Заземляющий дугогасящий реактор заземления нейтрали трехфазной электрической сети

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использовано для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети состоит из заземляющего резистора с постоянным активным сопротивлением, подключенного к контуру заземления (станции или подстанции) через управляемый вакуумный разрядник (РВУ). К нейтрали сети подключены емкостно-резистивный и емкостный делители напряжения, к средней точке последнего подключен вывод первичной обмотки импульсного трансформатора (ИТ), ее второй вывод подключен к условному аноду симистора, а его условный катод соединен с контуром заземления. К средней точке емкостно-резистивного делителя подключена электромагнитная линия задержки, второй вывод которой соединен с управляющим электродом симистора. Выводы вторичной обмотки шунтированы запускающим конденсатором и соединены с землей и управляющим электродом РВУ. При неустойчивых дуговых замыканиях на землю кратковременно открывается симистор, РВУ пробивается и подключает резистор между нейтралью сети и землей, снижая дуговые перенапряжения. При устойчивом замыкании на землю разрядник не срабатывает, и заземляющий резистор отключен от сети. Технический эффект заключается в улучшении условий самогашения заземляющей дуги и сокращении длительности ее горения, повышении электробезопасности сети, снижении потерь энергии в заземляющем резисторе и его мощности.

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использовано для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей.

Известно устройство заземления нейтрали электрической сети, представляющее дугогасящий реактор (ДГР). Недостатком его применения является значительная стоимость ДГР, а также необходимость подстройки тока компенсации (путем изменения отпайки или применения дорогостоящих автоматических систем настройки) при изменении емкостного тока замыкания на землю (ЕТЗЗ) [Базылев Б.И., Брянцев A.M., Долгополов А.Г и др. Дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю. - СПб.: Изд-во ПЭИПК Минтопэнерго России, 1999; Обабков В.К. Еще раз о компенсации емкостных токов в сетях 6-36 кВ // Энергетик, 2, 2002] - из-за отключений и включений питающих линий в сети.

Известно также устройство заземления (взятое в качестве прототипа), представляющее постоянный заземляющий/нейтральный резистор (R_N) [Н.Н.Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып.11, с.84-101], включаемый между нейтралью сети и «землей» (контуром заземления подстанции). Такое устройство заземления применяется в сетях с малыми ЕТЗЗ, максимальные значения которых для сетей разных классов напряжения устанавливаются нормативными документами [Правила устройства электроустановок. - Изд. 7-ое., НЦ ЭНАС, 2008]. Заземляющий резистор R_N выбирается из условия приблизительного равенства ЕТЗЗ (I_C) активному току замыкания на землю I_R=U_ф/R_NI_C=3С_фU_ф, где С_ф, U_ф - фазная емкость и напряжение сети), обусловленному включением R_N в нейтраль электрической сети. Такой способ заземления позволяет снизить перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), что уменьшает электрическую нагрузку на изоляцию, в основном, неповрежденных фаз электрической сети. Однако включение резистора в нейтраль сети приводит к увеличению установившегося полного тока замыкания на землю. При выборе резистора из условия I_RI_C увеличение тока замыкания на землю составляет раз. Повышенный ток замыкания на землю препятствует быстрому самогашению дуги, снижает электробезопасность сети; в самом заземляющем резисторе выделяется значительная энергия, поскольку к нему прикладывается фазное напряжение (в режиме устойчивого замыкания).

Таким образом, анализ современного состояния техники указывает на необходимость разработки устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети, снижающего перенапряжения при ОДЗ, но не приводящего к увеличению установившегося тока замыкания на землю и длительности горения заземляющей дуги, а также не снижающего электробезопасность сети. Устройство должно иметь пониженные потери энергии и соответственно уменьшенную мощность заземляющего резистора.

