Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Рыжкова Елена Николаевна

Специальность 05.09.03

Электротехнические комплексы и системы

Павлодар, 2007

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одной из основных проблем повышения надежности работы сетей средних классов напряжения (3…35 кВ) является оптимизация режима нейтрали и организация надежной и селективной релейной защиты от замыканий на землю, напрямую связанная с режимом нейтрали.

В многочисленных работах по выбору режима нейтрали сетей 3..35 кВ приводится анализ эффективности распространенных способов заземления нейтрали, оценка их достоинств и недостатков, определение областей применения этих способов, а также особенностей функционирования РЗЗЗ в сетях с различными режимами нейтрали.

История вопроса насчитывает не один десяток лет, однако до сих пор не существует ни единого мнения по поводу путей решения проблемы, ни директивных документов, регламентирующих применение различных способов заземления нейтрали, ни надежной релейной защиты и автоматики для улучшения протекания режимов, связанных с замыканиями на землю.

Существующая проектная и эксплуатационная практика регламентируется ПУЭ и ПТЭ, которые допускают три основных режима нейтрали: изолированная, резистивно-заземленная и компенсированная, и дают четкие границы применения режимов изолированной и компенсированной нейтрали. Режим резистивного заземления нейтрали при всем возможном многообразии областей его применения, по сути дела, не обозначен, как основной, хотя его достоинства очевидны, а теория и практика его применения разработаны на достаточном уровне.

Также не вполне определенной следует считать идеологию применения защит от замыканий на землю, большинство из которых не имеют четких границ областей применения и удовлетворительных технических характеристик.

Режим резистивного заземления нейтрали, как основной для сетей с малыми (в единицы ампер) токами замыкания на землю и как дополняющий - в сетях с компенсацией емкостных токов, по-видимому, в ближайшее время станет преобладающим в сетях средних классов напряжения.

В этой связи представляется актуальной проработка вопросов, связанных с применением в теории резистивного заземления нейтрали идеи управляемости режима, т.к. преимущества такого подхода очевидны и подтверждены, например, практикой управления настрой компенсации емкостных токов. Поэтому решение проблемы управляемого режима заземления нейтрали является важнейшей народнохозяйственной задачей.

Целью работы является развитие теории переходных процессов при замыканиях на землю, разработка методов и средств управления режимом нейтрали сетей средних классов напряжения для улучшения протекания переходных процессов и функционирования защит от замыканий на землю.

В соответствии с целью поставлены и решены следующие научные задачи:

- анализ влияния режима заземления нейтрали на токи замыкания на землю при перемежающемся горении дуги в сетях с изолированной, резитивно-заземленной, компенсированной и комбинированной нейтралью;

- исследование режима замыкания на землю для закрытых заземляющих дуг как переходного процесса с изменяющимися во времени исходными параметрами в сетях с различными способами заземления нейтрали;

- разработка основных принципов организации управления резистором в нейтрали сетей с малыми (единицы ампер) токами замыкания на землю для ограничения дуговых перенапряжений и обеспечения селективности релейной защиты от замыканий на землю;

- разработка основных принципов организации управления резистором в сети с компенсированной и комбинированной нейтралью для ограничения дуговых перенапряжений и обеспечения селективности РЗЗЗ;

- синтез принципиальных схем автоматических устройств для управления резистором в нейтрали сетей средних классов напряжения;

- разработка способов обеспечения селективности токовых защит от замыканий на землю с помощью компенсации собственных токов нулевой последовательности присоединений;

- разработка нового подхода к селективности защит от двойных замыканий на землю;

- разработка, внедрение, проведение опытно-промышленной проверки и анализ эффективности защит от замыканий на землю в компенсированной сети.

Методы исследования. Основные результаты получены с использованием аналитических, численных, численно-аналитических методов расчета и анализа с применением методов физического моделирования и экспериментальных методов.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

- впервые режим замыкания на землю исследован как развивающийся переходный процесс с изменением исходных параметров в широких пределах;

- выявлены основные закономерности процесса в сетях с различными способами заземления нейтрали;

- впервые осуществлен анализ и синтез алгоритмов управления резистивным заземлением нейтрали сетей средних классов напряжения с учетом изменения характера процесса замыкания на землю во времени;

- впервые предложен новый критерий селективности релейной защиты от двойных замыканий на землю и алгоритм функционирования одной из возможных схем защиты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием основных законов электротехники, методов анализа, проверенных многолетним опытом электроаппаратостроения, исследовательской и проектной практики, а также экспериментальными исследованиями и опытом промышленной эксплуатации образцов устройств.

Основные положения, выносимые на защиту:

- анализ режимов замыкания на землю как развивающихся переходных режимов с изменением исходных параметров в широких пределах;

- теоретическое обоснование влияние резистивного заземления на характер развивающегося процесса замыкания на землю в сетях с изолированной, компенсированной и комбинированной нейтралью;

- принципы построения и алгоритмы функционирования устройств адаптивного управления резистором для сетей с различными способами заземления нейтрали;

- способ повышения селективности токовых защит от замыканий на землю с помощью компенсации собственных токов нулевой последовательности;

- принципы организации и алгоритмы функционирования защиты от двойных замыканий на землю;

- ряд принципиальных схем устройств автоматического управления резистором для сетей с различными способами заземления нейтрали;

- результаты внедрения автоматики резистивного заземления и РЗЗЗ в сетях с компенсированной нейтралью.

Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что:

- впервые реализованы принципы управляемости резистивным заземлением нейтрали для обеспечения большей надежности электроснабжения и улучшения технико-экономических характеристик устройств резистивного заземления;

- впервые предложено быстродействующее, в том числе, импульсное управление заземляющим резистором для сетей с изолированной, компенсированной и комбинированной нейтралью;

- впервые предложен способ автоматической компенсации собственных составляющих токов нулевой последовательности ТТНП присоединений для повышения селективности РЗЗЗ;

- впервые предложен ряд технических решений для управления резистивным заземлением нейтрали;

- получены рекомендации по разработке и созданию устройств автоматического управления режимом резистивно-заземленной нейтрали, РЗЗЗ и защиты от двойных замыканий на землю;

- разработаны алгоритмы и конкретные схемы устройств для реализации предложенных принципов управления и защиты.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях: 10 научно-технической конференции по обмену опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики (Екатеринбург, 1992); на 4 научно-технической конференции «Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике» (Харьков, 1992); на 14 сессии семинара «Кибернетика электрических систем», раздел «Диагностика электрооборудования» (Новочеркасск, 1992); на 4 и 5 международных научно-технических конференциях “Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях” (Алматы, 2004, 2006); на 2 международной научно-технической конференции “Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт” (Тобольск, 2004); на 1 международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (Усть-Каменогорск, 2005); на 11 международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2006), на 3 международной научно-технической конференции “Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт” (Омск, 2007).

Публикации. Результаты выполненных исследований нашли отражение в 43 печатных работах, в том числе, защищены 6 А.С. СССР, 3 патентами РФ, 4 патентами РК. Опытные образцы устройств резистивного заземления нейтрали и РЗЗЗ установлены на 14 секциях подстанций 10 кВ г. Павлодара, на 2 секциях 6 кВ подстанции «22» г. Усть-Каменогорска.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 169 наименований; изложена на 224 страницах печатного текста, включая 98 рисунков, а также 4 приложений, включая документы о внедрении.

Основное содержание работы

замыкание ток земля нейтраль

Во введении обосновываются актуальность и формулируются цель работы и научные задачи, отражается научная новизна и практическая ценность результатов.

Приведены методы исследования и положения, выносимые на защиту, оценка личного вклада автора в получении научных результатов. Приводятся сведения о реализации результатов работы, апробации и публикациях по теме диссертации, а также структура и объем работы.

В первой главе приводится обзор существующих в мировой практике способов заземления нейтрали в сетях 6 - 10 кВ, рассматриваются их достоинства и недостатки, а также области применения. Показано, что в силу присущих режиму изолированной нейтрали принципиальных недостатков, связанных с высоким уровнем перенапряжений и сложностью организации РЗЗЗ, область применения его должна быть ограничена. Отмечается низкая эффективность режима компенсированной нейтрали при использовании ДГР с малодискретным ступенчатым регулированием. Отмечается все более широкое применение резистивного заземления нейтрали, в том числе, комбинированного для сетей с компенсацией емкостных токов.

Выполнен обзор существующих способов оптимизации режима нейтрали сетей 6 - 35 кВ и технических средств для их реализации с анализом достоинств, недостатков и возможных областей применения.

Приводятся примеры организации управления резистивным заземлением нейтрали и отмечается неоптимальность такого управления.

Формулируются задачи исследований по управлению режимом нейтрали для ограничения дуговых перенапряжений и повышения селективности РЗЗЗ в различных эксплуатационных условиях и при учете развития процесса замыкания на землю во времени с изменением параметров в широких пределах.

Во второй главе приводится анализ особенностей переходных процессов при замыканиях на землю в сетях с различными способами заземления нейтрали. Отмечается, что выполненные ранее исследования и разработки явно недостаточно учитывали возможность изменения параметров режима замыкания на землю, особенно, при развитии процесса во внутренней, преимущественно кабельной изоляции. Приводится анализ развития процесса на примере повреждения поясной изоляции кабелей 6 - 10 кВ. Выделяется несколько этапов развития замыкания:

- начальная фаза процесса предпробойного состояния с единичными самоустраняющимися пробоями без повреждения оболочки кабелей;

- режим непрерывных импульсных пробоев с разрушением оболочки и горением перемежающейся дуги при изменении пробивного напряжения;

- переход к устойчивому горению дуги с синусоидальным током.

Наиболее подробно исследовалась на физической модели сети вторая фаза процесса.

Установлен сложный характер изменения перенапряжений на здоровых фазах сети. Известно также, что уровень дуговых перенапряжений зависит от уровня пробивного напряжения дугового промежутка, поэтому были проведены расчеты максимальных перенапряжений UПЕР в функции электрической прочности промежутка UПР и горении дуги по теории Петерсена и получена кривая изменения UПР(t) в процессе развития места повреждения (см. рисунок 1).



Рисунок 1 - Качественный характер изменения пробивного напряжения дугового промежутка

Анализ экспериментальных данных позволил построить гипотезу развития повреждения во внутренней изоляции, основанную на тепловой модели процесса. Принимается к рассмотрению два фактора, влияющих на электрическую прочность промежутка: процесс выделения энергии в месте повреждения и соответствующее изменение подвижности проводящих частиц. При допущении о постоянстве мощности дуги и об экспоненциальном увеличении площади контакта дуги с окружающей изоляцией из-за увеличения размера повреждения, имеем экспоненциальный характер уменьшения количества энергии, приходящейся на единицу площади изоляции в зоне дуги . Следовательно, можно считать, что подвижность проводящих частиц Д, обуславливающая уровень пробивного напряжения растет сростом температуры прогрева и также имеет в ходе развития повреждения экспоненциальный характер

.

