Результат интеллектуальной деятельности: Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для ограничения дуговых перенапряжений в распределительных сетях с резистивно заземленной нейтралью.

Известно устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети с малым емкостным током замыкания на землю (ЕТ33), состоящее из постоянного заземляющего/нейтрального резистора (R_N), включенного между нейтралью сети и контуром заземления станции/подстанции [Н.Н. Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып.11, с. 84-101]. Заземляющий резистор R_N выбирается из условия приблизительного равенства ЕТ33 I_с активному току замыкания на землю I_R=U_ф/R_N≅I_C=3ωC_фU_ф (где С_ф, U_ф - фазная емкость и напряжение сети, ω - круговая промышленная частота), обусловленному включением R_N в нейтраль электрической сети. Однако установка заземляющего резистора в нейтраль сети приводит к увеличению полного установившегося тока замыкания на землю в режиме устойчивого замыкания, когда повторные замыкания на землю отсутствуют, и в нейтрали сети устанавливается напряжение, близкое по форме к синусоидальному. При типичном выборе резистора из условия I_R≅I_C (резистивный коэффициент компенсации K_r=I_R/I_C≅1) увеличение тока замыкания на землю I₃ составляет раз .

Повышенный ток замыкания на землю снижает электробезопасность сети, приводит к усиленному разрушающему воздействию дуги и снижению вероятности ее самопогасания.

Известно также устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети [Патент РФ №2454769 от 19.05.2011, МПК Н02Н 9/00. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети// Качесов В.Е./ БИ №18, 2012], принятое в качестве прототипа, в котором для снижения установившегося тока замыкания предложено использовать импульсно-резистивное заземление нейрали сети. Заземляющий резистор R_N подключен к нейтрали питающего трансформатора, образующему нейтраль электрической сети, и условному аноду симистора, условный катод которого подключен к «земле» (контуру заземления станции/подстанции). Между нейтралью питающего трансформатора и землей включен емкостный делитель напряжения. Параллельно его нижнему плечу, т.е. выводам конденсатора, подключенного к земле, подключена первичная обмотка запускающего трансформатора, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к управляющему электроду симистора и земле. Параллельно симистору включен ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН), защищающий симистор от возможных перенапряжений.

Недостатками этого устройства являются большие потери электрической энергии, большая мощность заземляющего резистора, а также невозможность глубокого ограничения кратковременных дуговых перенапряжений на неповрежденных фазах электрической сети в момент горения заземляющей дуги (при прохождении током замыкания i₃(t) вблизи нулевого значения). При первичном пробое изоляции в момент абсолютного максимума фазного напряжения (фаза пробоя ϕ=±90°), изменяющегося по синусоидальному закону (u(t)=U_ф,мsin(ωt), U_ф.м - фазное амплитудное/максимальное напряжение), напряжение на неповрежденных фазах сети ничем не ограничивается, его амплитуда (U_max) на фазе, опережающей по отношению к поврежденной, приближенно определяется как [Качесов В.Е., Квривишвили Л.В. Распознавание однофазных замыканий в распределительных сетях. - Электричество, 2010, №12, с. 8-18]

где - амплитуда свободных колебаний;

- начальное напряжение на неповрежденной фазе;

, C_ф.ф и С_ф - междуфазная и фазная емкости сети;

и δ₁ - круговая частота и коэффициент затухания свободных колебаний.

В зависимости от параметров сети кратковременные дуговые перенапряжения в момент гашения заземляющей дуги в соответствии с (1) могут достигать значений U_max≅2,2…2,3 U_ф.м. Их более глубокое ограничение невозможно посредством только резистивного (высокоомного) заземления нейтрали сети.

Задачей (техническим результатом) является снижение потерь электроэнергии в устройстве, снижение мощности заземляющего резистора, а также глубокое снижение дуговых перенапряжений в электрической сети.

Эта задача достигается тем, что в известном устройстве импульсно-резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, которое состоит из заземляющего резистора, включенного между нейтралью сети и условным анодом резисторного симистора, условный катод которого подключен к земле, и емкостного делителя напряжения, включенного между нейтралью трехфазной электрической сети и землей, а также запускающего трансформатора, первичная обмотка которого подключена параллельно конденсатору нижнего плеча емкостного делителя напряжения, первый вывод вторичной обмотки подключен к управляющему электроду резисторного симистора, а второй - к земле, введены цепи ограничения дуговых перенапряжений непосредственно на фазных выводах источника. Первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к управляющим электродам трех фазных симисторов, условные катоды которых соединены с землей, а аноды подключены к фазным нелинейным ограничителям перенапряжений. Вторые выводы фазных ОПН подключены к соответствующим фазам питающего электрическую сеть трансформатора. Параллельно фазным симисторам - между их условными анодами и катодами - включены защитные ОПН.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства заземления трехфазной электрической сети, а на фиг. 2 - расчетные осциллограммы токов и напряжений в устройстве и сети при неустойчивых дуговых замыканиях на землю.

