-Актуальность работы-

       Частым видом повреждений в электрических сетях 6-35 кВ являются однофазные замыкания на землю (ОЗНЗ), которые составляют приблизительно 75% от общего числа повреждений. Большинство таких замыканий имеют дуговой характер Перенапряжения, тепловое влияние дуги, что заземляет, приводит к развитию ОЗНЗ в междуфазные и многомесные замыкания.
        Эффективным способом предотвращения аварийных последствий ОЗНЗ является компенсация емкостного тока сети с помощью дугогасящих реакторов (ДР).
        Защитное действие ДР, настроенных в резонанс с емкостью сети, проявляется в следующих направлениях:
        - уменьшается ток в месте замыкания на землю до уровня активной составляющей и высших гармоник; при этом значительно снижается термическое действие остаточного тока и уменьшается ионизирующее свойство дуги, которая заземляет, увеличивается сопротивление и вероятность гашения;
        - уменьшается скорость осстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги, что способствует восстановлению диэлектрической прочности поврежденной изоляции;
        - уменьшаются уровни перенапряжений;
        - увеличиваются условия электробезопасности для обслуживающего персонал;
         Тема магистерской работы связана с исполнением кафедральной нучно-исследовательской работы Н-26-05.         

-Цель работы-

       Целью работы поставлена задача усовершенствования системы автоматического управления дугогасящим реактором с подмагничиванием.         

-Задачи исследования-

         1. Составить схему дифференциального уравнения, которое описует регулятор основанный на фазовом принципе для опраделения степени настройки дугогасящего реактора в режиме замыкания на землю.
         2. Разработать математическую модель электрической сети с дугогасящим реакторомс подмагничиванием и регулятором для анализа стационарных и переходных процессов при замыкании фазы на землю.
         3. Провести рассчет на ЭВМ модели электрической сети с автоматическим регулятором при разных условиях.
         4. Розработать метод повышения эффективности дугогасящего реактора с подмагничиванием и составить функциональную схему устройства, которое реализует предложенный метод.         