Очевидно, что электрическая прочность дугового промежутка тем больше, чем глубже внутрь изоляции выбрасываются проводящие частицы. Глубина их выброса зависит от давления в канале дуги и вязкости среды (подвижности частиц). Т.к. давление в канале дуги пропорционально удельной мощности, а глубина выброса проводящих частиц пропорциональна их подвижности, можно предположить, что прочность дугового промежутка пропорциональна произведению и (t)

,

где К1 и К2 - некоторые коэффициенты пропорциональности.

Тогда качественный характер пробивного напряжения можно представить в виде

,

где А - фактор удельной мощности дуги;

В - фактор подвижности проводящих частиц;

С - подвижность в начале процесса.

Вид этой аналитической зависимости, приведенной на рисунке 2, качественно совпадает с экспериментальной (рисунок 1), что свидетельствует о непротиворечивости предложенной теоретической модели процесса.

В свете предложенной тепловой гипотезы развития процесса замыкания на землю были проанализированы особенности переходных процессов в сетях с различными способами заземления нейтрали. Отмечено, что в разветвленных сетях с изолированной нейтралью из-за электрической удаленности места замыкания от источника наиболее вероятные значения коэффициента демпфирования отвечают слабой колебательности процесса вплоть до апериодического.



Рисунок 2

Как показывают расчеты токов замыкания при различных значениях активного сопротивления в нейтрали, перевод сети в режим резистивного заземления нейтрали с уровнем к качественному изменению режима горения дуги в перемежающейся фазе не приводит. Этот вывод следует из анализа влияния величины активного тока нейтрали на кривую тока замыкания. При наложении такого активного тока () практически не изменяются ни амплитуда, ни действующее значение, ни момент перехода высокочастотной составляющей через нулевое значение в начале колебательной фазы процесса, как показано на рисунке 3. Это представляется особенно важным для механизмов гашения дуги на высокочастотных составляющих тока замыкания (теории Петерсена и Белякова) и связанных с опасными перенапряжениями. Распространенное мнение о быстром переходе замыкания в установившуюся фазу при наложении в этой связи представляется необоснованным.



а) - для сети с изолированной нейтралью; б) - при наложении активного тока

Рисунок 3 - Кривые тока замыкания

Однако при сильном демпфировании, характерном для разветвленных сетей, влияние активной составляющей тока замыкания может стать определяющим уже при . Токи замыкания на землю в таких случаях на высокочастотной фазе процесса могут не переходить через нулевое значение, а следовательно, гашение дуги может происходить только на принужденной составляющей, что резко изменяет условия функционирования РЗЗЗ. Кроме того, отмечается значительное снижение амплитуд импульсов тока замыкания из-за ограничительного действия резистора в нейтрали, снижающего уровень дуговых перенапряжений в 1,28 - 1,45 раз. Поэтому воздействие импульсного тока замыкания на место повреждения заметно снижается по сравнению с режимом изолированной нейтрали с соответствующим изменением времени перехода дуги в устойчивую фазу горения.

Наложение активного тока достаточной величины от резистора, как показали расчеты, позволяет превратить процесс горения дуги из импульсного в пятидесятигерцовый, минуя стадию развития места повреждения только за счет соответствующего смещения кривой тока замыкания. Такой качественный переход возможен уже при наложении активного тока , поэтому дальнейшее увеличение , например, рекомендованное для сетей собственных нужд электростанций нецелесообразно, т.к. лишь увеличивает размеры повреждения. Таким образом, для сетей 6 - 10 кВ с токами замыкания в единицы ампер можно предложить низкоомное заземление нейтрали, обеспечивающее . При этом необходимо учитывать ограничение на величину максимально допустимого тока замыкания, устанавливаемое ПУЭ.

Для сетей с компенсированной нейтралью из-за большой энергии импульса тока замыкания и высокой скорости его изменения в момент перехода через нулевое значение гашение на высокочастотной составляющей гораздо менее вероятно, чем в сетях с изолированной нейтралью и с малыми токами замыкания на землю. Поэтому были проведены расчеты токов замыкания в предположении гашения дуги на вынужденной пятидесятигерцовой составляющей. Как известно, при таком механизме гашения возможно глубокое насыщение ДГР и соответствующее изменение характера тока замыкания. Показано, что при неблагоприятной фазе возникновения очередного замыкания в режиме перемежающегося горения дуги возможно глубокое насыщение ДГР и соответствующее резкое увеличение тока в месте повреждения. Кратность тока ДГР в долях от номинального в режиме насыщения достигает 5 - 6, а тока замыкания на землю - 4 - 5. При этом очевидно резко изменяются условия электробезопасности, условия функционирования защит от замыканий на землю и процесс развития замыкания.

Комбинированное заземление нейтрали через параллельно включенные ДГР и защитный резистор обеспечивает ограничение дуговых перенапряжений при перемежающемся характере горения дуги за счет искусственного демпфирования процесса восстановления напряжения на поврежденной фазе и к заметному увеличению тока замыкания не приводит. Однако при устойчивом характере горения дуги наличие защитного резистора увеличивает ток в месте повреждения и при учете требований по максимально допустимой величине тока замыкания по ПТЭ область применения этого способа заземления нейтрали оказывается сильно ограниченной.

В третьей главе приведен анализ особенностей процесса развития замыкания на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. Показано, что в отличие от процессов в сети с изолированной нейтралью количественно время перехода в устойчивую фазу и кривая UПЕР(t) несколько изменяются с сохранением качественного характера процесса. Так, время перехода в устойчивую фазу при наличии резистора в нейтрали может уменьшаться на 30 - 50%, а кривая UПЕР(t) принципиально не превосходит значений, характерных для первого цикла «зажигание - гашение» - 2,4 - 2,5 UФm.

