СПОСОБ АКТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
ACTIVE EARTHING METHOD FOR POWER TRANSFORMER NEUTRAL LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов с глухозаземленной нейтралью электрических станций и подстанций от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитных бурь.
Известен способ емкостного заземления нейтрали силового трансформатора через параллельно соединенные коммутационный модуль, конденсаторную батарею и защитный модуль, состоящий из быстродействующего управляемого разрядника и высоковольтного выключателя, заключающийся в том, что при отсутствии геомагнитной активности коммутационный модуль включают, создавая режим глухозаземленной нейтрали, а в периоды геомагнитных бурь коммутационный модель включают, создавая режим емкостного заземления нейтрали, и контролируют напряжение конденсаторной батареи, включая защитный модуль, если напряжение достигает предельно допустимого уровня [1, 2].
Известный способ требует реализации сложной силовой схемы, поскольку для создания режима емкостного заземления нейтрали необходимы как конденсаторная батарея, так и защитный модуль. Однако конденсаторная батарея и защитный модуль не используются для создания режима глухозаземленной нейтрали. Поэтому известный способ характеризуется низкой степенью использования силового оборудования, поскольку суммарная продолжительность геомагнитных бурь и соответственно работы силового трансформатора с емкостным заземлением нейтрали не превышает 1% общей продолжительности работы с глухозаземленной нейтралью.
Наиболее близким к предлагаемому является способ активного заземления нейтрали силового трансформатора через защитный модуль, заключающийся в том, что при отсутствии геомагнитной активности создают режим глухозаземленной нейтрали, а в периоды геомагнитных бурь создают режим изолированной нейтрали и контролируют напряжение нейтрали, включая защитный модуль, если напряжение достигает предельно допустимого уровня [3].
Известный способ обладает сложной силовой схемой и низкой степенью использования оборудования, поскольку для защиты силового трансформатора от воздействия геоиндуцированного тока в периоды геомагнитных бурь необходим защитный модуль, состоящий из быстродействующего управляемого разрядника и высоковольтного выключателя, а продолжительность работы силового трансформатора с изолированной нейтралью не превышает 1% общей продолжительности работы силового трансформатора с глухозаземленной нейтралью.
Цель предлагаемого изобретения состоит в упрощении силовой схемы и повышении степени использования оборудования активного заземления нейтрали.
Поставленная цель достигается тем, что защитный модуль выполняется в виде встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров, на управляющие электроды которых подают управляющие импульсы при отсутствии геомагнитной активности и прекращает подачу управляющих импульсов в периоды геомагнитных бурь.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие функционирование активного заземления нейтрали силового трансформатора.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит защитный модуль 1, силовые тиристоры 2, 3, симметричный ограничитель напряжения 4, шунтирующие диоды 5, 6, блок управления 7, силовые трансформаторы 8, 9, связанные воздушной линией 10.
Силовая схема защитного модуля 1 образована встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 2, 3, между управляющими электродами которых включен симметричный ограничитель напряжения 4, а к управляющим переходам подключены шунтирующие диоды 5, 6 и выходы блока управления 7.
В нейтраль обмоток высокого напряжения силового трансформатора 8 включен защитный модуль 1. Обмотки высокого напряжения силового трансформатора 9 имеют глухозаземленную нейтраль.
Предлагаемый способ активного заземления нейтрали заключается в следующем.
При отсутствии геомагнитных возмущений в силовых тиристорах 2, 3 защитного модуля 1 прикладывается напряжение нулевой последовательности основной частоты (50 Гц), величина которого определяется несимметрией фазных напряжений обмоток высокого напряжения силового трансформатора 8 (фиг.2)
(0)
где U - действующее значение напряжения нулевой последовательности;
ном
U - номинальное междуфазное напряжение обмоток высокого напряжения силового трансформатора 8;
U(0)
K - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности.
