Способ компенсации полного тока однофазного замыкания

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение безопасности и надежности кабельных электросетей. Способ заключается в том, что используют разделительные конденсаторы, присоединенные к электросистеме и заземленные через включенные параллельно основной реактор и резистор. При этом на время существования однофазного замыкания подключают между опережающей фазой и землей последовательно соединенные дополнительные реактор и конденсатор. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения уровня перенапряжений и тока однофазного замыкания в электросетях, в том числе оснащенных приборами контроля сопротивления изоляции, например, в судовых электросетях, электросетях предприятий горной и нефтедобывающей промышленности, в автономных сетях, питающих потребителей первой категории и др.

Известен способ, реализованный в устройстве для компенсации полного тока замыкания на землю (Авторское свидетельство СССР №587552, МПК Н02Н 1/02, опубликовано 05.01.78). В нем предложено включать дроссель между фазой электросистемы, опережающей поврежденную фазу, и землей при возникновении в сети однофазных замыканий. Индуктивная и активная проводимости дросселя выбраны таким образом, чтобы создаваемый им полный ток компенсировал ток в месте повреждения.

Недостатком способа является то, что он не совместим со стационарной сетевой системой непрерывного контроля изоляции и не позволяет осуществлять оперативный поиск поврежденных участков изоляции сети с использованием мегаомметров. Недостатки также связаны с тем, что до момента подключения дросселя к сети дуговые перенапряжения могут развиваться также как в сетях с изолированной нейтралью и достигать наибольших величин.

Известен способ компенсации полного тока однофазного замыкания, описанный в (Н.Н. Никифоровский, Я.П. Брунав, Ю.Г. Татьянченко. Электропожаробезопасность судовых электрических систем. Л., «Судостроение», 1978. С. 45, рисунок 23в). В нем предложено нейтраль электросистемы заземлять через компенсатор, а между опережающей фазой и землей включать дополнительный реактор. Параметры компенсатора и дополнительного реактора выбираются таким образом, чтобы создаваемые ими токи компенсировали полный ток в месте замыкания.

Недостатком способа является то, что он несовместим с системой непрерывного контроля изоляции и не позволяет осуществлять оперативный поиск повреждения изоляции с использованием мегаомметров, поскольку между электросистемой и землей образуется постоянная гальваническая связь.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ ограничения перенапряжений в электросетях (RU №2342756, МПК Н02Н 9/00, опубл. 27.12.08). Согласно патенту, к сети подключаются конденсаторы, которые соединяются с землей через параллельно включенные резистор и реактор.

Недостатком способа является то, что при его применении компенсируется лишь емкостная составляющая тока однофазного замыкания на землю. Одновременно при этом добавляется активная составляющая тока замыкания, обусловленная наличием резистора в нейтрали. Кроме того, постоянное напряжение смещения нейтрали ограничивается лишь до 0.8 амплитуды фазного напряжения сети, что соответствует максимальной величине дуговых перенапряжений, равной 3.3 U_фн, где U_фн - амплитуда фазного напряжения сети. Подобное ограничение перенапряжений может оказаться недостаточным для обеспечения требуемого уровня надежности электросистемы.

Изобретение решает задачу повышения безопасности и надежности кабельных электросетей за счет снижения в них тока однофазного замыкания путем компенсации его активной составляющей, а также за счет снижения дуговых перенапряжений, достигаемого при обеспечении совместимости предлагаемого способа защиты и системы непрерывного контроля изоляции сети.

Для решения поставленной задачи в способе компенсации полного тока однофазного замыкания, включающем использование разделительных конденсаторов, присоединенных к электросистеме и заземленных через включенные параллельно основной реактор и резистор, предлагается на время существования однофазного замыкания подключать между опережающей фазой и землей последовательно соединенные дополнительные реактор и конденсатор с суммарным сопротивлением на частоте сети Х $${}_{\partial }$$ индуктивного характера, которое выбирается в соответствии со следующим выражением:

где R_N - активное сопротивление, включенное параллельно основному реактору, емкость дополнительных конденсаторов при этом должна превышать не менее чем в два раза суммарную фазную емкость электросистемы, а индуктивность основного реактора L_осн выбирать в соответствии со следующим выражением:

где ω - угловая частота сети; С_р - емкость разделительного конденсатора; С_ф - емкость каждой из фаз электросистемы; L $${}_{\partial }$$ - индуктивность дополнительного реактора.

На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:

на фиг. 1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ компенсации полного тока однофазного замыкания на землю;

на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации полного тока однофазного замыкания;

на фиг. 3 - схема физической модели, которая применялась при исследовании параметров электросети с устройством, реализующим предлагаемый способ компенсации полного тока однофазного замыкания.

