СПОСОБ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ
NEUTRAL WIRE EARTHING METHOD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения уровня перенапряжений и тока однофазного замыкания в электросетях, в том числе, оснащенных приборами контроля сопротивления изоляции по постоянному току, например, в судовых электросетях, электросетях предприятий горной, нефтедобывающей, сталеплавильной и химической промышленности.
Известен способ, реализованный в устройстве для защиты от перенапряжений в сетях 6-35 кВ с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (Авторское свидетельство СССР №1427469, МПК Н02Н 9/08, опубликовано 30.09.88). В нем предложено заземлять нейтраль электросети через дугогасящую катушку, параллельно которой подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и коммутатора. Способ предусматривает автоматическое включение резистора параллельно дугогасящей катушке в тех случаях, когда в сети возникают однофазные замыкания на землю. Резистор, включаемый коммутатором, снижает напряжение, образовавшееся на нейтрали после гашения заземляющей дуги, до нуля, а напряжения на фазах сети становятся равными фазным. В этом случае не образуются условия для возникновения максимальных перенапряжений.
Недостатком способа является то, что он не обеспечивает надежности и безопасности функционирования электросистемы. Известно, что в режиме однофазного замыкания за один период промышленной частоты происходит до 10-15 и более циклов зажигания и гашения дуги. Автоматическое присоединение резистора при этом может оказаться невозможным из-за инертности коммутатора и блоков управления. Недостатки также связаны с тем, что подключение резистора приведет не менее чем к двукратному увеличению общего тока однофазного замыкания на землю. Кроме того, реализующие способ устройства несовместимы со средствами контроля изоляции, основанными на измерении ее сопротивления постоянному току.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ ограничения перенапряжений в электросетях (Патент РФ №2342756 C1, H02H 9/00, опубликовано 27.12.08). Согласно нему к сети подключаются конденсаторы, которые соединяются с землей через параллельно включенные резистор и реактор.
Недостатком способа является то, что его использование может привести к появлению феррорезонансных процессов, которые накладываются на дуговые перенапряжения и создают дуговые феррорезонансные перенапряжения. Их возникновение обусловлено тем, что после однофазного замыкания образуется контур с последовательно соединенными конденсаторами и реактором. При определенном сочетании вольт-амперных характеристик реактора, конденсаторов и активного сопротивления ветви обмотки реактора в нем возможно возникновение феррорезонанса напряжений, который, как правило, сопровождается повышенными значениями токов однофазного замыкания, что снижает электро- и пожаробезопасность сети. Перенапряжения, обусловленные феррорезонансными процессами, имеют особенно большие кратности и способны вызывать выходы из строя изоляции электрооборудования, что существенно снижает надежность электросистемы в целом. Устранение дуговых феррорезонансных перенапряжений на основе лишь изменения вольт-амперных характеристик реактора, конденсаторов и активного сопротивления ветви обмотки реактора, построенных для основной частоты сети может привести к увеличению активной составляющей тока реактора, а, следовательно, к снижению эффективности компенсации тока однофазного замыкания. В результате может оказаться невозможным обеспечение безопасной величины тока замыкания, задаваемой, например, в соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 по условию принятого времени его воздействия.
Задача изобретения заключается в повышении надежности и безопасности электросети за счет устранения возможности возникновения дуговых феррорезонансных перенапряжений, которое достигается путем изменения характера переходных и установившихся процессов таким образом. что исключается переход электросистемы в состояние равновесия, соответствующее феррорезонансу напряжений.
Для решения поставленной задачи в известном способе, включающем использование конденсаторов заземленных через реактор, предлагается выбирать наибольшее значение активного сопротивления ветви обмотки реактора, обеспечивающее заданную величину тока однофазного замыкания, а суммарную емкость конденсаторов выбирать в соответствии со следующим условием:
<mrow><mi>C</mi><mo>≥</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>U</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                        </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где ω - угловая частота сети; R - выбранное активное сопротивление ветви обмотки реактора; U - действующее значение напряжения на реакторе при резонансном значении тока; Е - действующее значение фазной ЭДС сети.
При осуществлении способа конденсаторы и реактор могут быть, например, включены между естественной нейтралью электросети и землей последовательно друг с другом, или может быть сформирована искусственная нейтраль, путем подключения конденсаторов к сети по схеме «звезда», а их общая точка присоединена к земле через реактор.