Отсюда следует, что режим перемежающегося горения закрытой дуги с импульсными токами является принципиально кратковременным, а при наличии резистора в нейтрали эти временные зависимости заметно деформируются. Время перехода дуги в устойчивую фазу с синусоидальным током составляет не более нескольких десятков секунд, и это обстоятельство должно быть учтено, прежде всего, при разработке алгоритмов работы автоматических устройств управления режимом нейтрали и при определении характеристик заземляющего резистора. Наложение активного тока в режиме устойчивого горения заземляющей дуги зачастую нецелесообразно, и при возможности организации управления резистором, его энергоемкость может определяться только временем существования перемежающегося режима дуги.

Вышеизложенные соображения о развитии повреждения во внутренней изоляции во время замыкания на землю показывают, что из трех стадий процесса: начальной с заплывающими пробоями, перемежающегося замыкания и устойчивого замыкания с синусоидальным током - наиболее важной для решения задачи управления является вторая. Дело в том, что на первой стадии, характеризующейся сначала постепенным увеличением тока проводимости в месте повреждения, затем появлением скачков этого тока до пробоя и восстановления прочности промежутка, влияния режима нейтрали не наблюдается. Управление режимом нейтрали и работа РЗЗЗ в этой стадии процесса нецелесообразна из-за неопределенности перспектив развития места повреждения. После импульсного пробоя и восстановления прочности места повреждения нормальный режим может просуществовать несколько суток с последующим пробоем и восстановлением места повреждения еще на несколько суток. Опасности для оборудования такие единичные «клевки» не представляют, и подобный режим, в принципе, может существовать как угодно долго.

В режиме устойчивого замыкания на землю, как известно, перенапряжения по абсолютной величине не превосходят линейного напряжения, проблемы функционирования РЗЗЗ, в основном, решаются с помощью несложных реле, и если величина тока замыкания не превышает нормированного ПТЭ значения, нейтраль сети может быть неуправляемой.

Вторая стадия представляет собой сложный переходный процесс с изменяющимися во времени и в широких пределах параметрами схемы замещения. Эта стадия процесса продолжается единицы - десятки секунд. При этом изменяются не только параметры режима замыкания, но и нередко схема сети из-за отключений линий релейной защитой. Поэтому режим нейтрали при использовании неуправляемых заземляющих резисторов априори можно считать неоптимальным.

В стадии перемежающегося горения заземляющей дуги во внутренней изоляции переход к режиму устойчивого горения идет с изменением параметров управления и с различной скоростью в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю, направления выброса продуктов горения дуги, герметичности места повреждения и т. д. Поэтому задать логику действия релейной защиты и автоматики на базе традиционно применяемых фиксированных уставок по всем параметрам для эффективного управления не представляется возможным.

Резистивное заземление нейтрали, основанное в настоящее время на постоянном подключении нерегулируемых резисторов, преследует две цели: ограничение дуговых перенапряжений и повышение селективности РЗЗЗ.

Эти резисторы могут быть включены как непосредственно в нейтраль силового трансформатора сети, так и на стороне низкого напряжения специального присоединительного трансформатора.

Дискуссионным остается лишь вопрос о выборе величины этого резистора, оцениваемой часто как кратность накладываемого активного тока IА в долях от емкостного тока замыкания IС и заключающаяся в пределах 0,25-4,0. Столь широкий диапазон возможных кратностей объясняется противоречивостью требований к величине IАв разных условиях. Так, с целью повышения чувствительности защит от замыканий на землю с измерительным органом, использующим сигнал, пропорциональный 3U0, предлагается ограничить величину накладываемого активного тока значением 0,25-0,35 IС. Для обеспечения условий электробезопасности величина активного тока может составлять 0,5-0,9 IС, что близко к известному условию ограничения дуговых перенапряжений IА = IС. По условиям надежности работы защит от замыканий на землю рекомендуемая величина IА гораздо выше и составляет (3-4) IС, однако при этом резко возрастают размеры повреждения и исчезает главное преимущество сетей с изолированной нейтралью - возможность длительного существования режима замыкания. Кроме того, в условиях непрерывного изменения в широких пределах величины емкости сетей нерегулируеиый резистор малоэффективен.

Разработке специальной автоматики для более гибкого использования возможностей резистивного заземления нейтрали посвящено несколько работ, настоящая работа, в основном, посвящена развитию методов и средств управления резистором в нейтрали в условиях развития процесса замыкания на землю.

Отсюда следует необходимость разработки более сложных алгоритмов и оценки возможности использования более сложных технических средств для интеллектуального управления, например, на базе микропроцессорной техники.

Разработаны принципы управления и алгоритмы работы устройств автоматики резистивного заземления нейтрали и предложен ряд технических решений по ограничению дуговых перенапряжений и повышению селективности простых токовых РЗЗЗ, основанных на быстродействующей коммутации с учетом характера процесса и эксплуатационных требований. Для управления режимом нейтрали предлагается использовать как дискретное, так и фазовое управление величиной активного тока.

Для случаев, когда даже кратковременное существование режима замыкания на землю по каким-либо соображениям, например, ввиду наличия вращающихся машин или из условий электробезопасности, нежелательно, используется низкоомное заземление нейтрали. При этом величина накладываемого активного тока, как известно, достигает 8-10 кратной величины по отношению к емкостному току замыкания. Опыт эксплуатации РЗЗЗ при низкоомном заземлении нейтрали показал во многих случаях явную избыточность воздействия активной составляющей. Применение принципа управляемости резистивным заземлением нейтрали в подобных случаях может улучшить характер процесса и минимизировать размеры повреждения.

