of the device and preventing repair after each actuation.

3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области энергетики и электротехники и может быть использовано в энергосистемах, где возможно развитие аварий, сопровождающихся существенным ростом токов в линиях электропередач.The invention relates to the field of energy and electrical engineering and can be used in power systems, where the development of accidents is possible, accompanied by a significant increase in currents in power lines.

Уровень техникиState of the art

Известно, что в крупных энергосистемах время от времени развиваются разрушительные аварии, вызванные перегрузками сверх максимально (аварийно) допустимых значений перетоков мощности (токов) по связям и линиям, приводящие в итоге к отключению целых энергорайонов (например, авария в системе Мосэнерго летом 2006 года, авария в штате New York в 90-х годах прошлого столетия и т.д.). Хорошо известно, что избежать таких аварий позволяют вставки постоянного тока [1]. Однако их строительство весьма дорогостоящее мероприятие, не всегда экономически оправданное.It is known that in large power systems, destructive accidents develop from time to time, caused by overloads in excess of the maximum (accidentally) permissible values of power flows (currents) over communications and lines, resulting in the shutdown of entire energy areas (for example, an accident in the Mosenergo system in the summer of 2006, accident in New York State in the 90s of the last century, etc.). It is well known that DC inserts allow avoiding such accidents [1]. However, their construction is a very expensive event, not always economically justified.

Для ограничения аварийного тока известны устройства, называемые за рубежом коммутационными ограничителями тока, а в отечественной литературе ограничителями ударного тока взрывного действия [2]. Каждая фаза такого коммутационного ограничителя тока состоит из разъединительного устройства, параллельно подключенного плавкого токоограничивающего предохранителя и блока логических схем с трансформатором тока. В нормальном режиме работы ток течет по медной шине, расположенной в патроне разъединительного устройства. При возникновении короткого замыкания (КЗ) логические схемы подают сигнал на детонатор, приводя к размыканию основной шины взрывом. Пиротехнические заряды рвут шину в нескольких точках, тем самым образуя несколько промежутков. Достоинством такого устройства ограничения тока КЗ является, прежде всего, отсутствие потерь, вносимых устройством в нормальном режиме. Существенный недостаток - после устранения КЗ патроны разъединителя и предохранителя необходимо заменить, а взорванный кусок шины восстановить, на что требуется заметное время. Кроме того, данная аппаратура не является универсальной, т.к. используется для ограничений токов КЗ большой амплитуды, а для отключения сравнительно небольших токов дополнительно требуется другая аппаратура.To limit the emergency current, devices are known that are called switching current limiters abroad, and in the domestic literature explosive shock current limiters [2]. Each phase of such a switching current limiter consists of a disconnecting device, a parallel fused current-limiting fuse and a block of logic circuits with a current transformer. In normal operation, current flows through a copper bus located in the cartridge of the disconnecting device. When a short circuit occurs (short circuit), the logic circuits give a signal to the detonator, leading to the opening of the main bus by an explosion. Pyrotechnic charges tear the tire at several points, thereby forming several gaps. The advantage of such a short-circuit current limiting device is, first of all, the absence of losses introduced by the device in normal mode. A significant drawback is that after eliminating the short circuit, the disconnector and fuse cartridges must be replaced, and the blown up piece of the bus must be restored, which takes a noticeable time. In addition, this equipment is not universal, because It is used to limit short-circuit currents of large amplitude, and other equipment is additionally required to turn off relatively small currents.

Известно также устройство для ограничения токов КЗ, называемое TPSC (Thyristor Protected Series Capacitor) [3], и представляющее собой конденсатор, включенный последовательно в линию электропередачи, параллельно которому включена цепь из последовательно включенных двунаправленного высоковольтного тиристорного вентиля (ВТВ) и реактора, в свою очередь параллельно ВТВ присоединен вакуумный выключатель, а к линии подключен блок логических схем с трансформатором тока, сигнал с которого подается на вход управления ВТВ. Устройство имеет достаточное быстродействие и отличается практически не ограниченным числом срабатываний без замены элементов. Недостатки данного технического решения: необходимость последовательного включения в линию высоковольтного блока конденсаторов большой емкости, который вносит в линию в нормальном режиме дополнительные потери или требует постоянной подстройки емкости в резонанс с индуктивностью линии, что делает устройство весьма дорогим и габаритным. Кроме того, и двунаправленный ВТВ - дорогое и объемное оборудование.There is also known a device for limiting short-circuit currents, called TPSC (Thyristor Protected Series Capacitor) [3], and which is a capacitor connected in series to a power line, parallel to which is connected a chain of series-connected bi-directional high-voltage thyristor valves (VTB) and a reactor, in its In turn, a vacuum circuit breaker is connected in parallel with the VTB, and a logic block with a current transformer is connected to the line, the signal from which is fed to the VTB control input. The device has sufficient speed and is characterized by an almost unlimited number of operations without replacing elements. The disadvantages of this technical solution: the need for sequentially connecting a high-voltage block of high-capacity capacitors to the line, which introduces additional losses into the line in normal mode or requires constant adjustment of the capacitance in resonance with the line inductance, which makes the device very expensive and overall. In addition, bidirectional VTV is expensive and voluminous equipment.

