Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в электрических сетях напряжением 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью, содержащих высоковольтные электродвигатели или генераторы, подключенные к этим сетям, как средство защиты от внутренних перенапряжений, связанных с дуговыми однофазными замыканиями на землю.
Известно устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащее заземляющий трансформатор, обеспечивающий доступ к нейтрали сети, первичные обмотки которого подключены к контролируемой сети и соединены между собой по схеме звезды с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки заземляющего трансформатора соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору (см. Электротехника. 1994 г., №5, стр.22).
Устройство обеспечивает ограничение внутренних перенапряжений, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю до уровня допустимых значений для сети данного класса напряжения.
Основные недостатки известного устройства заключаются в следующем:
- известное устройство требует индивидуальный подбор величины сопротивления заземляющего резистора в зависимости от величины емкостных токов сети, желаемой величины допустимого перенапряжения на неповрежденных фазах, поскольку известное устройство не содержит средства для осуществления автоматического регулирования режима нейтрали сети;
- устройство не позволяет обеспечить поддержание постоянного допустимого уровня внутренних перенапряжений при изменении конфигурации сети в процессе эксплуатации и связанное с этим изменение величин токов однофазного замыкания на землю;
- устройство не позволяет использовать чувствительную и селективную защиту от однофазных замыканий на землю для высоковольтных электрических машин, поскольку при замыкании на землю внутри обмоток или через переходное сопротивление не обеспечивается требуемая величина зоны охвата защитой;
- поскольку использование данного устройства связано с увеличением тока замыкания на землю, то оно выполняет свои функции лишь при неизменных параметрах сети и фиксированном месте однофазного замыкания на землю, кроме того, в этом случае увеличивается устойчивость горения дуги в месте пробоя изоляции;
- в известном устройстве имеет место неконтролируемый рост тока замыкания на землю.
Задачами данного изобретения являются эффективное ограничение импульсных дуговых перенапряжений при замыканиях на землю и поддержание в сети минимально возможного тока замыкания на землю и режима самоликвидации дугового замыкания, а также увеличение защитоспособности устройств релейной защиты от замыканий на землю.
Технический результат, который получается в результате использования заявленного устройства, состоит в обеспечении постоянного, заранее заданного, контролируемого уровня внутренних перенапряжений в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, обусловленных дуговыми однофазными замыканиями на землю, поддержании в сети контролируемого уровня тока замыкания на землю независимо от места возникновения замыкания. Кроме того, обеспечивается повышение чувствительности защит высоковольтных электрических машин при однофазных замыканиях на землю при замыкании на землю внутри их обмоток или при замыканиях через переходное сопротивление и замыканиях в обмотках, питающихся от данной сети трансформаторов и других трехфазных потребителей электроэнергии.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в устройстве защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащем заземляющий трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью и подключены к контролируемой трехфазной сети, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору, согласно изобретению, заземляющий резистор выполнен секционированным и содержит две последовательно соединенные секции, коммутируемую и некоммутируемую, при этом параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора подключен коммутатор, снабженный блоком управления, при этом коммутатор содержит два параллельно соединенных и встречновключенных тиристора, блок управления содержит релейный модуль и модуль управляющего напряжения, выход которого является выходом блока управления и подключен к входу коммутатора, релейный модуль содержит пусковой релейный орган и коммутационный релейный орган, причем их входы соединены между собой, являются входом блока управления и подключены к вторичным обмоткам заземляющего трансформатора, а выходы соединены с входами модуля управляющего напряжения.
Кроме того, коммутационный релейный орган содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост, входы которого соединены с общими выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы через первый стабилитрон и первый балластный резистор соединены с обмоткой коммутационного реле, пусковой релейный орган содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост, входы которого соединены параллельно входам первого выпрямительного моста, а выходы соединены с обмоткой пускового реле через второй и третий балластные резисторы и второй стабилитрон, причем обмотка пускового реле зашунтирована конденсатором, а параллельно третьему балластному резистору подключены первые размыкающиеся контакты коммутационного реле, модуль управляющего напряжения содержит первый и второй развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов пускового реле и вторых размыкающихся контактов коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам тиристоров коммутатора, при этом управляющий электрод каждого из тиристоров соединен с катодом соответствующего развязывающего диода, а аноды соответствующих диодов подключены к катодам одноименных тиристоров.
Поставленные задачи решаются также благодаря тому, что в устройстве защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащем заземляющий трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью и подключены к контролируемой трехфазной сети, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору, согласно изобретению, заземляющий резистор содержит три последовательно соединенные секции, имеющие одинаковое сопротивление, причем одна из них некоммутируемая, параллельно двум соседним секциям - коммутируемой и первой коммутируемой - подключен коммутатор, содержащий два последовательно соединенных и встречновключенных тиристора, при этом первый тиристор коммутатора подключен параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора, а второй тиристор коммутатора подключен параллельно первой коммутируемой секции, при этом катоды обоих тиристоров соединены со средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора, коммутатор снабжен блоком управления, который содержит релейный модуль, модуль управляющего напряжения и первый модуль управляющего напряжения, выходы обоих модулей управляющего напряжения являются выходами блока управления и соединены с входами соответствующих тиристоров коммутатора, а вход блока управления соединен с вторичными обмотками заземляющего трансформатора, релейный модуль содержит пусковой релейный орган и коммутационный релейный орган, при этом их входы соединены между собой и являются входом блока управления, а выходы соединены с входами обоих модулей управляющего напряжения.
Кроме того, коммутационный релейный орган содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост, входы которого соединены с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы через первый стабилитрон и первый балластный резистор соединены с обмоткой коммутационного реле, пусковой релейный орган содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост, входы которого соединены параллельно входам первого выпрямительного моста, а выходы соединены с обмоткой пускового реле через второй и третий балластные резисторы и второй стабилитрон, причем обмотка пускового реле зашунтирована конденсатором, а параллельно третьему балластному резистору подключены первые размыкающиеся контакты коммутационного реле, модуль управляющего напряжения содержит первый и второй развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов пускового реле и вторых размыкающихся контактов коммутационного реле, которая подключена к управляющему электроду первого тиристора и через второй развязывающий диод соединена с анодом первого тиристора, при этом управляющий электрод первого тиристора соединен с катодом первого развязывающего диода, анод которого соединен с катодами первого и второго тиристоров и средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора, а анод второго развязывающего диода соединен с анодом первого тиристора и крайним выводом коммутируемой секции заземляющего резистора, первый модуль управляющего напряжения содержит третий и четвертый развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных вторых замыкающихся контактов пускового реле и третьих размыкающихся контактов коммутационного реле, которая подключена к управляющему электроду второго тиристора и через четвертый развязывающий диод соединена с его анодом, при этом управляющий электрод второго тиристора соединен с катодом третьего развязывающего диода, анод которого соединен с катодами первого и второго тиристоров, а анод четвертого развязывающего диода соединен с анодом второго тиристора.
