Об использовании выносного заземлителя для плавки гололеда на ВЛ постоянным током
Левченко И. И., Засыпкин А. С., Логанчук Л. М.
Земля в качестве обратного провода используется в схемах: “змейка”, “фаза - земля”, “три фазы - фаза - земля” и в других их возможных модификациях. В частности, для успешной плавки гололеда при сильном ветре и снизившейся температуре бывает необходимо в схеме “фаза - две фазы” шунтировать две фазы дополнительной цепью через землю. Применение этих схем расширяет диапазон длин ВЛ, на которых ведется плавка, и условий плавки при использовании источников постоянного тока с принятым уровнем выходного напряжения, но требует учета действия постоянного тока, протекающего через землю, на оборудование подстанций.
Рис. 1. Расчетные схемы и схемы замещения для двух случаев подключения полюса УПГ:
а, б - к контуру заземления подстанции; в, г - к выносному заземлителю
Если в качестве рабочего заземлителя установки плавки гололеда (УПГ) используется контур заземления подстанции, то при токе плавки до 1200 А присоединение полюса УПГ должно быть выполнено тремя лучами длиной не менее 50 м, расходящимися в разные стороны, с достаточной термической стойкостью и соединением с элементами контура во всех точках пересечения. При токе плавки свыше 1200 А возможность использования контура заземления подстанции в качестве рабочего заземлителя УПГ требует экспериментальной проверки или обоснования в каждом конкретном случае [1].
При протекании постоянного тока плавки через контур заземления подстанции появляющееся на нем постоянное напряжение приводит к протеканию части постоянного тока через глухозаземленные нейтрали и обмотки трансформаторов, установленных на этой и других подстанциях, связанных гальванически сетью. Это приводит к увеличению токов холостого хода и потерь в стали трансформаторов.
Расчет постоянного тока в нейтрали трансформатора выполняется по схеме замещения с использованием активных сопротивлений параллельно включенных для постоянного тока фаз сети и обмоток ВН трансформаторов с заземленными нейтралями, а также сопротивлений заземляющих устройств постоянному току в осенне-зимний период. Пример расчетной схемы и схемы замещения показан на рис. 1, а, б. В этой схеме Ed, Явя - ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания постоянным током Id проводов ВЛ с сопротивлением Япр; Яз1, Яз2 - сопротивления растеканию тока контуров заземления подстанций 31, 32. Эквивалентные сопротивления сети, эквивалентного трансформатора с заземленной нейтралью и эквивалентного контура его заземления обозначены R'c, Ъ"с, Ъ'"с, Ятэ и Язэ. Ток в нейтрали трансформаторов IdN1 и IdN2 тем больше, чем больше сопротивления контуров заземления подстанций Кз1 и Кз2. Реальные сопротивления контуров заземления рекомендуется получать путем натурных измерений.
Если в результате расчета окажется, что IdN превысит допустимое значение, то в [1] рекомендуется включать в нейтраль трансформатора специальное устройство заземления нейтрали (УЗН), препятствующее протеканию постоянного тока. Основным элементом УЗН является конденсатор, включенный последовательно с предохранителем; для ограничения перенапряжений, возникающих на конденсаторе при коротких замыканиях в сети, устанавливается шунтирующий тиристорный контактор; нейтраль защищена искровым промежутком, срабатывающим при появлении напряжения после перегорания предохранителя; кроме того, имеется автоматический короткозамыкатель, замыкающий нейтраль наглухо при появлении тока в тиристорном контакторе или искровом промежутке.
Поскольку УЗН не является серийно выпускаемым оборудованием, его установка в заземленные нейтрали трансформаторов снижает в целом их надежность. Учитывая также практическую сложность определения необходимости установки УЗН в каждом конкретном случае (с учетом возможных изменений режимов нейтрали трансформаторов в процессе эксплуатации), институт Энергосетьпроект в [2] признал целесообразным отказаться от применения схем плавки гололеда на вЛ постоянным током с использованием земли в качестве обратного провода (это не относится к плавке гололеда на грозозащитных тросах ввиду малости значения тока плавки).
