УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей.
N
N
C
Известно резистивное заземление, представляющее постоянный заземляющий резистор (R) [Н.Н. Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып. 11, С. 84-101], включаемый между нейтралью сети и контуром заземления станции или подстанции. Такое устройство заземления применяется в сетях с малыми емкостными токами замыкания на землю (ЕТЗЗ), максимальные значения которых для сетей разных классов напряжения устанавливаются нормативными документами [Правила устройства электроустановок. - Изд. 7-ое., НЦ ЭНАС, 2008]. Заземляющий резистор R выбирается из условия приблизительного равенства емкостного тока замыкания на землю (I) активному току замыкания на землю:
ф
где С - фазная емкость сети;
ф
U - фазное напряжение сети;
ω - угловая промышленная частота.
N
Активный ток замыкания обусловлен включением R в нейтраль электрической сети. Такой способ заземления позволяет снизить перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), что уменьшает электрическую нагрузку на изоляцию, в основном, неповрежденных фаз электрической сети и увеличивает ее срок службы.
R
C
ф
Однако включение резистора в нейтраль сети ведет к увеличению установившегося полного тока замыкания на землю  При выборе резистора из условия I≅I увеличение тока замыкания на землю составляет  раз. Повышенный ток замыкания на землю ухудшает условия самогашения заземляющей дуги (препятствует ее быстрому самогашению), снижает электробезопасность сети; в самом заземляющем резисторе выделяется значительная энергия, поскольку к нему прикладывается фазное напряжение (U) в режиме устойчивого замыкания.
N
N
N
N
фм
фм
N
фм
Кроме того, известно устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети, взятое в качестве прототипа, состоящее из заземляющего/нейтрального резистора R, и последовательно включенного с ним полупроводникового ключа. В качестве ключа используется симистор или блок симисторов, представляющий собой последовательно соединенную цепь симисторов [Патент РФ 2454769. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети // Качесов В.Е., БИ №18, 2012], на которую подается сигнал запуска с дифференцирующе-запускающей цепи, включенной между нейтралью сети и контуром заземления. При дуговых замыканиях на землю (пробоях фазной изоляции) в нейтрали электрической сети формируется скачкообразное напряжение (u(t)). Производная напряжения (du(t)/dt), имеющая форму коротких импульсов, запускает симисторный блок при каждом пробое фазной изоляции сети, снижая напряжение в нейтрали сети и, соответственно, дуговые перенапряжения. При установлении устойчивого замыкания напряжение в нейтрали сети имеет форму близкую к синусоиде промышленной частоты (u(t)=Usin(ωt), U - фазное максимальное напряжение). В связи с этим производная напряжения (du/dt=ωUcos(ωt)) мала в силу малого значения ω, симисторы не отпираются, и сеть работает с изолированной нейтралью.
N
Симисторный ключ, изготовленный из одного симистора, может выполнять функции полупроводникового ключа. Однако массовый выпуск высоковольтных симисторов, рассчитанных на напряжение 10-30 кВ технически сложен, поэтому полупроводниковый ключ собирают из последовательной цепи симисторов, каждый из которых запускается/отпирается от отдельной вторичной обмотки запускающего трансформатора. Во время горения заземляющей перемежающейся дуги происходит снижение диэлектрических свойств дефектного участка изоляции, и напряжение повторного дугового пробоя фазной изоляции уменьшается; одновременно становятся меньше скачки напряжения в нейтрали сети. При снижении напряжения дугового пробоя фазной изоляции и скачков напряжения в нейтрали сети ниже порогового критического значения, запуск симисторного ключа не происходит из-за малого значения напряжения запуска (т.е. малого значения du/dt). Чувствительность симисторов в последовательной цепи отличается в силу естественного разброса их параметров (токов управления). Подача с обмоток управления запускающего трансформатора на переходы симисторов управляющий электрод-условный катод напряжения меньшего требуемого для отпирания конкретного экземпляра приводит к зажиганию/отпиранию лишь части симисторов. При этом под действием напряжения на нейтрали электрической сети протекает ток по цепи: заземляющий резистор, защитные варисторы неоткрывшихся симисторов, открытые симисторы. В защитных варисторах неоткрытых симисторов будет выделяться значительная энергия. При многократных частых пробоях фазной изоляции, формирующих относительно малый сигнал запуска (соизмеримый с порогом чувствительности устройства), повышенная энергия будет выделяться в защитных варисторах, включенных параллельно малочувствительным к запуску симисторам. Для защиты таких симисторов от перенапряжений требуются варисторы большой энергоемкости (мощности). Это приводит к необходимости применения варисторов с большими массо-габаритами, их интенсивному принудительному охлаждению, увеличению размеров устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети.
