CC BY
26
УДК 621.316.721
О НЕКОТОРЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ НЕЙТРАЛИ СЕТЕЙ СРЕДНИХ КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ
© 2008 г. Е.Н. Рыжкова
Павлодарский государственный университет Pavlodar State Technological University,
Казахстан Kazakhstan
Рассматриваются вопросы управляемого резистивного заземления нейтрали для сетей с компенсацией емкостного тока и для некомпенсированных сетей. Предложены алгоритмы и конкретные схемы реализации такого управления.
Ключевые слова: контроль, компенсация емкостного тока, некомпенсированные сети.
The report considers the issues of midpoint conductor controlled resistive ground connection for circuits with capacitive current compensation and uncompensated circuits. The algorithms and specified schemes of realizing such control are suggested.
Keywords: compensation of the capacitive current, non-compensation network.
Общеизвестно, что надежность электроснабжения сетей средних классов напряжения определяется, в основном, режимом замыкания на землю, поскольку число последних составляет более 75 % от общего числа электрических повреждений. Режим замыкания на землю, в свою очередь, определяется степенью организации защитного отключения, уровнем ограничения перенапряжений, как дуговых, так и коммутационных, и способом заземления нейтрали.
Заземление нейтрали сетей 6-35 кВ через резистор, разрешенное к применению ПУЭ России с 2003 г. [1], подразделяемое на высокоомное и низкоомное, позволяет полностью устранить феррорезонансные явления, эффективно ограничить дуговые перенапряжения (высокоомный резистор), обеспечивает возможность построения селективных защит от замыканий на землю (низкоомный резистор).
Ограничение дуговых перенапряжений с помощью резистора достигается путем уменьшения постоянной времени разряда емкости здоровых фаз за время бестоковой паузы.
Резистор может включаться в контур нулевой последовательности с помощью заземляющего трансформатора с выведенной нейтралью обмотки высокого напряжения (ВН). Подключение резистора может осуществляться как непосредственно между нулевой точкой обмотки ВН трансформатора и контуром заземления (высоковольтное исполнение), так и через однофазный присоединительный трансформатор (низковольтное исполнение) [2].
Однако резистивное заземление на основе неизменных по величине и постоянно включенных в нейтрали активных сопротивлений является принципиально неоптимальным. Эта неоптимальность обусловлена следующими факторами:
- параметры схемы замещения сети, в основном величины емкостей нулевой последовательности, не остаются неизменными в условиях эксплуатации, а могут изменяться в очень широких пределах при оперативных переключениях схемы, и, следовательно, должны изменяться и величины сопротивлений заземляющих резисторов;
- различие в конструкции линий электропередач (воздушные линии с преобладанием открытых заземляющих дуг и кабельные линии с преобладанием закрытых дуг), которое должно быть учтено при разработке устройств заземления, автоматики управления и РЗЗЗ, так как оно обусловливает особенности протекания переходных процессов;
- наличие нескольких стадий развития процесса замыкания на землю во времени с изменением параметров в очень широких пределах. Для каждой из стадий переходного процесса могут применяться различные требования к режиму нейтрали;
- требования к параметрам устройств заземления сетей с различными условиями по надежности и бесперебойности электроснабжения для целей ограничения дуговых перенапряжений, электробезопасности и обеспечения селективности РЗЗЗ могут быть существенно различными вплоть до взаимоисключающих.
Учет этих факторов при использовании неуправляемых устройств заземления нейтрали невозможен. Следовательно, представляется актуальной проблема разработки управляемого резистивного режима нейтрали как для сетей с компенсацией емкостного тока, так и для некомпенсированных сетей.
Для сетей с резистивно заземленной нейтралью управление может быть осуществлено с помощью тиристорного коммутатора в режиме замыкания на землю по логике, предложенной в работе [3].