Изменяя величину накладываемого активного тока в режиме замыкания можно перевести процесс перемежающегося горения в устойчивый за время, намного меньшее времени естественного перехода режима в устойчивую фазу и без лишних повреждений.

При разработке алгоритма управления резистором здесь необходимо учитывать следующие соображения:

- наложение активного тока начинается с некоторого минимального значения, достаточного для ограничения дуговых перенапряжений, и быстро увеличивается вплоть обеспечения перехода режима замыкания в устойчивую фазу;

- увеличение активного тока прекращается с момента перехода к устойчивому горению дуги;

- наложение активного тока прекращается вообще спустя время, необходимое для срабатывания РЗЗЗ.

Увеличение активной составляющей тока замыкания в режиме перемежающегося горения дуги, как было показано выше, может обеспечить принудительное устойчивое горение дуг за счет того, что мгновенное значение свободного тока замыкания в переходном процессе не переходит нулевого значения, и каждое очередное гашение дуги может происходить только на вынужденной пятидесятигерцовой составляющей. При этом, как известно, простые токовые защиты с входными фильтрами (типа РТЗ-51) функционируют вполне удовлетворительно.

Величина накладываемого активного тока для обеспечения устойчивого режима горения дуги зависит от степени демпфирования колебаний свободной составляющей тока замыкания и может быть существенно различной в одной и той же сети в зависимости от места замыкания. Именно поэтому оказывается целесообразным непрерывное увеличение активного тока в ходе процесса до достижения устойчивого режима. Этот режим ввиду опасности чрезмерных разрушений не должен существовать длительно и прекращается спустя минимальное время, необходимое для обеспечения селективности РЗЗЗ.

Реализовать описанную логику управления резистором можно с помощью устройства, принципиальная схема которого показана на рисунке 3. На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - однофазный присоединительный трансформатор устройства заземления нейтрали; 2 - устройство резистивного многоступенчатого заземления нейтрали; 3 - блок определения режима замыкания на землю; 4 - устройство измерения емкостного тока замыкания на землю сети; 5 - интегратор; 6 - сумматор; 7 - АЦП; 8 - элемент «ВРЕМЯ».

Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме, который идентифицируется блоком определения режима замыкания на землю 3, сигнал с выхода блока запускает устройство измерения величины емкостного тока замыкания на землю 4, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный емкостному току сети. Сигнал с выхода этого устройства подается на один из входов сумматора 6. На втором входе сумматора 6 сигнал отсутствует, т.к. на вход интегратора 5 в нормальном режиме сигнала с выхода блока 3 не поступает, а сигнал «сброс» с другого выхода блока 3 обнуляет сигнал на выходе интегратора 5. Таким образом, на вход АЦП 7 поступает сигнал, пропорциональный Ic, и комбинация сигналов на выходе АЦП обеспечивает необходимую величину сопротивления устройства заземления, выбранную по условию IА = IС. При любом изменении емкости сети происходит автоматическое изменение величины активного тока, что обеспечивает оптимальность ограничения дуговых перенапряжений.

При возникновении режима замыкания на землю с выхода блока 3 подается сигнал на вход интегратора и начинается его заряд с увеличением сигнала на втором входе сумматора 6, изменением комбинации сигналов АЦП и соответствующим увеличением активного тока устройства 2. Увеличение активного тока может происходить до предельного значения тока устройства заземления. При переходе режима замыкания в устойчивую фазу, определяемому с помощью блока 3, спустя выдержку времени блока 8 произойдет сброс интегратора и соответствующее уменьшение величины накладываемого активного тока до значения Ia = Ic.



Рисунок 4

Широкие возможности управления резистивным заземлением нейтрали позволяют не только обеспечить оптимальное управление процессом, но и подойти к выбору параметров резисторов с учетом особенностей режимов замыкания в различных эксплуатационных условиях. Так, для случаев повреждения внутренней изоляции, например, кабельной, характерные особенности поведения которой описаны в главе 2, за счет оптимального управления можно резко снизить величину выделяемой в резисторе энергии, а следовательно, уменьшить его стоимость.

Для ограничения дуговых перенапряжений без наложения дополнительного активного тока на место повреждения предложено техническое решение на базе силовой полупроводниковой коммутации заземляющего резистора, что представляется особенно ценным в случаях, когда наложение дополнительного активного тока неприемлемо по условиям электробезопасности.

Проведенный анализ поведения РЗЗЗ в условиях резистивного заземления нейтрали, в том числе при импульсном управлении резистором, показал возможность некоторого улучшения селективности при использовании высокоомного резистивного заземления. Однако для надежности функционирования РЗЗЗ представляется целесообразным использование управления резистором с наложением активного тока дозированной величины в определенный момент времени.

В четвертой главе приведен анализ особенностей процесса развития замыкания на землю в сетях с компенсированной нейтралью.

Произведена качественная оценка скорости изменения электрической прочности дугового промежутка на начальной, быстрой (единицы миллисекунд после погасания дуги) стадии восстановления прочности и медленной ее части (сотни миллисекунд после погасания). Оценка выполнена на основе многочисленных осциллограмм процесса замыкания в компенсированных сетях. Скорость восстановления электрической прочности на начальной стадии (около 0,1 - 0,2 UФm/мс) оказывается гораздо выше, чем скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе-даже при запредельных расстройках компенсации, что обеспечивает отсутствие повторных зажиганий сразу после погасания дуги. Следовательно, для анализа процесса повторных зажиганий можно оценить лишь амплитуду начальной прочности и скорость ее изменения на медленной стадии, которая составляет около 0,001 - 0,005 UФm/мс.

