устройство гашения феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫХ ПРОЦЕССОВ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее трансформатор напряжения, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду с заземленной нейтралью и подключена выводами к сети непосредственно, основная низковольтная обмотка которого соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом, а дополнительная низковольтная обмотка соединена по схеме разомкнутого треугольника, к выводам которой подсоединен основной резистор, дугогасящий трансформатор, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду с нейтралью, заземленной через первичную обмотку трансформатора тока, и подключена к выводам для подключения к сети через трехфазный разъединитель, а низковольтная обмотка соединена в разомкнутый треугольник, к выводам которой подсоединен через однофазный разъединитель регулируемый низковольтный реактор, причем один из выводов низковольтной обмотки заземлен, отличающееся тем, что, с целью ограничения параметров внутренних перенапряжений до безопасных величин для изоляции электротехнического оборудования, оно снабжено трехфазной балластной резисторной нагрузкой, однофазным и трехфазным коммутационными аппаратами и дополнительным резистором, причем трехфазная балластная резисторная нагрузка через трехфазный коммутационный аппарат соединена с выводами основной низковольтной обмотки трансформатора напряжения, нулевой вывод которой соединен с нулевым выводом трехфазной балластной резисторной нагрузки и с заземлителем, параллельно основному резистору подключены последовательно соединенные дополнительный резистор и однофазный коммутационный аппарат, общий вывод которых заземлен, а система управления содержит блок релейной защиты, блок включения трехфазного коммутационного аппарата, реле времени и блок включения однофазного коммутационного аппарата, причем выход вторичной обмотки трансформатора тока подключен к входу блока релейной защиты, выход которого подключен к входам реле времени и блока включения трехфазного коммутационного аппарата, а выход реле времени соединен с входом блока включения однофазного коммутационного аппарата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрических распределительных сетей напряжением 6-10 кВ с изолированным режимом нейтрали. Компенсация емкостных токов однофазных замыканий на землю в указанных сетях осуществляется только по достижении ими величин 30 и 20 А соответственно.

Известны устройства для компенсации емкостных токов замыкания на землю в виде дугогасящих катушек, подсоединяемых через разъединитель к нейтрали высоковольтных обмоток силовых трансформаторов в большом количестве модификаций [1]. Однако в сетях с компенсированной нейтралью директивным источником информации определяются выбор, установка и эксплуатация дугогасящих катушек типа ЗРОМ.

Основными недостатками устройства являются компенсация емкостных токов однофазных замыканий на землю, превышающих указанные величины, только с точки зрения исключения вероятности теплового пробоя изоляции между фазами электрооборудования и силовых кабелей с возникновением двухфазных коротких замыканий с последующим отключением питаемого фидера от питающей секции, сохранение величин перенапряжений при перемежающихся дугах однофазных замыканий на землю, свойственных режиму изолированной нейтрали сети, с последующим развитием феррорезонансных процессов в результате перемагничивания магнитных систем измерительных трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, НТМИ и т.д., приводящих к повреждениям их высоковольтных обмоток феррорезонансными токами и обесточению питающей секции со всеми нагрузками подключенных кабельных фидеров, отрицательные воздействия перенапряжений перемежающихся дуг однофазных замыканий на изоляцию всей электрически связанной сети, приводящих к многоместным однофазным замыканиям различных фаз, нарушению селективности работы релейной защиты и технически не обоснованному отключению питаемых кабельных фидеров, недокомпенсации малых емкостных токов однофазных замыканий на землю в результате ступенчатого регулирования переключающим устройством индуктивности дугогасящих катушек, приводящих к возрастанию величин перенапряжений до 3,1 U_ф и более с повреждениями изоляции обмоток электрических двигателей, воздействие перенапряжений перемежающихся дуг однофазных замыканий и токов феррорезонансных процессов, приводящих к перегораниям замкнувшихся на землю фаз, а следовательно, возникновению неполнофазных режимов с сохранением перемежающихся дуг со стороны источников питания, что приводит к перенапряжениям до 6,5 U_ф и повреждениям изоляции кабелей и силовых трансформаторов, отключение поврежденных участков сети при сложных аварийных режимах, что приводит к коммутационным перенапряжениям на фидерных выключателях с последующим возникновением неисчезающих во времени колебательных процессов на питающей секции и оставшихся кабельных присоединениях до последующего повреждения изоляции электрооборудования, включая силовые трансформаторы и кабели с повышенным уровнем изоляции, что, в свою очередь, приводит к обесточению питающей секции секционными выключателями, комплексное воздействие внутренних перенапряжений и феррорезонансных процессов, что приводит к перекрытиям изоляции ячеек комплексных распределительных устройств и их возгораниям, приводящим к весьма существенным экономическим убытком.

