СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ АКТИВНОГО ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В КОМПЕНСИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С НЕЙТРАЛЬЮ, ЗАЗЕМЛЕННОЙ ЧЕРЕЗ ДУГОГАСЯЩИЙ РЕАКТОР, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INCREASING ACTIVE CURRENT OF SINGLE PHASE-TO-GROUND FAULT IN RESONANT GROUNDED SYSTEMS WITH NEUTRAL GROUNDED VIA ARC-SUPPRESSION COIL AND DEVICE FOR SUCH METHOD IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к защите электрических линий от аварий, а именно к защите, реагирующей на ток замыкания на землю, и могут быть использованы для повышения селективности сетевых защит при однофазном замыкании на землю в распределительных электрических сетях с нейтралью, заземленной через плунжерный дугогасящий реактор, а именно для формирования необходимых условий для надежного срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединений.
Известен способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных распределительных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР), в соответствии с которым при металлическом замыкании на землю к дополнительной обмотке плунжерного ДГР подключают резистор на время, достаточное для срабатывания защит от замыкания на землю (Вадим Кричко, Игорь Миронов. «Особенности применения дугогасящих реакторов» // журнал «Новости ЭлектроТехники», №1 (43) 2007, с.44, рис.6).
Недостаток известного способа заключается в том, что он позволяет формировать необходимые условия для надежного срабатывания сетевых защит на отключение только в случае металлического замыкания на землю.
0
0
0
0
min
0
min
0
Известен способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, наиболее близкий к предлагаемому, сущность которого заключается в том, что в случае фиксации ОЗЗ первично параллельно дополнительной управляющей вторичной обмотке плунжерного ДГР подключают резистор с максимальным сопротивлением. После чего фиксируют величину напряжения на нейтрали 3U, ток через управляющий резистор и, в соответствие с полученными данными, определяют уточненную требуемую величину резистора. Затем параллельно управляющей вторичной обмотке ДГР кратковременно подключают резистор рассчитанного уточненного номинала также на время, достаточное для срабатывания защит. Если защита от ОЗЗ не сработала, то вновь фиксируют величину напряжения на нейтрали 3U и ток через резистор, затем вновь определяют уточненную величину резистора. Далее операции способа повторяются до тех пор, пока защита не сработает. При этом не нарушают условия 3U>3U, где 3U - минимальный уровень напряжения 3U, необходимый для корректной работы защит от ОЗЗ. При этом, если идет команда на включение малого сопротивления, провоцируя рост активного тока через место повреждения вплоть до десятков ампер, то, в случае низкоомного ОЗЗ и чувствительной защиты, используют искусственное ограничение тока, устанавливая максимально допустимый уровень активного тока ОЗЗ, протекающего через место повреждения после подключения резистора.
0
min
В случае значительного сопротивления в месте ОЗЗ рост активного тока через место повреждения ограничивают тем, что устанавливают порог 3U, например, той же величины, что и уставка защиты, установленной в этой сети. Этот порог и определяет предельное значение сопротивления резистора (заявка WO 2008/116428, Н02Н 9/08, дата международной публикации 02.10.2008, Чехия).
Из вышеизложенного следует. В известном способе для увеличения активного тока при ОЗЗ используют кратковременное подключение резистора параллельно управляющей вторичной обмотке ДГР, величину которого определяют путем последовательного подбора, т.е. пошагово. В результате снижается оперативность известного способа, а следовательно, снижается селективность и оперативность сетевых защит.
0
0
Кроме того, известный способ имеет ограничения по величине уровня 3U, поскольку требует сохранения значения уровня 3U при использовании резистора таким, которое позволяет уверенно идентифицировать наличие ОЗЗ и выполнить необходимые расчеты. Это накладывает ограничение на величину добавочного активного тока в месте ОЗЗ, обусловленного включением резистора, что снижает селективность и надежность срабатывания сетевых защит.
При этом, как было указано выше, известный способ, после подключения резистора, требует специального контроля величины суммарного активного тока в месте ОЗЗ для того, чтобы исключить превышение максимально допустимого значения активного тока в данной сети после подключения резистора. Кроме того, способ требует дополнительного оборудования для ограничения уровня активного тока через место повреждения после подключения резистора, в частности, в случае низкоомного ОЗЗ и чувствительной защиты. В результате снижается надежность способа, а следовательно, снижается надежность срабатывания защит. Отсутствие гарантии того, что после подключения резистора значение тока при ОЗЗ в месте повреждения не превысит максимально допустимого, в свою очередь, не гарантирует выполнение требований безопасности при эксплуатации электрических сетей, что снижает надежность сетевых защит.
Известно, что в этот момент между размыкаемыми контактами коммутатора кратковременно возникает электрическая дуга, при гашении которой возникает обрыв тока. Это приводит к броску напряжения в управляющей вторичной обмотке ДГР, т.е. при каждом отключении резистора, в момент его отключения, в управляющей вторичной обмотке ДГР возникает перенапряжение, которое может привести к ее повреждению. Поскольку отключения резистора имеют повторяющийся характер, это создает тяжелые условия для работы управляющей обмотки ДГР. Отсутствие мер по облегчению режима работы управляющей обмотки ДГР снижает надежность известного устройства, а следовательно, снижает надежность срабатывания сетевых защит.
Таким образом, выявленный в результате патентного поиска наиболее близкий к предлагаемому способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных распределительных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении не обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Патентный поиск, выполненный в отношении устройства, осуществляющего заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, показал следующее.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство увеличения активного тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, заявка WO 2008/116428, Н02Н 9/08, дата международной публикации 02.10.2008, Чехия. Известное устройство содержит блок управления, подключенный к выходу блока управления управляемый коммутатор, плунжерный дугогасящий реактор, содержащий основную обмотку, и две дополнительные вторичные обмотки: управляющую обмотку и обмотку контроля напряжения смещения нейтрали. Один конец основной обмотки подключен к нейтрали сети, а второй заземлен. Кроме того, устройство содержит набор резисторов различных номиналов и управляемый коммутатор с системой коммутирующих групп, обеспечивающий соединение резисторов в различных комбинациях: от параллельного соединения с минимальным значением сопротивления до последовательного соединения с максимальным сопротивлением и подключение сформированного резистора параллельно к управляющей обмотке ДГР.
При этом блок управления ДГР содержит контроллер, выполняющий измерение напряжения на нейтрали, измерение тока, протекающего через резистор, расчет изменения напряжения на нейтрали после подключения резисторов, расчет сопротивления однофазного замыкания на землю и формирование сигнала управления коммутатором для выполнения требуемого соединения резисторов и подключения их к управляющей обмотке реактора.
0
0
0
min
0
min
0
Устройство, в случае фиксации ОЗЗ, первично параллельно вторичной обмотке реактора подключает резистор с максимальным сопротивлением. После чего контроллер фиксирует величину напряжения на нейтрали 3U, ток через управляющий резистор и, в соответствие с полученными данными, определяет требуемую величину управляемого резистора. По сигналу с выхода контроллера, поступающему на управляемый коммутатор, параллельно вторичной обмотке реактора кратковременно подключается резистор рассчитанного уточненного номинала также на время, достаточное для срабатывания защит. Если защита от ОЗЗ не сработала, то действия контроллера повторяются до тех пор, пока защита не сработает. Причем при подборе резистора не нарушают условия 3U>3U, где 3U - минимальный уровень напряжения 3U, необходимый для корректной работы защит от ОЗЗ.
При этом в известном устройстве, если идет команда на включение малого сопротивления, провоцируя рост активного тока через место повреждения вплоть до десятков ампер, то, в случае низкоомного ОЗЗ и чувствительной защиты, используют искусственное ограничение тока, а именно ограничивают минимальную величину резистора, устанавливая, тем самым, максимально допустимый уровень активного тока ОЗЗ, протекающего через место повреждения после подключения резистора.
0
min
В случае значительного сопротивления в месте ОЗЗ рост активного тока через место повреждения ограничивают тем, что устанавливают порог 3U, например, той же величины, что и уставка защиты, установленной в этой сети. Этот порог и определяет предельное значение сопротивления резистора (заявка WO 2008/116428, Н02Н 9/08, дата международной публикации 02.10.2008, Чехия).
Из вышеизложенного следует. В известном устройстве для увеличения активного тока при ОЗЗ используют кратковременное подключение резистора параллельно управляющей вторичной обмотке ДГР, значение которого определяют путем последовательного подбора, т.е. пошагово. В результате снижается оперативность известного устройства, а следовательно, снижается селективность сетевых защит. При этом наличие системы переключающих устройств для получения требуемого номинала резистора, а также получение требуемого номинала резистора путем изменения комбинаций соединения резисторов различного номинала также посредством системы переключающих устройств снижают надежность устройства, а следовательно, снижают надежность сетевых защит от ОЗЗ. Кроме того, при каждом отключении резистора, в момент его отключения, в управляющей вторичной обмотке ДГР возникает перенапряжение, которой может привести к ее повреждению. Это обусловлено тем, что в этот момент между размыкаемыми контактами коммутатора кратковременно возникает электрическая дуга, при гашении которой возникает обрыв тока, что приводит к броску напряжения в управляющей вторичной обмотке ДГР. Наличие большого количества переключающих элементов, а также то, что отключения резистора имеют повторяющийся характер, создает тяжелые условия для работы управляющей обмотки ДГР, что может привести к выходу ее из строя. Отсутствие мер по облегчению режима работы управляющей обмотки ДГР снижает надежность известного устройства, а следовательно, снижает надежность срабатывания сетевых защит.
0
0
Кроме того, известное устройство имеет ограничения по величине уровня 3U, поскольку требует сохранения значения уровня 3U при использовании резистора таким, которое позволяет уверенно идентифицировать наличие ОЗЗ и выполнить необходимые расчеты. Это накладывает ограничение на величину добавочного активного тока в месте ОЗЗ, обусловленного включением резистора, что снижает селективность и надежность срабатывания сетевых защит. При этом, как было указано выше, требуется специально контролировать величину суммарного активного тока в месте ОЗЗ для того, чтобы исключить превышение максимально допустимого значения активного тока в данной сети после подключения резистора. При этом известное устройство требует дополнительного оборудования для ограничения уровня активного тока через место повреждения после подключения резистора, в частности, в случае низкоомного ОЗЗ и чувствительной защиты. Отсутствие гарантии того, что после подключения резистора значение тока при ОЗЗ в месте повреждения не превысит максимально допустимого, в свою очередь, не обеспечивает гарантированное выполнение требований безопасности при эксплуатации электрических сетей, что снижает надежность сетевых защит.