Устройство заземления (фиг. 1) содержит заземляющий резистор R_N (1) и фазные ОПН (2), которые импульсно подключаются к земле и всем выводам питающего трансформатора (3) при неустойчивых замыканиях на землю. К нейтрали сетевой обмотки питающего трансформатора (3) (или к специальному устройству выделения нейтрали) подключен заземляющий резистор R_N (1). Последовательно с ним включен резисторный симистор (4), условный анод которого подключен к заземляющему резистору R_N, а условный катод соединен с землей. Между нейтралью сети и землей включен емкостный делитель напряжения, образованный конденсаторами С₁ (5) и С₂ (6). Параллельно нижнему плечу емкостного делителя напряжения (т.е. конденсатору С₂ (6)) включена первичная обмотка запускающего трансформатора Т (7). Первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к управляющим электродам резисторного (4) и фазных (8) симисторов (на фиг. 1 пронумерованы элементы только одной фазы «А»). Второй вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора соединен с землей. Между условными анодами фазных симисторов (8) и фазными выводами питающего трансформатора включены фазные ОПН (2). Параллельно всем симисторам (между условными анодами и катодами) включены защитные ОПН (9).

На фиг. 2 приведены расчетные осциллограммы, поясняющие работу устройства, полученные моделированием переходного процесса, возникающего при многократном однофазном дуговом замыкании на землю в трехфазной распределительной сети, оснащенной предлагаемым устройством заземления.

Предлагаемое устройство работает следующим образом при ограничении дуговых перенапряжений до уровня U_опр=1,8 U_фм. Сопротивление заземляющего резистора R_N выбирают из условия снижения напряжения на нейтрали сети, возникающего после погасания заземляющей дуги, до уровня, при котором максимальное фазное напряжение промышленной частоты (U_{~огр.mах}) на неповрежденных фазах будет на 15% меньше остающегося напряжения на фазных ОПН при токе 100 А U_{ост.ф.ОПН.100}=U_огр=1,8 U_фм и коэффициенте нелинейности варисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений, равном α=(log(U₂)-log(U₁))/(log(I₂)-log(I₁))≅0,04, где U₂,U₁,I₂,I₁ - соответствующие пары остающихся напряжений и токов на вольт-амперной характеристике ОПН (U₂>U₁, I₂>I₁).

Максимальное напряжение промышленной частоты на неповрежденных фазах при первичном пробое фазной изоляции определяется как

где U_N0 - напряжение на нейтрали сети после гашения заземляющей дуги, ограниченное ОПН.

Исходя из требования снижения максимального напряжения промышленной частоты до уровня 0,85⋅1,8 U_фМ рассчитывается сопротивление заземляющего резистора R_N с учетом времени достижения максимума напряжения (промышленной частоты), составляющего для опережающей по отношению к поврежденной фазе t_з=π/(3ω):

Для уровня ограничения дуговых перенапряжений U_огр=1,8 U_фм в соответствии с (2) принимается сопротивление заземляющего резистора , при этом . Для уровня .

После гашения заземляющей дуги в момент перехода тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение (u_N) (фиг. 2). Под действием крутого фронта напряжения на нейтрали сети (u_N) в контуре, образованном емкостным делителем C₁ (5) - С₂ (6) и трансформатором Т (7) (фиг. 1), возникает переходный процесс. Напряжение (u_зап), появляющееся на выводах вторичной обмотки трансформатора и прикладываемое между управляющими электродами и условными катодами всех симисторов, достаточно для их отпирания (фиг. 2). Открытие фазных симисторов (8) приводит к подключению к выводам питающего трансформатора сети фазных ОПН (2). Через фазные ОПН неповрежденных фаз (на фиг. 2 это фазы "А" и "В") в силу больших фазных напряжений кратковременно протекают токи (i_ОПНА и i_ОПНВ), снижающие дуговые перенапряжения. Открытие резисторного симистора (4) приводит к заземлению резистора R_N и снижению напряжения на нейтрали сети (u_N). Защитные ОПН (9), установленные параллельно симисторам (фиг. 1), предохраняют их от возможных перенапряжений в сети.

Таким образом, при однофазных замыканиях на землю дуговые перенапряжения в электрической сети эффективно подавляются импульсно подключаемыми фазными ОПН (2) и заземляющим резистором R_N (1) (фиг. 1). По сравнению с прототипом, где применяется только резистивное заземление нейтрали сети, уровень ограничения дуговых перенапряжений снижается на ~22% при K_r=0,78.

При многократных дуговых замыканиях на землю в силу ухудшения диэлектрических свойств участка сети с дефектной изоляцией процесс замыкания на землю со временем часто приближается по характеру к устойчивому замыканию. В силу плавного (близкого к синусоидальному) изменения напряжения на нейтрали сети, его малой производной и недостаточного напряжения u_зап симисторы находятся в закрытом состоянии, исключая разогрев заземляющего резистора R_N (1) и фазных ОПН (2).

В высоковольтных сетях в некоторых случаях может потребоваться последовательное включение нескольких симисторов в силу возможной ограниченности их рабочего напряжения. В этом случае количество изолированных друг от друга вторичных обмоток запускающего трансформатора Т соответствует количеству последовательно включенных симисторов, защищенных ограничителями перенапряжений нелинейными [прототип].

Таким образом, предлагаемое устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети автоматически - посредством фазных симисторов - подключает фазные ОПН к выводам питающего трансформатора при дуговых (неустойчивых) замыканиях на землю, глубоко снижая дуговые перенапряжения на неповрежденных фазах. Заземляющий (нейтральный) резистор может выполняться с большим сопротивлением, а требуемый коэффициент резистивной компенсации K_r соответственно становится меньшим, что снижает потери энергии в заземляющем устройстве при неустойчивых дуговых замыканиях. Ввиду большего сопротивления заземляющего резистора снижается его рассеиваемая мощность.