Для обеспечения надежной работы электрооборудования 6-10 кВ при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) согласно ПУЭ повсеместно применяют заземляющие дугогасящие реакторы (ДГР) со ступенчатым и плавным регулированием индуктивности. Условие резонансной настройки реактора в режиме нормальной работы сети, как известно, совпадает с условием компенсации емкостной составляющей тока ОЗЗ промышленной частоты. Нескомпенсированный ток в месте замыкания состоит из активной составляющей на частоте сети и высших гармоник тока, что в сумме обычно не превышает 10-20 % общего тока ОЗЗ в зависимости от добротности контура нулевой последовательности сети (КНПС). Применение в сетирезонансно-настроенного дугогасящего реактора позволяет снизить скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе, увеличить бестоковую паузу между повторными пробоями при дуге и ограничить перенапряжения на здоровых фазах сети до 2,4 [1].

При отсутствии автоматических средств настройки компенсации эффективность применения ДГР значительно снижается: уменьшается время восстановления напряжения в месте ОЗЗ, возрастает частота возникновения повторных пробоев и увеличивается степень старения изоляции за счет импульсных перенапряжений. Все это в конечном итоге создает условия для перехода ОЗЗ в междуфазные замыкания.

Снижению вероятности переходов ОЗЗ в междуфазные способствует полное исключение повторных зажиганий дуги в месте замыкания. Это связано с исчезновением условий существования заряд-разрядных процессов в сети при пробоях изоляции и является наиболее радикальным средством борьбы с однофазными замыканиями и групповыми выходами из строя технологического оборудования [2]. В связи с этим появляется необходимость минимизации напряжения на поврежденной фазе, что впервые на практике достигнуто путем автоматической компенсации емкостной и активной составляющих тока ОЗЗ [3, 4]. Предложенный Институтом прикладной математики и механики (ИПММ) Украины метод автоматической минимизации напряжения поврежденной фазы позволяет исключить возможность повторных пробоев в месте ОЗЗ и вследствие резкого ограничения частоты воздействия дуговых перенапряжений предотвратить переход однофазных замыканий в междуфазные. Для этой цели разработано устройство автоматического регулирования компенсации типа УАРК.2, работающее в комплекте с плавно регулируемым плунжерным ДГР и позволяющее компенсировать емкостную и активную составляющие тока ОЗЗ. Имеется положительный опыт эксплуатации двух указанных устройств на секциях 6 кВ с токами ОЗЗ в пределах 40 и 60 А подстанции “Смолянка-220” Донбассэнерго. Распределительная сеть полстанции питает шахтные нагрузки и характеризуется большим числом замыканий на землю. За 2 года экслпутации УАРК.2 в этой сети произошло 245 случаев ОЗЗ, из них перешли в устойчивые 4,9 %, в междуфазные 4,1 %. Эффективность Эк работы данной сети с компенсацией емкостной и активной составляющих тока ОЗЗ составляет

По инициативе Свердловэнерго ИПММ АН Украины разработал для энергосистемы устройство с аналогичными функциональными возможностями для сети с. н. 6 кВ Рефтинской ГРЭС с токами ОЗЗ в пределах от 0,5 до 5,0 А.

Для реализации режима компенсации емкостной и активной составляющих тока ОЗЗ предстояло решить четыре основные задачи:
    1) создать дугогасящий реактор на малые токи (от 0,5 до 5 А) с плавным быстродействующим регулированием индуктивности;
    2) разработать средства регулирования компенсации активной составляющей тока ОЗЗ;
    3) разработать устройства управления режимами компенсации и поддержания условий минимизации напряжения на поврежденной фазе;
    4) разработать средства селективного поиска поврежденных присоединений в компенсированной сети.

Решение первых трех задач обеспечивалось разработкой двухканального устройства автоматического регулирования компенсации типа УАРК.2-6/5-1, работающего совместно с модернизированным трансформаторным агрегатом УДТМ-25/6. Решение четвертой задачи осуществлено с помощью защиты от замыканий на землю типа ЗЗМ (разработчик ДПИ, г.Донецк), в которой реализован принцип раздельной фикции полярностей первых полуволн токов и напряжений нулевой последовательности в переходном режиме при ОЗЗ [6]. Функциональная схема автоматического регулятора приведена на рис. 1.

Для осуществления компенсации емкостной и активной составляющих тока ОЗЗ использована конструктивная особенность серийного агрегата УДТМ, связанная с пятистержневым магнитопроводом. Вследствие этого каждый из трех магнитных потоков оказывается замкнутым, как в обычных однофазных трансформаторах, высоковольтные обмотки которых подключены между фазами сети и землей (рис. 1). Поэтому введение катушки индуктивности L* с низкой стороны в разомкнутый треугольник эквивалентно введению индуктивности L с высокой стороны между нулевой точкой сети и землей (рис. 2). Подключение же к одной из низковольтных обмоток УДТМ дополнительной проводимости, например катушки с индуктивностью Lд (рис. 1), эквивалентно подключению дополнительной проводимости с высокой стороны с индуктивностью Lд и током Iд (рис. 2).