Таким образом, выявленное в результате патентного поиска наиболее близкое к предлагаемому устройство, осуществляющее заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении не обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Предлагаемый способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Сущность заявленного способа увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, заключается в том, что в заявленном способе при возникновении ОЗЗ кратковременно подключают параллельно дополнительной управляющей вторичной обмотке плунжерного дугогасящего реактора резистор на время, достаточное для срабатывания защит от ОЗЗ, кроме того, контролируют напряжение на нейтрали, при этом новым является то, что при возникновении ОЗЗ контролируют величину среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали и, кроме того, при каждом отключении резистора осуществляют защиту управляющей вторичной обмотки дугогасящего реактора от перенапряжений, возникающих в момент отключения резистора, при этом перед первым подключением резистора отсчитывают заданный интервал времени с момента обнаружения ОЗЗ, по истечении которого проверяют наличие ОЗЗ и, в случае его подтверждения, выполняют кратковременное подключение резистора, при этом при первом подключении величину сопротивления резистора выбирают из условия получения величины суммарного активного тока в месте ОЗЗ, равной максимально допустимой величине для данной сети при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ, затем по истечении времени, необходимого для отстройки от переходных процессов, определяют величину среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали, и если ее значение меньше 30% от номинального значения для данной сети, то ОЗЗ считают ликвидированным; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали выше 50% от ее номинального значения, то повторяют первый вариант кратковременного подключения резистора; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет половину от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равна 30% от номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет одну треть от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз, при этом, если после отключения резистора ОЗЗ не исчезло, то вышеописанные операции повторяют. Кроме того, защиту управляющей вторичной обмотки дугогасящего реактора от перенапряжений, возникающих в момент отключения резистора, осуществляют путем ее шунтирования конденсатором с величиной емкости, обеспечивающей ограничение перенапряжений.
Технический результат достигается следующим образом. В заявленном способе при возникновении ОЗЗ кратковременно: на время, достаточное для срабатывания защит от ОЗЗ, подключают параллельно управляющей вторичной обмотке дугогасящего реактора резистор. В результате, через место повреждения начинает протекать дополнительный активный ток, увеличивающий значение активного тока в месте повреждения при ОЗЗ и способствующий надежному срабатыванию защиты при металлическом замыкании или, при дуговом перемежающемся пробое, способствующий переходу дугового перемежающегося пробоя в установившееся замыкание и формирующий необходимые условия для надежного и оперативного срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединения.
Благодаря тому, что перед первым подключением резистора отсчитывают заданный интервал времени с момента обнаружения ОЗЗ, по истечении которого проверяют наличие ОЗЗ, проверяется возможность самоустранения ОЗЗ и принимается решение о дальнейших действиях.
Выбор напряжения смещения нейтрали в качестве контролируемого позволяет по величине среднедействующего значения величины напряжения смещения оценить величину активного тока в месте повреждения при ОЗЗ и принять решение о величине подключаемого резистора, исходя из требований максимального допустимого тока ОЗЗ в сети данного класса напряжения, а именно: если ее значение меньше 30% от номинального значения для данной сети, то ОЗЗ считают ликвидированным; если имеется металлическое замыкание на землю или величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали выше 50% от ее номинального значения, то в месте пробоя ток близок к максимально допустимому. В этом случае для создания дополнительного активного тока выбирают подключение резистора с наибольшим номиналом, которого в этом случае достаточно для надежного, уверенного срабатывания защиты в месте повреждения. Если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения или ниже 33%, но больше или равна 30% от ее номинального значения, то в этих случаях требуется подключение резисторов меньшего номинала, поддерживающих суммарное значение активного тока в месте повреждения при ОЗЗ на уровне, близком к максимально допустимому. При этом, если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет половину от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равна 30% от номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет одну треть от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз.
Граничные значения напряжений смещения нейтрали получены авторами изобретения опытным путем и обусловлены способом выбора номиналов сопротивления для подключения в управляющую обмотку реактора и требованиями обеспечения максимально допустимого тока ОЗЗ для оперативного и надежного срабатывания на отключение простых токовых защит и защит терминалов присоединения. При этом среднедействующие значения напряжения смещения нейтрали, используемые в заявленном способе для выбора номинала подключаемого резистора, являются характерными для ОЗЗ.
Таким образом, в заявленном способе номинал резистора выбирают в зависимости от изменяющегося напряжения смещения нейтрали, значения которого находятся в диапазонах, характерных для ОЗЗ, и исходя из значений максимального допустимого тока ОЗЗ в сети данного класса напряжения. Так, в соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ) максимально допустимое значение тока в поврежденном присоединении может составлять в сети 6 кВ - 30 А; в сети 10 кВ - 20 А. В результате повышается безопасность от поражения током замыкания на землю.
Использование заданного интервала значений напряжения смещения нейтрали для принятия решения о выборе номинала подключаемого резистора повышает селективность срабатывания защит сети, а также повышает оперативность и чувствительность предлагаемого способа защиты, поскольку исключается необходимость пошагового подбора номинала резистора. В заявленном способе управляемый резистор формирует требуемый суммарный активный ток в месте повреждения при ОЗЗ одновременно для диапазона значений напряжения смещения нейтрали.
Известно, что при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ напряжение смещения на нейтрали имеет максимальную величину, равную фазному напряжению сети. Учитывая это, в заявленном способе при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ параллельно управляющей обмотке реактора подключают резистор с наибольшим номиналом. При этом в заявленном способе за основной номинал подключаемого резистора принимают номинал резистора, обеспечивающего формирование максимально допустимого активного тока при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ, т.е. резистор с наибольшим номиналом.
