Дугогасящие катушки (дугогасящие реакторы) используются в электрических сетях с изолированной нейтралью для подавления дуговых разрядов при замыканиях на землю. Их основная функция — компенсировать емкостные токи, возникающие при таких замыканиях, и тем самым предотвращать повреждения оборудования и улучшать надежность сети.
Режим работы нейтралей электрических сетей
Согласно ПУЭ, нейтрали сетевых трансформаторов либо не присоединяются к заземляющему контуру, либо присоединяются через индуктивное сопротивление или непосредственно. В первом случае сеть имеет изолированную нейтраль, во втором — компенсированную, а в третьем — глухозаземленную.
С изолированной нейтралью работают сети напряжением 3 — 35 кВ, если емкостный ток однофазного замыкания на землю не превышает 30 А при напряжении 3 — 6 кВ, 20 А при 10 кВ, 15 А при 15 — 20 кВ и 10 А при 35 кВ. При превышении емкостным током указанных значений сети напряжением 3 — 35 кВ выполняют с компенсированной нейтралью.
В сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме емкостные токи каждой из фаз при их векторном изображении, опережая примерно на 90° векторы соответствующих фазных напряжений представляют собой симметричную систему и уравновешиваются.
В случае замыкания одной из фаз на землю, например фазы В, напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю, напряжение нейтрали — равным напряжению поврежденной фазы до ее замыкания, а напряжения двух неповрежденных фаз становятся равными линейным.
В 1,73 раза большими становятся и емкостные токи неповрежденных фаз, которые, теперь уже не являясь уравновешенной системой, поскольку емкостный ток поврежденной фазы равен нулю, создают результирующий ток в точке замыкания на землю, равный утроенному нормальному емкостному току фазы.
Перемежающаяся дуга, возникающая в месте замыкания фазы, вызывает перенапряжения в сети, амплитуда которых на неповрежденных фазах может достигать значений, теоретически в 3,7 раза больших амплитуды номинального фазного напряжения.
Перенапряжения такой амплитуды часто вызывают разрушения изоляции на ослабленных ее участках и в других фазах сети, способствуя переходу однофазных замыканий на землю в междуфазные замыкания через землю, а в кабельных сетях — и в междуфазные КЗ. Поэтому необходимо ограничивать ток до таких значений, при которых обеспечивается погасание дуги.
Наиболее глубокое ограничение тока достигается включением между нейтралью и землей катушки (реактора), называемой дугогасящей (ДГК), с индуктивностью L, настроенной в резонанс с емкостью сети.
Поскольку при этом используется принцип компенсации емкостного тока однофазного замыкания сдвинутым на 180° индуктивным током, дугогасящей катушки, сети, содержащие ДГК, называют сетями с компенсированной нейтралью.
Дугогасящая катушка (реактор) подключается между нейтралью трансформатора и землей. При возникновении замыкания на землю катушка создает индуктивный ток, который компенсирует емкостный ток замыкания. Это позволяет снизить напряжение на месте замыкания и предотвратить возникновение дуги.
Как показывают многочисленные эксперименты и опыт эксплуатации сетей с компенсированной нейтралью, остаточный ток однофазного замыкания даже в сетях большой протяженности, но при отсутствии значительных вентильных нагрузок, недостаточен для поддержания горения дуги и, следовательно, стремиться к полной его компенсации нецелесообразно.
Если же вентильные нагрузки значительны, следует выявить доминирующие гармоники и включить дополнительно в нейтраль сети емкостно-реакторные ветви для их подавления. При этом если подавление одной из них приводит к погасанию дуги при резонансной настройке контура нулевой последовательности по основной гармонике 50 Гц, то подавлением остальных заниматься нецелесообразно.
При эксплуатации электрических сетей с дугогасящими катушками компенсация емкостных токов осложняется оперативными переключениями и аварийными отключениями, в результате которых емкость сети изменяется.
Из этого следует, что эффективной компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю можно достичь в сети с дугогасящей катушкой, индуктивность которой изменяется с помощью автоматического устройства в соответствии с изменениями емкости сети.
Как устроены дугогасящие катушки в электрических сетях
Дугогосящие катушки (дугогасящие реакторы) представляют собой однофазные устройства и используются для заземления нейтрали трансформатора.
Благодаря непрерывному изменению величины индуктивности, получаемой с помощью подвижного сердечника, и регулированию через блок управления, удается достичь резонанса с емкостью сети.
По способу изменения индуктивности все ДГК можно разбить на три класса:
- катушки с дискретным изменением индуктивности путем включения различного числа витков — назовем их дискретными ДГК (ДДГК);
- катушки с плавным изменением индуктивности путем перемещения плунжера внутри сердечника — назовем их плунжерными ДГК (ПДГК);
- катушки с .плавным изменением индуктивности путем подмагничивания сердечника постоянным током — назовем их ДГК с подмагничиванием (ДГКП).
