RU194369U1

RU194369U1 - Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети

Info

Publication number: RU194369U1
Application number: RU2019118852U
Authority: RU
Inventors: Владимир Егорович Качесов; Роман Андреевич Финашин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ЭНЕРГОКОНСАЛТ"
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2019-12-09

Abstract

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей.Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети состоит из заземляющего резистора с постоянным активным сопротивлением, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети (ЭС), а вторым выводом к условному аноду составной последовательной цепи симисторов, условный катод которой заземлен. Симисторы управляют электронным устройством, в состав которого входит дифференцирующая R-C цепь, однополярные одновибраторы, транзисторные ключи и запускающий трансформатор с количеством вторичных обмоток управления, равным количеству симисторов.При неустойчивых дуговых замыканиях на землю в трехфазной ЭС дифференцирующая R-C цепь формирует импульсы, запускающие одновибраторы, импульсы которых открывают транзисторы-ключи, и на выходе запускающего трансформатора формируется напряжение, открывающее все симисторы. Нейтральный (заземляющий) резистор подключается к нейтрали ЭС, снижая напряжение на нейтрали ЭС и дуговые перенапряжения. При устойчивом замыкании симисторы закрыты, и заземляющий резистор отключен от нейтрали ЭС, она работает с изолированной нейтралью, в месте замыкания протекает только емкостный ток.Технический эффект заключается в исключении режима невключения одного или нескольких симисторов. Это значительно уменьшает энерговыделение в защитных варисторах, позволяет снизить их массо-габариты (и всего заземляющего устройства в целом), а также снизить рабочую температуру и повысить надежность работы устройства.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей.

Известно резистивное заземление, представляющее постоянный заземляющий резистор (R_N) [Н.Н. Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып. 11, С. 84-101], включаемый между нейтралью сети и контуром заземления станции или подстанции. Такое устройство заземления применяется в сетях с малыми емкостными токами замыкания на землю (ЕТЗЗ), максимальные значения которых для сетей разных классов напряжения устанавливаются нормативными документами [Правила устройства электроустановок. - Изд. 7-ое., НЦ ЭНАС, 2008]. Заземляющий резистор R_N выбирается из условия приблизительного равенства емкостного тока замыкания на землю (I_C) активному току замыкания на землю:

где С_ф - фазная емкость сети;

U_ф - фазное напряжение сети;

ω - угловая промышленная частота.

Активный ток замыкания обусловлен включением R_N в нейтраль электрической сети. Такой способ заземления позволяет снизить перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), что уменьшает электрическую нагрузку на изоляцию, в основном, неповрежденных фаз электрической сети и увеличивает ее срок службы.

Однако включение резистора в нейтраль сети ведет к увеличению установившегося полного тока замыкания на землю

При выборе резистора из условия I_R≅I_C увеличение тока замыкания на землю составляет

раз. Повышенный ток замыкания на землю ухудшает условия самогашения заземляющей дуги (препятствует ее быстрому самогашению), снижает электробезопасность сети; в самом заземляющем резисторе выделяется значительная энергия, поскольку к нему прикладывается фазное напряжение (U_ф) в режиме устойчивого замыкания.

Кроме того, известно устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети, взятое в качестве прототипа, состоящее из заземляющего/нейтрального резистора R_N, и последовательно включенного с ним полупроводникового ключа. В качестве ключа используется симистор или блок симисторов, представляющий собой последовательно соединенную цепь симисторов [Патент РФ 2454769. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети // Качесов В.Е., БИ №18, 2012], на которую подается сигнал запуска с дифференцирующе-запускающей цепи, включенной между нейтралью сети и контуром заземления. При дуговых замыканиях на землю (пробоях фазной изоляции) в нейтрали электрической сети формируется скачкообразное напряжение (u_N(t)). Производная напряжения (du_N(t)/dt), имеющая форму коротких импульсов, запускает симисторный блок при каждом пробое фазной изоляции сети, снижая напряжение в нейтрали сети и, соответственно, дуговые перенапряжения. При установлении устойчивого замыкания напряжение в нейтрали сети имеет форму близкую к синусоиде промышленной частоты (u_N(t)=U_фмsin(ωt), U_фм - фазное максимальное напряжение). В связи с этим производная напряжения (du_N/dt=ωU_фмcos(ωt)) мала в силу малого значения ω, симисторы не отпираются, и сеть работает с изолированной нейтралью.

