Zapojení pro kompenzaci činné a jalové složky proudu vmiste zemního spojení a vyrovnávání fázových napětí v bezporuchovém stavu sítě

Oblast techniky

Vynález se týká kompenzace poruchových proudů ve střídavé elektrické síti v místě zemního spojení a v bezporuchovém stavu střídavé elektrické sítě slouží pro vyrovnání fázových napětí.

Dosavadní stav techniky

Pro kompenzaci zemních kapacitních proudů sítě se využívá tlumivka instalovaná mezi uzel sítě a zemní potenciál nebo tlumivka instalovaná do sekundárního vinutí Bauchova transformátoru. Tyto systémy neumožňují kompenzovat činnou složku poruchového proudu zemního spojení. Navíc při využití těchto systémů se k poruchovému proudu zemního spojení přičítá i činná složka proudu tlumivky způsobená ztrátami v tlumivce.

Systémy pro kompenzaci činné složky poruchového proudu jsou založeny na principu injektování proudu do pomocného vinutí tlumivky zapojení mezi uzel sítě a zemní potenciál. Tyto systémy jsou však energeticky náročné, a proto mimo dobu zemního spojení nejsou příliš využívány.

V bezporuchovém stavu při ladění tlumivky v sítích s vysokou fázovou nesymetrií, způsobenou zejména rozdílnou fázovou zemní kapacitou sítě, dosahuje nulová složka napětí vysokých hodnot a fázová napětí vykazují vysokou míru nesymetrie. Nesymetrie je pak eliminována rozladěním tlumivek nebo dodatečným zatlumením rezonančního obvodu přídavnými odpomíky. Tato opatření ve svém důsledku mohou zvyšovat hodnotu zemního poruchového proudu sítě v případě zemního spojení.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je snížit velikost poruchového proudu v místě zemního spojení a v bezporuchovém stavu umožnit kompenzaci fázové napěťové nesymetrie.

Tohoto cíle lze dosáhnout nastavením optimální velikosti zemní fázové reaktance induktivního charakteru vzhledem k zemní fázové kapacitě sítě příslušné fáze, tak aby došlo k paralelní rezonanci. Induktivní zemní fázová reaktance je zapojena mezi fázi sítě a zemní potenciál.

Oproti doposud používanému způsobu zapojení tlumivky mezi uzel sítě a zemní potenciál lze u navrhovaného řešení dosáhnout při maximální schopnosti kompenzace celkového zemního kapacitního proudu i vyrovnání fázových napětí v bezporuchovém stavu v sítích s výraznou fázovou kapacitní nesymetrií. Při zemním spojení lze cílenou změnou zemní fázové reaktance v místě zemního spojení účinně eliminovat i činnou složku poruchového proudu.

Zemní fázová reaktance induktivního charakteru může být provedena jednofázovými tlumivkami, jejichž počet odpovídá počtu fází dané sítě a jejichž provedení či zapojení umožňuje změnu výsledné fázové induktivní reaktance obvodu s tlumivkami, nebo jednou vícefázovou tlumivkou, kde počet fázových vinutí tlumivky opět odpovídá počtu fází dané sítě a jejich provedení či zapojení pomocných obvodů umožňuje změnu výsledné zemní fázové induktivní reaktance obvodu s vícefázovou tlumivkou. Vícefázová tlumivka musí mít magnetický obvod, který umožňuje uzavírání nulové složky magnetického toku. Tlumivky musí být dimenzovány na sdružené napětí sítě.

-1 CZ 296038 B6

Pro minimalizaci poruchových proudů v případě zemního spojení je ideálním stavem dosažení paralelní rezonance v každé fázi sítě mezi fázovou zemní kapacitou a instalovanou fázovou zemní reaktancí induktivního charakteru. V paralelním rezonančním obvodu je pak reaktance teoreticky nekonečná a výrazným způsobem omezuje velikost poruchového proudu v místě zemního spojení. Teoreticky lze dosáhnout nulové hodnoty zemního poruchového proudu sítě. Ve skutečnosti však i při přesném vyladění protéká místem zemního spojení činná složka poruchového proudu.