При больших емкостных токах в компенсированных кабельных сетях за счет большой энергии импульсов тока замыкания возможно столь сильное очищение места повреждения от продуктов горения, что восстановление электрической прочности возможно на длительное время (до нескольких часов и суток) после нескольких циклов «зажигание - гашение» дуги.

Процесс развития замыкания на землю в компенсированной сети протекает с теми же закономерностями, что и в сети с изолированной нейтралью, однако может быть растянутым во времени из-за гораздо более низкой скважности импульсов тока замыкания, определяющей его действующее значение. Скважность импульсов здесь, как известно, зависит от расстройки компенсации и изменяется в широких пределах. В сети с комбинированной нейтралью следует ожидать уменьшения скважности импульсов тока, и соответственно, увеличения скорости восстановления напряжения поврежденной фазы при наличии резистора в нейтрали, особенно на падающей части кривой UПР(t).

Изменение действующего значения тока замыкания в компенсированных сетях по сравнению с сетями с изолированной нейтралью из-за значительного отличия в скважности, амплитудах и форме импульсов и соответствующего изменения времени перехода в устойчивую фазу может определяться дополнительным, ранее не учитываемым фактором - насыщением ДГР в процессе развития замыкания.

Как известно, насыщение ДГР в режиме замыкания обусловлено начальными условиями и вызывается двумя факторами: фазой возникновения замыкания на землю относительно источника поврежденной фазы и величиной и знаком начального потока магнитопровода реактора в момент замыкания. В циклическом переходном процессе с многократными зажиганиями и гашениями дуги в компенсированной сети начальные условия очередного режима с замыканием на землю изменяются в широких пределах. Фаза возникновения замыкания в циклическом режиме определяется моментом пересечения кривой электрической прочности дугового промежутка после очередного гашения дуги и кривой мгновенного значения напряжения на поврежденной фазе в процессе восстановления. Т. к. процесс восстановления напряжения происходит с частотой, которая зависит от произвольных значений К и d, пересечение этих кривых может иметь место при любой фазе возникновения замыкания на землю.

Начальный поток в магнитопроводе ДГР определяется мгновенным значением напряжения на нейтрали в момент очередного замыкания, которое в процессе восстановления напряжения на поврежденной фазе также может быть произвольным.

При неблагоприятных фазе замыкания и значении начального магнитного потока возможно глубокое насыщение магнитопровода ДГР и соответствующее увеличение тока компенсации в 5-7 раз по сравнению с установившимся током, что принципиально меняет характер горения дуги. Опасность развития повреждения с переходом однофазного замыкания в междуфазное кз при этом резко возрастает, изменяются условия функционирования РЗЗЗ. Поэтому факторы, влияющие на насыщение, рассмотрены более подробно. Проведены многочисленные расчеты процессов повторного пробоя при моделировании электрической прочности места повреждения согласно закономерности, показанной на рисунке 1. Точки пресечения кривой в переходном процессе восстановления напряжения на поврежденной фазе с кривой электрической прочности дугового промежутка в этих расчетах определяли момент очередного пробоя внутри цикла «зажигание-гашение». Из-за несоизмеримо малой скорости изменения по сравнению со скоростью изменения огибающей точки пересечения располагаются вблизи амплитуд мгновенного значения напряжения на поврежденной фазе и для каждого конкретного цикла восстановления напряжения в зависимости от значений степени настройки компенсации и демпфирования . Кратность насыщения, определяемая фазой очередного пробоя , представлена здесь суммарным фактором . Для цикла «зажигание-гашение», изображенного на рисунке 4, получено, что максимальное насыщение возникает при через 0,035с после очередного погасания дуги. Здесь фактор , фаза возникновения относительно ЭДС источника питания , а начальный поток . Кривые тока замыкания и тока ДГР для этого случая показаны на рисунке 5. В работе показано, что степень возможного насыщения ДГР в процессе развития зависит от скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе, которая определяется, в свою очередь, величиной расстройки компенсации V и степени демпфирования d. Особенно опасным насыщение становится на завершающей стадии процесса перехода к устойчивому режиму замыкания при значительном снижении уровня пробивного напряжения. Тогда из-за неблагоприятного сочетания фактора фазы возникновения очередного замыкания а и фактора начального магнитного потока b возможно глубокое насыщение ДГР с токами до 3 - 4 IНОМ и соответственным увеличением тока замыкания до значения 2,5 - 3 IС. При этом ток замыкания содержит значительную постоянную составляющую и не переходит нулевого значения в течение нескольких периодов промышленной частоты, что резко изменяет условия гашения, его действующее значение и влияние на развитие места повреждения, а также работу РЗЗЗ. Подобные расчеты были проведены и для сетей с комбинированным заземлением нейтрали. Насыщение ДГР в сети с комбинированным заземлением нейтрали проявляется теми же закономерностями, что и насыщение в компенсированной сети. Отличие состоит в том, что в сильно демпфированном контуре нулевой последовательности напряжение U0 и отвечающий ему поток Ф0 затухают за 1,5-2 периода, и его влияние на насыщение заметно только в начале процесса восстановления напряжения.

Рисунок 5



Рисунок 6

Через 0,03-0,04 с напряжение UПФ достигает номинального уровня и далее остается неизменным. При таком характере изменения восстанавливающегося напряжения во времени очередное замыкание в начале процесса развития, когда , может происходить только на амплитудном значении напряжения поврежденной фазы. При этом насыщение ДГР отсутствует, т. к. расчеты показывают, что для моментов времени, отвечающих амплитудным значениям UПФ, величина не превышает единицы.

В конце процесса снижения пробивного напряжения на дуговом промежутке при насыщение ДГР не превышает 1,2-1,3, т.е. становится незначительным, и лишь в диапазоне существует область возможного насыщения.

