Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью - Выбор настройки дугогасящей катушки

Выбор настройки дугогасящих катушек должен предусматривать наиболее целесообразные условия работы сети с компенсацией емкостного тока как в нормальном состоянии, так и при замыкании фазы на землю. Из самого принципа компенсации следует, что в месте замыкания на землю должен протекать минимальный ток, по возможности только ток активной слагающей и токи высших гармоник, которые не могут быть скомпенсированы (в правильно спроектированных сетях высшие гармонические слагающие тока обычно весьма малы).
Дуга лучше всего погасает при резонансной настройке. При отклонении от резонанса условия гашения ухудшаются и поэтому вынужденные расстройки рекомендуется принимать в пределах ±5%. Отклонения от резонансной настройки можно допускать лишь в крайних случаях. Так, иногда невозможно добиться резонансной настройки па катушках со ступенчатым регулированием, имеющих малое число ответвлений.
В сетях, где несмотря на транспозицию проводов фаз емкостная нессимметрия выше нормальной, приходится вынужденно отступать от точной настройки. (При невыравненных емкостях фаз резонансная настройка может быть неприемлемой из-за существенного искажения фазовых напряжений и появления значительных напряжений смещения нейтрали. Это может оказаться опасным для изоляции и повести к ложному срабатыванию сигнализации и релейной защиты.
Смещение нейтрали надо проверять как для нормального режима сети, так и для неполнофазных отключений (обрывов) линий, когда возникает весьма существенная емкостная несимметрия.
Таким образом, при выборе настроек дугогасящих устройств должны выполняться следующие условия: как правило, настройка должна быть резонансной; допускаются расстройки в сторону перекомпенсации, при которых в сетях 6—10 кВ избыточный ток дугогасящих катушек не превышает 5 А, а степень расстройки не более 5%. При большой разнице токов смежных ответвлений катушек временно допускается настройка с избыточным индуктивным током до 10 А;
в сетях 35 кВ при емкостных токах менее 15 А разрешается увеличивать степень расстройки до 10%;
смещение нейтрали во всех режимах сети не должно приводить к повышениям напряжений фаз относительно земли, опасным для изоляции.
Предельными считаются следующие напряжения смещения нейтрали (по отношению к нормальному фазному напряжению сети):
допускаемые длительно — не более 15%; допускаемые в течение 1ч — не более 30%; аварийные—100%, ограничиваемые временем работы компенсирующих устройств (обычно до 2 ч).
Последние рекомендации исходят из следующего: во-первых, при самом неблагоприятном фазовом сдвиге, когда напряжение смещения нейтрали оказывается в противофазе с одним из фазных напряжений, напряжение двух фаз уменьшается примерно на 6,5%, а напряжение одной фазы возрастает на 15%, что допустимо для изоляции длительно. Во-вторых, в течение 1 ч удается отыскать и устранить причины, обусловившие повышенное напряжение на нейтрали (найти и ликвидировать обрыв провода или растяжение жилы кабеля, подключить отключенную линию, изменить настройку и т. д.). Наконец, аварийное смещение возникает при замыканиях на землю или при отсутствии замыкания в неполнофазном режиме.
При выборе степени компенсации емкостных токов следует учитывать возможность неполнофазных режимов. Даже в безупречно спроектированной сети (правильно выбраны схемы питания, схемы подключения дугогасящих аппаратов) такие режимы не исключены. Поэтому, если в сети вынужденно допускают расстройку, следует устанавливать ее в сторону перекомпенсации.
Если расстройка была бы принята в сторону недокомпенсации, то неполнофазный режим мог бы вызвать весьма опасные резонансные и феррорезонансные перенапряжения. Так, при обрыве провода протяженной линии с односторонним питанием возникает заметная несимметрия емкостей, и, следовательно, появляется напряжение емкостной несимметрии, при этом уменьшается емкостный ток сети — недокомпенсация снижается и режим настройки приближается к резонансу. Воздействие напряжения несимметрии на колебательный контур «катушка—емкость сети» приводит к весьма значительным смещениям нейтрали. Напряжение смещения достигает 1,6—2 Uф (ограничено насыщением сердечника катушки), и напряжения фаз относительно земли становятся опасными для изоляции. Первоначальная настройка в сторону перекомпенсации никогда не вызывает столь высоких смещений нейтрали. Даже в практически маловероятном случае полной потери емкости одной фазы всей сети смещение нейтрали не выше номинального фазного напряжения.
Именно по указанным обстоятельствам настройка с недокомпенсацией, хотя бы относительно малой, обычно не рекомендуется. Исключением являются случаи компенсации емкостного тока в блоках генератор — трансформатор, где практически исключена возможность отключения части емкости фаз, и в кабельных радиальных сетях с большим числом присоединений, когда неполнофазное включение или отключение (обрыв) одной из линий вызывают несущественную емкостную несимметрию.