На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения:

1 - разделительные конденсаторы; 2 - основной реактор; 3 - резистор; 4 - дополнительный реактор; 5 - коммутируемые контакты; 6 - дополнительные конденсаторы; 7 - обмотка электрооборудования; 8 - устройство контроля изоляции; 9 - контакт между фазой и землей; 10 - потребители; 11 - фазная емкость сети; 12 - делитель напряжения; 13 - осциллограф; 14 - амперметр; 15 - катушки управления коммутируемыми контактами; 16 - конденсатор, отделяющий реле от земли (корпуса судна); 17 - резистор для разряда дополнительных конденсаторов; - вектор ЭДС поврежденной фазы; - вектор емкостной составляющей тока однофазного замыкания; - вектор активной составляющей тока однофазного замыкания, обусловленной активным сопротивлением резистора 3; - вектор индуктивной составляющей тока однофазного замыкания, обусловленной основным реактором 2; - вектор индуктивной составляющей тока однофазного замыкания, обусловленной дополнительными реактором 4 и конденсаторами 6.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ компенсации полного тока однофазного замыкания. Устройство состоит из разделительных конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, которая заземляется через основной реактор 2 и резистор 3, включенные параллельно друг другу, а также из последовательно соединенных дополнительных реактора 4 и конденсаторов 6, включаемых на время существования однофазного замыкания между опережающей фазой электросистемы и землей через коммутируемые контакты 5.

На фиг. 2 изображена векторная диаграмма токов при заданном векторе ЭДС поврежденной фазы поясняющая принцип компенсации полного тока однофазного замыкания. При замыкании фазы на землю в месте повреждения появляется ток, включающий в себя следующие составляющие. Емкостная составляющая этого тока обусловлена фазными емкостями электросистемы. Частично этот ток компенсируется токами и которые создаются резистором 3 и основным реактором 2. Включаемый в опережающую фазу дополнительный реактор 4 создает ток который также протекает в месте замыкания.

Параметры основного и дополнительного реактора подбираются таким образом, чтобы сумма векторов токов была равна нулю.

Ограничение дуговых перенапряжений происходит в результате перераспределения заряда после гашения дуги. Этому способствует наличие емкости дополнительных конденсаторов 6, которая остается подключенной в момент гашения дуги. В результате этого снижается величина напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу за счет перераспределения зарядов между емкостями электросистемы и устройства компенсации тока однофазного замыкания. Перераспределение происходит в соответствии со вторым законом коммутации, согласно которому суммарный заряд на емкостях, подключенных к фазам электросистемы, остается неизменным при гашении заземляющей дуги. Заряд на емкостях электросистемы в момент, предшествующий гашению дуги, определяется следующим выражением:

где u_B, u_C - напряжения на фазах в момент гашения дуги; u $${}_{\partial }$$ - напряжение в этот же момент на дополнительной емкости; С_ф - емкость каждой из фаз электросистемы 11; С $${}_{\partial }$$ - емкость дополнительного конденсатора 6.

Если допустить, что гашение дуги происходит после затухания переходных процессов, то можно использовать соотношения для цепей синусоидального тока. В соответствии с ними, в момент после гашения дуги заряд на емкостях электросистемы будет описываться следующим выражением:

где u_N - напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу относительно земли; С_р - емкость разделительных конденсаторов; Х_C - емкостное сопротивление дополнительного конденсатора 6 в установившемся режиме; X_L - индуктивное сопротивление дополнительного реактора 4 в установившемся режиме.

Согласно второму закону коммутации суммарный заряд на емкостях не может измениться скачком, а следовательно, справедливо равенство q $${}_{\partial г}$$ =q $${}_{nг}$$ , где q $${}_{\partial г}$$ - заряд на емкостях электросистемы в момент перед гашением дуги; q $${}_{nг}$$ - заряд на емкостях электросистемы после гашения дуги.

Исходя из этого равенства, а также с учетом того, что напряжение u $${}_{\partial }$$ пренебрежимо мало по сравнению с напряжениями на фазных емкостях u_B и u_C, Х_C пренебрежимо мало по сравнению с X_L, можно получить следующее выражение для напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу u_N:

Согласно этому выражению напряжение смещения нейтрали в электросистемах при использовании предлагаемого способа будет ниже, чем в электросистемах, описанных в ближайшем аналоге, а при С $${}_{\partial }$$ ≥2·3С_ф снижение u_N будет в два раза. Поскольку величина u_N определяет перенапряжения, возможные при последующем замыкании фазы на корпус, то можно сделать вывод и о снижении их максимальных величин.

