СПОСОБ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ Российский патент 2021 года по МПК H02H3/20 H02H9/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения тока однофазного замыкания и максимальных перенапряжений в электросетях.

Известен способ заземления нейтрали (Н.Н. Никифоровский, Я.П. Брунав, Ю.Г. Татьянченко. Электропожаробезопасность судовых электрических систем. Л., «Судостроение», 1978. С. 31, рис. 18), в котором предложено нейтраль электросистемы заземлять через реактор, включенный последовательно с емкостными элементами. Параметры реактора и емкостных элементов выбираются таким образом, чтобы создаваемый ими ток компенсировал емкостной ток однофазного замыкания, при этом обеспечивается гальваническая развязка нейтрали электросети и земли по постоянному току.

Недостатком способа является то, что при таком способе заземления нейтрали в случае замыкания фазы на землю образуется контур с последовательно соединенными конденсаторами и реактором. При определенном сочетании вольт-амперных характеристик реактора, конденсаторов и активного сопротивления ветви обмотки реактора в нем возможно возникновение феррорезонанса. Феррорезонансные процессы приводят к увеличению перенапряжений и тока в месте замыкания.

Известен способ ограничения перенапряжений в электросетях (RU 2342756, МПК Н02Н 9/00, опубл. 27.12.08 г.). Согласно этому способу, к сети подключаются конденсаторы, которые заземляются через соединенные параллельно резистор и реактор.

Недостатком способа является то, что его использование может привести к появлению опасных феррорезонансных процессов, способствующих увеличению перенапряжений при неустойчивых однофазных замыканиях. В результате происходит увеличение перенапряжений и увеличение токов однофазного замыкания. Помимо этого, даже при отсутствии феррорезонанса ток однофазного замыкания будет увеличен из-за того, что включенный параллельно реактору резистор создает дополнительную активную составляющую тока замыкания.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ заземления нейтрали (RU 2516437, МПК Н02Н 3/20, Н02Н 9/04, опубл. 20.05.2014). Согласно этому способу предлагается последовательно с конденсаторами и реактором включать активное сопротивление, а параметры устройства заземления выбирать по условию устранения феррорезонанса.

Недостатком способа является то, что его использование приводит к увеличению тока однофазного замыкания, поскольку добавление активного сопротивления сопровождается появлением не скомпенсированной активной составляющей в месте замыкания. Кроме того, способ не позволяет ограничить перенапряжения в достаточной мере.

Задача изобретения заключается в повышении надежности и безопасности электросети за счет одновременного снижения максимальных перенапряжений, уменьшения тока однофазных замыканий и устранения возможности возникновения феррорезонанса при неустойчивых дуговых однофазных замыканиях.

Для получения необходимого технического результата в способе заземления нейтрали, использующим подключение к сети конденсаторов, заземленных через последовательно соединенные реактор и резистор, предлагается параллельно с конденсаторами включить варистор, а резистор шунтировать нормально замкнутым ключом, с возможностью размыкания при достижении током реактора критической величины. Напряжение открытия варистора и критическое значение тока реактора предлагается выбирать с соблюдением условия:

где U₀ - амплитуда напряжения, при котором происходит насыщение реактора; U_C - напряжение открытия варистора; I - критическая величина тока реактора; R - сопротивление реактора; Е - амплитуда фазной ЭДС электросети.

Способ допускает формирование искусственной нейтрали, путем подключения конденсаторов к сети по схеме «звезда», которую затем предлагается присоединять к земле через реактор.

Способ также допускает включение конденсаторов и реактора между естественной нейтралью электросети и землей последовательно друг другу.

Вариант соединения схемы выбирают, исходя из возможности доступа к нейтрали электросети.

На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:

на фиг. 1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;

на фиг. 2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль электросети;

на фиг. 3 - схема модели, которая применялась при обосновании реализуемости предлагаемого способа заземления нейтрали с использованием конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;

на фиг. 4 - схема модели, которая применялась при обосновании реализуемости предлагаемого способа заземления нейтрали с использованием конденсаторов, включенных в нейтраль сети;

На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения: 1 - конденсаторы; 2 - индуктивность реактора; 3 - резистор; 4 - обмотка электрооборудования; 5 - контакт; 6 - варистор; 7 - осциллограф; 8 - емкость сети фазная; 9 - контакт между фазой и землей; 10 - шунт измерительный.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты схемы устройств, реализующих предлагаемый способ заземления нейтрали. В варианте, изображенном на фиг. 1, устройство состоит из конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, реактора 2 и резистора 3, включенных последовательно друг с другом. Резистор 3 зашунтирован контактом 5, а параллельно конденсаторам 1 включены варисторы 6. В варианте, изображенном на фиг. 2, устройство состоит из включенных последовательно конденсаторов 1, реактора 2 и резистора 3, которые подключаются между нейтральной точкой сети, образованной обмотками источника 4 и землей, при этом конденсатор 1 зашунтирован варистором 6, а резистор 3 - контактом 5.

Для предотвращения феррорезонансных процессов необходимо, чтобы в электросистеме была исключена возможность формирования начальных условий переходного процесса, приводящих к переходу системы в резонансное состояние. К начальным условиям относятся напряжение на конденсаторах и ток реактора перед замыканием фазы на землю. Их ненулевые значения формируются в результате переходных процессов после гашения дуги в контуре нулевой последовательности, а при последующем замыкании фазы они могут привести к возникновению феррорезонанса.

Начальные условия, исключающие возможность феррорезонанса, определяются путем расчета переходных процессов в нелинейном контуре, который образуется реактором 2 и конденсаторами 1. Для их определения необходимо найти состояние неустойчивого равновесия системы на фазной плоскости, которая представляет собой взаимосвязь напряжения на конденсаторах и тока реактора. На основе анализа векторной диаграммы тока и напряжений, построенной для амплитудных значений, а также вольт-амперных характеристик элементов, входящих в контур, получено выражение (1) для описания состояния неустойчивого равновесия.

При возникновении повторного замыкания в момент, когда напряжение на конденсаторах превышает величину U_C или ток реактора - значение I система переходит через состояние неустойчивого равновесия к состоянию устойчивого феррорезонанса. Для устранения возможности такого перехода необходимо ограничить ток через реактор и напряжение конденсаторов.

Ток через реактор ограничивается введение в его ветвь резистора, сопротивление которого устанавливается исходя из условий расстройки феррорезонансного контура. Добавление в цепь резистора осуществляется контактами, которые размыкаются при достижении током критического значения, определенного при анализе феррорезонансного контура.

Напряжение на конденсаторах ограничиваются путем включения параллельно им варистора, сопротивление которого резко уменьшается при достижении напряжением значения открытия, которое равно критическому значению, определенному при анализе феррорезонансного контура.

Примеры реализации способа показаны на фиг. 3 и фиг. 4, где представлены схемы моделей сети с подключенными устройствами, реализующими предлагаемый способ заземления нейтрали. Напряжение сети 230 В, фазные емкости 8 сети: C_A=6 мкФ; C_B=6 мкФ; C_C=6 мкФ. Реализация способа заключается в том, что к сети подключаются: реактор 2. Сопротивление резистора 3-10 Ом. Суммарная емкость конденсаторов 1 установлена равной 108 мкФ. Напряжение, при котором реактор становится нелинейным равно 324 В, его индуктивность в ненасыщенном состоянии - 0.56 Гн, активное сопротивление обмотки - 5 Ом. При таких параметрах элементов заземления нейтрали выражению (1) удовлетворяют значения I=2А, U_C=200 В, соответствующие значениям установленным для тока размыкания контакта 5 и напряжения открытия варистора 6.

Для проверки действия способа моделировались неустойчивые замыкания одной из фаз на землю. При помощи осциллографа 7 и шунтирующего низкоомного резистора 10 регистрировались ток замыкания и перенапряжения на здоровой фазе. Результаты регистрации приведены в таблице.

Как видно из таблицы предлагаемый способ также как и прототип устраняет возможность возникновения феррорезонансных процессов. Однако, по сравнению с ближайшим аналогом, достигается более глубокое снижение перенапряжений и токов однофазных замыканий.

Таким образом, видно, что обе реализованные схемы подключения конденсаторов позволяют получить одинаковые результаты по устранению феррорезонансных процессов, снижению токов однофазных замыканий и перенапряжений, а, следовательно, решают поставленную задачу повышения надежности и безопасности электросети.

Использование: в области электроэнергетики для уменьшения тока однофазного замыкания и максимальных перенапряжений в электросетях. Технический результат - повышение надежности и безопасности электросети за счет одновременного снижения максимальных перенапряжений, уменьшения тока однофазных замыканий и устранения возможности возникновения феррорезонанса при неустойчивых дуговых однофазных замыканиях. Способ заземления нейтрали включает подключение к сети конденсаторов, заземленных через последовательно соединенные реактор и резистор. Параллельно с конденсаторами включают варистор, а резистор шунтируют нормально замкнутым ключом, с возможностью размыкания при достижении током реактора критической величины. Напряжение открытия варистора и критическое значение тока реактора выбирают с соблюдением условия (U₀ - U_C)² + (IR)² ≤ Е², где U₀ - амплитуда напряжения, при котором происходит насыщение реактора; U_C - напряжение открытия варистора; I - критическая величина тока реактора; R - сопротивление реактора; Е - амплитуда фазной ЭДС электросети. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ заземления нейтрали, использующий подключение к сети конденсаторов, заземленных через последовательно соединенные реактор и резистор, отличающийся тем, что параллельно с конденсаторами включают варистор, а резистор шунтируют нормально замкнутым ключом, с возможностью размыкания при достижении током реактора критической величины, при этом напряжение открытия варистора и критическое значение тока реактора выбирают с соблюдением условия

где U₀ - амплитуда напряжения, при котором происходит насыщение реактора; U_C - напряжение открытия варистора; I - критическая величина тока реактора; R - сопротивление реактора; Е - амплитуда фазной ЭДС электросети.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют искусственную нейтраль путем подключения конденсаторов к сети по схеме «звезда», которую затем присоединяют к земле через реактор.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конденсаторы и реактор включают между естественной нейтралью электросети и землей последовательно друг другу.