Способ управления заземлением нейтрали в электрической сети
ELECTRICAL NETWORK NEUTRAL GROUNDING CONTROL METHOD

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью.
В трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью допускается работа оборудования при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) в условиях контроля тока ОЗЗ поврежденной фазы с использованием управляемых средств заземления нейтрали сети. Известен способ управления заземлением нейтрали с помощью включенного между нейтралью сети и землей реактора (катушки Петерсена), обеспечивающего возможность контролировать ток ОЗЗ, каким бы ни был емкостной ток от кабельной линии [1]. Индуктивность катушки подбирается по условию резонанса так, чтобы при замыкании фазы на землю вводимый в нейтраль сети отстающий индуктивный ток был равен опережающему емкостному току ОЗЗ. В условиях точной настройки, когда ток в месте повреждения теоретически нулевой, заземляющая дуга в месте повреждения самоустраняется и повторно не возникает. Такой подход к управлению заземлением нейтрали дает возможность предотвратить внезапность нарушения электроснабжения, обусловленного отключением поврежденного элемента, что для ряда отраслей промышленности может являться важной причиной ущерба сетевого оборудования.
На определенном этапе уровень техники в этой области ограничивался техническим решением на основе реактора с отпайками, настраиваемого на резонанс по условию максимума естественного или искусственного напряжения смещения нейтрали. Недостатки его - зависимость от добротности контура сети, относительно низкая точность и недостаточное быстродействие в условиях пошагового приближения к точке резонанса.
В распределенных сетях с гибкой фидерной системой питания электроприемников для заземления нейтрали применяются более совершенные средства управления заземлением нейтрали с использованием плавнорегулируемых реакторов. Известны способы управление заземлением нейтрали сети на основе реактора с плунжерной настройкой [2] и реактора с подмагничиванием [3]. Указанные технические решения включают в себя функции контроля текущих параметров контура сети и определения информационной координаты для управления исполнительным органом в период нормальной работы сети. В техническом решении [2] настройка плунжерного реактора производится с использованием данных измерений собственной частоты контура сети, контролируемой до момента возникновения ОЗЗ, а в условиях ОЗЗ управление плунжерным реактором блокируется. В техническом решении с использованием реактора с подмагничиванием [3] настройка реактора производится с момента возникновения ОЗЗ, для управления настройкой используются данные емкостного тока сети, измеренные до момента возникновения ОЗЗ в условиях нормальной работы сети.
В этих решениях для управления реактивным элементом заземления нейтрали сети используются данные измерения реакции в контуре сети в условиях искусственного смещения нейтрали с помощью источника непромышленной частоты, что должно способствовать некоторому повышению чувствительности и точности резонансной настройки.
Недостаток этих решений заключается в том, что ограничиваются отстройкой в точке повреждения только от емкостной составляющей тока ОЗЗ, что недостаточно для ряда современных сетей. К тому же, из-за низкого быстродействия управляемых реактивных элементов в период длительного переходного процесса в местах повреждения имеют место высокое шаговое напряжение и повышенная пожароопасность, сопровождающаяся риском значительного ущерба сетевого оборудования.
Развитие современных сетей в условиях плотных городских застроек идет в сторону усложнения конфигурации и повышения суммарной протяженности, что приводит к значительному росту как емкостной, так и активной составляющих тока утечки. В результате, даже в условиях точной резонансной настройки контура сети в месте повреждения может протекать значительный остаточный ток, обусловленный не подвергаемой отстройке активной составляющей тока ОЗЗ. Это прежде всего относится к сетевым объектам, где продолжается эксплуатация изношенных кабельных сетей с ослабленной изоляцией. В свою очередь, в сетях, где имеет место перекос фазных напряжений, обусловленный несимметрией проводимостей фаз относительно земли, возможен значительный рост остаточного тока за счет влияния тока небаланса.
В сетях с электроприемниками, имеющими в своем составе преобразовательную технику, значительную долю тока ОЗЗ составляют высшие гармоники, обуславливающие неблагоприятный рост остаточного тока в месте повреждения. Так как для управления заземлением нейтрали используется индуктивный элемент (катушка реактора), импеданс которого увеличивается с ростом частоты, то высшие гармоники тока КЗ скорее всего замыкаются в контуре с меньшим импедансом, т.е. через место повреждения.
