Из анализа мирового опыта, обобщающих исследований Р.Вильгейма, М.Уотерса, Ф.Лихачева по режимам заземления нейтрали в высоковольтных электрических системах, а также прикладных исследований, выполненных нами, сделан важный вывод о перспективности идеи Петерсена (1916) резонансного заземления нейтрали, а также об использовании этой идеи для полного подавления дуговых замыканий на землю. Обнаружено уникальное свойство сетей с настроенной индуктивностью, названное эффектом самозащиты и осуществляемое только за счет свойств сети и энергии, вводимой в резонансный контур при пробое изоляции. Углубление и развитие упомянутых идей предпринято уже с целью намеренного использования этого эффекта и преобразования резонансного способа заземления нейтрали в фундаментальный принцип борьбы с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ) без отключения потребителей.
Указанные идейные соображения впервые в мировой практике реализованы в "металле" в 1985 году в виде автокомпенсатора УАРК.2.УХЛ.4.2 - всережимного устройства автоматической компенсации емкостных и активных составляющих промышленной частоты с использованием повсеместно распространенного плунжерного дугогасящего реактора (ДГР) и оригинального компенсатора активной составляющей. Работа проводилась в рамках НИОКР для серийного производства изделий УАРК.2 в условиях угольной отрасли на Прокопьевском заводе шахтной автоматики Минуглепрома СССР. ОКР доведена до изготовления двух опытных образцов, их приемки и эксплуатации на подстанции "Смолянка-220" ПЭО "Донбассэнерго", питающей шахтные сети 6 кВ ПО "Донецкуголь". Откорректирована также конструкторская документация с литерой О1 на изготовление установочной серии. По решению МВК опытные образцы устройства рекомендованы к эксплуатации.
За 23 месяца работы УАРК.2 зарегистрировано 245 случаев ОЗЗ. Из них 223 перешли в самоликвидацию, 12 ОЗЗ оказались устойчивыми, т.е. потребовали поиска "земли" и восстановительных работ. Междуфазные короткие замыкания исчезли полностью. Начавшиеся перестройка и разделение государств прервали этот процесс.
Всережимный автокомпенсатор [1] рассматриваемого типа с использованием плунжерного дугогасящего реактора (ДГР) в достаточной мере освещен в докладе 1.30 VI Симпозиума "Электротехника 2010 года" (том II, с.101-107), в журнале "Энергетик" № 6 за 2002 год, с.23-25, а также в журнале "Электричество" № 2, 2003.- С.24-37. Там представлены: общая схема системы защиты, функциональная схема автоматического комплекса подавления дуговых замыканий на землю (ОЗЗ) с уникальными техническими решениями (см., например, а.с. 718891, 813587, 1043785, 1220112, 1257741, 1264263, 1198643). Описаны стендовые и опытно-промышленные испытания системы защиты с осциллографированием процессов работы комплекса в нормальном режиме (режим А), в режиме глухого ОЗЗ (режим В) и в режиме дугового ОЗЗ (режим С). При этом в режимах В и С функционируют два замкнутых контура автоматического управления компенсацией емкостной (КЕС) и активной (КАС) составляющих тока ОЗЗ. Высокое быстродействие системы (до 1 мс) при дуговых ОЗЗ достигается за счет предварительной резонансной настройки контура нулевой последовательности (КНПС) в режиме А, которая без перенастроек при линейном ДГР переносится в режимы В и С, а также за счет быстродействующей КЕС в небольших пределах. Последнее реализовано мягкой подстройкой безынерционной индуктивности КНПС (см. а.с. 1264263). Быстродействующая компенсация активной составляющей (КАС) в режимах ОЗЗ достигалась повышением добротности КНПС при помощи эффекта отрицательного сопротивления (см. а.с. 813587). Большие же расстройки по КЕС, большие 10%, в режимах ОЗЗ отрабатывались медленно, т.е. со скоростью передвижения плунжеров ДГР, что можно считать их существенным недостатком. Стимулом перехода на ДГР с подмагничиванием было желание получить высокое быстродействие ДГР (как исполнительного органа (ИО1) системы) при управлении КЕС в режимах ОЗЗ, т.е. то, что не удавалось сделать при помощи плунжерного ДГР. Однако надежды полностью не оправдались!