Попытки научно-исследовательских институтов создать дугогасящие катушки с автоматической регулировкой на основе продольного, поперечного, продольно-поперечного и других всевозможных принципов ограничивались только весьма ненадежными и совершенно неэффективными опытными образцами, которые в настоящее время практически нигде не эксплуатируются.

Известно устройство, принятое за прототип и представляющее собой дугогасящий агрегат типа ТАДТМ-30/10 кВ, предназначенный для компенсации емкостных токов замыкания на землю величиной 2,5 и 5 А в распределительных сетях 6-10 кВ [2], который имеет трехфазную высоковольтную обмотку, соединенную по схеме звезды с выведенной нейтралью и подсоединяемую линейными выводами к фазам питающей секции через трехфазый разъединитель, а нейтралью непосредственно к земле. Низковольтная обмотка дугогасящего агрегата соединена по схеме разомкнутого треугольника с подсоединенным к ее выводам через однофазный разъединитель реактором с двухпозиционным переключающим устройством.

Основными недостатками прототипа являются недостаточная эффективность постоянно подсоединенного резистора с минимально допустимой величиной сопротивления 25 Ом между выводами разомкнутого треугольника вторичной обмотки трансформатора напряжения для хотя бы только ограничения феррорезонансных процессов, недостаточная эффективность ограничения перенапряжений перемежающейся дуги, возникающих при малых емкостных токах недокомпенсации или индуктивных токах перекомпенсации порядка 0,8-2,5 А, невозможность эффективного использования резисторов с эффективными величинами сопротивлений во вторичной обмотке дугогасящего агрегата типа ТАДТМ-30/10 кВ для ограничения параметров токов и перенапряжений феррорезонансных процессов, а следовательно, нерешенная техническая проблема исключения развития процессов внутренних перенапряжений в цепочечно-каскадной последовательности, отсутствие необходимой эффективности по ограничению параметров токов и перенапряжений при переходных и колебательных процессах с повышенными частотами по сравнению с промышленной частотой, недостаточная эффективность ограничения внутренних перенапряжений и особенно токов феррорезонансных процессов в результате воздействий емкостных зарядных токов в неповрежденных фазах при однофазных токах замыкания на землю.

Целью изобретения является гашение феррорезонансных процессов и ограничение параметров внутренних перенапряжений до безопасных величин для изоляции электротехнического оборудования на основе комплексного взаимодействия между элементами предлагаемого устройства с помощью обеспечения селективности работы устройств релейной защиты и автоматики как при нормальных, так и аварийных режимах работы распределительных сетей указанного напряжения.

Цель достигается тем, что устройство гашения феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью содержит трансформатор напряжения, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду с глухозаземленной нейтралью и подсоединена к питающей сети непосредственно, основная низковольтная обмотка соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом, а дополнительная низковольтная обмотка соединена по схеме разомкнутого треугольника, причем к выводам основной низковольтной обмотки подключена через нормально разомкнутый трехфазный коммутационный аппарат трехфазная балластная резисторная нагрузка, соединенная по схеме звезды с выведенным нулевым проводом, а нулевые выводы резисторной нагрузки и основной низковольтной обмотки соединены непосредственно электрической связью и имеют глухое заземление, к выводам дополнительной низковольтной обмотки подсоединены основной резистор непосредственно и дополнительный резистор через нормально разомкнутый однофазный коммутационный аппарат при наличии глухого заземления между ними, дугогасящий трансформатор, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду с нейтралью, заземленной через первичную обмотку трансформатора тока, и подключена к питающей секции через замкнутый трехфазный разъединитель, а низковольтная обмотка соединена в разомкнутый треугольник, к выводам которой подсоединен через замкнутый однофазный разъединитель низковольтный реактор, причем один из выводов низковольтной обмотки заземлен, цепь управления, состоящая из вторичных цепей трансформатора тока в глухозаземленной нейтрали высоковольтной обмотки дугогасящего агрегата, которые подсоединены непосредственно к вводу блока релейной защиты, к выводу которого подсоединены блок включения трехфазного коммутационного аппарата и реле времени, к выводу которого подсоединен блок включения однофазного коммутационного аппарата.