Следует отметить тот факт, что кабельные сети, у которых емкостные токи составляют несколько сотен ампер, очень чувствительны к тому, насколько точно определена информационная координата, используемая для настройки средств компенсации. Обычно для настройки реактора используются информационные данные, определяемые по результатам косвенного измерения параметров контура нулевой последовательности сети с использованием тестового тока, величина которого обычно много ниже тока ОЗЗ. В этих условиях сложно учесть влияние нелинейных свойств реактора. В свою очередь, остаются вне учета изменения параметров контура сети, обусловленные подключением или отключением фидерных присоединений, которые могут происходить сразу же после того как была зафиксирована информационная координата для настройки реактора. В этих случаях высока вероятность установления режимов недокомпенсации или перекомпенсации емкостного тока замыкания на землю, обуславливающих прирост остаточного тока в точке замыкания фазы на землю
Наиболее близким по принципу действия к предложенным техническим решениям, является способ [4], который предусматривает настройку с использованием реактивных и активных средств компенсации емкостной и активной составляющих основной гармоники тока замыкания на землю . Но, так как для управления используются данные измерений, выполненных косвенными методами, то, как было отмечено выше, в этих условиях довольно проблематично обеспечить высокую точность настройки.
Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в создании технических решений, обеспечивающих возможность быстро и точно контролировать ток ОЗЗ и управлять его компенсацией, какими ни были его составляющие в точке замыкания на землю. Эти факторы обуславливают возможность повысить надежность электроснабжения за счет существенного снижения рисков электро и пожароопасности и отказа оборудования.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении точности и быстродействия измерения и управления компенсацией тока ОЗЗ с возможностью расширения сферы применения.
В первом техническом решении указанный результат достигается способом управления заземлением нейтрали в электрической сети, заключающимся в том, что при однофазном замыкании на землю вводят в нейтраль сети ток компенсации, при возникновении замыкания одной из фаз на землю создают цепь искусственного замыкания этой фазы на землю, измеряют ток в цепи искусственного замыкания фазы на землю, определяют мгновенный ток замыкания на землю, воспроизводят его в нейтрали сети и размыкают цепь искусственного замыкания фазы на землю.
К тому же вводят в нейтраль сети ток компенсации с помощью регулируемого источника, подключенного к нейтрали сети с возможностью его настройки сигналом, выделенным из определенного мгновенного тока замыкания на землю.
Во втором техническом решении указанный результат достигается способом управления заземлением нейтрали в электрической сети, заключающимся в том, что при однофазном замыкании на землю вводят в нейтраль сети ток компенсации, при возникновении замыкания одной из фаз на землю создают цепь искусственного замыкания этой фазы на землю, измеряют токи в цепи искусственного замыкания фазы на землю и в цепи заземляющего нейтраль сети реактора, определяют мгновенный ток замыкания на землю, воспроизводят его в нейтрали сети и размыкают цепь искусственного замыкания фазы на землю.
В одном из вариантов второго технического решения вводят в нейтраль сети ток компенсации с помощью регулируемого источника, подключенного к обмотке заземляющего нейтраль сети реактора с возможностью настройки регулируемого источника сигналом, выделенным из определенного мгновенного тока замыкания на землю.
Во втором варианте второго технического решения вводят в нейтраль сети ток компенсации с помощью регулируемого источника, подключенного к обмотке заземляющего нейтраль сети регулируемого реактора с возможностью настройки регулируемого источника и регулируемого реактора сигналами, выделенными из определенного мгновенного тока замыкания на землю.
Принцип действия предложенных технических решений заключается в том, что в сетях с изолированной нейтралью, где бы ни возникло замыкание одной из фаз на землю и каким бы ни был характер замыкания фазы на землю, оно тут же блокируется посредством искусственного замыкания этой же фазы в контролируемой зоне, где предусматривается точное прямое измерение тока замыкания сети на землю и определение информационных сигналов для прямого управления и точной настройки вводимого в нейтраль сети тока компенсации, при котором ток в точке замыкания фазы на землю, оказывается теоретически нулевым, какими бы не были его составляющие.
Сопоставительный анализ предложенных технических решений с прототипом и аналогами показывает, что первые обладают более высокой точностью и быстродействием измерения и управления компенсацией и могут иметь более широкую сферу применения.
Сущность предполагаемых изобретений поясняется схемами, приведенными на фиг. 1 - 3. На фиг. 1 представлена функциональная схема управления заземлением нейтрали с использованием регулируемого источника, подключенного между нейтралью сети и землей; на фиг. 2 - схема с регулируемым источником, подключенным к обмотке заземляющего нейтраль сети реактора; на фиг. 3 - схема с совместно управляемыми регулируемым источником и регулируемым реактором в цепи заземления нейтрали сети.