Основным недостатком ДГКП является то, что для их подмагничивания необходимо расходовать электрическую энергию, более 75 % которой тратится впустую, поскольку даже в кабельных городских сетях в сутки происходит в среднем три однофазных замыкания на землю, а ПУЭ допускают работу в этом режиме на протяжении не более 2 ч.
Для уменьшения расхода электрической энергии предлагают включать цепь подмагничивания ДГКП только в момент возникновения однофазного замыкания в сети.
Действительно, в этом случае расход электроэнергии на подмагничивание существенно уменьшится, однако в такой же степени уменьшится и эффективность системы компенсации, поскольку резонансная настройка ДГКП будет достигаться после окончания переходного процесса включения в контуре подмагничивания, в то время как эффективное ограничение перенапряжений имеет место только при наличии настройки, близкой к резонансной, в момент замыкания.
Из экспериментального подтверждения первого из этих утверждений следует, что индуктивный ток катушки входит в зону допустимых пятипроцентных расстроек компенсации в восьмом полупериоде даже в случае возникновения однофазного замыкания в наиболее благоприятный момент, соответствующий прохождению через нуль мгновенного значения напряжения поврежденной фазы.
Таким образом, основным режимом ДГКП все-таки следует считать режим постоянного подмагничивания. Поскольку ДГКП — это по сути магнитный усилитель больших размеров и большей мощности, нежели те, что используются в системах автоматики, то ей, как и магнитному усилителю, присуще такое достоинство, как высокая надежность.
ПДГК с электрическим приводом достаточно широко распространены в сетях с компенсированной нейтралью.
При перемещении плунжера внутри катушки изменяется магнитная проницаемость ее сердечника и, следовательно, индуктивность обмотки. Это позволяет осуществлять непрерывную подстройку параметров ПДГК при изменении емкости сети. Привод плунжера работает только во время резонансной настройки ПДГК, что обусловливает незначительный расход электрической энергии на собственные нужды катушки.
К недостаткам ПДГК следует отнести низкое быстродействие, определяемое временем перемещения плунжера, которое может исчисляться в зависимости от характера переключений в сети несколькими десятками секунд, а также возможность заклинивания плунжера вследствие загрязнений и вибрационного ухудшения прочностных параметров конструкции. Отметим также относительную сложность технологии изготовления этих катушек.
ДДГК первыми использовали в сетях для дугогашения при однофазных замыканиях на землю; они составляют подавляющее большинство в настоящее время и, по-видимому, за ними будущее.
Конечно, находящиеся в эксплуатации ДДГК с механическими переключателями на пять положений не могут удовлетворить ни требованиям высокой надежности, ни высокой эффективности и на первый взгляд вообще не поддаются автоматизации.
Однако достаточно по-иному переключить их обмотки, а механические ключи заменить тиристорными, и на первый план выступают такие преимущества ДДГК, как высокое быстродействие, простота конструкции, наименьший расход электроэнергии на собственные нужды, отсутствие генерации высших гармоник.
Очень важно, что модернизацию ДДГК на основе тиристорных ключей можно осуществить на местах их установки во время профилактических отключений, поэтому стоимость всего комплекса мероприятий по повышению эффективности систем компенсации емкостных токов в этом случае будет наименьшей.
В серийно выпускаемых регуляторах резонансной настройки дугогасящих катушек используется принцип регулирования по отклонению в сочетании с фазовым способом извлечения информации о расстройках компенсации.
Смотрите также: Как устроены токоограничивающие и дугогосящие реакторы в электроэнергетике
Автоматическая резонансная настройка дугогосящих катушек
Автоматическая резонансная настройка дугогасящих катушек в электрических сетях с изолированной нейтралью является важной задачей для обеспечения надежности и безопасности работы сетей.
Основная цель такой настройки — поддержание резонансного состояния, что позволяет эффективно компенсировать емкостные токи замыкания на землю.
На узловых подстанциях электрической сети реализуется закон встречного регулирования напряжения. Сущность этого закона заключается в том, что при минимальных нагрузках на шинах узловой подстанции поддерживается номинальное напряжение Uном, а с ростом нагрузки с целью компенсации возрастающих потерь напряжений в элементах сети это напряжение повышают вплоть до 1,05 Uном.
Выходным сигналом сети как объекта регулирования в регуляторе резонансной настройки ПДГК в сетях напряжением 6—35 кВ является фаза напряжения смещения нейтрали, задающим воздействием — фаза опорного напряжения, в качестве которого используется одно из линейных напряжений.
Действующее значение напряжения смещения нейтрали, снимаемое со вторичной обмотки измерительного трансформатора, подключенного параллельно рабочей обмотке ПДГК, поддерживается на уровне 5 — 10 В, а опорного напряжения — на стандартном уровне 100 В. Чувствительность регулятора по расстройке компенсации не ниже 1,5 %, точность настройки — 1 %.
На входе регулятора установлена блокировка, которая отключает его на весь период существования однофазного замыкания. Величина сигнала блокировки выбирается из диапазона 10 — 15 В.
Смотрите дальше: Обслуживание токоограничивающих и дугогасящих реакторов