УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
APPARATUS FOR COMPENSATION OF THE GROUND FAULT CURRENT IN POWER SUPPLY NETWORKS

Область техники
Изобретение касается устройства для компенсации тока замыкания на землю, содержащего два или более быстрорегулируемых элементов реактивного сопротивления, выполненных с возможностью компенсировать ток замыкания на землю в сети энергоснабжения с силовым трансформатором согласно пункту 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение касается способа, чтобы создавать напряжение нейтрали в сети энергоснабжения с силовым трансформатором согласно пункту 7 формулы.
Уровень техники изобретения и предшествующий уровень техники
Сегодня, передача электрической энергии, главным образом, выполняется посредством цикло–симметричных трехфазных систем напряжения. Чтобы удовлетворять основные потребности системы – производство и потребление мощности должно быть сбалансировано все время. Для того, чтобы обеспечивать это требование, были созданы большие национальные передающие сети, где все производители и потребители электроэнергии являются взаимосвязанными. Подключение этих национальных сетей к транснациональным сетям предоставляет дополнительные преимущества относительно основного требования баланса. Одной такой транснациональной сетью, например, является скандинавская сеть NORDEL.
Чтобы уменьшать потери в передающих сетях, передача энергии на длинное расстояние выполняется с высоким напряжением, предпочтительно 400 кВ. Вывод энергии потребителям из передающей сети осуществляется через выходные трансформаторы электросети, которые, в свою очередь, снабжают ограниченную географическую область. Распределение, главным образом, осуществляется с уровнями напряжения 10–30 кВ. Большие промышленные потребители подключаются непосредственно к распределительной сети, тогда как меньшие потребители и домовладения снабжаются еще через одно преобразование до 400/230 В.
Вследствие своей переплетенной структуры передающие сети имеют очень высокую доступность. Распределительные сети, однако, обычно имеют радиальные структуры и, следовательно, составляют слабое звено во всей системе передачи электроэнергии. Отказы на отдельных распределительных линиях могут вести к отключению больших групп потребителей. Защита от отказа распределительной линии для этого должна не только обеспечивать наивысшую возможную публичную безопасность и противопожарную защиту, но в то же время также поддерживать распределительные сети доступными. На первый взгляд эти две цели выглядят трудно сочетаемыми.
Но, в этом контексте важно понимать, что большинство отказов линий вызываются пробоями изоляции между одной фазой и заземлением – так называемые замыкания на землю – в то время как передача энергии имеет место между фазами. Заземление не принимает участие в передаче энергии. С точки зрения защиты будет желательным обрабатывать замыкания на землю отдельно, и, если возможно, подавлять ток замыкания систематическим образом до уровней, когда непосредственного отключения линии можно избегать.
Самая успешная концепция защиты, основанная на этом понимании, была разработана в 1917 году Вальдемаром Петерсеном. Посредством подключения нейтрали системы энергоснабжения к заземлению через регулируемую катушку индуктивности, которая настраивается на емкостную утечку электросети, Петерсен смог уменьшить ток замыкания на землю на коэффициент от десяти до пятидесяти. Это уменьшение обычно является достаточным, чтобы гарантировать самоугасание искрящихся замыканий одной фазы, что является наиболее частым типом отказа на воздушных линиях.
Сегодня, резонансное заземление Петерсена доминирует в скандинавских и других европейских распределительных сетях. Благодаря самоугасанию искрящихся замыканий эти сети имеют общую доступность, которая является превосходной по сравнению с другими сравнимыми распределительными сетями, применяющими другие концепции для заземления системы.
В продолжающемся преобразовании распределительных сетей с воздушной линии на подземные кабельные сети емкостные токи утечки резко возрастают на коэффициент от 30 до 50 вследствие гораздо более высокого емкостного сопротивления кабелей. Это влияет на резонансное заземление Петерсена вдвойне: С одной стороны эффект самогашения искрящихся замыканий в остающейся воздушной сети уменьшается последовательно и, в конечном счете, перестает работать вследствие увеличивающихся остаточных токов замыкания, которые не компенсируются посредством "дугогасящей катушки" Петерсена. С другой стороны, эффект самогашения не работает совсем в кабельных сетях, вследствие короткого расстояния между проводом под напряжением и заземленной оболочкой кабеля.