В этом устройстве включение сопротивления в нейтраль осуществляется в бестоковых паузах между очередными зажиганиями перемежающейся дуги, а при устойчивой дуге действие автоматики блокируется, таким образом, наложения активного тока на место повреждения в режиме замыкания на землю вообще не происходит. Необходимо отметить, что в данном устройстве сопротивление в нейтрали подбирается из условия ограничения дуговых перенапряжений 1а = 1с. Повышение селективности защиты от замыканий на землю в данном случае может быть достигнуто расширением функциональных возможностей вышеназванного устройства за счет выявления режима устойчивого горения дуги и наложения в этом режиме до-
полнительного активного тока, достаточного для надежного срабатывания даже загрубленной релейной защиты в любых режимах горения дуги 1а = (3-4)1с. Включение в нейтраль активного сопротивления любой величины в паузах между зажиганиями дуги не создает наложения активного тока на место повреждения, а следовательно, не производит дополнительных разрушений, изменяя при этом лишь скорость стекания заряда с нейтрали. Постоянное включение в нейтраль активного сопротивления осуществляется по предлагаемой логике управления только при достаточно длительном устойчивом горении дуги, которое характеризуется одновременным существованием двух признаков: наличие напряжения на нейтрали и отсутствие напряжения на поврежденной фазе.
Для случаев, когда даже кратковременное существование режима замыкания на землю по каким-либо соображениям, например, ввиду наличия вращающихся машин или из условий электробезопасности, нежелательно, используется низкоомное заземление нейтрали. При этом величина накладываемого активного тока, как известно, достигает 8-10-кратной величины по отношению к емкостному току замыкания. Опыт эксплуатации РЗЗЗ при низкоомном заземлении нейтрали показал во многих случаях явную избыточность воздействия активной составляющей. Применение принципа управляемости резистивным заземлением нейтрали в подобных случаях может улучшить характер процесса и минимизировать размеры повреждения.
Изменяя величину накладываемого активного тока в режиме замыкания, можно перевести процесс перемежающегося горения в устойчивый и этим обеспечить надежное срабатывание РЗЗЗ за время, намного меньшее времени естественного перехода режима в устойчивую фазу и без лишних повреждений.
При разработке алгоритма управления резистором здесь необходимо учитывать следующие соображения:
- наложение активного тока начинается с некоторого минимального значения, достаточного для ограничения дуговых перенапряжений, и быстро увеличивается вплоть до обеспечения перехода режима замыкания в устойчивую фазу;
- увеличение активного тока прекращается с момента перехода к устойчивому горению дуги;
- наложение активного тока прекращается вообще спустя время, необходимое для срабатывания РЗЗЗ.
Увеличение активной составляющей тока замыкания в режиме перемежающегося горения дуги может обеспечить принудительное устойчивое горение дуг за счет того, что мгновенное значение свободного тока замыкания в переходном процессе не переходит нулевого значения, и каждое очередное гашение дуги может происходить только на вынужденной пятидесяти-герцовой составляющей. При этом, как известно, простые токовые защиты с входными фильтрами (типа РТЗ-51) функционируют вполне удовлетворительно.
Величина накладываемого активного тока для обеспечения устойчивого режима горения дуги зависит от степени демпфирования колебаний свободной составляющей тока замыкания и может быть существенно различной в одной и той же сети в зависимости
от места замыкания. Именно поэтому оказывается целесообразным непрерывное увеличение активного тока в ходе процесса до достижения устойчивого режима. Этот режим ввиду опасности чрезмерных разрушений не должен существовать длительно и прекращается спустя минимальное время, необходимое для обеспечения селективности РЗЗЗ.
Реализовать описанную логику управления резистором можно с помощью устройства, принципиальная схема которого показана на рис. 1.
Ua
Ub_j Uc-Uo 4
Рис. 1 - Схема управления резистивным заземлением нейтрали: 1 - однофазный присоединительный трансформатор устройства заземления нейтрали; 2 - устройство резистив-ного многоступенчатого заземления нейтрали; 3 - блок определения режима замыкания на землю; 4 - устройство измерения емкостного тока замыкания на землю сети; 5 -интегратор; 6 - сумматор; 7 - АЦП; 8 - элемент «ВРЕМЯ»
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме, который идентифицируется блоком определения режима замыкания на землю 3, сигнал с выхода блока запускает устройство измерения величины емкостного тока замыкания на землю 4, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный емкостному току сети.