Вариант соединения схемы выбирают, исходя из возможности доступа к нейтрали электросети.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг.1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг.2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети;
на фиг.3 - схема физической модели, которая применялась при исследовании параметров электросети с устройством, реализующим предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг.4 - схема физической модели, которая применялась при исследовании параметров электросети с устройством, реализующим предлагаемый способ заземления нейтрали, при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети;
на фиг.5 - результаты экспериментальной проверки работы устройства при подключении конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг.6 - результаты экспериментальной проверки работы устройства при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети.
На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения:
1 - конденсаторы; 2 - индуктивность реактора; 3 - активное сопротивление ветви обмотки реактора; 4 - обмотка электрооборудования; 5 - шунтирующий резистор; 6 - осциллограф; 7 - устройство непрерывного контроля изоляции; 8 - фазная емкость сети; 9 - контакт между фазой и землей; 10 - нагрузка.
На фиг.1 и 2 изображены варианты схемы устройств, реализующих предлагаемый способ заземления нейтрали. В варианте, изображенном на фиг.1, устройство состоит из конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, реактора, изображенного индуктивностью 2 и активным сопротивлением 3, включенного между нейтральной точкой конденсаторов и землей. В варианте, изображенном на фиг.2, устройство состоит из включенных последовательно конденсаторов 1 и реактора, изображенного индуктивностью 2 и активным сопротивлением 3, которые подключаются к нейтральной точке сети, образованной обмотками источника 4.
Для предотвращения дуговых феррорезонансных перенапряжений необходимо, чтобы электросистема после однофазного замыкания имела бы только одно состояние равновесия. Выбор параметров на основе вольт-амперных характеристик может привести к тому, что окажется невозможным обеспечение безопасной величины тока однофазного замыкания. Взаимосвязь величины тока однофазного замыкания с параметрами сети, реактора и конденсаторов при глухом замыкании фазы может быть выражена следующим образом:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>О</mi><mi>З</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mo>−</mo><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>X</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder><mo>−</mo><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>Y</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder><mo>−</mo><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>Y</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>E</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>Y</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mrow><msub><mi>Y</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
P
C
где
,
,
- векторы фазных ЭДС; ω - угловая частота: R - активное сопротивление ветви обмотки реактора; X - индуктивное сопротивление ненасыщенного реактора на основной частоте сети; X - емкостное сопротивление конденсаторов;
,
- комплексные проводимости фазной изоляции на землю неповрежденных фаз.
Дуговые феррорезонансные перенапряжения возникают в результате наложения феррорезонансных и дуговых процессов при однофазных замыканиях. Они обусловлены существованием двух состояний устойчивого равновесия электросистемы, а также формированием при многократных повторных зажиганиях заземляющей дуги напряжения смещения нейтрали, по величине достаточного для того, чтобы возникающий при очередном замыкании переходный процесс привел к потере устойчивости и феррорезонансному состоянию электросети.
Для определения области сочетаний активного сопротивления ветви обмотки реактора и суммарной емкости конденсаторов, в пределах которой исключается феррорезонанс, была проведена серия экспериментов на физической модели электросети. На фиг.3 и 4 изображены схемы физической модели электросети с подключенными к ним устройствами, реализующими предлагаемый способ.
Модели состояли из питающего трансформатора с обмотками 4, устройства, реализующего способ заземления нейтрали, с элементами 1, 2 и 3, конденсаторов, моделирующих фазные емкости сети 8. В ходе экспериментов создавались замыкания одной из фаз на землю при помощи контакта 9, а осциллографом 6 регистрировался ток, протекающий через низкоомный резистор 5.
Перед замыканием между нейтралью сети и корпусом формировался постоянный заряд на фазах и соответствующее ему постоянное напряжение, превышающее не менее чем в 5 раз амплитуду фазного напряжения сети. Область сочетаний активного сопротивления ветви обмотки реактора и суммарной емкости конденсаторов, в которой исключается феррорезонанс, определялась по величине и форме регистрируемого тока. Эксперименты проводились при различных фиксированных значений активного сопротивления ветви обмотки реактора, при которых суммарная емкость конденсаторов 1 изменялась от 30 мкФ до величины, соответствующей устранению возможности возникновения феррорезонансных процессов, с шагом 5 мкФ. В таблице 1 приведены значения суммарных емкостей конденсаторов, соответствующих различным значениям активного сопротивления ветви обмотки реактора, выше которых феррорезонансные процессы не возникают.