Podstata eliminace činné složky poruchového proudu v místě zemního spojení spočívá ve změně zemní fázové induktivní reaktance ve zdravých fázích. Změna zemní fázové reaktance musí být provedena tak, aby nedošlo ke změně velikosti jalové složky proudu přes zemní fázové reaktance, ale ke změně velikosti a natočení vektoru celkového proudu přes zemní fázové reaktance do místa zemního spojení. Tím jsme schopni ovlivnit velikost i směr toku činné složky poruchového proudu místem zemního spojení. Ve fázi, která následuje ve směru sledu fází od fáze s poruchou, zvýšíme hodnotu fázové zemní reaktance. Ve fázi, která je v opačném směru sledu fází od fáze s poruchou, snížíme hodnotu fázové zemní reaktance.

V bezporuchovém stavu pak lze obdobně docílit vyrovnání fázových napětí sítě. Opět se snažíme dosáhnout paralelní rezonance zemní fázové reaktance induktivního charakteru vzhledem k zemní kapacitě příslušné fáze sítě. Dosažením paralelní rezonance v každé fázi bude výsledná reaktance paralelního obvodu teoreticky nekonečná, a tím je eliminována kapacitní fázová nesymetrie. Ve skutečnosti, vlivem nepřesnosti vyladění, bývá hodnota reaktance srovnatelná nebo vyšší než hodnota svodových odporů. Symetrie napětí je potom ovlivňována výrazněji poměrem svodových odporů jednotlivých fází. Vyrovnání fázových napětí tak bude ovlivněno nesymetrií svodových odporů sítě. Nesymetrií svodových fázových odporů lze eliminovat malou změnou fázové reaktance paralelního rezonančního obvodu, což provedeme nepatrným rozladěním rezonančního obvodu s vyrovnáním fázových napětí.

Přehled obrázků na výkresu

Technické řešení je blíže objasněno pomocí přiložených obrázků. Na obr. 1 je znázorněn příklad zapojení zemních fázových reaktancí indukčního charakteru mezi jednotlivé fáze sítě a místo se zemním potenciálem. Na obr. 2 je znázorněn fázový diagram vyjadřující kompenzaci zemního kapacitního proudu. Na obr. 3 je znázorněn fázový diagram vyjadřující kompenzaci zemního kapacitního proudu s částečnou eliminací činného svodového proudu sítě při zemním spojení, která je způsobena změnou zemních fázových reaktancí.

Popis vektorů na obr. 2 a obr. 3:

I_c.........................celkový kapacitní proud sítě

I_G.........................celkový svodový proud sítě

I_L.........................celkový induktivní proud tlumivek

Iu.7, Ill3...............fázový induktivní proud tlumivek

I_dL2, IdL3...............změna proudu vyvolaná změnou fázových reaktancí tlumivek

-I_R.......................výsledná činná složka proudu tlumivek

I_RTL......................činná složka proudu tlumivek

U_Loi, Ulo2, U_Lo3 ·· napětí fází proti zemnímu potenciálu

U12, U23, U31.......sdružené hodnoty napětí

Příklad provedení vynálezu

V síti s nevyvedenou nulou je mezi fázi a zemní potenciál připojena vždy jedna zemní fázová reaktance induktivního charakteru tvořená jednofázovou tlumivkou s pomocným vinutím. Do

-2CZ 296038 B6 obvodu pomocného vinutí každé tlumivky jsou zapojeny kondenzátorové baterie s možností připojování po stupních. Podle velikosti připojené kapacity kondenzátorové baterie je měněna výsledná reaktance primárního vinutí tlumivek, a tím se provádí ladění na paralelní rezonanci se zemní kapacitou fázových vodičů sítě. Před vyladěním rezonančního obvodu tlumivky v sítích s vysokou hodnotou napěťové fázové nesymetrie je možné připínáním jednotlivých stupňů kondenzátorových baterií do jednotlivých fází částečně vyrovnat napěťovou fázovou nesymetrii v síti. Vyrovnání napěťové fázové nesymetrie se projeví snížením hodnoty nulové složky napětí a vyrovnáním fázových napětí proti zemi. Proces ladění tlumivky pak probíhá postupným připínáním stejně velkých kapacit ve všech třech fázích najednou. Tím dochází ke změně výsledné reaktance obvodů s fázovými zemními tlumivkami. Pro přibližné vyladění rezonančního obvodu s fázovou zemní tlumivkou a fázovou zemní kapacitou 2 vedení, zvolíme takovou kombinaci kapacit, při které je dosaženo maximální hodnoty nulové složky napětí. Změnou velikostí jednotlivých fázových reaktancí 1 fázových zemních tlumivek lze docílit vyrovnání fázové kapacitní nesymetrie v síti a tím i vyrovnání fázových napětí. To má za následek snížení hodnoty nulové složky napětí na minimum i v přesně vyladěném stavu fázových zemních tlumivek na paralelní rezonanci.