Поставленные задачи решаются также благодаря тому, что в устройстве защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащем заземляющий трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью и подключены к контролируемой трехфазной сети, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору, согласно изобретению, заземляющий резистор содержит три последовательно соединенные секции с различным сопротивлением, причем одна из них некоммутируемая, параллельно каждой из двух соседних секций - коммутируемой и первой коммутируемой - подключено по коммутатору, каждый из которых выполнен в виде двух параллельно соединенных и встречновключенных тиристоров, при этом к коммутируемой секции подключен коммутатор, а к первой коммутируемой секции подключен первый коммутатор, при этом коммутаторы снабжены общим блоком управления, первый выход которого подключен к входу коммутатора, второй выход блока управления соединен с входом первого коммутатора, а вход блока управления соединен с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, блок управления содержит релейный модуль, модуль управляющего напряжения и первый модуль управляющего напряжения, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, релейный модуль содержит пусковой релейный орган, коммутационный релейный орган и первый коммутационный релейный орган, входы которых соединены между собой, а также с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы соединены между собой и с входами обоих модулей управляющего напряжения.
Кроме того, модуль управляющего напряжения содержит первый и второй развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов пускового реле и вторых размыкающихся контактов коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам первого и второго тиристоров, образующих коммутатор, при этом к управляющим электродам первого и второго тиристиров подключены катоды соответственно первого и второго развязывающих диодов, аноды которых соединены с катодами одноименных тиристоров, причем анод первого развязывающего диода подключен к среднему выводу коммутируемых секций, а анод второго развязывающего диода подключен к крайнему выводу первой коммутируемой секции заземляющего резистора, первый модуль управляющего напряжения содержит третий и четвертый развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных вторых замыкающихся контактов пускового реле и первых размыкающихся контактов первого коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам третьего и четвертого тиристоров, образующих первый коммутатор, к управляющим электродам третьего и четвертого тиристоров подключены катоды соответственно третьего и четвертого развязывающих диодов, аноды которых соединены с катодами одноименных тиристоров, причем анод третьего развязывающего диода соединен со средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора, коммутационный релейный орган содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост, входы которого соединены с общими выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы через первый стабилитрон и первый балластный резистор соединены с обмоткой коммутационного реле, пусковой релейный орган содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост, входы которого соединены параллельно входам первого выпрямительного моста, а выходы соединены с обмоткой пускового реле через второй, третий и четвертый балластные резисторы и второй стабилитрон, при этом первые размыкающиеся контакты коммутационного реле соединены параллельно третьему балластному резистору, а обмотка пускового реле зашунтирована конденсатором, вторые размыкающиеся контакты первого коммутационного реле соединены параллельно четвертому балластному резистору, первый коммутационный релейный орган содержит первое коммутационное реле и третий выпрямительный мост, входы которого соединены с входами первого и второго выпрямительных мостов, а выходы через третий стабилитрон, пятый и шестой балластные резисторы подключены к обмотке первого коммутационного реле, причем шестой балластный резистор зашунтирован третьими размыкающимися контактами коммутационного реле.
Поставленные задачи решаются также благодаря тому, что в устройстве защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, содержащем заземляющий трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью и подключены к контролируемой трехфазной сети, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору, согласно изобретению, заземляющий резистор выполнен секционированным и содержит три последовательно соединенные секции с различным сопротивлением, причем одна из них некоммутируемая, параллельно каждой из двух соседних секций - коммутируемой и первой коммутируемой - подключено по коммутатору, каждый из которых выполнен в виде двух параллельно соединенных и встречновключенных тиристоров, при этом к первой коммутируемой секции подключен первый коммутатор, а к коммутируемой секции подключен коммутатор, снабженный блоком управления, содержащим согласующую цепь, формирователь модулирующего сигнала, релейный модуль и модуль управляющего напряжения, выход которого является выходом блока управления и подключен к управляющему входу коммутатора, релейный модуль содержит пусковой релейный орган и коммутационный релейный орган, причем входы пускового и коммутационного релейных органов соединены между собой и являются входом блока управления, который соединен с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы коммутационного релейного органа и пускового релейного органа соединены с входом модуля управляющего напряжения, причем вход первого коммутатора через согласующую цепь соединен с выходом формирователя модулирующего сигнала, а его вход соединен с вторичными обмотками заземляющего трансформатора.
Кроме того, коммутационный релейный орган содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост, входы которого соединены с общими выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора, а выходы через первый стабилитрон и первый балластный резистор соединены с обмоткой коммутационного реле, пусковой релейный орган содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост, входы которого соединены параллельно входам первого выпрямительного моста, а выходы соединены с обмоткой пускового реле через второй и третий балластные резисторы и второй стабилитрон, причем обмотка пускового реле зашунтирована конденсатором, а параллельно третьему балластному резистору подключены первые размыкающиеся контакты коммутационного реле, модуль управляющего напряжения содержит первый и второй развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов пускового реле и вторых размыкающихся контактов коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам первого и второго тиристоров коммутатора, а управляющий электрод каждого из тиристоров коммутатора соединен с катодом одноименного развязывающего диода, при этом анод первого развязывающего диода соединен с средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора и катодом первого тиристора, анод второго развязывающего диода соединен с крайним выводом коммутируемой секции заземляющего резистора и катодом второго тиристора, согласующая цепь содержит третий и четвертый развязывающие диоды, а также вторые и третьи замыкающиеся контакты пускового реле, при этом катоды третьего и четвертого развязывающих диодов соединены с управляющими электродами одноименных тиристоров первого коммутатора, анод третьего развязывающего диода соединен со средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора, а анод четвертого развязывающего диода соединен с анодом третьего тиристора и катодом четвертого тиристора, при этом управляющий электрод третьего тиристора через третьи замыкающиеся контакты пускового реле, а также катод третьего тиристора соединен с первым выходом формирователя модулирующего сигнала, а управляющий электрод четвертого тиристора через вторые замыкающиеся контакты пускового реле, а также катод четвертого тиристора соединен с вторым выходом формирователя модулирующего сигнала, вход которого соединен с входами коммутационного релейного органа, пускового релейного органа и с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора.
На фиг.1 приведена схема устройства с одноступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора и параллельно-встречным включением тиристоров коммутатора.
На фиг.2 приведена схема устройства с одноступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора и последовательно-встречным включением тиристоров коммутатора.
На фиг.3 приведена схема устройства с двухступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора.
На фиг.4 приведена схема устройства с одноступенчатым регулированием сопротивления и с модуляцией активного тока замыкания на землю.
На фиг.5 приведена диаграмма изменения первичных параметров сети при одноступенчатом регулировании сопротивления заземляющего резистора.
На фиг.6 приведена полная диаграмма изменения параметров устройства и контролируемой сети при одноступенчатом регулировании сопротивления заземляющего резистора.
Устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью (фиг.1) содержит заземляющий трансформатор 1, имеющий пятистержневую конструкцию магнитопровода и обеспечивающий доступ к нейтрали контролируемой сети 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью. Первичные обмотки заземляющего трансформатора 1 соединены по схеме звезда с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и своими выводами соединены с заземляющим резистором, состоящим из двух секций - коммутируемой 2 и некоммутируемой 3, соединенных между собой последовательно. Первичные обмотки заземляющего трансформатора 1 подключены через выключатель 4 к контролируемой высоковольтной сети, питающей, в том числе, и высоковольтный электродвигатель 5, который подключен к этой сети через свой выключатель 6. Высоковольтный электродвигатель 5 имеет статорные обмотки, соединенные в звезду, и снабжен блоком защиты 7 от однофазных замыканий на землю. Параллельно коммутируемой секции 2 заземляющего резистора подключен коммутатор 8, состоящий из двух тиристоров - первого 9 и второго 10, соединенных между собой параллельно-встречно. Блок управления 11 коммутатора 8 содержит релейный модуль 12 и модуль управляющего напряжения 13. К управляющим входам коммутатора 8 подключен модуль управляющего напряжения 13, а вход релейного модуля 12 является входом блока управления 11 и подключен к вторичным обмоткам заземляющего трансформатора 1. Релейный модуль 12 содержит пусковой релейный орган 14 и коммутационный релейный орган 15, входы которых соединены между собой и являются входом релейного модуля 12. Вторичные обмотки заземляющего трансформатора 1 подключены к секциям 2 и 3 заземляющего резистора через автоматический выключатель 16, снабженный релейными защитами от перегрузки и короткого замыкания. Коммутационный релейный орган 15 содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост 17, входы которого соединены с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, а выходы соединены с обмоткой 18 коммутационного реле через первый стабилитрон 19 и первый балластный резистор 20. Пусковой релейный орган 14 содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост 21, входы которого соединены параллельно с входами первого выпрямительного моста 17, а выходы соединены с обмоткой 22 пускового реле через второй стабилитрон 23, второй балластный резистор 24 и третий балластный резистор 25, который зашунтирован первыми размыкающимися контактами 26 коммутационного реле. Обмотка 22 пускового реле зашунтирована конденсатором 27. К управляющим электродам первого 9 и второго 10 тиристоров и выводам коммутируемой секции 2 заземляющего резистора подключен модуль управляющего напряжения 13, содержащий электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов 28 пускового реле и вторых размыкающихся контактов 29 коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам обоих тиристоров. Кроме того, аноды первого 30 и второго 31 развязывающих диодов соединены с анодами одноименных тиристоров. К управляющему электроду первого тиристора 9 подключен катод первого развязывающего диода 30, анод которого соединен с катодом первого тиристора 9 и анодом второго тиристора 10. К управляющему электроду второго тиристора 10 подключен катод второго развязывающего диода 31, анод которого соединен с катодом второго тиристора 10 и анодом первого тиристора 9.
Устройство с одноступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора и последовательно-встречным включением тиристоров (фиг.2) содержит заземляющий трансформатор 1, имеющий пятистержневую конструкцию магнитопровода и обеспечивающий доступ к нейтрали контролируемой сети 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью, первичные обмотки которого соединены по схеме звезда с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и своими выводами соединены с заземляющим резистором, состоящим из трех секций - коммутируемых 2 и 32 и не коммутируемой 3, соединенных между собой последовательно. Первичные обмотки заземляющего трансформатора 1 подключены через выключатель 4 к контролируемой сети, питающей, в том числе, и высоковольтный электродвигатель 5, который подключен к этой сети через выключатель 6. Высоковольтный электродвигатель имеет статорные обмотки, соединенные в звезду, и снабжен блоком защиты 7 от однофазных замыканий на землю. Параллельно коммутируемым секциям 2 и 32 заземляющего резистора подключен коммутатор 8, состоящий из двух тиристоров - первого 9 и второго 10, соединенных между собой последовательно-встречно. Коммутируемые секции 2 и 32 заземляющего резистора имеют одинаковую величину сопротивления. Средний вывод коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора соединен с катодами обоих тиристоров. Секции 2, 3 и 32 заземляющего резистора через автоматический выключатель 16 подключены к вторичным обмоткам заземляющего трансформатора 1, соединенных по схеме разомкнутого треугольника. Коммутируемые секции 2 и 32 заземляющего резистора имеют один общий (средний) вывод и два крайних вывода. Первый крайний вывод принадлежит коммутируемой секции 2 и соединен с первым полюсом автоматического выключателя 16, а второй крайний вывод принадлежит первой коммутируемой секции 32 и соединен с вторым полюсом автоматического выключателя 16. Блок управления 11 содержит релейный модуль 12, модуль управляющего напряжения 13 и первый модуль управляющего напряжения 33. Выходы модуля управляющего напряжения 13 соединены с входами первого тиристора 9, выходы первого модуля управляющего напряжения 33 соединены с входами второго тиристора 10. Входами тиристоров являются их управляющие электроды, анод и катод, к которым подключаются цепи соответствующего модуля управляющего напряжения. Релейный модуль 12 содержит пусковой релейный орган 14 и коммутационный релейный орган 15. Входы пускового 14 и коммутационного 15 релейных органов соединены между собой и с вторичными обмотками заземляющего трансформатора 1 и являются входом блока управления 11. Модуль управляющего напряжения 13 содержит первый 30 и второй 31 развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов 28 пускового реле и вторых размыкающихся контактов 29 коммутационного реле, которая подключена к управляющему электроду первого тиристора 9 и аноду первого тиристора 9. Управляющий электрод первого тиристора 9 соединен с катодом первого 30 развязывающего диода, а анод первого развязывающего диода 30 соединен с катодами первого 9 и второго 10 тиристоров и со средним (общим) выводом коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора. Анод второго развязывающего диода 31 соединен с анодом первого тиристора 9 и с крайним выводом коммутируемой секции 2 заземляющего резистора. Первый модуль управляющего напряжения 33 содержит третий 34 и четвертый 35 развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных вторых замыкающихся контактов 36 пускового реле и третьих размыкающихся контактов 37 коммутационного реле, которая подключена к управляющему электроду второго тиристора 10 и через четвертый развязывающий диод 35 соединена с анодом второго тиристора 10. Катод третьего развязывающего диода 34 соединен с управляющим электродом второго тиристора 10, а анод соединен с катодами обоих тиристоров и со средним выводом коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора. Анод четвертого развязывающего диода 35 соединен с анодом второго тиристора 10. Коммутационный релейный орган 15 содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост 17, входы которого соединены с общими выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, а выходы соединены с обмоткой 18 коммутационного реле через первый стабилитрон 19 и первый балластный резистор 20. Пусковой релейный орган 14 содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост 21, входы которого соединены параллельно с входами первого выпрямительного моста 17, а выходы соединены с обмоткой 22 пускового реле через второй стабилитрон 23, второй балластный резистор 24 и третий балластный резистор 25, который зашунтирован первыми размыкающимися контактами 26 коммутационного реле. Обмотка 22 пускового реле зашунтирована конденсатором 27.
Устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью с двухступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора (фиг.3) содержит заземляющий трансформатор 1, имеющий пятистержневую конструкцию магнитопровода и обеспечивающий доступ к нейтрали контролируемой сети, первичные обмотки которого соединены по схеме звезда с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и своими выводами соединены с заземляющим резистором, который содержит три последовательно соединенные секции с различным сопротивлением. Две соседние секции 2 и 32 коммутируемые, а секция 3 является некоммутируемой. Первичные обмотки заземляющего трансформатора 1 подключены через выключатель 4 к контролируемой сети 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью, питающей, в том числе, и высоковольтный электродвигатель 5, который подключен к этой сети через свой выключатель 6. Высоковольтный электродвигатель 5 имеет статорные обмотки, соединенные в звезду, и снабжен блоком защиты 7 от однофазных замыканий на землю. Параллельно коммутируемой секции 2 подключен коммутатор 8, содержащий первый 9 и второй 10 тиристоры, которые соединены между собой параллельно-встречно. Параллельно первой коммутируемой секции 32 подключен первый коммутатор 38, содержащий третий 39 и четвертый 40 тиристоры, соединенные между собой параллельно-встречно. Коммутируемые секции 2 и 32 заземляющего резистора имеют один средий (общий) вывод и два крайних вывода. Первый крайний вывод принадлежит коммутируемой секции 2 и соединен с первым полюсом автоматического выключателя 16, а второй крайний вывод принадлежит первой коммутируемой секции 32 и соединен с первым выводом некоммутируемой секции 3, второй вывод которой соединен с вторым полюсом автоматического выключателя 16. Автоматический выключатель 16 снабжен релейной защитой от токовой перегрузки и от коротких замыканий. Коммутаторы 8 и 38 снабжены общим для них блоком управления 11, выходы которого подключены к входам соответствующего коммутатора, а вход соединен с вторичными обмотками заземляющего трансформатора 1. Блок управления 11 содержит модуль управляющего напряжения 13, первый модуль управляющего напряжения 33, а также релейный модуль 12. Релейный модуль 12, кроме пускового релейного органа 14 и коммутационного релейного органа 15, содержит первый коммутационный релейный орган 41. Вход коммутационного релейного органа 15 соединен с входом первого коммутационного релейного органа 41 и входом пускового релейного органа 14 и является входом блока управления 11, который соединен с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1. Модуль управляющего напряжения 13 содержит электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов 28 пускового реле и вторых размыкающихся контактов 29 коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам первого 9 и второго 10 тиристоров, образующих коммутатор 8. Модуль управляющего напряжения 13 содержит также первый 30 и второй 31 развязывающие диоды, катоды которых подключены к управляющим электродам соответственно первого 9 и второго 10 тиристоров, а аноды соединены с катодами соответствующих тиристоров, т.е анод первого развязывающего диода 30 соединен с катодом первого тиристора 9 и с общим выводом коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора, а анод второго развязывающего диода 31 соединен с катодом второго тиристора 10 и с крайним выводом коммутируемой секции 2 заземляющего резистора. Первый модуль управляющего напряжения 33 выполнен аналогично модулю управляющего напряжения 13 и содержит электрическую цепь из последовательно соединенных вторых замыкающихся контактов 36 пускового реле и первых размыкающихся контактов 37 первого коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам третьего 39 и четвертого 40 тиристоров. Кроме того, первый модуль управляющего напряжения 33 содержит третий 34 и четвертый 35 развязывающие диоды, катоды которых подключены к управляющим электродам соответственно третьего 39 и четвертого 40 тиристоров, а аноды соединены с катодами соответствующих тиристоров, т.е. анод третьего развязывающего диода 34 соединен с катодом третьего тиристора 39 и с анодом первого развязывающего диода 30, а также и со средним выводом коммутируемых секций 2 и 32, а анод четвертого развязывающего диода 35 соединен с катодом четвертого тиристора 40 и с крайним выводом первой коммутируемой секции 32 заземляющего резистора. Коммутационный релейный орган 15 содержит первый выпрямительный мост 17, входы которого соединены с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, а выходы соединены с обмоткой 18 коммутационного реле через первый стабилитрон 19 и первый балластный резистор 20. Пусковой релейный орган 14 содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост 21, входы которого соединены параллельно входам первого выпрямительного моста 17, а выходы подключены к обмотке 22 пускового реле через второй стабилитрон 23, второй балластный резистор 24, третий балластный резистор 25 и четвертый балластный резистор 42. Обмотка 22 пускового реле зашунтирована конденсатором 27, а третий балластный резистор 25 зашунтирован первыми размыкающимися контактами 26 коммутационного реле. Четвертый балластный резистор 42 пускового релейного органа зашунтирован вторыми размыкающимися контактами 43 первого коммутационного реле. Первый коммутационный релейный орган 41 содержит первое коммутационное реле и третий выпрямительный мост 44, входы которого соединены параллельно первому 17 и второму 21 выпрямительным мостам, а выходы подключены к обмотке 45 первого коммутационного реле через пятый 46 и шестой 47 балластные резисторы и третий стабилитрон 48. Шестой балластный резистор 47 зашунтирован третьими размыкающимися контактами 49 коммутационного реле.
Устройство защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью с одноступенчатым регулированием сопротивления заземляющего резистора и с модуляцией тока (фиг.4) содержит заземляющий трансформатор 1 с пятистержневой конструкцией магнитопровода, первичные обмотки которого соединены по схеме звезда с заземленной нейтралью. Вторичные обмотки заземляющего трансформатора 1 соединены по схеме разомкнутого треугольника и подключены к заземляющему резистору, состоящему из трех последовательно соединенных секций 2, 3 и 32. Две соседние секции 2 и 32 коммутируемые, а секция 3 некоммутируемая. Все секции заземляющего резистора имеют различные сопротивления. К контролируемой сети (шины 3-6-10-35 кВ) подключен высоковольтный электродвигатель 5 (или генератор) через свой выключатель 6, при этом выключатель электродвигателя снабжен блоком релейной защиты от однофазных замыканий на землю 7. Обмотки статора электродвигателя соединены в звезду. Параллельно коммутируемой секции 2 заземляющего резистора подключен коммутатор 8, состоящий из двух тиристоров - первого 9 и второго 10, соединенных между собой параллельно-встречно. Параллельно первой коммутируемой секции 32 заземляющего резистора подключен первый коммутатор 38, состоящий из двух тиристоров - ретьего 39 и четвертого 40, соединенных между собой параллельно-встречно. Коммутатор 8 снабжен блоком управления 11, который содержит согласующую цепь 51, модуль управляющего напряжения 13 и релейный модуль 12. Релейный модуль 12 содержит пусковой релейный орган 14 и коммутационный релейный орган 15. Выход блока управления 11 соединен с управляющим входом коммутатора 8, а вход блока управления 11 соединен с вторичными обмотками заземляющего трансформатора 1, причем входы первого коммутатора 38 соединены с одноименными выходами формирователя модулирующего сигнала 50 через согласующую цепь 51. Коммутируемые секции 2 и 32 заземляющего резистора имеют один средий (общий) вывод и два крайних вывода. Первый крайний вывод принадлежит коммутируемой секции 2 и соединен с первым полюсом автоматического выключателя 16, а второй крайний вывод принадлежит первой коммутируемой секции 32 и соединен с первым выводом некоммутируемой секции 3, второй вывод которой соединен с вторым полюсом автоматического выключателя 16. Вход формирователя модулирующего сигнала 50 соединен с входами коммутационного релейного органа 15, пускового релейного органа 14, а также с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора. Модуль управляющего напряжения 13 содержит первый 30 и второй 31 развязывающие диоды и электрическую цепь из последовательно соединенных первых замыкающихся контактов 28 пускового реле и вторых размыкающихся контактов 29 коммутационного реле, которая подключена к управляющим электродам первого 9 и второго 10 тиристоров коммутатора 8. К управляющему электроду первого тиристора 9 подключен катод первого развязывающего диода 30, анод которого соединен со средним (общим) выводом коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора. К управляющему электроду второго тиристора 10 подключен катод второго развязывающего диода 31, анод которого соединен с крайним выводом коммутируемой секции 2, а также с анодом первого 9 и катодом второго 10 тиристора. Согласующая цепь 51 содержит третий 34 и четвертый 35 развязывающие диоды, а также вторые 36 и третьи 52 замыкающиеся контакты пускового реле. Входы коммутационного релейного органа 12 и пускового релейного органа 14 соединены между собой и являются входом блока управления 11 и соединены с вторичными обмотками заземляющего трансформатора 1. Катод и управляющий электрод третьего тиристора 39 через вторые замыкающиеся контакты пускового реле 36 подключены к первому выходу формирователя модулирующего сигнала 50. Катод и управляющий электрод четвертого тиристора 40 через третьи замыкающиеся контакты 52 пускового реле подключены к второму выходу формирователя модулирующего сигнала 50. К управляющему электроду третьего тиристора 39 подключен катод третьего развязывающего диода 34, анод которого соединен со средним выводом коммутируемых секций 2 и 32 заземляющего резистора. К управляющему электроду четвертого тиристора 40 подключен катод четвертого развязывающего диода 35, анод которого подключен к аноду третьего 39 и катоду четвертого 40 тиристора. Коммутационный релейный орган 15 содержит коммутационное реле и первый выпрямительный мост 17, входы которого соединены с выводами вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, а выходы соединены с обмоткой 18 коммутационного реле через первый стабилитрон 19 и первый балластный резистор 20. Пусковой релейный орган 14 содержит пусковое реле и второй выпрямительный мост 21, входы которого соединены параллельно с входами первого выпрямительного моста 17, а выходы соединены с обмоткой 22 пускового реле через второй стабилитрон 23, второй балластный резистор 24 и третий балластный резистор 25, который зашунтирован первыми размыкающимися контактами 26 коммутационного реле. Обмотка 22 пускового реле зашунтирована конденсатором 27.