Сигнал с выхода этого устройства подается на один из входов сумматора 6. На втором входе сумматора 6 сигнал отсутствует, так как на вход интегратора 5 в нормальном режиме сигнала с выхода блока 3 не поступает, а сигнал «сброс» с другого выхода блока 3 обнуляет сигнал на выходе интегратора 5. Таким образом, на вход АЦП 7 поступает сигнал, пропорциональный 1С, и комбинация сигналов на выходе АЦП обеспечивает необходимую величину сопротивления устройства заземления, выбранную по условию I а = I с. При любом изменении емкости сети происходит автоматическое изменение величины активного тока, что обеспечивает оптимальность ограничения дуговых перенапряжений.
При возникновении режима замыкания на землю с выхода блока 7 подается сигнал на вход интегратора, и начинается его заряд с увеличением сигнала на втором входе сумматора 6, изменением комбинации сигналов АЦП и соответствующим увеличением активно-
го тока устройства 2. Увеличение активного тока может происходить до предельного значения тока устройства заземления. При переходе режима замыкания в устойчивую фазу, определяемого с помощью блока 3, спустя выдержку времени блока 8 произойдет сброс интегратора и соответствующее уменьшение величины накладываемого активного тока до значения
1а = ^с .
Таким образом, широкие возможности управления резистивным заземлением нейтрали позволяют обеспечить оптимальное управление процессом и подойти к выбору параметров резисторов с учетом особенностей режимов замыкания в различных эксплуатационных условиях.
Для сетей с компенсацией емкостных токов также представляется целесообразным организовать более гибкое использование защитных резисторов с учетом возможности изменения величины накладываемого активного тока при изменении емкости сети, степени расстройки и режима горения дуги тока замыкания.
Идея предлагаемого управления заключается в следующем. В режиме замыкания на землю предлагается выявлять характер тока замыкания и степень расстройки компенсации, по которой определяется необходимая величина накладываемого активного тока. При устойчивом замыкании наложение дополнительного активного тока нецелесообразно, поэтому защитный резистор должен быть отключен. В режиме перемежающегося замыкания, когда существует опасность перенапряжений высокой кратности, включение защитного резистора должно быть строго дозировано по величине накладываемого активного тока в зависимости от величины расстройки компенсации.
Такая логика управления может быть реализована с использованием известных технических решений. Управляемый защитный резистор предлагается устанавливать на ступени низкого напряжения специального однофазного присоединительного трансформатора мощностью 10 - 15 % мощности ДГР [4].
При такой логике управления можно обеспечить оптимальное воздействие защитного резистора на контур нулевой последовательности и при значительных расстройках компенсации обеспечить тот же защитный эффект, что и при резонансной настройке, т. е. нерегулируемые ДГР типа РЗДСОМ (ЗРОМ), снабженные предлагаемым устройством, могут выполнить функцию ограничения опасных перенапряжений и уменьшения частоты их воздействия подобно гораздо более сложным и дорогим реакторам с быстродействующим управлением, улучшая условия дуго-гашения и повышая надежность электроснабжения. Кроме того, затраты на такое активно-индуктивное заземление нейтрали существенно меньше, чем при использовании постоянно включенного высоковольтного резистора, ввиду того что режим перемежающегося горения дуги не может быть длительным, а само устройство выполняется на низком напряжении. При этом ограничений на применение активно-индуктивного заземления нейтрали по максимально допустимому емкостному току сети не существует.
Управление защитным резистором по предложенному алгоритму обеспечивает изменение величины накладываемого активного тока при изменении в широких пределах схемы сети, степени расстройки компенсации и режима горения заземляющей дуги.
Другой предлагаемый алгоритм управления защитным резистором может быть выбран из следующих соображений.
