Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью

Авторы патента:

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью. Целью предложенного изобретения является повышение точности компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю и расширение диапазона изменения параметров устройства. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, содержащее три обмотки, каждая из которых размещена на отдельном стержне из магнитного материала, соединенные по схеме «звезда» или «зигзаг», входы которых соединены каждый с соответствующим своим фазным проводником электрической сети, а нейтральная точка соединена со входом четвертой обмотки с переменной индуктивностью, размещенной на четвертом стержне из магнитного материала с воздушными зазорами, выход четвертой обмотки соединен с землей, все четыре стержня соединены ярмами с одной и с другой стороны. Новым в устройстве является то, что, во-первых, ярма, соединяющие стержни первых трех обмоток состыкованы в виде двух симметричных трехлучевых звезд под углом 120 градусов относительно друг друга, и четвертый стержень соединяет места стыковки ярм; во-вторых, параллельно четвертой катушке подключено переменное активно-реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление; в-третьих, четвертая катушка выполнена с отводами, и переменное активно-реактивное сопротивление через коммутационный аппарат подключается параллельно части витков четвертой катушки; в-четвертых, на четвертом стержне размещена дополнительная пятая катушка, и к выводам этой катушки параллельно с ней включено второе переменное активно-реактивное сопротивление.

Область техники, к которой относится изобретение, и преимуществе иная область его использования

Характеристика аналогов изобретения

Электрические сети с изолированной и компенсированной нейтралью имеют неоспоримые преимущества в плане возможности передавать электрическую энергию потребителям даже при замыкании одной фазы на землю. Однако, при большой протяженности и при большой емкости фаз этой сети относительно земли токи однофазных замыканий на землю достигают нескольких десятков и даже сотен Ампер и представляют опасность для жизни и могут приводить к интенсивному развитию аварийной ситуации в электроэнергетической системе. В месте повреждения возникает электрическая дуга, которая представляет опасность из-за термического действия на окружающую среду и из-за нелинейной вольтамперной характеристики на электрическую сеть. С целью предотвращения негативного влияния однофазных замыканий на землю, возникающие при этом емкостные токи компенсируют за счет включения индуктивности между нейтральной точкой сети и землей [1]. Однако, во многих распределительных электрических сетях классов напряжения от 6 до 35 кВ нейтральной точки в физическом виде нет и нет возможности подключить заземляющую индуктивность (дугогасящую катушку или дугогасящий реактор).

Известно устройство компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю, в котором специально в электрической сети с изолированной нейтралью создается нейтральная точка с помощью нейтралеобразующего трансформатора, и дугогасящая катушка включается между этой нейтральной точкой и землей [2].

Это устройство имеет недостатки. Для его реализации требуется установить в электрической сети на подстанции два отдельных элемента (нейтралеобразующий трансформатор и дугогасящий реактор), каждый из которых имеет большую массу и габаритные размеры. Необходимы соединительные кабели или шины, коммутационные аппараты и отдельные фундаменты. Все это создает неудобства при монтаже и эксплуатации.

Характеристика прототипа, выбранного заявителем

Наиболее близким техническим решением является устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, содержащее три обмотки, каждая из которых размещена на отдельном стержне из магнитного материала, соединенные по схеме «звезда» или «зигзаг», входы которых соединены каждый с соответствующим своим фазным проводником электрической сети, а нейтральная точка соединена со входом четвертой обмотки с переменной индуктивностью, размещенной на четвертом стержне из магнитного материала с воздушными зазорами, выход четвертой обмотки соединен с землей, все четыре стержня соединены ярмами по три с одной и с другой стороны [3]. При этом ярмами соединяют стержни последовательно: первый со вторым, второй с третьим, третий с четвертым с обеих концов стержней. Такое соединение образует единый плоский четырехстержневой магнитопровод, на котором размещены три первых катушки нейтралеобразующего трансформатора и четвертая дугогасящая катушка с изменяемой индуктивностью.

Критика прототипа

Недостатком известной конструкции является несимметрия магнитной системы, которая приводит к неравномерному по фазам распределению магнитных потоков, и, следовательно, к смещению потенциала искусственно созданной нейтральной точки сети относительно действительного потенциала нейтрали. Это, в свою очередь, вызывает погрешности компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю, и компенсация осуществляется не в полной мере.

Цель изобретения

Целью предложенного изобретения является повышение точности компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю и расширение диапазона изменения параметров устройства.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем три обмотки, каждая из которых размещена на отдельном стержне из магнитного материала, соединенные по схеме «звезда» или «зигзаг», входы которых соединены каждый с соответствующим своим фазным проводником электрической сети, а нейтральная точка соединена со входом четвертой обмотки с переменной индуктивностью, размещенной на четвертом стержне из магнитного материала с воздушными зазорами, выход четвертой обмотки соединен с землей, все четыре стержня соединены ярмами с одной и с другой стороны, изменен порядок соединения стержней ярмами. В предлагаемом устройстве ярма, соединяющие стержни первых трех обмоток состыкованы в виде двух симметричных трехлучевых звезд под углом 120 градусов относительно друг друга, и четвертый стержень соединяет места стыковки ярм. При этом порядке соединения каждый конец первых трех стержней соединяется отдельным ярмом с четвертым стержнем, и, вследствие этого, образуется симметричная магнитная система.

Дополнительно для расширения возможностей регулирования параллельно четвертой катушке подключено переменное активно-реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление. Подключение внешнего активно-индуктивного или активно-емкостного сопротивления параллельно дугогасящей катушке позволяет существенно расширить диапазон изменения эквивалентного сопротивления устройства компенсации емкостных токов.

