СПОСОБ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ
NEUTRAL GROUNDING METHOD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения тока однофазного замыкания и уровня перенапряжений в электросетях, в том числе, оснащенных приборами контроля сопротивления изоляции по постоянному току, например, в судовых электросетях, электросетях предприятий горной, нефтедобывающей, сталеплавильной и химической промышленности.
Известен способ, реализованный в устройстве для защиты от перенапряжений в сетях 6-35 кВ с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (Авт. Свид. СССР №1427469, МПК Н02Н 9/08, опубл. 30.09.88 г.). В способе предложено заземлять нейтраль электросети через дугогасящую катушку, параллельно которой подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и коммутатора. Способ предусматривает автоматическое включение резистора параллельно дугогасящей катушке в тех случаях, когда в сети возникают однофазные замыкания на землю. Резистор, включаемый коммутатором, снижает напряжение, образовавшееся на нейтрали после гашения заземляющей дуги, до нуля, а напряжения на фазах сети становятся равными фазным. В этом случае не образуются условия для возникновения максимальных перенапряжений.
Недостатком способа является то, что он не обеспечивает надежности и безопасности функционирования электросистемы. Известно, что в режиме однофазного замыкания за один период промышленной частоты происходит до 10-15 и более циклов зажигания и гашения дуги. Автоматическое присоединение резистора при этом может оказаться невозможным из-за инертности коммутатора и блоков управления. Недостатки также связаны с тем, что подключение резистора приведет не менее чем к двукратному увеличению общего тока однофазного замыкания на землю. Кроме того, реализующие способ устройства несовместимы со средствами контроля изоляции, основанными на измерении ее сопротивления постоянному току.
Известен способ ограничения перенапряжений в электросетях (Патент RU 2342756 С1, МПК Н02Н 9/00, опубл. 27.12.08 .г). Согласно патенту к сети подключаются конденсаторы, которые соединяются с землей через параллельно включенные резистор и реактор.
Недостатком способа является то, что его использование может привести к появлению феррорезонансных процессов, которые накладываются на дуговые перенапряжения и создают дуговые феррорезонансные перенапряжения. Их возникновение обусловлено тем, что после однофазного замыкания образуется контур с последовательно соединенными конденсаторами и реактором. При определенном сочетании вольтамперных характеристик реактора, конденсаторов и активного сопротивления ветви обмотки реактора в нем возможно возникновение феррорезонанса напряжений, который, как правило, сопровождается повышенными значениями токов однофазного замыкания, что снижает электро- и пожаробезопасность сети. Перенапряжения, обусловленные феррорезонансными процессами, имеют особенно большие кратности и способны вызывать выходы из строя изоляции электрооборудования, что существенно снижает надежность электросистемы в целом. Устранение дуговых феррорезонансных перенапряжений на основе лишь изменения вольт-амперных характеристик реактора, конденсаторов и активного сопротивления ветви обмотки реактора, построенных для основной частоты сети может привести к увеличению активной составляющей тока реактора, а, следовательно, к снижению эффективности компенсации тока однофазного замыкания.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ заземления нейтрали (Патент RU 2516437 C2, МПК Н02Н 3/20, Н02Н 9/04, опубл. 20.05.2014 г.), в котором предлагается к фазам электросети подключать конденсаторы по схеме звезда, нейтральная точка которой заземляется через реактор с последовательно включенным активным сопротивлением. Активное сопротивление ветви реактора выбирается из условия исключения феррорезонанса.
Недостатком способа является то, что такое заземление нейтрали приводит к увеличению тока однофазного замыкания, в сравнении с ее заземлением через реактор без активного сопротивления. В результате может оказаться невозможным обеспечение безопасной величины тока замыкания.
Задача изобретения заключается в повышении надежности и безопасности электросети за счет одновременного снижения токов однофазных замыканий и наибольших кратностей дуговых перенапряжений.
A
B
Для получения необходимого технического результата в способе заземления нейтрали, включающем использование конденсаторов, заземленных через реактор, индуктивное сопротивление которого выбирают по условию компенсации тока однофазного замыкания, а активное сопротивление реактора, выбирают по условию исключения феррорезонанса, предлагается на время замыкания к поврежденной и отстающей фазам конденсаторов подключать дополнительные емкости, величину которых определять из следующих выражений:  и  где C - емкость конденсаторов, подключаемых к поврежденной фазе; C - емкость конденсаторов, подключаемых к отстающей фазе; I - ток однофазного замыкания в электроустановке без заземления нейтрали; R - активное сопротивление ветви реактора; C - суммарная емкость конденсаторов с учетом подключаемых; U - фазное напряжение электросети.
