Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью - Конструктивное выполнение и параметры дугогасящих катушек

КОНСТРУКЦИЯ, ВЫБОР, УСТАНОВКА И НАСТРОЙКА ДУГОГАСЯЩИХ АППАРАТОВ
13. Конструктивное выполнение и параметры дугогасящих катушек
Для сокращения размеров все дугогасящие катушки выполняются со стальным сердечником. Вместе с тем нелинейность характеристики намагничивания, по крайней мере в пределах изменения напряжения от нуля до фазного, должна быть минимальной, иначе индуктивность катушки, а значит, и установленная степень настройки будут меняться в зависимости от приложенного напряжения. При металлическом замыкании на землю на нейтрали напряжение становится равным фазному, а если учесть некоторое повышение напряжения на станции, то на катушке может оказаться напряжение на 10—15% выше фазного. Точка, соответствующая такому режиму, должна быть еще на линейной части характеристики намагничивания. Линейность характеристики намагничивания обеспечивается наличием воздушных зазоров, распределенных более или менее равномерно по сердечнику, и таким выбором сечения сердечника, чтобы магнитная индукция была меньше индукции насыщения.

Рис. 24. Разрез дугогасящей катушки.
Сердечник катушки образован двумя стержнями 1 и двумя ярмами 2 (рис. 24). Стержни разрезные и собраны из отдельных коротких пакетов 3 с индивидуальным креплением стальных пластин в каждом. В зазоры между пакетами и в сочленения между стержнями и ярмами закладываются твердые прокладки из бумаги, пропитанной бакелитом, или из лакированного электрокартона. Готовые пакеты стали плотно скрепляются стяжными болтами из немагнитного материала. Благодаря этим мерам обеспечивается синусоидальность тока катушки  на большинстве ответвлений ее обмотки и поэтому значительно уменьшается содержание в токе замыкания высших гармоник.
Обмотка 4 тоже разделена на части и расположена на обоих стержнях сердечника так, чтобы между противолежащими частями разность потенциалов не могла достигнуть опасных для изоляции обмотки значений. От отдельных элементов обмотки выведены ответвления.
Изоляция обмотки выполняется так же, как изоляция силовых трансформаторов. Обмотка помещена в бак, заполненный маслом. Внутри бака помещен переключатель ответвлений, с помощью которого можно изменять ток компенсации. Привод переключателя выведен наружу на крышку бака либо имеет штурвал с фиксатором положения.
Ответвления выполнены таким образом, чтобы можно было регулировать ток компенсации в пределах 50— 100%. Для этого дугогасящие катушки имеют пять, шесть пли девять ответвлений. Есть катушки с числом ответвлений, равным 16. Как правило, ток катушки путем перестановки ответвлений может регулироваться только ступенчато.
Катушки снабжены сигнальными обмотками на 110 В и 10 А, которые служат для питания цепей сигнализации и контроля работы. Сигнальные обмотки, так же как и главные, имеют ответвления, выведенные на переключатель, с тем чтобы при изменении настройки коэффициент трансформации сигнальной обмотки оставался неизменным. Некоторые катушки имеют встроенный в бак трансформатор тока. Все типы катушек снабжаются расширителем с масломерным стеклом и термометром с сигнальным контактом.
Наиболее распространены катушки, изготовленные Московским электрозаводом. Из иностранных конструкций в наших сетях наиболее часто встречаются аппараты из Германия (завода им. К. Либкнехта). Московский электрозавод, маркируя свою конструкцию, указывает название— защитный реактор однофазный масляный (сокращенно ЗРОМ), а также номинальную мощность, кВ-А, и номинальное напряжение, кВ. Номинальным током катушки называется наибольший из ее рабочих токов.
Рабочие токи катушек типа ЗРОМ выбираются так, чтобы минимальный ток был равен половине нормального. Интервалы между промежуточными ответвлениями приблизительно одинаковы.