Устройство работает следующим образом.
Секции 2 и 3 заземляющего резистора (фиг.1), включенные в цепи вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, осуществляют ограничение внутренних перенапряжений в сети 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью, связанных с дуговыми однофазными замыканиями на землю за счет принудительного разряда емкостей линии. Включение заземляющего резистора в низковольтную ступень заземляющего трансформатора 1, имеющего пятистержневую конструкцию магнитопровода и заземленную нейтраль первичных обмоток, эквивалентно заземлению нейтрали высоковольтной сети через активное сопротивление. При переносе заземляющего резистора (сопротивления R) из нейтрали первичных обмоток трехфазного заземляющего трансформатора 1 в разомкнутый треугольник вторичных обмоток (сопротивление r) его значение определяется с учетом коэффициента трансформации заземляющего трансформатора 1 по формулам
где R - сопротивление заземляющего резистора при его размещении в нейтрали первичной обмотки заземляющего трансформатора 1; (но при этом разомкнутый треугольник вторичных обмоток замыкается наглухо);
С - суммарная фазная емкость сети [мкФ];
Кт - коэффициент трансформации трехфазного трансформатора 1,
U1, U2 - соответственно первичное и вторичное напряжение заземляющего трансформатора 1 (фазные).
Поскольку через секции 2 и 3 заземляющего резистора и разомкнутый треугольник вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 проходят токи нулевой последовательности, то магнитопровод трехфазного трансформатора 1 выполнен пятистержневым.
Внутренние перенапряжения в высоковольтных сетях 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью обусловлены режимом нейтрали сети и бывают двух видов:
- перенапряжения, связанные с металлическими замыканиями или замыканиями через переходные сопротивления (так называемые гальванические замыкания) однофазными замыканиями на землю и приводящие к увеличению фазных напряжений здоровых фаз (при металлическом замыкании) до уровня линейного (в √3 раз);
- перенапряжения, связанные с однофазными замыканиями на землю, сопровождающиеся перемежающейся дугой (дуговые или импульсные перенапряжения).
Увеличение напряжения неповрежденных фаз относительно земли в √3 раз при металлическом однофазном замыкании на землю в сети 3-35 кВ с изолированной нейтралью является нежелательным, но не представляет значительной опасности для изоляции электрооборудования сети, поскольку величина этих перенапряжений не выходит за рамки регламентированных испытательных напряжений.
Наиболее тяжелым видом перенапряжений в рассматриваемых сетях являются импульсные перенапряжения, обусловленные перемежающейся дугой в месте однофазного замыкания на землю. Опасность этих перенапряжений заключается в том, что их длительное действие приводит к возникновению интенсивных частичных разрядов, выделению озона, интенсифицирующего химическую деструкцию изоляционных материалов, а затем и к тепловому пробою изоляции электрооборудования. Это важно для состарившейся изоляции электрооборудования сетей и особенно важно для изоляции высоковольтных электродвигателей и генераторов, имеющих наименьший уровень изоляции.
При металлическом (глухом) заземлении нейтрали сети внутренние перенапряжения не возникают. Но при этом снижается надежность электроснабжения потребителей из-за необходимости отключения сети при однофазных замыканиях, поскольку у сети нейтраль глухо заземлена и токи однофазного замыкания на землю возрастают до уровня токов однофазного короткого замыкания. Для сохранения свойств сети с изолированной нейтралью, с точки зрения надежности электроснабжения, необходимо иметь величину сопротивления заземления нейтрали сети в пределах 1-6 кОм (для сети 6-10 кВ), что соответствует, при Кт=50-55, величине сопротивления заземляющего резистора r=1,6-9,6 Ом. При такой величине сопротивления заземляющего резистора для сети 10 кВ с емкостным током 1-5 А амплитуды импульсных перенапряжений не превышают 25 кВ, а фазные напряжения неповрежденных фаз не превышают 8-10 кВ, что соответствует стандартам на изоляцию электрических машин данного класса напряжения. По мере снижения величины сопротивления заземляющего резистора снижаются амплитуды импульсных перенапряжений и увеличиваются напряжения неповрежденных фаз относительно земли. Оптимальное значение сопротивления заземляющего резистора (по условиям ограничения дуговых перенапряжений и создаваемых в сети активных токов, а также устойчивости дугового замыкания) соответствует равенству емкостного и активного тока замыкания на землю в сети. Устойчивость горения дуги в месте замыкания на землю возрастает по мере увеличения кратности активного тока замыкания на землю, обусловленного включением в нейтрали сети (или в разомкнутом треугольнике) активного сопротивления. При увеличении устойчивости дуги снижается вероятность самоликвидации дугового замыкания. Поэтому в сети необходимо поддерживать такой ток замыкания на землю, при котором эффективно ограничиваются импульсные перенапряжения и дуга горит нестабильно. Этот режим соответствует примерному равенству активного и емкостного тока замыкания на землю. Кроме того, для ограничения масштаба повреждения при пробоях изоляции электрических машин необходимо поддерживать в сети минимально возможный ток замыкания на землю.
Однако для обеспечения требуемой чувствительности релейной защиты при однофазных замыканиях на землю необходимо иметь возможно больший ток замыкания на землю. Противоречивость требований к величине тока замыкания на землю устраняется лишь при целенаправленном изменении величины активного сопротивления в нейтрали сети (или в разомкнутом треугольнике заземляющего трансформатора 1).
Регулирование величины сопротивления заземляющего резистора в функции напряжения нулевой последовательности на разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 эквивалентно регулированию действующего значения тока через этот резистор. Эту функцию выполняет коммутатор 8. При естественной коммутации тиристоров 9 и 10 коммутатора 8 (фиг.1 последний состоит из двух встречновключенных тиристоров 9 и 10), управляющие электроды которых подключены к выходу блока управления 11.
