Токоограничивающий реактор

Токоограничивающий реактор — это электротехническое устройство, предназначенное для ограничения тока короткого замыкания (КЗ) в электрических сетях переменного тока. Конструктивно представляет собой катушку индуктивности (дроссель) с ферромагнитным или воздушным сердечником, включаемую последовательно в цепь. Основное свойство реактора — создавать значительное индуктивное сопротивление, которое резко возрастает при увеличении тока (например, при аварии), тем самым ограничивая его амплитуду до значений, безопасных для оборудования и линий электропередачи.

Назначение и принцип действия

Основная задача токоограничивающего реактора — снижение тока КЗ до величины, которую способны отключить коммутационные аппараты (выключатели, разъединители), и предотвращение термического и динамического повреждения токоведущих частей. В нормальном режиме работы реактор оказывает незначительное сопротивление (обычно несколько процентов от номинального сопротивления нагрузки), что приводит к небольшому падению напряжения (до 3–8 %) и не влияет существенно на режим работы сети. При возникновении короткого замыкания, когда ток резко возрастает, индуктивное сопротивление реактора (пропорциональное частоте и индуктивности) становится доминирующим, ограничивая ток на уровне, определяемом параметрами реактора и системы.

Принцип действия основан на явлении самоиндукции. При резком увеличении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, направленная против нарастания тока, что замедляет его рост. Чем больше индуктивность реактора, тем эффективнее ограничение. Однако чрезмерное увеличение индуктивности приводит к недопустимому падению напряжения в нормальном режиме и ухудшению качества электроэнергии.

Классификация

Токоограничивающие реакторы классифицируются по нескольким признакам.

По типу сердечника

• С воздушным сердечником (без сердечника) — наиболее распространённый тип. Катушка намотана на каркасе из немагнитного материала (бетон, стеклотекстолит) и не содержит ферромагнитного сердечника. Отличаются линейной индуктивностью (не зависит от тока), высокой надёжностью и простотой конструкции. Недостаток — относительно большие габариты и масса.
• С ферромагнитным сердечником (стальным) — сердечник изготавливается из листов электротехнической стали. Такие реакторы компактнее, но их индуктивность нелинейна: при насыщении сердечника (при больших токах КЗ) она резко падает, что снижает эффективность ограничения. Применяются в сетях с относительно небольшими токами КЗ или в сочетании с другими устройствами.
• С магнитным шунтом — гибридный вариант, где часть магнитного потока замыкается через ферромагнитный шунт, а часть — через воздушный зазор. Позволяет получить частичную нелинейность, улучшая характеристики в определённых режимах.

По способу включения

• Линейные (секционные) — включаются последовательно в линию или секцию шин. Ограничивают ток КЗ в данной цепи.
• Шунтирующие — включаются параллельно нагрузке (редко применяются для токоограничения, чаще для компенсации реактивной мощности).
• Групповые — устанавливаются на вводе в распределительное устройство (РУ) и защищают сразу несколько отходящих линий.

По конструктивному исполнению

• Бетонные — катушка залита бетоном для механической прочности и изоляции. Широко применялись в СССР, но в настоящее время вытесняются сухими.
• Сухие — с открытой намоткой на каркасе из стеклотекстолита или керамики. Охлаждение — естественное воздушное. Наиболее распространённый современный тип для внутренней установки.
• Масляные — помещены в бак с трансформаторным маслом. Используются для наружной установки при больших номинальных токах и напряжениях (35 кВ и выше).

Основные параметры и характеристики

При выборе токоограничивающего реактора учитываются следующие параметры:

• Номинальное напряжение (Uн) — напряжение сети, для которой предназначен реактор (например, 6, 10, 35, 110 кВ).
• Номинальный ток (Iн) — длительно допустимый ток в нормальном режиме.
• Индуктивное сопротивление (Xр) — основная характеристика, определяющая степень ограничения тока КЗ. Измеряется в Омах или в процентах от базового сопротивления.
• Ток термической стойкости — наибольший ток, который реактор способен выдержать в течение заданного времени (обычно 1–4 с) без повреждения изоляции.
• Ток электродинамической стойкости — амплитудное значение тока КЗ, при котором реактор не разрушается под действием электродинамических сил.
• Падение напряжения (ΔU) — потеря напряжения на реакторе при номинальном токе (обычно 3–8 % от Uн).

Применение

Токоограничивающие реакторы применяются в электрических сетях всех классов напряжения — от 0,4 кВ до 500 кВ и выше. Основные области использования:

• На подстанциях и в распределительных устройствах — для ограничения токов КЗ в сетях 6–35 кВ, особенно при параллельной работе нескольких трансформаторов. Позволяют использовать более дешёвые и компактные выключатели с меньшей отключающей способностью.
• В цепях генераторов — для ограничения тока КЗ при повреждении вблизи выводов генератора. Защищают обмотки статора от термических и динамических нагрузок.
• В сетях промышленных предприятий — для защиты мощных электродвигателей, трансформаторов и кабельных линий от аварийных токов.
• В системах электроснабжения городов и крупных объектов — для секционирования шин и ограничения тока КЗ до уровня, безопасного для существующего оборудования.
• В высоковольтных линиях электропередачи (110 кВ и выше) — для ограничения токов КЗ в транзитных сетях и повышения устойчивости энергосистемы.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надёжность конструкции (особенно у воздушных реакторов).
• Отсутствие подвижных частей и необходимости в обслуживании (кроме периодической очистки).
• Быстродействие — ограничение тока происходит практически мгновенно (без задержек, свойственных релейной защите).
• Низкая стоимость по сравнению с другими способами ограничения токов КЗ (например, с использованием высоковольтных выключателей с большей отключающей способностью).

Недостатки:

• Постоянное падение напряжения в нормальном режиме (до 8 %), что приводит к снижению напряжения на нагрузке и увеличению потерь электроэнергии.
• Громоздкость и большой вес (особенно у реакторов на большие токи).
• Создание помех в цепях управления и связи (из-за электромагнитного поля).
• Невозможность регулирования степени ограничения (у реакторов с фиксированной индуктивностью).

Альтернативные технологии

В современных энергосистемах для ограничения токов КЗ помимо реакторов применяются:

• Токоограничивающие выключатели — коммутационные аппараты, способные отключать токи КЗ за время менее одного периода (5–10 мс). Однако они дороги и сложны в эксплуатации.
• Сверхпроводниковые токоограничители (СПТО) — устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников. В нормальном режиме имеют нулевое сопротивление, при превышении критического тока переходят в резистивное состояние, резко ограничивая ток. Находятся в стадии опытной эксплуатации.
• Трансформаторы с расщеплёнными обмотками — применяются в сетях 6–10 кВ для ограничения токов КЗ за счёт увеличения индуктивного сопротивления обмоток.
• Токоограничивающие дроссели с управляемым насыщением — позволяют изменять индуктивность в зависимости от режима, но сложны и дороги.

Источники

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание, глава 4.2 «Токоограничивающие реакторы».
2. ГОСТ 18624-73 «Реакторы электрические. Общие технические условия».
3. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. «Электрооборудование электрических станций и подстанций». — М.: Энергоатомиздат, 1987.
4. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. «Электрическая часть электрических станций и подстанций». — М.: Энергия, 1978.
5. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. — М.: НЦ ЭНАС, 2006.