Таблица 2

В табл. 2 приведены основные данные реакторов конструкции Московского электрозавода, предназначенных для компенсации емкостного тока при однофазном замыкании на землю и подключаемых соответственно назначению к нейтрали трансформатора или генератора.
В табл. 3 приведены данные некоторых катушек, изготовленных заводом им. К. Либкнехта (Германия).
Дугогасящие катушки завода им. К. Либкнехта имеют несколько худшие характеристики, чем катушки типа ЗРОМ. Они рассчитаны на большую магнитную индукцию, и при напряжении на 10% выше номинального уже заметно некоторое насыщение сердечника, вследствие чего повышается содержание высших гармоник в токе компенсации (примерно 1—1,5% при установке переключателя на наибольшее ответвление обмотки).
Таблица 3

Вместе с тем пределы регулирования и возможность выбора подходящих ответвлений у этих катушек шире, чем у катушек ЗРОМ.
Допустимое время работы дугогасящих катушек на ответвлении с наибольшим током —2 ч. Катушки ЗРОМ на 1, 2, 3-м ответвлениях могут работать длительно.
Конструкция катушек типа ЗРОМ (и аналогичных ей со ступенчатым регулированием тока компенсации) к настоящему времени морально устарела. Недостаток ее состоит главным образом в том, что регулировка производится вручную, только в обесточенном состоянии катушки. Возможности регулировки очень ограничены: ток изменяется ступенями и число ответвлений незначительно. Конструкция и параметры катушек ЗРОМ в настоящее время пересматриваются в связи с возросшими требованиями эксплуатации.
Многие энергосистемы (Мосэнерго, Донбассэнерго, Харьковэнерго и др.) разрабатывают и выпускают на своих ремонтно-эксплуатационных предприятиях катушки с параметрами, наиболее приемлемыми для условий данной энергосистемы. Расширяются диапазоны номинальных токов катушек, предназначенных для сетей разных напряжений. Пределы регулировки повышаются до 2,5 (в катушках типа ЗРОМ отношение наибольшего и наименьшего токов компенсации равно двум). Увеличивается число ответвлений, что дает большие возможности регулировки и позволяет выполнять настройку, весьма близкую к резонансу. Катушки проектируются со встроенными трансформаторами тока.
В связи с требованием автоматизации настройки компенсации в процессе эксплуатации катушки должны сочетаться с автоматическими регуляторами (оптимизаторами), которые могли бы при любых коммутационных изменениях схемы сети поддерживать оптимальный режим компенсации, обеспечивающий наибольшую надежность работы сети. Как правило, это режим резонансной настройки. Основное требование к катушкам, предъявляемое автоматическим регулированием компенсации,— плавное изменение тока. Конструктивное решение этой задачи может быть получено с использованием трех принципов изменения индуктивности катушки: изменением воздушного зазора в магнитной цепи аппарата
(плунжерные дугогасящие катушки), подмагничиванием магнитной системы аппарата (катушки с подмагничиванием), переключением мелкими ступенями ответвлений с помощью переключающего устройства, подобного такому же в силовых трансформаторах при регулировании напряжения под нагрузкой.
Катушки плунжерного типа разработаны и серийно изготовляются. К ним следует отнести конструкции плунжерных катушек, разработанных в Мосэнерго (ЦРМЗ совместно со службой сетей РУ Мосэнерго) и выпускаемых мелкими сериями, а также катушки производства ЧССР, импортируемые в СССР.
Катушки, изготовляемые энергетическим заводом в Чешских Будейовицах (ЧССР), позволяют плавно изменять ток компенсации в очень широком диапазоне (1—10, а по особому заказу 1—20) без отключения катушки от сети как в нормальном режиме, так и при замыкании на землю, легко управляются дистанционно, что дает возможность применять их в сочетании с телемеханическими устройствами на подстанциях без обслуживающего персонала. Поскольку катушки управляются электрическим приводом, они пригодны для устройства автоматической настройки компенсации.