Основным управляющим органом УАРК.2-6/5-1 является блок управления БУ (рис. 1), состоящий из блока питания, микро-ЭВМ в виде одноплатной ЭВМ МС 2702 с индикацией и пультом управления, устройства связи микро-ЭВМ с датчиками сигналов и исполнительными элементами, силового модуля и блока силовых контакторов. На входы БУ подается вся информация о режиме работы сети. Он же осуществляет постоянный контроль за добротностью контура нулевой последовательности сети и за его резонансной настройкой.

Для пояснения принципа действия рассматриваемого устройства рассмотрим однолинейную схему замещения (рис. 3). В режиме нормальной работы сети регулирование реактивного тока I (t), обусловленного индуктивностью L, осуществляется БУ путем прерывания тока через ДГР в области его нулевых замыканий. Выдержка времени tr на прерывание вырабатывается между моментом запирания тиристорного ключа ТК.1 в низковольтной цепи реактора УДТМ либо ключа ТК.2 в цепи его отпайки и выдачей на них отпирающих импульсов (рис. 4).

При появлении режимов замыкания БУ распознает поврежденную фазу и включает один из контакторов K1, K2, K3. При этом к выводам одной из фазных секций вторичной обмотки трансформатора УДТМ по фазе, опережающей на 120° поврежденную фазу, подключается цепь из последовательно соединенных L*Д и тиристорного ключа ТК. Д. Блок управления изменяет выдержку времени tr между моментами запирания и отпирания ключа ТК. Д, в результате чего в контуре нулевой последовательности образуется искусственный ток несимметрии Iнс(t) = Iд (t), опережающий на 30° ЭДС E (t) поврежденной фазы.

Регулированием индуктивности L и амплитуды искусственного тока несимметрии Iнс(t) путем изменения блоком БУ выдержек времени tRи tA достигается полное отслеживание координатой e (t) ЭДС источника поврежденной фазы. Это означает полную компенсацию емкостной и активной составляющих тока замыкания и подавление дуговых процессов в месте ОЗЗ. Напряжение поврежденной фазы, характеризующееся высшими гармониками, относительно невелико (до 600 В) и недостаточно для поддержания дуги при напряжении пробоя Uпр > 600 В. Автоматический регулятор не исключает повторные пробои при Uпр < 600 В, так как они не сопровождаются перенапряжениями и не опасны для изоляции электрооборудования. Содержание гармонических составляющих в токе замыкания на землю не столь существенно из-за сравнительной кратковременности аварийных режимов в сети, работающей с компенсацией емкостной и активной составляющих тока ОЗЗ. Величины tRи tA определяются в основном суммарной емкостью сети и активными потерями контура нулевой последовательности сети.

При металлическом ОЗЗ или замыкании через сопротивление работа устройства протекает аналогично. Контроль БУ за состоянием сети и вычисление на основании получаемых данных необходимой выдержки времени tA позволяет 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.2-6/5-1 анализирует параметры сети и по истечении 15 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.

Блок управления устройства выполнен на микропроцессорной базе и кроме перечисленных функций позволяет накапливать статистическую информацию о режиме работы сети, виде ОЗЗ, времени появления замыкания, условиях компенсации, неисправностях устройства (с выводом информации на табло). Устройство осуществляет самоконтроль работоспособности и сигнализации на пульт диспетчерского управления о наличии аварийного режима работы сети. Кроме того, предусмотрена возможность вывода статистической информации и ее обработка на ЭВМ станции. При внедрении УАРК.2-6/5-1 в 1989 г. на секции с. н. 6 кВ Рефтинской ГРЭС (расчетный емкостной ток 3,5 А) была проведена серия опытов дуговых и металлических замыканий на землю с осциллографированием переходных процессов (рис. 5). Анализ полученных результатов показывает, что устройство обеспечивает минимизацию напряжения на поврежденной фазе, сокращая тем самым число пробоев в месте ОЗЗ до одного-двух, в связи с чем уменьшается время пребывания изоляции сети под воздействием перенапряжений.

В УАРК.2-6/5-1 предусмотрен режим минимизации потенциала любой из трех фаз сети о тносительно земли по команде с пульта. Этот принудительный переход осуществляется из нормального режима работы без каких-либо ОЗЗ и представляет большие удобства для периодической проверки работоспособности автоматики.

Для отыскания поврежденного присоединения на всех отходящих фидерах секции 9РБ смонтированы комплекты импульсной защиты от замыканий на землю типа ЗЗМ-3 с действием на сигнал, опытное производство которой освоено на предприятии Свердловэлектроремонт. Указанная защита используется совместно с трансформаторами тока типа ТЗЛМ или ТЗР.

За период эксплуатации рассмотренной системы в течение 1990 г. на секции 9РБ зафиксировано только два устойчивых замыкания. Случаев перехода ОЗЗ в междуфазные замыкания не было. Второй комплект УАРК.2-6/5-1 внедрен в феврале 1991 г. на секции 9РА.