Строительство новых и реконструкция действующих электростанций должны выполняться на базе использования передовых технологий и современного оборудования отечественного производства. Наблюдается значительный прогресс в создании нового электрооборудования, новых схемных и компоновочных решений. Однако сохраняется неопределенность в подходах к режиму нейтрали в сетях собственных нужд (СН) 6 кВ тепловых электростанций (ТЭС), хотя от него во многом зависит надежность, экономичность и безопасность работы энергоблоков ТЭС.

Сети СН 6 кВ тепловых электростанций России, как правило, работают с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через резистор. Работа сети с изолированной нейтралью опасна для двигателей 6 кВ СН из-за недопустимых перенапряжений, возникающих при дуговых замыканиях на землю. При этом защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) на присоединениях СН 6 кВ не предусматривается из-за трудностей обеспечить требуемую чувствительность или работоспособность при дуговых ОЗЗ. Значительные уровни перенапряжений, длительный характер их воздействия при ОЗЗ приводят к преждевременному старению изоляции и к повышенной аварийности электрооборудования.

Существуют различные способы борьбы с перенапряжениями в сетях СН 6 кВ ТЭС и АЭС:
    1) применение ОПН в сетях с незаземленной нейтралью;
    2) низкоомное или высокоомное резисторное заземление нейтрали с целью ограничения перенапряжений и повышение надежности селективной защиты на сигналах промышленной частоты;
    3) компенсация емкостных токов на основе резонансного заземления нейтрали;
    4) полное подавление дуговых замыканий на землю на основе резонансного заземления и компенсации активной составляющей напряжения и тока промышленной частоты.

Критический анализ указанных способов борьбы с ОЗЗ приводит к однозначному выводу, что только настроенная индуктивность дугогасящего реактора (ДГР) в сочетании с компенсацией активной составляющей в состоянии обеспечить полное подавление дуговых ОЗЗ и, соответственно, полную ликвидацию электро- и пожароопасных ситуаций. Другие способы ослабления вредных воздействий на изоляцию ориентированы с самого начала на борьбу со следствиями, в то время как полная компенсация и обусловленное ею подавление дугового процесса направлены на борьбу с причиной этих воздействий. Однако из-за отсутствия технических средств, обеспечивающих в реальных условиях точную резонансную настройку контура нулевой последовательности сети, внедрение такого способа заземления нейтрали неоправданно затянулось.

В последнее время на страницах журналов появляется масса публикаций, в которых дискутируются вопросы выбора режима заземления нейтрали в сетях напряжением 6-35 кВ. Все авторы убеждены в необходимости принятия каких-либо мер по ограничению многообразных перенапряжений в этих сетях с целью снижения повреждаемости оборудования. Считая невозможным создание систем автоматической настройки компенсации, авторы в основном предлагают: применение резисторов для заземления нейтрали; низкоомных или высокоомных резисторов, включенных параллельно дугогасящим реакторам (ДГР); резисторов, управляемых высоковольтными тиристорными коммутаторами и т.п. Таким образом, предлагаются меры, подчеркнём ещё раз, направленные на борьбу со следствиями, а не с причиной перенапряжений. Требуемые технические устройства для полного подавления дуговых замыканий на землю на основе резонансного заземления нейтрали разработаны и изготовлены еще в 1989 г. Накоплен положительный эксплуатационный опыт работы шести таких устройств на трех блоках 500 МВт Рефтинской ГРЭС. Имеющийся опыт, однако, не востребован, не изучен и до сих пор не рекомендован для внедрения на тепловых электростанциях. И это можно объяснить только издержками процесса перестройки, когда были нарушены необходимые связи в централизованной технической политике РАО "ЕЭС России".

Предлагаемое устройство автоматического регулирования токов компенсации УАРК.201 совместно с плавно регулируемым дугогасящим реактором, созданном на основе ТАДТМ-25/6, и сетью образуют систему автоматического регулирования индуктивного тока в пределах от 0,5 до 6,0 А, достаточных для компенсации емкостной составляющей в сетях СН. В качестве средства селективного поиска поврежденных присоединений в компенсированной сети использована защита от замыканий на землю типа ПЗЗМ 1. В ней реализован принцип раздельной фиксации полярностей первых полуволн высокочастотных токов и напряжений нулевой последовательности в режиме однофазного замыкания на землю.

