Рисунок.1 – Цифровой регистратор сигналов
Автор: А. Булычев, Ю. Дементий, В. Козлов
Источник: Новости ЭлектроТехники • № 1(109) 2018
Задача снижения тока и гашения электрической дуги в месте однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях 6–35 кВ традиционно решается с помощью дугогасящих реакторов (катушек индуктивности), включаемых между нейтралью сети и землей . Однако это элегантное решение, основанное на компенсации только емкостной составляющей тока ОЗЗ противоположно направленной индуктивной составляющей тока, создаваемой дугогасящим реактором (ДГР), дает хорошие практические результаты только на одной частоте и при отсутствии существенных потерь.
В реальных сетях, где токи ОЗЗ большие и превышают, например, 100 А, остаточный, не скомпенсированный ДГР ток в месте ОЗЗ, обусловленный потерями, гармониками и неидеальной настройкой ДГР, может превышать 5 А и поддерживать горение электрической дуги в месте ОЗЗ. Даже один фактор из перечисленных расстройка ДГР (допускается 5% от номинального тока ДГР) может вызвать остаточный ток, способный поддерживать дугу в месте ОЗЗ. Значение тока, при котором возможно устойчивое горение дуги в месте замыкания (5 А), определено в результате всесторонних исследований и зафиксировано в нормативных документах.
Таким образом, в сетях с током ОЗЗ 100 А и более ДГР не является гарантирующим средством гашения дуги, так как остаточный ток может превышать значение 5 А. Это означает, что ДГР большой мощности оказываются неэффективными, т. к. не выполняют в полной мере свою основную функцию гашения дуги в месте ОЗЗ.
В сложившихся условиях поступательного развития сетей и увеличения токов ОЗЗ, для эффективного снижения тока до уровня ниже 5 А и гашения электрической дуги в месте ОЗЗ необходимо компенсировать не только емкостную составляющую тока ОЗЗ на частоте сети, но и полный ток ОЗЗ, включая активную составляющую и составляющие других частот. Кроме этого,необходимо поддерживать в месте повреждения условия, в которых невозможно повторное зажигание электрической дуги.
Практический интерес представляет решение, при котором остаточный ток (не скомпенсированный ДГР) компенсируется током специального управляемого источника и создаются условия для предотвращения повторного зажигания электрической дуги в месте ОЗЗ . Всё это реализовано в комплексе оборудования для управляемого заземления нейтрали,разработанном ООО НПП Бреслер
в рамках НИОКР по заказу ПАО МРСК Волги
.
Было создано управляемое заземление нейтрали с функцией компенсации полного тока для сетей 6–10 кВ, обладающее новыми свойствами снижения тока и гашения электрической дуги в месте ОЗЗ, повышающее надежность и безопасность этих сетей. Решение дает возможность снижать ток в месте ОЗЗ до уровня, обеспечивающего гашение дуги, и создавать условия для предотвращения ее повторного зажигания.
В процессе разработки были созданы математическая и физическая модели управляемого заземления, доказано их соответствие реальному объекту. Всесторонние теоретические и экспериментальные исследования подтвердили правомерность принятых в процессе разработки ограничений и допущений, доказали работоспособность системы и позволили определить ее основные эксплуатационные параметры.
Модель сети сформирована из элементов с сосредоточенными параметрами и работает на напряжении,сооnветствующем напряжению реальной сети 10 кВ. Она содержит повышающий трансформатор Т1 0,4/10 кВ, сосредоточенные емкости фаз сети относительно земли СА, СВ, СС, нейтралеобразующий трансформатор Т2, вторичная обмотка которого соединена по схеме треугольник, и блок имитации ОЗЗ.
Управляемое заземление нейтрали сети построено на основе специального ДГР с одной основной и двумя дополнительными обмотками. Основная обмотка ДГР включена между искусственной нулевой точкой сети, сформированной нейтралеобразующим трансформатором Т2, и землей. Первая дополнительная обмотка подключена к выходу управляемого инвертора через дроссель L, а вторая подключена к блоку конденсаторного регулирования БК и к блоку резисторов БР. Питание управляемого инвертора осуществляется от вторичной обмотки трансформатора Т2.
Для измерения электрических величин в модели сети использованы измерительные трансформаторы тока ТА1–ТА2,трансформаторы напряжения TV1–TV2 и показывающие измерительные приборы соответственно РА1–РА2 и РV1. Для получения осциллограмм процессов использован цифровой регистратор сигналов, к входам которого подключены соответствующие вторичные цепи измерительных трансформаторов.Программа экспериментальных исследований предусматривала проведение натурных ОЗЗ в физической модели сети и последующий анализ процессов при этих ОЗЗ.