Недокомпенсация допустима в исключительных случаях, причем расстройка не должна превышать 5%. При вынужденной расстройке в сторону недокомпенсации возникающие в сети емкостные несимметрии не должны
обусловливать даже кратковременных смещений нейтрали выше 0,7 Uф.
Выбрав ответвления катушек по условию полной или почти полной компенсации тока замыкания, проверяют смещение нейтрали, рассматривая с этой целью при всех эксплуатационных—нормальных и аварийных— схемах сети возможные случаи появления емкостной несимметрии. Если в нормальном состоянии воздушной сети напряжение несимметрии не выше существующей нормы (0,75% Uф), то рассматриваются только аварийные режимы. В кабельных сетях, где нормально несимметрии нет, рассматриваются также только аварийные случаи.
В качестве примера рассмотрим выбор настроек с проверкой напряжения смещения в сети рис. 27, где установлено пять дугогасящих катушек типа 3POM-275/35: две в сети узловой подстанции К и три на подстанциях Л и С. Сеть по преимуществу кабельная. Коэффициент успокоения 5%.
С точки зрения компенсации емкостных токов во втором участке следует иметь ответвления на катушке 1—№ 2, на катушке 2—№ 3, на катушке 3—№ 5. В некоторых режимах приходится перестраивать ответвления на катушке 3. Данные катушек и результаты выбора настроек приведены в табл. 6.
Таблица 6

Как видно из табл. 6, при всех возможных случаях отключений и тем более при выводе в плановый ремонт линий в районе подстанций Д и С расстройка остается меньше допускаемой Правилами технической эксплуатации; при этом нескомпенсированный ток всегда много меньше предельно допускаемой величины для сетей 35 кВ— 5 А. Из данных табл. 6 видно также, что вероятно появление значительных напряжений смещения нейтрали при неполнофазных обрывах только при отключении линии 15.
В сетях с кольцевой схемой питания односторонние обрывы не сопровождаются возникновением емкостной несимметрии. При проверке напряжения смещения определяющим будет тогда нормальный режим. Если вопреки нормам емкости проводов относительно земли не выравнены, вынужденно принимается расстройка, но непременно в сторону перекомпенсации.
В замкнутых кабельных сетях компенсирующие устройства должны настраиваться точно в резонанс. Особо нежелательны отклонения от резонансной настройки в сетях с весьма большими токами (более 200—300 А при 6—10 кВ). На крупных участках кабельной сети, где емкостные токи достигают 400—700 А, расстройка компенсации даже в 5% приводит к недопустимым остаточным токам. На таких участках совершенно необходимы дугогасящие аппараты с плавной регулировкой тока и автоматической настройкой, поддерживающей оптимальный режим компенсации. В настоящее время разработаны схемы и конструкции автоматических регуляторов настройки, начато опытное внедрение их в эксплуатацию.
Все получившие более или менее широкое распространение и у нас и за рубежом регуляторы настройки работают лишь тогда, когда в сети отсутствует замыкание на землю (система АНК). Скорость отработки дугогасящих аппаратов в таком режиме не имеет существенного значения, и к подобным регуляторам не предъявляется требование быстродействия. Перестройка тока компенсации может совершаться в течение нескольких минут. Делаются попытки создания системы регулирования тока компенсации, которые работают сразу же после возникновения замыкания на землю и приводят сеть к режиму резонансной настройки (система АНКЗ). Эти устройства, напротив, должны отличаться большим быстродействием, чтобы эффективно ликвидировать дугу в месте повреждения. Скорость отработки должна быть неодинаковой в различных сетях, а время подстройки — составлять десятые доли или единицы секунд. До разработки систем АНКЗ надо провести специальные экспериментальные исследования с тем, чтобы определить требуемые скорости отработки регуляторов при различных параметрах сетей и в широком диапазоне расстроек компенсации.
Хотя предложено довольно много схем, все устройства автоматического регулирования компенсации действуют на одном из трех принципов, рассмотренных ниже.
Автоматическая настройка по реактивной проводимости сети. От постороннего источника питания в нейтраль сети подается напряжение (либо параллельно контуру «емкость сети—катушка» от вспомогательного генератора или трансформатора, включаемых параллельно дугогасящей катушке, либо последовательно, когда вспомогательный источник включается в рассечку между катушкой и землей) и измеряется реактивная проводимость сети. При резонансной настройке результирующая проводимость будет чисто активной, и на выходе реагирующего устройства (в простейшем виде — синусного реле) будет нулевой сигнал. Если же есть расстройка, то реагирующее устройство — компенсометр выдает сигнал исполнительным элементам схемы в зависимости от знака реактивной проводимости и задаваемой расстройки компенсации.
