ВЛИЯНИЕ АКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ДУГОГАСЯЩИХ РЕАКТОРОВ

Одной из основных задач, решаемых дугогасящими реакторами (ДГР) в распределительных сетях с компенсированной нейтралью, является исключение открытых горящих дуг, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Работа ДГР тем эффективнее, чем меньше энергии выделяется в месте ОЗЗ. На эту энергию влияет остаточный ток, протекающий в месте замыкания, который имеет остаточную (нескомпенсированную) реактивную составляющую, активную составляющую, обусловленную потерями в сети и в самом ДГР, а также содержит высшие гармонические составляющие, возникающие из-за несинусоидальности сетевого напряжения и нелинейности вольт-амперной характеристики ДГР.

В настоящее время обсуждается вопрос о технических требованиях к ДГР и, в частности, к необходимой точности компенсации емкостного тока ОЗЗ [1]. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) [2] указывают на необходимость обеспечения степени расстройки компенсации, не превышающей 5%. Эксперты ПАО «Россети» предлагают ужесточить это требование, ограничив максимально допустимую расстройку значением 1%. В настоящем докладе анализируется целесообразность такого ограничения с учетом активных составляющих токов ОЗЗ, характерных для отечественных распределительных сетей.

В качестве основного ориентира при оценке эффективности работы ДГР при перемежающихся дуговых ОЗЗ до настоящего времени применялся средний интервал времени между повторными зажиганиями дуги. При идеальной настройке ДГР скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги зависит от потерь в сети – чем сеть добротнее, тем медленнее затухает колебательный переходный процесс в контуре нулевой последовательности и тем медленнее восстанавливается напряжение на поврежденной фазе [3]. Расстройка реактора увеличивает скорость восстановления напряжения за счет возникновения биений в напряжении. Рассмотрим совместное действие указанных факторов более подробно.

Для оценки времени восстановления напряжения на поврежденной фазе τ можно воспользоваться полученной в [4] формулой для огибающей восстанавливающегося напряжения:

собственная частота колебаний контура нулевой последовательности сети, определяемая индуктивностью ДГР и суммой трех фазных емкостей; ω – частота сетевого напряжения.

Приравняв выражение (1) фазному напряжению сети Uф,макс и решив полученное уравнение численно, можно проанализировать влияние δа и J на время τ (рис. 1). Коэффициент успокоения сети определяется как потерями в реакторе, так и потерями в сети: δа = δа,ДГР + δа,сети. Анализ кривых на рис. 1 показывает, что расстройка компенсации сильно снижает время восстановления напряжения, что объясняется появлением биений с теоретической амплитудой, равной двум фазным напряжениям. Активные потери в сети

демпфируют колебания в контуре нулевой последовательности, что приводит к замедлению скорости восстановления напряжения. Этот эффект, в частности, обосновывает применение резисторов при комбинированном заземлении нейтрали, когда в сети установлены ДГР, не обеспечивающие достаточную точность настройки. Для малых степеней расстройки автоматически регулируемых ДГР роль резисторов играют потери в самой сети. Так, для ϑ = 3% максимум времени τ обеспечивается в диапазоне значений δа = 3–5%, что достаточно характерно для кабельных сетей.

 

Для сетей с большими потерями (δа = 10%) разница между расстройками 1% и 5% невелика, но указанные потери нехарактерны для большинства сетей. Если ориентироваться на значение δа  = 5%, то по рис. 1 видно, что снижение степени расстройки компенсации с ϑ = 5% до ϑ = 1% почти в 3 раза увеличивает интервал времени между повторными зажиганиями дуги, что должно сказаться на эффективности работы ДГР.

 Проведенный анализ создает предпосылки для ужесточения требований к точности настройки дугогасящих реакторов. Однако, этот анализ – теоретический и требует экспериментального подтверждения. К тому же, время восстановления напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги однофазного замыкания на землю является информативным, но лишь косвенным критерием эффективности применения ДГР. В качестве прямого и физически обоснованного критерия оценки эффективности работы ДГР в режиме перемежающихся дуговых замыканий авторами предлагается использовать среднюю энергию, рассеивающуюся в единицу времени в месте замыкания Pсред. Определить ее можно экспериментально, осциллографируя напряжение и ток в месте ОДЗ, с последующим вычислением энергии путем интегрирования мгновенной мощности.

С этой целью на экспериментально-испытательном стенде Раменского электротехнического завода «Энергия» была проведена серия экспериментов. Схема стенда представлена на рис. 2. Подробное описание стенда приведено в [5].


Для имитации перемежающихся дуговых замыканий на землю использовался роговой разрядник с межэлектродным расстоянием, обеспечивавшим первый пробой при фазном напряжении сети. На рис. 3 показаны фазы развития перемежающегося дугового разряда при отсутствии компенсации. На фотографии справа видно зарождение новой дуги во время погасания предыдущей.

Для моделирования активной проводимости сетей на землю были изготовлены водные резисторы, номинал которых можно регулировать процентным содержанием минеральных солей в воде. Практически это осуществлялось смешиванием в необходимой пропорции питьевой и дистиллированной воды. Дополнительное преимущество водных резисторов выяснилось в процессе их использования – по мере нагрева активное сопротивление изменялось достаточно сильно (более, чем в два раза при изменении температуры воды от 30°С до 90°С), что позволило получить осциллограммы процессов в интересующем диапазоне значений δа,сети. Изменение активного сопротивления от опыта к опыту обеспечивалось дополнительной выдержкой резисторов под фазным напряжением в течение 30 с.