Так, при самых неблагоприятных моментах замыкания при различных расстройках компенсации токи ДГР могут достигать амплитудных значений около 2,5-3,0.

Отмечается при этом, что форма кривой тока в месте замыкания заметно отличается от тока в компенсированной сети из-за наличия активной составляющей. Переход тока замыкания через нуль и соответственно гашение дуги этого тока здесь наступает гораздо раньше, чем в компенсированной сети - в течение первого периода промышленной частоты.

Рассмотрены также вопросы организации управления резистивным заземлением нейтрали в компенсированных сетях.

Предложен ряд новых принципов управления защитным резистором для ограничения дуговых перенапряжений.

Для минимизации энергоемкости и воздействия резистора на место повреждения для управления величиной накладываемого активного тока предложено использовать информацию о степени расстройки компенсации и режиме горения дуги. Мощность блока резисторов при этом управляется по двум факторам: расстройке компенсации и режиму горения дуги, - и при перемежающейся дуге строго дозирована, а в режиме устойчивого горения равна нулю, т.е. блок резисторов отключается.

Управление защитным резистором по предложенному алгоритму обеспечивает изменение величины накладываемого активного тока при изменении в широких пределах схемы сети, степени расстройки компенсации и режима горения заземляющей дуги. Однако большинство устройств АНКЗ основаны на измерении частоты свободных колебаний контура нулевой последовательности и используются устройствами, имеющими заметную инерционность (плунжерные ДГР, ДГР с подмагничиванием), поэтому особых требований по быстродействию АНКЗ не предъявлялось. Между тем, запаздывание устройств АНКЗ в процессе резкой и глубокой расстройки компенсации для целей управления резистором в нейтрали может быть опасным.

Поэтому в данной работе рассмотрены принципы организации быстродействующих устройств выявления расстройки компенсации в режиме замыкания на землю, предназначенных для управления защитным резистором.

Технические требования к таким устройствам могут быть несколько иными, чем к устройствам АНКЗ ДГР.

В первую очередь это касается быстродействия - оно должно быть максимальным, во-вторых, требования по точности определения расстройки могут существенно снижены по сравнению с АНКЗ.

При возможных в условиях эксплуатации расстройках компенсации емкостных токов на уровне 30% включение защитного резистора должно быть обеспечено за время, меньшее времени бестоковых пауз режима перемежающегося горения дуги. Для V= 30% это время составляет около 0,02 - 0,03с при d = 0,05. За столь короткое время определение степени расстройки и включение защитного резистора с помощью известных устройств АНКЗ затруднительно, поэтому предлагается измерение настройки компенсации с помощью более информативных для указанных целей параметров.

В режиме перемежающегося горения дуги единственным источником информации о расстройке компенсации служит контур нулевой последовательности сети. Измерение частоты свободных колебаний контура, как было показано в ряде работ, связано со сложной аппаратурной реализацией и ограничено допустимой степенью расстройки из-за неизбежных погрешностей измерения при малых временах восстановления напряжения на поврежденной фазе.

Поэтому была рассмотрена возможность использования альтернативных способов получения информации о степени расстройки компенсации. На основе проведенного анализа разработаны принципы функционирования, наиболее простым из которых является использование информации о скорости нарастания напряжения на поврежденной фазе и величине угла между напряжением на нейтрали и напряжением источника питания.

Предложен принцип создания замкнутой системы непрерывного управления величиной накладываемого активного тока по двум параметрам: величине отклонения напряжения на поврежденной фазе от номинального уровня и производной этой величины. Разработан алгоритм функционирования и схема устройства предлагаемого управления.

Алгоритм управления защитным резистором может быть выбран из следующих соображений.

В процессе восстановления напряжения на поврежденной фазе после очередного погасания дуги, как известно, опасность возникновения перенапряжений имеет место только в случае появления биений. Если при биениях с помощью дополнительного демпфирования защитным резистором исключить возможность увеличения напряжения на поврежденной фазе выше номинального уровня, то при повторных зажиганиях дуги перенапряжения не превысят 2,4 - 2,5Uфm. Включение защитного резистора определенной величины, как было показано выше, предотвращает перенапряжения, однако, может увеличивать частоту пробоев, а следовательно, количество воздействий перенапряжений на изоляцию. Такое влияние имеет место при снижении пробивных напряжений дугового промежутка до уровня ниже номинального на завершающей стадии процесса развития замыкания. Количество воздействий перенапряжений при повторных зажиганиях дуги в этом случае напрямую зависит от скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе. В случае, когда V=d, начальная скорость восстановления напряжения увеличивается, а следовательно и время достижения UПФ уровня пробивного напряжения уменьшается в раз. Следовательно, также в раз увеличивается частота воздействия перенапряжений. Нерегулируемый защитный резистор включается в нейтраль компенсированной сети без какой-либо настройки компенсации, и поэтому возможна ситуация, когда в результате изменения емкости сети настройка может стать острой. Тогда постоянно включенный защитный резистор, выбранный по максимально возможной расстройке может увеличить скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе не в , а в 5 - 6 раз по сравнению с острой настройкой с соответствующим увеличением частоты воздействия перенапряжений. Поэтому на начальном участке процесса восстановления напряжения действие защитного резистора должно быть блокировано. При этом в принципе не важно, имеется ли тенденция к опасному превышению UПФ номинального значения при отключенном защитном резисторе, т.е. под действием расстройки компенсации, или настройка обеспечивает полное отсутствие превышения UПФ над номинальным значением. Включение резистора необходимо производить при уровне UПФ, близком к номинальному, в предположении, что интенсивность демпфирования после его включения может обеспечить безопасный уровень напряжения на поврежденной фазе к моменту повторного зажигания дуги.