Общее свойство ДГР этого типа - зависимость эквивалентной индуктивности не только от тока подмагничивания, что является целью разработок, но и от амплитуды Вm переменной индукции магнитопровода. Негативное влияние Вm на резонансные характеристики КНПС можно оценивать несимметрией ветвей резонансной кривой и возможностью возникновения, так называемого скачкообразного резонанса (см. ж-л "Электрические станции" № 10, 2001. - С.44-55 ). Если первое приводит к различной скорости движения в точке резонанса при расстройках КНПС в режимах ОЗЗ, то второе - к образованию автоколебаний по огибающим токов и напряжений вблизи точки резонанса при автоматическом управлении подмагничиванием. Поэтому автокомпенсаторов чисто емкостного тока, построенных на основе ДГР с подмагничиванием, адекватно управляемых в режиме ОЗЗ при изменениях конфигурации сети, пока практически не существует. Разработанные ДГР типа РУОМ приводят к сложному воздействию на сеть, существенно отличающемуся от наблюдаемого при точной настройке ДГР плунжерного типа.
Вполне убедительна критика автора [2] с. 59-63 предложенных им ранее разомкнутых систем автокомпенсации на основе ДГР типа РУОМ. Управление в них выполнено на основе оригинального управляемого выпрямителя (УВ), питаемого напряжением между нейтралью сети и землей с высокой стороны. Недостатком такого питания УВ является прерывание его работы в режиме дуговых ОЗЗ при достаточном снижении напряжения на рабочих обмотках ДГР. Алгоритмически это выглядит так. Каждый пробой порождает подскок напряжения на ДГР практически до Еm - фазного напряжения сети и колебательное его снижение по экспоненте вдоль оси времени. Поэтому принимая в качестве источника питания УВ именно это напряжение с известным масштабным коэффициентом, можно утверждать, что с некоторого уровня снижающихся амплитуд питание УВ ДГР прекратится и индуктивность катушки становится неуправляемой. При этом КНПС расстраивается, низводя усилия при стабилизации индуктивной проводимости по ранее измеренной емкостной проводимости сети. Защитная длительность бестоковой паузы в месте дуги неизбежно сокращается и создаются условия для ее повторного зажигания. При этом естественно увеличивается и общее число ОЗЗ по сравнению с ДГР плунжерного типа. Разработчикам ДГР типа РУОМ это хорошо известно и алгоритмом предусмотрен автоматический перевод сети в режим, близкий к изолированной нейтрали. Происходит явное недоиспользование компенсирующей мощности ДГР типа РУОМ и вследствие этого снижение эффективности борьбы с ОЗЗ. Недостатком их является также невозможность управления током компенсации в режиме дугового ОЗЗ при возможных расстройках КНПС, т.е. при отключении (подключении) части сети или отдельных присоединений в режиме ОЗЗ. Это положение принципиально и обусловлено тем, что в них невозможна подстройка индуктивного тока в режиме ОЗЗ при расстройках КНПС из-за особенностей технологии измерения и стабилизации индуктивной проводимости ДГР на уровне емкостной проводимости.
Основным же недостатком реализованных научно-технических решений при создании всережимного двухканального автокомпенсатора для полного подавления дуговых ОЗЗ на основе ДГР плунжерного типа было и остаётся отсутствие микропроцессорной реализации, затрудняющей настройку, ремонт и диагностику устройств УАРК.2.
Поэтому, приступая к разработке всережимного автокомпенсатора емкостных и активных составляющих промышленной частоты на основе ДГР с подмагничиванием, алгоритмы управления компенсацией и исполнительными органами (ИО) и сервисные возможности сразу были ориентированы на микропроцессорную реализацию. Это устройство УАРК.202, предназначенное для компенсации полного тока ОЗЗ в сетях 6 кВ с емкостным током 20-90 А. В качестве ИО1 контура КЕС использован ДГР с предельным насыщением стержней магнитопровода типа РЗДПОМ-360/6 (разработка ЭНИН-ЦКБ "Энергоремонт", Москва).
ДГР типа РУОМ для этой цели не подходит в основном из-за ограниченных ресурсов подмагничивания и всей описанной выше технологии активизации защитных воздействий на сеть по каждому пробою изоляции.
В состав ДГР по нашему предложению входит также ШИМ-управляемый индуктивный дроссель в качестве ИО2 контура КАС. Устройство содержит силовые тиристорные средства управления током подмагничивания и компенсацией активной составляющей, а также микропроцессорный блок управления, реализующий алгоритмы замкнутой двухканальной настройки КЕС и КАС и ряда защит. Опытная эксплуатация его проводилась на Свердловской ТЭЦ с 1995 года. Доработка программного обеспечения, помимо улучшения характеристик устройства, позволяет использовать его на больших емкостных токах, если в качестве базового применить дополнительный ступенчато регулируемый ДГР.