Симисторный ключ, изготовленный из одного симистора, может выполнять функции полупроводникового ключа. Однако массовый выпуск высоковольтных симисторов, рассчитанных на напряжение 10-30 кВ технически сложен, поэтому полупроводниковый ключ собирают из последовательной цепи симисторов, каждый из которых запускается/отпирается от отдельной вторичной обмотки запускающего трансформатора. Во время горения заземляющей перемежающейся дуги происходит снижение диэлектрических свойств дефектного участка изоляции, и напряжение повторного дугового пробоя фазной изоляции уменьшается; одновременно становятся меньше скачки напряжения в нейтрали сети. При снижении напряжения дугового пробоя фазной изоляции и скачков напряжения в нейтрали сети ниже порогового критического значения, запуск симисторного ключа не происходит из-за малого значения напряжения запуска (т.е. малого значения du_N/dt). Чувствительность симисторов в последовательной цепи отличается в силу естественного разброса их параметров (токов управления). Подача с обмоток управления запускающего трансформатора на переходы симисторов управляющий электрод-условный катод напряжения меньшего требуемого для отпирания конкретного экземпляра приводит к зажиганию/отпиранию лишь части симисторов. При этом под действием напряжения на нейтрали электрической сети протекает ток по цепи: заземляющий резистор, защитные варисторы неоткрывшихся симисторов, открытые симисторы. В защитных варисторах неоткрытых симисторов будет выделяться значительная энергия. При многократных частых пробоях фазной изоляции, формирующих относительно малый сигнал запуска (соизмеримый с порогом чувствительности устройства), повышенная энергия будет выделяться в защитных варисторах, включенных параллельно малочувствительным к запуску симисторам. Для защиты таких симисторов от перенапряжений требуются варисторы большой энергоемкости (мощности). Это приводит к необходимости применения варисторов с большими массо-габаритами, их интенсивному принудительному охлаждению, увеличению размеров устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети.

Рассмотри вариант, когда симисторный ключ состоит из 10-ти последовательно включенных симисторов, и напряжение на каждом симисторе не должно превышать U_max=1 кВ. Наибольшее напряжение на самом малочувствительном к отпиранию симисторе возникнет при включении всех остальных (девяти) симисторов. Предположим, что в трехфазной сети с линейным напряжением 10 кВ коэффициент резистивной компенсации ЕТЗЗ равен единице K_R=I_R/I_C=1, тогда R_N=(3ωC_ф)^-1. Исходя из максимально допустимого ЕТЗЗ=20 А при С_ф=2,6 мкФ, сопротивление заземляющего резистора в нейтрали сети R_N=408 Ом. Максимальное начальное напряжение в нейтрали сети после самопогасания заземляющей дуги может приблизительно достигать U_N0≅1,4U_фм [Качесов В.Е. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях / В.Е. Качесов, B.Н. Ларионов, А.Г. Овсянников // Электрические станции. - 2002. - №8. - C. 38-45.], а пороговое значение, при котором симисторы уже не включаются, примем равным U_пор≅0,25U_N0=0,35U_фм. Значительный ток через защитный варистор будет протекать до тех пор, пока напряжение на нейтрали сети не снизится (по абсолютному значению) до классификационного (остающегося) напряжения на защитном варисторе при токе 1 мА (U_1мА). Для современных варисторов на основе окиси цинка его приближенно можно принять равным U_1мА≅0,8U_100A (U_100A - остающееся напряжение на варисторе при токе 100 А). При принятом K_R=1 ток в заземляющем резисторе приблизительно будет изменяться в соответствии с выражением:

где R_д - дифференциальное сопротивление варистора в области его рабочих токов (1-100 А).