Při kovovém zemním spojení má postižená fáze proti zemi nulovou hodnotu napětí a příslušnou fázovou zemní tlumivkou neprotéká žádný proud. Zbývající dvě fázové zemní tlumivky mají proti zemi sdružené napětí a protéká jimi proud ^3-krát větší než v ustáleném bezporuchovém stavu. Rovněž velikost zemního kapacitního proudu 12 ve fázích nepostižených poruchou je zvětšena ^3-krát. I při zemním spojení tak zůstává paralelní rezonanční obvod neustále vyladěn a místem 4 zemního spojení protéká stejně velký celkový induktivní proud 9 fázových zemních reaktancí i celkový kapacitní proud 7 sítě. Jelikož se celkový induktivní proud 9 fázových zemních reaktancí a celkový kapacitní proud 7 sítě navzájem eliminují, místem 4 zemního spojení protéká pouze hodnota celkového činného svodového proudu 8 sítě a činného proudu 10 fázových zemních tlumivek. Činný proud 10 fázových zemních tlumivek je dán činnými ztrátami v jejich magnetickém obvodu a vinutí.

Eliminaci činné složky poruchového proudu při zemním spojení lze provést změnou indukčnosti fázových zemních tlumivek ve fázích bez poruchy. Vznikne-li například porucha ve fázi LI, lze změnou indukčnosti fázových zemních tlumivek ve fázích L2 a L3 ovlivnit výslednou velikost i případný směr toku činné složky proudu místem 4 zemního spojení. Ve fázi L2, která následuje ve směru sledu fází od fáze s poruchou, zvýšíme reaktancí fázové zemní tlumivky. Ve fázi L3, která následuje v opačném směru sledu fází od fáze s poruchou, snížíme reaktancí fázové zemní tlumivky. Vhodnou změnou velikostí reaktancí lze docílit stejné celkové hodnoty induktivního proudu 9 fázových zemních reaktancí, jaká odpovídá celkovému kapacitnímu zemnímu proudu 7 sítě. Vlivem zvýšení hodnoty proudu It,_1i3 o Lo a poklesu hodnoty proudu I_n,₇. o Li,? dojde k natočení součtového vektoru celkového proudu 5 zemními fázovými tlumivkami. Vektor proudu 5 zemními fázovými tlumivkami pak bude obsahovat složku jalového proudu 9 fázových zemních reaktancí, která má stejnou velikost proudu jako celkový kapacitní proud 7 sítě a činnou složku proudu, která bude mít opačnou orientaci než svodový proud sítě. Činná složka proudu 11 pak kompenzuje činnou složku svodového proudu 8 sítě. Při velké změně natočení vektoru celkového proudu 5 zemními fázovými reaktancemi může dojít i k otočení směru toku činné složky proudu v místě 4 zemního spojení.

Průmyslové využití

Zapojení je určeno pro kompenzaci zemních kapacitních proudů v elektrických střídavých sítích v místě zemního spojení a v bezporuchovém stavu sítě slouží k vyrovnávání fázových napětí vůči zemnímu potenciálu. Použití je výhodné v sítích s velkou hodnotou činné složky poruchového proudu při zemním spojení - např. v kabelových sítích. Využití je výhodné i tam, kde se uvažuje s přechodem z provozu sítě s izolovaným uzlem na síť s kompenzací zemních kapacitních proudů neboť toto řešení nevyžaduje vyvedení uzlu sítě.