СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ Российский патент 2008 года по МПК H02H9/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трехфазных сетях средних и низких классов напряжений, например в судовых и других автономных электросистемах, в распределительных сетях с различным характером потребителей.

Известен способ уменьшения перенапряжений в сетях с компенсацией емкостных токов (Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Евдокунин Г.А., Гудилин С. В., Корепанов А.А. Электричество №12, 1998, с.12), возникающих из-за биений вследствие расстройки дугогасящего реактора. Он заключается в применении высокоомного резистора R_N, включаемого параллельно дугогасящему реактору и выбираемого по соотношению

где U_Ф - фазное напряжение сети;

I_Р - ток реактора;

I_С - емкостная составляющая тока однофазного замыкания на землю.

Недостатком способа является то, что он направлен не на ограничение собственно дуговых перенапряжений, а на прекращение биений напряжений на фазах после погасания дуги. Биения напряжений в контуре нулевой последовательности происходят достаточно редко и в теориях дуговых перенапряжений не учитываются, поскольку в них рассматриваются переходные процессы, вызываемые зажиганием и гашением заземляющей дуги. Согласно имеющимся теориям уровень дуговых перенапряжений определяется, прежде всего, особенностями процесса гашения заземляющей дуги, а не биениями. Недостатком указанного способа защиты от перенапряжений является также значительное увеличение суммарного тока однофазного замыкания на землю за счет наложения активного тока, протекающего через присоединяемый резистор, на реактивный ток, имеющий место при расстройке реактора. Величина активной составляющей тока резистора с сопротивлением, определяемым по соотношению (1), может многократно увеличивать суммарный ток однофазного замыкания на землю и способствовать поддержанию устойчивого горения заземляющей дуги вместо ее надежного гашения. В целом, в данном способе проявляется противоречие между величиной тока однофазного замыкания и уровнем дуговых перенапряжений, характерное для всех способов управления эксплуатационными свойствами контуров нулевой последовательности трехфазных сетей. Оно сводится к тому, что ограничение перенапряжений обычно достигается ценой увеличения токов замыкания на землю и, наоборот, уменьшение тока сопровождается увеличением перенапряжений. Недостатком способа является также и то, что его применение исключает возможность контроля изоляции в электросистемах методом измерения сопротивления изоляции, получившим очень широкое распространение в сетях низких классов напряжений.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, реализованный в устройстве для защиты от перенапряжений в сетях 6-35 кВ с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (авторское свидетельство СССР №1427469, МПК Н02Н 9/08, опубликовано 30.09.88.). В нем предложено для защиты от перенапряжений, возникающих при повторных замыканиях дуги, переводить контур нулевой последовательности из колебательного процесса в процесс апериодического разряда фазных емкостей. Способ предусматривает автоматическое включение резистора параллельно дугогасящему реактору в тех случаях, когда в сети возникают однофазные замыкания на землю. Включение резистора выполняется с помощью коммутатора, срабатывающего под действием управляющего импульса от блока управления. Формирование импульса происходит при помощи блока выбора поврежденной фазы и подачи напряжения этой фазы на пороговый блок, который срабатывает при превышении этого напряжения над фазным напряжением. В результате происходит включение коммутатора. Резистор, включаемый коммутатором в цепь тока нулевой последовательности, снижает напряжение на нейтрали до нуля, а напряжения на фазах сети становятся равными фазным. В этом случае условий для возникновения максимальных перенапряжений не образуется. После перехода тока в коммутаторе через нуль резистор отключается, и схема находится в исходном состоянии до следующего зажигания дуги.

Недостатком способа является то, что он не обеспечивает надежности и безопасности функционирования электросистемы. Действительно, использование в нем изменяемого режима нейтрали обычно не позволяет обеспечить удовлетворительное функционирование сети при возникновении замыкания через перемежающую заземляющую дугу. Известно, что в этом режиме за один период промышленной частоты происходит до 10-15 и более циклов зажигания и гашения дуги. При этом автоматическое присоединение резистора параллельно дугогасящему реактору может оказаться невозможным из-за инерционности коммутатора и блоков управления. Кроме того, при каждом включении и отключении резистора в контуре нулевой последовательности будут возникать переходные процессы, которые в каждом случае срабатывания устройства могут сильно искажать форму кривой напряжения и привести к ложным срабатываниям устройств автоматики и релейной защиты. Недостатки способа связаны также с тем, что уменьшение перенапряжения посредством перевода контура нулевой последовательности из колебательного процесса в апериодический, приведет не менее чем к двукратному увеличению общего тока однофазного замыкания на землю по сравнению с чисто емкостным током без учета компенсирующего действия реактора. Подобное увеличение тока объясняется тем, что для перевода контура нулевой последовательности к апериодическому переходному процессу требуется использование резистора со сравнительно низким сопротивлением. В результате после срабатывания устройства заземляющая дуга окажется более мощной и устойчивой не только по сравнению с режимом компенсации емкостных токов замыканий на землю, но и по сравнению с режимом изолированной нейтрали (без компенсации). Таким образом, в данном случае, защита от перенапряжений достигается ценой увеличения тока однофазного замыкания на землю, что снижает безопасность электросистемы. Кроме того, недостатком способа является его несовместимость с сетевыми средствами контроля изоляции, основанными на измерении ее сопротивления.

