Устройство управления заземлением нейтрали в электрической сети
NEUTRAL GROUNDING CONTROL DEVICE IN THE ELECTRICAL NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики  и может быть использовано в распределительных электрических сетях с изолированной нейтралью.
В трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью допускается работа сетевого оборудования при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) в условиях контроля аварийного тока поврежденной фазы с использованием управляемых средств заземления нейтрали сети. Известно устройство управления заземлением нейтрали с использованием включенного между нейтралью питающего сеть трансформатора и землей реактора с возможностью контролировать ток ОЗЗ, каким бы ни был емкостной ток от кабельной линии [1]. Индуктивность реактора настраивается по условию резонанса так, чтобы при замыкании фазы на землю вводимый в нейтраль сети отстающий индуктивный ток реактора был равен опережающему емкостному току ОЗЗ. В условиях точной настройки, когда в месте замыкания на землю теоретически нулевой ток, заземляющая дуга самоустраняется и повторно не возникает. Такой подход к управлению заземлением нейтрали дает возможность предотвращать внезапность нарушения электроснабжения, обусловленного отключением поврежденного элемента, что для ряда отраслей промышленности является основной причиной производственного ущерба.
Недостаток устройства с реакторным оборудованием связан с использованием недостаточно точных методов косвенных измерений параметров сети и несовершенной технологии настройки токовой компенсации с использованием реакторного оборудования. К тому же, резонансная настройка является определяющим фактором лишь в отношении сетей, для которых характерны малые значения токов утечки и небаланса, обусловленного разбросом фазных проводимостей относительно нейтрали и земли. Для ряда сетей устройство с подобным реакторным оборудованием оказывается недостаточно эффективными.
Во-первых, с помощью пассивного элемента (катушки индуктивности, настроенной в резонанс с емкостью сети), можно скомпенсировать только емкостную составляющую тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на частоте сети. В реальных сетях большой протяженности в токе ОЗЗ содержится значительная активная составляющая тока, обусловленная утечками на землю через изоляцию, ограничители перенапряжений и другие элементы, которая в принципе не может быть скомпенсирована пассивной катушкой индуктивности.
Во-вторых, погрешность настройки в резонанс дугогасящей катушки обусловливает остаточный ток в месте повреждения.
В-третьих, в токе ОЗЗ неизбежно есть составляющие с частотами, отличными от основной частоты сети, которые также не могут быть скомпенсированы полностью дугогасящей катушкой.
Компенсация только емкостной составляющей в токе замыкания на землю в электрических сетях большой протяженности не обеспечивает гашение электрической дуги в месте замыкания при однофазных замыканиях на землю, т.к. горение дуги поддерживается за счет активной составляющей тока замыкания и составляющих с частотами, отличными от основной. Для гарантированного гашения электрической дуги в месте повреждения необходима компенсация полного тока замыкания на землю, содержащего емкостную и активную составляющие, а также составляющие других частот, отличных от основной частот.
Близким по принципу действия к первому варианту предлагаемого технического решения является устройство-прототип, рассмотренное в описании изобретения [2]. Оно, содержит включенный через датчик тока между нейтралью сети и землей регулируемый трансформатор и блок измерения и управления, сконфигурированный для контроля и измерения токов нулевой последовательности в присоединениях и управления настройкой амплитуды и фазы напряжения на нейтрали. Это решение дает возможность осуществлять настройку на компенсацию составляющих основной гармоники тока ОЗЗ.
Недостатки устройства заключаются в следующем:
Во-первых, из-за погрешностей измерительного тракта, реагирующего на изменяющиеся под воздействием случайных факторов токи нулевой последовательности на присоединениях, и тракта управления напряжением, связанным косвенным образом с создаваемым в нейтрали током компенсации, практически сложно обеспечить благоприятные условия для быстрой и точной нейтрализации аварийного тока в месте замыкания.
Во-вторых, используемые в устройстве средства измерения и управления компенсацией не предусматривают нейтрализацию гармонических составляющих аварийного тока, а также переходных токов, возникающих в условиях коммутации средств компенсации.
Близким по функциональным возможностям и принципу действия ко второму варианту предлагаемого технического решения, является устройство-прототип, рассмотренное в описании изобретения [3] Оно содержит подключенные к нейтрали сети регулируемый реактор и инвертор на основе ШИМ-конвертора и два блока измерения и контроля. Первый блок измерения и контроля сконфигурирован для измерения параметров контура нулевой последовательности сети и определения информационной координаты, чтобы управлять настройкой реактора на компенсацию емкостного тока ОЗЗ, а второй – для определения информационной координаты, чтобы управлять настройкой регулируемого инвертора на компенсацию активного тока и тока небаланса. Это устройство дает возможность в большей мере решать задачу компенсации составляющих аварийного тока.
