УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения тока однофазного замыкания и устранения феррорезонансных процессов в  электросетях.
Известно устройство, реализующее способ ограничения перенапряжений в электросетях (RU 2342756, МПК H02H 9/00, опубл. 27.12.08 г.). Согласно этому способу к сети подключаются конденсаторы, которые заземляются через соединенные параллельно резистор и реактор.
Недостатком устройства является то, что его использование может привести к появлению опасных феррорезонансных процессов, способствующих увеличению перенапряжений при неустойчивых однофазных замыканиях.  В результате происходит увеличение перенапряжений и увеличение токов однофазного замыкания. Помимо этого, даже при отсутствии феррорезонанса ток однофазного замыкания будет увеличен из-за того, что включенный параллельно реактору резистор создает дополнительную активную составляющую тока замыкания.
Известно устройство, реализующее способ заземления нейтрали (RU 2516437, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 20.05.2014 г.). Согласно этому способу предлагается последовательно с конденсаторами и реактором включать активное сопротивление, а параметры устройства заземления выбирать по условию устранения феррорезонанса.
Недостатком устройства является то, что его использование приводит к увеличению тока однофазного замыкания, поскольку добавление активного сопротивления сопровождается появлением не скомпенсированной активной составляющей в месте замыкания. Кроме того, способ не позволяет ограничить перенапряжения в достаточной мере.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ заземления нейтрали (RU 2761296, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 06.12.2021 г.). Согласно этому способу предлагается последовательно с конденсаторами и реактором включать активное сопротивление, шунтированное нормально замкнутым контактом, размыкающимся при достижении током критической величины. При этом параллельно конденсаторам включить варисторы.
Недостатком устройства является то, что он воздействует на феррорезонансные процессы только путем изменения начальных условий перед замыканием. При этом длительность времени, на которое происходит повышение активного сопротивления не ограничивается. В случае устойчивого замыкания фазы на землю повышенное активное сопротивление цепи реактора приведет к увеличению тока в месте замыкания, что небезопасно.
Задача полезной модели заключается в повышении безопасности электросети за счет одновременного снижения тока однофазного замыкания и устранения возможности возникновения феррорезонанса при замыканиях фазы на землю или заземленный корпус.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство заземления нейтрали, содержащее конденсаторы, заземленные через реактор, включенный последовательно с реактором резистор, нормально замкнутый контакт коммутационного аппарата, включенный параллельно с резистором, размыкающийся при достижении током реактора критической величины, предлагается снабдить связанными между собой  датчиком тока цепи реактора и блоком управления, размыкающим контакт на время, определяемое по условию:
(1)
где  – индуктивность реактора; – активное сопротивление цепи реактора;  – ток реактора при устойчивом феррорезонансе;  – критическая величина тока реактора;  - сопротивление резистора, а резистор имеет сопротивление R, соответствующее условию:
(2)
где  – индуктивное сопротивление реактора,  – емкостное сопротивление конденсаторов.
Конденсаторы, реактор, резистор и контакт коммутационного аппарата могут быть включены между естественной нейтралью электросети и землей.
Также конденсаторы к сети могут быть подключены по схеме «звезда», а их общая точка присоединена к земле через реактор, резистор и контакт коммутационного аппарата.
Вариант соединения схемы конденсаторов выбирают, исходя из возможности доступа к нейтрали электросети.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг. 1 - схема предлагаемого устройства заземления нейтрали при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети;
на фиг. 3 - схема модели, которая применялась при обосновании реализуемости предлагаемого устройства заземления нейтрали с использованием конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг. 4 - схема модели, которая применялась при обосновании реализуемости предлагаемого устройства заземления нейтрали с использованием конденсаторов, включенных в нейтраль сети.
На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения:
1 – обмотки электрооборудования; 2- конденсаторы; 3 - реактор; 4 – блок управления; 5 – контакт коммутационного аппарата; 6 – резистор; 7 – датчик тока; 8 – земля (заземленный корпус); 9 - контакт между фазой и землей; 10 – измерительный шунт; 11 – емкость фаз электрической сети; 12 - осциллограф.