Функциональная схема автоматического регулятора представлена на рис. 1. ТАДТМ имеет пятистержневой магнитопровод, вследствие чего каждый из трех магнитных потоков оказывается замкнутым как в обычных однофазных трансформаторах, высоковольтные обмотки которых подключены между фазами сети и землей. Поэтому введение катушки индуктивности L* с низкой стороны в разомкнутый треугольник эквивалентно введению индуктивности L с высокой стороны между нулевой точкой сети и землей с током I(t). Подключение же к одной из низковольтных обмоток ТАДТМ катушки с индуктивностью L*д эквивалентно подключению дополнительной проводимости с высокой стороны с индуктивностью Lд и током Iд (t) (рис.2).

Основным управляющим органом УАРК является блок управления (БУ), на вход которого подается вся информация о режиме работы сети. От трансформатора напряжения подается величина и фазовый сдвиг 3U0 и одно из линейных напряжений. БУ осуществляет постоянный контроль за добротностью контура нулевой последовательности сети и за его резонансной настройкой. Резонансная настройка осуществляется на оригинальном фазовом принципе с одновременной стабилизацией напряжения смещения нейтрали на заданном уровне.

На принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока через низковольтную катушку ТАДТМ с помощью изменения углов отпирания тиристорных ключей ТК.1, ТК.2 осуществляется плавное регулирование индуктивного тока. На том же принципе ШИМ-управляемой индуктивности ключом ТК.Д предусмотрена компенсация активной составляющей с целью длительного удержания напряжения поврежденной фазы на минимальном уровне. В нормальном режиме работы сети регулирование реактивного тока I(t), обусловленного индуктивностью L, осуществляется БУ путем прерывания тока через ТАДТМ в заданной области при помощи выдержки времени tr. Величина tr на прерывание вырабатывается между моментом запирания тиристорного ключа в низковольтной цепи ТАДТМ и выдачей на него отпирающих импульсов (рис.3). При появлении режимов замыкания БУ с высокой степенью надёжности распознает поврежденную фазу и включает один из контакторов К1, К2, К3, соединяющий цепь из индуктивности LД и ключа ТК.Д с выводом вторичной обмотки фазы, опережающей на 120° поврежденную фазу. БУ изменяет выдержку времени t А между моментами запирания и отпирания этого ключа, в результате чего в контуре нулевой последовательности образуется искусственный ток несимметрии IД(t), опережающий на 30° ЭДС E(t) поврежденной фазы. Регулированием индуктивности L и амплитуды искусственного тока несимметрии Iд(t) путем изменения блоком БУ выдержек времени t r и ta достигается полная компенсация емкостной и активной составляющей тока замыкания и подавление дугового процесса в месте ОЗЗ. При этом остаточное напряжение поврежденной фазы, характеризующееся высшими гармониками, относительно невелико (до 600 В при семикратном изменении индуктивного тока) и недостаточно для поддержания дуги. Контроль БУ за состоянием сети и вычисление на основании получаемых данных необходимых выдержек времени ta и tr позволяют значительно сократить время автоподстройки компенсации емкостной и активной составляющих при появлении ОЗЗ. Для распознавания перехода сети в нормальный режим работы при устранении или ликвидации ОЗЗ УАРК анализирует параметры сети и по истечении 20 с с момента настройки системы выполняет пробное снятие компенсации активной составляющей, что приводит к плавному восстановлению напряжения на всех фазах. При устойчивом характере ОЗЗ система повторно минимизирует напряжение на поврежденной фазе и поддерживает заданный режим до оперативного устранения замыкания. При этом оперативность обеспечивается установленными на каждом присоединении ПЗЗМ 1.

