Импульсное резистивное заземление нейтрали для

Импульсное резистивное заземление нейтрали для распределительных сетей 6-10кВ
и его низковольтная физическая модель
Р.А. Финашин
Факультет: энергетики
Группа: ЭнМ1-44
Научный руководитель: д.т.н., профессор, Качесов В.Е.
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 (ω) на максимальное фазное напряжение Uф.m: в относительных
единицах (Uф.m=1 о.е.) du/dtm=ω 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.
Рис. 1. Процесс дугового замыкания с повторными пробоями (неустойчивое
ОЗЗ), значение производной напряжения в нейтрали duN/dt, напряжение на
нейтрали и ток в резисторе, а также параметры при устойчивом ОЗЗ.
Рис. 2. Зависимость производной напряжения в
нейтрали сети duN/dt от удалённости места
повреждения (а, б, в, г – мощности питающих
трансформаторов, соответственно, равны 63, 50,
40 и 25 МВА)
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
Рис. 3. Зависимость производной напряжения в устройства заземления, находится в
нейтрали сети duN/dt от индуктивности линии (что стадии сборки.
Следует отметить, что в качестве
соответствует удалённости места повреждения)
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.
Рис.4. Импульсно-резистивное заземляющее
Разработанная физическая модель
устройство (1- вывод для подключения к
позволяет исследовать переходные
нейтрали сети, 2-RN, 3-дифференцирующая цепь, процессы в распределительных сетях
4- симисторный блок, 5 – вторичная обмотка
как в исследовательских, так и
учебных целях.
запускающего импульсного трансформатора)
Заключение
1. Применение импульсно-резистивного заземления нейтрали позволяет исключить
недостатки высокоомного заземления, обусловленные повышенным установившимся током
замыкания.
2. На основе выполненных исследований разработан и создается экспериментальный
образец устройства заземления для сети 10 кВ.
3.
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.
1.
2.
3.
ЛИТЕРАТУРА
Патент на полезную модель: РФ № 117738 (от 23.12.2011), H02H9/00. Устройство
заземления нейтрали трехфазной электрической сети/ В.Е. Качесов, А.Е. Петухов// БИ
№18, 2011.
Патент на изобретение: РФ № 2454769 (от 19.05.2011), H02H09/00. Устройство
заземления нейтрали трехфазной электрической сети/ В.Е. Качесов// БИ №18, 2012.
Алферов Д.Ф., Матвеев Н.В., Сидоров В.А., Хабаров Д.А., Применение управляемых
вакуумных разрядников в высоковольтном быстродействующем защитном устройстве//
Приборы и техника эксперимента. — 2004. — №3. — С. 94 — 101.