Задача изобретения заключается в повышении надежности электросети за счет снижения дуговых перенапряжений, обеспечения более высокого уровня надежности устройств заземления нейтрали и сохранения возможности контроля изоляции методом измерения ее сопротивления по отношению к земле, а также в повышении безопасности электросети за счет уменьшения в ней тока однофазного замыкания.

Для решения поставленной задачи в известном способе защиты от перенапряжений в сети с компенсированной нейтралью, включающем соединение сети с землей через включенные параллельно друг другу реактор и резистор, предлагается к фазам сети по схеме звезды подключить конденсаторы, а их общую точку соединить через резистор и реактор с землей, при этом предлагается индуктивную проводимость реактора на промышленной частоте b_P выбирать из условия b_P=(0,86÷0,9)b_C, где b_C - совокупная емкостная проводимость на промышленной частоте трех фаз сети по отношению к земле, емкостную проводимость конденсаторов b_K предлагается устанавливать в соответствии с условием b_K=(2,3÷2,9)b_P, а величину активной проводимости заземляющего резистора g_P выбирать из диапазона g_P=(0,057÷0,078)b_P.

В предлагаемом способе достигается возможность управлять поведением дуги при однофазном замыкании на землю. Согласно известным теориям дуговых перенапряжений их максимальная кратность определяется моментом гашения дуги. В связи с этим для ограничения перенапряжений параметры устройства заземления следует подобрать такими, чтобы поведение дуги соответствовало теории Петерса - Слепяна. В этом случае происходит гашение заземляющей дуги при переходе мгновенного значения принужденной составляющей тока дуги через ноль, что обеспечивает самый низкий уровень максимальных перенапряжений. Опытным путем установлено, что для этого величина активной проводимости заземляющего резистора g_P должна составлять g_P=(0,057÷0,078)b_P, где b_P - индуктивная проводимость реактора на промышленной частоте. Емкостная проводимость конденсаторов b_K должна быть связана с индуктивной проводимостью реактора следующей зависимостью: b_K=(2,3÷2,9)b_P. Проводимость реактора b_P выбирается из условия резонансной настройки с общей емкостью сети, что позволяет снизить ток однофазного замыкания. К тому же использование конденсаторов позволяет осуществлять контроль изоляции методом измерения ее сопротивления.

На прилагаемых к заявке чертежах изображены:

на фиг.1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ ограничения перенапряжения в электросетях;

на фиг.2 - графики зависимостей напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу от величины фазной емкости сети при различных величинах проводимости резистора 4;

на фиг.3 - график зависимости тока однофазного замыкания на землю от величины фазной емкости сети при различных величинах проводимости резистора 4.

На прилагаемых чертежах приняты следующие обозначения: 1 - конденсаторы; 2 - нейтральная точка сети; 3 - реактор; 4 - резистор; 5 - фазные емкости сети; 6 - график зависимости напряжения смещения нейтрали от величины фазной емкости при проводимости резистора больше 0,078b_P; 7 - график зависимости напряжения смещения нейтрали от величины фазной емкости при проводимости резистора, установленной в диапазоне (0,057÷0,078)b_P; 8 - график зависимости напряжения смещения нейтрали от величины фазной емкости при проводимости резистора меньше 0,057b_P; 9 - график зависимости напряжения смещения нейтрали от величины фазной емкости без резистора; 10 - график зависимости тока однофазного замыкания от величины фазной емкости при проводимости резистора больше 0,078b_P; 11 - график зависимости тока однофазного замыкания от величины фазной емкости при проводимости резистора, установленной в диапазоне (0,057÷0,078)b_P; 12 - график зависимости тока однофазного замыкания от величины фазной емкости при проводимости резистора меньше 0,057b_P; 13 - график зависимости тока однофазного замыкания от величины фазной емкости при отсутствии резистора.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего способ. Устройство состоит из конденсаторов 1, образующих нейтральную точку сети 2, реактора 3, резистора 4, параметры устройства выбираются в зависимости от величины фазной емкости сети 5.

Для управления поведением дуги одновременно с резистором 4 используются конденсаторы 1. Индуктивную проводимость реактора 3 настраивают на компенсацию емкостной составляющей тока однофазного замыкания.