Сообщается [4] о токоограничивающем устройстве, содержащем трансформатор напряжения, первичная обмотка W1 которого включена по следовательно в линию электропередачи, а вторичная обмотка W2 в нормальном режиме закорочена через быстродействующий коммутационный элемент, представляющий собой металлический контакт, снабженный пиропатроном; также в линию включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством поджига пиропатрона. Это устройство обеспечивает достаточное быстродействие и сравнительно с [2] небольшой объем восстановительных работ после окончания аварии. Эффект ограничения токов КЗ достигается за счет разрыва вторичной обмотки трансформатора, что приводит к резкому росту сопротивления в этой обмотке, которое, пересчитываясь в первичную цепь пропорционально квадрату отношения числа витков первичной и вторичной обмоток (W₁/W₂)², приводит к резкому росту сопротивления и в первичной обмотке, то есть к росту сопротивления в линии и, соответственно, к ограничению тока в ней.It is reported [4] about a current-limiting device containing a voltage transformer, the primary winding of W1 of which is subsequently connected to the power line, and the secondary winding of W2 is normally shorted through a high-speed switching element, which is a metal contact equipped with a squib; also included in the line is a block of logic circuits, the output of which is connected to a pyro cartridge ignition device. This device provides sufficient performance and, compared with [2], a small amount of restoration work after the end of the accident. The short-circuit current limiting effect is achieved by breaking the secondary winding of the transformer, which leads to a sharp increase in resistance in this winding, which, being converted into the primary circuit in proportion to the square of the ratio of the number of turns of the primary and secondary windings (W ₁ / W ₂ ) ² , leads to a sharp increase resistance in the primary winding, that is, to an increase in resistance in the line and, accordingly, to limiting the current in it.

Обращаем внимание, что во всех случаях ограничение токов КЗ должно осуществляться до уровня срабатывания выключателей класса напряжения конкретной ВЛ (например, для напряжения 330 кВ значение срабатывания выключателей, равное 63 кА, является предельным [5]). Соответственно, если ток КЗ достиг, например, значения 70 кА, устройство ограничения КЗ должно уменьшить ток в ВЛ на 7 кА, то есть внести в ВЛ дополнительно сопротивление, составляющее 10% от сопротивления ВЛ.Please note that in all cases the short-circuit currents should be limited to the level of operation of the circuit breakers of the voltage class of a particular overhead line (for example, for a voltage of 330 kV, the operation value of the circuit breakers, equal to 63 kA, is the limit [5]). Accordingly, if the short-circuit current reaches, for example, the value of 70 kA, the short-circuit limiting device should reduce the current in the overhead line by 7 kA, that is, add an additional resistance of 10% of the overhead line resistance to the overhead line.

