Емкостного тока замыкания на землю

Включение в нейтраль сети с изолированной нейтралью дугогасящего реактора, имеющее целью оптимизировать величину емкостного тока однофазного замыкания на землю и создать условия для самопогасания заземляющей дуги, в нормальном режиме работы сети (рис.9, а) может явиться причиной воз-

 

Рис.9. Сеть с резонансно заземленной нейтралью:

а) трехфазная схема; б) эквивалентная схема замещения

 

никновения в ней значительных резонансных перенапряжений. Такая возможность связана с тем, что в этом случае эквивалентная схема сети (рис.9, б) представляет собой известную в электротехнике цепь резонанса напряжений, в которой эквивалентный источник последовательно связан с дугогасящим реактором и проводимостями фаз сети на землю. Условие возникновения резонанса в этой цепи:

, (44)

совпадает с условием (37) идеальной резонансной настройки дугогасящего реактора, установленного для компенсации емкостного тока замыкания на землю. Поэтому, если в нормально работающей сети в связи с какими-либо обстоятельствами оказывается не равным нулю и выполняется условие (44), то в контуре (рис.9, б) возникаетрезонанс напряжений. При этом ток ограничивается только потерями в и , а напряжение в нейтрали и напряжения на фазах и (согласно (1)) могут иметь значения, на много превышающие допустимые для изоляции электрооборудования.

Рассмотрим факторы, определяющие режим напряжений в нормально работающей сети с резонансным заземлением нейтрали. По аналогии с (2) и (3) для узла схемы рис.9, а, связанного с землей, уравнения баланса токов запишем в виде:

(45)

или

. (46)

Решив (1) и (46) совместно, получим выражение для расчета напряжения несимметрии в нормально работающей сети с резонансно заземленной нейтралью:

. (47)

Полагая в (47), например, , придем к выводу, что при однофазном замыкании на землю напряжения в такой сети практически совпадают с напряжениями в сети с изолированной нейтралью (рис.8), т.к.

,

а и согласно (1) будут отвечать выражениям (15) – (17).

Для нормального же режима работы сети с резонансно заземленной нейтралью (47) можно придать следующий вид:

, (48)

где отвечают соответственно (6) и (7); а и (41) и (42).

Обычно характеризуют его относительной величиной , получившей название степени относительного смещения нейтрали сети, которая в прцентах определяется по выражению, аналогичному (15):

. (49)

Из (48) и (49) следует, что несимметрия емкостных или активных проводимостей фаз на землю в сети с резонансно заземленной нейтралью также сопровождается наличием в нейтрали напряжения несимметрии . Однако, в этом случае модуль этого напряжения, кроме того имеет резонансную зависимость от величины расстройки компенсации (рис.10).

 

Рис.10. Резонансные кривые относительной степени смещения нейтрали сети: _Nр – для нормального режима работы сети; 2, 3, 4 – то же самое

в случаях возникновения потери части емкостной проводимости

фазы А сети, соответственно 4,3 %, 12,5 % и 17 %

 

В частности, если реактор настроен в резонанс , то относительное значение модуля достигает своего максимального значения, равного:

_Nр = . (50)

При этом само это напряжение, а следовательно и напряжения на фазах будут тем большими, чем меньше коэффициент демпфирования . Так, например, если , то при в сети с резонансно заземленной нейтралью модуль будет в 50 раз превышать его же значение () в сети, работающей без дугогасящего реактора.

В целях ограничения перенапряжений до значений безопасных для изоляции электрооборудования ПТЭ определяет, что в сетях с резонансным заземлением нейтрали до установки дугогасящего реактора степень относительной несимметрии сети не должна превышать 0,75 %. В этом случае степень относительного смещения нейтрали сети при подключении в нейтраль реактора, настроенного в резонанс, не будет превышать 15 % от величины фазного напряжения. Если это условие не выполняется, то должны быть приняты меры по симметрированию емкостных проводимостей сети путем транспозиции фаз линий электропередачи или подключения в сеть симметрирующих конденсаторов (конденсаторов связи, импульсных конденсаторов).

Возможные в сетях с резонансно заземленной нейтралью аварийные обрывы фаз без падения проводов на землю, недовключения или недоотключения фаз выключателей заметно увеличивают несимметрию сети, создавая условия для увеличения (рис.9, б) и увеличения соответственно резонансных перенапряжений (рис.10). При этом следует иметь в виду, что поскольку эквивалентная емкость сети уменьшается, то согласно (37), резонанс кривой зависимости от степени расстройки компенсации смещается в зону недокомпенсации и, если в доаварийном режиме сеть работала со значительной недокомпенсацией, то при возникновении несимметрии, связанной с потерей части емкостей фаз, рабочий режим может оказаться в зоне значительных резонансных перенапряжений, обусловленных новым состоянием параметров (рис.10). Это может повлечь за собой разрушение изоляции электрооборудования и развитие аварии. Если же до аварийного разрыва сеть работала с резонансной настройкой или с перекомпенсацией, то разрыв фазы, снижая суммарную емкость сети, приводит к смещению рабочего режима в зону еще большей перекомпенсации, где возможные величины напряжений несимметрии в нейтрали много меньше, чем в зоне недокомпенсации.