Также, дополнительно для расширения возможностей регулирования четвертая катушка выполнена с отводами, и переменное активно-реактивное сопротивление через коммутационный аппарат подключается параллельно части витков четвертой катушки.

Кроме этого, устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью выполняется так, что дополнительно на четвертом стержне размещена пятая катушка, и к выводам этой катушки параллельно с ней включено переменное активно-реактивное сопротивление.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показал, что заявленное устройство отличается от известного тем, что содержит новые связи между отдельными элементами устройства и новые элементы с новыми связями. Новое устройство симметрично и обладает широким диапазоном регулирования за счет дополнительных внешних элементов (активно-реактивных сопротивлений), параметры которых могут изменяться в значительно большем диапазоне, чем индуктивность катушки. Эквивалентное сопротивление заявленного устройства может иметь не только индуктивный характер, как у прототипа, но еще и емкостный. Таким образом, заявленное устройство проявляет новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений и соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».

Перечень фигур графических изображений

На фиг. 1 представлен вид сверху электромагнитной части устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью. Приняты следующие обозначения: 1, 3, 5 - первые три катушки устройства, подключаемые к электрической сети; 2, 4, 6 - стержни сердечника первых трех катушек; 7 - четвертая катушка с переменной индуктивностью; 8 - стержень четвертой катушки; 9 - ярма (всего 6, по 3 с каждой стороны стержней), соединяющие концы стержней всех катушек.

На фиг. 2 приведен вид сбоку стержня сердечника, катушки и двух ярм. Обозначения элементов соответствуют приведенным на фиг. 1.

На фиг. 3 приведена электрическая схема устройства, в качестве первого примера реализации. Пунктирными линиями показана магнитная цепь устройства. Здесь каждый конец всех стержней первых трех катушек соединен соответствующим ярмом с соответствующим концом стержня четвертой катушки. К выводам четвертой катушки с переменной индуктивностью L параллельно подключено активно-реактивное (активно-емкостное и активно-индуктивное) сопротивление Z.

На фиг. 4 показан в виде электрической схемы пример реализации устройства с четвертой катушкой, выполненной с отпайками, где внешнее активно-реактивное сопротивление подключается к части витков четвертой катушки.

На фиг. 5 приведен в виде электрической схемы другой пример реализации устройства, где второе внешнее активно-реактивное переменное сопротивление Z2 подключено к выводам дополнительной пятой катушки.

Примеры конкретного выполнения

Устройство фазными (первыми) выводами первых трех катушек подключено к фазам A, B, C электрической сети. Каждая катушка состоит из двух секций. Здесь катушки соединены по схеме «зигзаг». Вторые выводы первых трех катушек соединены друг с другом и образуют нейтральную точку. К нейтральной точке подключен первый вывод четвертой катушки, а второй вывод четвертой катушки соединен с землей.

В нормальном симметричном режиме электрической сети потенциал нейтральной точки равен нулю и ток в четвертой дугогасящей катушке, практически, равен нулю.

При замыкании одной фазы на землю симметрия нарушается, появляется ненулевой потенциал нейтральной точки сети, и в четвертой катушке появляется ток.

Путем изменения индуктивности L четвертой катушки и параметров активно-реактивного сопротивления Z добиваются резонансной настройки контура нулевой последовательности сети, в который входят параметры элементов сети и устройства компенсации емкостных токов. При этом ток в месте замыкания на землю, практически, равен нулю. Таким образом, достигается наиболее полная степень компенсации емкостных токов с помощью предложенного устройства.

Технико-экономическая или иная эффективность изобретения

Благодаря симметрии электромагнитной части устройства и возможности изменять параметры в широких пределах за счет внешних активно-реактивных сопротивлений достигается повышение точности компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в широком диапазоне изменения параметров электрической сети, в которой работает предложенное устройство.

Кроме этого, благодаря единой конструкции электромагнитной части устройства, улучшаются массо-габаритные показатели устройства, улучшаются условия проектирования, монтажа и эксплуатации.

Улучшение показателей технического совершенства устройства позволяет получить и повышение экономических показателей применения устройства, в том числе, за счет повышения надежности электроснабжения в целом.

Источники информации:

1. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. М, «Энергия» 1971, 152 с.

2. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях незаземленной нейтралью. М: Энергия, 1974, 96 с.

3. Вильгейм Р. и Уотерс А. Заземление нейтрали в высоковольтных системах.. М, Госэнергоиздат, 1959, 416 с.

1. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, содержащее три обмотки, каждая из которых размещена на отдельном стержне из магнитного материала, соединенные по схеме "звезда" или "зигзаг", входы которых соединены каждый с соответствующим своим фазным проводником электрической сети, а нейтральная точка соединена со входом четвертой обмотки с переменной индуктивностью, размещенной на четвертом стержне из магнитного материала с воздушными зазорами, выход четвертой обмотки соединен с землей, все четыре стержня соединены ярмами с одной и с другой стороны, отличающееся тем, что ярма, соединяющие стержни первых трех обмоток состыкованы в виде двух симметричных трехлучевых звезд под углом 120º относительно друг друга, и четвертый стержень соединяет места стыковки ярм.

2. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью по п.1, отличающееся тем, что параллельно четвертой катушке подключено переменное активно-реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление.

3. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью по п.2, отличающееся тем, что четвертая катушка выполнена с отводами, и переменное активно-реактивное сопротивление через коммутационный аппарат подключается параллельно части витков четвертой катушки.

4. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью по п.2, отличающееся тем, что на четвертом стержне размещена дополнительная пятая катушка, и к выводам этой катушки параллельно с ней включено второе переменное активно-реактивное сопротивление.