Таким образом, максимальное значение подключаемого резистора в заявленном способе является вполне определенной величиной, вытекающей из условия создания суммарного активного максимально допустимого для данной сети величины тока ОЗЗ при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ после подключения резистора в управляющую обмотку реактора.
Предлагаемое соотношение номиналов подключаемых резисторов и их привязка к соответствующим интервалам значений напряжения смещения нейтрали получены авторами опытным путем. Также опытным путем авторами получен результат, который подтверждает, что в заданном диапазоне значений напряжения смещения нейтрали при подключении соответствующего резистора через место повреждения при ОЗЗ протекает дополнительный активный ток, увеличивающий значение активного тока в месте повреждения при ОЗЗ до величины, близкой к максимально допустимой при ОЗЗ. При этом значение тока при ОЗЗ в месте повреждения, необходимое для срабатывании защиты, гарантированно не превышает максимально допустимое, что, с одной стороны, повышает селективность и надежность срабатывания защит, а с другой стороны, сохраняются требования безопасности при эксплуатации электрических сетей. В результате, формируются необходимые условия для надежного и оперативного срабатывания на отключение простых токовых защит и защит терминалов присоединения, а также обеспечивается повышение безопасности от поражения током замыкания на землю.
Из вышеизложенного следует, что использование в заявленном способе заданных граничных значений и заданных значений интервалов напряжения смещения нейтрали и соответствующих им, также заданных, управляющих сопротивлений, подключаемых в управляемую обмотку реактора, обеспечивает возможность срабатывания защиты при активных токах в месте повреждения, близких по значению к максимально допустимым, но гарантированно не превышающих их. При этом после подключения резистора не требуется дополнительного контроля наличия превышения суммарным активным током максимально допустимого значения. В результате повышаются оперативность и селективность защиты, повышается надежности срабатывания защит, а также и повышается безопасность от поражения током замыкания на землю.
Кроме того, в заявленном способе при каждом отключении резистора осуществляют защиту управляющей вторичной обмотки дугогасящего реактора от перенапряжений, возникающих в момент отключения резистора. Защиту управляющей вторичной обмотки дугогасящего реактора от перенапряжений, возникающих в момент отключения резистора, осуществляют путем ее шунтирования конденсатором с величиной емкости, обеспечивающей ограничение перенапряжений. Необходимость защиты управляющей обмотки ДГР обусловлена тем, что в момент отключения резистора между размыкаемыми контактами коммутатора возникает кратковременно электрическая дуга, при гашении которой возникает обрыв тока, что приводит к броску напряжения в управляющей вторичной обмотке реактора. Поскольку отключения резистора имеют повторяющийся характер, то создаются тяжелые условия для работы управляющей обмотки реактора, что может привести к выходу ее из строя. Конденсатор, мгновенно заряжаясь при размыкании контактов, отключающих резистор, предотвращает формирование броска напряжения на управляющей обмотке ДГР. Принятие мер по облегчению режима работы управляющей обмотки повышает надежность способа, а следовательно, повышает надежность срабатывания сетевых защит.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Предлагаемое устройство, осуществляющее заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, решает задачу создания соответствующего устройства, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Сущность заявленного устройства, осуществляющего заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, заключается в том, что в заявленном устройстве, содержащем блок управления, подключенный к выходу блока управления управляемый коммутатор, плунжерный дугогасящий реактор, содержащий основную обмотку, и две дополнительные вторичные обмотки: управляющую обмотку и сигнальную обмотку для контроля напряжения смещения нейтрали, при этом один вывод основной обмотки подключен к нейтрали сети, а второй заземлен, кроме того, устройство содержит первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены между собой и подключены к одному из выводов управляющей обмотки, новым является то, что дополнительно введены первая и вторая последовательные RC-цепи, кроме того, выводы сигнальной обмотки для контроля напряжения смещения нейтрали соединены с входом блока управления, а управляемый коммутатор подключен к выходу блока управления первым и вторым управляющими входами, при этом неподвижные контакты первой и второй коммутирующих групп управляемого коммутатора подключены к свободному выводу управляющей обмотки, а замыкающие контакты первой и второй коммутирующих групп подключены соответственно к вторым выводам первого и второго резисторов, кроме того, параллельно каждой коммутирующей группе управляемого коммутатора подключены соответственно первая и вторая последовательные RC-цепи. Кроме того, блок управления содержит контроллер и аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом блока управления, а выход соединен с информационным входом контроллера, выход которого является выходом блока управления. При этом управляемый коммутатор содержит первый и второй электронные ключи с опторазвязкой, входы которых являются соответственно первым и вторым управляемыми входами коммутатора, кроме того, коммутирующие контакты первого и второго ключей являются соответственно первой и второй коммутирующими группами управляемого коммутатора.
Технический результат достигается следующим образом. Совокупность существенных признаков формулы изобретения, а именно «Устройство…, содержащее блок управления, подключенный к выходу блока управления управляемый коммутатор, плунжерный дугогасящий реактор, содержащий основную обмотку, и две дополнительные вторичные обмотки: управляющую обмотку и сигнальную обмотку для контроля напряжения смещения нейтрали, при этом один конец основной обмотки подключен к нейтрали сети, а второй заземлен, кроме того, устройство содержит первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены между собой и подключены к одному из выводов управляющей обмотки,…» - обеспечивает работоспособность заявленного устройства, а следовательно, эти признаки обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
При возникновении ОЗЗ кратковременно, на время, достаточное для срабатывания сетевых защит от ОЗЗ, подключают резистор параллельно управляющей вторичной обмотке ДГР. В результате, через место повреждения начинает протекать дополнительный активный ток, увеличивающий значение активного тока в месте повреждения при ОЗЗ и способствующий надежному срабатыванию сетевой защиты при металлическом замыкании или, при дуговом перемежающемся пробое, способствующий переходу дугового перемежающегося пробоя в установившееся замыкание и формирующий необходимые условия для повышения селективности, надежного и оперативного срабатывания сетевых защит: простых токовых защит и защит терминалов присоединения.
