УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНОГО ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью.
Самым частым видом повреждения (до 95%) в сетях 6, 10, 35 кВ являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), сопровождающиеся протеканием через место замыкания емкостного тока и перенапряжениями высокой кратности на элементах сети (двигателях, трансформаторах) в виде высокочастотного переходного процесса. Такие воздействия на сеть приводят в лучшем случае к срабатыванию земляных защит. Отыскание поврежденного присоединения представляется трудоемкой и длительной организационной задачей - поочередное отключение присоединений затягивается на продолжительное время и сопровождается комплексом оперативных переключений для резервирования потребителей. И, как правило, большинство междуфазных замыканий начинается с ОЗЗ. Развитие однофазных замыканий на землю сопровождается разогревом места замыкания, рассеиванию большого количества энергии в месте ОЗЗ и заканчивается отключением потребителя уже защитой МТЗ при переходе ОЗЗ в короткое замыкание. Изменить ситуацию можно применением резонансного заземления нейтрали.
Известны традиционные способы компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. Это использование ступенчато регулируемых дугогасящих катушек (плунжерные дугогасящие реакторы), плавно регулируемых изменением немагнитного зазора магнитопровода дугогасящих катушек и магнитоуправляемых дугогасящих катушек.
Сведения о приведенных ниже устройствах компенсации емкостного тока замыкания на землю получены с использованием Интернет (см. статью д.т.н., проф. Обабков В.К., к.т.н. Целуевский Ю.Н. «Об эффективности дугогасящих реакторов, систем автоматической настройки компенсации и земляных защит в проблеме борьбы с однофазными замыканиями на землю.» на сайте http://ntbe.ural.ru/stat10.htm).
Плунжерные дугогасящие реакторы обладают следующими преимуществами: линейность и высокая добротность, эффективное использование активных материалов, экономичность: однажды установленная индуктивность удерживается далее без затрат энергии и дополнительных внешних воздействий, простота математического описания и легкость управления.
Однако при этом данные реакторы обладают и рядом недостатков: низкой надежностью и малым ресурсом электромеханических узлов, не допускают поисковых движений, автоколебательных режимов и длительных переходных процессов. Кроме того, к недостаткам данных реакторов следует отнести малое быстродействие: от 40 с до 60 с и в отдельных случаях до 120 с на весь диапазон регулирования ДГР и низкую технологичность в изготовлении из-за механической части.
Дугогасящие аппараты на базе трансформатора Бауха, при условии оснащения тиристорными средствами широтно-импульсного регулирования индуктивности, обладают практически полной безынерционностью, технологичностью, высокой надежностью, большим ресурсом из-за отсутствия механических узлов, а также широким диапазоном регулирования индуктивности.
Недостатки данных устройств - повышенное содержание гармоник в токе, значительные мощности, коммутируемые тиристорным ключом. Кроме того, данные аппараты дорогостоящи при изготовлении: при мощности реактора свыше 100 кВАр стоимость тиристорного ключа резко повышается, так как выходит за рамки реализуемости одной парой недефицитных тиристоров с воздушным охлаждением.
Дугогасящие реакторы со свободным продольным подмагничиванием имеют следующие преимущества: технологичность, высокая надежность, большой ресурс из-за отсутствия механических узлов, высокое быстродействие благодаря внутренним обратным связям.
При этом данным устройствам присущи следующие недостатки: внутренние обратные связи делают ДГР неработоспособным в режиме дугового ОЗЗ без компенсации активной составляющей и весьма осложняют задачу предварительной настройки в нормальном режиме. Кроме того, существенным недостатком является повышенное содержание гармоник в токе, нелинейность и сложность математического описания.
Все указанные устройства компенсации емкостного тока замыкания на землю выполняют данную функцию за счет использования регулируемой индуктивности (реактора).
Кроме того, все приведенные выше реакторы имеют высокую стоимость изготовления и наладки.
Известны устройства для компенсации емкостного тока замыкания на землю, содержащие неуправляемый реактор, понижающий трансформатор и параллельно подключенный через диодно-тиристорные или тиристорные ключи набор емкостей (см. а.с. СССР №1370700, МПК 4 H02J 3/18, 1988 г, а.с. СССР №1700677, Н02Н 9/08, 1991 г.).
Известно устройство для компенсации емкостного тока замыкания на землю, содержащее неуправляемый реактор, понижающий трансформатор, параллельно подключенные через симисторные ключи конденсаторы, емкости которых выбраны по закону геометрической прогрессии и систему автоматической настройки компенсации, управляющую ступенчатой батареей (см. а.с. СССР №1092647, МПК 3 Н02Н 9/08, 1984 г..
Также известные примеры изобретений не получили коммерческого применения, Подобные системы имеют возможность изменять свою мощность во время однофазного замыкания на землю с очень высоким быстродействием в случае применения алгоритмов, позволяющих коммутировать емкости в момент равенства остаточного напряжения на них мгновенному напряжению сети. Однако использование полупроводниковых коммутационных элементов значительно повышает стоимость изделия, приводит к дополнительным потерям и тепловыделению, что требует применения системы охлаждения.
Задача, решаемая полезной моделью - расширение арсенала технических средств для компенсации емкостного тока замыкания на землю, упрощение конструкции устройства при значительном снижении его стоимости.
