Назад

Об эффективности дугогасящих реакторов, систем автоматической настройки компенсации и земляных защит в проблеме борьбы с однофазными замыканиями на землю.

Д.т.н., проф. Обабков В.К., к.т.н. Целуевский Ю.Н.
(ВП “НТБЭ”, г. Екатеринбург, тел/факс (3432) 48-59-05)

Об истории вопроса. В начале века стало очевидным, что проблема снижения аварийности в высоковольтных системах электроснабжения напряжением 6-35 кВ при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) теснейшим образом связана со способом заземления нейтрали питающего трансформатора. Немецким учёным Петерсеном в 1915 году предложено заземлять нейтраль через индуктивную катушку, некоторое время называемую катушкой Петерсена. Теперь принято, правда, именовать её дугогасящим реактором, подчёркивая эффект самогашения дуги и перевода подавляющей части замыканий в самоликвидирующиеся. Индуктивность реактора подбирается таковой, чтобы в контуре, образованном этой индуктивностью и суммарной емкостью фазных проводников относительно земли, возникал резонанс на промышленной частоте. Амплитуда тока замыкания на землю снижалась при этом настолько, что не было необходимости отключать сеть при замыканиях одной из её фаз на землю. Практическое значение катушки Петерсена тогда оценивалось настолько высоко, что её рассмотрение включалось в учебники теоретических основ электротехники (см. К.А. Круг, 1936). Опыт эксплуатации сетей однако показал: поддержание условий резонанса в электрическом контуре требует постоянной настройки индуктивности реактора. Необходимость в этом возникает из-за частого изменения конфигурации сети, в связи с чем меняется, разумеется, и суммарная емкость фазных проводников и положительный эффект от реактора исчезает. Невозможность в то время постоянного слежения за режимом резонанса приводило к малой эффективности работы их в сетях 6-35 кВ. В электротехническом справочнике МЭИ 1964 года, по данным проф. А.В. Нетушила, заземлению нейтрали через дугогасящий реактор вообще не нашлось места. В последние же годы в связи с обострением проблемы электроснабжения, повышением темпа старения изоляции и аварийностью электроустановок всё большее внимание уделяется именно сетям с резонансным заземлением нейтрали с привлечением все более совершенных принципов автоматического управления реактором.

Весь комплекс разработок лаборатории нелинейных систем управления института прикладной математики и механики (ИПММ) АН Украины (Донецк, 1977-1995) и внедренческого предприятия “Наука, техника, бизнес в энергетике” (ВП НТБЭ, г. Екатеринбург, 1991-н/в), выполненных под руководством авторов, представляет собой новое направление в кибернетике энергосистем. Оно основано на оригинальных подходах при решении актуальных теоретических и прикладных задач по оптимизации систем электроснабжения. К таковым относятся структурно-операторный метод описания управляемых электрических цепей; развитие теории приближения сигналов на основе суперрядов Фурье; новые принципы адаптивного управления резонансными объектами; интерпретация токовых импульсов при дуговых пробоях изоляции в качестве физической реализации дельта-функций, позволившая по-новому понять механизм дугогашения; интерпретация контура нулевой последовательности сети (КНПС) при однофазных замыканиях в качестве примера классической следящей системы и выяснению на этой основе условий самоликвидации замыканий на землю. При активной работе указанных подразделений осуществлялось непосредственное внедрение создаваемых образцов новой техники. За последние годы разработаны и внедрены более, чем на 200 объектах: с одной стороны, одноканальные автокомпенсаторы типов УАРК.1А, УАРК.101 и УАРК.101М с необходимой точностью обеспечивающие режим резонансного заземления нейтрали, главным образом, в кабельных сетях 6-35 кВ с плунжерным дугогасящим реактором, а также измерение с выдачей на шкалу прибора расстройки резонанса и активной проводимости изоляции для сетей с ручной регулировкой индуктивности реактора; с другой стороны, двухканальные автокомпенсаторы типов УАРК.2 и УАРК.201, предназначенные для полного подавления ОЗЗ соответственно для шахтных сетей 6-10 кВ Донбасса с током замыкания от 25 до 100 А и сетей 6 кВ собственных нужд блочных электростанций с током замыкания от 0,5 до 5,0 А.

