Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор

 

С точки зрения последовательности возникновения этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах двадцатого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя " Petersen coil " - катушка Петерсена).

Этот вид заземления нейтрали достаточно часто применяется в России. Как правило, он находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов.

На электрических станциях дугогасящие реакторы подключаются к нейтралям генераторов или трансформаторов собственных нужд. На понижающих подстанциях – к нейтралям обмоток среднего напряжения или получают нейтральную точку сети, используя специальный трансформатор рис.2.40.

Схема соединения вторичной обмотки такого трансформатора в треугольник упрощает настройку реактора, поскольку в этом случае сопротивление нулевой последовательности трансформатора близко к нулю.

Мощность самого трансформатора должна быть больше мощности реактора при отсутствии нагрузки на низкой стороне трансформатора. Если вторичная обмотка используется для питания нагрузки, мощность трансформатора должна превышать мощность реактора не менее чем в два раза.

Рис. 2.40. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью,                    заземленной через дугогасящий реактор

 

Если в силу каких-то причин вынужденно используется трансформатор со схемами соединения обмоток Y/Y, мощность трансформатора должна превышать мощность реактора в 4 – 5 раз, при этом настройка реактора существенно усложняется.

В условиях, когда ток замыкания на землю превышает допустимую величину для элементов данной электрической сети, возможно нейтрали обмоток машин заземлить через настроенные индуктивности (дугогасящие катушки). При полной компенсации емкостной составляющей, в токе в месте замыкания на землю остаются активная составляющая, ток несимметрии и высшие гармонические составляющие, что обычно в сумме меньше I _ДОП. Таким образом, дугогасящие катушки, существенно уменьшая ток в месте замыкания на землю, исключают возникновение устойчивой или перемежающейся дуги, а в случае дугового характера нарушения изоляции - замедляют разрушение изоляции от теплового воздействия тока  и уменьшают вероятность перехода замыкания фазы на землю в междуфазное к.з.

Если нейтраль заземлена через большое индуктивное сопротивление, величина которого примерно равна результирующему емкостному сопротивлению системы, ее принято называть резонансно - заземленной или, чаще, сетью с компенсированной нейтралью.

Схема замещения простейшей сети с компенсированной нейтралью показана на рис.2.41.

Нейтраль заземлена через дугогасящую катушку с индуктивностью L _Н и активным сопротивлением R _Н.

В случае замыкания фазы на землю через переходное сопротивление R _П в месте повреждения появляется дополнительный, по сравнению с незаземленной сетью, ток, обусловленный дугогасящим реактором:

Рис. 2.41. Схема замещения для анализа ОЗЗ в сети с компенсированной нейтралью

 

Максимальный индуктивный ток дугогасящего реактора имеет место при металлическом замыкании на землю:

Установленная мощность дугогасящих реакторов (Q) выбирается по значению полного емкостного тока замыкания на землю сети () и определяется по формуле

где коэффициент 1,25 учитывает развитие сети в ближайшие 5 лет и возможность работы реактора с перекомпенсацией.

Для уменьшения вероятности отделения дугогасящего реактора от компенсируемой сети он должен устанавливаться в нейтрали трансформаторов подстанций, которые связаны с сетью не менее чем двумя линиями электропередачи. Отделение дугогасящих реакторов от сети, при наличии в ней замыкания на землю, вызывает увеличение тока в месте замыкания и может привести к переходу однофазного замыкания на землю в междуфазное КЗ.

Установка разъединителя в цепи нейтраль трансформатора – дугогасящий реактор обусловливается необходимостью отключения и включения реактора для изменения настройки, производства ремонта, а также обеспечения возможности отключения ненагруженного трансформатора, к нейтрали которого подключен реактор, тогда как отключение ненагруженного трансформатора разъединителем без предварительного отключения дугогасящего реактора может привести к возникновению опасных перенапряжений в сети.

Дугогасящие реакторы не должны устанавливаться на тупиковых подстанциях, так как неполнофазные режимы питания трансформатора с дугогасящим реактором, возникающие при обрыве одного или двух проводов питающей линии, приводят к неполнофазной компенсации емкостных токов сети и, следовательно, к появлению большого напряжения смещения нейтрали и длительным перенапряжениям феррорезонансного характера. По этой же причине запрещается подключение дугогасящих реакторов к трансформаторам, защищенным плавкими предохранителями.

Индуктивная составляющая тока в месте замыкания на землю зависит от настройки дугогасящего реактора. Возможны три режима настройки:

· резонансная (I_{L MAX} = I_{C MAX});

· недокомпенсации (I_{L MAX} < I_{C MAX});

· перекомпенсации (I_{L MAX} > I_{C MAX}).

Наиболее эффективна резонансная настройка, при которой получается минимальный ток в месте замыкания на землю. Однако резонансная настройка не всегда возможна из-за того, что:

· катушки типа ЗРОМ имеют ступенчатое регулирование настройки;

· параметры сети в процессе эксплуатации могут изменяться вследствие режимных и аварийных отключений.

Следует отметить, что имеются сообщения об опытной эксплуатации дугогасящих катушек с подмагничиванием, которые в сочетании с автоматическими регуляторами позволяют поддерживать резонансную настройку сети в любом установившемся режиме.

В сетях с компенсированной нейтралью очень большую опасность представляет емкостная несимметрия, которая может иметь место при большом числе нетранспонированных ВЛ или при обрыве провода одной из фаз без возникновения замыкания на землю. В таких сетях при резонансной настройке и большой несимметрии емкости фаз возможно возникновение опасных перенапряжений. В силу этого ПЭЭП определяют допустимые режимы настройки дугогасящих реакторов таким образом, чтобы при аварийном возникновении емкостной несимметрии было исключено вхождение сети в резонанс. Возникновение перенапряжений невозможно, если реактор был настроен для работы в нормальном симметричном режиме:

· в резонанс - при обрыве фазы уменьшается емкостная составляющая тока повреждения и сеть выходит из резонанса;

· перекомпенсации - при обрыве степень перекомпенсации увеличится, резонанс тем более невозможен.

В случае настройки реакторов с недокомпенсацией уменьшение емкости сети при обрыве фазы ВЛ или КЛ может привести к переходу сети в режим резонанса при большом напряжении смещения нейтрали и возникновению недопустимых перенапряжений. Такой режим сети допустим, если при возникновении аварийной ситуации (обрыве провода) напряжение смещения нейтрали не превосходит 70% фазного напряжения.

Защита от замыканий на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралями действует на сигнал. Это позволяет снизить требования к резервированию питания потребителей.

Сеть генераторного напряжения может работать в режиме однофазного замыкания до отыскания поврежденного участка, но не более:

· двух часов, для сетей генераторного напряжения при токе к.з. менее 5А;

· шести часов, если достоверно установлено, что место повреждения не находится на статоре вращающейся машины.

В электрических сетях с повышенными требованиями по условиям электробезопасности людей (предприятия горнорудной промышленности, торфоразработки, передвижные электроустановки с вращающимися машинами выше 1 кВ и т.д.) работа с однофазным замыканием на землю запрещена.

Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются:

1. Отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;

2. Малый ток в месте повреждения (при точной компенсации - настройке дугогасящего реактора в резонанс);

3. Возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации - настройке дугогасящего реактора в резонанс);

4. Исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

1. Возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;

2. Возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;

3. Возможность перехода однофазного замыкания в многофазное при значительной расстройке компенсации;

4. Возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов;

5. Возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях;

6. Сложность обнаружения места повреждения;

7. Опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;

8. Сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.

При дуговом характере однофазного замыкания воздействие перенапряжений на изоляцию сети ниже, чем при изолированной нейтрали, но и здесь существует возможность возникновения многоместных повреждений. В последние десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а мощность компенсирующих устройств на подстанциях осталась той же, соответственно значительная доля сетей среднего напряжения сейчас работает с существенной недокомпен-сацией. Это ведет к исчезновению всех положительных свойств сетей с компенсированной нейтралью. Отметим дополнительно, что дугогасящий реактор компенсирует только емкостную составляющую тока однофазного замыкания промышленной частоты. При наличии в сети источников высших гармоник последние могут содержаться в токе замыкания и в некоторых случаях даже усиливаться.