СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕКОНТРОЛИРУЕМОЙ НЕСИММЕТРИИ ФАЗНЫХ ЕМКОСТЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ПО ОТНОШЕНИЮ К КОРПУСУ Российский патент 2021 года по МПК H02H9/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для одновременного снижения токов при однофазных замыканиях на землю, уровня перенапряжений, а также тока нулевой последовательности в нормальном режиме в электросетях с несимметричными значениями фазных емкостей.

Известен способ компенсации тока однофазного замыкания [Брунав Я.П. Судовые электрические сети / Я.П. Брунав, Ю.Г. Татьянченко. - Л., «Судостроение». - 1982. - 231 с, с. 138, рис. 4.1], который заключается в заземлении нейтрали через реактор с последовательно включенными конденсаторами, соединенными в звезду.

Способ основан на том, что при однофазных замыканиях создается индуктивный ток реактора. Он компенсирует емкостной ток в месте замыкания фазы на землю, обусловленный фазными емкостями неповрежденных фаз сети. В результате наложения этих токов их суммарная величина снижается до безопасного значения.

Недостаток описанного выше способа заключается в том, что защитный эффект в полной мере достигается только при симметричных значениях фазных емкостей электросети. Известно, что для его получения индуктивность реактора должна быть настроена в резонанс с фазными емкостями электросети. При этом обычно считается, что емкости симметричны. В реальных же электросетях это условие обычно не выполняется. Поэтому точная настройка индуктивности в резонанс с фазной емкостью не может быть достигнута без дополнительных мероприятий по симметрированию фазных емкостей. К недостаткам этого способа следует также отнести то, что при несимметрии фазных емкостей в контуре нулевой последовательности возникает резонанс напряжений. Это приводит к увеличению напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу, что является причиной повышения дуговых перенапряжений, которые, в свою очередь, могут стать причиной пробоя изоляции в неповрежденных фазах.

Известен также способ заземления нейтрали (RU 2516437, МПК Н02Н 3/20, Н02Н 9/04, опубл. 20.05.2014 г.). Согласно этому способу, нейтраль сети заземляется при помощи конденсаторов и реактора, активное сопротивление которого выбрано с учетом его нелинейности таким образом, что исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в контуре нулевой последовательности.

Недостатком такого способа является то, что в случае несимметрии фазных емкостей электросети часть тока однофазного замыкания останется нескомпенсированным. Помимо этого при несимметрии фазных емкостей в контуре нулевой последовательности напряжение, способствующее увеличению кратности максимальных дуговых перенапряжений.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ компенсации тока однофазного замыкания (RU 2653510, МПК Н02Н 9/08, Н02Н 3/16, опубл. 10.05.2018 г., Бюл. №13). Согласно этому способу, каждая из фаз электрической сети заземляется через последовательно соединенные реактор и емкость, при этом их результирующее реактивное сопротивление выбирается по условию резонанса с емкостями отдельных фаз электросети.

Недостатки способа заключаются в том, что при его реализации невозможно учитывать возможные изменения величин емкостей отдельных фаз и приходится ориентироваться на некоторые усредненные их значения и на определенную несимметрию этих емкостей. Из-за нескомпенсированной несимметрии емкостей происходит увеличение активной составляющей тока однофазного замыкания при одновременном ограничении его емкостной составляющей. В совокупности это приводит к существенному увеличению минимального значения тока однофазного замыкания на землю по сравнению с его минимальным значением в условиях симметрии фазных емкостей. Помимо этого, несимметрия фазных емкостей и нарушение резонансной настройки может сопровождаться повышением дуговых перенапряжений, возникновением феррорезонансных процессов и соответствующим увеличением опасности наступления повторных пробоев изоляции и возникновением весьма опасных замыканий через землю.

Задача изобретения заключается в повышении надежности и безопасности электросетей в условиях варьирования величин фазных емкостей как по величине, так и по степени их несимметрии за счет одновременного уменьшения токов однофазных замыканий на корпус и ограничения дуговых и феррорезонансных перенапряжений.

Для получения необходимого технического результата в способе компенсации тока однофазного замыкания, включающем соединение каждой фазы электросети с землей через реакторы и конденсаторы настроенные в резонанс со всей емкостью электросети, предлагается заземление всех трех фаз производить на каждом коммутируемом участке электросети по отдельности, а последовательно с реакторами включать резисторы, активное сопротивление которых выбирать в соответствии со следующим выражением:

где ω - угловая частота сети; С - емкость конденсаторов; U - действующее значение напряжения на реакторе при резонансном значении тока; Е - действующее значение фазной ЭДС сети.

При осуществлении способа реактор и конденсатор в каждой фазе могут быть соединены последовательно друг другу. Кроме этого, реакторы могут быть подключены к фазам электросети по схеме «звезда» с заземленной через конденсатор нейтральной точкой.

