Управление комбинированным заземлением нейтрали Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УПРАВЛЕНИЕ КОМБИНИРОВАННЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ

Е.Н. РЫЖКОВА

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова (Павлодар, Казахстан)

Рассматриваются вопросы управляемого комбинированного заземления нейтрали. Предложен способ управления заземляющим резистором, основанный на измерении углового сдвига между напряжением на нейтрали и напряжением источника питания.

Ограничение дуговых перенапряжений в сети с ДГР типа РЗДСОМ или ЗРОМ в последнее время предлагается организовывать с помощью включения в нейтраль сети с емкостным током І£ нерегулируемых резисторов для создания активного тока Iа примерно равного току возможной расстройки компенсации АІ = I дгР -1с , т. е. реально до 20 - 30% номинального тока ДГР [1-3].

Такое активно-индуктивное заземление нейтрали позволяет ограничить уровень дуговых перенапряжений в сети с неуправляемыми реакторами до 2,4 - 2,5 иФт при соответствующем выборе защитного резистора по прогнозируемой для данной сети величине емкостного тока замыкания и возможной расстройки компенсации. Однако применение высоковольтного нерегулируемого резистора мощностью до 20 - 30% мощности ДГР связано со значительными затратами и может быть неэффективно при больших эксплуатационных изменениях схемы и при переходе замыкания в устойчивый режим, когда остаточный ток в месте замыкания может превышать допустимое ПТЭ значение.

Неизбежные во многих случаях изменения схемы сети могут привести к изменению ее емкостного тока в очень широких пределах. При использовании нерегулируемого защитного резистора это неизбежно приведет к неоптимальному развитию процесса замыкания на землю, когда величина накладываемого активного тока либо недостаточна, либо избыточна. В первом случае уровень ограничения перенапряжений в режиме биений может быть недопустимо высоким, а во втором -может резко возрасти количество повторных зажиганий дуги, а значит, количество импульсов перенапряжений из-за избыточно высокой скорости нарастания напряжения на поврежденной фазе.

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 [4-6].

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. Включение защитного резистора

© Е.Н. Рыжкова

Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

только в перемежающемся режиме практически не увеличивает ток замыкания, и поэтому ограничения по максимальному емкостному току сети снимаются.

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 дугогашения 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 может выполняться на низком напряжении включением через специальный присоединительный трансформатор.

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. Однако большинство устройств настройки компенсации для режима замыкания на землю (АНКЗ) основаны на измерении частоты свободных колебаний контура нулевой последовательности и управляют компенсирующими устройствами, имеющими заметную инерционность (плунжерные ДГР, ДГР с подмагничиванием), поэтому особых требований по быстродействию АНКЗ не предъявлялось. Между тем, запаздывание устройств АНКЗ в процессе резкой и глубокой расстройки компенсации для целей управления резистором в нейтрали может быть опасным.

Поэтому в данной работе рассматриваются принципы организации быстродействующих устройств выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю, предназначенных для управления защитным резистором.

Технические требования к таким устройствам могут быть несколько иными, чем к устройствам АНКЗ ДГР.

В первую очередь это касается быстродействия - оно должно быть максимальным, во-вторых, требования по точности определения расстройки могут быть существенно снижены по сравнению с АНКЗ.

При возможных в условиях эксплуатации расстройках компенсации емкостных токов на уровне ±30% включение защитного резистора должно быть обеспечено за время, меньшее времени бестоковых пауз режима перемежающегося горения дуги. Для степени расстройки У= ±30% это время составляет около 0,02 —

0,03с при демпфировании й = 0,05. За столь короткое время определение степени расстройки и включение защитного резистора с помощью известных устройств АНКЗ затруднительно, поэтому предлагается измерение настройки компенсации с помощью более информативных для указанных целей параметров.

В режиме перемежающегося горения дуги единственным источником информации о расстройке компенсации служит контур нулевой последовательности сети. Измерение частоты свободных колебаний контура, как было показано в ряде работ, связано со сложной аппаратурной реализацией и ограничено допустимой степенью расстройки из-за неизбежных погрешностей измерения при малых временах восстановления напряжения на поврежденной фазе [7].