Авторы не согласны с решениями как [1], так и [2]. Предлагаем использовать в схемах плавки постоянным током выносные заземлители, но упрощенные по сравнению с [3]. При этом во время плавки постоянные токи в нейтралях и обмотках трансформаторов практически отсутствуют при любых сопротивлениях контуров заземления (см. рис. 1, в, г ), если выносной заземлитель достаточно удален от контура заземления подстанции. Кроме того, заземление полюса УПГ на отдельный заземлитель снижает аварийный ток при КЗ в сети переменного напряжения питания УПГ на контур заземления подстанции до значения, не превышающего ток при пробое плеча выпрямителя, что повышает устойчивость оборудования при КЗ [4].
С удалением выносного заземлителя от конту=ра заземления подстанции возрастает сопротивление между ними (R^, 1 и R2^ 2 на рис. 1, г ), что приводит к снижению токов в нейтралях и обмотках трансформаторов, но при этом усложняется присоединение выносного заземлителя к УПГ заземляющими проводниками. Поэтому возникает задача определения минимального достаточного удаления выносного заземлителя любой конструкции от контура заземления подстанции.
Инженерные методы расчета сложных заземляющих устройств, приведенные в [5], не предполагают решения рассматриваемой задачи. эффективной программой для ПэвМ и достаточной базой данных авторы пока не располагают, поэтому ограничились экспериментальными исследованиями на заземлителях, собираемых из заземляющих электродов, данные по которым приведены в [6], и испытаниями на подстанции Машук-330 при пробной плавке гололеда на проводах вЛ-330-04.
в результате экспериментальных исследований авторы пришли к заключению о возможности использования для анализа токораспределения в сети эквивалентных схем замещения двух заземлителей как в виде треугольника сопротивлений R1, R2, R3, так и звезды R'b R'2, R'3 (рис. 2), со следующими соотношениями между ними:
где R1, R2 — сопротивления каждого заземлителя без учета взаимного влияния; R1-2 - сопротивление двух заземлителей при последовательном соединении через землю,
Рис. 2. Схема замещения двух заземлителей
R1 - 2 < R1 + R2; R1//2 - сопротивление двух заземлителей при их соединении проводником с пренебрежимо малым сопротивлением, R1//2 > R1R2/(R1 + R2).
Если измерить R1, R2, R1 _ 2, то
(1)
Если измерить R1, R2, R1//2, то
(2)
-2.
взаимное влияние двух заземлителей тем меньше, чем ближе к 1,0 значения
экспериментальные исследования взаимного влияния заземлителей, приближенно подобных [5] различным вариантам выносного заземлителя и заземляющего контура подстанции Машук-330, позволили сформулировать требования к расположению выносного заземлителя.
Для кратковременных испытаний в режимах плавки гололеда был сооружен на подстанции Машук-330 специальный выносной заземлитель в виде двух рядов стержней, соединенных между собой стальными полосами, вынесенный за ограждение подстанции и размещенный вдоль по оси вЛ-330. Заземляющие проводники в виде двух стальных полос проложены в земле над элементом заземляющего контура подстанции в шлакоглиняной оболочке для увеличения переходного сопротивления. На подстанции Прохладная-330 для подключения вЛ-330 к земле использовался усиленный в месте подключения заземляющий контур подстанции, что определило сокращение времени каждого опыта до 5 с.
Далее приведены для разных схем плавки значения постоянного тока Id и напряжения Ud, пересчитанные по измеренным регистрирующим прибором АУРА-М значениям переменных токов и напряжений выпрямительной установки, а также результаты расчета по этим данным. Испытывались схемы плавки: “фаза - фаза”; “фаза - две фазы”; “фаза - земля через выносной заземлитель”; “фаза - земля через выносной и основной заземлители”. Проанализирована схема “фаза - две фазы, зашунтированные землей”.
“Фаза-фаза”: Id = 1504 А, Ud = 12,75 кв, сопротивление фазы равно 12,75/2 • 1,504 = 4,24 Ом.