Таким образом, описанные устройства представляют собой всережимный двухканальный автоматический компенсатор емкостных и активных составляющих токов однофазных замыканий на землю в сети СН 6 кВ ТЭС. Автокомпенсатор, установленный в сеть СН 6 кВ, образует с ней систему автоматического подавления дуговых замыканий на землю, сопутствующих перенапряжений и пожароопасных ситуаций, способствует сокращению устойчивых замыканий на землю и снижению перерывов в электроснабжении потребителей СН. Следует отметить мгновенность защитного действия сети с полностью компенсированной нейтралью при дуге. Напряжение поврежденной фазы без каких-либо коммутационных операций снижается до напряжения обрыва дуги только за счет свойств сети и энергии, вводимой в сеть через место пробоя изоляции. Готовность УАРК.201 противодействовать развитию однофазных замыканий и удерживать минимальные напряжения на дуговом промежутке обеспечивают высокий процент самоликвидации дуговых замыканий, т.е. восстановления диэлектрической прочности изоляции, не требующих ни поиска, ни ремонта. В наилучшем случае дуговой процесс ограничивается одним (первым, естественным) пробоем. Поэтому до предела минимизируется число импульсных перенапряжений, вызванных перемежающейся дугой, а за счет уменьшения кумулятивных эффектов до предельных возможностей замедляется старение изоляции. На основе возможностей микропроцессорной техники с быстродействующим алгоритмом распознавания поврежденной фазы и алгоритмом быстродействующей резонансной настройки обеспечена высокая эффективность устройства полного подавления дуговых замыканий на землю в сети СН 6 кВ. Устройство позволяет накапливать статистическую информацию о режиме работы сети, виде ОЗЗ, календарном времени появления замыкания, условиях компенсации, неисправностях устройства с выводом информации на табло. Устройство осуществляет самоконтроль работоспособности и сигнализацию на щит управления о наличии аварийного режима сети.

Внедрение на ТЭС указанных устройств позволит повысить надежность и безопасность работы станции в целом. Из сравнительного анализа отключений на секциях СН 6 кВ Рефтинской ГРЭС за период с 01.01.82 по 01.02.94 сделаны выводы:
     1)снижено число отключений электродвигателей в сетях с полностью компенсированной нейтралью по отношению к сетям с изолированной нейтралью в 1,84 раза, к сетям со статической компенсацией – в 1,51 раза, к сетям с резистором в нейтрали – в 2,4 раза;
    2) снижено число перехода ОЗЗ в многофазные замыкания со срабатыванием максимально-токовой защиты по отношению к сетям с изолированной нейтралью в 6,35 раза, к сетям со статической компенсацией – в 4,04 раза, к сетям с резистором в нейтрали – в 4,25 раза;
    3) 85% всех ОЗЗ в сетях полностью компенсированной нейтралью перешло в самоликвидацию.

По данным внедренческого предприятия ООО “Наука, техника, бизнес в энергетике” (НТБЭ), разработчика и поставщика новых устройств, стоимость одного комплекта УАРК.201 составит 7,6 тыс. долл. США, ТАДТМ-25/6 – 6,5 тыс. долл., ПЗЗМ 1 – 0,06 тыс. долл. Оборудование изготавливается на конверсионных заводах г. Екатеринбурга, монтаж и наладка устройств осуществляет предприятие НТБЭ, сопровождая опытную эксплуатацию.

В настоящее время УралВНИПИэнергопром ведет рабочее проектирование по установке УАРК.201 на двух секциях 6 кВ ПГУ-220 МВт на реконструируемой Тюменской ТЭЦ-1.

При компоновке встретились трудности с размещением ТАДТМ-25/6. Поскольку в нем содержится около 300 кг масла, необходимо размещать его в камере, что требует дополнительных площадей. На Рефтинской ГРЭС ТАДТМ размещены в одном ряду с секциями КРУ 6 кВ в одном помещении, выгороженными металлической сеткой, что, строго говоря, является нарушением требований ПУЭ. Проектировщиками ставился вопрос об изготовлении такого трансформатора-реактора в сухом исполнении. Московский Электрозавод в принципе готов разработать сухой трансформатор-реактор, требуется лишь финансирование разработок. Здесь остается надеяться на РАО "ЕЭС России", которое обратит внимание на целесообразность внедрения этих устройств на ТЭС и соответственно обеспечит необходимое финансирование.