Агутин Алексей Николаевич

Для проведения исследований использована физическая модель электрической сети с двигательной нагрузкой, принципиальная схема которой представлена на рис 1. Схема включает в себя: разделительный трансформатор, напряжением 0,4/0,4кВ, мощностью 100кВА, модель питающих кабелей, выполненных в виде R-L-C цепочек и реальных электродвигателей, мощностью от 3 до 10 кВт. Физическая модель снабжена устройством воспроизведения дуговых замыканий в сети, выполненной на основе тиристора Т9-200 и устройством управления его.

Рисунок 2 — Принципиальная схема физической модели электрической сети с двигательной нагрузкой.

На этой схеме замещения источник питания представлен фазными ЭДС, индуктивностью рассеяния L и активным сопротивлением R. В схеме замещения сеть учтена емкостями (Са, Сb, Сс) и активными сопротивлениями (Rua, Rub, Ruc) изоляции фаз на землю, индуктивно-ёмкостными (М, См) междуфазными связями, ёмкость которых имеет активное сопротивление утечки RТ. В нейтраль этого трансформатора может быть подключен токоограничивающий резистор RD или дугогасящий реактор LD. Высоковольтный асинхронный электродвигатель включён в схему замещения фазными сверхпереходными индуктивностями рассеяния L1 и сопротивлениями R1. В одной из фаз электродвигателя предусмотрена возможность изменения места возникновения однофазного замыкания на землю вдоль обмотки путём введения изменяемых сопротивлений R11, R12 и индуктивностей рассеяния L11, L12. Цепь замыкания фазы на землю в обмотке двигателя имитируется его ёмкостью Cz и активным сопротивлением дуги Rz. Оксидно-цинковые ограничители перенапряжений (ОПН), устанавливаемые на сборных шинaх или выводах двигателей, учитываются нелинейными зависимостями их активного сопротивления от тока или напряжения [4].

В результате большого объёма исследований, которые проводились с использованием математической модели, для разных по параметрам и режиму заземления нейтрали сетей с.н. ТЭС установлено, что основным фактором, который определяет характер переходных процессов и величину перенапряжений при ОЗНЗ в сети с изолированной нейтралью является ёмкость фаз по отношению к земле и междуфазная ёмкость, индуктивность источника питания и трансформаторов, характер нагрузки, сопротивление в месте замыкания фазы на землю и т.д. Для возникновения предельных кратностей перенапряжений в сети с заданными параметрами решающее значение оказывают: величина мгновенного значения напряжения на повреждённой фазе в момент первичного зажигания дуги, момент погасания дуги и напряжение при повторном и последующем зажигании дуги.

Ниже приведены расчётные осциллограммы переходных процессов в сети с.н. ТЭС при дуговых замыканиях на землю. Первый и последующие пробои произошли при максимуме напряжения повреждённой фазы, а гашение дуги в момент прохождения тока промышленной частоты (рис. 2) и полного тока замыкания (рис. 3) через нуль.

Рисунок 3 — Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с изолированной нейтралью (ток замыкания фазы на землю – 30 А)

Рисунок 4 — Процессы при дуговом замыкании фазы С на землю в сети с изолированной нейтралью (ток замыкания фазы на землю – 30 А)

Как показали исследования для разных по параметрам электрических сетей с.н. ТЭС максимум перенапряжений на опережающей фазе после пробоя изоляции достигает (2.4-2.5)Uф, а при последующих пробоях величина перенапряжений на здоровых фазах вырастает. Эскалация (постепенное нарастание) перенапряжений в сети при горении дуги по второму сценарию обусловлено ростом напряжения на нейтрали в процессе многократного зажигания и гашения дуги тока замыкания в дуговом промежутке. Для сетей с.н. ТЭС, с характерными для них параметрами, величина перенапряжений может составить (3.2-3.5)Uф. При появлении в сети несимметрии напряжений по фазам перенапряжения могут существенно вырасти, так как исследованиями установлено, что кратность дуговых перенапряжений вырастает приблизительно пропорционально величине смещения нейтрали.

Наиболее распространённым в настоящее время способом снижения аварийных последствий от однофазных замыканий является дугогасящий реактор (ДГР), который сохраняет преимущества сетей с изолированной нейтралью. Эффективность применения ДГР в значительной мере определяется степенью его настроек на значение ёмкостного тока замыкания на землю. При этом подключение реактора к нейтрали сети способствует: существенному снижению тепловых потерь на дуговом промежутке за счёт снижения тока замыкания на землю до уровня активной составляющей высших гармоник и токов несимметрии, и как последствие, самовольное погасание дуги; уменьшение числа повторных зажиганий дуги за счёт существенного снижения скорости (до сотен периодов промышленной частоты) восстановления напряжения на дуговом промежутке после погасания дуги; исключение повторных пробоев на дуговом промежутке при напряжении больше фазного, что делает невозможным эскалацию перенапряжений в сети с резонансным заземлением нейтрали и позволяет сохранить кратность дуговых перенапряжений на уровне первого пробоя изоляции, т.е. в пределах (2.4-2.6)Uф. Однако, как показали наши широкомасштабные исследования, добиться ожидаемых результатов можно только в строго симметричных сетях при коэффициенте настройки ДГР в пределах (0.98-1.02), что хорошо иллюстрируется полученными расчётными осциллограммами изменения напряжения и тока в сети с ДГР в условиях настройки его близкому к резонансной (рис.4).

Рисунок 5 — Процессы при замыкании фазы С на землю в сети с ДГР в условиях настройки его близкой к резонансной (ток замыкания фазы на землю – 30 А)

Растройка компенсации приводит к существенному снижению эффективности от использования ДГР. Так, например, растройка компенсации больше чем на 5% ведёт к резкому увеличению кратности перенапряжений, а при настройке ДГР в режиме перекомпенсации (рекомендуется ПТЭ) на 25% кратность перенапряжений в сети с ДГР уже может достичь 3Uф и более [3]. При возникновении в сети несимметрии напряжений по фазам кратность неограниченных перенапряжений может резко возрасти, поскольку здесь, так же как и в сети с изолированной нейтралью величина перенапряжений увеличивается пропорционально смещению нейтрали. Росту перенапряжений способствует и тот факт, что при неточной настройке ДГР процесс выравнивания напряжений фаз после погасания дуги носит характер биения ,амплитуда и частота которых определяется степенью растройки компенсации и добротностью колебательного контура. При точной настройке ДГР или при небольшой перекомпенсации, возникновение биений при ОЗНЗ возможно при отключении присоединения с большим ёмкостным током подпитки. Опасность биений заключается в том, что для бумажно-масленной изоляции кабелей, которая самовостанавливается, повторное замыкание на повреждённой фазе может произойти при напряжении близком к 2Uф, что приведёт к максимальным перенапряжениям на здоровых фазах.