Можно предложить использование другого параметра контура нулевой последовательности для определения степени расстройки, например, основанного на © Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

измерении углового сдвига напряжения на нейтрали и0($ при свободных колебаниях в контуре нулевой последовательности после погасания дуги тока замыкания по отношению к напряжению источника питания и({).

Измерение фазы Дф(*) между этими напряжениями здесь может быть использовано для определения как величины, так и знака расстройки. Связь между степенью расстройки и изменением углового сдвига вытекает из следующего соотношения:

Аф(і)-(юСВ - ю0 )(•

(1)

Измеряя скорость изменения разности углов Дф(^), можно определить степень настройки компенсации К с учетом

ю 02 К--

2 >2 ю а

!ю 0

л/К,

а значит, и V:

(

Аф - ю о

К —

-1

откуда можно получить:

V = -

АФ п ( „ АФ п

2 + -

360пі

360п

(2)

(3)

(4)

где Аф п - приращение угла сдвига между Щ0(і) и Щ(і) во времени; п - время в долях от периода промышленной частоты.

Расчеты углового сдвига Щ0(і) относительно напряжения поврежденной фазы в функции от V и а проведены по программе “Модель”. Результаты расчетов, приведенные на рис. 1, показывают, что зависимость Аф(і) от степени настройки (расстройки) компенсации в области а < 0,05 практически не отличаются от зависимостей при а = 0, а при а = 1 отличаются лишь на 11,2 %.

Рис. 1. Зависимость угла Дф от степени настройки компенсации © Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

4

2

а

4

Следует отметить, однако, что принцип измерения Дф(^) основан на определении фазового сдвига периодических синусоидальных сигналов и поэтому обеспечивает достоверность только с использованием фильтрации входных сигналов. Это приводит к соответствующему их запаздыванию, а следовательно, к погрешности при малых длительностях бестоковых пауз в режиме перемежающегося горения дуги. Можно показать, что, тем не менее, при времени восстановления напряжения на поврежденной фазе на уровне не менее 0,03 — 0,04 с погрешность измерения Аф(^) становится приемлемой даже при больших значениях d, что выгодно отличает этот способ определения расстройки компенсации от вышеописанных.

Управление защитным резистором по углу между напряжением на нейтрали и напряжением источника поврежденной фазы может быть организовано с использованием приведенных на рис. 1 зависимостей.

Анализ этих зависимостей показывает, что необходимая для управления степень расстройки компенсации V определяется с достаточной степенью точности в довольно широком диапазоне значений d. Так, ввиду слабой зависимости Дф от d погрешность определения расстройки компенсации V при d = 0,3 не превышает ± 10 %, что представляется вполне допустимым, так как в диапазоне максимальных эксплуатационных расстроек компенсации на уровне ± 0,3 требуемое для достаточного демпфирования значение d не превышает 0,3.

Непосредственное измерение угла ф с помощью известных схем [7] позволяет

вычислить величину расстройки за счет функционального преобразования V=,ДДф).

Здесь необходимая для вычисления V величина Дф может быть определена при

Дф dф dф

линеаризации зависимости Дф(^) из соотношения ---------= — как Дф = — Д , где

Д dt dt

Д = const. Поэтому определение Дф возможно с помощью выполнения обычной операции дифференцирования сигнала Дф^) с выхода измерителя угла. При известных V и 1К определение величины требуемого активного тока затруднений не вызывает:

Ik Ik

IA = Д1 = IK — IC = IK--------= IK--------.

К 1 - V

Реализация описанного принципа управления может быть осуществлена, например, с помощью устройства, блок-схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема устройства управления защитным резистором по углу © Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

Работа схемы начинается в режиме однополюсного замыкания на землю, выявляемого с помощью блока выбора поврежденной фазы 1. При этом на выходе БВПФ появляется напряжение питания поврежденной фазы, подаваемое на один из входов устройства измерения угла ф 2, на второй вход которого подается U0. Измеренное значение угла подается на дифференцирующий элемент З, с выхода которого сигнал, пропорциональный величине Дф, подается на функциональный преобразователь, где представлена зависимость V=fДф).