Аппаратура УАРК.2 была доведена до установочной серии на Прокопьевском заводе шахтной автоматики и заблокирована из-за разрыва хозяйственных связей при создании СНГ. Двухлетняя (1986-1988) эксплуатация опытных образцов на шахте Панфиловская ПО Донецкуголь, где ОЗЗ в среднем возникало через каждые двое суток, показала, что в сетях под защитой УАРК.2 произошло семь междуфазных КЗ (и все они обусловлены внешним механическим воздействием) по сравнению с четырнадцатью КЗ в тех же сетях без УАРК.2 за то же самое время. Следовательно, имеет место 100% самоликвидация междуфазных КЗ, возникающих по чисто электрическим причинам: перенапряжения в сети, перегрев места повреждения из-за достаточно длительного существования дуги и т.п. Самоликвидация ОЗЗ составила 91,02%; 8,98% ОЗЗ оказались устойчивыми. По оценке персонала районной подстанции и главного энергетика шахты отмечается значительное улучшение ситуации с ОЗЗ. Сократились простои электрооборудования на упомянутой шахте примерно вчетверо.

На гораздо меньшие токи замыкания на землю, а именно: от 0,5 до 5,0 А рассчитан автокомпенсатор УАРК.201 в основном для борьбы с аварийностью высоковольтных электродвигателей. Внедрено шесть таких образцов на трех блоках 500 МВт Рефтинской ГРЭС АО Свердловэнерго в 1989-1999 годах. Заказаны в 1993 году два образца УАРК.201 АО Челябэнерго для блока 100 МВт Верхне-Уральской ГРЭС. Выше речь шла о том, что было, но оно не утрачивает актуальности и новизны не только в настоящее время, но и в предстоящие годы.

В 1992 году по заказу Свердловэнерго в основном закончена работа по созданию всережимного автокомпенсатора УАРК.202. Разработка ориентирована на использование дугогасящего реактора с подмагничиванием конструкции ЦКБ “Энергоремонт” (Москва).Реактор рассчитан на токи однофазного замыкания от 30 до 100 А. Внедрение осуществлено ВП “НТБЭ” в сети 6 кВ Свердловской ТЭЦ АО Свердловэнерго в 1995 году. Интерес к такого рода реакторам вызван их высокой эксплуатационной надёжностью: они реже ломаются, так как не имеют в своём составе электропривода и механического редуктора, как в плунжерных реакторах с регулируемым немагнитным зазором, которые, очевидно, требуют ухода и могут чаще выходить из строя. Особенностью разработки является её сложность и невозможность использования сильно нелинейного реактора в сетях с компенсацией емкостных токов. Положительный эффект от его применения возникает, но только при одновременной автокомпенсации емкостных и активных составляющих напряжения повреждённой фазы. Происходит, смотря по случаю, либо полное подавление дугового процесса в сети, либо минимизация тока в месте повреждения. Это, можно сказать, наиболее трудная в теоретическом и практическом отношениях разработка из ранее проведённых в основном из-за явлений скачкообразного резонанса в сети с подобного рода реактором и наличием в нём внутренних обратных связей.

Указанные разработки типа УАРК показывают, что наиболее актуальной проблемой в настоящее время является проблема просвещения специалистов в области резонансного заземления нейтрали в сетях напряжением до 35 кВ. В этой связи нами проводилась и проводится соответствующая работа. Так, в сентябре 1992 года в АО Челябэнерго в целях распространения информации по вопросам резонансного заземления нейтрали проведена школа-семинар на тему: “Перспективные технические средства обеспечения эксплуатационной надёжности систем электроснабжения 6-35 кВ”, участниками которого были специалисты шести энергосистем (Челябинск, Екатеринбург, Курган, Оренбург, Кустанай, Башкирэнерго). Были две поездки с выступлениями по УАРК в Башкирэнерго (1997-1998).

Аналогичные школы можно проводить и далее. Именно тогда удастся определить наиболее эффективные разработки в этой области, наметить пути изготовления перспективных реакторов и автоматики к ним.

В заключение коснемся резисторного заземления нейтрали. Высокоомный резистор в самом деле был бы полезен в коротких сетях, если бы не сказанное выше, где все возможные и невозможные в настоящее время преимущества резистора в нейтрали реализуются наилучшим образом, а надежность защиты достигается изменением настройки или снижением добротности дугогасящего реактора.

О характеристике дугогасящих реакторов (ДГР). На основе опыта указанных разработок, их эксплуатации в сетях 6-10 кВ, а также литературных данных, охарактеризуем вкратце основные типы ДГР в виде перечня преимуществ (А), недостатков (Б) и пожеланий (В) разработчикам этих аппаратов.



ПЛУНЖЕРНЫЕ ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ


А. Преимущества .

А1. Линейность и высокая добротность.

А2. Эффективное использование активных материалов.

А3. Экономичность: однажды установленная индуктивность удерживается далее без затрат энергии и дополнительных внешних воздействий.

А4. Простота математического описания и лёгкость управления.

А5. Освоение их в производстве рядом предприятий.


Б. Недостатки.

Б1. Низкая надёжность и малый ресурс электромеханических узлов. Не допускают поисковых движений, автоколебательных режимов и длительных переходных процессов.

Б2. Малое быстродействие: от 40 с до 60 с и в отдельных случаях до 120 с на весь диапазон регулирования ДГР.

Б3. Низкая технологичность в изготовлении из-за механической части.


В. Пожелания разработчикам.

В1. Предусмотреть плавную перестройку индуктивности ДГР в режимах ОЗЗ.

В2. Предусмотреть дополнительную обмотку, необходимую для компенсации активной составляющей.


2. ДУГОГАСЯЩИЕ АППАРАТЫ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА БАУХА (по типу известных устройств УДТМ, ТАДТМ).


А. Преимущества (при условии оснащения тиристорными средствами широтно-импульсного регулирования индуктивности, так называемых ШИМ-управляемых ДГР).

А1. Практически полная безынерционность.

А2. Технологичность, высокая надёжность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов.

А3. Высокая добротность.

А4. Широкий диапазон регулирования индуктивности.

А5. Серийное производство устройств УДТМ, ТАДТМ.


Б. Недостатки

Б1. Повышенное содержание гармоник в токе.

Б2. Значительные мощности, коммутируемые тиристорным ключом. При мощности реактора свыше 100 кВАр стоимость тиристорного ключа резко повышается, так как выходит за рамки реализуемости одной парой недефицитных тиристоров с воздушным охлаждением.

Б3. Повышенный расход активных материалов по сравнению с комплексом “присоединительный трансформатор – ДГР в нейтрали”.

Б4. Зависимость изделия от электронной части.


В. Пожелание разработчикам: предусмотреть выводы всех обмоток на бак для подключения компенсатора активной составляющей.


3. ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ СО СВОБОДНЫМ ПРОДОЛЬНЫМ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ.


А. Преимущества.

А1. Технологичность, высокая надёжность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов.

А2. В системах компенсации полного тока ОЗЗ – высокое быстродействие благодаря внутренним обратным связям.





Б. Недостатки

Б1. Внутренние обратные связи делают ДГР неработоспособным в режиме дугового ОЗЗ без компенсации активной составляющей и весьма осложняют задачу предварительной настройки в нормальном режиме.

Б2. Повышенное содержание гармоник в токе, нелинейность, сложность математического описания.

Б3. Низкие добротность и экономичность.

Б4. Зависимость изделия от электронной части.




4. ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ С ПОПЕРЕЧНЫМ ИЛИ ВЫНУЖДЕННЫМ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ.

А. Преимущества.


А1. Технологичность, высокая надёжность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов.


Б. Недостатки.

Б1. Высокий расход активных материалов.

Б2. Пониженное быстродействие (порядка плунжерного ДГР).

Б3. Пункты Б2...Б5 предыдущего пункта 3.


В. Пожелание разработчикам: предусмотреть дополнительную обмотку для компенсации активной составляющей.


Известен целый ряд других дугогасящих аппаратов, не вошедших в данный перечень из-за особенностей, делающих их, на наш взгляд, неконкурентоспособными с перечисленными типами ДГР.