В связи с указанным ПТЭ рекомендует, как правило, резонансную настройку компенсации. Если таковая по каким-либо причинам не возможна - настройку с перекомпенсацией на 5 – 10 %. Недокомпенсация допускается лишь в крайних случаях и не более чем на 5 %. При этом обязательно должна быть выполнена проверка возможных уровней напряжений в сети при не включении одной фазы наиболее длинной линии электропередачи. В этом случае степень относительного смещения нейтрали сети не должна превышать 70 % от фазного напряжения. При невыполнении указанных условий должен быть выбран другой реактор, позволяющий обеспечить необходимое снижение напряжения в нейтрали сети в аварийных режимах.

 

8 Конструкции дугогасящих ректоров

Конструкции дугогасящих реакторов близки к конструкциям масляных трансформаторов: в бак, заполненный трансформаторым маслом, помещена магнитная система с обмоткой. Дугогасящие реакторы различаются главным образом выполнением магнитной системы. Известны следующие конструкции магнитопроводов: с распределенным воздушным зазором, плунжерного типа, с подмагничиванием.Схема конструкции реактора с магнитопроводом с распределенным воздушным зазором приведена на рис.11, а. Распределенный воз-

Рис.11. Дугогасящий реактор с магнитопроводом с распределенным

воздушным зазором

 

душный зазор 1 обеспечивает линейность вольтамперной характеристики реактора при изменении напряжения от нуля до фазного значения (рис.11, б). Обмотка 2 имеет ответвления 3 для ступенчатого регулирования сопротивления. Такую конструкцию имеют магнитопроводы, выпускаемых в настоящее время отечественными заводами реакторов типа ЗРОМ (З - заземляющий, Р – реактор, О – однофазный, М – масляный). Недостаток этих реакторов заключается в том, что изменение настройки производят при отключении реактора от сети и осуществляют вручную ступенями с помощью переключателя ответвлений, расположенного на крышке бака.

Схема реактора с магнитопроводом плунжерного типа представлена на рис.12. Магнитная система 1 имеет перемещающиеся стержни 2 типа плунжеров, с помощью которых можно плавно регулировать воздушный зазор 3 внутри обмотки 4. Перемещение стержней осуществляется с помощью электродвигательного привода с дистанционным управлением. Таким образом, магнитопровод обеспечивает плавное дистанционное регулирование сопротивления без отключения реактора от сети, что позволяет автоматизировать настройку. Это означает, что всякое изменение рабочего состояния сети, вызывающее изменение ее емкостного сопротивления, должно вызывать соответствующее изменение индуктивного сопротивления реактора, необходимое для сохранения резо-

 

Рис.12. Схема магнитопровода плунжерного типа

дугогасящего реактора

 

нансной настройки. Однако изменение воздушного зазора требует некоторого времени и поэтому реакторы с магнитопроводами плунжерного типа не могут обеспечить быстродействующей перестройки.

Дугогасящие реакторы с подмагничиванием магнитопровода выполняют в двух вариантах: с продольным подмагничиванием и с поперечным подмагничиванием. При подмагничивании магнитопровода изменяются его магнитные свойства и магнитное сопротивление. В результате изменяется и индуктивное сопротивление реактора.

Схема реактора с магнитопроводом с продольным подмагничиванием приведена на рис.13. Магнитопровод 1 выполнен трехстержневым с воздушным зазором 2. На среднем стержне расположена основная компенсирующая обмотка 3. Обмотки подмагничивания 4 расположены на крайних стержнях. Подмагничивание осуществляется выпрямленным током, значение которого изменяется с помощью автоматического регулятора. Чтобы исключить обратное влияние магнитного потока переменного тока основной обмотки на контур подмагничивания, секции обмотки подмагничивания включены встречно. Автоматический регулятор, формирующий сигналы управления на обмотки подмагничивания, должен реагировать на один из характерных параметров режима замыкая фазы на землю: значению или фазу потенциала нейтрали, значение суммарной емкостной проводимости сети.