Благодаря тому, что выводы обмотки контроля напряжения смещения нейтрали соединены с входом блока управления, блок управления формирует управляющий сигнал для подключения соответствующего резистора или комбинации резисторов параллельно управляющей обмотке ДГР, в зависимости от величины напряжения смещения нейтрали. Наличие в блоке управления аналого-цифрового преобразователя обеспечивает преобразование амплитуды напряжения смещения нейтрали в цифровой код и передачу цифровой информации о величине напряжения смещения нейтрали на вход контроллера блока управления. Контроллер работает в соответствии с заложенной в него программой: поскольку при ОЗЗ напряжение смещения нейтрали носит нестабильный характер, то контроллер рассчитывает среднедействующее значение напряжения смещения нейтрали, анализирует его величину и, в соответствии с полученным результатом, формирует управляющие сигналы на первом и втором входах управляемого коммутатора.
Выбор напряжения смещения нейтрали в качестве контролируемого позволяет по величине его среднедействующего значения оценить величину активного тока в месте повреждения при ОЗЗ и принять решение о величине подключаемого управляемого резистора, исходя из требований максимального допустимого тока ОЗЗ в сети данного класса напряжения. При этом, поскольку неподвижные контакты первой и второй коммутирующих групп управляемого коммутатора подключены к свободному выводу управляющей обмотки, а замыкающие контакты первой и второй коммутирующих групп подключены соответственно к вторым выводам первого и второго резисторов, то, в зависимости от величины среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали, выполняются три варианта подключения резисторов: первого или второго, или параллельное соединение первого и второго резисторов.
Опытным путем авторами получены диапазоны значений напряжения смещения нейтрали, характерных для ОЗЗ, и соответствующие им величины сопротивлений резисторов, подключаемых параллельно управляющей обмотке ДГР при ОЗЗ, которые в совокупности формируют необходимые условия для надежного и оперативного срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединения и повышают их селективность. При этом значение суммарного активного тока при ОЗЗ в месте повреждения, необходимое для срабатывании защиты, гарантированно не превышает максимально допустимое, что повышает как надежность срабатывания защит, так и повышает безопасность от поражения током замыкания на землю.
Были получены следующие диапазоны среднедействующих значений напряжения смещения нейтрали, характерные для ОЗЗ: величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали превышает 50% от ее номинального значения; величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения; величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равна 30% от номинального значения.
При этом величине среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали, превышающей 50% от ее номинального значения, соответствует величина сопротивления первого резистора, удовлетворяющая условию получения величины суммарного активного тока в месте ОЗЗ, равной максимально допустимой величине активного тока для данной сети при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ. Диапазону значений величины среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали от 33 до 50% от ее номинального значения соответствует величина сопротивления второго резистора, которая составляет половину от величины сопротивления первого резистора. Диапазону значений величины среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равно 30% от номинального значения соответствует резистор, величина сопротивления которого составляет одну треть от величины сопротивления первого резистора.
Таким образом, максимальное значение первого резистора, подключаемого параллельно управляющей обмотке ДГР, а следовательно, и второго резистора в заявленном устройстве является вполне определенной величиной, вытекающей из условия создания суммарного активного максимально допустимого для данной сети величины тока ОЗЗ при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ.
При подключении соответствующего резистора через место повреждения при ОЗЗ протекает дополнительный активный ток, увеличивающий значение активного тока в месте повреждения при ОЗЗ до величины, близкой к максимально допустимой при ОЗЗ. При этом значение тока при ОЗЗ в месте повреждения, необходимое для срабатывании защиты, гарантированно не превышает максимально допустимое, что, с одной стороны, повышает селективность защит и надежность их срабатывания, а с другой стороны, сохраняются требования безопасности при эксплуатации электрических сетей. В результате, заявленное устройство формирует необходимые условия для надежного и оперативного срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединения, а также обеспечивает повышение безопасности от поражения током замыкания на землю.
Таким образом, заявленное устройство позволяет, используя только два резистора для параллельного подключения к управляющей обмотке, а именно их поочередное подключение или параллельное соединение, формировать необходимые условия для надежного и оперативного срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединения в диапазоне среднедействующих значений напряжения смещения нейтрали, характерных для ОЗЗ. В результате исключается необходимость пошагового подбора резисторов для оптимизации величины добавочного активного тока для надежного срабатывания сетевых защит, что повышает оперативность как самого устройства, так и селективность и оперативность срабатывания сетевых защит.