max
R
R
C
N
ф
ф
N
N0
фм
пор
N0
фм
1мА
1мА
100A
100A
R
-1
Рассмотри вариант, когда симисторный ключ состоит из 10-ти последовательно включенных симисторов, и напряжение на каждом симисторе не должно превышать U=1 кВ. Наибольшее напряжение на самом малочувствительном к отпиранию симисторе возникнет при включении всех остальных (девяти) симисторов. Предположим, что в трехфазной сети с линейным напряжением 10 кВ коэффициент резистивной компенсации ЕТЗЗ равен единице K=I/I=1, тогда R=(3ωC). Исходя из максимально допустимого ЕТЗЗ=20 А при С=2,6 мкФ, сопротивление заземляющего резистора в нейтрали сети R=408 Ом. Максимальное начальное напряжение в нейтрали сети после самопогасания заземляющей дуги может приблизительно достигать U≅1,4U [Качесов В.Е. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях / В.Е. Качесов, B.Н. Ларионов, А.Г. Овсянников // Электрические станции. - 2002. - №8. - C. 38-45.], а пороговое значение, при котором симисторы уже не включаются, примем равным U≅0,25U=0,35U. Значительный ток через защитный варистор будет протекать до тех пор, пока напряжение на нейтрали сети не снизится (по абсолютному значению) до классификационного (остающегося) напряжения на защитном варисторе при токе 1 мА (U). Для современных варисторов на основе окиси цинка его приближенно можно принять равным U≅0,8U (U - остающееся напряжение на варисторе при токе 100 А). При принятом K=1 ток в заземляющем резисторе приблизительно будет изменяться в соответствии с выражением:
д
где R - дифференциальное сопротивление варистора в области его рабочих токов (1-100 А).
N
д
В силу того, что сопротивление заземляющего резистора на порядок и более превышает дифференциальное сопротивление варистора, т.е. R>>R, последним можно пренебречь, и энергия, выделяющаяся в защитном варисторе за полупериод промышленной частоты, составит:
var
Для рассматриваемого примера трехфазной электрической сети напряжением 10 кВ энергия составляет E=11,3 Дж. При нескольких пробоях в течение одного полупериода промышленной частоты, сокращается время протекания тока и, соответственно, время интегрирования, но увеличивается количество импульсов тока, что стабилизирует значение выделяемой в варисторе энергии.
var
Если предположить длительные пробои фазной изоляции с выделением указанной энергии каждый полупериод промышленной частоты ω=100π, то максимальная мощность, выделяемая в защитном варисторе составит P=1130 Вт.Установка варисторов указанной большой мощности в ограниченном пространстве устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети технически сложна, дополнительный подогрев выделяемой энергией полупроводниковых ключей (симисторов) снижает их рабочие характеристики и надежность всего устройства в целом. Отмеченное выше является недостатками устройства.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является обеспечение минимального энерговыделения в защитных варисторах, повышение надежности устройства, снижение его массо-габаритных показателей.
д
д
д
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящем из постоянного заземляющего резистора, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, вторым к условному аноду последовательной цепи симисторов, а условный катод этой последовательной цепи соединен с контуром заземления подстанции, напряжение запуска симисторов формируется электронным устройством. В этом устройстве между нейтралью трехфазной электрической сети и контуром заземления включен емкостно-резистивный делитель напряжения (С-R). Его верхнее плечо, образованное конденсатором С, подключено к нейтрали
д
трехфазной электрической сети, нижнее плечо (резистор R) - к контуру заземления станции или подстанции. Нижнее плечо емкостно-резистивного делителя, выполняющего дифференцирующее действие над напряжением в нейтрали сети, соединено через разнонаправленно включенные диоды с двумя ждущими одновибраторами, выходы которых соединены с соответствующими базами двух комплементарных транзисторов-ключей. Эмиттеры транзисторов подключены к общей точке - контуру заземления, а коллекторы - к первичным полу-обмоткам запускающего трансформатора. Выводы первичных обмоток подключены к запальным конденсаторам, которые через токоограничивающие резисторы и разнополярно включенные диоды подключены к вторичной обмотке питающего трансформатора. Первичная обмотка этого трансформатора подключена к сети промышленной частоты. Выводы каждой вторичной обмотки запускающего трансформатора подключены к управляющему электроду и условному катоду симистора, параллельно которому включен защитный варистор.
