УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в распределительных сетях класса напряжения 6-35 кВ.
Известно устройство для компенсации тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, содержащее реактор, у которого обмотка подключена между нейтралью сети и землей, трехфазный трансформатор, у которого первая обмотка соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена к сети, а вторая обмотка соединена по схеме «зигзаг», блок выбора напряжения (фазы), вход которого соединен со второй обмоткой трехфазного трансформатора, и согласующий трансформатор напряжения, у которого первая обмотка соединена с выходом блока выбора напряжения, а вторая обмотка подключена параллельно обмотке реактора [1]. Компенсацию емкостной составляющей тока на частоте сети обеспечивает силовой реактор. А остаточная составляющая (остаточный ток замыкания на землю) компенсируется с помощью трехфазного трансформатора и подбора соотношения витков согласующего трансформатора напряжения.
Недостатком устройства является ограниченные возможности регулирования величины компенсируемого тока.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является выбранное в качестве прототипа устройство [2], использующее для компенсации активной составляющей тока замыкания согласующий трансформатор напряжения, у которого первая обмотка выполнена с отпайками и соединена с выходом блока выбора фазы через блок регулирования напряжения, а вторая подключена последовательно с обмоткой реактора. Для компенсации реактивной составляющей тока может быть использован плавнорегулируемый плунжерный реактор, либо его модификация с использованием конденсаторной батареи, подключенной через многополюсный коммутатор ко второй обмотке [3]. Прототип содержит трансформатор напряжения для контроля состояния электрической сети и средства автоматического управления компенсацией составляющими тока замыкания.
Это устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, устройство предусматривает несимметричный режим энергоемкого трехфазного трансформатора, что обуславливает очень низкую его эффективность, и регулирование тока посредством переключения отпаек согласующего трансформатора, что обуславливает определенные ограничения в отношении точности компенсации и ширине рабочего диапазона. Во-вторых, схема устройства достаточно сложна и требует использования большое количество согласующих энергоемких компонентов, что существенно усложняет практическую реализацию устройства и огранивает область его применения.
Следует отметить, что во многих распределительных электрических сетях классов напряжения от 6 до 35 кВ нейтральной точки в физическом виде нет. В результате применительно к этим сетям в составе устройства должен быть предусмотрен нейтралеобразующий трансформатор [4], у которого вторичная обмотка соединяется по схеме «треугольник», а подключенная к сети первичная обмотка соединяется по схеме «звезда с нулем». Очевидно, в этих случаях компоновка и монтаж всего оборудования на местах эксплуатации является сложной задачей.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей и упрощение устройства.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью, содержащее нейтралеобразующий трансформатор, у которого первая обмотка соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена к сети, а вторая обмотка соединена по схеме «треугольник», трансформатор напряжения, у которого первая обмотка соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена к сети, вторая обмотка соединена по схеме «разомкнутый треугольник», а третья обмотка соединена по схеме «звезда с нулем», реактор, у которого первая обмотка подключена между нулевой точкой первой обмотки нейтралеобразующего трансформатора и землей, многополюсный коммутатор и конденсаторную батарею, подключенную через многополюсный коммутатор ко второй обмотке реактора, и блок резонансной настройки контура сети, вход которого соединен со второй обмоткой трансформатора напряжения, а выход соединен с управляющим входом многополюсного коммутатора, дополнительно введены выпрямительно-инверторный преобразователь, силовой вход которого соединен со второй обмоткой нейтралеобразующего трансформатора, а выход соединен с третьей обмоткой реактора, и блок формирования синхронизированного с сетью напряжения, вход которого соединен с третьей обмоткой трансформатора напряжения, а выход соединен с управляющим входом выпрямительно-инверторного преобразователя.
Кроме этого, решению поставленной задачи способствует то, что нейтралеобразующий трансформатор и реактор собраны на четырехстержневом магнитопроводе, причем на каждом из первых трех стержней магнитопровода размещены две обмотки нейтралеобразующего трансформатора, а на четвертом стержне размещены три обмотки реактора.
Сравнительный анализ заявленного технического решения с известными аналогами и прототипом, показал, что полезная модель содержит новые элементы и новые связи, которые позволяют существенно упростить схему и расширить функциональные возможности устройства. Использование выпрямительно-инверторного преобразователя, способного быстро и точно регулировать амплитуду и фазу электрических величин, дает возможность отказаться от отдельных электромагнитных компонентов и существенно упростить схемотехническое решение. Новые связи с реактором и нейтралеобразующим трансформатором дают возможность наиболее рационально использовать энергоемкие компоненты и сократить их число до минимума, что является очень важным фактором для практического применения. Наиболее совершенным техническим решением является вариант устройства с использованием электромагнитного компонента, в котором конструктивно совмещены нейтралеобразующий трансформатор и реактор.