Сравнение преимуществ и недостатков ориентирует на применение в сетях с малыми емкостными токами дугогасящих аппаратов на основе трансформатора Бауха, так как максимальная мощность высших гармоник, которая может выделиться в месте повреждения при этом невелика (при токах до 5 А - до 200 Вт). Верхнюю границу по мощности на целесообразность применения подобных аппаратов накладывает, по-видимому, недостаток Б2 пункта 2.

Для больших емкостных токов в тех случаях, когда предполагается использование ДГР без компенсации активной составляющей предпочтение следует отдать, по нашему мнению, плунжерным реакторам, при условии, однако, тщательной конструкторско-технологической проработки их электромеханической части. В системах компенсации полного тока возможно применение ДГР со свободным продольным подмагничиванием, и окончательный выбор следует делать на основании опыта эксплуатации аппаратов обоих типов.

Существует однако и другая возможность по типу п.2 преодоления недостатков ДГР. Это последовательный переход на широтно-импульсно-модулированные (ШИМ) технологии высоковольтных воздействий на сеть, реализуемые тиристорными ключами (ТК), последовательно включенными с существующими дугогасящими средствами, играющих в этом случае роль базовых индуктивностей. Интегральный характер связи тока с напряжением обеспечивает при целенаправленном размыкании и замыкании ТК получение положительных и отрицательных полуволн тока. Амплитуда первой гармоники их оказывается функцией только длительности прерывания при фиксированной амплитуде напряжения смещения нейтрали. При этом осуществляется так называемая ШИМ-управляемая [1,3] плавная регулировка индуктивности основной гармоники тока и приобретаются качественно новые свойства высоковольтных исполнительных органов систем компенсации емкостных токов. С одной стороны -это унификация, так как ТК можно эффективно использовать с любым типом ДГР. С другой стороны – это предельно высокое быстродействие ШИМ-управляемых ДГР. Доли секунды, в пределах

которых происходит автокомпенсация емкостных токов, не только гарантируют безопасную защиту изоляции при ручных способах локализации повреждений, но и снижают в известной степени остроту проблемы оснащения присоединений селективной земляной защитой. Высшие гармоники, которые при этом возникают, оказываются малосущественными в силу кратковременности дуговых ОЗЗ и уровень их при необходимости может минимизироваться изменением базовой индуктивности.

Новое в разработках фазовых авторегуляторов компенсации емкостных токов. Для кабельных сетей с допустимым искусственным смещением нейтрали с самого начала применяют фазовые автоматические регуляторы компенсации (ФАРК) для целей резонансной настройки КНПС. Наиболее известны регуляторы типов: РАНК-2М (ИЭД, Киев), РАНК-Ф (ДПИ, Донецк), БАНК (Беларусь), РНДК (Москва), БАРК (Челябинск) и УАРК (ИПММ АН Украины, Донецк и ВП “НТБЭ” г. Екатеринбург). В условиях дефицита авторегуляторов и плунжерных ДГР потребители их отождествляют и руководствуются обычно стоимостью, наличием комплектовки с ДГР, устройствами земляных защит и т.д. или даже тем, например, как вводится искусственная несимметрия сети.

Вместе с тем, известные ФАРК радикально отличаются друг от друга [2 ]. Основными недостатками их являются: потеря управляемости при достаточно больших расстройках резонанса КНПС, колебательное поведение ДГР при неблагоприятных сочетаниях емкости сети и тангенса угла потерь изоляции и бесконтрольная точность выхода в точку резонанса. Бесконтрольность погрешности определяется зоной нечувствительности релейных устройств, которую обычно увеличивают для гашения колебаний плунжера при наладке ФАРК в конкретной сети.

Только авторегуляторы типа УАРК (УАРК.1А, УАРК.101, УАРК.101М, а также УАРК.201) свободны от всех перечисленных недостатков. В них использована новая схема фазового детектора, обеспечивающая абсолютную независимость поведения авторегулятора от параметров сети: величины суммарной емкости и суммарной активной проводимости изоляции. Поэтому в них сохраняются заданная точность настройки и высокое качество переходного процесса при регулировании ДГР.