Однако и это решение не способно контролировать и устранять остаточный ток, обусловленный периодическими составляющими неосновной гармоники и апериодическими составляющими, возникающими в контуре сети в условиях неустойчивых дуговых ОЗЗ.
Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в создании технических решений, обеспечивающих возможность быстро и точно контролировать мгновенный ток ОЗЗ и управлять его компенсацией, какими ни были его составляющие в точке замыкания на землю. Эти факторы призваны повысить надежность электроснабжения за счет снижения рисков электро и пожароопасности и отказа оборудования.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении быстродействия и точности измерения и управления компенсацией тока ОЗЗ и расширения сферы применения.
В первом варианте предлагаемого технического решения указанный результат достигается тем, что в устройстве управления заземлением нейтрали в электрической сети, содержащем регулируемый источник, включенный через первый датчик тока между нейтралью питающего сеть трансформатора и землей, трансформатор напряжения сети и блок измерения и управления, первый вход которого подключен к выходу первого датчика тока, второй вход подключен к выходу трансформатора напряжения сети, а первый выход блока измерения и управления подключен к управляющему входу регулируемого источника, второй выход блока измерения и управления подключен к управляющему входу силового коммутатора, состоящего из трех ключей, первые силовые выводы которых подключены к сети пофазно, а вторые силовые выводы объединены и подключены к земле через второй датчик тока, выход которого подключен к третьему входу блока измерения и управления.
Способствуют решению поставленной задачи следующие признаки.
Устройство выполнено с возможностью электропитания регулируемого источника от источника оперативного питания, либо от сети через согласующий трансформатор или трансформатор собственных нужд.
Выполнено с возможностью искусственного замыкания поврежденной фазы на землю с помощью коммутатора, измерения аварийного тока и настройки регулируемого источника на компенсацию по меньшей мере реактивной и активной составляющих основной гармоники аварийного тока.
Выполнено с возможностью настройки регулируемого источника на компенсацию мгновенного аварийного тока.
Во втором варианте технического решения указанный результат достигается тем, что в устройстве управления заземлением нейтрали в электрической сети, содержащем регулируемый источник и реактор, включенные через первый датчик тока между нейтралью питающего сеть трансформатора и землей, трансформатор напряжения сети и блок измерения и управления, первый вход которого подключен к выходу первого датчика тока, второй вход подключен к выходу трансформатора напряжения сети, а первый выход блока измерения и управления подключен к управляющему входу регулируемого источника, второй выход блока измерения и управления подключен к управляющему входу силового коммутатора, состоящего из трех ключей, первые силовые выводы которых подключены к сети пофазно, а вторые силовые выводы объединены и подключены к земле через второй датчик тока, выход которого подключен к третьему входу блока измерения и управления.
Способствуют решению поставленной задачи следующие признаки.
Третий выход блока измерения и управления подключен к управляющему входу реактора.
Выполнено с возможностью электропитания регулируемого источника от оперативного источника питания либо от сети через согласующий трансформатор или трансформатор собственных нужд.
Выполнено с возможностью искусственного замыкания поврежденной фазы на землю с помощью коммутатора, измерения аварийного тока и настройки регулируемого источника на компенсацию по меньшей мере активной составляющей аварийного тока.
Выполнено с возможностью настройки регулируемого источника и реактора на компенсацию по меньшей мере активной и реактивной составляющих основной гармоники аварийного тока.
Выполнено с возможностью совместной настройки регулируемого источника и регулируемого реактора на компенсацию мгновенного аварийного тока.
Суть предлагаемых технических решений заключается в том, что в сетях с изолированной нейтралью, где бы ни возникло замыкание на землю, и каким бы ни был его характер, посредством искусственного замыкания поврежденной фазы с помощью коммутатора могут быть созданы наиболее благоприятные условия для быстрого гашения заземляющей дуги и непосредственного измерения аварийного тока, и путем прямого управления регулируемым источником могут быть созданы условия для очень быстрого устранения с исчерпывающей полнотой остаточного тока.