Пример реализации способа показан на фиг. 3, где представлена схема физической модели сети с подключенным устройством, осуществляющим предлагаемый способ компенсации полного тока однофазного замыкания. Напряжение сети 230 В, фазные емкости сети 11: С_A=8.1 мкФ; С_B=7.9 мкФ; С_С=7.9 мкФ. Для контроля изоляции сети используется прибор «Электрон-1» 8, осуществляющий измерение сопротивления изоляции. Реализация способа заключается в том, что к сети подключаются: основной реактор 2 и резистор 3 сопротивлением 2000 Ом. Дополнительные конденсаторы 6 и реактор 4 подключаются через коммутируемые контакты 5, которые управляются катушками 15, при этом катушки соединяются с землей через конденсатор 16. Для разряда дополнительных конденсаторов 6 используется резистор 17. Суммарная емкость дополнительных конденсаторов 6 должна превышать двойную сумму фазных емкостей, а именно 2·(8.1 мкФ+7.9 мкФ+7.9 мкФ)=47.8 мкФ. Такая емкость была набрана из десяти конденсаторов типа ЛСЕ-5.9 и составила 59 мкФ. Из выражения (1) следует, что индуктивность дополнительного реактора 4 должна быть выбрана в соответствии со следующим выражением:

где ω - угловая частота сети; R_N - активное сопротивление, включенное параллельно реактору; С $${}_{\partial }$$ - емкость дополнительных конденсаторов.

В соответствии с расчетом по этому выражению индуктивность реактора 4 составила 5.6 Гн. Емкость разделительных конденсаторов 1 набрана из десяти конденсаторов типа ЛСЕ-5.9, она составила по 59 мкФ на каждую фазу при реализации способа.

Индуктивность реактора 2 выбрана в соответствии со следующим выражением:

ее величина составила 0.46 Гн.

Для проверки влияния действия способа компенсации на величину тока однофазного замыкания осуществлялся устойчивый контакт одной из фаз на корпус. Ток замыкания регистрировался амперметром 8. Кроме того, при помощи осциллографа 13 регистрировались дуговые перенапряжения на неповрежденной фазе при неустойчивом контакте одной из фаз с заземленным корпусом. Ниже в таблице приведены результаты сопоставления измерения указанных величин при реализации предлагаемого способа компенсации с другими вариантами защиты, а именно способом компенсации полного тока однофазного замыкания по схеме, подобной предлагаемому способу, но с дополнительной емкостью, не превышающей двойной суммы фазной емкости (С $${}_{\partial }$$ =12 мкФ; L $${}_{\partial }$$ =6.3Гн); способом, описанным в ближайшем аналоге; изолированной нейтралью.

Как видно из таблицы, при использовании предлагаемого способа обеспечиваются наименьшие значения тока однофазного замыкания и величины дуговых перенапряжений. Также из фиг. 3 видно, что в нормальном режиме электросеть оказывается изолированной от земли по постоянному току, тем самым обеспечивается возможность непрерывного контроля изоляции. Кроме того, обеспечивается возможность поиска места замыкания фазы на корпус с использованием мегаомметра 8.

Таким образом, видно, что реализованная схема позволяет снизить величину тока однофазного замыкания и снизить дуговые перенапряжения при одновременном обеспечении возможности непрерывного контроля изоляции и поиска места однофазного замыкания проводимых с использованием мегаомметра, решая этим поставленную задачу повышения безопасности и надежности электросети.

Способ компенсации полного тока однофазного замыкания, включающий использование разделительных конденсаторов, присоединенных к электросистеме и заземленных через включенные параллельно основной реактор и резистор, отличающийся тем, что на время существования однофазного замыкания подключают между опережающей фазой и землей последовательно соединенные дополнительные реактор и конденсатор с суммарным сопротивлением на частоте сети Х_∂ индуктивного характера, которое выбирают в соответствии со следующим выражением:
$$X_{\partial }=\frac{R_N\cdot \sqrt{3}}{2}$$ ,
где R_N - активное сопротивление, включенное параллельно основному реактору, при этом емкость дополнительных конденсаторов выбирают не менее чем в два раза больше суммарной фазной емкости электросистемы, а индуктивность основного реактора L_осн выбирают в соответствии со следующим выражением:
$$L_{осн}=\frac{L_{\partial }}{3\cdot {\omega }^2\cdot L_{\partial }\cdot C_{ф}-\mathrm{1,5}}+\frac{1}{{\omega }^2\cdot {С}_{р}}$$ ,
где ω - угловая частота сети; С_р - емкость разделительного конденсатора; С_ф - емкость каждой из фаз электросистемы; L_∂ - индуктивность дополнительного реактора.