Если учесть, что схема УАРК.1 не сложнее известных, то возможности применения указанных аппаратов в сетях 6-35 кВ неограниченно возрастают и её можно рекомендовать для унификации в отрасли.

Полное подавление дуговых ОЗЗ. Резонансное заземление нейтрали устраняет или значительно ослабляет две из трёх опасностей от электротока. Во-первых, это прогорание потенциально самоустраняющегося пробоя изоляции до степени устойчивого замыкания, не устранимого без ремонта и поиска ОЗЗ. Во-вторых, это термическое действие тока в месте ОЗЗ, способное привести к пожару или разрушить межфазную изоляцию в месте повреждения и вызвать КЗ. Третья же опасность состоит в том, что каждый дуговой пробой в месте ОЗЗ генерирует перенапряжения, которые действуют на изоляцию всей сети и способны спровоцировать многофазное замыкание на землю и другие аварийные ситуации. Резонансное заземление нейтрали лишь в 85% случаев приводит к самоликвидации ОЗЗ. В оставшихся 15% случаев оно ослабляет последствия ОЗЗ, но не устраняет опасность полностью. Это происходит за счёт существенного уменьшения частоты следования пробоев, более благоприятных моментов их возникновения и исключения возможности накопления заряда на нейтрали. Заметим попутно, что в отличие от двух первых, третья опасность не зависит от величины емкостного тока и примерно в равной мере присутствует в любых сетях, включая самые короткие.

Поэтому даже в сетях с точной резонансной настройкой нельзя считать реализованными на все 100% те преимущества, которые возникают при полном подавлении дуговых ОЗЗ. Эти преимущества связаны с возможностью не спешить с поиском и отключением ОЗЗ, отложив эти “болезненные” мероприятия до момента, наиболее удобного с технической точки зрения (т.е. безопасно реализовать хотя бы допускаемую ПТЭ отсрочку в 2 часа), и уж, во всяком случае, не применять какую-либо земляную защиту, действующую не на сигнал, а на отключение. Чтобы реализовать данную возможность, необходимо полностью подавить дуговой процесс в месте устойчивого ОЗЗ, устранив тем самым причину перенапряжений. В ряде сетей с большим числом высоковольтных двигателей, с большим ущербом от прерывания технологического процесса, а также в сетях, питающих ответственные потребители (например, в сетях собственных нужд электростанций) или же в сетях, неблагоприятных с точки зрения безопасности (таких, как шахтные и карьерные сети), полное подавление является не менее важным, чем ликвидация всех других упомянутых ранее опасностей. Кроме того, в больших сетях (свыше 300 кВАр, циркулирующих в КНПС) компенсация только лишь емкостных токов не является достаточной мерой защиты также и по первым двум позициям.

Выходом из положения становится компенсация активных потерь как необходимое и достаточное дополнение к резонансному заземлению нейтрали. Данная мера практически во всех случаях приводит к полному подавлению дугового процесса в месте ОЗЗ, поскольку защитное действие 50-герцовых свободных колебаний, возбуждаемых в напряжении на нейтрали каждым дуговым пробоем, теперь не ограничивается их затуханием во времени, а длится сколь угодно долго. В результате сеть с ОЗЗ под защитой УАРК становится как бы разновидностью рабочего режима, вполне безопасного с точки зрения возможного дальнейшего развития аварии. Процесс в месте ОЗЗ в идеале сводится к единственному (первому, естественному) дуговому пробою. Очевидно, что помимо всего прочего, значительно повышается вероятность перехода ОЗЗ в разряд самоустраняющихся, не требующих ни поиска, ни ремонта.