По сравнению с прототипом существенными отличительными признаками являются трехфазная резисторная нагрузка, соединенная по схеме звезды с выведенным нулевым проводом и подсоединенная выводами через нормально разомкнутый трехфазный коммутационный аппарат к выводам основной низковольтной обмотки трансформатора напряжения с непосредственной электрической связью и глухим заземлением их нейтралей, дополнительный резистор, подсоединенный между выводами дополнительной низковольтной обмотки через нормально разомкнутый однофазный коммутационный аппарат параллельно основному резистору, причем электрическая связь между дополнительным резистором и коммутационным аппаратом заземлена, цепь управления, соединяющая вывода вторичных цепей трансформатора тока в глухозаземленной нейтрали высоковольтной обмотки дугогасящего агрегата с блоком релейной защиты, к выводу которого подсоединены блок включения трехфазного коммутационного аппарата и реле времени, к выводу которого подсоединен блок включения однофазного коммутационного аппарата, что обеспечивает всей заявляемой совокупностью признаков соответствие критерию "новизна".

Гашение феррорезонансных процессов и ограничение внутренних перенапряжений до безопасных величин для изоляции электротехнического оборудования на основе комплексного взаимодействия между элементами устройства, комбинированная связь между устройствами релейной защиты и автоматики с обеспечением селективности их работы в функциональной зависимости от функционирования элементов устройства при аварийных режимах в сетях, использование воздействий результирующего тока феррорезонансных, аварийных и переходных процессов I_ф в глухозаземленной нейтрали высоковольтных обмоток дугогасящего реактора на цепи управления элементами устройства, эффективное снижение вероятности возникновения двухфазных коротких замыканий, приводящих к аварийным отключениям потребителей электрической энергии, а также повышение экономической эффективности эксплуатации электрических сетей с изолированной нейтралью и электроснабжения промышленных предприятий обеспечивают соответствие предложенного технического решения критерию "положительный эффект".

По отличительным существенным признакам был проведен поиск известных pешений в науке и технике. Известных решений не найдено. Следовательно, заявленное решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит трансформатор 1 напряжения, высоковольтная обмотка 2 которого соединена в звезду с глухозаземленной нейтралью 3 и линейными выводами подсоединена к питающей сети 4, основная низковольтная обмотка 5 соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом 6, а дополнительная низковольтная обмотка 7 соединена по схеме разомкнутого треугольника. К выводам основной низковольтной обмотки подключена через нормально разомкнутый трехфазный коммутационный аппарат 8 трехфазная резисторная нагрузка 9, соединенная по схеме звезды с выведенным нулевым проводом 10. Нулевые выводы резисторной нагрузки и основной низковольтной обмотки имеют глухое заземление. К выводам дополнительной низковольтной обмотки подсоединены основной резистор 12 непосредственно и дополнительный резистор 13 через нормально разомкнутый однофазный коммутационный аппарат 14 при наличии глухого заземления 15 между ними. Устройство содержит также дугогасящий трансформатор 16, высоковольтная обмотка 17 которого соединена в звезду с нейтралью 18, заземленной через первичную обмотку трансформатора 19 тока, и подключена к питающей сети через замкнутый трехфазный разъединитель 20, а низковольтная обмотка 21 соединена в разомкнутый треугольник, к выводам которой подсоединен через замкнутый однофазный разъединитель 22 регулируемый низковольтный реактор 23, причем один из выводов низковольтной обмотки имеет заземлитель 24. Цепь управления состоит из блока 25 релейной защиты, подсоединенного к вторичным выводам трансформатора 19 тока, к выводам которого подсоединены блок 26 включения трехфазного коммутационного аппарата и реле 27 времени, к выводу которого подсоединен блок 28 включения однофазного коммутационного аппарата.

