Импульсное резистивное заземление нейтрали для распределительных сетей 6-10кВ
и его низковольтная физическая модель
Факультет: энергетики
Группа: ЭнМ1-44
Научный руководитель: д. т.н., профессор,
Передача электроэнергии является одной из важнейших задач XXI века. Устройство электросетей напрямую связано с этой проблемой. Способ заземления нейтрали в распределительных сетях является важным вопросом при их проектировании и эксплуатации. Он определяет кратность и длительность дуговых перенапряжений, а также уровень электробезопасности сети. В главе 1.7 ПУЭ 7-го издания (электроустановки выше 1 кВ) резистивный способ заземления нейтрали, предложенный Петерсеном еще в начале 19-го века, может официально применяться и в России. К недостаткам высокоомного резистивного заземления следует отнести: увеличение установившегося тока замыкания на землю, что снижает электробезопасность сети и увеличивает разрушающее воздействие дуги на изоляцию и токоведущие элементы; появление на подстанции дополнительного греющегося оборудования (резистор, мощностью десятки-сотни кВт); дополнительные потери; ухудшение самогашения заземляющей дуги.
Перечисленные недостатки устраняются посредством предложенного и запатентованного способа импульсного резистивного заземления нейтрали [1-2]. Принцип работы устройства заключается в подключении резистора (RN) посредством некоторого управляемого ключа только при дуговых неустойчивых (перемежающихся) замыканиях на землю, а при устойчивых замыканиях он автоматически отключается от контура заземления. Таким образом, в случае однофазного замыкания на землю, сеть продолжает работать некоторое время [РД 34.20.50195]. Такой режим работы допускается при снабжении потребителей, для которых прерывание электроснабжения приводит к большим производственным потерям. Например, на нефте-газодобывающих предприятиях даже кратковременный перерыв электроснабжения приводит к значительным экономическим ущербам.
Работу импульсного резистивного заземления можно представить следующим образом: сеть в нормальном режиме работает с изолированной нейтралью; в случае ОДЗ она автоматически переходит в режим резистивного заземления. В режиме устойчивого замыкания на землю нейтральный резистор отключатся, т. е. сеть работает с изолированной нейтралью.
Остановимся подробнее на механизме работы устройства. Система запуска заземляющего ключа реагирует на производную напряжения в нейтрали сети. При устойчивом однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) максимум производной синусоидального напряжения на нейтрали сети равен произведению угловой частоты (?) на максимальное фазное напряжение Uф. m: в относительных единицах (Uф. m=1 о. е.) du/dtm=? рис.1. Скорость изменения напряжения на нейтрали сети после гашения неустойчивой дуги в момент прохождения высокочастотной переходной токовой компоненты через нулевое значение зависит от параметров сети и удалённости места замыкания от центра питания.
Для оценки диапазона изменения максимальной производной напряжения в нейтрали типичной распределительной сети при ОЗЗ разработана ее компьютерная модель с триадной древовидной структурой.
Производная напряжения в режиме неустойчивого замыкания много больше, чем при устойчивом (du/dtНУОЗЗ>>du/dtУОЗЗ). Данное свойство является критерием селективной работы устройства.
Расчетные максимальные значения производных duN/dt в различных узлах сети приведены на рис.2. При удалении места ОЗЗ от центра питания, чему соответствуют большие значения номеров узлов, отложенные на оси абсцисс, производная duN/dt снижается, но, тем не менее, она в несколько раз превышает значение производной при устойчивом ОЗЗ. Согласно рис.2 при неустойчивом ОЗЗ производная в сети, взятой в качестве примера, в 5 и более раз выше, чем при устойчивом. Это позволяет надежно классифицировать устойчивые и неустойчивые замыкания в протяженных линиях (рис.3).
Заземляющее устройство (рис. 4.) выполнено на основе симисторного ключа (4), соединяющего резистор
(2) с землёй (контуром заземления). Включение симисторного ключа выполняется посредством дифференцирующего запускающего блока (3) - рис.4, реагирующего на быстрое изменение (производную) напряжения в нейтрали сети. Прототип высоковольтного устройства заземления, находится в стадии сборки.
Следует отметить, что в качестве ключа, заземляющего нейтральный резистор, принципиально может применяться управляемый вакуумный разрядник [3].
Помимо конструируемого высоковольтного устройства заземления, на кафедре ТВН НГТУ разработана и создана низковольтная трехфазная физическая модель сети с указанным способом заземления нейтрали. Основным элементом, моделирующим заземляющую дугу, выступает симистор, управляемый динистором с заданным напряжением пробоя. Такой подход к модели дуги позволяет при оптимальном подборе полупроводниковых ключей воплотить две основных модели поведения заземляющей дуги - по Петерсену, и Петерсу и Слепяну.
Основная модель сети дополнена импульсно-резистивным заземлителем – нейтральным резистором с автоматическим ключом, запускаемым с помощью дифференциально-запускающей цепи. Посредством изменения топологии схемы (модели сети) с помощью набора выключателей могут быть также реализованы все основные способы заземления нейтрали: с изолированной нейтралью, с дугогасящим реактором, с постоянным подключением высокоомного резистора в нейтраль сети. Разработанная физическая модель позволяет исследовать переходные процессы в распределительных сетях как в исследовательских, так и учебных целях.
Заключение
Применение импульсно-резистивного заземления нейтрали позволяет исключить недостатки высокоомного заземления, обусловленные повышенным установившимся током замыкания. На основе выполненных исследований разработан и создается экспериментальный образец устройства заземления для сети 10 кВ. Построенная низковольтная лабораторная установка позволяет моделировать дуговые процессы в сетях среднего напряжения, используя несколько моделей перемежающейся дуги, а также используется для тестирования устройства импульсного заземления.ЛИТЕРАТУРА
Патент на полезную модель: РФ № 000 (от 01.01.2001), H02H9/00. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети/ , // БИ №18, 2011. Патент на изобретение: РФ № 000 (от 01.01.2001), H02H09/00. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети/ // БИ №18, 2012. , , Применение управляемых вакуумных разрядников в высоковольтном быстродействующем защитном устройстве// Приборы и техника эксперимента. — 2004. — №3. — С. 94 — 101.