Рис.13. Магнитопровод дугогасящего реактора

с продольным подмагничиванием

 

Схема конструкции реактора с поперечным подмагничиванием магнитопровода приведена на рис. 14. Магнитопровод 1 выполнен двухстержневым. На каждом стержне размещаются основная обмотка 2 и обмотка управления (подмагничивания) 3. Подмагничивание осуществляют выпрямленным током, значение которого изменяется с помощью автоматического регулятора. Магнитный поток переменного тока замыкается через подмагничиваемые участки стержней 4, воздушные зазоры 5 и ярма 6. Магнитный поток подмагничивания постоянным током ориентирован поперек магнитного потока переменного тока. Оси обмоток подмагничивания повернуты на 90° относительно осей основных обмоток, что исключает обратное влияние магнитного потока переменного тока на контур подмагничивания. Размещение подмагничиваемых участков магнитопровода внутри основных обмоток уменьшает потоки рассеяния.

 

Рис. 14. Дугогасящий реактор с поперечным подмагничиванием

 

Реакторы с подмагничиванием обеспечивают возможность автоматической быстродействующей настройки (в течении 1 - 2 с), т.е. самую гибкую и совершенную систему регулирования, удовлетворяющую требованиям любого режима сети – без замыкания и с замыканием на землю.

Из опыта эксплуатации следует, что эффективность компенсации емкостного тока тем выше, чем совершеннее система регулирования и настройки дугогасящих реакторов, а именно: при неизменной настройке реакторов эффективность компенсации тока равна 0,6, при использовании реакторов с ручным ступенчатым регулированием – 0,7, при автоматическом небыстродействующем изменении настройки (реакторы плунжерного типа) – 0,8, при использовании реакторов с подмагничиванием и автоматической быстродействующей настройкой – 0,9.

 

 

9 Выбор и установка дугогасящих реакторов

 

Выбор мощности и места установки дугогасящих реакторов производится с учетом конфигурации сети, возможных делений ее на части, возможных ее аварийных режимов, а также влияний на линии связи и автоблокировочные цепи железных дорог.

Для сети, в которой предполагается использовать режим резонансного заземления нейтрали, прежде всего, определяют максимальный возможный емкостной ток однофазного замыкания на землю . Этот ток обычно определяют без учета емкостной асимметрии по выражениям (31) или (32), где рассчитывают по (13), а емкости фаз сети определяют, как сумму фазных емкостей всех входящих в сеть линий электропередачи:

, (51)

где ; соответственно удельные емкости фаз на землю для участков линий без грозозащитного троса и с грозозащитным тросом (в мкФ/км); длины участков линий без троса и с тросом (в км), общее количество линий, участвующих в расчете.

Значения емкостных токов линий могут быть также определены и в соответствии со следующими приближенными формулами:

, (52)

где номинальное линейное напряжение сети, кВ; удельный емкостной ток линии (в А на 1 км длины и 1 кВ линейного напряжения для й линии, А(); длина линий в км,

или , (53)

где коэффициент, равный 350 для воздушных линий и 10 для кабельных, .

Расчетный емкостной ток однофазного замыкания на землю воздушных сетей уточняют, учитывая приближенные значения емкостных проводимостей на землю распределительных устройств и установленного на них электрооборудования, путем увеличения суммарного тока воздушных линий на 10 % (емкостной ток кабельных линий при этом не учитывается):

(54)

Полученное должно быть проверено практическим, его измерением. Проведение измерений очень важно для уточнения режимов работы дугогасящих реакторов.

Решение о необходимости установки дугогасящих реакторов принимают на основании сопоставления максимального расчетного значения емкостного тока замыкания на землю с нормативно допустимой величиной этого тока для сети соответствующего назначения и конструкции.

Сеть, предназначенная для работы с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, должна иметь степень относительной несимметрии менее 0,75 %. Поэтому следующим этапом подготовки решения об установке дугогасящего реактора в ее нейтрали должна быть проверка величины ее относительной степени несимметрии. Для этого используется выражение (6), так как несимметрия, вносимая активными проводимостями (7), обычно мала, а неучет коэффициента демпфирования в (5) позволяет оценить максимальную возможную величину этого параметра.

Если степень относительной несимметрии превышает допустимую величину , то снижение ее достигается выравниванием емкостных проводимостей фаз сети на землю. Выравнивание осуществляется изменением положения фаз линий на шинах подстанций, вводах линий, опорах, где сделаны ответвления от линий, в пролетах между опорами с различным расположением проводов, а также перераспределением и с помощью дополнительной установки конденсаторов связи и конденсаторов для защиты вращающихся машин от грозовых перенапряжений. При симметрировании должна быть предусмотрена возможность деления сети на части и учтено наличие в сети двухцепных линий электропередачи, так как емкости на землю последних зависят от состояния цепей (выключены обе, одна отключена, одна отключена и заземлена).