Основная часть

- Анализ систем регулирования емкостного тока-

         Режим нейтрали в сетях 6-35 кВ регламентируется ПТЭ, в котором отмечено, что работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может осуществляться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор (ДР) или резистор. Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:
        - в сетях 3-20 кВ, что имеют железобетонные и металлические сопротивления на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ – более 10А;
        - в сетях, что не имеют железобетонного и металлического сопротивления на воздушных линиях электропередачи:
         - более 30 А при напряжении 6 кВ;
        - более 20 А при напряжении 10 кВ;
        - более 15 А при напряжении 35 кВ;
        - в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5 А.
        В предыдущем издании ПТЭ допускалась настройка с перекомпенсацией, при которой реактивная составляющая тока замыкания должна быть не более 5 А, а в случае большой разницы токов смежных ответвлений реактивная составляющая тока замыкания на землю допускалась не более 10 А. В новом издании ПТЭ требования к настройке дугогасящих реакторов более жесткие потому, что позволяется работа с перекомпенсацией не более 5%.
        Долгое время считалось, что основным средством защиты при дуговых замыканиях на землю являются ограничители перенапряжений (ОПН). Экспериментальные исследования, проведенные ОРГРЭСом, показывают, что при дуговых замыканиях на землю в сетях с компенсацией емкостного тока при резонансной настройке дугогасящих реакторов для ОПН создаются именно более комфортные условия для работы. Если в сети с изолированной нейтралью (или что равноценно расстройке компенсации более 5%) дуговые пробои могут происходить каждый полпериода (на положительной и отрицательной полуволне 50 Гц), а уровень перенапряжений достигать 3,2 Uф, то в сети с резонансной настройкой повторные пробои возникают приблизитель-но раз в 10 периодов, а уровень перенапряжений снижается до 2,2-2,4 Uф. Это означает, что суммарная поглощенная ОПН энергия при дуговых замыканиях при резонансной настройке будет на два порядка меньше, чем в сети с изолированной нейтралью. Это означает, что в сети с компенсацией емкостного тока и резонансной настройкой ДР можно применять ОПН с более глубоким уровнем ограничения перенапряжений (наибольшее продолжительным допустимым рабочим напряжением). Компенсация емкостного тока также «спасает» ограничители перенапряжений от влияния феррорезонансных процессов.
        Подавляющим видом повреждения в электрических сетях напряжением 6-35 кВ есть однофазные замыкания на землю (ОЗНЗ), которые составляют около 75%, общего числа повреждений. Большинство таких замыканий имеет дуговой характер. Перенапряжения, тепловые влияния дуг, что заземляют, приводят к развитию ОЗНЗ в междуфазные и короткие многоместные замыкания.
        Эффективным средством предотвращения аварийных последствий ОЗНЗ является компенсация емкостного тока сети с помощью дугогасящих реакторов (ДР).
        Защитное действие ДР, настроенных в резонанс с емкостью сети, проявляются в следующих направлениях:
        - уменьшается ток в месте замыкания на землю до уровня активной составляющей и высших гармоник; при этом значительно снижается термическое действие остаточного тока и уменьшается ионизирующая способность дуги, что заземляет, увеличивается ее сопротивление и вероятность затухания;
        -уменьшается скорость возобновления напряжения на поврежденной фазе после затухания дуги, что способствует возобновлению диэлектрической прочности поврежденной изоляции;
        -снижаются уровни перенапряжений на поврежденных фазах;
        -повышаются условия электробезопасности для обслуживающего персонала.
        На рис. 1 приведена функциональная типовая схема автоматической системы регулирования плунжерным дугогасящим реактором АСР ДР в нормальном режиме работы. В качестве измерительного органа в регуляторе используется фазовый детектор ФД. На его вход от измерительного трансформатора ТV подаются напряжение смещения нейтрали и линейное напряжение сети. При расстройке компенсации на выходе ФД возникает напряжение постоянного тока, знак которого определяется режимом компенсации (перекомпенсацией или недокомпенсацией), а величина - степенью расстройки компенсации. Это напряжение после усиления в усилителе У подается на релейный элемент РЭ, который срабатывает и включает исполнительный орган ИО. Последний изменяет индуктивность дугогасящего реактора LR, в направлении достижения резонанса.