Описание работы устройства
Устройство подключено к фазам сети или к нейтральной точке. Подключение осуществляется через конденсаторы 2, обеспечивающие гальваническую развязку сети с землей по постоянному току. К конденсаторам подключается реактор 3, настроенный в резонанс с фазной емкостью 11 электрической сети, что позволяет уменьшить ток в месте замыкания фазы на землю до безопасного значения. Последовательно с реактором включен резистор 6.
Резистор 6 шунтирован нормально замкнутым контактом 5 коммутационного аппарата, его размыкание происходит после подачи сигнала с блока 4. Блок 4 управления получает сигнал с датчика 7, установленного в цепь реактора. При достижении током критического значения блок 4 управления подает сигнал на размыкание контакта 5. Длительность нахождения контакта 5 в разомкнутом состоянии определяется по выражению (1). После этого контакт 5 возвращается в замкнутое состояние.
Сопротивление резистора выбрано по условию (2). Это условие соответствует максимальной мощности тепловыделений на резисторе 6, тем самым обеспечивается высокая скорость затухания переходных процессов в образующемся при однофазном замыкании контуре. Быстрое затухание переходных процессов позволяет снизить продолжительность времени, на которое происходит повышение активного сопротивления цепи реактора, а, следовательно, и тока однофазного замыкания.
Благодаря предложенному устройству заземления нейтрали появляется возможность быстрого управления формирующимся при однофазном замыкании феррорезонансным контуром за счет увеличения его активного сопротивления на непродолжительное время.
Примеры реализации устройства показаны на фиг.3 и фиг.4, где представлены схемы их подключения к модели электрической сети. Напряжение сети 100 В, суммарная фазная емкость сети 69 мкФ. Реализация способа заключается в том, что к сети подключаются: реактор 2. Сопротивление резистора 3, найденное по (2), составило 20 Ом. Суммарная емкость конденсаторов 1 установлена равной 32 мкФ.  Напряжение, при котором реактор 3 становится нелинейным, равно 324 В, его индуктивность в ненасыщенном состоянии – 0.45 Гн, активное сопротивление обмотки – 5 Ом. Проведенные расчеты по выражению (1) позволили получить следующее минимальное значение продолжительности времени нахождения в разомкнутом состоянии - 0.12 с.
Для проверки действия устройства моделировались устойчивые замыкания одной из фаз на землю длительностью несколько периодов, предварительно создавались начальные условия, способные возбудить феррорезонанс. Кроме того, во время таких замыканий в сети осуществлялись коммутации в электросети, приводящие к временным скачкам напряжения.    При помощи осциллографа 12 и измерительного шунта 10 регистрировался ток замыкания.  Результаты регистрации приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры устройства заземления нейтрали
Наибольшее значение установившегося тока однофазного замыкания, А
Возникновение устойчивого феррорезонанса
Устройство согласно фиг. 1
0.1
Не зафиксировано
Устройство согласно фиг. 2
0.1
Не зафиксировано
Устройство с сопротивлением дополнительного резистора 10 Ом (ближайший аналог)
6
Зафиксировано
Устройство с сопротивлением резистора 100 Ом (ближайший аналог)
6
Зафиксировано
Устройство с временем <img file="00000010.jpg" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000010.jpg" he="5" wi="2" img-content="undefined" img-format="jpg" /> = 0.05 с (ближайший аналог)
6
Зафиксировано
Как видно из таблицы 1 при использовании предлагаемого устройства, реализованного согласно двум предложенным схемам получен одинаковый результат в ограничении токов однофазных замыканий и устранении феррорезонансных процессов. Изменение параметров устройства, уменьшение или увеличение сопротивления резистора, а также уменьшение продолжительности времени размыкания контактов, приводит к возникновению феррорезонанса и увеличению тока однофазного замыкания.
Таким образом, видно, что предложенное устройство, в отличие от ближайшего аналога, позволяет снизить токи однофазных замыканий и устранить феррорезонанс, а, следовательно, решают поставленную задачу повышения безопасности электросети.