Суммарная мощность устанавливаемых дугогасящих реакторов выбирается по величине максимального емкостного тока замыкания на землю:

, (55)

где номинальное напряжение сети, в которой подключаются реакторы; коэффициент 1,25 учитывает ее развитие в ближайшие 5 лет.

Выбор мощности реакторов с большим запасом может привести к неполному их использованию и затруднить установку наиболее целесообразных настроек. Малый запас по мощности может привести к необходимости работы сети в режимах недокомпенсации, при которых возможно появление в сети опасных напряжений смещения нейтрали.

На выбор мощности дугогасящих реакторов и их числа оказывает также влияние возможность установки на них ступеней токов компенсации (ответвлений), обеспечивающих возможно полную компенсацию емкостного тока замыкания на землю в сети при различных возможных конфигурациях сети и отключениях отдельных ее участков и линий. Исходя из соображений гибкости и надежности осуществления компенсации, рекомендуется устанавливать не менее двух реакторов.

Следующим этапом подготовки режима работы сети с резонансно заземленной нейтралью является этап выбора места установки дугогасящих реакторов. Рекомендуется устанавливать их на питающих узловых подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями электропередачи. Установка их на тупиковых подстанциях недопустима, так как есть вероятность отключения подстанции с дугогасящим реактором, а также повышается возможность работы трансформаторов с дугогасящим реактором в нейтрали в аварийных неполнофазных режимах, когда напряжение смещения нейтрали сети может достигнуть опасных величин.

На подстанциях реакторы присоединяют к нейтралям питающих трансформаторов, трансформаторов собственных нужд или нейтралям трансформаторов, специально предназначенных для этой цели (рис.15). Для присоединения дугогасящих реакторов на станциях используют нейтрали генераторов или нейтрали обмоток генераторного напряжения трансформаторов собственных нужд.

Присоединение дугогасящих реакторов желательно осуществлять с помощью трансформаторов, имеющих обмотки, соединенные в треугольник. Сопротивление нулевой последовательности таких трансформаторов не велико по сравнению с сопротивлением реактора и мало влияет на его настройку. Не рекомендуется использовать для подключения дугогасящих реакторов трансформаторы с обмотками, соединенными по схеме звезда-звезда, так как их значительное сопротивление нулевой последовательности может затруднить настройку реактора.

С учетом того, что значение нагрузки обычно близко к единице, а активное сопротивление реактора мало, допустимая мощность трансформатора, к которому подключается реактор, может быть определена по выражению:

,

где максимальная мощность нагрузки; коэффициент допустимой перегрузки трансформатора на время работы сети с однофазным замыканием на землю.

 

Рис.15. Типовые схемы подключения дугогасящих реакторов

к нейтралям трансформаторов и вращающихся электрических машин:

а) дугогасящие реакторы, подключенные к нейтралям трансформаторов,

при работе одного из трансформаторов подключаются к работающему;

б) Т1 не имеет нагрузки, Т2 имеет нагрузку, поэтому он подключается

к шинам через выключатель Q; в) дугогасящий реактор подключен

к нейтрали генератора, работающего по схеме блока

 

 

Номинальная мощность трансформатора с обмотками, соединенными в треугольник, должна быть не менее расчетной мощности реактора, если трансформатор предусмотрен непосредственно для подключения реактора, и не менее двухкратной, если трансформатор несет нагрузку. Если по ряду обстоятельств приходится использовать трансформатор с обмотками, соединенными по схеме звезда-звезда, то его мощность должна превышать расчетную мощность реактора не менее чем в 4 – 5 раз.

После выбора места установки реактора и мощности трансформатора, в нейтраль которого он подключается, определяют действительный ток компенсации:

, (56)

где и соответственно расчетные значения сопротивлений трансформатора и реактора;

, (57)

где и номинальное напряжения и мощность трансформатора; его напряжение короткого замыкания;

. (58)

Затем, используя уточненное измерениями , определяют коэффициент расстройки компенсации:

. (59)

и степень относительного смещения нейтрали сети по (49).

Помимо указанных параметров необходимо также определить допустимость степени относительного смещения нейтрали сети при аварийном разрыве одной фазы линии электропередачи, имеющей наибольшую длину. Для этого можно также воспользоваться (49).

В заключение на основании анализа , и делается вывод о их соответствии требованиям ПТЭ и возможности работы сети с выбранными настройками дугогасящего реактора. В случае, когда рекомендации ПТЭ по какой-либо причине не могут быть удовлетворены, то следует либо перейти на другое ответвление реактора, либо выбрать другой реактор, либо принять какие-либо другие меры.