с
пит
Схема на фиг. 1 содержит источник электрической сети Е с изолированной нейтралью 1, питающий шину 2 с фидерными присоединениями 3 и 4. К шине 2 подключены: нейтралеобразующий трансформатор 5, вторичные обмотки которого включены по схеме «замкнутый треугольник», а общий вывод первичных обмоток, включенных по схеме «звезда», образует искусственно созданную нейтраль сети 6; трансформатор напряжения 7, вторичные обмотки которого, включены по схеме «звезда» и «разомкнутый треугольник»; блок силовых ключей 8 на основе трех однополюсных силовых ключей, первые силовые выводы которых подключены пофазно к шине 2, а вторые силовые выводы объединены и подключены через первый датчик тока 9 к шине заземления 10. Нейтраль 6 подключена к шине заземления 10 через второй датчик тока 11 и выход регулируемого источника 12, который может питаться от оперативного источника U. Управляющий вход регулируемого источника 12 и управляющий вход блока силовых ключей 8 подключены соответственно к первому и второму выходам блока измерения и управления 13, у которого первый вход подключен к выходу первого датчика тока 9, второй вход - к выходу второго датчика тока 11 и третий вход - ко вторичным обмоткам трансформатора напряжения 7.
В схеме на фиг. 2 нейтраль 6 подключена к шине заземления 10 через обмотку реактора 14, образующего индуктивную цепь заземления нейтрали сети с возможностью частичной (в случае применения нерегулируемого или ступенчато регулируемого реактора типа ЗРОМ), либо полной компенсации емкостной составляющей тока ОЗЗ (в случае применения плавнорегулируемого реактора типа РЗДПОМ с блоком управления настройкой 15). Выход регулируемого источника 12 может быть подключен к основной или вспомогательной (согласующей) обмотке реактора 14.
В схеме на фиг. 3 управляющий вход регулируемого реактора 14 подключен к третьему выходу блока измерения и управления 13 с возможностью совместного управления регулируемыми источником и реактором.
Устройство по схеме на фиг. 1 работает следующим образом. В условиях нормальной работы сети блок измерения и управления 13 устанавливает блокирующие сигналы на управляющих входах регулируемого источника 12 и блока силовых ключей 8, и осуществляет контроль и измерение текущих фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали посредством обработки сигналов, поступающих с выходных обмоток трансформатора напряжения 7. При этом выход регулируемого источника 12 обесточен и находится в непроводящем (высокоимпедансном) состоянии, силовые ключи блока 8 разомкнуты.
При возникновении однофазного замыкания на землю, например, дугового замыкания на землю фазы фидерного ответвлении 4, блок измерения и управления 13 фиксирует аварийное событие по соответствующим изменениям сигналов текущих напряжений, поступающих с выходных обмоток трансформатора 7, и подает на управляющий вход блока 8 сигнал на коммутацию силового ключа, осуществляющего замыкание поврежденной фазы питающей шины 2 на шину заземления 10. В результате, в начале развития аварийного процесса искусственно меняется конфигурация контура тока ОЗЗ, текущего по двум неповрежденным фазным линиям и через распределенные относительно земли активные и емкостные проводимости возвращающегося в поврежденную фазу. До коммутации силового ключа блока 8 петля тока ОЗЗ охватывала протяженный участок фидерного присоединения 4 с относительно высоким переходным сопротивлением. С момента коммутации ключа блока 8 образуется шунтирующая токовая петля с очень низким сопротивлением, которая оказывается доминирующей. Эффект при этом достигается в фактическом переносе места ОЗЗ с ответвления 4 на питающую шину 2 и изменении характера с дугового на устойчивое замыкание на землю. В результате заземляющая дуга на ответвлении 4 быстро обесточивается и гасится практически в начальной стадии развития процесса ОЗЗ и потенциал поврежденной фазы выравнивается с потенциалом земли. Эти факторы обуславливают очень быстрое установление безопасных электрических и пожарных условий в месте возникновения ОЗЗ на ответвлении 4 и предотвращают риски деградации изоляции и отказа сетевого оборудования.
В условиях искусственного замыкания фазы на землю блок измерения и управления 13 осуществляет контроль и измерение текущего тока замыкания сети на землю посредством обработки данных сигнала, поступающего с выхода первого датчика тока 9. По данным, полученным в результате прямого измерения переходного тока в цепи искусственного замыкания сети на землю, в блоке 13 вычисляются координаты циркулирующего через шину заземления 10 тока, определяющие с исчерпывающей полнотой все составляющие мгновенного тока замыкания сети на землю, которые ожидаются в условиях наиболее сильноточного аварийного события при конкретной конфигурации внешних присоединений.
Длительность измерительной процедуры устанавливается из условия определения с приемлемой точностью мгновенного тока замыкания сети на землю. На практике это время может быть менее одного периода промышленной частоты.
По данным определенного мгновенного тока замыкания сети на землю в блоке формируется информационный сигнал, который предусматривает в условиях прямого управления точную настройку регулируемых средств компенсации.
По окончанию измерительной процедуры блок 13 подает на управляющий вход регулируемого источника 12 информационный сигнал, выделенный и определенного мгновенного тока замыкания сети на землю, с помощью которого активизируется проводящее состояние регулируемого источника 12 с выходным током, параметры которого соответствуют тождественным параметрам, действующего в цепи искусственного замыкания фазы на землю на момент активизирования регулируемого источника 12. В это же время на управляющий вход блока силовых ключей 8 подается блокирующий сигнал на размыкание ключа, разрывающего цепь искусственного замыкания фазы на землю.