На прилагаемых к описанию графических материалах изображено:
на фиг. 1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали; на фиг. 2 - векторная диаграмма токов в устройстве, реализующем предлагаемый способ; на фиг. 3 - схема модели электросети с подключенным к ней устройством, реализующим предлагаемый способ.
На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения: 1 - конденсаторы; 2 - индуктивность реактора; 3 - активное сопротивление ветви обмотки реактора; 4 - вектор емкостной составляющей тока однофазного замыкания; 5 - вектор напряжения на нейтрали при однофазном замыкании; 6 - вектор ЭДС, создаваемой подключением дополнительной емкости к конденсаторам в отстающую фазу; 7 - вектор дополнительной ЭДС, создаваемой подключением дополнительной емкости к конденсаторам в поврежденную фазу; 8 - вектор эквивалентной ЭДС в контуре заземления; 9 - вектор тока в ветви заземления при симметрии конденсаторов; 10 - вектор тока в ветви заземления после подключения дополнительных конденсаторов; 11 - часть конденсаторов, постоянно подключенных к электросети; 12 - часть конденсаторов, подключаемых к электросети на время существования однофазного замыкания; 13 - контакты для подключения дополнительных конденсаторов; 14 - контакт для замыкания фазы на землю; 15 - амперметр; 16 - фазная емкость электросети; 17 - осциллограф; А, В, С - фазы электросети.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали. Устройство состоит из конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, реактора, изображенного индуктивностью 2 и активным сопротивлением 3, включенного между нейтральной точкой конденсаторов и землей. Для снижения тока однофазного замыкания предлагается компенсировать его активную составляющую, создаваемую активным сопротивлением ветви реактора, путем изменения величины емкости конденсаторов 1. На фиг. 2 показана векторная диаграмма, поясняющая взаимосвязь величины тока однофазного замыкания с параметрами сети, реактора и конденсаторов при глухом замыкании фазы. При замыкании фазы на землю в месте повреждения появляется ток, включающий в себя емкостную составляющую 4, обусловленную емкостью электросети, и активно-индуктивную составляющую 9, обусловленную ветвью заземления нейтрали и напряжением на нейтрали 5. Из-за содержания в этой ветви активного сопротивления появляется активная составляющая тока в месте замыкания. В результате ток в месте замыкания не может быть скомпенсирован полностью. За счет изменения емкости конденсаторов появляются дополнительные ЭДС 6 и 7, из-за чего напряжение, прикладываемое к ветви заземления нейтрали, смещается на угол 11, а его вектор приобретает вид 10. В результате ток, создаваемый активно-индуктивным сопротивлением цепи заземления, также смещается на угол 11 и его вектор становится равным вектору 10, который по величине равен вектору емкостной составляющей тока однофазного замыкания и противоположен ему по направлению. Это приводит к компенсации всего тока в месте однофазного замыкания.
Дуговые перенапряжения снижаются за счет перераспределения зарядов, остающихся на емкостях после гашения заземляющей дуги. Перераспределение зарядов определяет напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу, которое рассчитывается по следующему выражению:
г
B
г
C
г
ф
где u(t) - напряжение на конденсаторах в момент гашения дуги; С - емкость конденсаторов; u(t), u(t) - напряжение на неповрежденных фазах электросети в момент гашения дуги; С - фазная емкость электросети.
г
Как видно из выражения (1) напряжение смещения нейтрали зависит от величины емкости С. С увеличением емкости С напряжение смещения нейтрали приближается к значению u(t), которое не может превышать фазное напряжение.
Пример реализации способа показан на фиг. 3, где представлена схема подключенного к электросети устройства, реализующего предлагаемый способ компенсации тока однофазного замыкания. Реализация способа заключается в том, что к сети подключаются: реактор 2 с активным сопротивлением 3, равным 4.5 Ом. Переменная емкость устройства создается постоянно подключенными к сети конденсаторами 11 и дополнительно подключаемыми на время замыкания фазы конденсаторами 12 через контакты 13. Ток однофазного замыкания по условиям эксплуатации электросети не должен превышать 0.5А. Напряжение сети 230 В, фазные емкости 16 в сети: СА=8 мкФ.
В ходе экспериментальной проверки в электросети посредством замыкания контакта 14 создавалось однофазное замыкание и регистрировался ток однофазного замыкания при помощи амперметра 14. При неустойчивом замыкании контакта 14 посредством осциллографа 17 регистрировалось напряжение на одной из неповрежденной фаз, по которому определялись наибольшие импульсы перенапряжений.
Ниже, в таблице 1, приведены результаты измеренных при эксперименте величин тока однофазного замыкания и перенапряжений.
Как видно из таблицы 1, предлагаемый способ заземления нейтрали действительно позволяет одновременно снизить токи однофазного замыкания, что подтверждает возможность повышения надежности и безопасности электросети при его применении.