Рис. 25. Конструкция дугогасящей катушки плунжерного типа.
Изменение индуктивности этих катушек обеспечивается благодаря изменению воздушного зазора в магнитопроводе. Магнитопровод катушки выполнен в виде двух цилиндрических сердечников 1 с воздушным зазором 4 между ними (рис. 25). Чтобы создать путь для замыкания потока по стали, цилиндрические сердечники охватывают П-образными перемычками 2, симметрично расположенными вокруг сердечников и охватывающими обмотку катушки 3. Магнитопровод катушки (сердечники и перемычки) составлен из прямоугольных нормальных изолированных листов трансформаторной стали. Соединение листов магнитопровода выполнено не болтами, а при помощи сварки, так что листы не имеют ни отверстий, ни вырубок, что упрощает монтаж, обеспечивает надежную в механическом отношении конструкцию и уменьшает потери в стали.
Ток катушки при постоянных витках и частоте сети для сравнительно небольших значений магнитной индукции в сердечнике прямо пропорционален приложенному напряжению и воздушному зазору, что очень важно для удобства автоматического регулирования компенсации. Через оба цилиндрических сердечника проходит винт, с помощью которого регулируется воздушный зазор. Нарезка винта на одном сердечнике правая, а на другом— левая, благодаря чему при вращении винта в одну сторону зазор увеличивается, при вращении в другую— уменьшается. Винт вращается двигателем через две червячные передачи.
Обмотка катушки выполняется иначе, чем в конструкции ЗРОМ. Главная обмотка (силовая) состоит из двух частей: главной, нерегулируемой, без всяких ответвлений, с изоляцией, рассчитанной на полное фазное напряжение сети, и дополнительной, рассчитанной на 20% номинальной мощности катушки (на время 60 с). Дополнительная обмотка используется для автоматики. Кроме того, есть сигнальная измерительная обмотка на 100 В класса точности 1 или 2. Последовательно с обмотками включается встроенный в катушку измерительный трансформатор тока класса точности 1. Имеются механические и дистанционные электрические указатели положения сердечников, т. е. уставок катушки по току, а также датчики температуры и концевые выключатели, не допускающие перехода сердечников за крайние положения.
Катушки предназначаются для наружной установки. Все вторичные электрические цепи выведены на зажимы в ящик, приваренный к баку катушки.
В ЧССР нормализована серия катушек мощностью 50, 200 и 80 кВ • А на номинальные напряжения сети 6, 10, 22 и 35 кВ. Параметры катушек, изготовляемых в ЧССР, даны в табл. 4.
К достоинствам катушек этой конструкции надо еще отнести линейность вольт-амперной характеристики (характеристики намагничивания), что позволяет даже в нормальном режиме при отсутствии замыкания на землю применять методы настройки компенсации, которые при обычных катушках с перестановкой ответвлений возможны лишь в режиме замыкания фазы сети на землю.
Таблица 4

Кроме того, вследствие линейности характеристики намагничивания невелики токи высших гармонических во всем диапазоне регулирования. Из-за малых потерь демпфирование сети катушкой незначительно.