Таблица 1
Активное сопротивление ветви, Ом
Емкость конденсаторов, выше которой феррорезонанс не возникает, мкФ
90
30
30
45
15
85
10
90
8
105
7
120
6
135
5.5
150
5
165
4.5
180
4
195
3.5
210
3
225
На основе полученной экспериментальной зависимости предложено указанное выше выражение (1), описывающее область сочетаний активного сопротивления ветви обмотки реактора и суммарной емкости конденсаторов, в которой исключается феррорезонанс. Достижение такого результата оказывается возможным за счет изменения характера переходных и установившихся процессов после замыкания фазы на корпус, что приводит к устранению возможности перехода системы в феррорезонансное состояние.
A
B
C
Примеры реализации способа показаны на фиг.3 и фиг.4, где представлены схемы физических моделей сети с подключенными устройствами, реализующими предлагаемый способ заземления нейтрали. Ток однофазного замыкания по условиям эксплуатации электросети не должен превышать 0.5А. Напряжение сети 230 В, фазные емкости 8 в сети: C=5.7 мкФ; C=6 мкФ; C=5 мкФ. Для контроля изоляции сети используется прибор «Электрон-1» 7, осуществляющий измерение сопротивления изоляции по постоянному току. Реализация способа заключается в том, что к сети подключаются: реактор 2 с активным сопротивлением равным 4.5 Ом и вольт-амперной характеристикой, описываемой выражением:
<mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>424</mn><mi>t</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.37</mn><msub><mi>I</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>0.017</mn><msub><mi>I</mi><mi>p</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p
где I - ток реактора.
ОЗ
Для улучшения условий устранения феррорезонанса активное сопротивление ветви обмотки реактора увеличено за счет включения в ветвь обмотки реактора дополнительного резистора 3. Наибольшее активное сопротивление ветви обмотки реактора выбиралось на основе выражения (2) из условия I≤0.5A, оно составило 19.9 Ом. Таким образом, сопротивление дополнительного резистора не должно превышать величины 15.4 Ом. По этому условию выбран близкий по сопротивлению резистор ПЭВ-3, с сопротивлением 10 Ом. Суммарная емкость конденсаторов в соответствии с (1) и (3) должна превышать величину 98 мкФ. Такому условию удовлетворяют три группы конденсаторов с суммарной емкостью 106.2 мкФ, каждая из которых состоит из шести конденсаторов ЛСЕ-40с-5.9У1.1. Группы конденсаторов были подключены к фазам сети в соответствии со схемой, изображенной на фиг.3.
Для проверки действия способа было осуществлено замыкание одной из фаз на корпус, перед которым на нейтрали создавалось постоянное напряжение величиной 1000 В, поскольку такая величина близка к максимальной, способной сформироваться в результате многочисленных повторных замыканий фазы на корпус. В ходе экспериментальной проверки регистрировался ток однофазного замыкания при помощи осциллографа 6 и шунтирующего низкоомного резистора 5. Результат регистрации тока, протекающего через место повреждения, показан на фиг.5. Как видно, несмотря на достаточно большую величину напряжения на нейтрали, однофазное замыкание не приводит к возникновению феррорезонансных процессов, а действующее значение установившегося тока замыкания не превышает 0.5 А.
Замыкание фазы в электросети с конденсаторами, включенными в нейтраль электросети в соответствии со схемой, изображенной на фиг.4, при начальном напряжении 1000 В приводит к возникновению тока однофазного замыкания, осциллограмма которого приведена на фиг.6.
Также из фиг.3 и 4 видно, что в нормальном режиме электросеть оказывается изолированной от земли по постоянному току, тем самым обеспечивается возможность непрерывного контроля изоляции.
Таким образом, видно, что обе реализованные схемы подключения конденсаторов позволяют получить одинаковые результаты по устранению феррорезонансных процессов, а, следовательно, решают поставленную задачу повышения надежности и безопасности электросети.