В процессе восстановления напряжения на поврежденной фазе после очередного погасания дуги, как известно, опасность возникновения перенапряжений имеет место только в случае появления биений. Если при биениях с помощью дополнительного демпфирования защитным резистором исключить возможность увеличения напряжения на поврежденной фазе выше номинального уровня, то при повторных зажиганиях дуги перенапряжения не превысят 2,4 - 2,5 Цфт. Включение защитного резистора определенной величины, как было показано выше, предотвращает перенапряжения, однако может увеличивать частоту пробоев, а следовательно, количество воздействий перенапряжений на изоляцию. Такое влияние имеет место при снижении пробивных напряжений дугового промежутка до уровня ниже номинального на завершающей стадии процесса развития замыкания. Количество воздействий перенапряжений при повторных зажиганиях дуги в этом случае напрямую зависит от скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе. В случае, когда расстройка компенсации V равна степении демпфирования d, начальная скорость восстановления напряжения увеличивается, а следовательно, и время достижения напряжением поврежденной фазы ипф уровня пробивного напряжения уменьшается в раз. Следовательно, также в раз увеличивается частота воздействия перенапряжений. Нерегулируемый защитный резистор включается в нейтраль компенсированной сети без какой-либо настройки компенсации, и поэтому возможна ситуация, когда в результате изменения емкости сети настройка может стать острой. Тогда постоянно включенный защитный резистор, выбранный по максимально возможной расстройке, может увеличить скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе не в
л/2, а в 5 - 6 раз по сравнению с острой настройкой с соответствующим увеличением частоты воздействия перенапряжений. Поэтому на начальном участке процесса восстановления напряжения действие защитного резистора должно быть блокировано. При этом в принципе не важно, имеется ли тенденция к опасному превышению ипф номинального значения при отключенном защитном резисторе, т.е. под действием расстройки компенсации, или настройка обеспечивает полное отсутствие превышения ипф над номинальным значением. Включение резистора необходимо производить при уровне ипф, близком к номинальному, в предположении, что интенсивность демпфирования после его включения может обеспечить безопасный уровень напряжения на поврежденной фазе к моменту повторного зажигания дуги.
Такой алгоритм может быть реализован, например, с помощью управления резистором по двум параметрам: отклонению напряжения на поврежденной фазе от номинального уровня и скорости его изменения - путем непрерывного (фазового) управления тиристорным коммутатором. Схема, реализующая описанный алгоритм, показана на рис. 2.
сети и возможных расстроек компенсации. Увеличение интенсивности управляющих воздействий при увеличении коэффициентов усиления, как показывают расчеты, как и в любых непрерывных регуляторах с большими коэффициентами усиления, приводит к превращению непрерывного управления в дискретное, импульсное.
Рис. 2. Схема алгоритма управления защитным резистором
Напряжение поврежденной фазы, выявленное с помощью одного из известных стандартных блоков, выпрямляется, фильтруется и подается в оба канала управления. В канале по отклонению напряжения поврежденной фазы от рабочего фазного напряжения происходит вычисление управляющего воздействия пропорционального типа Ди пф = и пф - и ф, которое
вводится только при положительном его значении. Второй канал управления по производной dU пф/dt
работает после дифференцирования сигнала и подачи его на сумматор, формирующий общий сигнал управления с возможностью установки требуемых значений коэффициентов усиления по общим входам. Сигнал управления подается на управляющее устройство, запускаемое пороговым блоком только при превышении уровнем dU пф/dt заданной уставки.
Удобство предлагаемого управления состоит в возможности использования одного защитного резистора достаточной мощности для любых параметров
Описанные принципы управления заземляющим резистором в переходном процессе перемежающегося горения дуги с помощью дискретного или непрерывного изменения величины RN в ходе процесса по параметрам контура нулевой последовательности, безусловно, могут быть реализованы с достаточной эффективностью
Литература
1. Правила устройства электроустановок. СПб., 2001.
2. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор
способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество. 1998. № 12. С. 8-22.
3. А.с. № 1220053 СССР. Устройство для защиты от дуговых перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью /
B.П. Рыжков, Е.Н. Рыжкова // Б. И. 1986. № 11.
4. Рыжкова Е.Н. Управление защитным резистором в сетях с комбинированным заземлением нейтрали для ограничения дуговых перенапряжений // Энергетика, экология, энергосбережение: Материалы 1-й междунар. науч.-техн. конф., 2-4 июня 2005. Усть-Каменогорск, 2005.
C. 215 - 216.
Поступила в редакцию
25 января 2008 г.
Рыжкова Елена Николаевна - канд. техн. наук, доцент кафедры электроэнергетики Павлодарского государственного университета им С. Торайгырова, Казахстан. Тел.: (7182)310370 (домашний), (7182)450827 (служебный).