Проблема была идентифицирована и, в конечном счете, решена в начале девяностых годов. Новая, компьютерная технология для компенсации остаточного тока (RCC) была разработана для использования в качестве дополнения к дугогасящей катушке Вальдемара Петерсена. Новая технология делает резонансное заземление опять лучшей концепцией как для воздушных, так и для кабельных сетей. Сегодня резонансное заземление с RCC–технологией используется по всему миру на уровнях напряжения от 6 кВ до 110 кВ, теперь даже в сетях, которые ранее применяли другие концепции заземления.
В противоположность традиционной дугогасящей катушке, которая просто увеличивает импеданс источника в цепи замыкания на землю, RCC устраняет возбуждающее напряжение в этой цепи, накладывая равное, но противоположное напряжение. Это не является совсем тривиальной задачей, так как точное возбуждающее напряжение является неизвестным в начале замыкания на землю.
Согласно теореме Тевенина ток замыкания определяется по возбуждающему напряжению на стороне замыкания и импедансу замыкания последовательно с импедансом источника. Обратно, чтобы устранять ток замыкания полностью, возбуждающее напряжение на стороне замыкания должно быть устранено.
Возбуждающее напряжение на стороне замыкания составляется из напряжения между фазой и заземлением питающего трансформатора (известного, соответственно измеряемого на подстанции), плюс зависящего от тока нагрузки перепада напряжения между питающим трансформатором и фактической стороной замыкания, которое может быть далеко в сети (не известно).
Определение последнего стало возможным посредством разработки нового компьютерного алгоритма, который был впервые опубликован в начале девяностых (Винтер К. "Swedish Distribution Networks – A New Methode for Earthfault Protection in Cable and Overhead Systems", 5–ая международная конференция по защите систем энергоснабжения, публикация конференции IEE № 368, Йорк/Великобритания 1993).
Остающаяся проблема, чтобы формировать напряжение, возможное для управления относительно амплитуды и фазы в отношении питающего трансформатора, была решена впервые посредством конфигурации из двух фазосдвигающих трансформаторов. (Шведская патентная заявка № SE437096, 1984). Так как механическое управление фазосдвигающим трансформатором является относительно медленным, это решение было позже заменено силовой электроникой (инверторы с широтно–импульсной модуляцией). Сегодня справочные установки для объединенного ASC/RCC с инверторной технологией находятся в работе по всему миру во множестве электросетей от 6 кВ до 110 кВ.
Необходимая мощность для RCC–инвертора зависит от уровня напряжения и размера сети с точки зрения емкостного тока утечки и коэффициента затухания. Большие кабельные сети в городских районах мира могут превышать емкостной ток утечки 1000A с некомпенсированным остаточным током замыкания порядка 100 A или более. Дорогостоящие инверторы, более 1 МВА, требуются для компенсации этих огромных токов.
Настоящее изобретение предлагает новую, более надежную и более экономичную компоновку для компенсации остаточного тока замыкания на землю.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является решение вышеуказанных проблем и предложение более простого и более надежного решения для компенсации тока замыкания на землю. Дополнительной задачей является компенсация тока замыкания на землю полностью и, тем самым, улучшение безопасности. Еще одной задачей является улучшение надежности устройства компенсации и, тем самым, надежности всей передачи электроэнергии. Наконец, снижение затрат на компенсацию тока замыкания на землю также является задачей изобретения.
Эти задачи решаются посредством устройства, определенного в преамбуле пункта 1 формулы изобретения, которое характеризуется по меньшей мере двумя управляемыми элементами реактивного сопротивления, каждый из которых соединяется одной стороной с фазой трехфазного источника питания, который является синхронным с главной системой электроснабжения, и где другая сторона элементов реактивного сопротивления совместно соединяются с нейтралью главной системы электроснабжения или ее эквивалентом. Таким образом, напряжение нейтрали главной системы электроснабжения и его фаза могут регулироваться посредством размера элементов реактивного сопротивления, которые, в свою очередь, управляются посредством устройства управления для напряжения нейтрали для того, чтобы устранять возбуждающее напряжение для тока замыкания на землю.
Преимуществом изобретения является улучшенная безопасность посредством очень быстрого устранения введения напряжения и тока замыкания на землю в сторону замыкания. Немедленное отключение линии не является необходимым для этого. Следовательно, новое изобретение улучшает не только общественную безопасность и противопожарную защиту, но также качество энергоснабжения. Устройство является простым для производства и предлагает бюджетную модернизацию для существующих дугогасящих катушек.
Кроме того, устройство подходит для различных типов AC–силовых сетей типа двух–, трех– или других многофазных сетей.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутое устройство управления подключается к элементам реактивного сопротивления, для управления в режиме онлайн напряжениями между фазой и заземлением для того, чтобы наблюдать за изоляцией сети в режиме онлайн и предоставлять возможность раннего обнаружения скрытых проблем изоляции типа, например, плохих ограничителей перенапряжения и т.д.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения устройство управления будет решать, какие фазы подключать к двум элементам реактивного сопротивления.
Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство управления будет управлять размером элементов реактивного сопротивления до тех пор, пока условия для полной компенсации тока замыкания на землю не будут удовлетворены.
Устройство согласно изобретению может, таким образом, быть использовано вместе с известными блоками управления и измерения для компенсации остаточного тока (RCC).
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения устройство выполняется с возможностью работать параллельно с существующей катушкой Петерсена для того, чтобы устранять именно остаточный ток замыкания, который не компенсируется катушкой Петерсена.
Но в этой конфигурации устройство может также быть использовано, чтобы всего лишь увеличивать мощность катушки Петерсена.
Эти задачи решаются посредством способа, определенного в преамбуле пункта 7 формулы изобретения, который характеризуется использованием по меньшей мере двух управляемых элементов реактивного сопротивления, каждый из которых соединяется одной стороной с фазой трехфазного источника питания, который является синхронным с главной системой электроснабжения, и где другая сторона элементов реактивного сопротивления совместно соединяется с нейтралью главной системы электроснабжения или ее эквивалентом. Таким образом, напряжение нейтрали главной системы электроснабжения и его фаза могут регулироваться посредством размера элементов реактивного сопротивления, которые, в свою очередь, управляются посредством устройства для управления напряжением нейтрали для того, чтобы устранять возбуждающее напряжение для тока замыкания на землю.
Способ согласно изобретению улучшает надежность существующих компенсационных устройств и, таким образом, также улучшает доступность источника питания.
Назначение достигается посредством способа для формирования напряжения нейтрали в сети электроснабжения, которая питается от силового трансформатора, характеризуемого конфигурацией, включающей в себя по меньшей мере два управляемых элемента реактивного сопротивления, каждый соединен одной стороной с фазой трехфазного источника энергоснабжения, который является синхронным с главной системой энергоснабжения и где другая сторона элементов реактивного сопротивления совместно соединяется с нейтралью главной системы электроснабжения или ее эквивалентом, в то время как устройство управления соединяется с элементами реактивного сопротивления для того, чтобы управлять напряжением нейтрали главной системы, и где:
блок управления регулирует напряжение нейтрали относительно амплитуды и фазового угла в отношении напряжений главного силового трансформатора
блок управления решает, какие элементы реактивного сопротивления соединяются с нейтралью главной системы энергоснабжения
блок управления регулирует размер элементов реактивного сопротивления до тех пор, пока условия для полной компенсации тока замыкания на землю не будут удовлетворены.
Согласно одному варианту осуществления способа только два элемента реактивного сопротивления используются, когда блок управления решает, с какой из двух фаз синхронного трехфазного AC–источника энергоснабжения элементы соединяются.
Согласно другому варианту осуществления способа три элемента реактивного сопротивления используются, чтобы ускорять перехват замыкания посредством прямого управления затронутыми элементами реактивного сопротивления, в то время как третий элемент остается выключенным.
Назначение может быть достигнуто аналогично посредством использования одной из конфигураций способа параллельно с существующей катушкой Петерсена, чтобы позаботиться именно об остаточном токе замыкания, который не компенсируется катушкой Петерсена.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает однолинейную схему распределительной сети с известной конфигурацией для компенсации тока замыкания на землю
Фиг. 2 показывает ту же распределительную сеть с конфигурацией для компенсации тока замыкания на землю согласно изобретению.
Фиг. 3 показывает векторную диаграмму для возбуждающего напряжения в зависимости от места замыкания на землю в распределительной сети.
Фиг. 4a показывает подробную принципиальную схему для конфигурации согласно изобретению.
Фиг. 4b показывает векторную диаграмму для этой конфигурации.
Подробное описание изобретения
1
2
N
Фиг. 1 и 2 показывают распределительную сеть с блоком 2 управления и измерения для обнаружения замыкания на землю и управления устройством компенсации тока замыкания. Кроме того, чертежи показывают силовой трансформатор 3, сборную шину 4 и ряд выходных фидеров L, L … L, каждый с линейным прерывателем 9 на сборной шине 4.
Передача электроэнергии, в целом, выполняется посредством циклосимметричных трехфазных систем. Однако, даже одно– и двухфазные системы (железная дорога) существуют. Общее заземление, которое передает полезную нагрузку (потребителям), возбуждается исключительно напряжениями между фазами. Если ошибка возникает в форме пробоя изоляции между этими фазами, рассматриваемый фидер и все потребители за ним отключаются посредством линейного прерывателя 9.