Под действием регулируемого источника 12 в контуре сети возникает быстрый процесс переключения циркулирующего через шину заземления 10 тока, который до момента активизирования регулируемого источника 12 протекал по цепи искусственного замыкания фазы на землю, а с момента активизирования регулируемого источника 12 он протекает по токопроводяшей цепи заземления нейтрали 6. В условиях прямого управления регулируемым источником 12 с помощью информационного сигнала, выделяемого из измеренного прямым методом тока ОЗЗ, достигается теоретически нулевой остаточный ток в цепи искусственного замыкания фазы на землю. По этой причине коммутация ключа в блоке 8, разрывающего цепь искусственного замыкания фазы на землю, осуществляется фактически при нулевых значениях тока и напряжения, когда коммутационные потери в ключе минимальны. После разрыва цепи искусственного замыкания фазы на землю еще некоторое время удерживается аномальный режим сети, когда фаза сети гальванически не связана с землей, но ее потенциал остается равным потенциалу земли.
В эксплуатационной практике предусматривается удерживать подобный аномальный режим работы сети до выявления и устранения повреждения. Восстановление нормального режима работы сети производится посредством прерывания процесса компенсации, осуществляемого путем подачи на управляющий вход регулируемого источника 12 блокирующего сигнала, при котором обесточивается выход регулируемого источника 12. С этого момента устанавливается нормальная работа сети с изолированной нейтралью.
Из рассмотренного примера следует, что в сетях с изолированной нейтралью где бы ни возникло замыкание одной из фаз на землю и каким бы ни был характер замыкания, оно может быть тут же заблокировано посредством искусственного замыкания в контролируемой зоне, где предусматривается быстрое и точное измерение мгновенного тока замыкания на землю и определение информационного сигнала для прямого управления и точной настройки активных средств компенсации, призванных обеспечивать компенсацию полного тока замыкания сети на землю, какими бы не были его составляющие.
В сетях, оснащенных заземляющим нейтраль нерегулируемым реактором 14 (фиг. 2), предусматривающим частичную компенсацию емкостной составляющей тока ОЗЗ, для управления регулируемым источником используется информационный сигнал, выделяемый из результирующего мгновенного тока, определяемого путем наложения токов, измеренных в цепи искусственного замыкания фазы на землю и в цепи заземления нейтрали сети. В этом случае в условиях искусственного замыкания фазы на землю контролируются с исчерпывающей полнотой все составляющие, образующие циркулирующий через шину заземления ток, в том числе, недокомпенсированная часть емкостной составляющей и апериодическая составляющая тока, обусловленная инерционными свойствами реакторного оборудования. Этот фактор предопределяет возможность точной отстройки от остаточного тока в точке замыкания фазы на землю, осуществляемого с помощью регулируемого источника 12.
В том случае. когда для целей компенсации используется быстродействующее реакторное оборудование, например, регулируемый реактор с подмагничиванием, то возможно совместное управление регулируемым реактором и регулируемым источником с использованием информационных сигналов, которые могут быть выделены из определенного тока замыкания сети, циркулирующего через шину заземления. В этих условиях можно обеспечить точную резонансную настройку регулируемого реактора, предусматривающего компенсацию емкостной составляющей основной гармоники тока замыкания на землю, и точную настройку регулируемого источника, предусматривающего компенсацию остальных составляющих, которые в общем случае содержат в себе апериодические и периодические составляющие тока замыкания на землю, причем последние кроме активной составляющей может включать в себя составляющие тока небаланса, а также высшие гармонические составляющие.
Таким образом, предложенные технические решения обеспечивают наиболее быстрый процесс нейтрализации дуговых замыканий на землю, который сопровождается строгим контролем, точными измерением и управлением активными средствами компенсацией в цепи заземления нейтрали сети, Этими факторами обуславливается существенное снижение рисков электро и пожароопасности и повышение надежности электроснабжения.
Источники информации
1. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. М.: Энергия, 1974., с. 83, 84.
2. Пат. РФ №2475915, H02J 3/18, опубл. 20.02.2013. Авторы: В.Ф. Ильин, М.И. Петров, И.В. Соловьев.
3. Пат. РФ №2130677, H02J 3/26, H02H 3/17, опубл. 20.05.1999. Авторы: А.М. Брянцев, А.Г. Долгополов.
4. Патент РФ №2655670, H02J 3/26, H02H 3/16, H02H 9/08, опубл. 29.05.2018. Авторы: В.Ф. Ильин, А.В. Булычев, В.Н. Козлов, Н.В. Матвеев (прототип).