С выхода блока 4 сигнал, пропорциональный расстройке, подается на сумматор 5, где производится вычисление степени настройки К. Блок деления б осуществляет операцию деления тока ДГР на К. Так как в режиме комбинированной нейтрали настройка компенсации не изменяется, то величина тока ДГР может считаться известной и задается в виде установки 1К. Величина накладываемого активного тока вычисляется на сумматоре 7 и подается на вход АЦП 8, который управляет величиной активного тока в нейтрали. При любом изменении схемы сети и связанным с этим изменением ее емкости нулевой последовательности в процессе свободных колебаний и восстановления напряжения на поврежденной фазе с помощью измерения характера изменения угла во времени происходит вычисление расстройки компенсации и соответствующее изменение величины активного тока.

В установившемся режиме замыкания на землю угол между напряжением нейтрали и напряжением источника не изменяется во времени и поэтому сигнал с выхода блока дифференцирования З равен нулю и бесполезного наложения активного тока не происходит.

Необходимо обратить внимание, что в предлагаемом управлении не исчезает проблема обеспечения точности определения настройки по зависимости рис. 1 при больших значениях коэффициента демпфирования d. При d > 0,3 определение степени расстройки с помощью функционального преобразователя возможно только со значительным усложнением управления. В данном случае было бы необходимо изменять характеристики функционального преобразователя при изменении демпфирования, т.е. осуществлять переход на разные зависимости при вариации величины d.

Учет влияния коэффициента демпфирования d на зависимость V=fДф) можно осуществить с помощью коррекции входного сигнала Дф на некоторую постоянную величину, которая зависит от d. Такая операция представляется допустимой в силу двух очевидных обстоятельств: линейности и практически одинаковой крутизне зависимостей Дф = fV) при d = var и достаточно точно определяемой зависимости ДфК =f(d). Зависимости ДфК = f(d) для расстроек в пределах ±0,3 показаны на рис. 3.

Дф"

© Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

Достаточно слабовыраженная зависимость Дф от V при постоянном демпфировании позволяет использовать для коррекции одну зависимость Дф = f(d) при V = 0. Неточность коррекции при этом невелика и не превосходит 5-7% при d = 0,S.

Принципиальная схема коррекции показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема коррекции

Коррекция по углу Дф здесь вычисляется из условия d = V на функциональном преобразователе 10 путем суммирования входного сигнала Дф и сигнала коррекции ДфК. Эта операция приводит к смещению зависимости Дф = $¥) вверх на постоянную величину ДфК. При этом происходит достаточно точный учет влияния демпфирования на расстройку без значительного усложнения схемы.

Summary

Problems of combined neutral ground are considered. Grounding resistor control method, based on measuring the angle shift between neutral voltage and power supply voltage, is suggested.

Литература

1. Евдокунин Г. А., Евдокунин Г. А., Гудилин С.В., Корепанов А. А. / Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество. - 1998. - № 12. - С. 8-22.

2. Индуктивно-активное заземление нейтрали в кабельных сетях 10 кВ / Г.П. Езовит, А.А. Безпрозванный, А.Н. Бездольный и др. // Электрические станции. - 1989. - № 5. - С. 78-81.

3. Иванов А.В., Иванов А.В., Кадомская К.П. / О целесообразности оснащения нейтрали сетей средних классов напряжения параллельным соединением резистора и дугогасящего реактора // Энергетик. - 2004. - № 6. - С.28-28.

4. Рыжкова Е.Н. Управление защитным резистором для сетей 6 - 35 кВ с активно-индуктивным заземлением нейтрали // Электричество. - 2007. - № 3. - С. 16 - 20.

5. Рыжков В.П., Рыжкова Е.Н. О возможностях управляемого резистивного заземления нейтрали в сетях с малыми токами замыкания на землю // Электрика. - 2007. - № 5. - С. 30-33.

6. Рыжкова Е.Н. Активно-индуктивное заземление нейтрали сетей 6-35 кВ // Вестник ПГУ. - 2006. - № 4. - С. 123-131.

7. Овчаренко Н.И. Микропроцессорные комплексы релейной защиты и автоматики распределительных электрических сетей. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 1999. - 64 с.

Поступила 03.06.2008

© Проблемы энергетики, 2008, № 7-8