ном
(0)
Согласно ГОСТ Р 54149-2010 нормально допустимое значение коэффициента несимметрии 2%, а предельно допустимое значение - 4%. Например, при U=110 кВ напряжение нулевой последовательности может составлять U=(2,2÷4,4) кВ.
(0)
(0)
(0)
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
По команде «Заземление», которая подается при отсутствии геомагнитных возмущений, блок 7 формирует непрерывный управляющий сигнал, поступающий на управляющие электроды силовых тиристоров 2, 3. В соответствии с изменением полярности напряжения нулевой последовательности U будет происходить поочередное включение силовых тиристоров 2, 3. Через силовой тиристор 2 будет протекать положительная полуволна
тока нулевой последовательности I (фиг.2). Через силовой тиристор 3 будет протекать отрицательная полуволна
тока нулевой последовательности I.
(0)
Непрерывный управляющий сигнал блока управления 7 исключает возможность протекания прерывистого тока через силовые тиристоры 2, 3. Ток нулевой последовательности I не будет иметь пауз и поэтому не будет содержать высших гармоник. В результате защитный модуль 1 обеспечит режим глухозаземленной нейтрали, поскольку дифференциальное сопротивление силовых тиристоров 2, 3 в открытом состоянии имеет крайне низкое значение (не более единиц мОм), а пороговое напряжение не превышает (1,0÷1,2) B.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow>
В периоды геомагнитных бурь вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности земли квазипостоянное геоэлектрическое поле с горизонтальной составляющей напряженности
. В результате между заземлителями силовых трансформаторов 8 и 9 возникает разность потенциалов (фиг.1)
где l - расстояние между заземлителями силовых трансформаторов 8 и 9, которое можно принять равным протяженности воздушной линии 10;
α - угол ориентации воздушной линии 10 относительно вектора напряженности геоэлектрического поля;
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>0</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- модуль вектора напряженности геоэлектрического поля.
ГИТ
Под действием разности потенциалов E в замкнутом контуре: заземлитель - защитный модуль 1 - нейтраль и обмотки высокого напряжения силового трансформатора 8 - фазные провода воздушной линии 10 - обмотки высокого напряжения, нейтраль и заземлитель силового трансформатора 9, будет протекать квазипостоянный геоиндуцированный ток (I на фиг.1), вызывая насыщение магнитной системы силовых трансформаторов 8, 9.
Опыт наблюдений показывает, что типичные диапазоны значений напряженности и частоты геоэлектрического поля у поверхности земли составляют (1÷20) В/км и (0,001÷0,1) Гц в зависимости от интенсивности геомагнитной бури. Например, при протяженности воздушной линии l=100 км, α=0 разность потенциалов между заземлителями силовых трансформаторов 8, 9 может достигать 2 кВ, а величина геоиндуцированного тока в зависимости от величины активных сопротивлений обмоток высокого напряжения и фазных проводов может достигать десятков и даже сотен ампер.
(0)
ГИТ
По команде «Защита», которая подается перед началом прогнозируемой геомагнитной бури, блок управления 7 прекращает формирование управляющего сигнала. Силовые тиристоры 2, 3 запираются, блокируя протекание и тока нулевой последовательности I, и геоиндуцированного тока I. В результате на период геомагнитной бури обеспечивается режим изолированной нейтрали силового трансформатора 8, поскольку сопротивление силовых тиристоров 2, 3 в закрытом состоянии достигает десятков и даже сотен МОм. Для поддержания режима изолированной нейтрали силовые тиристоры 2, 3 должны выдерживать воздействие напряжения с амплитудным значением
В аварийном режиме, например, при однофазном коротком замыкании в начале воздушной линии 10, к силовым тиристорам 2, 3 будет прикладываться напряжение, равное фазному напряжению обмотки высокого напряжения силового трансформатора 8, которое многократно превышает значение, определяемое выражением (3). Для защиты изоляции нейтрали силового трансформатора 8 от перенапряжения и силовых тиристоров 2, 3 от пробоя осуществляется принудительное включение последних с помощью симметричного ограничителя напряжения 4 и шунтирующих диодов 5, 6.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Уровень лавинообразования симметричного ограничителя напряжения 4 одинаков для напряжений положительной и отрицательной полярности, т.е.
