CC BY
23
4. Kartashev I. I. Kachestvo ehlektroehnergii v sistemah ehlektrosnabzheniya. Sposoby ego kontrolya i obespecheniya [Power Quality in power systems. Ways of control and security]. M.: Izdatel'stvo MEHI, 2000, 120 p.
5. Kuznecov A. V. Ob organizacionno-pravovyh aspektah upravleniya re-zhimami ehlektropotrebleniya [On the institutional aspects of the management of represses of power consumption] // EHlektricheskie stancii [Electric station]. 2003, №12, pp. 52-56.
6. Pravila primeneniya skidok i nadbavok k tarifam za kachestvo ehlektroehnergii [Rules for applying discounts and surcharges to tariffs for electric power quality] // Promyshlennaya ehnergetika [Industrial energy]. 1990, №11, pp. 52-55.
7. Spravka o protivorechii normativnym pravovym aktam RF otdel'nyh polozhenij Instrukcii o poryadke raschetov za ehlektricheskuyu i teplovuyu ehnergiyu, utverzhdennoj Goskomcen i Mintopehnergo Rossii 30 noyabrya 1993 goda NN 01-17/1443-11, VK-7539 (zaregistrirovana v Ministerstve yusticii Rossijskoj Federacii 28
УДК 621.316.13
А. В. КУЗНЕЦОВ, Ю. П. ЮРЕНКОВ
ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ТОКА ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВКИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
При создании энергосберегающих систем транспортировки и распределения электроэнергии возникает необходимость объединять силовые трансформаторы на параллельную работу. При этом возрастают токи короткого замыкания. В ряде случаев эти токи могут превышать токи предельной отключающей способности существующей коммутационной аппаратуры, что ограничивает возможности использования таких решений. Возникает необходимость разработки новых токоо-граничивающих устройств, позволяющих расширить возможности развития технологий создания энергосберегающих СТРЭ.
Одним из вариантов новых устройств может быть устройство на основе жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП). Однако уровень исследований как в нашей стране, так и за рубежом пока не позволяет перейти к созданию промышленных образцов ЖСП.
Наиболее полное научное обоснование в технической литературе получил вариант использования ЖСП как ограничителя тока в комплексе с шунтирующем сопротивлением. Научный задел в этом отношении более всего приближен к практическому выходу. Целесообразно продолжить исследования в направлении создания макетных образцов ЖСП, их лабораторных и эксплуатационных испытаний, которые могут обеспечить возможность развития технологии создания энергосберегающих систем транспортировки электроэнергии.
Ключевые слова: система электроснабжения, передача электрической энергии, устройство защиты, надежность электроснабжения, термическая стойкость, динамическая стойкость, жидкометалличе-ские самовосстанавливающиеся предохранители, интеллектуальные сети.
© Кузнецов А. В., Юренков Ю. П., 2019
dekabrya 1993 goda, registracionnyj №449) [Help about the contradiction of normative legal acts of the Russian Federation separate provisions of the Instruction about procedure of payments for electrical and heat energy, approved by goskomtsen, and the Russian Ministry of energy 30 November 1993 №№01-17/1443-11, VC-7539 (registered in Ministry of justice of the Russian Federation on 28 December 1993, registration №449)].
Кузнецов Анатолий Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение» энергетического факультета УлГТУ.
Чикин Владислав Владимирович, магистрант 1-го курса энергетического факультета УлГТУ.
Поступила 11.02.2019 г.
Одним из приоритетных направлений научно-технологического развития РФ является переход к ресурсосберегающей энергетике. Это напрямую связано со снижением инвестиций в электроэнергетический комплекс РФ, в частности в системы транспортировки и распределения электроэнергии (СТРЭ), с развитием технологий создания энергосберегающих СТРЭ, отмеченных Указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011 года как критические технологии в РФ.