Поставленная задача решается за счет того в известном устройстве компенсации емкостного тока замыкания на землю, содержащем включенный постоянно неуправляемый реактор, параллельно которому подключены понижающий трансформатор и через управляющие ключи однофазные конденсаторы, имеющие различную емкость, и систему автоматической настройки компенсации, управляющую ступенчатой батареей, к выходу которой подключены входы ключей конденсаторов, в соответствии с полезной моделью управляющие ключи выполнены в виде контакторов.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств для компенсации емкостного тока замыкания на землю, упрощении конструкции устройства при значительном снижении его стоимости.
Выполнение устройства компенсации емкостного тока замыкания на землю, содержащего включенный постоянно неуправляемый реактор и подключенную параллельно реактору регулируемую системой автоматической настройки компенсации ступенчатую батарею однофазных конденсаторов, снабженных контакторами, выполняющими функцию ключей управление конденсаторами, позволяет расширить арсенал технических средств для компенсации емкостного тока замыкания на землю, при этом достигается упрощение конструкции устройства, снижение стоимости устройства и обеспечивается его высокая надежность и быстродействие.
Использование в качестве коммутирующего аппарата, осуществляющего включение соответствующей ступени батареи, контакторов, управляемых системой автоматической настройки компенсации, позволяет максимально упростить устройство, обеспечить его надежную работу и при этом снизить стоимость устройства и затраты на обслуживание.
Величина требуемой реактивной мощности определяется емкостью (мощностью) каждой из ступеней батареи, включенных в данный момент времени. При данном способе управления не генерируются высшие гармоники. Коммутация ступеней производится до возникновения замыкания на землю без напряжения, поэтому ресурс контакторов будет сопоставим со сроком службы остального оборудования реактора. В момент замыкания комплекс безынерционно выходит на требуемый ток компенсации, который параметрически меняется в зависимости от напряжения на нейтрали и не требует дополнительного управления.
Фиг. 1 - принципиальная схема устройства компенсации.
Устройство содержит неуправляемый реактор 1 (нерегулируемую индуктивность), подключенный между нейтралью сети 6-35 кВ и землей. Параллельно реактору установлена ступенчатая регулируемая конденсаторная батарея 3, состоящая из N ступеней, каждая из которых содержит однофазный конденсатор 3-1 требуемой емкости и коммутационный аппарат 4-1. В качестве коммутационного аппарата выбирается контактор, как наиболее экономичный коммутационный аппарат. Регулируемая конденсаторная батарея подключена через понижающий трансформатор 2.
2
1
С целью минимизации количества ступеней, емкость (мощность) конденсатора 3-1 каждой последующей ступени N желательно выбирать приблизительно равной двойной емкости (мощности) конденсатора предыдущей ступени N. Старшие ступени могут иметь равную между собой емкость, если коммутационный аппарат большей мощности не рентабелен или слишком сложен технически. Коммутационными аппаратами управляет система автоматической настройки компенсации 5 (САНК), которая определяет ожидаемый емкостной ток замыкания на землю и заранее настраивает комплекс на требуемую мощность компенсации.
Устройство компенсации емкостного тока замыкания на землю работает следующим образом.
Принцип работы устройства основан на взаимном вычитании емкостных и индуктивных токов при параллельном подключении индуктивности и емкости. Технический результат в виде плавно (с минимальным шагом, величина которого уже при семи ступенях конденсаторной установки может составлять 1/128, т.е. менее 1%) изменяемой индуктивности, используемой для компенсации емкостного тока замыкания на землю, достигается путем установки неуправляемой индуктивности 1 и, параллельно ей, управляемой конденсаторной батареи 2.
САНК 5 определяет ожидаемый емкостной ток замыкания на землю, либо получает уставку тока компенсации при ручном управлении и подключает необходимое количество ступеней N батареи 2 конденсаторов 3-1. При изменении конфигурации сети, и, следовательно, требуемой индуктивности комплекса, САНК 5 подключает и отключает ступени конденсаторной батареи 2. Ступени батареи могут быть включены в любом порядке. В момент возникновения в сети замыкания на землю, комплекс имеет индуктивность, обеспечивающую равенство тока реактора и емкостного тока замыкания на землю, что приводит к их компенсации, т.е. к получению требуемого технического результата.
Пример использования для сети 10 кВ и токе замыкания на землю 64 А.
Исходные данные: установлен неуправляемый реактор с номинальным током 100 А при номинальном напряжении U=10/√3.
Ступенчатая батарея однофазных конденсаторов подбирается из условия, что ее номинальный полный ток равен номинальному току реактора. Емкость каждой ступени выбирается в зависимости от требуемой точности компенсации. Обычно нормируемая точность 2%. Например, батарея может быть составлена из ступеней конденсаторов с номинальным током при номинальном напряжении:
1
2
3
4
5
6
7
N - 0,78 A; N - 1,56 A; N - 3,12 A; N - 6,25 A; N - 12,5 A; N - 25 A; N - 50 А.
Работа устройства осуществляется в следующей последовательности:
ОЗЗ
1. Система управления определяет ток замыкания на землю J. Исходя из параметров подключенной нерегулируемого реактора и текущей подключенной емкости система определяет процент недокомпенсации или перекомпенсации, вычисляет требуемую емкость батареи и воздействует на соответствующий коньактор, подключая необходимое количество конденсаторов:
100-(25+6,25+3,12+1,56)=64,07.
Метод определения недокомпнсации или перекомпенсации не принципиален, может быть использован любой, например, с помощью зондирования непромышленной частотой, или путем импульсного зондирования, или по смещению нейтрали.
Заявляемое устройство может быть изготовлено с применением известных аппаратных средств и технологий и использовано для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью.