2784.Электроснабжение предприятий Верхнекамского калийного месторождени

Глава десятая. Компенсация ёмкостных токов замыкания на землю

10.1. Положительные свойства компенсированных сетей электроснабжения

Эксплуатационные качества электрических сетей, условия беспере­ бойного энергоснабжения потребителей и вопросы электробезопасности в значительной мере зависят от режима заземления нейтрали. Объясняется это тем, что 70-80 % всех аварийных повреждений в электрических сетях связаны, прежде всего, с однофазными замыканиями на землю [ 25 ].

Причинами возникновения замыканий на землю являются: электриче­ ское и механическое повреждение изоляции; дефекты в изоляторах и изо­ ляционных конструкциях, их загрязнение и увлажнение; обрывы проводов и тросов; разрывы токоведущих фаз; повреждения кабелей и соединитель­ ных муфт при смещениях почвы; воздействие внешних и внутренних пере­ напряжений и другие причины.

Пути повышения надёжности работы электрических сетей должны быть направлены, прежде всего, на устранение этих причин, а также на ло­ кализацию и предотвращение аварийных последствий, обусловленных од­ нофазными замыканиями на землю [25-29].

В зависимости от способа заземления нейтрали однофазные замыка­ ния приводят к тому, что [ 25 ]

1.В сетях с глухозаземлённой нейтралью ток однофазного замыкания на землю является током короткого замыкания.

2.В сетях, где нейтраль заземлена через небольшое реактивное или активное сопротивление, ток однофазного замыкания больше ёмкостного тока, но значительно меньше тока к.з.

3. В сетях с изолированной нейтралью величина тока од­ нофазного замыкания сравнительно мала и зависит от ёмкостной проводи­ мости сети относительно земли.

4. В сетях с компенсированной нейтралью, в которых нейтраль зазем­ лена через настроенный реактор, ток замыкания на землю зависит от ре­ зультирующей проводимости сети относительно земли.

В настоящее время распределительные сети 6-35 кВ в России и ряде Других стран работают преимущественно с компенсированной или изоли­ рованной нейтралью. Компенсированные сети имеют следующие важные положительные свойства по сравнению с сетями других видов [ 25-27 ]:

1.Малую величину тока замыкания на землю.

2.Снижение неблагоприятного воздействия тока замыкания на обо­

рудование при приемлемых уровнях перенапряжений.

3. Высокий процент самопогасания заземляющих дуг без отключения потребителей.

4.Облегчение условий работы разрядников.

5.Благоприятное выравнивание статических зарядов на фазах сети.

6.Увеличение постоянной времени восстановления напряжения по­ вреждённой фазы после погасания заземляющей дуги, что предотвращает

её повторное зажигание.

7. Предотвращение условий для горения перемежающихся дуг и свя­ занных с этим перенапряжений.

8.Ограничение перенапряжений, возникающих при дуговых замыка­ ниях до значений (2,5-2,6) и ф (при расстройке компенсации до 5 %), безо­ пасных для изоляции оборудования [ 26 ].

9.Предотвращение наброса реактивной мощности на источник пита­

ния при замыкании на землю.

10.Предотвращение развития в сети феррорезонансных процессов и самопроизвольных смещений нейтрали, возникающих при несимметрии ёмкостей фаз сети (например, при неполнофазных режимах, связанных с перегоранием предохранителей).

11.Облегчение требований к заземляющим устройствам.

12.Повышение электробезопасности за счёт снижения опасных по­

замыканием фазы на землю в тех условиях, где это возможно, что позволяет обеспечить планомерный поиск повреждённого участка для вывода в ре­ монт, минимальные перерывы в электроснабжении и сокращение ущерба..

До 1933 г. применение компенсации ёмкостных токов в отечествен­ ных сетях основывалось преимущественно на зарубежном опыте. При вы­ боре настроек дугогасящих аппаратов режимы с расстройкой в 20 % счита­ лись наилучшими. Резонансные настройки считались опасными. Предпоч­ тение отдавалось режиму настройки с недокомпенсацией. Места установки дугогасящих аппаратов нередко выбирались без учёта возможности воз­ никновения в сетях неполнофазных режимов. Иногда рекомендовалось ус­ танавливать эти аппараты на тупиковых подстанциях, чтобы отключение питающей линии происходило вместе с дугогасящим аппаратом.

Такой опыт эксплуатации компенсированных сетей характеризовался многочисленными повреждениями при замыканиях на землю даже при со­ вершенно нормальной изоляции. Причём частыми были случаи развития замыкания на землю в многоместные повреждения с тяжёлыми аварийными последствиями [ 27 ].

В последствии было доказано, что основной причиной опасных пере­ напряжений являлись феррорезонансные явления, возникающие при всяко­ го рода неполнофазных режимах, а также при дуговых замыканиях.

Гашение перемежающейся дуги в месте однофазного замыкания на землю, в свою очередь, устраняет причину развития перенапряжений. Резкое уменьшение тока в месте повреждения при замыкании жилы на оболочку кабеля существенно замедляет разрушающий процесс в изоляции и тем са­ мым снижает вероятность перехода однофазного замыкания в междуфазное короткое замыкание.

Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных высоковольтных се­ тей с компенсацией ёмкостных токов показывает [25,27,29], что при надёж­ ной компенсации не менее 85 % от общего количества однофазных замыка­ ний ликвидируются в сетях без какого-либо ущерба для надёжности элек­ троснабжения потребителей. Имеется много примеров [26,25], показываю­ щих, что при тщательной настройке компенсации эффективность её приме­

Об эффективности применения компенсирующих устройств на гор­ ных предприятиях свидетельствуют, например, следующие данные. В сетях 6 кВ Бакальского рудоуправления, имеющих ток однофазного замыкания на землю около 20 А, в течение ряда лет вёлся учёт автоматических отключе­ ний релейной защитой отходящих линий. Учитывались отключения от пе­ регрузки, механических повреждений, посадки напряжения, неправильного действия персонала по неизвестной причине и аварийные отключения от короткого замыкания.

Вначале сеть работала с изолированной нейтралью. Среднее число отключений за год составляло 240-270, бывали случаи пробоя изоляции вы­ соковольтных двигателей. После установки компенсирующего устройства число аварийных отключений уменьшилось до 150-160, т.е. почти на 40 %, а после введения автоматической настройки компенсации - дополнительно на 10-15 %. Пробоев изоляции двигателей, трансформаторов не наблюда­ лось [ 32 ].

Результаты обследования электрических сетей 6 кВ калийных пред­ приятий ПО «Уралкалий» в г. Березники и Соликамске [ 30 ] показали, что ток однофазного замыкания на землю в большинстве обособленных участ­ ков этих сетей превышает нормируемую величину 30 А, при которой со­ гласно [ 33 ] требуется применять компенсацию. Особо большая величи­ на тока замыкания на землю 60-80 А была зафиксирована в то время на сек­ циях шин подстанции «Дурыманы» предприятия БКРУ-2. На других пред­ приятиях величина тока меньше и составляет 18-40 А. Однако, это сущест­ венно превышает нормируемый для калийных рудников ток замыкания на землю 6 А по условию выполнения заземлений в рудниках.

Приведённые данные свидетельствуют о том, что применение ком­ пенсации, особенно с автоматической настройкой, является эффективным мероприятием по повышению надёжности электроснабжения горнодобы­ вающих предприятий.

Вместе с тем следует отметить, что при установке в сетях компенси­ рующих устройств из-за значительного уменьшения величины тока замы­ кания на землю применяемые защиты от замыканий на землю в ряде случа­ ев работали неудовлетворительно. Замыкание на землю в компенсирован­ ной сети, оснащённой защитой, предназначенной для сетей с изолирован­ ной нейтралью, приводило к большому числу неселективных отключений. Поэтому в сетях с компенсацией ёмкостных токов требуется применять специальную защиту с селективной сигнализацией или отключением по­ вреждённого присоединения.

10.2.Функциональная схема компенсирующего устройства и принципы автоматической настройки компенсации

Для того, чтобы при изменениях ёмкости сети непрерывно поддержи­ вать наиболее оптимальный режим точной компенсации необходимы, вопервых, плавнорегулируемые дугогасящие реакторы и, во-вторых, качест­ венные автоматические регуляторы. В этом случае функциональная схема компенсирующего устройства примет вид ( Рис. 10.1 ).