Рассмотрим более детально работоспособность устройств УАРК.2 и УАРК.202 в воздушных сетях. Простая резонансная автонастройка в режиме А в подобных несимметричных сетях наталкивается на значительные трудности. Имеется в виду, прежде всего, нестабильная естественная несимметрия большой величины. Простые фазовые регуляторы становятся неработоспособными по точности настройки КНПС. Для получения информации о знаке и величине расстройки резонанса необходимы более сложные способы активного воздействия на сеть, чем просто введение неуправляемой или управляемой искусственной несимметрии, равно как и более сложные способы обработки информации. Кроме того, в сетях с большой естественной несимметрией резонансная настройка входит в противоречие с требованием ПТЭ о том, чтобы степень смещения нейтрали не превышала величины 15%.
Перечисленные трудности привели к тому, что в настоящее время системы автокомпенсации для несимметричных сетей все еще находятся в стадии испытаний отдельных образцов. Хотя известны десятки различных способов преодоления указанных трудностей, все они либо чрезмерно громоздки в реализации, либо обладают слишком узкой областью применения или нежелательными побочными эффектами, либо плохо согласуются с другими техническими решениями системы автокомпенсации в рамках единой концепции. Выполненный нами тщательный анализ проблемы с учетом ряда принципиально новых предложений позволил наметить и реализовать несколько перспективных, на наш взгляд, путей для ее комплексного решения.
Это, во-первых, решения, использованные в разработке УАРК.2, а именно: автонастройка резонанса в режиме А при помощи [1] периодической модуляции добротности КНПС, которая производится техническими средствами КАС. Одновременно с этим она служит для искусственного снижения добротности, что препятствует чрезмерному смещению нейтрали в неблагоприятных случаях. Во-вторых, это периодическая модуляция сигналов искусственной несимметрии (см. а.с. 1443079 от 27.05.1987), которая может осуществляться компенсаторами активной составляющей устройств УАРК.202. Данную искусственную несимметрию при надлежащих алгоритмах автоматического управления можно использовать для подавления естественной несимметрии сети, т.е. для "симметрирования" сети. Впрочем, для неплунжерных ДГР ограничения напряжения на нейтрали проще добиться глубокой расстройкой КНПС в режиме А, полагаясь на измерение основных параметров изоляции и тока естественной несимметрии сети и на малоинерционность ИО1 или на сильные внутренние связи дугогасящего реактора с подмагничиванием (УАРК.202) в режимах В и С.
Подобное сочетание КАС со средством активного воздействия на сеть (с целью получения информации о параметрах КНПС для автонастройки) и со средствами снижения резонансного возрастания напряжения смещения нейтрали в режиме А, по мнению авторов, является весьма удачным для упрощения аппаратной реализации. С этой точки зрения целесообразность разработки средств автокомпенсации емкостных токов представляется необходимой, но недостаточной, если не предусматривать одновременно функцию КАС. Неизбежное в подобных случаях устройство активного воздействия на сеть и устройство ограничения напряжения смещения нейтрали приближаются по объему аппаратуры к компенсатору активной составляющей и выигрывают разве что в 3-5 раз меньшей мощностью, т.е., по сути дела, размерами охладителей тиристоров.
Поэтому применение в несимметричных сетях средств компенсации полного тока ОЗЗ является оправданным всегда, даже если для применения КАС, на первый взгляд, не находится достаточных оснований. Разумеется, в тех случаях, когда предполагается только ручная настройка, может оказаться нецелесообразным использование специально разработанных средств ограничения напряжения смещения нейтрали. Например, это можно сделать на основе искусственного снижения добротности КНПС в сочетании с автоматическим введением режима изолированной нейтрали и т.п.
Принимая во внимание сказанное, опыт разработок и внедрения уникальных и масштабных по объему выполняемых функций всережимных автокомпенсаторов УАРК.2 и УАРК.202 можно предложить в настоящее время поэтапный подход обеспечения высокой эксплуатационной надёжности в сетях 6-10 кВ различного назначения.
Список литературы1. Обабков В.К. Синтез адаптивных систем управления резонансными объектами. - Киев:Наукова думка, 1993. - 254 с.
2. Долгополов А.Г. Способы автоматической настройки дугогасящих реакторов с подмагничиванием // Электротехника. - 2003. -№ 1. - С. 59-63.
3. Гуров Н.П., Сажаев В.Г., Обабков В.К.Перенапряжения в кабельной сети 6 кВ с большими емкостными токами и борьба с ними средствами резонансного заземления ейтрали // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ: Тр. второй Всеросс. науч-техн конф. - Новосибирск: НГТУ, 2002. - С. 112-119.