На прилагаемых к заявке чертежах изображено:

на фиг. 1 - однолинейная схема электрической распределительной сети, с реализованным предлагаемым способом компенсации;

на фиг. 2 - схема подключения элементов, согласно предлагаемому способу;

на фиг. 3 - схема подключения заземляющих элементов, согласно предлагаемому способу, с использованием одной емкости на коммутируемый участок электросети;

на фиг. 4 - векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации тока однофазного замыкания, согласно предлагаемому способу, при изменении конфигурации электросети.

На прилагаемых чертежах приняты следующие обозначения: 1 - источник электроэнергии; 2 - конденсаторы; 3 - реакторы; 4 - фазная емкость электросети; 5 - резисторы; А, В, С - фазы электросети; С_з0, С_з1, С_з2, С_з3 - емкости, заземляющие фазы коммутируемых участков электросети; L_з0, L_з1, L_з2, L_з3 - индуктивности, заземляющие фазы коммутируемых участков электросети; С_ф0, С_ф1, С_ф2, С_ф3 - фазные емкости участков электросети; Q₁, Q₂, Q₃ - выключатели коммутируемых участков электросети; Н₁, Н₂, Н₃ - нагрузка; Е_А - вектор ЭДС поврежденной фазы, в качестве которой выбрана фаза А; Е_В, Е_С - векторы ЭДС неповрежденных фаз, фаз В и С; Е_ВА, Е_СА - векторы междуфазных ЭДС; I_CB, I_CC - векторы токов, протекающих через емкости неповрежденных фаз; I_LB, I_LC - векторы токов, протекающие через реакторы неповрежденных фаз; I_LОЗ, I_СОЗ - векторы индуктивной и емкостной составляющих тока однофазного замыкания; ΔI_CB, ΔI_CC, ΔI_LB, ΔI_LC - векторы приращений соответствующих токов, обусловленные подключением участка электросети. ∑I_LOЗ, ∑I_СОЗ - векторы токов индуктивной и емкостной составляющих тока однофазного замыкания после подключения участка электросети.

Принцип снижения тока однофазного замыкания в условиях несимметрии фазных емкостей пояснен при помощи векторной диаграммы, построенной на фиг. 3. При замыкании фазы А на землю емкости между фазами В, С и землей оказываются под линейным напряжением, которое характеризуется векторами Е_ВА и Е_СА соответственно. В результате действия этих напряжений на фазные емкости электросети возникают токи I_CB и I_CC, сумма которых равна I_СОЗ. Ток I_СОЗ протекает в месте замыкания фазы на землю. Одновременно с этим реакторы 3 также оказываются под напряжением, близким к линейному, в результате чего появляются индуктивные токи I_LB и I_LC. Их сумма соответствует вектору I_LOЗ. Ток I_LОЗ также протекает в месте замыкания фазы на землю. При резонансной настройке реакторов 3 и фазных емкостей 4 с учетом емкостей конденсаторов 2 векторы I_LOЗ и I_СOЗ равны друг другу по модулю и противоположны по направлению, а их сумма равна нулю. После изменения конфигурации электросети, т.е. подключения и отключения ее участков изменяются величины фазных емкостей. В результате длины векторов I_CB и I_CC изменяются на величины ΔI_CB и ΔI_CC. Это приводит к тому, что равенство I_LOЗ=-I_СОЗ перестает выполняться. В предлагаемом изобретении за счет одновременной коммутации и участка сети, и реакторов 3 изменяются векторы индуктивных составляющих токов между фазами электросети и землей на величины ΔI_LB и ΔI_LC. Поскольку реактивные проводимости каждой из фаз подключаемого индуктивного элемента равны соответствующей фазной проводимости изоляции подключаемого участка электросети, то выполняются следующие равенства: ΔI_LB=-ΔI_CB, ΔI_LC=-ΔI_CC. В результате выполняется равенство ∑I_LOЗ=-∑I_СОЗ, т.е. суммарный ток в месте замыкания остается равным нулю.

Тем самым обеспечивается компенсация тока однофазного замыкания при несимметричных значениях фазных емкостей сети, за счет чего повышается безопасность электросети.

Ограничение дуговых перенапряжений происходит в результате снижения величины напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу. Как известно, величина дуговых перенапряжений определяется следующим выражением:

где e_BA(t_з) - мгновенное значение междуфазной ЭДС в момент замыкания; e_A(t_з) - мгновенное значение ЭДС поврежденной фазы в момент замыкания; u_Nvar(t_з) - мгновенное значение напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу в момент замыкания; u_N - напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу; (1-k) - коэффициент, учитывающий наличие междуфазной емкости; (1-d) - коэффициент, учитывающий затухание амплитуды свободной составляющей напряжения.

Амплитуда напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу определяется по выражению:

где E_A, E_B, E_C - векторы фазных ЭДС; Y_A, Y_B, Y_C - комплексные проводимости между фазами и землей; Y_N - комплексная проводимость между нейтральной точкой электросистемы и землей.

При реализации прототипа в случае отключения или подключения участков электросети изменятся емкости между фазами и землей. В результате станет справедливым неравенство U_Nvar≠0.