        Рисунок 1 – Функциональная схема АСР ДР (Анимация сделана в gifanimator.Количество кадров 50.Количество циклов повторения 5. Анимация появляется при обновлении страницы)
        Настройка ДР в резонанс с емкостью сети осуществляется с некоторой погрешностью. Подбором коэффициента усиления усилителя У при заданных параметрах сети и остальных элементов системы регулирования можно обеспечить резонансную настройку ДР с минимальной погрешностью.
        Сопротивление обмоток присоединительного трансформатора Т току компенсации зависит от конструкции трансформатора, группы соединения его обмоток и мощности. Для наилучшего использования реактора трансформаторы, к которым они подключаются, должны иметь минимальное сопротивление обмоток. Снижение напряжения на нейтрали и, следовательно, на катушке при замыкании на землю (дросселирующий эффект) у правильно подобранных трансформаторов практически незначительно.
        Наиболее подходящим для включения реактора является трансформатор с соединением обмоток треугольник-звезда. Токи компенсации, протекающие по обмотке звезды, создают магнитные потоки, которые наводят э. д. с. и токи в обмотке, замкнутой в треугольник. В свою очередь токи, замыкающиеся в треугольнике, обусловливают магнитные потоки в сердечнике трансформатора, направленные встречно потокам обмотки, соединенной в звезду. Происходит почти полная компенсация магнитных потоков, а небольшому потоку рассеяния обмоток соответствует индуктивность рассеяния весьма малая по сравнению с индуктивностью реактора. Дросселирующий эффект будет определяться только падением напряжения в сопротивлении рассеяния обмотки, которое невелико (соответствует напряжению короткого замыкания трансформатора uк%). Такие же условия имеют место при соединении обмоток и по схеме звезда-зигзаг.
        Типы современных дугогасящих реакторов различаются между собой по способу регулирования тока компенсации [1]:
        - ДР с переключением ответвлений обмотки;
        - ДР с изменением зазора в магнитной системе (плунжерные ДР) ;
        - ДР с изменением индуктивности путем подмагничивания.
        Дугогасящих реакторы имеют как преимущества так и недостатки. В [2] приведена такая информация для плавнорегулируемых реакторов.
        Плунжерные дугогасящие реакторы имеют следующие преимущества:
        - линейность и высокая добротность;
        - эффективное использование активных материалов;
        - экономичность: однажды установленная индуктивность удерживается затем без затрат энергии и дополнительных внешних воздействий;
        - простоту математического описания и лёгкость управления; освоение их в производстве рядом предприятий.
        Имеется также ряд недостатков у этих реакторов:
        - низкая надёжность и малый ресурс электромеханических узлов;
        - не допускают поисковых движений, автоколебательных режимов и длительных переходных процессов;
        - малое быстродействие: от 40 с до 60 с и в отдельных случаях до 120 с на весь диапазон регулирования ДГР;
        - низкая технологичность в изготовлении из-за механической части Дугогасящие аппараты со свободным продольным подмагничиванием.
        Преимущества:
        - технологичность, высокая надёжность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов;
        - в системах компенсации полного тока ОЗЗ – высокое быстродействие благодаря внутренним обратным связям;
        Главным недостатками таких реакторов являются:
        - внутренние обратные связи делают ДГР неработоспособным в режиме дугового ОЗЗ без компенсации активной составляющей и весьма осложняют задачу предварительной настройки в нормальном режиме;
        - также повышенное содержание гармоник в токе, нелинейность, сложность математического описания;
        - низкие добротность и экономичность;
        - зависимость изделия от электронной части.
        Дугогасящие реакторы с поперечным или вынужденным подмагничиванием.
        Основным достоинством таких реакторов является технологичность, высокая надёжность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов.
        К недостаткам относится:
        - большой расход активных материалов;
        - пониженное быстродействие (порядка плунжерного ДГР);
        - низкие добротность и экономичность;
        - зависимость изделия от электронной части.
        В 2004-2005г. ОРГРЭС провел опрос около 50 энергосистем России на предмет уровня оснащенности сетей 6-35 кВ дугогасящими реакторами. Общее количество сетей, в которых согласно ПТЭ необходимо применять компенсацию емкостного тока, составило 2632 штук (т.е. около 10,4% от общего числа сетей). Причем в этих сетях установлено 2419 дугогасящих реакторов, что составляет 91,9% от общей потребности в них. По данным ОРГРЭС в России в сетях 6-35 кВ с компенсацией емкостного тока применяется 1986 ступенчатых дугогасящих реакторов (75,5% от общего числа ДГР) и 433 плавнорегулируемых реакторов (24,5%). То, что почти установленных на сегодняшний день дугогасящих реакторов составляют ступенчатые ДГР, объясняет тот факт, что в ПТЭ до сих пор допуска-ются такие «странные» расстройки компенсации. Вернее тем, что почти 95% ступенчатых реакторов – это реакторы типа ЗРОМ или РЗДСОМ, которые на протяжении последних 50 лет выпускались по устаревшим ТУ, в которых было предусмотрено только 5 ответвлений. В то время, как например, в Германии еще 50-е годы прошлого столетия ступенчатые дугогасящие реакторы выпускались с 16 ответвлениями [3]. Большинство плавнорегулируемых реакторов (403шт. или 93,1%) составляют плунжерные реакторы типа РЗДПОМ или аналогичные западного производства (ZTC, GEUF и т.п.).
        Автоматическими регуляторами оснащены (находятся в работоспособ-ном состоянии) 223 плавнорегулируемых реактора, что составляет 51,5% от потребности. Этот факт объясняется тем, что до последнего времени плунжерные реакторы типа РЗДПОМ не комплектуються автоматическими регуляторами на заводе изготовителе. Чуть менее 7% от обследованных плавнорегулируемых реакторов - это дугогасящие реакторы с подмагничиванием (РДП, КДР, РУОМ, РЗДУОМ).
        Как показывает опыт эксплуатации, внедрение дугогасящих реакторов с подмагничиванием типа РЗДУОМ или РУОМ, РОУ обходится в 2,5-3 раза дороже внедрения аналогичного по мощности плунжерного дугогасящего ре-актора типа РЗДПОМ. Как показала практика эксплуатации дугогасящих реакторов с подмагничиванием, основной их проблемой является отсутствие правильно и надежно работающей автоматики. За время с первых попыток создания автоматических систем управления ДГР с подмагничиванием были перепробованы все известные принципы регулирования (амплитудный, фазовый, ШИМ-модуляции, непромышленной частоты и т.п.). Однако, на сегодняшний день, ни один из них не дал искомых результатов.
        Фазовый принцип настройки реактора в нормальном режиме работы сети является основным в кабельных сетях. Этот метод является универсальным и может использоваться во всех возможных режимах работы сети: нормальном, устойчивого ОЗНЗ и дугового ОЗНЗ.
        Для настройки реактора в нормальном режиме создается искусственная нессиметрия сети, например, подключением между одной из фаз сети и землей дополнительной емкости (рис.2).