В своих разработках УАРК.2, УАК.201 и УАРК.202 мы использовали только такие способы компенсации активной составляющей, которые не снижают полного сопротивления между нейтралью сети и землёй, а именно: введение последовательно с ДГР однофазного зависимого инвертора в качестве отрицательного сопротивления (для УАРК.2) или создание регулируемой искусственной несимметрии с нужными амплитудой и фазой (для УАРК.201 и УАРК.202). Благодаря подобному подходу удаётся избежать значительных трудностей и опасностей, характерных для известных низкоомных средств решения той же задачи. Имеются в виду шунтирование повреждённой фазы на землю или включение в нейтраль источника ЭДС (встречно по отношению к ЭДС повреждённой фазы). Упомянутые опасности состоят в склонности низкоомных средств провоцировать КЗ через место ОЗЗ и в возможности питания нагрузки повреждённой фазы через цепи заземления. Применяемые же нами высокоомные средства вполне безопасны с этой точки зрения из-за весьма скромных требований к их энергетическим возможностям. Ток КЗ компенсатора активной составляющей не превышает у нас 30% тока ДГР, и его явно недостаточно для создания каких-либо нежелательных побочных эффектов в непредвиденных аварийных режимах.

Естественной платой за подобные преимущества является усложнение алгоритмов управления, которое при современной микропроцессорной элементарной базе, используемой в УАРК.201 и УАРК.202, отражается на сложности не аппаратуры, а программного обеспечения.

Устройства УАРК.201, по которым имеется опыт эксплуатации образцов (первого – с 1988 г.), предназначены для коротких кабельных сетей 6 кВ с емкостным током до 5 А. Они применяются совместно со статическими компенсирующими аппаратами ТАДТМ (УДТМ), которые, благодаря только низковольтным электронным средствам УАРКа, превращаются в плавнорегулируемые дугогасящие аппараты с кратностью регулирования выше 10. Эти аппараты, дополненные компенсаторами активной составляющей и соответствующими авторегуляторами, становятся устройствами полного подавления ОЗЗ. За время эксплуатации в сетях собственных нужд Рефтинской ГРЭС “Свердловэнерго” они показали высокую эффективность, надёжность и достаточный ресурс. Не наблюдалось переходов ОЗЗ в многоместные повреждения изоляции статорных обмоток двигателей, которые ранее были частым явлением. Не отмечалось ни переходов ОЗЗ в междуфазные КЗ, ни каких-либо других аварий, инициированных ОЗЗ.

Доработка указанных устройств, касающихся, главным образом, программного обеспечения, позволила бы защитить такие повреждения, возникающие не только в фазах сети, но и внутри обмоток двигателей и трансформаторов.

Устройство УАРК.202, разработанное ИПММ АН Украины по заказу “Свердловэнерго” и продолженное ВП “НТБЭ”, предназначено для компенсации полного тока ОЗЗ в сетях 6 кВ с емкостным током 30-100 А, оснащённых ДГР со свободным продольным подмагничиванием разработки ЦКБ “Энергоремонт”, в состав которого по нашему предложению входит также дроссель компенсатора активной составляющей. Оно содержит силовые тиристорные средства управления током подмагничивания и компенсацией активной составляющей, а также микропроцессорный блок управления, реализующий алгоритмы двухканальной настройки компенсации 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.

Возможности борьбы с ОЗЗ в воздушных и смешанных сетях. Разработанные нами устройства УАРК.2 и УАРК.202 работоспособны не только в кабельных сетях, но и в воздушных и смешанных сетях. Следует отметить, что это нетривиальная возможность, т.к. простая резонансная автонастройка в подобных несимметричных сетях наталкивается на значительные трудности. Имеется в виду прежде всего нестабильная естественная несимметрия большой величины, что делает неработоспособными в нормальном режиме описанные выше простые фазовые регуляторы. Для получения информации о знаке и величине расстройки резонанса при этом 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 настройка входит в противоречие с требованием ПТЭ о том, чтобы степень смещения нейтрали не превышала длительно величины 15%.

Перечисленные трудности привели к тому, что в настоящее время системы автокомпенсации для несимметричных сетей не вышли из стадии испытаний отдельных лабораторных образцов. Хотя известны десятки различных способов преодоления указанных трудностей, все они либо чрезмерно громоздки в реализации, либо обладают слишком узкой областью применения, либо обладают нежелательными побочными эффектами, либо плохо согласуются с другими техническими решениями системы автокомпенсации в рамках единой концепции. Выполненный нами тщательный анализ проблемы с учётом ряда принципиально новых предложений позволил наметить и реализовать несколько перспективных, на наш взгляд, путей для её комплексного решения.

