2. 13 Сети с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор

Сети с дугогасящим реактором (или дугогасящей катушкой) решают одну проблему, а именно, снижение тока в месте замыкания. до такой величины, чтобы не возникали дуговые перенапряжения.

Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор используется в России с начала 60 – х годов [Шабад М.А. Энергетик, 1999, №3, с.11-13]. В соответствии с ПУЭ и ПТЭЭП с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор в России работают сети 6-35 кВ, в которых токи ОЗЗ превышают значения, допустимые для сетей с изолированной нейтралью. Это в основном кабельные сети больших и средних городов и крупных промышленных предприятий. В последние годы намечается также использование компенсации при токах, меньших, чем это требуется по ПУЭ и ПТЭЭП, например, в сетях насосных и компрессорных станций [Обабков].

Идея сетей с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, – в снижении тока в месте повреждения путем компенсации емкостного тока замыкания индуктивным током от специальной катушки индуктивности. (По имени разработчика ее в первые годы называли катушкой Петерсена). Для снижения токов в месте замыкания в нейтраль одного из трансформаторов сети включается реактор, который называют дугогасящим реактором (ДГР) или дугогасящей катушкой (ДГК).

C

N B

U_A

A K

ДГР I_L

I_C

В случае повреждения изоляции одной из фаз электрической сети и возникновения ЗНЗ, образуется короткозамкнутый контур, содержащий ДГК, фазную обмотку трансформатора, поврежденную фазу и место повреждения.

По этому контуру протекает ток, который носит индуктивный характер. В результате в месте повреждения будет протекать сумма двух токов: индуктивного I_L и емкостного I_c, обусловленного суммарной емкостью всей сети. При этом ток в месте повреждения будет равен векторной сумме токов I_L и I_c , или (т.к. токи I_L и I_c сдвинуты по фазе на 180) разности их абсолютных значений

Где

Рассмотрим векторную диаграмму токов

I_C A,з I_L

U_н.з. – напряжение между

землей и нейтралью

С В

Диаграмма построена упрощенно, так как на самом деле токи I_C и I_L расположены не под углом 90° по отношению к напряжению U_Н.З.

Если из формулы перейти к модулю, то получим

.

При этом будет равенство емкостного и индуктивного токов I_L=I_c и результирующий ток в месте повреждения будет равен нулю. Такие сети называют сетями с резонансно - компенсированной нейтралью

Так как реактор управляемый, изменив индуктивный ток до значения емкостного тока ( ), получим, что ток замыкания равен нулю. Эта настройка называется резонансной настройкой реактора. При этом сеть будет называться резонансно - скомпенсированной. Именно такая резонансная настройка ДГК рекомендуется в ПУЭ 3 и ПЭЭП 4 .

(Однако все равно имеются какой-то активный ток и токи высших гармоник).

Если правильно выбрать и настроить реактор, то пробои изоляции будут заплывающие. Замыкание устраняется, нет перенапряжения и нет дуги. Это главное достоинство таких сетей.

Правильно используемая компенсация емкостных токов в сетях имеет следующие преиму­щества:

- уменьшается ток через место повреждения до минимальных зна­чений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник), при этом снижается вероятность появления перемежающейся дуги, повышается вероятность самопогашения дуги и «заплывания» места повреждения, снижается напряжение шага при растекании токов в земле;

- при степени расстройки компенсации до 5 % ограничиваются перенапряжения, возникающие при дуговых замы­каниях на землю, до значений (2,5—2,6) U_ф, безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

- за счет большой индуктивности ДГР значительно снижается скорость восстанавливающегося напряже­ния поврежденной фазы в месте повреждения после пога­сания перемежающейся дуги; вследствие этого диэлек­трические свойства места повреждения успевают восстановиться, что снижает вероятность повторных зажиганий дуги.

Перечисленные преимущества компенсации проявляются только при резонансной настройке. На практике резонансной настройки не получается. Связано это как со сложностью плавного регулирования индуктивного сопротивления ДГР, так и сложностью выбора критерия автоматической настройки в резонанс. Поэтому на практике часто применяют ручное переключение ДГР. Отсутствие резонансной настройки на практике делает положительные эффекты компенсации недостижимыми. Более того работа сети с значительной расстройкой компенсации при возникновении ОЗЗ приводит к значительным перенапряжениям. Кроме того, резонансная компенсация требует почти идеальной симметрии сети, иначе при замыканиях на землю возможны значительные смещения нейтрали. Практически приемлемой степенью симметрии обладают только КЛ. В воздушной сети из-за естественной несимметрии проводимостей фаз относительно земли для резонансной настройки могут потребоваться мероприятия по симметрированию сети [Лисицын Н.В. Энергетик, 2000, №1, стр.22].

В сетях с резонансно-компенсированной нейтралью решается только проблема снижения токов в месте повреждения. Все другие недостатки сетей с изолированной нейтралью остаются справедливыми и для сетей с резонансно - компенсированной нейтралью, в том числе и проблема селективной сигнализации и поиска места повреждения. Более того, компенсация емкостного тока исклю­чает возможность использования про­стого принципа выявления поврежденного фидера по величине и направлению тока нулевой последовательности промышленной частоты, Это создает дополнительные проблемы селективной сигнализации и обусловливает при­менение частот, отличных от промышленной.

Несмотря на отмеченные недостатки, сети с резонансно-компенсированной нейтралью наряду с сетями с изолированной нейтралью являются основными сетями для напряжений 6 – 35 кВ.. В последние годы применение сетей с резонансно-компенсированной нейтралью с автоматическим управлением режимом компенсации рассматривается многими практиками и учеными в качестве наиболее эффективного средства повышения надежности работы сетей напряжением 6 – 35 кВ.

Эти сети применяются в промышленности, на нефтеперерабатывающих станциях и т. д. с целью экономии затрат на покупку нового асинхронного двигателя после аварии.

В нефтяной отрасли в сетях напряжением 6-35 кВ применяют широко, так как они исключают дугу трансформатора.

Проблемы, связанные с использованием таких сетей:

1. Нет удобной автоматической настройки резонанса. При этом нет способов измерения емкостных токов.В месте замыкания появляется ток неопределенного характера (либо I_C либо I_L), это усложняет выполнение релейной защиты от ЗЗ.

ПТЭЭП, ПУЭ. Пункт 2.8.15.: Дугогасящие реакторы должны иметь резонансную настройку. Допускается настройка с перекомпенсацией, при которой реактивная составляющая тока замыкания на землю должна быть не более пяти ампер.

2. Возможность появления напряжения смещения нейтрали в нормальном режиме без ЗНЗ, U_N3.

Если сеть в нормальном режиме, т.е нет замыкания, то

,

где - проводимость дугогасящего реактора.

Если , то при условии, что сеть симметрична =0, а, следовательно . Но на практике симметрии не бывает, поэтому и . Может быть, что .

Способы борьбы с проблемой:

1. Не применять эту сеть;

2. Симметрировать сеть.

3.Усложняется проблема определения поврежденной линии и поиска места повреждения

ПУЭ. Пункт 2.8.16.: В сетях, работающих с компенсацией емкости тока, напряжение несимметрии должно быть не выше (0,75%)U_Ф.

Недостатки:

Все недостатки для сетей с изолированной нейтралью сохраняются для сетей с нейтралью через дугогасящий реактор, кроме недостатка, связанного с величиной замыкания тока.

В последние годы в г. Екатеринбурге разрабатывались новые методы компенсации (активная компенсация). Ток в месте замыкания приближен к нулю, поэтому исчезает шаговое напряжение. Но этот метод не вошел в нормативно-техническую документацию.