Эта задача достигается тем, что в известном устройстве резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящем из заземляющего резистора с постоянным активным сопротивлением, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, второй вывод заземляющего резистора подключен к первому электроду вакуумного управляемого разрядника (РВУ) [Алферов Д.Ф. Применение управляемых вакуумных разрядников в высоковольтном быстродействующем защитном устройстве / Д.Ф.Алферов, Н.В.Матвеев, В.А.Сидоров, Хабаров Д.А. // Приборы и техника эксперимента, 3, 2004], второй электрод которого соединен с контуром заземления (станции или подстанции). Между нейтралью трехфазной электрической сети и контуром заземления включены нелинейный ограничитель перенапряжений, емкостный делитель напряжения, состоящий из двух последовательно включенных конденсаторов, и емкостно-резистивный делитель напряжения, его верхнее плечо, подключенное к нейтрали сети, образовано конденсатором, нижнее - резистором. Средняя точка емкостного делителя напряжения соединена с выводом первичной обмотки повышающего импульсного трансформатора, второй вывод первичной обмотки импульсного трансформатора подключен к условному аноду симистора, а его условный катод подключен к контуру заземления. К средней точке емкостно-резистивного делителя подключена электромагнитная линия задержки, ее второй потенциальный вывод соединен с управляющим электродом симистора, а общий вывод линии задержки подключен к контуру заземления. Выводы вторичной повышающей обмотки импульсного трансформатора подключены к управляющему электроду РВУ и контуру заземления. Параллельно вторичной повышающей обмотке импульсного трансформатора подключен запускающий конденсатор.

На фиг.1. приведена схема устройства импульсного подключения заземляющего резистора R_N (1) в распределительную сеть. К нейтрали сетевой обмотки питающего трансформатора или специальному устройству выделения нейтрали (2) подключен заземляющий резистор R_N (1). Последовательно с ним включен РВУ (3), электрод Э₁ которого подключен к заземляющему резистору R_N, а электрод Э₂ соединен с контуром заземления (КЗ). Между нейтралью сети и КЗ включены емкостно-резистивный С_д(6)-R(7) и емкостный C ₁(4)-C₂(5) делители напряжения, а также нелинейный ограничитель перенапряжений (8). Средняя точка емкостного делителя напряжения С₁-С₂ через первичную обмотку импульсного трансформатора (ИТ) подключена к условному аноду симистора (7), условный катод которого заземлен (т.е. подключен к КЗ). Между средней точкой емкостно-резистивного делителя напряжения R-С_д и управляющим электродом (УЭ) симистора (7) включена электромагнитная линия задержки (9), ее общий вывод подключен к КЗ. Выводы вторичной повышающей обмотки ИТ (10) подключены к УЭ РВУ (3) и КЗ. Параллельно вторичной повышающей обмотке ИТ включен запускающий конденсатор С₃ (11).

Устройство работает следующим образом. Заземляющий резистор R _N выбирают из условия полного отекания (рассеяния в R _N) избыточного заряда, появляющегося на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги, за один полупериод промышленной частоты (T₀/2). За четыре постоянных времени 44·3R_NC_ф (где - С_ф - фазная емкость сети) заряд практически полностью «стекает» с нейтрали сети, поэтому T₀/2=4 (=T₀/8).

После гашения заземляющей дуги в момент перехода высокочастотной составляющей тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение (u _N) (фиг.2). Под действием крутого фронта напряжения на нейтрали сети (u_N) на нижнем плече емкостно-резистивного делителя (на резисторе R) возникает импульс напряжения, который с временной задержкой 0,5-1 мс, поступает на управляющий электрод симистора (7). Симистор открывается, напряжение на конденсаторе С₂ (5) трансформируется посредством ИТ (1) и заряжает запускающий конденсатор С₃ (11). При достижении напряжением на этом конденсаторе напряжения зажигания происходит пробой промежутка УЭ-Э₂ РВУ (3), он включается и пропускает ток через заземляющий резистор R_N. Когда ток снизится до значения тока среза (единицы Ампер), разряд в РВУ прекращается и заземляющий резистор отключается от КЗ.

При возникновении устойчивого однофазного замыкания на землю напряжение на нейтрали электрической сети приближается к фазному значению, имеет синусоидальную форму и, соответственно, малую крутизну (скорость) изменения. На средней точке резистивно-емкостного делителя напряжения (R-С_д ), выполняющего дифференцирующую функцию, напряжение мало, запуск симистора не происходит, и заземляющий резистор R_N не подключается к КЗ.