Устойчивые металлические ОЗЗ реализовывались путем включения разъединителя, шунтирующего разрядник, в блоке имитации ОЗЗ. Дуговые ОЗЗ – с помощью разрядников при разомкнутом шунтирующем разъединителе. Процессы организовывались по следующему алгоритму. Собирались электрические цепи, имитирующие определенный вид ОЗЗ. Подавалось питание на модель сети и управляемый инвертор. С помощью последовательного разъединителя к фазе модели сети подключался блок имитации ОЗЗ (тем самым создавалось искусственное ОЗЗ). Затем управляемое заземление начинало действовать по своим алгоритмам и таким образом осуществлялась компенсация тока ОЗЗ.
Статические погрешности компенсации полного тока оценены на основании опытов компенсации тока ОЗЗ при устойчивом металлическом замыкании на землю. В первом опыте ДГР был настроен практически на резонансный режим (расстройка составляла – 0,2%), остаточный ток в месте замыкания (4,7 А) создавался в основном блоком резисторов, т. е. имел активный характер. Цель создания остаточного тока в месте ОЗЗ различными способами убедиться, что для системы компенсации не имеет значения причина появления остаточного (нескомпенсированного) тока и его характер. Коэффициент трансформации между основной первичной обмоткой и обмоткой ДГР, к которой подключен управляемый инвертор, равен 15. Во втором опыте остаточный ток (5,41 А) создавался расстройкой ДГР, которая составляла +3,2% (недокомпенсация), т. е. в основном имел емкостный характер. Из первой осциллограммы видно, что через 56 мс после включения системы компенсации (момент показан первой вертикальной указкой) действующее значение тока в месте повреждения уменьшилось в 18 раз: с 4,7 до 0,26 А (вторая указка). Таким образом, абсолютная величина статической погрешности составила 260 мА.
Во втором опыте через 59 мс действующее значение тока в месте повреждения уменьшилось в 26 раз: с 5,41 до 0,21 А (вторая указка). Абсолютная величина статической погрешности в данном случае составила 210 мА. Результаты, полученные при опыте металлического ОЗЗ, позволяют сделать вывод о том, что система устойчива, так как при начальном возмущении (включении системы) в регулируемом параметре (токе в месте повреждения) возникают колебания, имеющие затухающий характер. Остаточные колебания тока, которые видны на осциллограммах, обусловлены статической ошибкой регулирования и непрерывным (шумовым) входным воздействием.
Рисунок.1 – Цифровой регистратор сигналов
Динамические свойства системы компенсации полного тока можно оценить на основании опытов дугового замыкания на землю.Через 25 мс после возникновения замыкания включается инвертор и начинается процесс уменьшения тока в месте повреждения и гашения дуги. После включения инвертора за время, приблизительно равное одному периоду промышленной частоты, ток в месте повреждения практически прекращается вследствие полного гашения дуги и отсутствия условий для ее повторного зажигания в месте повреждения. С начала замыкания до полного гашения дуги проходит не более трех периодов колебаний промышленной частоты (60 мс). Для предотвращения повторных электрических пробоев в месте повреждения система управления компенсацией поддерживает близкое к нулю значение напряжения поврежденной фазы относительно земли, создавая таким образом виртуальное замыкание на землю. Оно отличается от обычного ОЗЗ тем, что является полностью управляемым состоянием сети, вследствие чего ток в месте повреждения отсутствует.
Предельные динамические возможности управляемого заземления при использованных алгоритмах управления ограничены в основном физическими свойствами дуги и мало зависят от параметров системы компенсации. Таким образом, можно сделать вывод о том, что время гашения дуги в месте повреждения составляет не более трех периодов промышленной частоты.Предельный ток, который остается нескомпенсированным, зависит от параметров основных силовых компонентов (инвертор и дугогасящий реактор) и чувствительности системы управления. Неидеальность преобразовательных трактов системы автоматического управления не позволяет установить высокий коэффициент обратной связи из-за риска возникновения автоколебаний, что является причиной ненулевой статической ошибки компенсации в режиме устойчивого замыкания.
Наглядное представление о работе управляемого заземления дают фотографии, полученные при проведении экспериментов с дуговыми ОЗЗ. На фото место ОЗЗ в кабеле в исходном состоянии при остаточном активно-емкостном токе ОЗЗ 8 А, когда компенсация осуществлялась только с помощью ДГР. На фото место ОЗЗ через 60 мс после начала действия системы гашения (компенсации) полного тока ОЗЗ. Опытный образец управляемого заземления после испытаний и всесторонних исследований в заводских лабораторных условиях был введен в опытную эксплуатацию на действующей подстанции ПАО МРСК Волги
. В настоящий момент накоплен опыт эксплуатации системы в реальных условиях. Анализ работы опытного образца при реальных ОЗЗ подтвердил все основные параметры управляемого заземления, заданные при разработке.