При использовании в сети предлагаемого способа к каждому участку электросети подключаются заземляющие фазы ветви, состоящие из конденсаторов и реакторов, соединенных последовательно. Для обеспечения результата суммарное сопротивление каждой ветви должно иметь индуктивный характер, а по величине обратно пропорционально емкостной проводимости фазы участка сети, к которому она подключается. В этом случае проводимости между каждой фазой и землей определяются следующим образом

где X_Ai - реактивное сопротивление ветви, заземляющей фазу i-го участка электросети; B_Ai - емкостная проводимость фазы A i-го участка электросети.

Поскольку для каждого i-гo участка электросети справедливо равенство то при любом количестве подключенных участков сети будет выполняться условие В этом случае числитель выражения (2) становится равным нулю, а знаменатель из-за наличия активной проводимости отличается от нулевого значения. В результате чего напряжение смещения нейтрали по переменному потенциалу U_{N var} становится равным нулю, тем самым достигается снижение дуговых перенапряжений при несимметрии. За счет этого повышается надежность электросети, т.к. уменьшается воздействие перенапряжений на изоляцию электрооборудования.

Снижение тока в контуре нулевой последовательности обеспечивается за счет того, что уменьшается U_{N var}, а также увеличивается сопротивление контура нулевой последовательности, т.к. фазная емкость оказывается включенной параллельно с индуктивной ветвью. Снижение тока в контуре нулевой последовательности повышает безопасность электросети, т.к. он протекает через металлические элементы оборудования, не предназначенные для этого, а следовательно, не защищенные от прикосновения человека.

Устранения феррорезонансных явлений обеспечивается путем расстройки феррорезоносного контура за счет использования резисторов, включаемых в ветви заземления фаз. Одновременно с этим резисторы способствуют более быстрому протеканию переходных процессов после гашения дуги, тем самым снижая напряжение поврежденной фазы перед повторным ее зажиганием, а, следовательно, снижая перенапряжения.

Пример осуществления способа

Для проверки действия способа на токи однофазного замыкания, на величину дуговых перенапряжений и на величину тока в контуре нулевой последовательности при помощи компьютерного моделирования в программе Workbench были реализованы способы, изображенные на фиг. 1-2. При этом электросистема была воспроизведена с фазным напряжением 220 В, с несимметрией фазных емкостей.

Однолинейная схема электросети изображена на фиг. 4. Значения фазных емкостей электросети приведены в таблице 1.

Значения параметров конденсаторов и индуктивностей, включенных между фазами и землей указаны в таблице 2.

В схеме моделировались как устойчивые, так и неустойчивые однофазные замыкания, при этом регистрировались следующие величины: установившиеся токи однофазных замыканий при помощи амперметра, включенного между поврежденной фазой и землей; действующее значение напряжения между нейтральной точкой и землей.

Регистрация повторялась при различных конфигурациях электросети. Для изменения количества подключенных участков сети использовались трехфазные выключатели Q1, Q2 и Q3.

Результаты регистрации величин тока однофазного замыкания при различных способах защиты, зарегистрированные в ходе эксперимента, включая предлагаемый, приведены в таблице 3.

Значения напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу приведены в таблице 4.

Как видно из таблиц 3-4, при предлагаемом способе в случае изменения конфигурации сети действительно снижается величина установившегося тока однофазного замыкания, величина максимальных дуговых перенапряжений, по сравнению со способом компенсации, описанным в ближайшем аналоге. Тем самым обеспечивается повышение безопасности и надежности электросети. Предлагаемые конкретные варианты заземления фаз приводят к решению поставленной задачи.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение безопасности сетей за счет снижения в них токов однофазных замыканий на землю, а также повышение надежности электросети за счет снижения максимальных величин дуговых перенапряжений. Способ компенсации тока однофазного замыкания включает соединение электросети с землей через реакторы и конденсаторы, настроенные в резонанс со всей емкостью электросети. Согласно изобретению заземление всех трех фаз производится на каждом коммутируемом участке электросети по отдельности, а последовательно с реакторами включаются резисторы, активное сопротивление которых выбирается в соответствии с выражением где ω - угловая частота сети; С - емкость конденсаторов; U - действующее значение напряжения на реакторе при резонансном значении тока; Е - действующее значение фазной ЭДС сети. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Способ компенсации тока однофазного замыкания, включающий соединение электросети с землей через реакторы и конденсаторы, настроенные в резонанс со всей емкостью электросети, отличающийся тем, что заземление всех трех фаз производится на каждом коммутируемом участке электросети по отдельности, а последовательно с реакторами включаются резисторы, активное сопротивление которых выбирается в соответствии со следующим выражением:

где ω - угловая частота сети; С - емкость конденсаторов; U - действующее значение напряжения на реакторе при резонансном значении тока; Е - действующее значение фазной ЭДС сети.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакторы и конденсаторы в каждой фазе соединяют последовательно друг с другом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакторы подключают к фазам электросети по схеме «звезда» с заземленной через конденсатор нейтральной точкой.