УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
GROUNDING DEVICE OF THREE-PHASE ELECTRICAL NETWORK NEUTRAL

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для резистивного заземления нейтрали электрических сетей.
Известно устройство заземления нейтрали электрической сети, представляющее дугогасящий реактор (ДГР). Недостатком его применения является значительная стоимость ДГР, а также необходимость подстройки тока компенсации (путем изменения отпайки или применения дорогостоящих автоматических систем настройки) при изменении емкостного тока замыкания на землю (ЕТЗЗ) [Базылев Б.И., Брянцев А.М., Долгополов А.Г и др. Дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю. - СПб.: Изд-во ПЭИПК Минтопэнерго России, 1999; Обабков В.К. Еще раз о компенсации емкостных токов в сетях 6-36 кВ.// Энергетик, №2, 2002] - отключениях и включениях питающих линий в сети.
R
R
I
I
U
R
I
C
U
C
U
R
I
I
N
N
C
R
ф
N
C
ф
ф
ф
ф
N
R
C
Известно также устройство заземления (взятое в качестве прототипа), представляющее постоянный заземляющий/нейтральный резистор () [Н.Н. Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып. 11, с. 84-101], включаемый между нейтралью сети и «землей» (контуром заземления подстанции). Такое устройство заземления применяется в сетях с малыми ЕТЗЗ, максимальные значения которых для сетей разных классов напряжения устанавливаются нормативными документами [Правила устройства электроустановок. - Изд. 7-е., НЦ ЭНАС, 2008]. Заземляющий резистор  выбирается из условия приблизительного равенства ЕТЗЗ () активному току замыкания на землю (=/≅=3ω, где ,- фазная емкость и напряжение сети), обусловленному включением  в нейтраль электрической сети. Такой способ заземления позволяет снизить перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), что уменьшает электрическую нагрузку на изоляцию, в основном, неповрежденных фаз электрической сети. Однако включение резистора в нейтраль сети приводит к увеличению установившегося полного тока замыкания на землю. При выборе резистора из условия ≅ увеличение тока замыкания на землю составляет ~ раз. Повышенный ток замыкания на землю ухудшает условия самогашения заземляющей дуги, препятствует ее быстрому самогашению, снижает электробезопасность сети; в самом заземляющем резисторе выделяется значительная энергия, поскольку к нему прикладывается фазное напряжение.
Таким образом, анализ современного состояния техники указывает на необходимость разработки устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети, снижающего перенапряжения при ОДЗ, но не приводящего к увеличению установившегося тока замыкания на землю и длительности горения заземляющей дуги, и не снижающего электробезопасность сети. Устройство должно иметь пониженные потери энергии и соответственно уменьшенную мощность заземляющего резистора.
Эта задача достигается тем, что в известном устройстве резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящем из заземляющего резистора с постоянным активным сопротивлением, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, второй вывод заземляющего резистора подключен к условному аноду симистора, а его условный катод соединен с землей (контуром заземления подстанции). Между нейтралью трехфазной электрической сети и землей включен емкостный делитель напряжения, состоящий из двух конденсаторов. Параллельно конденсатору, включенному между средней точкой емкостного делителя и землей, подключены выводы первичной обмотки трансформатора, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к управляющему электроду и условному катоду симистора. Параллельно симистору - между условным анодом и катодом включен защитный ограничитель перенапряжений нелинейный.
R
R
R
С
С
С
R
N
N
N
1
2
2
N
На фиг.1. приведена схема устройства импульсного подключения заземляющего резистора  (1) в распределительную сеть. К нейтрали сетевой обмотки питающего трансформатора или специальному устройству выделения нейтрали (2) подключен заземляющий резистор  (1). Последовательно с ним включен симистор (3), условный анод которого подключен к , а условный катод соединен с «землей». Между нейтралью сети и землей включен емкостный делитель напряжения, образованный конденсаторами  (4) и (5). Параллельно нижнему плечу емкостного делителя напряжения (т.е. конденсатору  (6)) включена первичная обмотка трансформатора Т (6), а его вторичная обмотка подключена к управляющему электроду и условному катоду симистора (3), который защищен ограничителем перенапряжений нелинейным (7). Все элементы, соединенные между заземляющим резистором  и землей, включая вторичную обмотку трансформатора Т, выделены в отдельный блок (8).
