Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети

Название	Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети
Разработчик (Авторы)	Качесов В.Е., Финашин Р.А.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2640033
Дата регистрации	26.12.2017
Правообладатель	ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ", ООО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭНЕРГОКОНСАЛТ"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для ограничения дуговых перенапряжений в распределительных сетях с резистивно заземленной нейтралью.

Известно устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети с малым емкостным током замыкания на землю (ЕТ33), состоящее из постоянного заземляющего/нейтрального резистора (R_N), включенного между нейтралью сети и контуром заземления станции/подстанции [Н.Н. Беляков. Перенапряжения от заземляющих дуг в сетях с активным сопротивлением в нейтрали. Труды ВНИИЭ, 1961, вып.11, с. 84-101]. Заземляющий резистор R_N выбирается из условия приблизительного равенства ЕТ33 I_с активному току замыкания на землю I_R=U_ф/R_N≅I_C=3ωC_фU_ф (где С_ф, U_ф - фазная емкость и напряжение сети, ω - круговая промышленная частота), обусловленному включением R_N в нейтраль электрической сети. Однако установка заземляющего резистора в нейтраль сети приводит к увеличению полного установившегося тока замыкания на землю в режиме устойчивого замыкания, когда повторные замыкания на землю отсутствуют, и в нейтрали сети устанавливается напряжение, близкое по форме к синусоидальному. При типичном выборе резистора из условия I_R≅I_C (резистивный коэффициент компенсации K_r=I_R/I_C≅1) увеличение тока замыкания на землю I₃ составляет  раз .

Повышенный ток замыкания на землю снижает электробезопасность сети, приводит к усиленному разрушающему воздействию дуги и снижению вероятности ее самопогасания.

Известно также устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети [Патент РФ №2454769 от 19.05.2011, МПК Н02Н 9/00. Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети// Качесов В.Е./ БИ №18, 2012], принятое в качестве прототипа, в котором для снижения установившегося тока замыкания предложено использовать импульсно-резистивное заземление нейрали сети. Заземляющий резистор R_N подключен к нейтрали питающего трансформатора, образующему нейтраль электрической сети, и условному аноду симистора, условный катод которого подключен к «земле» (контуру заземления станции/подстанции). Между нейтралью питающего трансформатора и землей включен емкостный делитель напряжения. Параллельно его нижнему плечу, т.е. выводам конденсатора, подключенного к земле, подключена первичная обмотка запускающего трансформатора, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к управляющему электроду симистора и земле. Параллельно симистору включен ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН), защищающий симистор от возможных перенапряжений.

Недостатками этого устройства являются большие потери электрической энергии, большая мощность заземляющего резистора, а также невозможность глубокого ограничения кратковременных дуговых перенапряжений на неповрежденных фазах электрической сети в момент горения заземляющей дуги (при прохождении током замыкания i₃(t) вблизи нулевого значения). При первичном пробое изоляции в момент абсолютного максимума фазного напряжения (фаза пробоя ϕ=±90°), изменяющегося по синусоидальному закону (u(t)=U_ф,мsin(ωt), U_ф.м - фазное амплитудное/максимальное напряжение), напряжение на неповрежденных фазах сети ничем не ограничивается, его амплитуда (U_max) на фазе, опережающей по отношению к поврежденной, приближенно определяется как [Качесов В.Е., Квривишвили Л.В. Распознавание однофазных замыканий в распределительных сетях. - Электричество, 2010, №12, с. 8-18]

где  - амплитуда свободных колебаний;

 - начальное напряжение на неповрежденной фазе;

, C_ф.ф и С_ф - междуфазная и фазная емкости сети;

 и δ₁ - круговая частота и коэффициент затухания свободных колебаний.

В зависимости от параметров сети кратковременные дуговые перенапряжения в момент гашения заземляющей дуги в соответствии с (1) могут достигать значений U_max≅2,2…2,3 U_ф.м. Их более глубокое ограничение невозможно посредством только резистивного (высокоомного) заземления нейтрали сети.

Задачей (техническим результатом) является снижение потерь электроэнергии в устройстве, снижение мощности заземляющего резистора, а также глубокое снижение дуговых перенапряжений в электрической сети.