Существенным недостатком устройства по [4] являются дополнительные активные потери, которые в нормальном режиме вносит включенная последовательно в линию обмотка W₁, и весьма большие вес и габариты устройства (в [4] сообщается о весе устройства для линии 110 кВ - 100 т.). Необходимость замены пиропатрона после каждой аварии снижает готовность устройства и также является его недостатком. Есть еще один существенный, хотя и менее очевидный, недостаток: из-за того, что изоляция трансформатора должна быть выполнена на полное напряжение защищаемой линии, толщина этой изоляции велика, что приводит к большому сопротивлению рассеяния в трансформаторе и, соответственно, даже в режиме короткого замыкания вторичной обмотки в первичную цепь вносится некоторое сопротивление, также увеличивающее потери в линии в нормальном (постоянном) режиме работы.A significant drawback of the device according to [4] is the additional active losses, which in the normal mode are introduced by the winding W ₁ connected in series in the line, and the very large weight and dimensions of the device (in [4] the weight of the device for a 110 kV line is 100 tons) . The need to replace the squib after each accident reduces the availability of the device and is also its drawback. There is another significant, although less obvious, drawback: due to the fact that the transformer insulation must be made to the full voltage of the protected line, the thickness of this insulation is large, which leads to a large dissipation resistance in the transformer and, accordingly, even in the short-circuit mode of the secondary winding closure, some resistance is introduced into the primary circuit, which also increases line losses in normal (constant) operation.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задача изобретения - снижение потерь в устройстве в штатном режиме работы электропередачи, снижение весогабаритных показателей и исключение ремонтных работ после каждого срабатывания.The objective of the invention is to reduce losses in the device in the normal mode of operation of the power transmission, reducing weight and dimensions and the exclusion of repair work after each operation.

Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи представляет собой п включенных последовательно ограничительных модулей, каждый из которых содержит трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, в которую также включен блок логических схем, выход которого соединен с устройством управления коммутационным элементом, включенным последовательно с вторичной обмоткой трансформатора; первичная обмотка трансформатора выполнена в виде отрезка кабеля, так что число витков первичной обмотки равно единице, причем пропускная способность кабеля по току равна пропускной способности провода данной линии, а магнитопровод трансформатора выполнен из материала с максимальной рабочей индукцией, причем устройство управления соединено с источником питания, расположенным на потенциале провода линии электропередачи. В свою очередь, коммутационный элемент выполнен в виде включенных последовательно двунаправленных тиристоров и резистора, параллельно которым включен ограничитель перенапряжения на уровень ограничения, равный классу тиристоров. Источник питания устройства управления коммутационным элементом выполнен в виде третичной обмотки трансформатора, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя, выход которого соединен с устройством управления.The problem is solved as follows. A device for limiting short-circuit currents in a power line is a series of restrictive modules connected in series, each of which contains a transformer, the primary winding of which is connected in series to the power line, which also includes a logic circuit block, the output of which is connected to a switching element control device included in series with the secondary winding of the transformer; the primary winding of the transformer is made in the form of a cable segment, so that the number of turns of the primary winding is equal to one, and the current throughput of the cable is equal to the throughput of the wire of this line, and the magnetic core of the transformer is made of material with maximum working induction, and the control device is connected to a power source, located on the potential of the power line wire. In turn, the switching element is made in the form of bi-directional thyristors and a resistor connected in series, in parallel with which a surge suppressor is included at a limit level equal to the class of thyristors. The power source of the control device of the switching element is made in the form of a tertiary winding of a transformer connected to the input of an uncontrolled rectifier, the output of which is connected to the control device.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Осуществление изобретения поясняет схема устройства для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи, изображенная на фиг.1.The implementation of the invention illustrates a diagram of a device for limiting short circuit currents in a power line, shown in figure 1.

Устройство содержит трансформатор 1, первичная обмотка W1 которого включена последовательно в линию электропередачи, в которую также включен блок логических схем 2, выход которого соединен с устройством управления 3 коммутационным элементом 4, включенным последовательно с вторичной обмоткой W₂; первичная обмотка выполнена в виде отрезка кабеля 5, так что W₁=1, причем кабель выбран таким образом, чтобы его пропускная способность по току была равна пропускной способности провода данной линии, а магнитопровод 6 трансформатора 1 выполнен из материала с максимальной рабочей индукцией. Устройство управления 3 соединено с источником питания 7, расположенным на потенциале провода линии электропередачи.The device comprises a transformer 1, the primary winding of W1 of which is connected in series to the power line, which also includes a block of logic circuits 2, the output of which is connected to the control device 3 of the switching element 4, connected in series with the secondary winding of W ₂ ; the primary winding is made in the form of a length of cable 5, so that W ₁ = 1, and the cable is selected so that its current throughput is equal to the bandwidth of the wire of this line, and the magnetic circuit 6 of transformer 1 is made of material with maximum working induction. The control device 3 is connected to a power source 7 located on the potential of the wires of the power line.