Важнейшим требованием к системам транспортировки и распределения электроэнергии является высокая надёжность, в том числе при возникновении аварийных ситуаций, связанных с возможностью возникновения коротких замыканий. Токи короткого замыкания могут достигать значительных величин и оказывают разрушающее воздействие на всё технологическое оборудование систем транспортировки и распределения электроэнергии. Для сохранения работоспособности системы технологией предусмотрено отключение повреждённого участка, которое осуществляется устройствами защиты, включающими в себя средства релейной защиты и коммутационные электрические аппараты. Технические характеристики устройств защиты должны позволять защитить неповреждённые элементы от разрушающего теплового воздействия.
За период времени от начала возникновения тока короткого замыкания до его отключения температура элементов технологического оборудование повышается. Её значение зависит от величины тока короткого замыкания и длительности этого периода, т. е. времени действия релейной защиты и электрического аппарата. Задача в данном случае сводится к тому, чтобы не допустить, нагрев до критической температуры, при которой нарушается работоспособность технологического оборудования защищаемого участка системы транспортировки и распределения электроэнергии. К сожалению, на сегодняшний день в ряде случаев технические средства не могут обеспечить защиту элементов защищаемой сети, выбранных по номинальным параметрам. Для проводников это длительно допустимый ток, для полупроводниковых приборов - это предельный ток, для коммутационной аппаратуры - предельная отключающая способность. При больших токах короткого замыкания и длительности воздействия термическая и динамическая стойкость защищаемых элементов оказывается ниже, чем возможное тепловое и динамическое воздействие тока короткого замыкания. В этой связи нормами проектирования предписано выполнять поверку выбранных сечений проводников, выбранных силовых полупроводниковых приборов и других элементов защищаемой сети на термическую и динамическую стойкость в соот-
ветствии с утверждёнными методиками как в России [1], так и за рубежом [2, 3].
Если окажется, что температура защищаемых элементов достигает критических значений, то проектное решение сводится к завышению номинальных параметров элементов технологического оборудования (завышение сечений проводников и кабелей, увеличение номинальных токов защищаемых элементов) до уровня, при котором температура новых элементов не будет достигать критических значений. Завышение номинальных параметров защищаемых элементов систем транспортировки и распределения электроэнергии связано с излишним расходом материалов: меди, алюминия, драгоценных и полудрагоценных металлов. Это увеличивает металлоёмкость сети, приводит к необходимости применять усложнённые конструкции коммутационных аппаратов на участках защищаемой сети. В конечном счёте увеличивается инвестиционная составляющая в системах транспортировки и распределения электроэнергии.
Избежать этого возможно за счёт применения устройств защиты, разумно сочетающих в себе токоограничивающие свойства и быстродействие. Однако предварительные исследования показывают, что аппараты подобного типа в мировой практике отсутствуют. В результате в существующей ситуации:
- завышение инвестиционной составляющей в системы транспортировки и распределения электроэнергии напряжением до 1 кВ по отношению к общим затратам на производство и передачу электроэнергии достигает 2,7 % [4];
- огранивается возможность развивать технологии создания энергосберегающих систем транспортировки и распределения электроэнергии.
Одним из путей решения задачи создания энергосберегающих систем транспортировки и распределения электроэнергии является создание технологий, обеспечивающих передачу электроэнергии по пути наименьшего электрического сопротивления. Очевидно, что при этом возрастают токи короткого замыкания. Этому способствует увеличение плотности нагрузок и сокращение расстояний для транспортировки электроэнергии, внедрение интеллектуальных СТРЭ (Smart Grid) [5] интеллектуальных сетей с гексагональной топологией [6], применение дополнительных источников генерации электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии, повышение номинального напряжения электрических сетей и т. п. В ряде случаев при объединении силовых трансформаторов на параллельную работу токи короткого замыкания могут превышать токи предельной отключающей способности существующей коммутационной аппаратуры, что ограничивает возможности использования таких решений.
Совершенствование известных и разработка новых устройств защиты, разумно сочетающих в себе токоограничивающие свойства и быстродействие, позволят избежать необходимости повышения металлоёмкости СЭ, применения электрических аппаратов повышенной сложности, расширить возможности развития технологий создания энергосберегающих СТРЭ.
Одним из вариантов новых устройств защиты может быть устройство защиты на основе жид-кометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП).
Жидкометаллический самовосстанавливающийся предохранитель - это электрический аппарат, в котором в качестве плавкого элемента применяется жидкий металл, (индий, галлий, ртуть, щелочные металлы и т. п.), расположенный в канале диэлектрической втулки. При протекании по жидкометаллической плавкой вставке тока короткого замыкания она испаряется, вызывая взрывообразное повышение давления. При высоком давлении пары металла обладают значительным сопротивлением. В результате ток резко ограничивается. Возникающее перенапряжение вызывает пробой образовавшейся паровой пробки. После чего в канале образуется электрическая дуга, которая гасится при естественном переходе тока через нулевое значение. После остывания и конденсации паров жидкого металла электрическая цепь восстанавливается за время, соизмеримое с половиной периода частоты сети. В этой связи во втором, третьем и последующих полупериодах процесс повторяется до момента отключения цепи дополнительным коммутационным аппаратом. Время восстановления является неуправляемым.
Уровень исследований жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей на сегодняшний день как в Российской Федерации, так и за рубежом не позволяет разработать промышленные образцы для использования в системах электроснабжения. Такие исследования проводятся отдельными инициативными группами в разных странах мира. Это Япония, США, Германия, Китай, РФ и др. [4, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. На сегодняшний день установлено [4, 7, 8], что ЖСП и устройства на их основе обладают более высоким быстродействием, чем освоенные промышленностью электрические аппараты. Это вызывает интерес и потребность в развитии и продолжении исследования в направлении создания макетных и промышленных образцов ЖСП и определения области их применения.
Технические решения, направленные на создание ЖСП с управляемым временем восстановления, имеются [4], однако их исследования не доведены до создания макетных образцов и их
экспериментальных исследований. Говорить о ЖСП как электрическом аппарате, способном отключать цепь как обычный предохранитель, пока преждевременно.
Исследования показывают, что во время коммутационного процесса канал диэлектрической втулки ЖСП подвергается дуговой эрозии при каждом срабатывании [4, 7]. Диаметр плавкой вставки, её номинальный ток увеличиваются, ухудшаются токоограничивающие свойства. В условиях эксплуатации после отключения первого КЗ параметры ЖСП могут измениться так, что не будут удовлетворять требованиям защиты элементов сети. В ряде случаев потребуется его замена. ЖСП имеет ограниченный коммутационный ресурс.
Коммутационный ресурс ЖСП повышается как конструктивными [4, 7], так и схемными решениями. Схемное решение предполагает шунтирование ЖСП низкоомным резистором, которое уменьшает энергию, выделенную в канале ЖСП во время дуговой стадии процесса. Часть энергии поглощается и рассеивается шунтирующим сопротивлением. При этом ограничиваются коммутационные перенапряжения.
Вариант использования ЖСП в комплексе с шунтирующем сопротивлением и дополнительным коммутационным аппаратом получил более полное научное обоснование и развитие. Научный задел в этом отношении более всего приближен к практическому выходу. В [4] содержатся результаты параметрического синтеза устройства на основе ЖСП, включающие в себя расчёт геометрии плавкой вставки, расчёт значения шунтирующего сопротивления в соответствии с требованиями защиты элементов защищаемой электрической сети, выведено выражение для определения коэффициента чувствительности и т. п. Все эти результаты получены на основе исследования математической модели. Модель позволяет определить параметры ЖСП, и шунтирующего сопротивления для ограничения тока короткого замыкания до уровня, при котором можно избежать завышения номинальных параметров элементов электрической сети, повысить её технико-экономические показатели.