N
N
д
д
д
д
На чертеже приведена схема устройства импульсного подключения заземляющего резистора R (1) к нейтрали распределительной сети. К нейтрали сетевой обмотки питающего силового трансформатора или специальному устройству выделения нейтрали (2) одним выводом подключен заземляющий резистор R. Вторым выводом он соединен с условным анодом симистора (3), а его условный катод соединен с условным анодом следующего последовательно включенного симистора и т.д. Уловный катод последнего из последовательной цепи симисторов соединен с контуром заземления подстанции. Параллельно каждому симистору включен защитный варистор (4). Симистор (3), защитный варистор (4) и вторичная обмотка (5) запускающего трансформатора (6) составляют симисторный блок (7). Количество последовательно включенных блоков определяется рабочим напряжением сети высокого напряжения (ВН) и максимальным напряжением одного симистора. Устройство управления симисторным ключом состоит из дифференцирующей емкостно-резистивной цепи (С-R): конденсатор С (8) подключен к нейтрали сети, а резистор R (9), шунтированный входным варистором (10), - с контуром заземления. К резистору разнополярно подключены диоды (11), вторые выводы которых соединены с одновибраторами (12). Их выводы соединены с базами комплементарных транзисторов-ключей (13 и 14), эмиттеры которых соединены с контуром заземления. Коллекторы транзисторов-ключей соединены с первичными обмотками (15) запускающего трансформатора (6). Вторые выводы первичных обмоток (15) соединены с разрядными конденсаторами (16), подключенными через диоды (17) и резисторы (18) с вторичной обмоткой сетевого трансформатора (19), первичная обмотка (20) которого запитана от низковольтной сети промышленной частоты.
N
0
R
R
C
ф
N
N
ф
N
д
д
д
д
д
o
д
N
N
д
д
Устройство работает следующим образом. Заземляющий резистор R (1) выбирают из условия значительного стекания заряда, появляющегося на нейтрали электрической сети после погасания заземляющей дуги, за один полупериод промышленной частоты (T/2=π/ω). Принимая коэффициент резистивной компенсации ЕТЗЗ равным единице K=I/I=1, т.е. из условия равенства активной и емкостной составляющих тока замыкания на землю, постоянная времени стекания заряда с нейтрали электрической сети будет τ=3СR=1/ω при R=1/(3ωС). После самогашения заземляющей дуги в момент перехода высокочастотной составляющей тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение (u). Под действием крутого фронта этого напряжения на нижнем плече (резисторе R (9)) дифференцирующей цепи С-R (8-9) возникает импульс напряжения (u), поступающий через один из диодов (11) на соответствующий одновибратор (12). При превышении этим импульсом u некоторого порогового значения одновибратор формирует импульс напряжения u (см. чертеж), открывающий один из транзисторных ключей (13 или 14) в зависимости от полярности импульса u. Запальные конденсаторы (16) предварительно заряжаются посредством сетевого трансформатора (19) от сети низкого напряжения (100-240 В, 50 или 60 Гц) и резистивно-диодной цепи (17-18). Разряд запального конденсатора (16) через первичную полу-обмотку запускающего трансформатора (15) формирует на всех вторичных обмотках (5) значительный импульс напряжения, надежно отпирающий симисторы (3) всех последовательно включенных блоков (7). Нейтраль сети ВН становится подключенной через заземляющий резистор R (1) и открытые симисторы (3) с контуром заземления подстанции. При снижении напряжения пробоя фазной изоляции скачок напряжения u в нейтрали сети и, соответственно, его производная u на резисторе R становятся малыми, запуски одновибраторов (12) не происходят; напряжение, отпирающее симисторы, не генерируется, симисторы остаются в закрытом состоянии, и заземляющий резистор оказывается изолированным относительно контура заземления.
Техническим результатом является то, что в устройстве принципиально отсутствует режим работы, когда возможно невключение одного или нескольких симисторов (3) в последовательно включенных блоках (7). Это исключает протекание больших и длительных токов по защитным варисторам (4), что позволяет радикально снизить их мощность, энерговыделение во всем устройстве заземления, что в свою очередь повышает надежность его работы и уменьшает массо-габариты варисторов.