Это, во-первых, решения, использованные в УАРК.2, а именно: автонастройка резонанса в нормальном режиме при помощи периодической модуляции добротности КНПС, которая производится техническими средствами компенсатора активной составляющей. Одновременно с этим она служит для искусственного снижения добротности, что препятствует чрезмерному смещению нейтрали. Во-вторых, это периодическая модуляция искусственной несимметрии, которая может осуществляться компенсаторами активной составляющей устройств УАРК.201 или 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 дугогасящих аппаратов, ограничения напряжения на нейтрали проще добиться глубокой расстройкой КНПС в нормальном режиме, полагаясь на измерение основных параметров изоляции и тока естественной несимметрии сети и на безынерционность исполнительного органа (УАРК.201) или на сильные внутренние обратные связи дугогасящего реактора с подмагничиванием (УАРК.202).

На наш взгляд, подобное сочетание компенсатора активной составляющей 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 нормальном режиме, является весьма удачным с точки зрения упрощения аппаратной реализации. С этой точки зрения целесообразность разработки средств автокомпенсации емкостных токов представляется необходимой, но не достаточной, если не предусматривать одновременно функцию компенсации активной составляющей. Неизбежное в подобных случаях устройство активного воздействия на сеть и устройство ограничения напряжения смещения нейтрали приближаются по объёму 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 компенсации полного тока ОЗЗ является оправданным всегда, даже если для применения компенсации активной составляющей, 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.

Сказанное позволяет, в частности, сделать вывод о целесообразности доработки программного обеспечения устройства УАРК.201 с целью его функционирования в несимметричных сетях и о необходимости реализации этой возможности во всех дальнейших разработках средств автокомпенсации полного тока ОЗЗ.

О земляной защите в сетях с резонансным заземлением нейтрали. Общеизвестным доводом против широкого распространения резонансного заземления нейтрали является отказ простых токовых земляных защит, работающих на промышленной частоте при эффективной работе системы автокомпенсации. Однако, в случае возникновения ОЗЗ при эффективной (проще говоря, исправной) работе системы автокомпенсации от земляной защиты обычно как раз и не требуется действий, направленных на немедленное автоматическое отключение повреждённого присоединения. Объясняется это тем, что ОЗЗ в этих условиях безопасно и, кроме того, само ОЗЗ с вероятностью порядка 85% может самоустраняться. Если встать на предлагаемую точку зрения, то подобное выведение из действия токовых защит вполне оправданно: защиты, действующие на отключение, становятся следующей, резервной ступенью защиты и срабатывают тогда, когда по каким-либо причинам откажут средства автокомпенсации токов ОЗЗ. Для облегчения поиска повреждённого присоединения, если ОЗЗ оказалось устойчивым, целесообразно использовать устройства селективной сигнализации на непромышленных частотах, например, импульсную направленную защиту типа ЗЗМ (разработка ДПИ), или типа ПЗЗМ 1 (разработка НТБЭ), действующих на сигнал или на счётчик. Подобные защиты разрабатываются также в [4-6]. При основательном подходе к решению проблемы было бы оправданным введение функции централизованной селективной земляной сигнализации в микропроцессорные устройства автонастройки компенсации. Для выполнения подобной работы имеются необходимые условия и опыт. Впрочем, и в сети с полностью компенсированной нейтралью всегда имеется возможность “заставить” сработать уже имеющиеся токовые земляные защиты. Для этого нужно создать достаточный ток замыкания путём расстройки компенсации или искусственного снижения добротности КНПС при отключённой компенсации активной составляющей. Ясно, что расчёт на подобные действия заведомо хуже, чем установка надлежащих устройств селективной сигнализации, так как при этом снова возникают перечисленные выше опасности ОЗЗ в раскомпенсированной сети, и идти на них следует убедившись в их устойчивости и подготовившись должным образом к возможной аварии, относя, например, операции поиска на время минимума энергопотребления или на время, согласованное с ответственными потребителями.


ВЫВОДЫ


1. Резонансное заземление нейтрали в настоящих условиях является наилучшим режимом нейтрали для высоковольтных распределительных сетей и должно поэтому внедряться повсеместно.