Для определения параметров резистора 4 и конденсаторов 1, позволяющих снизить максимальные перенапряжения, проводились эксперименты на физической модели электросети с реальной заземляющей дугой. Модель состояла из питающего трансформатора, устройства заземления нейтрали и конденсаторов, моделирующих фазную емкость сети. В ходе экспериментов создавалось неустойчивое замыкание одной из фаз на землю, в результате чего возникало смещение нейтрали по постоянному потенциалу. Величина напряжения смещения нейтрали позволяет рассчитать перенапряжения на здоровых фазах. Она каждый раз фиксировалась осциллографом. В каждой точке регистрировалось по 500 значений напряжения смещения нейтрали. Всего для различных величин фазной емкости при разных соотношениях параметров заземляющего устройства было зафиксировано свыше 55 тысяч значений напряжения смещения нейтрали. Максимальные кратности напряжения смещения нейтрали, полученные в ходе этих экспериментов, указаны в таблице. Из таблицы видно, что напряжение смещения нейтрали при проводимости резистора g_P, совпадающей с диапазоном (0,057÷0,078)b_P, ни разу не превысило 0,8U_ФМ, где U_ФМ - амплитуда фазного напряжения. В то время как при других величинах проводимости резистора возникали смещения нейтрали, достигающие значений 5U_ФМ.

Результаты экспериментов отражены на фиг.2, где видно, что ограничение перенапряжения в широком диапазоне емкостей (2-58)мкФ достигается только при проводимости резистора, совпадающей с указанным диапазоном проводимостей (кривая 7), а уже при проводимостях, больших 0,078b_P (кривая 6) и меньших 0,057b_P (кривая 8), возможны высокие перенапряжения по величине, близкие к перенапряжениям в режиме резонансно-заземленной нейтрали (кривая 9).

При проводимости резистора (0,057÷0,078)b_P кроме ограничения перенапряжений удается снизить ток однофазного замыкания. Зависимость тока однофазного замыкания от емкости показана на фиг.3. По сравнению с режимом компенсированной нейтрали (кривая 13) включение параллельно дугогасящему реактору резистора с проводимостью, равной (0,057÷0,078)b_P (кривая 11), большей 0,078b_P (кривая 10) и меньшей 0,057b_P (кривая 12), вызывает увеличение тока однофазного замыкания не более чем на 0,14 А.

Конкретный пример реализации способа

Для сети напряжением U=230B со средней фазной емкостью С_Ф=8 мкФ. Реализация способа заключается в том, что собирается схема, приведенная на фиг.1. Параметры схемы определяются следующим образом.

Совокупная емкостная проводимость сети

b_С=3·314·С_Ф=3·314·8·10^-6=0,0075 См.

Индуктивная проводимость реактора

b_Р=(0,86÷0,9)b_С=(0,86÷0,9)·0,0075=(6,45÷6,75)·10^-3 См.

Принимается, что проводимость равна 6,5·10^-3 См.

Емкостную проводимость конденсаторов выбирают по условию

b_K=(2,3÷2,9)b_P=(2,3÷2,9)6,5·10^-3=(0,016÷0,02) См.

Следовательно, емкость разделительных конденсаторов находится в диапазоне (55÷70)мкФ. Из ряда номинальных значений выбирают емкость устанавливаемых конденсаторов. Например, устанавливают по 10 конденсаторов емкостью 6 мкФ на каждую фазу, или же 3 конденсатора емкостью по 20 мкФ.

Далее определяется проводимость резистора

g_P=(0,057÷0,078)b_P=(0,057÷0,078)0,0065=(0,00038÷0,00053) См.

Следовательно, сопротивление резистора выбирается из ряда номинальных значений в диапазоне (1899÷2599) Ом. Таким образом, устанавливается последовательно два резистора с общим сопротивлением 2 кОм.

В результате реализации способа, за счет резонансной настройки реактора, снижаются токи однофазных замыканий, то есть повышается безопасность сети, при этом, как показали экспериментальные исследования, одновременно достигается ограничение перенапряжений, что повышает надежность электрооборудования.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности электросети. Способ заключается в том, что к фазам сети подключают три конденсатора по схеме звезды. Общую точку конденсаторов заземляют через параллельно включенные резистор и реактор. При этом параметры конденсаторов, резистора и реактора выбирают из условия обеспечения гашения дуги при переходе принужденной составляющей тока замыкания через нуль, что обеспечивает наименьшие кратности перенапряжений. 3 ил., 1 табл.

Способ ограничения перенапряжений в электросетях, включающий соединение сети с землей через включенные параллельно друг другу реактор и резистор, отличающийся тем, что к фазам сети по схеме звезда подключают конденсаторы, а их общую точку соединяют через резистор и реактор с землей, при этом индуктивную проводимость реактора на промышленной частоте b_P выбирают из условия b_P=(0,86÷0,9)b_C, где b_C - совокупная емкостная проводимость на промышленной частоте трех фаз сети по отношению к земле, емкостную проводимость конденсаторов b_K устанавливают в соответствии с условием b_K=(2,3÷2,9)b_P, а величину активной проводимости заземляющего резистора g_P выбирают из диапазона g_P=(0,057÷0,078)b_P.