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.