Обращаем внимание, что между первичной W₁ и вторичной W₂ обмотками трансформатора 1 напряжение практически отсутствует, поскольку ни один из элементов устройства не «привязан» к потенциалу «земли», а все находятся на потенциале фазного провода линии. Соответственно габариты трансформатора 1 зависят только от размеров магнитопровода, независимо от того, для ВЛ какого класса напряжения применяется ограничитель токов.Please note that there is practically no voltage between the primary W ₁ and secondary W _{2 of the} transformer 1 windings, since none of the device’s elements is “tied” to the ground potential, but all are on the potential of the phase wire of the line. Accordingly, the dimensions of the transformer 1 depend only on the size of the magnetic circuit, regardless of the current limiter for which voltage class is used.

Устройство для ограничения токов короткого замыкания в линии электропередачи работает следующим образом.A device for limiting short circuit currents in a power line works as follows.

В нормальном режиме работы линии электропередачи, когда ток в линии равен номинальному (I₁=I_н), коммутационный элемент 4 разомкнут, и ток I₂ во вторичной обмотке W₂ трансформатора 1 равен нулю. Соответственно, магнитодвижущая сила во вторичной обмотке I₂*W₂ также равна нулю. Магнитодвижущая сила первичной обмотки W₁*I₁ ничем не скомпенсирована, что приводит к насыщению сердечника 6 трансформатора 1. В таком состоянии трансформатор 1 можно считать практически отсутствующим, поскольку никакого влияния на работу электропередачи он не оказывает.In the normal mode of operation of the power line, when the current in the line is rated (I ₁ = I _n ), the switching element 4 is open, and the current I ₂ in the secondary winding W _{2 of the} transformer 1 is zero. Accordingly, the magnetomotive force in the secondary winding I ₂ * W _{2 is} also equal to zero. The magnetomotive force of the primary winding W ₁ * I ₁ is not compensated in any way, which leads to saturation of the core 6 of the transformer 1. In this state, the transformer 1 can be considered practically absent, since it does not affect the power transmission.

При значительном росте тока в линии (возникновении режима КЗ) блок логических схем 2 формирует сигнал для устройства управления 3 коммутационным элементом 4, который замыкается. Ток во вторичной обмотке W₂ трансформатора 1 I₂=I₁/W₂ растет пропорционально росту тока в линии. Возникшая магнитодвижущая сила I₂*W₂=I₁ уравновешивает магнитодвижущую силу первичной обмотки W₁*I₁. Сердечник 6 выходит из насыщения, и внутреннее сопротивление R_н коммутационного элемента 4 трансформируется в соотношении (1/W₂)² в первичную обмотку W₁ трансформатора 1, тем самым увеличивая общее сопротивление линии Z на величину R_н/(W₂)² и соответственно снижая ток в ней.With a significant increase in current in the line (the occurrence of short circuit mode), the block of logic circuits 2 generates a signal for the control device 3 of the switching element 4, which closes. The current in the secondary winding W _{2 of the} transformer 1 I ₂ = I ₁ / W ₂ increases in proportion to the increase in current in the line. The resulting magnetomotive force I ₂ * W ₂ = I ₁ balances the magnetomotive force of the primary winding W ₁ * I ₁ . The core 6 goes out of saturation, and the internal resistance R _{n of the} switching element 4 is transformed in the ratio (1 / W ₂ ) ² into the primary winding W _{1 of the} transformer 1, thereby increasing the total resistance of the line Z by the value of R _n / (W ₂ ) ² and accordingly reducing the current in it.

Оценить эффект ограничения тока можно следующим ориентировочным расчетом. Положим необходимо снизить аварийный ток 70 кА на 10% в сети 330 кВ при том, что R_н=1 Ом, W₂=10, а магнитопровод ненасыщающийся. Тогда в фазный провод в случае КЗ трансформируется дополнительное сопротивление R_л=R_н/(W₂)²=1/(10)2=0,01 Ом, соответственно на внесенном сопротивлении упадет напряжение 0,01*70000=700 В. Это составляет 0,7/330~0.21%. Для получения 10% ограничения необходимо установить 10/0,21~48 ограничительных модулей. Если требуется ограничить ток в сети меньшего напряжения, потребуется меньшее количество модулей.The effect of current limitation can be estimated by the following indicative calculation. Suppose it is necessary to reduce the emergency current of 70 kA by 10% in a 330 kV network, while R _n = 1 Ohm, W ₂ = 10, and the magnetic circuit is unsaturated. Then, in the case of a short circuit, the additional resistance R _l = R _n / (W ₂ ) ² = 1 / (10) 2 = 0.01 Ohm is transformed into a phase wire, respectively, the voltage 0.01 * 70000 = 700 V. is 0.7 / 330 ~ 0.21%. To obtain a 10% limit, you must install 10 / 0.21 ~ 48 limit modules. If you want to limit the current in the network of a lower voltage, you will need fewer modules.

Таким образом, поставленная цель - снижение потерь в устройстве в штатном режиме работы электропередачи, снижение весогабаритных показателей и исключение ремонтных работ после каждого срабатывания, - достигнута.Thus, the goal - the reduction of losses in the device in the normal mode of operation of the power transmission, the reduction of weight and size and the exclusion of repair work after each operation - is achieved.

Коммутационный элемент может быть выполнен, например, как показано на фиг.2, в виде последовательно включенных двунаправленных тиристоров 8, 9 и резистора 10 (сопротивление R_н) параллельно которым включен ограничитель перенапряжения 11 на уровень ограничения, равный классу тиристоров. Ограничитель 11 необходим для защиты тиристоров в переходных режимах включения от вероятных кратковременных перенапряженийThe switching element can be made, for example, as shown in figure 2, in the form of series-connected bi-directional thyristors 8, 9 and a resistor 10 (resistance R _n ) in parallel with which a surge suppressor 11 is connected to a limit level equal to the class of thyristors. The limiter 11 is necessary to protect the thyristors in transient switching modes from probable short-term overvoltages

Возможный вариант реализации источника питания 7 показан на фиг.3. Источник состоит из третичной обмотки W3 трансформатора 1, подключенной к входу неуправляемого выпрямителя 12, выход которого соединен с устройством управления 3.A possible implementation of the power source 7 is shown in figure 3. The source consists of a tertiary winding W3 of the transformer 1 connected to the input of an uncontrolled rectifier 12, the output of which is connected to the control device 3.

Источники информацииInformation sources

1. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока: Энергия, Л-д, 1973.1. Posse A.V. Schemes and modes of direct current power: Energy, L-d, 1973.

2. Елагин Павел, Малышев Александр, Дементьев Юрий. Коммутационные ограничители тока. Новости электротехники, №1, 2009, с.40-42.2. Elagin Pavel, Malyshev Alexander, Dementiev Yuri. Switching current limiters. Electrical Engineering News, No. 1, 2009, pp. 40-42.

3. Use of High-Power Thyristor Technology for Short-Circuit Current Limitation in High Voltage Systems // Power Transmission and Distribution, May 2004, Vol.8.3. Use of High-Power Thyristor Technology for Short-Circuit Current Limitation in High Voltage Systems // Power Transmission and Distribution, May 2004, Vol. 8.

4. Альтов B.A., Иванов C.C., Желтов B.B. и др. Токоограничивающие устройства трансформаторного типа. Электро, №5, 2010, стр.46-54.4. Altov B.A., Ivanov C.C., Zheltov B.B. and other current-limiting devices of transformer type. Electro, No. 5, 2010, pp. 46-54.

5. Брилинский А.С., Плохих М.И., Смоловик СВ. Координация токов КЗ в сетях высокого напряжения мегаполиса (на примере энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области). Электро, №1, 2012, стр.11-16.5. Brilinsky A.S., Bad M.I., Smolovik SV. Coordination of short-circuit currents in high-voltage networks of a megalopolis (on the example of the power system of St. Petersburg and the Leningrad Region). Electro, No. 1, 2012, pp. 11-16.

Claims

1. A device for limiting short circuit currents in a power line, containing n series-connected limiters, each of which is a transformer, the primary winding of which is connected in series to the power line, which also includes a block of logic circuits, the output of which is connected to the switching control device an element connected in series with the secondary winding of the transformer, and the primary winding of the transformer is made in the form of a piece of cable, that the number of turns of the primary winding is equal to one, the current capacity of the cable is equal to the bandwidth of the wire line and the transformer magnetic core made of a material with maximum induction, wherein the control device is connected to the power source potential wiring disposed on the transmission line.

2. The device according to claim 1, characterized in that the switching element is made in the form of bi-directional thyristors and a resistor connected in series, in parallel with which a surge suppressor is included at a limit level equal to the class of thyristors.

3. The device according to claim 1, characterized in that the power source of the control device of the switching element is made in the form of a tertiary winding of a transformer connected to the input of an uncontrolled rectifier, the output of which is connected to the control device of the switching element.