Автоматическая настройка по фазовым характеристикам контура «емкость сети — дугогасящая катушка» особенно применима для кабельных сетей, где несимметрия емкостей отсутствует и напряжение смещения нейтрали не превышает нескольких вольт. К одной из фаз сети (опорная фаза) подключается дополнительная емкость и создается некоторое постоянное напряжение несимметрии. Напряжение смещения нейтрали, обусловленное емкостной несимметрbей и расстройкой компенсации, сравнивается с напряжением опорной фазы в фазочувствительном усилителе, сигнал рассогласования с выхода которого управляет контактором включения серводвигателя плунжерной катушки. Как можно показать из векторной диаграммы, измеряемый фазочувствительным усилителем угол будет равен 90° при резонансной настройке, 0—90° при недокомпенсации и 90—180° при перекомпенсации. Подстройка компенсации по заданной оптимальной настройке автоматически совершается в нормальном режиме сети, когда замыкания на землю нет.
Автоматическая настройка по максимуму напряжения на нейтрали или по направлению изменения напряжения смещения нейтрали при расстройках компенсации. Напряжение на нейтрали в зависимости от расстройки компенсации имеет вид резонансной кривой (рис. 17) с максимумом в точке резонансной настройки. При отклонении от резонанса напряжение смещения уменьшается, причем для определения характера требуемой перестройки компенсации важно знать, как меняется напряжение на нейтрали в зависимости от приращения тока катушки. Если ток катушки увеличивается, а напряжение на нейтрали уменьшается, то ясно, что сеть находится в режиме перекомпенсации. Если же при увеличении тока катушки напряжение на нейтрали также увеличивается, то ясно из той же кривой рис. 17, что в сети будет режим недокомпенсации.
Настройка производится путем автоколебательного поиска с работой элемента логического действия регулятора, который различает знак (или фазу) напряжения, пропорционального скорости изменения напряжения на нейтрали от расстройки компенсации.
В настоящее время из предложенных схем наиболее отработаны и положительно зарекомендовали себя в эксплуатации конструкции автоматических регуляторов ЦЛЭМ Мосэнерго и Института электродинамики АН УССР. Регулятор Мосэнерго, использующий принцип минимума реактивной проводимости, имеет фазочувствительную схему на тиратронах с холодным катодом п электронную логическую схему защиты. Он размещается в небольшом кожухе и не требует отладки на месте установки. Регуляторы Института электродинамики основаны на принципе фазовых характеристик напряжения смещения нейтрали и на резонансных характеристиках напряжения смещения или тока, выполнены на полупроводниках.
Автоматические регуляторы настройки компенсации еще не стандартизированы и выпускаются пока мелкими опытными партиями. Поскольку теперь в распределительных сетях энергосистем и потребителей широко внедряется релейная автоматика, способная переключать крупные участки сети от одной питающей подстанции к другой, настоятельно требуется автоматизация настроек дугогасящих катушек.
Автоматизация компенсации емкостных токов в сетях задерживается из-за отсутствия достаточного количества дугогасящих аппаратов, пригодных для этой цели. Повсеместно установленные дугогасящие катушки типа ЗРОМ не могут быть использованы для автоматической настройки компенсации. В сетях с большими токами замыкания на землю наряду с установкой нерегулируемых катушек как основных дугогасящих аппаратов следует устанавливать и некоторое количество катушек с плавной регулировкой для того, чтобы иметь возможность поддерживать в сети компенсацию с приемлемой расстройкой.
В сетях с умеренными емкостными токами более или менее рационального режима компенсации можно достичь и при использовании нерегулируемых устройств, правильно выбрав ответвления катушек как для нормальной, так и для наиболее вероятных аварийных схем соединения сети. Время от времени для поддержания правильной настройки дугогасящих катушек следует проводить замеры емкостных токов. Периодически надо оценивать настройку катушек одним из косвенных методов, например проверяя настройку по напряжению смещения нейтрали. В воздушных сетях 35 кВ настройка по максимуму напряжения смещения может осуществляться успешно и с вполне удовлетворительной точностью.
В кабельных сетях, где нет естественного смещения нейтрали в нормальных условиях, косвенным методом определения точности настройки может служить, предложенный в Мосэнерго резонансный способ смещения нейтрали. Смещение нейтрали осуществляется испытательным трансформатором малой мощности (около 3 кВ-А), который включается последовательно с дугогасящей катушкой. Еще проще подавать э. д. с. смещения непосредственно во вспомогательную обмотку дугогасящей катушки.
На рис. 30 показана схема установки для снятия резонансной кривой тока. От сети 220 В через понижающий трансформатор 220/12 подается напряжение смещения на катушку. В цепь вспомогательной обмотки включается амперметр. Далее меняют настройку компенсации. Очевидно, что резонансной настройке соответствует минимальное показание прибора, который измеряет в этом случае лишь активный ток за счет потерь в катушках и утечек по изоляции.
Помимо измерений или косвенной оценки величины емкостного тока замыкания в сети надо вести систематические расчеты для всех оперативных схем, определяя емкостные токи каждой линии и присоединения. Полная информация относительно емкостных токов отдельных линий позволит диспетчерской службе давать оперативные указания по перестройке ответвлений дугогасящих катушек в узловых центрах сети при всех существенных изменениях схемы.