        Рисунок 2 – Векторная диаграмма напряжений
        При резонансной настройке ДР вектор UЗ0.рез располагается под углом 90° относительно напряжения этой фазы и совпадает по направлению с линейным напряжением UСВ, которое выбирается в качестве опорного. Угол между напряжениями Uз0 и Uоп от степени расстройки компенсации определяется выражением:

        где d - коэффициент успокоения (добротности) компенсированной сети, обусловленный активными потерями в изоляции сети и в реакторе.
        гдеДля кабельных сетей коэффициент d составляет 0,03-0,1. Максимальное значение d имеют сети с низким уровнем изоляции.
        гдеВ режиме устойчивого ОЗНЗ через через переходное сопротивление в месте замыкания RЗ расстройка ДР измеряется по величине угла между векторами напряжений нейтрали Uз0 и поврежденной фазы UАЗ (рис. 3).

        Рисунок 3 – Векторная диаграмма напряжений при однофазном замыкании на землю через переходное сопротивление
        Угол рассчитывается по формуле:

        В режиме дугового замыкания фазы на землю при первоначальном возникновении дуги угол между напряжением будет определяться также, как при устойчивом замыкании, степенью рассстройки компенсации. В режиме дугового замыкания фазы на землю при первоначальном возникновении дуги угол между напряжением будет определяться также, как при устойчивом замыкании, степенью рассстройки компенсации.
        Современные системы автоматического управление дугогасящими с подмагничиванием реакторами с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю приведены в [4, 5]. В [4] настройка реактора осуществляется путем подачи в сигнальную обмотку ДР импульсов тока длительностью порядка 1 мс. По параметрам свободных колебаний определяют степень расстройки реактора и коэффициент добротности d, по коэффициенту d устанавливается минимально допустимый интервал между соседними импульсами тока, при возникновении замыкания на землю генерация импульсов тока прекращается и в обмотку управления реактора подается ток подмагничивания соответствующий резонансной настройки ДР предварительно определенной в нормальном режиме работы сети. Схема определения резонансной настройки данным способом приведена на рис.4

        Рисунок 4 – Схема присоединения реакторов серии РУОМ к трехфазной сети: ФМЗО – фильтр масляный заземляющий нулевой последовательности - реактор присоединения «нейтраллер», реактор для создания «искусственной» нейтрали; НАМИ – трансформатор напряжения, САНК – система автоматической настройки компенсации
        Основными недостатками данного способа является то, что создание импульсов тока нулевой последовательности может вызвать срабатывание защиты, которая базируется на контроле параметров переходного процесса от замыкания на землю в нормальном режиме. Также к недостаткам следует отнести то, что определение резонансной настройки реактора в нормальном режиме не позволяет точно установить резонанс при ОЗНЗ из-за нелинейно-сти ВАХ реактора и наличие в месте замыкания переходного сопротивления. В связи с тем, что в нормальном режиме работы ток управления равен нулю и ДР будет не настроен в резонанс в момент замыкания, что не обеспечивает необходимую эффективность гашения заземляющей дуги.
        Способом автоматической настройки ДР дугогасящих реакторов с подмагничиванием приведенный в [5], включает подмагничивание ДР в нормальном режиме током, существенно меньшим необходимого для резонанса и подачу в сигнальную обмотку реактора тока непромышленной частоты с диапазоном ее изменения от 20 Гц до 80 Гц. Далее следует определение резонансной настройки реактора по минимуму тока генератора. В момент появления однофазного замыкания на землю подают в обмотку управления постоянный ток соответствующий резонансной настройке реактора с учетом величины отношения напряжения нейтрали и фазного, при исчезновении замыкания на землю выполняют возврат в начало алгоритма определения резонанса ДР . Схема, реализующая данный способ представлена на рис. 5