В нормальном режиме работы параллельное подсоединение к питающей сети 4 трансформатора 1 напряжения и дугогасящего трансформатора 16 обеспечивает эффективную шунтировку высоковольтной обмотки 2 с большим индуктивным сопротивлением высоковольтной обмотки 17 с относительно весьма меньшим индуктивным сопротивлением при их заземленных нейтралях 3 и 18 соответственно. Наличие дополнительного резистора 13, подсоединенного между одним из выводов дополнительной низковольтной обмотки 7 трансформатора 1 напряжения и заземлением 15, при отключенном коммутационном аппарате 14, заземление нулевого провода 6 основной низковольтной обмотки 5 на заземлитель 11, постоянная электрическая связь между нулевыми проводами 6 и 10 обмотки 5 трансформатора 1 напряжения и трехфазной резисторной нагрузки 9, а также наличие вторичных цепей трансформатора 19 тока в нейтрали 18 обмотки 17 дугогасящего трансформатора 16 обеспечивает ограничение перенапряжений перемежающейся дуги однофазного замыкания на землю и готовность комплексного взаимодействия между элементами защитного устройства при возникновении феррорезонансного процесса, а следовательно, появление феррорезонансного тока I_ф в нейтрали 18.

При возникновении однофазных токов замыкания на землю малых величин порядка до 2,5 А в кабельных сетях с изолированной нейтралью перенапряжения при перемежающихся дугах достигают величин не менее на поврежденной фазе 1,7 U_ф, на неповрежденных фазах 3,1 U_ф и на нейтрали силового трансформатора собственных нужд 2,5 U_ф. Величины указанных перенапряжений практически сохраняются и при наличии компенсации емкостных токов замыкания на землю с помощью дугогасящих катушек, подсоединяемых в нейтраль высоковольтных обмоток силового трансформатора с помощью разъединителя, когда силовой трансформатор подключен с помощью коммутационного аппарата к питающей секции.

Указанные перенапряжения являются причиной дальнейшего развития аварийного режима с возникновением феррорезонансного процесса по причине перенасыщения магнитных систем трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, НТМИ и др. с тепловым повреждением высоковольтных обмоток увеличенными токами, возникающими по причине резкого снижения их индуктивного сопротивления.

Аналогичные феррорезонансные процессы возникают и при неполнофазных режимах в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, появляющихся при обрыве фаз в результате ее перегорания от воздействия токов однофазных замыканий на землю. Причиной возникновения повышенных напряжений в данном случае, предшествующих феррорезонансным, являются резонансные перенапряжения, возникающие в результате соизмеримости емкостей оставшихся под напряжением неповрежденных фаз и фазных индуктивностей обмоток силовых трансформаторов.

Возникновению феррорезонансных процессов при неполнофазных режимах способствует и наличие емкостных зарядных токов на неповрежденных фазах и участках поврежденных фаз, оставшихся под напряжением со стороны питающего трансформатора.

В предлагаемом защитном устройстве компенсация возникающих однофазных токов замыканий на землю малых величин осуществляется дугогасящим трансформатором 16, компенсирующий режим которого обеспечивается с помощью регулируемого низковольтного реактора 23, подсоединенного через замкнутый однофазный разъединитель 23 к выводам низковольтной обмотки 21 при заземлении одного из выводов указанной обмотки с помощью заземлителя 24.

Однако перенапряжения при остаточном токе замыкания на землю в режиме недо- или перекомпенсации с учетом наличия в результирующем токе активной и высокочастотных составляющих, а также перекос напряжения по фазам после возникновения неполнофазных режимов приводят при их комплексном взаимодействии к появлению в нейтрали 18, а следовательно, и первичной обмотке трансформатора 19 тока соответствующей величины тока - Iф, обеспечивающего появление тока во вторичной цепи указанного трансформатора тока, приводящего к последовательному срабатыванию без выдержки времени блока 5 релейной защиты и блока 26 включения, обеспечивающих включение коммутационного аппарата 8, подключающего резисторную нагрузку 9 к линейным выводам основной низковольтной обмотки 5 трансформатора 1 напряжения.

С точки зрения перенапряжений при перемежающихся дугах однофазных замыканий на землю они достигают максимальных величин при малых токах, особенно порядка 0,8-2,5 А, в результате того, что, проходя через нулевое значение, дуга гасится практически мгновенно по причине ее незначительной мощности, приводя к удвоению напряжения уже в течение второго полупериода ее возникновения.