Сопоставительный анализ предложенных технических решений с известными показывает, что первые обладают наиболее высоким быстродействием и повышенной точностью измерения и управления компенсацией тока ОЗЗ и, следовательно, имеет более широкую сферу применения. По мнению авторов, предложенные технические решения отвечают в полной мере предъявляемым к изобретениям требованиям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена функциональная схема, иллюстрирующая принцип управления заземлением нейтрали с использованием включенного между нейтралью питающего сеть трансформатора и землей регулируемого источника; на фиг. 2 – функциональная схема с использованием включенных между нейтралью питающего сеть трансформатора и землей регулируемого источника и реактора.
пит
Схема на фиг. 1 содержит силовой трансформатор 1 со вторичными обмотками, соединенными по схеме «звезда» с изолированной нейтралью 2, питающими шину 3 сети, к которой присоединены через коммутационные аппараты 4 отходящие линии 5. К сборной шине 3 подключены трансформатор напряжения 6, содержащий вторичные обмотки, включенные по схеме «звезда» и «разомкнутый треугольник», и силовой коммутатор 7, состоящий из трех ключей, первые силовые выводы которых подключены к шине 3 пофазно, а вторые силовые выводы объединены и подключены через датчик тока 8 к шине заземления 9. Нейтраль 2 трансформатора 1 подключена к шине заземления 9 через датчик тока 10 и выход регулируемого источника 11, который может питаться от оперативного источника U либо от сети через согласующий трансформатор или трансформатор собственных нужд. Управляющий вход регулируемого источника 11 и управляющий вход коммутатора 7 подключены соответственно к первому и второму выходам блока измерения и управления 12, у которого первый вход подключен к выходным обмоткам трансформатора напряжения 6, второй вход – к выходу датчика тока 8 и третий вход - к выходу датчика тока 10.
В схеме на фиг. 2 содержится включенный параллельно выходу регулируемого источника 11 реактор 13, который в общем случае может быть нерегулируемым (катушка индуктивности). В случае использования регулируемого реактора, его управляющий вход может быть подключен к третьему выходу блока измерения и управления 12.
Устройство по схеме на фиг. 1 работает следующим образом. В условиях нормальной работы сети блок измерения и управления 12 устанавливает блокирующие сигналы на управляющих входах  регулируемого источника 11 и коммутатора 7, и осуществляет контроль и измерение текущих фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали посредством обработки сигналов, поступающих с выходных обмоток трансформатора напряжения 6. При этом выход регулируемого источника 11 обесточен и находится в непроводящем (высокоимпедансном) состоянии, ключи коммутатора 7 находятся в разомкнутом состоянии.
При возникновении однофазного замыкания, например, дугового замыкания на землю одной фазы отходящей линии 5, блок измерения и управления 12 фиксирует аварийное событие по соответствующим изменениям сигналов текущих напряжений, поступающих с выходных обмоток трансформатора 6, и подает на управляющий вход коммутатора 7 сигнал на коммутацию ключа, подключающего ту же фазу на шине 3 к шине заземления 9. В результате, в самом начале развития аварийного процесса меняется конфигурация контура тока ОЗЗ, текущего по двум неповрежденным фазным линиям и через распределенные относительно земли активные и емкостные проводимости возвращающегося в поврежденную фазу. До момента коммутации ключа коммутатора 7 петля тока ОЗЗ охватывала протяженный участок отходящей линии 5 с относительно высоким переходным сопротивлением. С момента коммутации ключа коммутатора 7 образуется шунтирующая токовая петля с очень низким сопротивлением, которая оказывается доминирующей. Эффект при этом достигается в фактическом переносе места ОЗЗ с удаленного участка отходящей линии 5 на шину 3 и изменении характера с дугового на устойчивое замыкание на землю. В результате заземляющая дуга в месте возникновения ОЗЗ быстро обесточивается и гасится практически в начальной стадии развития процесса ОЗЗ и потенциал поврежденной фазы выравнивается с потенциалом земли. Эти факторы обуславливают очень быстрое установление безопасных электрических и пожарных условий в месте возникновения ОЗЗ на отходящей линии и предотвращают риски деградации изоляции и отказа сетевого оборудования.
Блок измерения и управления 12 осуществляет контроль и измерение текущего через коммутатор 7 аварийного тока посредством обработки данных сигнала, поступающего с выхода датчика тока 8. По данным, полученным в результате измерения мгновенного аварийного тока, в блоке 12 производится вычисление информационных координат, по которым определяются всевозможные составляющие, действующие в условиях конкретной конфигурации внешних присоединений.