, и должен быть на (100÷200)B меньше повторяющегося напряжения силовых тиристоров 2, 3. Величина отрицательного напряжения на управляющем переходе силового тиристора 2 (3) в случае увеличения напряжения на защитном модуле 1 до уровня лавинообразования симметричного ограничителя напряжения 4 ограничивается величиной прямого падения напряжения на шунтирующем диоде 6 (5).
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>л</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>л</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
Наиболее неблагоприятным, но наиболее вероятным является однофазное короткое замыкание в момент максимума фазного напряжения поврежденной фазы. В этом случае в момент однофазного короткого замыкания произойдет практически скачкообразное увеличение напряжения на силовых тиристорах 2, 3 теоретически до амплитуды фазного напряжения обмотки высокого напряжения силового трансформатора 8. Однако при достижении уровня лавинообразования, например
, через шунтирующий диод 5, симметричный ограничитель напряжения 4 и управляющий переход силового тиристора 2 протекает положительный импульс тока. Происходит включение силового тиристора 2, через который будет протекать положительная полуволна тока однофазного короткого замыкания. После запирания силового тиристора 2 возникнет импульс перенапряжения противоположной полярности. При достижении уровня лавинообразования
через шунтирующий диод 6, симметричный ограничитель напряжения 4 и управляющий переход силового тиристора 3 протекает импульс тока. Происходит включение силового тиристора 3, через который будет протекать отрицательная полуволна тока однофазного короткого замыкания. Далее процессы включения и выключения силовых тиристоров 2, 3 будут чередоваться до тех пор, пока воздушная линия 10 не будет отключена высоковольтным выключателем по сигналу релейной защиты (на фиг.1 не показаны).
Например, время отключения воздушных выключателей составляет (0,04÷0,08)c, а время срабатывания релейной защиты составляет (0,004÷0,01)c. В результате за время однофазного короткого замыкания возможно до (4÷5) включений каждого из силовых тиристоров 2, 3.
После отключения воздушной линии 10 к защитному модулю 1 будет прикладываться напряжение нулевой последовательности, амплитуда которого меньше уровня лавинообразования симметричного ограничителя напряжения 4. Включение силовых тиристоров 2, 3 прекращается и восстанавливается исходный режим изолированной нейтрали силового трансформатора 8. В результате заземленные обмотки высокого напряжения силовых трансформаторов 8, 9 подвергаются воздействию геоиндуцированного тока в течение очень короткого интервала времени (не более 0,1 с), которого недостаточно для насыщения магнитной системы. После успешного цикла автоматического повторного включения восстанавливается работа воздушной линии 10 и продолжается работа силового трансформатора 8 в режиме изолированной нейтрали до окончания геомагнитной бури и поступления на блок управления 7 команды «Заземление».
Таким образом, защитный модуль 1, построенный на базе силовых тиристоров 2, 3, обеспечивает защиту силового трансформатора 8 от воздействия геоиндуцированного тока, непрерывно находясь в работе, и при отсутствии геомагнитной активности, и в периоды геомагнитной бури. Этим достигается положительный эффект, который заключается в упрощении силовой схемы активного заземления нейтрали и в повышении степени использования силового оборудования активного заземления благодаря непрерывному режиму работы защитного модуля.
Источники информации
1. Kappenman J.G., Scott R.N. Neutral blocking devices combats currents caused by geomagnetic storm/ Transmission and Distribution, 1992, 44, №5, p.46-54.
2. Atzmann M.A. Alternatives for blocking direct current in AC - System neutrals and the Radisson/LG-2 Complex/IEEE Trans. on Power Delivery, 1992, 7, №3, p.1328-1337.
3. Kappenman J.G. GIC reduction strategies for the Electric Power Grid / NERC, Agenda GMDTF Face to Face Meeting, November, 9-10, 2011.