“Фаза-две фазы”: Id = 1986 А, Ud = 12,59 кв, сопротивление фазы равно 12,59/1,5 • 1,986 = = 4,23 Ом.
“Фаза - земля через выносной заземлитель”: Id = 2427 А, Ud = 12,39 кв, сопротивление заземляющего устройства ПС Прохладная-330 с учетом шунтирования цепями через два АТ и сети 330 и 110 кв на землю равно 0,15 Ом; сопротивление выносного заземлителя на ПС Машук равно 12,39/2,427 - 4,24 - 0,15 = 0,715 Ом.
“Фаза - земля через выносной и основной заземлители”: Id = 2672 А, Ud = 12,27 кв, эквивалентное сопротивление двух заземляющих устройств ПС Машук равно 12,27/2,672-4,24-0,15 = = 0,202 Ом.
Сопротивление основного заземляющего устройства ПС Машук равно 0,25 Ом.
Обозначим R1 = 0,25, R2 = 0,715, R1//2 = 0,202 и воспользуемся формулами (2):
R'1 = 0,25 - 0,045 = 0,205; R'21 = 0,715 - 0,045 = = 0,67.
Наведенный потенциал на основном заземляющем контуре ПС Машук в схеме плавки “фаза - земля через выносной заземлитель” UH.„ = = 2427 • 0,045 = 109,2 в.
Потенциал на заземляющем контуре ПС Прохладная в этой же схеме плавки UH п = 2427 • 0,15 = = 364 в.
в схеме “фаза - две фазы, зашунтированные землей” по расчету, использующему определенные параметры, получено: Id = 2540 А, что всего на 5% больше, чем в схеме “фаза - земля через выносной заземлитель”, однако ток через заземлители ПС Прохладная и Машук снизится до значения
а интеграл Джоуля уменьшится в 2 раза.
Таким образом, схема “фаза - две фазы, зашунтированные землей” обеспечивает увеличение тока в проплавляемой фазе в 2540/1986= 1,28 раза по сравнению с применяемой схемой “фаза - две фазы” и меньший ток через заземляющее устройство по сравнению со схемой “фаза - земля через выносной заземлитель”. При этом потенциал на заземляющих контурах ПС Машук и Прохладная будет соответственно 81 и 270 в.
в результате испытаний и расчетов авторы пришли к заключению, что для внедрения плавки гололеда через землю на ВЛ-330-04 требуется на ПС Машук-330 усилить, а на ПС Прохладная-330 соорудить выносной заземлитель и повторить испытания с непосредственным контролем постоянного тока в нейтралях автотрансформаторов этих подстанций и распределения токов между параллельно включенными выпрямительными мостами УПГ.
Вывод
Предлагается использовать выносные заземлители для шунтирования цепью через землю двух фаз ВЛ, если применяемая схема плавки гололеда “фаза - две фазы” не обеспечивает требуемого времени плавки.
вопросы проектирования и сооружения выносных заземлителей для установок плавки гололеда требуют доработки.
Список литературы
- Методические указания по плавке гололеда постоянным током. М.: Союзтехэнерго, 1983, ч. 2.
- Указания по проектированию схем и устройств плавки гололеда на проводах и тросах вЛ 35 кв и выше. М.: энергосетьпроект, 1994, т. 1.
- А.с. 134300 (СССР). Устройство для заземления дальних линий электропередачи постоянного тока / Баженов С. А., Кудасов А. К., Тимофеев Т. Г. Опубл. в Б. И., 1960, № 24.
- Релейная защита выпрямительной установки плавки гололеда / Засыпкин А. С., Дьяков А. Ф., Левченко И. И., Тарамалы Б. Д. - электрические станции, 1975, № 11.
- Бургсдорф В. В., Якобс А. И. Заземляющие устройства электроустановок. М.: энергоатомиздат, 1987.
- Михайлов Д. И. О многолетних измерениях сопротивления растеканию заземляющих электродов. - Изв. вузов. энергетика, 1973, № 3.