В силу того, что сопротивление заземляющего резистора на порядок и более превышает дифференциальное сопротивление варистора, т.е. R_N>>R_д, последним можно пренебречь, и энергия, выделяющаяся в защитном варисторе за полупериод промышленной частоты, составит:

Для рассматриваемого примера трехфазной электрической сети напряжением 10 кВ энергия составляет E_var=11,3 Дж. При нескольких пробоях в течение одного полупериода промышленной частоты, сокращается время протекания тока и, соответственно, время интегрирования, но увеличивается количество импульсов тока, что стабилизирует значение выделяемой в варисторе энергии.

Если предположить длительные пробои фазной изоляции с выделением указанной энергии каждый полупериод промышленной частоты ω=100π, то максимальная мощность, выделяемая в защитном варисторе составит P_var=1130 Вт.Установка варисторов указанной большой мощности в ограниченном пространстве устройства заземления нейтрали трехфазной электрической сети технически сложна, дополнительный подогрев выделяемой энергией полупроводниковых ключей (симисторов) снижает их рабочие характеристики и надежность всего устройства в целом. Отмеченное выше является недостатками устройства.

Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является обеспечение минимального энерговыделения в защитных варисторах, повышение надежности устройства, снижение его массо-габаритных показателей.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящем из постоянного заземляющего резистора, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, вторым к условному аноду последовательной цепи симисторов, а условный катод этой последовательной цепи соединен с контуром заземления подстанции, напряжение запуска симисторов формируется электронным устройством. В этом устройстве между нейтралью трехфазной электрической сети и контуром заземления включен емкостно-резистивный делитель напряжения (С_д-R_д). Его верхнее плечо, образованное конденсатором С_д, подключено к нейтрали

трехфазной электрической сети, нижнее плечо (резистор R_д) - к контуру заземления станции или подстанции. Нижнее плечо емкостно-резистивного делителя, выполняющего дифференцирующее действие над напряжением в нейтрали сети, соединено через разнонаправленно включенные диоды с двумя ждущими одновибраторами, выходы которых соединены с соответствующими базами двух комплементарных транзисторов-ключей. Эмиттеры транзисторов подключены к общей точке - контуру заземления, а коллекторы - к первичным полу-обмоткам запускающего трансформатора. Выводы первичных обмоток подключены к запальным конденсаторам, которые через токоограничивающие резисторы и разнополярно включенные диоды подключены к вторичной обмотке питающего трансформатора. Первичная обмотка этого трансформатора подключена к сети промышленной частоты. Выводы каждой вторичной обмотки запускающего трансформатора подключены к управляющему электроду и условному катоду симистора, параллельно которому включен защитный варистор.

На чертеже приведена схема устройства импульсного подключения заземляющего резистора R_N (1) к нейтрали распределительной сети. К нейтрали сетевой обмотки питающего силового трансформатора или специальному устройству выделения нейтрали (2) одним выводом подключен заземляющий резистор R_N. Вторым выводом он соединен с условным анодом симистора (3), а его условный катод соединен с условным анодом следующего последовательно включенного симистора и т.д. Уловный катод последнего из последовательной цепи симисторов соединен с контуром заземления подстанции. Параллельно каждому симистору включен защитный варистор (4). Симистор (3), защитный варистор (4) и вторичная обмотка (5) запускающего трансформатора (6) составляют симисторный блок (7). Количество последовательно включенных блоков определяется рабочим напряжением сети высокого напряжения (ВН) и максимальным напряжением одного симистора. Устройство управления симисторным ключом состоит из дифференцирующей емкостно-резистивной цепи (С_д-R_д): конденсатор С_д (8) подключен к нейтрали сети, а резистор R_д (9), шунтированный входным варистором (10), - с контуром заземления. К резистору разнополярно подключены диоды (11), вторые выводы которых соединены с одновибраторами (12). Их выводы соединены с базами комплементарных транзисторов-ключей (13 и 14), эмиттеры которых соединены с контуром заземления. Коллекторы транзисторов-ключей соединены с первичными обмотками (15) запускающего трансформатора (6). Вторые выводы первичных обмоток (15) соединены с разрядными конденсаторами (16), подключенными через диоды (17) и резисторы (18) с вторичной обмоткой сетевого трансформатора (19), первичная обмотка (20) которого запитана от низковольтной сети промышленной частоты.