R
R
C
C
N
0
N
ф
ф
0
0
Устройство работает следующим образом. Заземляющий резистор  выбирают из условия полного стекания заряда (появляющегося на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги) за один полупериод промышленной частоты (T/2). За четыре постоянных времени 4τ≈4·3 (где -  - фазная емкость сети) заряд практически полностью стекает с нейтрали сети, поэтому T/2=4τ (τ=T/8).
u
u
С
С
N
N
1
2
После гашения заземляющей дуги в момент перехода высокочастотной составляющей тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение () (фиг. 2). Под действием крутого фронта напряжения на нейтрали сети () в контуре, образованном емкостным делителем (4) - (5) и трансформатором Т (6) (фиг. 1), возникает переходный процесс. Напряжение, появляющееся на выводах вторичной обмотки трансформатора и прикладываемое между управляющим электродом и условным катодом симистора, достаточно для его отпирания. Симистор отпирается, пропуская ток через заземляющий резистор и снижая напряжение на нейтрали сети; он закрывается при снижении через него тока до значения меньшего тока удержания.
R
T
N
0
При импульсном заземлении (ИЗ) нейтрали сети посредством устройства на фиг. 1 относительная энергия в заземляющем резисторе с некоторым условным сопротивлением =1 Ом, выделяемая в течение полупериода промышленной частоты /2 после самогашения заземляющей дуги, равна
U
U
N0
фм
где  - начальное по отношению к фазному максимальному значению () напряжение на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги.
U
фм
Относительная энергия, выделяемая при устойчивом («металлическом») замыкании на землю, при относительном напряжении в сети =1 и постоянно включенном заземляющем резисторе, определяется по выражению:
U
N0
Теоретически максимальное напряжение на нейтрали сети после погасания заземляющей дуги при первом переходе высокочастотной (перезарядной) составляющей тока через нуль равно в относительных единицах =5/3 [Ф.А. Лихачев. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия, 1971]. Поэтому отношение энергий при различных способах заземления нейтрали сети будет равно:
R
N
Таким образом, при импульсном заземлении резистора , рассеиваемая в нем мощность, как минимум, на 31% меньше, чем при его постоянном подключении к нейтрали сети.
U
R
N0
N
В реальных сетях в силу потерь как в самой сети, так и в дуговом канале заземляющей дуги среднее начальное смещение напряжения на нейтрали сети заметно меньше теоретически максимального значения, оно составляет (в относительных единицах) приблизительно ≈1 [Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. Результаты мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных сетях. - Электрические станции, № 8, 2002]. Поэтому требуемая мощность заземляющего резистора  при импульсном заземлении составляет лишь ~25% по отношению к мощности, требуемой при его постоянном включении.
При многократных ОДЗ в силу ухудшения диэлектрических свойств участка сети с дефектной изоляцией процесс замыкания на землю со временем часто приближается по характеру к устойчивому замыканию, что приводит к невключению искрового устройства присоединения (симистор 3 на фиг.1 не включается) в силу плавного изменения напряжения на нейтрали и исключает последующий разогрев заземляющего резистора. Одновременно снижается ток в канале заземляющей дуги, улучшаются условия ее самогашения и повышается электробезопасность сети.
у
N
зап
RN
у
ф
N
зап
C
u
u
u
u
u
u
I
На фиг. 2 приведены расчетные осциллограммы, полученные моделированием переходного процесса однофазного замыкания на землю при неустойчивом и устойчивом замыкании. При неустойчивом замыкании (t<t- фиг. 2) после гашения заземляющей дуги происходит быстрый рост напряжения на нейтрали (), и на вторичной обмотке трансформатора формируются импульсы напряжения (), открывающие симистор. Открытие симистора приводит к приложению напряжения к заземляющему резистору (), и, соответственно, к протеканию через него тока. При установлении устойчивого замыкания на землю (t>t- фиг. 2) напряжение на поврежденной фазе  мало, напряжение на нейтрали сети  имеет форму, близкую к синусоидальной, поэтому напряжение запуска  незначительно, и открытия симистора не происходит - заземляющий резистор отключен от нейтрали сети, и в месте замыкания протекает только емкостный ток ().
В высоковольтных сетях в некоторых случаях может потребоваться последовательное включение нескольких блоков 8 в силу ограниченности рабочего напряжения симисторов. В этом случае количество изолированных друг от друга вторичных обмоток трансформатора Т соответствует количеству последовательно включенных блоков.
Таким образом, предлагаемое устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети автоматически включает заземляющий резистор при дуговых (неустойчивых) замыканиях на землю, снижая перенапряжения на неповрежденных фазах, и отключает резистор при устойчивом замыкании на землю. Автоматическое отключение резистора при устойчивом замыкании снижает полный ток замыкания, способствует более быстрому самогашению заземляющей дуги, повышает электробезопасность сети. Потери энергии в заземляющем резисторе снижаются, а сам резистор может быть изготовлен на существенно меньшую расчетную мощность.