На      рис.      3      приведены      экспериментальные      осциллограммы      процесса перемежающихся дуговых замыканий в сети 6 кВ с емкостным током 43 А при отсутствии ДГР. Анализ осциллограмм показывает, что роговой разрядник обеспечивает возникновение силовой дуги, средняя мощность энерговыделения в которой составляет 27,6 кВт. Дуга, поднимаясь вверх по электродам разрядника, растягивается, и падение напряжения на ней увеличивается. Еще до полного погасания дуги следует повторный пробой и процесс повторяется.

ДГР в режиме идеальной настройки радикально сокращает энергию, выделяющуюся в дуге. На рис. 4 приведены осциллограммы процесса для случая идеальной настройки реактора РЗДПОМ-300/6 и активных токов через резисторы на уровне δа,сети = 5%. Активный ток ДГР и фильтра присоединения ФМЗО-300/6,6 при этом был определен как δа,ДГР = 2,1%. Средняя мощность ОЗЗ составила 0,393 кВт.

Расстройка реактора приводит к возрастанию средней мощности и снижению ффективности ДГР. На рис. 5 и 6 построены осциллограммы процесса при ϑ = –5%; δа,сети = 0 и δа,сети = 5% соответственно. Расстройка реактора вызывает биения напряжения на поврежденной фазе, которые увеличивают скорость восстановления напряжения, что, в свою очередь, приводит к возрастанию частоты повторных зажиганий и росту средней мощности до значения 0,624 кВт. Добавление активных потерь (рис. 6) в этом конкретном примере лишь немного улучшает ситуацию (Pсред = 0,581 кВт), так как с одной стороны активное сопротивление увеличивает затухание, ускоряя восстановление напряжения, но, с другой стороны, ограничивает рост напряжения за счет биений. Это видно из сопоставления характера изменения напряжения на поврежденной фазе на рис. 5 и 6.

Вся     совокупность     проведенных     экспериментов     обобщена     на     рис.     7. Подтверждаются сделанные ранее выводы о влиянии активной проводимости сети в области    малых    расстроек.    Влияние   степени   расстройки   реактора    ϑ   оказывается достаточно сильным в области малых активных токов сети и уменьшается с ростом δа.

 

При δа = 10% зависимости Pсред для всех степеней расстройки сильно сближаются, что соответствует данным рис. 1, в соответствии с которым при увеличении δа разница между временем τ для различных расстроек уменьшается. Для расстроек ϑ = 0 и ϑ = –3% в

области значений δа >5% эта разница оказывается в пределах влияния статистического разброса влияющих факторов и нестабильности размера разрядного промежутка рогового

разрядника, так как значения Pсред практически совпадают. Средние мощности при ϑ = –5%, тем не менее, оказываются уже достаточно ощутимо выше.  Выводы

 

1. Расчетным путем для ДГР с регулируемым зазором получены зависимости времени восстановления напряжения на поврежденной фазе τ от коэффициента успокоения сети и степени расстройки компенсации, указывающие на сильную зависимость времени τ от точности настройки ДГР в области малых степеней расстройки. На основании этого сделан вывод о целесообразности ужесточения требований к точности настройки ДГР.

2. В качестве критерия оценки эффективности применения ДГР в режиме перемежающихся дуговых замыканий предлагается использовать среднюю энергию, рассеивающуюся в единицу времени в месте дугового замыкания.

3. Исследованиями на экспериментально-испытательном стенде ОАО «РЭТЗ Энергия» подтверждено влияние активной составляющей тока ОЗЗ на эффективность работы ДГР.

4. Для сетей с высокой добротностью (δа,сети < 3%) целесообразно ограничить степень расстройки компенсации на уровне 1% (возможности конструктивного обеспечения такой точности настройки в докладе не рассматривались).

5. Для сетей с низкой добротностью (δа,сети > 8%) изменение степени расстройки компенсации ϑ в диапазоне абсолютных значений 1–5% практически не влияет насреднюю энергию Pсред, рассеиваемую в месте дугового ОЗЗ. Изменение требований ПУЭ нецелесообразно.

 6.  Для  широкого  диапазона  значений  δа,сети   =  3–8%  оптимальная  точность настройки ДГР соответствует абсолютному значению ϑ = 3%. Именно это значение мы

предлагаем использовать в технических требованиях к ДГР.

 

*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (уникальный идентификатор Соглашения – RFMEFI57714X0096).

Список литературы

 

 

1. А.М. Быкова, А.В. Жуйков, Д.А. Матвеев, С.И. Хренов, В.С. Ларин, И.И. Никулов. О технических требованиях к дугогасящим реакторам в распределительных сетях 6–35 кВ // Электротехника, №8, 2016

2. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. // СПб.: ДЕАН, 2013, – 706 С.

 3. Техника высоких напряжений / под ред. Д.В. Разевига // М.: Энергия, 1976. 

4. Ф.А. Лихачев. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.

5. Д.А. Матвеев, С.И. Хренов, А.В. Жуйков, И.И. Никулов. Определение эффективности компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю дугогасящими реакторами различных конструкций на экспериментальном стенде // Электротехника, №8, 2015, С. 59-64