При импульсном заземлении (ИЗ) нейтрали сети посредством устройства на фиг.1 относительная энергия в заземляющем резисторе с некоторым условным сопротивлением R_N=1 Ом, выделяемая в течение полупериода промышленной частоты Т₀/2 после самогашения заземляющей дуги, равна т ²

,

где U_N0 - начальное по отношению к фазному максимальному значению (U_фм) напряжение на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги.

Относительная энергия, выделяемая при устойчивом («металлическом») замыкании на землю, относительном напряжении в сети U_фм =1 и постоянно включенном заземляющем резисторе, определяется по выражению:

.

Теоретически максимальное напряжение на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги при первом переходе высокочастотной (перезарядной) составляющей тока через нуль равно в относительных единицах U_N0=5/3 [Ф.А.Лихачев. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия, 1971]. Поэтому отношение энергий при различных способах заземления нейтрали сети будет равно:

.

Таким образом, при импульсном заземлении резистора R_N, рассеиваемая в нем мощность, как минимум, на 31% меньше, чем при его постоянном подключении к нейтрали сети.

В реальных сетях в силу потерь как в самой сети, так и в канале заземляющей дуги среднее начальное смещение напряжения на нейтрали сети заметно меньше теоретически максимального значения, оно составляет (в относительных единицах) приблизительно U_N01 [Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. Результаты мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных сетях. - Электрические станции, 8, 2002]. Поэтому требуемая мощность заземляющего резистора R_N при импульсном заземлении нейтрали электрической сети составляет лишь - 25% по отношению к мощности, требуемой при его постоянном включении.

На фиг.2 приведены расчетные осциллограммы, полученные моделированием переходного процесса однофазного замыкания на землю при неустойчивом замыкании на землю в электрической сети, оснащенной устройством, приведенным на фиг.1. После гашения заземляющей дуги в момент прохождения тока замыкания через нулевое значение происходит быстрый рост напряжения на нейтрали электрической сети (u_N), поэтому срабатывает симистор (7), при пробое промежутка УЭ-Э₂ РВУ формируется запускающий импульс тока (i_УЭ.РВУ ). Включившийся РВУ (3) приводит к появлению тока в заземляющем резисторе R_N (i_RN) и снижению напряжения на нейтрали электрической сети (u_N).

При устойчивом замыкании на землю напряжение на конденсаторе С₂ недостаточно для инициирования пробоя в промежутке управляющий электрод-катод управляемого вентильного разрядника, нейтраль электрической сети оказывается изолированной от земли, и в месте замыкания протекает только емкостный ток (I_C ).

Таким образом, предлагаемое устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети, автоматически включает заземляющий резистор при дуговых (неустойчивых) замыканиях на землю, снижая перенапряжения на неповрежденных фазах, и не включает заземляющий резистор при устойчивом замыкании на землю. Автоматическое отключение заземляющего резистора R_N при установлении устойчивого замыкания снижает полный ток замыкания, способствует более быстрому самогашению заземляющей дуги, повышает электробезопасность сети. Потери энергии в заземляющем резисторе R_N снижаются, а сам резистор может быть изготовлен на меньшую расчетную мощность.

Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящее из заземляющего резистора с постоянным активным сопротивлением, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, отличающееся тем, что второй вывод заземляющего резистора подключен к первому электроду вакуумного управляемого разрядника, второй электрод которого соединен с контуром заземления; между нейтралью трехфазной электрической сети и контуром заземления подстанции включены нелинейный ограничитель перенапряжений, емкостный делитель напряжения, состоящий из двух последовательно включенных конденсаторов, и емкостно-резистивный делитель напряжения, его верхнее плечо, подключенное к нейтрали сети, образовано конденсатором, нижнее - резистором, средняя точка емкостного делителя напряжения соединена с выводом первичной обмотки повышающего импульсного трансформатора, второй вывод первичной обмотки трансформатора подключен к условному аноду симистора, а его условный катод подключен к контуру заземления, к средней точке емкостно-резистивного делителя подключена электромагнитная линия задержки, второй потенциальный вывод линии задержки подключен к управляющему электроду симистора, а ее общий вывод подключен к контуру заземления, выводы вторичной повышающей обмотки импульсного трансформатора подключены к управляющему электроду вакуумного разрядника и контуру заземления, параллельно вторичной повышающей обмотке импульсного трансформатора включен запускающий конденсатор.