Рис. 26. Конструкция дугогасящей катушки с плавной настройкой ЦЛ1РЗ Мосэнерго.
Новые конструкции катушек ЦРМЗ Мосэнерго также основаны на принципе регулирования индуктивности при изменении воздушного зазора сердечника. В этих катушках применена обычная шихтовка стальных пластин вместо радиальной, что упрощает технологию изготовления катушек. Конструктивное выполнение схематично показано на рис. 26. Катушка имеет трехстержневой магнитопровод с одной главной 4 и двумя вспомогательными обмотками 5 и 6. Магнитопровод с обмотками помещен в бак с трансформаторным маслом. Одна из вспомогательных обмоток является сигнальной, другая служит для управления—к ней подключается автомат настройки компенсации. Сигнальная обмотка рассчитана на номинальное напряжение 100 В и ток 1 А, обмотка управления — на 220 В и ток до 40 А. Выводы обмоток размещены на крышке бака, там же расположен приводной механизм /, обеспечивающий вращение ходового винта 3. Приводной механизм состоит пз асинхронного двигателя и червячной пары. Ходовой винт сделан из немагнитной стали и имеет правую и левую резьбу. Магнитопровод набирается из листовой электротехнической стали. Средний стержень 2 выполнен с двумя подвижными сердечниками (плунжерами), между которыми образуется переменный воздушный зазор. Плунжеры перемещаются с помощью ходового винта.
Для визуального определения тока компенсации на крышке бака предусмотрен специальный указатель 7 со шкалой, проградуированной непосредственно в амперах (при номинальном напряжении на катушке). Внутри указателя вмонтированы два концевых выключателя для ограничения перемещения плунжеров в заданных пределах.
Параметры регулируемых дугогасящих катушек ЦРМЗ Мосэнерго приведены в табл. 5.
Дугогасящие катушки этой конструкции рассчитаны на трехчасовой режим работы при максимальном значении тока. Вольт-амперные характеристики дугогасящих катушек РДМР при всех положениях плунжеров (максимальный, минимальный и промежуточный зазоры сердечника) сохраняют прямолинейный характер. Поэтому индуктивный ток катушки имеет чисто синусоидальную форму, а индуктивность линейна, т. е. не изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения, что очень важно для обеспечения правильной работы автомата настройки компенсации.