При возникновении однофазного замыкания на землю в контролируемой сети на разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 появляется напряжение U0=3 U2, которое через автоматический выключатель 16 поступает на секции 2 и 3 заземляющего резистора и на вход блока управления 11 и, соответственно, на вход релейного модуля 12.
В случае металлического (глухого) замыкания на землю вблизи линейного вывода обмотки электродвигателя 5 напряжение на выводах вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 (на разомкнутом треугольнике) максимально и равно утроенному фазному значению. Момент срабатывания коммутационного реле опережает срабатывание пускового реле из-за шунтирования обмотки 22 пускового реле конденсатором 27. Вторые размыкающиеся контакты 29 коммутационного реле размыкаются раньше, чем замыкаются первые замыкающиеся контакты 28 пускового реле, и этим блокируется подача управляющего напряжения на управляющие электроды первого 9 и второго 10 тиристоров при максимальном напряжении нулевой последовательности в сети. В качестве управляющего напряжения тиристоров используется их анодное напряжение. Развязывающие диоды 30 и 31 выполняют функцию защиты тиристоров от обратного напряжения и обеспечивают подачу управляющего напряжения на управляющие электроды тиристоров необходимой полярности.
Напряжение на выводах вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 (т.е. напряжение на разомкнутом треугольнике) линейно уменьшается при перемещении точки замыкания на землю вдоль витков обмотки статора электродвигателя 5 (или генератора) и при замыкании вблизи нейтрали обмоток (в случае соединений обмоток в звезду) это напряжение равно нулю. Поэтому если точка замыкания на землю находится внутри обмотки между ее линейным выводом и нейтралью, то напряжение на входе релейного модуля 12 имеет промежуточное значение между максимальным и нулем, и при ее определенном заданном значении (равном напряжению возврата коммутационного реле) коммутационное реле возвращается в исходное состояние, замыкаются контакты 29 и подается управляющее напряжение на тиристоры 9 и 10, которые шунтируют секцию 2 заземляющего резистора. Напряжение срабатывания пускового реле выбирается не менее 0,3 от максимального и обусловлено наибольшей допустимой стандартами естественной несимметрией в сети, когда напряжение нулевой последовательности (напряжение смещения нейтрали сети) может достичь кратковременно значения 0,3 от фазного. Напряжение возврата коммутационного реле определяется желаемой величиной зоны охвата защитой обмоток статора электродвигателя 5. Следует заметить, что устройство выполняет свои функции и при соединении обмоток статора электродвигателя в треугольник. Но в этом случае ток замыкания на землю (и, соответственно, напряжение на разомкнутом треугольнике) достигает максимального значения при замыкании вблизи линейных выводов и половины максимального при замыкании в середине обмотки.
Изменение токов в контролируемой сети при однофазном замыкании на землю в зависимости от положения точки замыкания между нейтралью и линейным выводом обмотки статора электродвигателя (или генератора) иллюстрируется диаграммой фиг.5,
где Ic - первичный емкостной ток в сети;
IR - первичный ток, обусловленный включением сопротивления R в нейтраль сети (или включение сопротивления r в разомкнутом треугольнике заземляющего трансформатора 1, как это выполнено в схеме фиг.1):
IΣ - полный первичный ток замыкания на землю;
Iсз - первичный ток срабатывания защиты электродвигателя (или генератора) от замыкания на землю (т.е. ток срабатывания блока 7);
U1 - напряжение нулевой последовательности (первичное);
n0 - зона охвата защитой от замыкания на землю (зона охвата блока 7) витков обмотки статора электродвигателя (генератора) при отсутствии регулирования сопротивления заземляющего резистора;
n1 - зона охвата защитой при одноступенчатом регулировании сопротивления заземляющего резистора.
Зона охвата защитой от замыкания на землю витков обмотки электродвигателя с соединением обмоток в звезду определяется из соотношения n=1-Iсз/IΣ при условии, что сопротивление заземляющего резистора, а также емкостное сопротивление сети являются линейными (условие выполнимо в реальных сетях рассматриваемого класса напряжения, а также из-за использования соответствующего материала для изготовления заземляющего резистора).
На диаграмме фиг.5 момент коммутации секции 2 заземляющего резистора соответствует точке А, когда происходит скачкообразное увеличение первичного тока замыкания на землю из-за скачкообразного увеличения тока через заземляющий резистор. Точка В соответствует моменту срабатывания пускового реле. Таким образом, при коммутации секции 2 заземляющего резистора зона охвата защитой увеличивается от n0 до n1.
Без регулирования сопротивления заземляющего резистора получить зону охвата защитой величиной n1 возможно лишь при существенном увеличении активного тока и, соответственно, полного тока замыкания на землю (точка С на диаграмме фиг.5), что крайне нежелательно из-за увеличения масштабов повреждения обмоток и активной стали электродвигателей (или генераторов), подключенных к данной сети, увеличения стабильности горения дуги и снижения вероятности самоликвидации дугового замыкания на землю.
На фиг.6 приведена полная диаграмма изменения параметров устройства и токов в контролируемой сети для конкретных значений первичных токов, коэффициента трансформации заземляющего трансформатора и сопротивлений секций заземляющего резистора (диаграмма приведена для сети 10 кВ, коэффициент трансформации заземляющего трансформатора равен 51). В первом квадранте показано фактическое изменение полного первичного тока замыкания на землю IΣ и емкостного тока Iс сети в функции положения на обмотке точки замыкания на землю (или, что равнозначно, первичному напряжению нулевой последовательности U1). Во втором квадранте отражено изменение первичного активного тока замыкания на землю, обусловленного подключением заземляющего резистора в функции U1. Нижняя часть диаграммы (III и IV квадранты) отражает изменение электрических параметров на вторичной стороне заземляющего трансформатора 1. В третьем квадранте приведено изменение тока через секции 2 и 3 резисторной установки Ir (т.е. вторичного тока заземляющего трансформатора 1) при изменении напряжения на разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1, U0. В четвертом квадранте приведено изменение сопротивления заземляющего резистора r и активной мощности Р, потребляемой заземляющим резистором.
Первичные и вторичные токи связаны между собой через коэффициент трансформации заземляющего трансформатора через соотношения
Увеличение зоны охвата защитой позволяет блоку защиты 7 выявить пробои изоляции обмоток электродвигателя 5 с высокой чувствительностью и воздействовать на отключение его выключателя 6. Автоматический выключатель 16 на вторичной стороне заземляющего трансформатора 1 выполняет коммутационные функции и функции защиты оборудования на низковольтной стороне трансформатора от чрезвычайно редких видов повреждения - короткие замыкания в заземляющем резисторе и одновременно с этим однофазное замыкание на землю в сети. Для защиты от поражения электрическим током вторичная обмотка заземляющего трансформатора 1 (один из выводов его обмотки) заземлена.
Расчет и выбор тока срабатывания блока защиты 7 производится по известным в литературе соотношениям (например, В.И.Когородский и др. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М., Энергоиздат, 1987, стр.214-220) с учетом возросшего тока однофазного замыкания на землю из-за включения резистора в нейтрали сети.
Параметры срабатывания и возврата коммутационного релейного органа 15 подбираются с помощью сопротивления первого балластного резистора 20 и выбора напряжения стабилизации первого стабилитрона 19. При этом коэффициент возврата коммутационного реле должен быть в пределах 0,8-0,9. Аналогично выбирается напряжение срабатывания пускового релейного органа 14, для которого коэффициент возврата также должен быть в пределах 0,8-0,9. Для обеспечения термической стойкости обмотки 22 пускового реле третий балластный резистор 25 зашунтирован первыми размыкающимися контактами 26 первого коммутационного реле.