В данном случае компенсация малого емкостного тока замыкания на землю соответствующей фазы осуществляется автоматически индуктивностью высоковольтной обмотки 17 этой же фазы дугогасящего трансформатора 16. Одновременно с этим благодаря практически одновременному подключению трехфазной резисторной нагрузки 9 по вышеуказанной схеме к выводам обмотки 5 происходит необходимое шунтирование тока намагничивания i в магнитопроводе трансформатора 1 напряжения, чем обеспечивается исключение перенасыщения железа выше допустимой нормы как минимум с точки зрения возникновения феррорезонансного процесса, хотя конструктивно можно обеспечить даже сохранение режима насыщения магнитопровода величиной, предшествующей аварийному режиму, что особенно эффективно благодаря глухому заземлению нулевого провода 10 с помощью заземления 11.

Указанный режим нагрузки низковольтной обмотки 5 эффективно ограничивает колебательный процесс, предшествующий началу развития переходного процесса с последующим возникновением и стабилизацией феррорезонанса с опасными величинами токов и перенапряжений. Однако при определенных обстоятельствах работы коммутационного аппарата 8 с точки зрения временных моментов обрыва токов и напряжений, а также с учетом возникновения внутренних перенапряжений, особенно коммутационных, резисторной нагрузки может оказаться недостаточно в первое мгновение времени при возникновении перемежающейся дуги.

К этому моменту уже сработает реле 27 времени с последующей работой блока 28 включения, приводящего к включению коммутационного аппарата 14, обеспечивающего эффективную шунтировку линейных выводов низковольтной обмотки 7 с помощью двух резисторов 12 и 13, подсоединенных параллельно и обеспечивающих снижение результирующего сопротивления указанных резисторов согласно допустимым нормам при кратковременной перегрузке низковольтной обмотки 7 благодаря комплексному функциональному взаимодействию между резисторной нагрузкой 9 на выводах обмотки 5 и резисторами 12 и 13 между выводами обмотки 7, а также наличию нулевых проводов 6 и 10, имеющих глухое заземление 11, глухого заземления 15 одного из выводов обмотки 7 и цепи управления с релейными устройствами 19, 25, 26 27 и 28, срабатывающими автоматически в зависимости от установки тока срабатывания блока 25 релейной защиты, выбираемого в зависимости от фактический величины тока Iф в нейтрали 18 высоковольтной обмотки 17 дугогасящего трансформатора 16.

Таким образом, благодаря комплексному взаимодействию между названными элементами защитного устройства и их функциональной взаимосвязи от тока I_ф исключаются возникновения феррорезонансных явлений с опасными для изоляции электрооборудования параметрами перенапряжений и токов, т.е. исключается развитие аварийного режима в цепочечно-каскадной последовательности при эффективно ограниченных по величине перенапряжений перемежающейся дуги однофазного замыкания на землю.

Важно отметить и то, что в реальных условиях эксплуатации кабельных электрических сетей промышленных предприятий в результате появления местных дефектов в кабельных воронках или соединительных муфтах при однофазных токах замыкания на землю возникают неполнофазные режимы в связи с перегоранием фаз на питаемых фидерах, а следовательно, и на питающих секциях, которые могут привести к колебательным процессам с повышенными напряжениями, воздействующими на всю электрически связанную сеть при соответствующих пониженных или повышенных частотах по сравнению с промышленной частотой.

Длительность воздействия повышенных напряжений при наличии местных дефектов изоляции и кумулятивного эффекта приводит к возникновениям коротких замыканий с последующим отключением поврежденного участка коммутационным аппаратом и появлением нежелательных коммутационных процессов.

Более того, колебательные процессы могут сохраняться на питающих секциях даже после успешного отключения поврежденного участка сети, что приводит к необходимости хотя и кратковременного, но незамедлительно и полного обесточения питающей секции с последующим ее включением. Это существенно усложняет обеспечение требуемой селективности работы существующей типовой релейной защиты при сложных комбинациях аварийных режимов и переходных процессов, воздействующих одновременно. Предлагаемое защитное устройство исключает все эти нежелательные явления.

Необходимо отметить, что комплексное и функциональное взаимодействие элементов предложенного защитного устройства по реализации технических возможностей ограничения внутренних перенапряжений с выявлением и полным гашением феррорезонансных процессов обеспечивают результирующий и существующий экономический эффект.