Дугогасящие реакторы с плавным регулированием величины индук­ тивности делятся на плунжерные и реакторы с подмагничиванием. Послед­ ние подразделяются на аппараты с продольным и поперечным подмагничи­ ванием.

Наиболее перспективными в прошлые годы для автоматических сис­ тем компенсации ёмкостных токов считались реакторы с подмагничивани­ ем [ 32 ]. Однако, они сложны по конструкции, обладают невысоким бы­ стродействием, требуют значительного расхода электроэнергии для подмагничивания. В настоящее время реакторы с подмагничиванием находят ограниченное применение и серийно не выпускаются.

Плунжерные реакторы более просты по конструкции, но имеют малое быстродействие. Эти реакторы не могут обеспечить эффективной автома­ тической подстройки компенсации в режиме замыкания фазы на землю. Однако, они могут успешно применяться для настройки компенсации в нормальном режиме работы сети.

В последнее время для систем автоматической компенсации ёмкост­ ных токов применяются схемы быстродействующего регулирования дуго­ гасящих реакторов с помощью тиристоров. В этих схемах используются простые нерегулируемые реакторы, а изменение величины индуктивности достигается или мелкоступенчатым переключением отпаек или фазо­ импульсным способом. Основное важное преимущество таких способов ре­ гулирования реакторов - это высокое быстродействие, позволяющее создать системы точной автоматической настройки компенсации, способные функ­ ционировать в различных режимах замыкания фазы на землю.

Качество работы систем точной компенсации ёмкостных токов во многом зависит от свойств и работоспособности автоматических регулято­ ров.

Взависимости от параметров, по которым осуществляется настройка

врезонансный режим и контроль этого состояния все системы автоматиче­ ской компенсации делятся на: системы, работающие на фазовом принципе; на экстремальном принципе; на частотном принципе; на принципе измере­ ния ёмкости сети; на принципе измерения реактивной проводимости конту­ ра нулевой последовательности.

Эти принципы настройки компенсации известны уже на протяжении многих лет. Так принцип измерения ёмкости сети был предложен ещё в со­ роковых годах [ 2 5 ] и назывался косвенным способом контроля за ком­ пенсацией. В этой же работе описаны схемы регуляторов, основанных на принципе измерения сдвига фаз между напряжением (или током) смещения нейтрали и некоторого опорного напряжения, а так же и экстремальный принцип.

Частотный принцип автоматической настройки компенсации известен

с начала прошлого века [ 25 ]. Однако системы компенсации, основан­ ные на данном принципе стали применяться лишь в последнее время. Такой большой разрыв по времени между теорией и её применением объясняется недостаточной практической базой, которая была до недавнего времени, и ориентацией на применение систем компенсации в начале их развития в ос­ новном для нормального режима работы сети.

Рассмотрим принципы настройки перечисленных выше автоматиче­ ских регуляторов более подробно.

Фазовый принцип настройки

Этот принцип настройки компенсации основан на обеспечении ра­ венства 90° угла между фазным напряжением сети и напряжением несимметрии в точке резонанса при нормальном режиме работы или на равенстве 0° угла между напряжением повреждённой фазы и напряжением смещения нейтрали в режиме замыкания.

В нормальном режиме работы кабельной сети существует практиче­ ски полная ёмкостная симметрия фаз. Напряжение смещения нейтрали обычно составляет всего несколько вольт. Поэтому с целью создания необ­ ходимой несимметрии сети используют методы искусственного смещения нейтрали [ 25 ].

Наиболее простым методом смещения нейтрали является подключе­ ние к одной из фаз сети дополнительной ёмкости. Второй метод основан на включении дополнительного источника напряжения на вторичную обмотку Дугогасящего реактора.

Анализ особенностей фазового принципа настройки компенсации по­ казывает, что системы, работающие на этом принципе, могут производить настройку в нормальном режиме, режиме однофазного замыкания через со­ противление R3 в месте замыкания или устойчивую дугу. Реализация этого принципа в системах настройки требует дополнительных присоединений: дополнительной ёмкости или дополнительного источника напряжения, что нежелательно при эксплуатации сетей.

Основное достоинство, которое имеет этот принцип - это высокое бы­ стродействие, относительная простота исполнения.