р
Длительность измерительной процедуры устанавливается исходя из условия определения с приемлемой точностью координат мгновенного аварийного тока, по данным которого в блоке измерения и управления 12 формиуются информационные сигналы для прямого управления настройкой подключенных к нейтрали 2 средств компенсации.
По окончанию измерительной процедуры блок измерения и управления 12 формирует на управляющем входе регулируемого источника 11 информационный сигнал, устанавливающий проводящее состояние регулируемого источника 11 с выходным током, параметры которого тождественны параметрам определенного мгновенного аварийного тока либо отдельных его составляющих. В это же время на управляющий вход коммутатора 7 подается блокирующий сигнал на размыкание соответствующего ключа коммутатора 7. Под действием регулируемого источника 11 протекающий через шину заземления 9 аварийный ток переключается на нейтраль 2. При этом в цепи искусственного замыкания поврежденной фазы на землю устанавливается практически нулевой остаточный ток и коммутатор 7 обесточивается. В результате запирание (размыкание) соответствующего ключа коммутатора 7 происходит фактически при нулевых значениях тока и напряжения, когда коммутационные потери в ключе минимальны. Аномальные условия работы сети, когда фаза сети гальванически не связана с землей, но ее потенциал остается равным потенциалу земли, сохраняются еще некоторое время. В эксплуатационной практике предусматривается удерживать подобные аномальные условия работы сети до выявления и устранения повреждения. Восстановление нормальной работы сети производится посредством прерывания процесса компенсации, осуществляемого путем установления подачи на управляющем входе регулируемого источника 11 блокирующего сигнала, при котором обесточивается выход регулируемого источника. С этого момента устанавливается нормальная работа сети с изолированной нейтралью.
Таким образом, с помощью рассмотренного технического решения в сетях с изолированной нейтралью, где бы ни возникало ОЗЗ и каким бы ни был характер замыкания на землю, оно тут же блокируется посредством искусственного замыкания поврежденной фазы на землю. а затем посредством точной компенсации очень быстро устраняется остаточный ток в месте замыкания поврежденной фазы на землю.
В тех сетях, где уже установлены дугогасящие реакторы, могут быть использованы регулируемые источники с заведомо меньшей установленной мощностью, которые ориентированы на частичную компенсацию аварийного тока. В сетях с нерегулируемым реактором 13 (фиг. 2) для управления регулируемым источником 11 используются информационные координаты, выделяемые из результирующего мгновенного аварийного тока, определяемого посредством обработки данных сигналов, поступающих с выхода датчиков тока 9 и 10. В этом случае при замыкании коммутатором 7 поврежденной фазы на землю блоком измерения и управления 12 контролируются все периодические составляющие аварийного тока, циркулирующие через шину заземления 9, недокомпенсированную реактором периодическую составляющую, а также апериодическую составляющую, обусловленную инерционными свойствами реактора.
Если в сети используется реакторное оборудование с автоматической резонансной настройкой и отсутствуют искажающие сеть факторы, то регулируемый источник может быть сконфигурирован на компенсацию только активной составляющей аварийного тока. В этом случае может быть использован регулируемый источник с относительной малой установленной мощностью.
В том случае, когда в сети используется быстродействующее реакторное оборудование, например, регулируемый реактор с подмагничиванием, то возможно совместное управление настройкой регулируемого источника 11 и регулируемого реактора 13. В этом случае из результирующего тока ОЗЗ выделяют информационные координаты для управления резонансной настройкой регулируемого реактора 13, призванного компенсировать реактивную составляющую основной гармоники, и для настройки регулируемого источника 11, призванного компенсировать оставшиеся составляющие аварийного тока.
Таким образом, предложенные технические решения обеспечивают возможность очень быстро блокировать дуговые процессы ОЗЗ, производить точные измерения аварийного тока, определять необходимые для управления информационные координаты и осуществлять точное управление средствами компенсации, призванными устранять с исчерпывающей полнотой остаточный ток. Эти решения обеспечивают существенное снижение рисков электро и пожароопасности, повышение надежности электроснабжения и существенно расширяют сферу применения.
Источники информации
1. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. М.: Энергия, 1974., с. 83, 84.
2. Патент. Устройство, содержащее управляемый трансформатор, WO 2014/021773А1, Н02Н 9/08, G05F 1/14, H02J 3/18, H02P 13/06, H01F 29/04, PCT/SE2013/050943, 31.07.2013
3. Патент РФ №2655670, H02J3/26, H02H3/16, H02H9/08, Заявка 2016141795 от 24.10.2016, опубл. 29.05.2018.