Однако, большинство электрических замыканий происходит между одной из фаз и заземлением (так называемые заземления на землю). Таким образом, вся система сдвигается относительно земли. Тем не менее, напряжения между фазами (которые возбуждают полезную нагрузку) не затрагиваются.
Ток замыкания на землю на фактической стороне замыкания определяется посредством других токов на землю (главным образом, емкостных, но также резистивных токов утечки) в гальванически взаимосвязанной сети. Сумма всех этих токов на землю, включающих в себя ток замыкания, всегда равна нулю (закон тока Кирхофа). Из этого следует заключение: Если хочется привести ток замыкания к нулю, вы должны удостовериться, что все другие токи на землю суммируются до нуля.
Целью устройств компенсации на фиг. 1 и 2 является создание этого баланса посредством формирования соответствующего тока между нейтралью сети и заземлением.
Фиг. 1, таким образом, показывает известное устройство для этой компенсации, состоящее из катушки 5 Петерсена с вспомогательной силовой обмоткой 6 для инвертера 7, чтобы вводить остаточный ток замыкания, который не компенсируется катушкой Петерсена. Вариант резервирования отключения неисправного фидера 8 в случае неисправности устройства компенсации также показан.
Фиг. 2 показывает конфигурацию для компенсации полного тока замыкания посредством двух элементов реактивного сопротивления согласно изобретению.
O
1–N
Устройство 2 управления и измерения непрерывно наблюдает за полной входной проводимостью (Y) нулевой последовательности на выходных фидерах L и в заземляющем соединении устройства компенсации. Фактические значения сохраняются в памяти устройства. При обнаружении замыкания на землю измерение повторяется. Затем разница между сохраненным и последним значением вычисляется по каждому фидеру.
O
Замыкание существует на фидере, который показывает разницу (дельта Y) между двумя значениями. Разница, которая также может быть видна в заземляющем соединении устройства компенсации, используется для управления настройкой устройства компенсации. На фиг. 1 показана конфигурация с инвертором, в то время как на фиг. 2 два регулируемых элемента реактивного сопротивления согласно изобретению используются, чтобы добиваться баланса. В обоих случаях регулируемое напряжение создается между нейтралью сети N и заземлением E.
Когда это напряжение нейтрали соответствует возбуждающему напряжению на стороне замыкания, дельта Yo и, таким образом, ток в замыкании становится нулевым (теорема Тевенинса).
Как показывает фиг. 3, регулируемое напряжение нейтрали требуется, чтобы сдерживать возбуждающее напряжение на стороне замыкания. Устройство компенсации должно увеличивать это напряжение, которое должно быть регулируемым по амплитуде и фазе относительно системы напряжения питающего силового трансформатора.
Фиг. 4a показывает принципиальную схему для конфигурации двух регулируемых элементов реактивного сопротивления согласно изобретению. Элемент реактивного сопротивления для каждого определения является пассивным 2–полюсным, либо емкостным, либо индуктивным. В примере на фиг. 4a элементы реактивного сопротивления составляются из двух настраиваемых батарей конденсаторов, уже известных и используемых в качестве диапазона быстрой настройки для различных типов фиксированных катушек Петерсена.
Блок управления сначала выбирает, с какими двумя фазами элементы реактивного сопротивления должны быть соединены, и затем индивидуально управляет размером элементов до тех пор, пока условие для полной компенсации тока замыкания (дельта Yo=0 мСм) не будет удовлетворено.
Фиг. 4b, наконец, показывает векторную диаграмму для компенсирующей конфигурации на фиг. 4a. Соединенная треугольником первичная обмотка трансформатора источника индуцирует на соединенной звездой вторичной стороне три циклосимметричных напряжения со сдвигом фазы 120°. Вместе с двумя регулируемыми элементами реактивного сопротивления и тремя возможными преобразованиями двух из этих напряжений является возможным создавать результирующее напряжение, которое может варьироваться в диапазоне 0–100% по амплитуде и 120° по фазе для каждого преобразования, т.е., 360° в целом.
Устройство может быть использовано для полной компенсации тока замыкания на землю, также как параллельно с существующей катушкой Петерсена только для компенсации остаточного тока замыкания, который не компенсируется катушкой Петерсена.
Изобретение не ограничивается показанной выше конфигурацией, но может быть изменено множеством способов в рамках нижеследующей формулы изобретения.