Экстремальный принцип настройки

Этот принцип настройки компенсации основан на использовании максимума зависимости напряжения смещения нейтрали в нормальном ре­ жиме или минимума напряжения на повреждённой фазе в режиме однофаз­ ного замыкания от индуктивности реактора, которые соответствуют на­ стройке в резонанс [ 25 ]. Кроме того, в режиме однофазного замыкания поиск резонанса можно вести по минимуму остаточного тока замыкания на землю.

" Известно, что экстремум напряжения смещения нейтрали не совпада­ ет с минимумом остаточного тока замыкания на землю. Такой сдвиг экс­ тремумов объясняется нелинейностью контура нулевой последовательности сети, которая существенно проявляется при малых смещениях нейтрали. Следовательно, экстремальные системы компенсации будут всегда в зави­ симости от параметров сети создавать положительную ошибку компенса­ ции. Случайные же возмущения при экстремальном принципе регулирова­ ния принципиально не могут вызвать ошибок компенсации, больших зоны нечувствительности регулятора, установленной в размере 2-3 % расстройки компенсации [ 30 ].

Таким образом, к преимуществам экстремальных систем компенсации следует отнести их высокую точность настройки, которая составляет 2-3 %. Однако у таких систем ограничено быстродействие из-за потерь времени на определение движения к экстремуму.

Следует отметить также, что экстремальные системы автоматической настройки компенсации по схемному и конструктивному решению являют­ ся довольно сложными.

Частотный принцип настройки

Этот принцип настройки компенсации основан на получении инфор­ мации о степени и знаке расстройки путём измерения частоты свободн ы х колебаний контура нулевой последовательности в бестоковые паузы пере­ межающейся дуги [ 26, 30 ].

Частотные системы применяются для работы только в режиме пере­ межающегося однофазного замыкания на землю. Во время бестоковых пауз происходит одновременное восстановление напряжения на повреждённой фазе и затухание колебаний напряжения смещения нейтрали.

Принцип настройки по величине ёмкости сети и реактивной состав­ ляющей тока контура нулевой последовательности сети.

Принцип настройки по величине ёмкости сети основан на подключе­ нии к нейтрали вспомогательного источника с напряжением непромышлен­ ной частоты СО в и .

Напряжение промышленной частоты U„.„. выделяется на ёмкости сети при протекании через эту ёмкость тока JB.„. [ 30 ].

Ёмкостная проводимость Вс и ёмкость сети С определяются по фор­ мулам

и

с~ Jbm- .

&В.И ' U B.H

Используя найденное значение ёмкости сети можно обеспечить на­ стройку индуктивности компенсирующего реактора в резонанс в режиме однофазного замыкания на землю.

Индуктивность компенсирующего устройства находится по формуле 1

~ rJ- г '

со • С

Определив значение требуемой индуктивности, можно настроить ре­ актор в резонансный режим.

Настройка по реактивной составляющей тока (реактивной проводи­ мости) контура нулевой последовательности сети основана на подключении постороннего источника напряжения промышленной частоты в нейтраль сети (либо параллельно контуру «ёмкость сети-катушка», либо последова­ тельно, когда вспомогательный источник включается в рассечку между ка­ тушкой и землёй) и измерении реактивной проводимости сети. При резо­ нансной настройке результирующая проводимость будет чисто активной, и на выходе реагирующего устройства будет нулевой сигнал.

Оба принципа предусматривают работу автоматических систем в нормальном режиме. В режиме однофазного замыкания устройства блоки­ руются и отключаются.

Каждый из рассмотренных выше принципов настройки автоматиче­ ских устройств имеет свои преимущества и недостатки, а следовательно, определённую область применения [ 30 ]. Так, регуляторы, работающие иа фазовом принципе и принципе измерения реактивной проводимости контура нулевой последовательности могут успешно работать в чисто ка­

бельных сетях, в которых напряжение естественной несимметрии значи­ тельно меньше напряжения несимметрии, обусловленного подключением к одной из фаз сети дополнительной ёмкости.

В воздушных и смешанных воздушно-кабельных сетях, в которых указанное условие не выполняется или выполняется не во всех режимах, эти регуляторы могут давать значительную расстройку компенсации и по­ этому неприменимы.

Автоматические устройства, работающие по экстремальным характе­ ристикам, применимы во всех видах электрических сетей. Однако извест­ ные в настоящее время устройства в общем случае не учитывают нелиней­ ность вольтамперных характеристик дугогасящих катушек. К тому же эти конструкции сложны и проигрывают фазовым устройствам в быстродейст­ вии.