Кроме того, благодаря тому, что управляемый коммутатор содержит первый и второй семисторные ключи с опторазвязкой, входы которых являются соответственно первым и вторым управляемыми входами коммутатора, кроме того, коммутирующие контакты первого и второго ключей являются соответственно первой и второй коммутирующими группами управляемого коммутатора, в заявленном устройстве использовано минимальное количество переключающих элементов, а именно всего две коммутирующие группы управляемого коммутатора, что повышает надежность заявленного устройства, а следовательно, повышает надежность срабатывания сетевых защит. Опторазвязка исключает влияние на работу электронных ключей как внешних цепей, так и их взаимное влияние друг на друга, что также повышает надежность работы устройства, а следовательно, и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Как было показано выше, при каждом отключении резистора, в момент его отключения, в управляющей вторичной обмотке ДГР возникает перенапряжение, которой может привести к ее повреждению. Это обусловлено тем, что в этот момент между размыкаемыми контактами коммутатора кратковременно возникает электрическая дуга, при гашении которой возникает обрыв тока, что приводит к броску напряжения в управляющей вторичной обмотке ДГР. Значительное сокращение количества переключающих элементов снижает вероятность выхода из строя управляющей обмотки, по сравнению с прототипом, что повышает надежность заявленного устройства. Однако наличие переключающих элементов, а также то, что отключения резистора имеют повторяющийся характер, ухудшает условия работы управляющей обмотки ДГР, что может привести к выходу ее из строя. Для облегчения режима работы управляющей обмотки ДГР в заявленное устройство дополнительно введены первая и вторая последовательные RC-цепи, которые подключены параллельно каждой коммутирующей группе управляемого коммутатора. В результате, в момент отключения резистора элементы RC-цепи шунтируют размыкающиеся контакты и конденсатор цепи мгновенно заряжается, ограничивая величину перенапряжения в управляющей обмотке ДГР до допустимой величины.
Широко известно использование RC-цепи для шунтирования размыкающихся контактов коммутирующих групп с целью предотвращения их подгорания. Однако в заявленном устройстве подключение RC-цепи параллельно к размыкающимся контактам коммутирующих групп управляемого коммутатора решает задачу снижения перенапряжения в управляющей обмотке ДГР, что обуславливает выбор параметров RC-цепи из условия ограничения величины перенапряжения в управляющей обмотке ДГР при размыкании контакта. Эти требования к параметрам RC-цепи более жесткие, по сравнению с требованиями для предотвращения подгорания контактов. В результате, в заявленном устройстве подключение RC-цепи параллельно к контактам коммутирующих групп управляемого коммутатора в момент их размыкания решает одновременно и задачу предотвращения подгорания контактов коммутирующих групп. Это также повышает надежность заявленного устройства, а следовательно, обеспечивает достижение заявленного технического результата.
При этом, как показал опыт, в штатном режиме RC-цепи не влияют на работу ДГР, так как дополнительный ток в основной обмотке ДГР при ОЗЗ составляет примерно 1 А.
Таким образом, введение в заявленное устройство первой и второй последовательных RC-цепей, которые подключены параллельно каждой коммутирующей группе управляемого коммутатора, повышает надежность работы заявленного устройства, а следовательно, обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Из вышеизложенного следует, что заявленное устройство, осуществляющее заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
На фигуре изображено устройство для увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, осуществляющее заявленный способ.
Заявленное устройство для увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, содержит блок управления 1, подключенный к выходу блока управления 1 управляемый коммутатор 2, плунжерный дугогасящий реактор 3, содержащий основную обмотку 4, и две дополнительные вторичные обмотки: управляющую обмотку 5 и сигнальную обмотку 6 для контроля напряжения смещения нейтрали. Один вывод основной обмотки 4 подключен к нейтрали сети, а второй заземлен. Выводы сигнальной обмотки 6 для контроля напряжения смещения нейтрали соединены с входом блока управления 1. Кроме того, устройство содержит первый 7 и второй 8 резисторы, первые выводы которых соединены между собой и подключены к одному из выводов управляющей обмотки 5, а к свободному выводу обмотки 5 подключены неподвижные контакты первой 9 и второй 10 коммутирующих групп управляемого коммутатора 2. Замыкающие контакты первой 9 и второй 10 коммутирующих групп подключены соответственно к вторым выводам первого 7 и второго 8 резисторов. Параллельно каждой коммутирующей группе 9, 10 управляемого коммутатора 2 подключены соответственно первая 11 и вторая 12 последовательные RC-цепи.
Блок управления 1 содержит контроллер 13 и аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП), вход которого является входом блока управления 1, а выход соединен с информационным входом контроллера 13, выход которого является выходом блока управления 1.
Управляемый коммутатор 2 содержит первый 15 и второй 16 электронные ключи с опторазвязкой, входы которых являются соответственно первым 17 и вторым 18 управляемыми входами коммутатора 2. Кроме того, коммутирующие контакты первого 15 и второго 16 ключей являются соответственно первой 9 и второй 10 коммутирующими группами управляемого коммутатора 2.
Заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, реализуют следующим образом.
При возникновении ОЗЗ отсчитывают заданный интервал времени с момента обнаружения ОЗЗ, по истечение которого проверяют наличие ОЗЗ, контролируя среднедействующее значение напряжения смещения нейтрали. В случае его подтверждения (величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали больше или равна 30%) выполняют кратковременное подключение резистора параллельно дополнительной управляющей вторичной обмотке дугогасящего реактора на время, достаточное для срабатывания защит от ОЗЗ. При этом при первом подключении величину сопротивления резистора выбирают из условия получения величины суммарного активного тока в месте ОЗЗ, равной максимально допустимой величине для данной сети при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ. По истечении времени, необходимого для отстройки от переходных процессов, определяют величину среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали. Если ее значение меньше 30% от номинального значения для данной сети, то ОЗЗ считают ликвидированным; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали выше 50% от ее номинального значения, то повторяют первый вариант кратковременного подключения резистора; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет половину от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз; если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равна 30% от номинального значения, то кратковременно подключают резистор, величина сопротивления которого составляет одну треть от величины сопротивления резистора, подключаемого в первый раз. Если после отключения резистора ОЗЗ не исчезло, то вышеописанные операции повторяют.