Такой алгоритм может быть реализован, например, с помощью управления резистором по двум параметрам: отклонению напряжения на поврежденной фазе от номинального уровня и скорости его изменения - путем непрерывного (фазового) управления тиристорным коммутатором. Схема, реализующая описанный алгоритм, показана на рисунке 6.

Напряжение поврежденной фазы, выявленное с помощью одного из известных стандартных блоков, например, выпрямляется, фильтруется и подается в оба канала управления. В канале по отклонению напряжения поврежденной фазы от рабочего фазного напряжения происходит вычисление управляющего воздействия пропорционального типа UПФ = UПФ -UФ, которое вводится только при положительном его значении. Второй канал управления по производной работает после дифференцирования сигнала и подачи его на сумматор, формирующий общий сигнал управления с возможностью установки требуемых значений коэффициентов усиления по общим входам. Сигнал управления подается на управляющее устройство, запускаемое пороговым блоком только при превышении уровнем заданной уставки.

Рисунок 7

Подбор коэффициентов усиления по обоим каналам с целью оптимизации процесса является стандартной задачей любого непрерывного управления, поэтому в данной работе не выполняется.

Характер процесса управления защитным резистором получен расчетным путем и при вариации коэффициентов усиления по каналам управления показан на рисунке 8.

Рисунок 8

Показано, что при увеличении коэффициентов усиления по отклонению, управление резистором становится в принципе импульсным. Это может быть использовано для создания простой и эффективной системы управления нерегулируемым защитным резистором для сетей с изменением емкостного тока в широких пределах и в условиях изменения режима горения заземляющей дуги

Идея предлагаемого управления заключается в следующем. После очередного погасания перемежающейся дуги в случае возникновения глубокой расстройки и связанных с ней биений фазных напряжений предлагается не допускать очередного зажигания дуги на поврежденной фазе в момент, когда могут возникнуть опасные перенапряжения. Для этого достаточно предотвратить увеличение напряжения на поврежденной фазе в процессе биений выше уровня фазного напряжения нормального режима. Это условие достигается тем, что в процессе биений после каждого очередного погасания дуги напряжение поврежденной фазы сравнивается с уставкой, равной фазному напряжению сети, и в случае превышения уставки обеспечивается быстродействующее включение защитного резистора в контур нулевой последовательности. При этом напряжение на нейтрали становится равным нулю, а напряжения на фазах сети - нормальным фазным, и условий для возникновения максимальных перенапряжений не образуется.

После перехода тока в резисторе через нуль происходит его отключение, а при возникновении нового цикла биений процесс повторяется. При такой логике управления напряжение на поврежденной фазе практически не превосходит нормального фазного, что позволяет поврежденной изоляции восстановить диэлектрическую прочность, а следовательно улучшить условия дугогашения.

Коммутация защитного резистора может быть осуществлена, например, тиристорным коммутатором как непосредственно в нейтрали сети, так и через понижающий присоединительный трансформатор мощностью около10-15% мощности ДГР, т.к. ожидаемая скважность импульсов тока через резистор достаточно велика.

Схема устройства для реализации импульсного управления защитным резистором показана на рисунке 9.



Рисунок 9

Устройство содержит дугогасящую катушку, присоединительный однофазный трансформатор, защитный резистор, включенный параллельно катушке через быстродействующий коммутатор К, блок выбора поврежденной фазы БВПФ, пороговый блок ПБ и блок управления коммутатором БУК.

В нормальном режиме на выходах блоков выбора поврежденной фазы, порогового и управления коммутатором сигналы отсутствуют, коммутатор К разомкнут и резистор не влияет на параметры контура нулевой последовательности.

При устойчивом замыкании на землю напряжение на поврежденной фазе близко к нулю, пороговый блок не срабатывает, резистор находится в отключенном состоянии и на параметры контура нулевой последовательности также не влияет.

При замыкании на землю с дугогасящей катушкой, настроенной в резонанс, напряжение на поврежденной фазе в переходном процессе не превосходит фазного напряжения сети, и повторные зажигания дуги не связаны с большими перенапряжениями (UПЕР 2,5UФm).

При заметных расстройках компенсации возможно возникновение перенапряжений с кратностью 3 - 3,5UФm, что, безусловно, представляет опасность для ослабленной изоляции. Характерным в этом случае является увеличение напряжения на поврежденной фазе в процессе биений до значений, существенно превышающих нормальное фазное напряжение (до 1,8 - 2,0UФm). При этом напряжение нейтрали к моменту повторного зажигания дуги не успевает уменьшиться до уровня, безопасного по условиям возникновения максимальных перенапряжений на здоровых фазах. В процессе биений после каждого очередного погасания дуги напряжение поврежденной фазы, выявленное БВПФ, подается на пороговый блок, который срабатывает при превышении напряжением на поврежденной фазе UПФ нормального фазного напряжения цепи и запускает блок управления коммутатором, последний подает импульс на включение коммутатора. Причем управление организовано так, что резистор остается включенным в цепь нейтрали сети до тех пор, пока не произойдет полного затухания напряжения на нейтрали под действием повышенного демпфирования. Для этого управляющий импульс должен иметь соответствующую длительность После полного затухания тока в резисторе происходит его отключение и при возникновении нового цикла биений процесс повторяется. При такой логике управления напряжение на поврежденной фазе после гашения дуги практически не превосходит нормального фазного, что позволяет поврежденной изоляции восстановить диэлектрическую прочность, а следовательно, существенно улучшить условия дугогашения.

...