Напряжение срабатывания пускового реле выбирается равным 0,3 от максимального напряжения на разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1. Следовательно, когда напряжение на разомкнутом треугольнике изменяется от 0 до 0,3 максимального, пусковое реле не срабатывает и коммутатор 8 не шунтирует секцию 2 заземляющего резистора. Ток через заземляющий резистор (следовательно, и первичный активный ток в сети) определяется суммарным сопротивлением секций 2 и 3 заземляющего резистора. Этот режим на диаграмме фиг.5 и 6 соответствует участку характеристики 0-В.
На участке ВА (фиг.5 и 6) напряжение срабатывания пускового реле определяется величиной сопротивления второго балластного резистора 24 и напряжением стабилизации стабилитрона 23. После срабатывания пускового реле на участке ВА коммутационное реле не срабатывает и управляющее напряжение подается на коммутатор 8, который шунтирует секцию 2 заземляющего резистора.
После срабатывания коммутационного реле (точка А на фиг.5 и фиг.6) дешунтируется третий балластный резистор 25 и последовательно с обмоткой 22 остаются включенными резисторы 24 и 25, и этим обеспечивается термическая стойкость обмотки 22.
В схеме одноступенчатым регулированием заземляющего сопротивления и встречно-последовательным включением тиристоров (фиг.2) через секции 2 и 32 попеременно проходит только одна полуволна вторичного тока заземляющего трансформатора 1. Секции 2 и 32 имеют одинаковое значение сопротивления, поэтому при их коммутации тиристорами 9 и 10 не образуется асимметрия синусоиды вторичного тока и магнитного потока в магнитопроводе заземляющего трансформатора 1. В схеме фиг.2 вторичный ток протекает по всем секциям (2, 3 и 32) заземляющего резистора и все секции заземляющего резистора участвуют в ограничении тока замыкания на землю в сети. В коммутируемых секциях ток в два раза меньше, чем в некоммутируемой, за счет соответствующего выполнения схемы коммутатора. Работа блока управления 11 при коммутации секций 2 и 32 аналогична схеме фиг.1. В схеме фиг.2 выбираются одинаковыми с фиг.1 параметры срабатывания пускового 14 и коммутационного 15 релейных органов. Алгоритм работы устройства по схеме фиг.2 аналогичен алгоритму работы схемы фиг.1.
При двухступенчатом (фиг.3) регулировании сопротивления заземляющего резистора его секции 2 и 32 имеют различные сопротивления, которые определяются исходя из желаемой величины зоны охвата защиты. Сопротивления секций резисторной установки определяются из следующих соотношений, которые вытекают из диаграмм фиг.5 и 6. Общее (суммарное) сопротивление заземляющего резистора определяется по формуле
Сопротивления секций заземляющего резистора равны
Запуск коммутаторов 8 и 38 производится в момент срабатывания пускового релейного органа 14, напряжение срабатывания которого равно 0,3 от максимального (как и для схем фиг.1 и 2).
В этом случае секции 2 и 32 зашунтированы и в работе остается только секция 3. Этот режим сохраняется до того момента, когда напряжение на разомкнутом треугольнике (т.е. в этом случае точка замыкания на землю приближается к линейному выводу обмотки электродвигателя 5) не достигает значения, при котором срабатывает коммутационный релейный орган 15 и размыкаются его контакты 29, 49 и 26. При этом коммутатор 8 дешунтирует секцию 2 заземляющего резистора и в работе находятся секции 3 и 2, а секция 32 продолжает быть шунтированной первым коммутатором 38. Когда напряжение на разомкнутом треугольнике заземляющего трансформатора 1 близко к максимальному (т.е. место замыкания на землю находится вблизи линейного вывода обмотки статора электродвигателя 5), срабатывает первый коммутационный релейный орган 41 и размыкаются контакты 37 и 43. При этом управляющее напряжение не поступает на тиристоры 39 и 40 и секция 32 дешунтируется. В работе находятся все секции (2, 3 и 32) заземляющего резистора.
Параметры срабатывания обоих коммутационных реле и пускового реле выбираются аналогично схемам фиг.1 и 2. Контакты 26, 49 и 43 обеспечивают термическую стойкость обмоток 22 и 45 соответствующих реле.
Устройство осуществляет ограничение дуговых импульсных перенапряжений, связанных с возникновением однофазных замыканий на землю во всей сети (а не только в обмотке высоковольтного электродвигателя или генератора), поэтому в случае отсутствия релейной защиты на всех присоединениях данной сети заземляющий резистор должен иметь термическую стойкость на всем протяжении существования этого замыкания. Кроме того, снижение напряжения нулевой последовательности (соответственно напряжение U0 на разомкнутом треугольнике) возможно и при замыкании на землю через переходное сопротивление или замыкании в обмотках трансформаторов, подключенных к данной сети. Во всех этих случаях устройство обеспечивает коммутацию секций заземляющего резистора и поддержание в сети заданного тока замыкания на землю, не допуская при этом неконтролируемого его роста, и этим обеспечивается надежное срабатывание устройств релейной защиты от замыкания на землю (блока 7).
Поскольку обмотка 22 пускового реле зашунтирована конденсатором 27, то срабатывание коммутационных релейных органов 15 и 41 при максимальном напряжении на разомкнутом треугольнике заземляющего трансформатора всегда опережает срабатывание пускового релейного органа 14. Этот алгоритм исключает кратковременное шунтирование одной из секций (2 или 32) заземляющего резистора при максимальном напряжении нулевой последовательности в сети и появлении в сети кратковременных бросков активного тока замыкания на землю. Такая последовательность срабатывания релейных органов обеспечивается и в схемах фиг.1 и 2 за счет шунтирования конденсатором 27 обмоток 22 пускового реле.
Параллельное включение коммутаторов 8 и 38 к секциям 2 и 32 заземляющего резистора позволяет иметь в разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 какое-то сопротивление, независимо от состояния тиристоров коммутаторов. Это означает, что устройство выполняет свои функции ограничения дуговых перенапряжений всегда, независимо от работы блока управления 11 и коммутаторов. Иначе обстоит дело при последовательном включении коммутаторов (т.е. когда коммутатор включается последовательно с заземляющим резистором), тогда любой отказ в работе блока управления 11 или тиристоров коммутаторов приводит к отказу всего устройства. Аналогичный положительный результат достигается и в схемах с одноступенчатым регулированием сопротивления (фиг.1 и 2), где при любом состоянии тиристоров коммутаторов или блока управления в работе всегда остается одна из секций заземляющего резистора.
В качестве управляющего напряжения для запуска тиристоров коммутаторов (фиг.1, 2, 3) используется анодное напряжение тиристоров, поэтому коммутация тока через заземляющий резистор тиристорами происходит с углом коммутации, равным нулю (или близко к нулю). Это позволяет исключить появление крутых фронтов во вторичном напряжении и токе заземляющего трансформатора 1, что исключает появление высших гармоник в первичном токе, вызванных работой тиристоров коммутатора, которые могут влиять на работу релейных защит, поэтому не требуется применение сглаживающих конденсаторов в разомкнутом треугольнике вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1.