        Рисунок 5 – Функциональная схема устройства для автоматической настройки дугогасящего реактора с подмагничиванием
        На схеме рис. 5 приняты следующие обозначения: электрическая сеть 3 напряжением 6-35 кВ, питающего трансформатора 2, дугогасящий реактор 1 с сигнальной обмоткой и встроенными трансформатором тока подмагничивания (ПТ), трансформатор напряжения с обмоткой «открытый треугольник» 4, генератор переменной частоты 5, подключенный к сигнальной обмотке дугогасящего реактора через блок блокировки 6. С обмотки разомкнутого треугольника типового трансформатора напряжения 4 резонанса 8 и далее в блок деления и вычисления тока 9 подается напряжение смещения нейтрали. С выхода блока 9 подается напряжение смещения нейтрали. С выхода блока 9 вычисленное значение тока замыкания подается в блок долговременной памяти 10 и далее на вход пропорционально – интегрального регулятора 11, вторым входом которого является информация от встроенного в реактор трансформатора тока через блок сопряжения 13. Выходной управляющий сигнал регулятора через блок формирования управляющих импульсов 12 поступает на встроенный преобразователь ПТ реактора, с которым связан также блок предварительного подмагничивания 14.
        Нахождение резонансной настройки по данному способу осуществляется в нормальном режиме, а используется при замыкании на землю, что не позволяет обеспечить резонансную настройку реактора и связано со значительными потерями энергии сети для постоянного поддержания ДР в рабочем состоянии, а также со сложной схемной реализацией автоматического регулятора.
        

-Практическое значение полученных результатов-

Полученные результаты можно будет использовать на практике при эксплуатации электрических сетей. Результаты расчета на ЭВМ переходных процессов у электрической сети позволят обосновать техническое решение, что обеспечит устранения негативные явлений при ОЗНЗ связанных с изменением тока управления ДР от нуля или некоторого незначительного к нужному значению.
        

-Апробация работы-

Результаты работы докладывались на Всеукраинской научно-технической конференции, что проводились в Севастополе в апреле 2008 г. По результатам работы опубликованные тезисы доклада. Научная работа моделирования дугогасящего реактора с подмагничиванием принята для участия в конкурсе научных робот студентов, которые учатся за направлением электротехника. Защита работы состоится в конце апреля 2008 года.
        

-Литература-

        1 Лихачев А.П. Инструкция по выбору установки и эксплатации дугогасящих катушек, 1971 г. - 104с.
        2 Обабков В.К., Обабкова Н.Е. Теоретические и экспериментальные исследования возможностей создания автокомпенсатора емкостных токов на основе дугогасящего реактора с подмагничиванием// Электрические станции, 2001. – № 10.
        3 Миронов И.А., Кричко В.А., «Автоматические устройства настройки компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ», ЭЛЕКТРО-ИНФО, №4,
        4 Брянцев А.М., Лурье А.И., Долгополов А.Г. и др. – Управляемые подмагничиванием ДР с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю для сетей 6 – 35 кВ, - Электричество, - №7. – 2000. – с. 59 – 67\
        5 Патент РФ №2222857, МПК7 Н02J3/18, опубл. 2004.01.27
        6 Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
        7 «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ» (ТИ 34-70-070-87), СПО Союзтехэнерго, Москва, 1988г.
        8 Долгополов А.Г. Системы автоматической настройки компенсации для дугогасящих реакторов, управляемых подмагничиванием. — Электротехника, 1999, № 11. йки компенсации для дугогасящих реакторов, управляемых подмагничиванием. — Электротехника, 1999, № 11.