2. Внедрение резонансного заземления нейтрали должно быть обеспечено как технически (серийным производством дугогасящих аппаратов, средств компенсации активной составляющей и аппаратуры селективной сигнализации), так и организационно (отражением в нормативной, руководящей и проектной документации, созданием предприятия или подразделения для пуско-наладочных и ремонтных работ, подготовкой кадров) и осуществляться комплексно.

3. В качестве унифицированного авторегулятора компенсации емкостных токов для кабельных сетей 6-35 кВ можно рекомендовать устройства типа УАРК.1: УАРК.1А, УАРК.101, УАРК.101М, УАРК.101С и т.п.

4. Применение автокомпенсации емкостных токов целесообразно для всего диапазона емкостей в распределительных сетях. На токах до 5-7 А (для сетей 6, 10 кВ) эффективны дугогасящие аппараты типа трансформатора Бауха (ТАДТМ, УДТМ) с тиристорным регулированием индуктивности на низкой стороне; на токах 5-30 А – аппараты всех типов, включая названные, а на токах свыше 30 А – плунжерные ДГР и ДГР с подмагничиванием (последнее – для систем компенсации полного тока ОЗЗ). В сетях с большими емкостными токами возможно применение ступенчато регулируемых реакторов (типа ЗРОМ) в качестве базовых.

5. Область применения полной компенсации токов ОЗЗ (т.е. компенсации не только емкостной, но и активной составляющей) шире, чем это принято считать, и распространяется на все случаи, не укладывающиеся в условия применимости простейших фазовых систем автокомпенсации. Кроме того, развиваемые в [6] алгоритмы поиска мест повреждений изоляции также связываются с двухканальной компенсацией токов ОЗЗ.

6. Целесообразна переработка устройства [3] типа УАРК.2, предназначенного для полной компенсации токов в сетях с плунжерными ДГР на современной микропроцессорной основе.

7. Исходя из опыта десятилетней апробации эффективного применения ШИМ-управляемых ДГР [1,3], представляется перспективной реконструкция существующих дугогасящих средств (таких как ЗРОМ, РЗДСОМ, РЗДПОМ и т.п., накопившихся в эксплуатации) на основе ШИМ-управляемых ДГР. Это обеспечивает линейность регулирования, предельно высокое быстродействие автокомпенсации емкостных токов и возможность не симметрировать сеть с большими естественными токами несимметрии, сводя дело к измерению в нормальном режиме четырех параметров сети (суммарную емкость, активную проводимость, амплитуду и фазу тока естественной несимметрии) и получению на этой основе начальных уставок по компенсации емкостных и активных составляющих для быстрого подавления дуговых ОЗЗ.

8. Несрабатывание токовых селективных защит в сетях с эффективной компенсацией токов ОЗЗ не должно препятствовать внедрению автокомпенсаторов. Целесообразно широкое использование действующих на сигнал селективных защит на непромышленных частотах.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.






ЛИТЕРАТУРА

1. Обабков В.К., Обабкова Н.Е. Возможности создания быстродействующего линейного дугогасящего реактора для сетей 6-35кВ с компенсацией емкостных токов / В сборнике докладов V международного симпозиума “Электротехника-2010”, том 1, 1999.-С.108-113.

2. Обабков В.К., Никифоров А.П. Точность автонастройки частоты свободных колебаний в симметричных сетях с компенсированной нейтралью / / Электричество, №12, 1996.-С.8-16.

3. Обабков В.К. Синтез адаптивных систем управления резонансными объектами. Киев: Наукова думка, 1993.-254 с.

4. Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколов Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1986.–248 с.

5. Шуин В.А., Гусенков А.В. Принципы выполнения и устройства защиты и сигнализации замыканий на землю для компенсированных сетей 6-10 кВ // Релейная защита и автоматика энергосистем-98: Тез. докл. науч.-техн. конф. – М.: РАО и ЦДУ России, 1998.– С.166-168.

6. Чайкин В.П., Султанов Г.А., Демченко В.Т., Чайкин В.В. Проблемы городских электрических сетей в современных условиях // Материалы научно-технической конференции. – Краснодар: Краев. правл. НТО энергетиков и электротехников, 1999.-С.20-26.
 

http://www.ntbe.ural.ru/stat10.htm