Системы компенсации, основанные на измерении ёмкости сети, срав­ нительно просты в реализации, быстродействующие, так как в них практи­ чески отсутствуют инерционные элементы. Недостатки этих систем заклю­ чаются в низкой точности настройки, связанной с возможностью неточного измерения ёмкостей сети, влияния на эти ёмкости погодных или других факторов.

Применение систем автоматической настройки компенсации по реак­ тивной проводимости возможно в кабельных сетях 6-10 кВ с относительно небольшими ёмкостными токами (до 100-150 А), где ошибки компенсации порядка 5-10 % не вызывают больших остаточных токов замыкания на зем­ лю. К недостаткам систем компенсации с измерением проводимости конту­ ра нулевой последовательности можно отнести: необходимость применения внешних источников напряжения; сильную зависимость чувствительности системы от величины ёмкости сети, что приводит к автоколебаниям при малых ёмкостях сети; низкую помехоустойчивость, особенно в сетях с большими ёмкостными токами; неработоспособность данных систем в ре­ жиме замыкания фазы сети на землю.

Частотные системы компенсации применяются для работы в режиме замыкания через перемежающуюся дугу. Это основное преимущество дан­ ных систем перед системами других классов. Однако схемы частотных сис­ тем обычно громоздки и сложны, в условиях эксплуатации требуют частой настройки.

В заключение отметим следующее. Эффективность компенсации ём­ костных токов тем выше, чем ближе к резонансу настройка дугогасящих аппаратов до замыкания на землю. Первоначальная резонансная настройка обеспечивает готовность дугогасящих аппаратов успешно гасить зазем­ ляющую дугу и ограничивать перенапряжения при повторных зажиганиях.

В условиях эксплуатации сетей расстройки компенсации могут воз­ никнуть из-за преднамеренных отключений и включений присоединений

без замыкания и с замыканием на землю, а также вследствие отключений линий защитой при перегрузках и междуфазных к.з.

Изменение настроек при преднамеренных отключениях и подключе­ ниях линий без замыкания на землю в сети могут быть заранее известны, если известен ёмкостный ток отдельных присоединений. Для таких опера­ тивных действий быстрота перенастройки компенсации обычно не требует­ ся. Эффективность компенсации может оставаться на достаточно высоком уровне, если расстройка не будет выходить за допустимые пределы. На­ пример, в сети 6 кВ с ёмкостным током 100 А и при перекомпенсации в 3 % допустима работа без перенастройки дугогасящих аппаратов, если в резуль­ тате отключений и уменьшения тока изменение настройки будет не более, чем на 2 %. Такое изменение настройки может возникнуть при отключении, например, кабеля СБ-Зх95 длиной около 2 км с собственным током 2 А.

Однако, если отключения или подключения линий производятся в режиме замыкания на землю (поисковые оперативные действия), а также после автоматического отключения участков сети расстройка компенсации может превышать допустимые пределы.

Обрыв тока короткого замыкания на землю сопровождается перена­ пряжениями в сети [ 30 ]. Величина этих перенапряжений практически оди­ накова в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. Однако, вероятность возникновения их в некомпенсированных сетях и в сетях с расстроенной компенсацией значительно больше, чем при резо­ нансной или близкой к резонансной настройке компенсации. При недопус­ тимой расстройке компенсации из-за перенапряжений отключаемое замы­ кание на землю может перерасти в многоместное повреждение, двух- и трехфазные короткие замыкания. От этого эффективность применения ком­ пенсации снижается.

Предотвратить переход однофазных замыканий на землю в междуфазные замыкания возможно путём поддержания настройки компенсации близкой к резонансной. Обеспечить это можно лишь применением быстро­ действующей автоматической подстройки компенсации, способной функ­ ционировать при наличии в сети замыкания на землю.

Сегодня отечественной промышленностью серийно выпускаются ре­ акторы типа РЗДПОМ с электромеханической системой регулирования. Кроме этого, фирмой «ОРГРЭС» для этих реакторов выпускаются автома­ тические регуляторы «Мир-ЗА» с фазовым принципом регулирования.

10.3.Тиристорная система компенсации ёмкостных токов с автоматическим регулятором настройки