В схеме фиг.4 используется модуляция активной составляющей тока замыкания на землю с частотой модуляции 25 или 12,5 Гц, т.е кратной частоте напряжения в контролируемой сети. С этой целью используется формирователь модулирующего сигнала 50, который управляет первым коммутатором 38, шунтирующего секцию 32 заземляющего резистора. Начало процесса модуляции тока начинается после срабатывания пускового релейного органа 14, когда напряжение нулевой последовательности превышает 0,3 от максимального. Относительная глубина модуляции активной составляющей тока замыкания на землю определяется величиной сопротивления секции 32 заземляющего резистора. При этом в схеме фиг.4 используется лишь одна ступень регулирования сопротивления (секция 2 заземляющего резистора коммутируется коммутатором 8), и работа блока управления 11 по коммутации секции 2 аналогична схемам фиг.1-3.
Выключатель 4 во всех схемах (фиг.1-4) выполняет функции коммутации заземляющего трансформатора по высоковольтной стороне. Выключатель снабжен токовыми защитами, включая защитой при однофазных замыканиях на землю.
Использование модулирующего сигнала с частотой 25 или 12,5 Гц (т.е. частота модуляции меньше частоты сети и кратно ей) обусловлено тем, что в токе замыкания на землю доминируют высшие гармонические (с частотой более 50 Гц), и используемые устройства релейной защиты от замыкания на землю в этом случае не требует отстройки от высших гармоник в токе замыкания на землю. Выделение сигнала с частотой модуляции (25 или 12,5 Гц) в полосовом фильтре блока защиты 7, которым снабжается выключатель 6, может быть осуществлено простейшими средствами, поскольку в токе замыкания на землю практически отсутствуют составляющие с частотой модуляции (меньше 50 Гц). Кроме того, возможна перенастройка полосовых фильтров на частоту модуляции уже существующих в сети релейных защит. Подключение модулирующего сигнала к управляющим электродам тиристоров 39 и 40 осуществляется через замыкающиеся контакты 36 и 52 пускового реле, и модуляция вторичного тока заземляющего трансформатора 1 (и, следовательно, тока замыкания на землю в контролируемой сети) происходит независимо от того, включен или отключен коммутатор 8. Подача напряжения с разомкнутого треугольника заземляющего трансформатора 1 на вход формирователя модулирующего сигнала 50 позволяет обеспечить синхронизацию управляющих сигналов на управляющие электроды тиристоров 39 и 40, а также позволяет выбирать величину напряжения нулевой последовательности (или степень несимметрии сети), при котором будет введена модуляция.
Формирователь модулирующего сигнала 50 осуществляет формирование сигнала с частотой модуляции (25 или 12,5 Гц) из напряжения нулевой последовательности, поступающего от разомкнутого треугольника вторичных обмоток заземляющего трансформатора 1 на его вход. По существу алгоритм работы блока 50 состоит в том, чтобы после срабатывания пускового релейного органа 14, когда напряжение на разомкнутом треугольнике превышает 0,3 максимального, управляющие электроды третьего 39 и четвертого 40 тиристоров были соединены электрически между собой с частотой модуляции. При этом угол коммутации тиристоров не должен существенно отличаться от нуля. Реализация делителя частоты напряжения сети (50 Гц) с коэффициентом деления 2 (для получения модулирующего сигнала с частотой модуляции 25) или 4 (для частоты модуляции 12,5 Гц) может быть осуществлена с помощью известных схем делителей частоты из синусоидального напряжения промышленной частоты. Выбор частоты модуляции и глубины модуляции осуществляется исходя из параметров сети (величины емкостного тока), а также с учетом требуемой чувствительности релейной защиты и требуемой величины зоны охвата защитой обмоток электрических машин. Рекомендуемая величина зоны охвата защитой при высокоомном заземлении нейтрали сети (т.е. диапазон сопротивления в нейтрали сети с учетом коэффициента трансформации заземляющего трансформатора составляет 1-3 кОм) составляет около 70%.
Все рассматриваемые варианты схем особенно эффективны в сетях с малыми емкостными токами замыкания на землю (1-5 А), когда необходимо иметь высокую чувствительность (в смысле защитоспособности) релейных защит от замыкания на землю высоковольтных электрических машин и для того, чтобы обеспечить максимальную зону охвата этой защитой при поддержании в сети минимально возможного тока замыкания на землю. Это позволяет не только повысить надежность работы изоляции всей контролируемой сети, но и существенно ограничить масштаб повреждений электрооборудования при возникновении замыканий на землю и обеспечить в контролируемой сети режим самоликвидации неустойчивых дуговых замыканий на землю.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ (ВАРИАНТЫ) | 2003 |
|
RU2260891C2 |
| СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С РЕЗИСТИВНО-ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2008 |
|
RU2352044C1 |
| Регулятор температуры | 1991 |
|
SU1827668A1 |
| Устройство для защитного отключения электроустановки с зануляющей магистралью, подключенной к защитной магистрали распредпункта | 1980 |
|
SU982135A1 |
| ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА | 1990 |
|
RU2015625C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИМИСТОРОМ | 1991 |
|
RU2028025C1 |
| Контактор переменного тока с бездуговой коммутацией | 1983 |
|
SU1128299A1 |
| Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от анормальных режимов | 1982 |
|
SU1129693A1 |
| СЕТЬ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ | 1988 |
|
RU2025911C1 |
| Трехфазный синхронный выключатель | 1983 |
|
SU1138849A1 |
Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в электрических сетях напряжением 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью. Техническим результатом является эффективное ограничение импульсных дуговых перенапряжений при замыканиях на землю и поддержание в сети минимально возможного тока замыкания на землю и режима самоликвидации дугового замыкания, увеличение защитоспособности устройств релейной защиты от замыканий на землю. В устройстве защиты от внутренних перенапряжений трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью заземляющий резистор выполнен секционированным и содержит две последовательно соединенные коммутируемую и некоммутируемую секции. Параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора подключен коммутатор с блоком управления, двумя параллельно соединенными и встречновключенными тиристорами. По другому варианту заземляющий резистор содержит последовательно соединенные секции, имеющие одинаковое сопротивление, одна из которых некоммутируемая. Параллельно коммутируемым секциям подключен коммутатор из двух последовательно соединенных и встречновключенных тиристора. Первый тиристор коммутатора подключен параллельно коммутируемой секции заземляющего резистора. Второй тиристор коммутатора подключен параллельно первой коммутируемой секции. Катоды обоих тиристоров соединены со средним выводом коммутируемых секций заземляющего резистора. Коммутатор снабжен блоком управления, который содержит релейный модуль, модуль управляющего напряжения и первый модуль управляющего напряжения. Кроме того, резистор может содержат три последовательно соединенные секции с различным сопротивлением, причем одна из них некоммутируемая. 4 н. и 4 з.п. ф-лы. 6 ил.
| Электричество | |||
| Прибор для охлаждения жидкостей в зимнее время | 1921 |
|
SU1994A1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ НА ЗЕМЛЮ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ | 1999 |
|
RU2156531C1 |
| RU 94029858 А1, 10.06.1996 | |||
| SU 1834600 А1, 20.06.1996 | |||
| Устройство для защиты и регистрации внутренних перенапряжений в электрической сети | 1986 |
|
SU1403191A1 |
| 0 |
|
SU319989A1 | |
| US 4455586 А1, 19.06.1984 | |||
| Устройство для контроля сопротивления изоляции сетей постоянного тока | 1976 |
|
SU561149A1 |