Таблица 5

Дугогасящие катушки плунжерного типа по своим характеристикам вполне удовлетворяют требованиям к аппаратам, используемым для автоматической настройки компенсации (АНК). Однако пока они еще мало распространены в сетях из-за их относительной дороговизны и более сложной эксплуатации. Поэтому их следует предусматривать в сетях с большими токами замыкания, где особенно важно соблюдать оптимальную настройку компенсации и где наиболее полно используются преимущества плавной регулировки.
Найдут применение, видимо, и дугогасящие катушки с подмагничиванием. При подмагничиванни постоянным током катушки с насыщающимся сердечником увеличивается ее магнитный поток и снижается индуктивность. Однако применение обычного насыщающегося дросселя в качестве дугогасящей катушки нецелесообразно, так как при насыщении очень сильно искажается форма кривой тока, что приводит к увеличению остаточного тока замыкания за счет высших гармоник. В конструкциях катушек с подмагничиванием предусматриваются специальные меры для уменьшения искажения кривой регулируемого тока. Конструктивно катушка выполняется из нескольких сердечников с системой обмоток постоянного и переменного тока. Удачные разработки катушек с подмагничиванием выполнены в Институте электродинамики АН УССР и в Энергетическом институте имени Г. М. Кржижановского. Разработанные конструкции отличаются невысокими активными потерями, кривой рабочего тока, близкой к синусоидальной (сравнительно небольшое — около 5% —содержание высших гармоник, но, конечно, более высокое, чем у катушек со ступенчатым регулированием и практически линейной характеристикой намагничивания в широком диапазоне изменения напряжения).
Несложны по конструкции и просты в эксплуатации переключаемые дугогасящие аппараты. До выпуска промышленностью новых типов дугогасящих аппаратов можно к катушкам ЗРОМ предусматривать регулирующие устройства.
Ниже рассматриваются вопросы эксплуатации дугогасящих катушек без плавного изменения тока.
При выборе дугогасящих катушек пользуются обычно не мощностями, а токами, что удобней и правильней по существу, поскольку назначение катушек — компенсация емкостных токов сети. Паспортная мощность катушек соответствует номинальному току компенсации. Поэтому полная компенсирующая мощность дугогасящих аппаратов, устанавливаемых в сети, выбирается по полному емкостному току. Полный емкостный ток определяется с перспективой развития сети на 8—10 лет вперед. Если же данных относительно развития сети нет, то рекомендуется расчетную мощность компенсирующих устройств увеличивать на 20—25%. Это дает также некоторый запас для учета неточностей при определении емкостных токов линий и ошиновки подстанций по приближенным формулам или средним удельным значениям, приводимым в справочниках (см. выше).
Расчетная мощность дугогасящих катушек
(24)
Необоснованное увеличение мощности катушек нецелесообразно, так как это приводит к неполному их использованию и затрудняет выбор оптимальных настроек. Недостаточная мощность катушек может привести к режимам недокомпенсацин, которые недопустимы ввиду снижения надежности работы сети и особенно опасны при неполнофазных отключениях (включениях).
Количество дугогасящих катушек и места их установки определяются специальным расчетом. Чем больше установлено катушек, тем лучше работает сеть с компенсацией емкостного тока. При большом числе катушек достигается лучшее распределение токов компенсации и сохранение хорошей настройки в эксплуатации при различных изменениях схемы сети. Однако установка большого числа дугогасящих катушек приводит к увеличению первоначальных затрат, повышению эксплуатационных расходов и усложнению надзора и обслуживания. Оптимальным является такое решение, при котором минимальное количество дугогасящих катушек обеспечивает удовлетворительную компенсацию при минимальном числе изменений уставок катушек в эксплуатационных условиях. Как правило, следует избегать установки только одной катушки — лучше установить две, чем одну катушку вдвое большей мощности. При применении нескольких дугогасящих катушек лучше брать их с различными номинальными токами, что дает большие возможности регулирования тока компенсации.
Если сеть в некоторых режимах может разделяться на изолированные части, то необходимо катушки выбирать и размещать так, чтобы в каждой такой части сохранилась удовлетворительная настройка либо, по крайней мере, была возможность оптимальной настройки при соответствующей перестановке ответвлений. Это условие может быть выполнено только в том случае, если в каждой выделившейся части будут установлены катушки с номинальным током, большим емкостного тока этого участка. Наряду с этим наименьший рабочий ток катушек должен быть меньше, чем емкостный ток замыкания на землю выделившейся части сети, если в ней произойдет также отключение наиболее возможного в эксплуатации числа линий. Конечно, при этом не учитываются отдельные кратковременные режимы, возникающие в результате оперативных переключений, производимых в целях ремонтов, проверок и профилактических испытаний оборудования. При выборе дугогасящих катушек с учетом перспективы развития сети можно предусматривать возможность замены или установки дополнительной мощности дугогасящих устройств но мере строительства новых линий. Можно сразу запроектировать дугогасящие катушки несколько большей мощности, чем требуется по расчету. Но устанавливать катушки в сети надо так, чтобы в начальные годы развития сети (т. е. при наименьшем количестве введенных в эксплуатацию линий) минимальные рабочие токи выбранных с запасом катушек не превосходили фактического емкостного тока замыкания. В противном случае удовлетворительная компенсация не может быть осуществлена. При установке катушек следует также учитывать параметры трансформаторов сети, к нейтрали которых предполагается подключать катушки (см. § 15).
Желательно дугогасящие катушки устанавливать на узловых подстанциях с обслуживающим персоналом, который бы мог выполнять мероприятия, связанные с перестройкой катушек в ходе эксплуатации. Дугогасящие катушки рекомендуется устанавливать на подстанциях, связанных с сетью, в которой предусматривается компенсация емкостного тока, не менее чем двумя линиями. Категорически запрещается присоединять дугогасящую катушку к трансформатору, установленному в конце одноцепной тупиковой линии. В этом случае при обрыве одной фазы на линии может возникать неполно- фазный режим компенсации, сопровождаемый значительными повышениями напряжения па нейтрали и, следовательно, на фазах, чреватый опасными и длительными перенапряжениями феррорезонансного характера.