Кроме того, при каждом отключении резистора осуществляют защиту управляющей вторичной обмотки дугогасящего реактора от перенапряжений, возникающих в момент отключения резистора, путем ее шунтирования конденсатором с величиной емкости, обеспечивающей ограничение перенапряжений.
Устройство, реализующее заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, работает следующим образом.
Контроллер 13 работает в масштабе реального времени в соответствии с заложенной в него программой: поскольку при ОЗЗ напряжение смещения нейтрали носит нестабильный характер, то контроллер рассчитывает среднедействующее значение напряжения смещения нейтрали, анализирует его величину и, в соответствии с полученным результатом, формирует управляющие сигналы на первом 17 и втором 18 входах управляемого коммутатора 2. Часы реального времени входят в состав контроллера.
Контроллер 13 блока управления 1 постоянно, каждые 0,5 с, измеряет напряжение смещения нейтрали, поступающее на блок 1 с выхода сигнальной обмотки 6 и преобразованное в цифровой код АЦП 14, и рассчитывает его среднедействующее значение. При обнаружении ОЗЗ (среднедействующее значение напряжения смещения нейтрали больше или равно 30% от номинального значения) контроллер задает выдержку времени, необходимую для самоустранения ОЗЗ: от 0,5 до 2 с. Поскольку в штатном режиме ДГР 3 настроен в резонанс с емкостью сети, то это обеспечивает ограничение перенапряжений при возникновении ОЗЗ, а также бестоковую паузу, способствующую самопогасанию дуги после единичного замыкания на землю. По окончании времени выдержки контроллер 13 вновь измеряет напряжение смещения нейтрали и рассчитывает его среднедействующее значение. При неустранении замыкания контроллер 13 выдает на первый вход 17 управляемого коммутатора 2 сигнал, по которому срабатывает ключ 15 и замыкаются контакты первой 9 коммутирующей группы и кратковременно подключают параллельно управляющей 5 обмотке ДГР 3 первый 7 резистор с наибольшей величиной сопротивления. При этом через место повреждения начинает протекать суммарный активный ток ОЗЗ (активный ток, обусловленный возникновением ОЗЗ, и добавочный ток, сформированный в результате подключения резистора 7), который способствует переходу дугового перемежающегося пробоя в установившееся замыкание и инициирует надежное срабатывание сетевых защит, формируя, тем самым, необходимые условия для срабатывания простых токовых защит и защит терминалов присоединений.
По истечении времени, необходимого для отстройки от переходных процессов, контроллер 13 вновь измеряет напряжение смещения нейтрали и рассчитывает его среднедействующее значение. Измерение напряжения смещения выполняется при подключенных резисторах. При этом расчет и оценка величины среднедействующего значения напряжения смещения и принятие по результатам решения выполняются каждые 0,5 с в течение времени, необходимого для срабатывания защиты. Если его значение меньше 30% от номинального значения для данной сети, то ОЗЗ считают ликвидированным. При неустранении замыкания в течение времени, необходимого для срабатывания защиты, и при среднедействующем значении напряжения смещения нейтрали больше 50%, контроллер 13 выдает на первый вход 17 управляемого коммутатора управляющий сигнал, по которому первый ключ 15 сохраняет свое состояние и контакты первой 9 коммутирующей группы остаются замкнутыми, подключая параллельно управляющей 5 обмотке ДГР 3 первый 7 резистор с наибольшей величиной сопротивления. По истечение времени, необходимого для отстройки от переходных процессов, контроллер 13 вновь измеряет напряжение смещения нейтрали и рассчитывает его среднедействующее значение. Если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали меньше 30% от номинального значения для данной сети, то ОЗЗ считают ликвидированным.
Если величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали находится в пределах от 33 до 50% от ее номинального значения, то контроллер 13 формирует на втором входе управляющего коммутатора 2 сигнал, по которому первый ключ 15 отключается, а второй ключ 16 срабатывает и замыкает вторую 10 коммутирующую группу, контакты которой замыкаются и параллельно управляющей 5 обмотке ДГР 3 кратковременно подключают второй резистор 8, величина сопротивления которого составляет половину от величины сопротивления первого резистора 7, подключаемого в первый раз.
Если результаты расчетов контроллера 13 показали, что короткое замыкание не ликвидировано и величина среднедействующего значения напряжения смещения нейтрали ниже 33%, но больше или равна 30% от номинального значения, то контроллер 13 формирует на первом 17 и втором 18 входах управляемого коммутатора 2 сигнал, по которому срабатывают одновременно первый 15 и второй 16 ключи, при этом одновременно замыкаются первая 9 и вторая 10 коммутирующие группы управляемого коммутатора 2 и своими контактами соединяют параллельно резисторы первый 7 и второй 8 и кратковременно, на время, достаточное для срабатывания защит, подключают их параллельно управляющей 5 обмотке ДГР 3. При этом величина подключенного сопротивления составляет одну треть от величины сопротивления первого резистора 7, подключаемого в первый раз.
По истечении времени, необходимого для отстройки от переходных процессов, контроллер 13 вновь через каждые 0,5 с измеряет напряжение смещения нейтрали и рассчитывает его среднедействующее значение. Если по истечении времени, достаточного для срабатывания защит, последние результаты расчетов контроллера 13 показали, что ОЗЗ не исчезло, то контроллер 13 по прошествии 5 секунд с самого начала устранения замыкания полностью отключает все резисторы и формирует для управляемого коммутатора 2 команды для повторения вышеописанных операций.
При этом значение активного тока при ОЗЗ в поврежденном присоединении может составлять максимальное: 20 А в сети 10 кВ и 30 А в сети 6 кВ. Однако в заявленных способе и устройстве максимальное и последующие значения сопротивления резистора подключаемого к управляющей 5 обмотке ДГР 3 являются вполне определенной величиной. Это определяется тем, что при первом подключении величину сопротивления резистора 7 выбирают из условия получения величины суммарного активного тока в месте ОЗЗ, равной максимально допустимой величине для данной сети при металлическом замыкании на землю с малым сопротивлением в месте ОЗЗ, а для последующих подключений величины сопротивлений резисторов 8 и их параллельного соединения непосредственно соответствуют измененным среднедействующим значениям напряжения смещения нейтрали и величина их сопротивления составляет часть от величины сопротивления первого резистора. В результате, предлагаемый выбор максимального и последующих значений сопротивлений подключаемого резистора гарантированно исключает возможность превышения максимально допустимых значений активного тока при ОЗЗ в поврежденном присоединении, обеспечивает возможность срабатывания защиты при активных токах в месте повреждения, близких по значению к максимально допустимым, но гарантированно не превышающих их. В результате, после подключения управляемого резистора не требуется дополнительного контроля наличия превышения суммарным активным током максимально допустимого значения. Это обеспечивает высокую селективность и надежное срабатывание сетевых защит, одновременно обеспечивая повышение безопасности от поражения током замыкания на землю.
В заявленных способе и устройстве подключаемый резистор формирует требуемый суммарный активный ток в месте повреждения при ОЗЗ для диапазона значений напряжения смещения нейтрали, которые являются характерными для ОЗЗ. Возможность использования заданного интервала значений напряжения смещения нейтрали для принятия решения о выборе номинала подключаемого резистора исключает необходимость пошагового подбора номинала резистора, что обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении оперативности, селективности, надежности срабатывания сетевых защит и повышении безопасности от поражения током замыкания на землю.
Кроме того, в заявленном устройстве, осуществляющем заявленный способ, предусмотрена защита управляющей обмотки ДГР 3 от перенапряжений, возникающих при отключении резистора, т.е. при размыкании контактов коммутирующих групп 8, 9 управляемого коммутатора 2. Для этого параллельно каждой коммутирующей группе 8, 9 управляемого коммутатора 2 подключены первая 11 и вторая 12 последовательные RC-цепи соответственно. Параметры RC-цепи 11, 12 выбирают из условия ограничения величины перенапряжения в управляющей 5 обмотке ДГР 3 при размыкании контактов коммутирующих групп 8, 9 управляемого коммутатора 2. В момент размыкания контактов, в момент отключения резистора, между размыкаемыми контактами коммутирующих групп управляемого коммутатора кратковременно возникает электрическая дуга, при гашении которой возникает обрыв тока, что приводит к броску напряжения в управляющей 5 вторичной обмотке ДГР 3. Элементы RC-цепей 11, 12 шунтируют размыкающиеся контакты коммутирующих групп 9, 10 управляемого коммутатора 2 при каждом отключении резисторов 7, 8, оставаясь подключенными при этом параллельно управляющей обмотке ДГР и ограничивая величину перенапряжения в обмотке до допустимой величины. В штатном режиме RC-цепи 11, 12 постоянно подключены параллельно управляющей 5 обмотке. Однако в штатном режиме RC-цепи 11, 12 не влияют на работу ДГР 3, так как при требуемых параметрах RC-цепи ток конденсатора должен иметь величину емкости, обеспечивающую ограничение перенапряжений в управляющей 5 обмотке до допустимой величины. При этом ток, протекающий через RC-цепь, мал и составляет примерно 1 А в основной 4 обмотке ДГР 3 при ОЗЗ. При этом, поскольку параметры RC-цепи выбирают из условия ограничения величины перенапряжения в управляющей 5 обмотке ДГР 3 при размыкании контакта, которые более жесткие, по сравнению с требованиями для предотвращения подгорания контактов, то, в результате, в заявленном устройстве подключение RC-цепей 11, 12 параллельно к контактам коммутирующих групп 9, 10 управляемого коммутатора 2 в момент их размыкания решает одновременно и задачу предотвращения подгорания контактов коммутирующих групп 9, 10.
Заявленный способ увеличения активного тока однофазного замыкания на землю в компенсированных электрических сетях с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, и устройство для его осуществления реализовали с плунжерным дугогасящим реактором (реактор с регулируемым магнитным зазором), выполненным в соответствии с патентом №2392683, дата приоритета 13.10.2008 г. и изготавливаемым предприятием ООО ВП «Наука, техника, бизнес в энергетике», г.Екатеринбург.
1
2
Дугогасящий реактор содержит магнитопровод с регулируемым магнитным зазором и обмотками основной и дополнительными вторичными обмотками, а именно сигнальной и управляющей. Напряжение на управляющей обмотке составило 500 В. Номиналы резисторов R и R составили 2 и 1 кОм. В качестве контроллера был использован 32-разрядный микропроцессор архитектуры ARM7. В состав процессора входят часы реального времени. В управляемом коммутаторе были использованы семисторные ключи с опторазвязкой, которые коммутируют переменный ток.