Устройство работает следующим образом. Заземляющий резистор R_N (1) выбирают из условия значительного стекания заряда, появляющегося на нейтрали электрической сети после погасания заземляющей дуги, за один полупериод промышленной частоты (T₀/2=π/ω). Принимая коэффициент резистивной компенсации ЕТЗЗ равным единице K_R=I_R/I_C=1, т.е. из условия равенства активной и емкостной составляющих тока замыкания на землю, постоянная времени стекания заряда с нейтрали электрической сети будет τ=3С_фR_N=1/ω при R_N=1/(3ωС_ф). После самогашения заземляющей дуги в момент перехода высокочастотной составляющей тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение (u_N). Под действием крутого фронта этого напряжения на нижнем плече (резисторе R_д (9)) дифференцирующей цепи С_д-R_д (8-9) возникает импульс напряжения (u_д), поступающий через один из диодов (11) на соответствующий одновибратор (12). При превышении этим импульсом u_д некоторого порогового значения одновибратор формирует импульс напряжения u_o (см. чертеж), открывающий один из транзисторных ключей (13 или 14) в зависимости от полярности импульса u_д. Запальные конденсаторы (16) предварительно заряжаются посредством сетевого трансформатора (19) от сети низкого напряжения (100-240 В, 50 или 60 Гц) и резистивно-диодной цепи (17-18). Разряд запального конденсатора (16) через первичную полу-обмотку запускающего трансформатора (15) формирует на всех вторичных обмотках (5) значительный импульс напряжения, надежно отпирающий симисторы (3) всех последовательно включенных блоков (7). Нейтраль сети ВН становится подключенной через заземляющий резистор R_N (1) и открытые симисторы (3) с контуром заземления подстанции. При снижении напряжения пробоя фазной изоляции скачок напряжения u_N в нейтрали сети и, соответственно, его производная u_д на резисторе R_д становятся малыми, запуски одновибраторов (12) не происходят; напряжение, отпирающее симисторы, не генерируется, симисторы остаются в закрытом состоянии, и заземляющий резистор оказывается изолированным относительно контура заземления.

Техническим результатом является то, что в устройстве принципиально отсутствует режим работы, когда возможно невключение одного или нескольких симисторов (3) в последовательно включенных блоках (7). Это исключает протекание больших и длительных токов по защитным варисторам (4), что позволяет радикально снизить их мощность, энерговыделение во всем устройстве заземления, что в свою очередь повышает надежность его работы и уменьшает массо-габариты варисторов.

Claims

Устройство резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящее из постоянного заземляющего резистора, подключенного одним из выводов к нейтрали электрической сети, вторым к условному аноду последовательной цепи симисторов, а условный катод этой последовательной цепи соединен с контуром заземления подстанции, отличающееся тем, что между нейтралью трехфазной электрической сети и контуром заземления включен емкостно-резистивный делитель напряжения, его верхнее плечо, образованное конденсатором, подключено к нейтрали трехфазной электрической сети, нижнее плечо - резистор, шунтированный входным варистором, - к контуру заземления; нижнее плечо емкостно-резистивного делителя соединено через разнонаправленно включенные диоды с двумя ждущими одновибраторами, выходы которых соединены с соответствующими базами двух комплементарных транзисторов-ключей; эмиттеры транзисторов-ключей подключены к общей точке - контуру заземления, а коллекторы к выводам первичных полуобмоток запускающего трансформатора; другие выводы первичных полуобмоток подключены к запальным конденсаторам, которые через токоограничивающие резисторы и разнополярно включенные диоды подключены к вторичной обмотке питающего трансформатора, его первичная обмотка подключена к сети низкого напряжения промышленной частоты; выводы каждой вторичной обмотки запускающего трансформатора подключены к управляющему электроду и условному катоду симистора, параллельно которому включен защитный варистор.