По мнению авторов, заявленная полезная модель представляет собой новое и оригинальное техническое решение, которое существенно отличается от ранее известных, и соответствует критериям «изобретательского уровня» и «новизны».
На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг. 2 представлена схема электромагнитного компонента, в котором конструктивно совмещены нейтралеобразующий трансформатор и реактор.
Схема на фиг. 1 содержит нейтралеобразующий трансформатор 1, у которого первая обмотка соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена к сети, а вторая обмотка соединена по схеме «треугольник»; реактор 2, у которого первая обмотка подключена между нулевой точкой первичной обмотки нейтралеобразующего трансформатора 1 и землей, вторая обмотка подключена через многополюсный коммутатор 3 к конденсаторной батареи 4, а третья обмотка реактора 2 подключена к выходу выпрямительно-инверторного преобразователя 5, силовой вход которого подключен ко второй обмотке нейтралеобразующего трансформатора 1; трансформатор напряжения 6, у которого первая обмотка соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена к сети, вторая обмотка трансформатора 6 соединена по схеме «разомкнутый треугольник» и подключена ко входу блока 7 резонансной настройки контура сети, выходной сигнал которого поступает на управляющий вход многополюсного коммутатора 3, а третья обмотка трансформатора 6 соединена по схеме «звезда с нулем» и подключена ко входу блока 8 формирования синхронизированного с сетью напряжения, выходной сигнал которого поступает на управляющий вход выпрямительно-инверторного преобразователя 5.
Схема электромагнитного компонента, в котором конструктивно совмещены нейтралеобразующий трансформатор 1 и реактор 2 (фиг. 2) содержит 4-х стержневой магнитопровод 9, у которого на первых трех стержнях 10, 11 и 12 размещены первые и вторые обмотки соответствующих фаз нейтралеобразующего трансформатора, а на четвертом стержне 13 размещены три обмотки реактора.
В режиме нормальной работы сети реактор 2 находится вблизи точки равновесия, соответствующей состоянию резонансной настройки, при которой индуктивная проводимость реактора практически совпадает с емкостной проводимостью контура нулевой последовательности сети. Это состояние поддерживается блоком 7 резонансной настройки контура сети, который контролирует текущее напряжение сети, снимаемое с обмотки «разомкнутый треугольник» трансформатора напряжения 6, и определяет характер текущей проводимости контура нулевой последовательности сети. Если в результате коммутации ответвлений сети происходит изменение проводимости контура сети, то блок 7 формирует управляющее воздействие, которое поступает на управляющий вход многополюсного коммутатора 3 и производит соответствующее изменение проводимости реактора 2, восстанавливая резонансное состояние контура сети.
Выпрямительно-инверторный преобразователь напряжения 5 в условиях нормальной работы сети находится в блокированном состоянии, при котором выходной ток и выходная проводимость преобразователя имеют нулевые значения. Это состояние устанавливается блоком 8, фиксирующем на управляющем входе выпрямительно-инверторного преобразователя 5 блокирующий нулевой потенциал.
При возникновении однофазного замыкания на землю блок 7 блокирует управление коммутатором 3, а блок 8 инициирует синхронизированный с сетью сигнал управления выпрямительно-инверторным преобразователем, который инжектирует в нейтраль сети ток, необходимый для поддержания падения напряжения в месте повреждения фазной на нулевом уровне. В результате, в условиях аварийного состояния в нейтрали сети устанавливается результирующий ток, определяемый суммированием тока реактора 2, обеспечивающего компенсацию емкостной составляющей тока замыкания, и тока выпрямительно-инверторного преобразователя 5, обеспечивающего компенсацию оставшейся части полного тока замыкания. В идеальном случае, когда имеет место точная резонансная настройка реактора 2, остаточный ток определяется активным током замыкания, в случае же неточной резонансной настройки, остаточный ток несколько возрастает за счет нескомпенсированной части реактивной составляющей тока замыкания.
После ликвидации замыкания на землю блок 8 блокирует управление выпрямительно-инверторным преобразователем 5, а блок 7 активизирует управление резонансной настройкой реактора 2.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает полную компенсацию тока замыкания на землю, что выгодно отличает его от известных аналогов и прототипа. В нем более рационально используется силовое оборудование, которое к тому же имеет существенно меньшую установленную мощность, чем используемое в прототипе.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.с. 559325. Устройство для компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания на землю / О.А. Петров, А.М. Ершов. - Опубл. 25.05.77, БИ №19. Заявка №32181262/07 от 23.09.75.
2. А.с. 907684. Устройство для автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю / О.А. Петров, A.M. Ершов. - Опубл. 23.02.82, БИ №7. Заявка 2903222/24-07 от 01.04.80 (прототип).
3. Каталог ООО «НПП Бреслер»; сайт: www.bresler.ru.
4. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. - М.: Энергия, 1974, 98 с.