Опытная осциллограмма процесса короткого замыкания в цепи с устройством защиты на основе ЖСП [4] в одном полупериоде представлена на рисунке. Осциллограмма отражает результат коммутационных испытаний макетной конструкции устройства защиты на основе ЖСП в лаборатории коммутационных испытаний ОАО Ульяновский завод «Контактор». Исходные данные, при которых проводились испытания, использованы для расчёта с помощью предложенной математической модели. Сравнение
wsp = 0,19 ; RШ = 0,2 Ом ; A^ « 0,5 мс; At2 « 9,5 мс; R > 10R
результатов расчёта с опытной осциллограммой показали практически полное совпадение расчётной зависимости тока i к = и зависимости тока от времени, представленной на опытной осциллограмме. Это подтверждает адекватность предложенной математической модели физическим процессам в цепи короткого замыкания с ЖСП в конкретном случае, соответствующем параметрам макетного образца устройства защиты на основе ЖСП.
Итак, необходимый задел в области создания и применения ЖСП имеется. Для получения практических результатов требуется продолжить исследования в направлении создания макетных образцов ЖСП их лабораторных и эксплуатационных испытаний. Получение практических результатов обеспечит возможность развития технологии создания энергосберегающих систем транспортировки электроэнергии.
Выводы
1. Одним из путей решения задачи создания энергосберегающих систем транспортировки и распределения электроэнергии является создание технологий, обеспечивающих передачу электроэнергии по пути наименьшего электрического сопротивления. Очевидно, что при этом возрастают токи короткого замыкания. В ряде случаев при объединении силовых трансформаторов на параллельную работу токи короткого замыкания могут превышать токи предельной отключающей способности существующей коммутационной аппаратуры, что ограничивает возможности использования таких решений.
2. Совершенствование известных и разработка новых устройств защиты, разумно сочетающих в себе токоограничивающие свойства и быстродействие, позволят избежать необходимости повышения металлоёмкости СЭ, применения электрических аппаратов повышенной сложно-
сти, расширить возможности развития технологий создания энергосберегающих СТРЭ.
3. Одним из вариантов новых устройств защиты может быть устройство защиты на основе жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП). Однако уровень исследований как в нашей стране, так и за рубежом не позволяет перейти к созданию промышленных образцов ЖСП.
4. Наиболее полное научное обоснование в технической литературе получил вариант использования ЖСП как ограничителя тока в комплексе с шунтирующем сопротивлением. Научный задел в этом отношении более всего приближен к практическому выходу.
5. Целесообразно продолжить исследования в направлении создания макетных образцов ЖСП их лабораторных и эксплуатационных испытаний, которые могут обеспечить возможность развития технологии создания энергосберегающих систем транспортировки электроэнергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 52736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчёта электродинамического и термического действия токов короткого замыкания. — Москва: Стандартин-форм, 2007.
2. IEC 60865-1:2011.Short-circuit currents -Calculation of effects - Part 1: Definitions and calculation methods.
3. IEC TR 60865-2:2015. Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 2: Examples of calculation.
4. Кузнецов А. В. Жидкометаллические предохранители и инвестиционная привлекательность их разработки. - Москва: Энергоатомиз-дат, 2006. - 207 с.
5. Possemato F., Paschero M., Livi L., Rizzi A., Sadeghian A. «On the impact of topological
properties of smart grids in power losses optimization problems», International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol. 78, pp. 755-764, 2016.
6. Лоскутов, А. Б. Интеллектуальные распределительные сети 10-20 кВ с гексагональной конфигурацией / А. Б. Лоскутов, Е. Н. Соснина, А. А. Лоскутов, Д. В. Зырин // Промышленная энергетика. - 2013. - №12. - С. 3-7.
7. Патент 2242818 (RU), МКИ3 7Н01Н 87/00. Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока / А. В. Кузнецов (RU), И. В. Сычева (RU) - №2003122171/09; Заявл. 15.07.03; Опубл. 20.12.04, Бюл. 35. - 4 с.
8. Патент 2614389 (RU), МКИ3 Н01Н 87/00. Ограничитель тока / Р. Ф. Тимиргазин (RU), А. В. Кузнецов (RU) - № 2015152652; заявл. 8.12.15; опубл. 27.03.17.
9. Niayesh K., Tepper J., Konig F. A Novel current limitation principle based on application of liquid metals // IEEE transaction on companents and packaging technologies. 2006, vol 29, №2 P. 303-309.
10.L.Yiying, W.Yi, Н. Chen, H. Hailong Investigation on the behavior of GalnSn liquid metal Current Limiter // IEEE transaction on companents. 2014, №2, P. 209-215.
11. Zienicke E., Ben-Wen Li, Thess A., Krazschmar A., Terhoeven P. Theoretical and Numerical Stability Analysis of the Liquid Metal Pinch Using the Shallow Water Approximation // Journal of Thermal Science. 2008, №3, vol.17, P. 261-266.
12. Казанцев А. А., Косорлуков И. А. Разработка жидкометаллического ограничителя тока // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. -2013. - № 12. - С. 25-27.
REFERENCES
1. GOST R 52736-2007. Korotkie zamykaniya v elektroustanovkah. Metody rascheta elektrodinamicheskogo i termicheskogo dejstviya tokov korotkogo zamykaniya [Short-circuit currents. Calculation methods]. M.: Standartinform, 2007.
2. IEC 60865-1:2011.Short-circuit currents -Calculation of effects - Part 1: Definitions and calculation methods.
3. IEC TR 60865-2:2015. Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 2: Examples of calculation.
4. Kuznetsov A. V. Zhidkometallicheskie predohraniteli i investicionnaya privlekatel'nost' ih razrabotki [Liquid metal fuse and investment attractiveness of their development]. M.: Energoatomizdat, 2006, 207 p.
5. F. Possemato, M Paschero, L. Livi, A. Rizzi, A. Sadeghian "On the impact of topological proper-
ties of smart grids in power losses optimization problems", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol. 78, pp. 755-764, 2016.
6. Loskutov, A.B. Intellektual'nye raspredelitel'nye seti 10-20 kV s geksagonal'noj konfiguratsiej [Smart grid 10-20 kV with a hexagonal configuration]/ A. B. Loskutov, E. N. Sosnina, A. A. Loskutov, D.V. Zyrin // Promyshlennaya energetika [Industrial power engineering]. 2013, no. 3, pp. 3-7.
7. Patent 2242818 (RU), MKI [IPC] 7H01H 87/00. Zhidkometalliche skij samovosstanavlivayushchijsya ogranichitel' toka [Liquid metal self-healing current limiter] / A. V. Kuznetsov (RU), I. V. Sycheva (RU) -№2003122171/09; Zayavl. [Application date] 15.07.03; Opubl. [Publication Date] 20.12.04, Byul. [Bulletin] 35. - 4 p.
8. Patent 2614389 (RU), MKI [IPC] TOm 87/00. Ogranichitel' toka [Current limiter] / R.F. Timirgazin (RU), A. V. Kuznetsov (RU) -№2015152652; Zayavl. [Application date] 8.12.15; Opubl. [Publication Date] 27.03.17.
9. Niayesh K., Tepper J., König F. A Novel current limitation principle based on application of liquid metals // IEEE transaction on companents and packaging technologies. 2006, vol 29, №2, рр. 303309.
10. Yiying L., W.Yi, Chen K, H. Hailong Investigation on the behavior of GaInSn liquid metal Current Limiter // IEEE transaction on companents. 2014, №2, рр. 209-215.
11. Zienicke E., Ben-Wen Li, Thess A., Kräzschmar A., Terhoeven P. Theoretical and Numerical Stability Analysis of the Liquid Metal Pinch Using the Shallow Water Approximation // Journal of Thermal Science. 2008, №3 vol.17, P. 261-266.
12. Kazantsev A.A., Kosorlukov I. A. Razrabotka zhidkometallicheskogo ogranichitelya toka [Development liquid metal current limitter] // Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont [Electrical equipment: maintenance and repair]. 2013, №12, pp. 25-27.
Кузнецов Анатолий Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение» энергетического факультета УлГТУ.
Юренков Юрий Петрович, магистр, ассистент кафедры «Электроснабжение» УлГТУ.
Поступила 11.02.2019 г.