Эта задача достигается тем, что в известном устройстве импульсно-резистивного заземления нейтрали трехфазной электрической сети, которое состоит из заземляющего резистора, включенного между нейтралью сети и условным анодом резисторного симистора, условный катод которого подключен к земле, и емкостного делителя напряжения, включенного между нейтралью трехфазной электрической сети и землей, а также запускающего трансформатора, первичная обмотка которого подключена параллельно конденсатору нижнего плеча емкостного делителя напряжения, первый вывод вторичной обмотки подключен к управляющему электроду резисторного симистора, а второй - к земле, введены цепи ограничения дуговых перенапряжений непосредственно на фазных выводах источника. Первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к управляющим электродам трех фазных симисторов, условные катоды которых соединены с землей, а аноды подключены к фазным нелинейным ограничителям перенапряжений. Вторые выводы фазных ОПН подключены к соответствующим фазам питающего электрическую сеть трансформатора. Параллельно фазным симисторам - между их условными анодами и катодами - включены защитные ОПН.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства заземления трехфазной электрической сети, а на фиг. 2 - расчетные осциллограммы токов и напряжений в устройстве и сети при неустойчивых дуговых замыканиях на землю.

Устройство заземления (фиг. 1) содержит заземляющий резистор R_N (1) и фазные ОПН (2), которые импульсно подключаются к земле и всем выводам питающего трансформатора (3) при неустойчивых замыканиях на землю. К нейтрали сетевой обмотки питающего трансформатора (3) (или к специальному устройству выделения нейтрали) подключен заземляющий резистор R_N (1). Последовательно с ним включен резисторный симистор (4), условный анод которого подключен к заземляющему резистору R_N, а условный катод соединен с землей. Между нейтралью сети и землей включен емкостный делитель напряжения, образованный конденсаторами С₁ (5) и С₂ (6). Параллельно нижнему плечу емкостного делителя напряжения (т.е. конденсатору С₂ (6)) включена первичная обмотка запускающего трансформатора Т (7). Первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к управляющим электродам резисторного (4) и фазных (8) симисторов (на фиг. 1 пронумерованы элементы только одной фазы «А»). Второй вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора соединен с землей. Между условными анодами фазных симисторов (8) и фазными выводами питающего трансформатора включены фазные ОПН (2). Параллельно всем симисторам (между условными анодами и катодами) включены защитные ОПН (9).

На фиг. 2 приведены расчетные осциллограммы, поясняющие работу устройства, полученные моделированием переходного процесса, возникающего при многократном однофазном дуговом замыкании на землю в трехфазной распределительной сети, оснащенной предлагаемым устройством заземления.

Предлагаемое устройство работает следующим образом при ограничении дуговых перенапряжений до уровня U_опр=1,8 U_фм. Сопротивление заземляющего резистора R_N выбирают из условия снижения напряжения на нейтрали сети, возникающего после погасания заземляющей дуги, до уровня, при котором максимальное фазное напряжение промышленной частоты (U_{~огр.mах}) на неповрежденных фазах будет на 15% меньше остающегося напряжения на фазных ОПН при токе 100 А U_{ост.ф.ОПН.100}=U_огр=1,8 U_фм и коэффициенте нелинейности варисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений, равном α=(log(U₂)-log(U₁))/(log(I₂)-log(I₁))≅0,04, где U₂,U₁,I₂,I₁ - соответствующие пары остающихся напряжений и токов на вольт-амперной характеристике ОПН (U₂>U₁, I₂>I₁).

Максимальное напряжение промышленной частоты на неповрежденных фазах при первичном пробое фазной изоляции определяется как

где U_N0 - напряжение на нейтрали сети после гашения заземляющей дуги, ограниченное ОПН.

Исходя из требования снижения максимального напряжения промышленной частоты до уровня 0,85⋅1,8 U_фМ рассчитывается сопротивление заземляющего резистора R_N с учетом времени достижения максимума напряжения (промышленной частоты), составляющего для опережающей по отношению к поврежденной фазе t_з=π/(3ω):

Для уровня ограничения дуговых перенапряжений U_огр=1,8 U_фм в соответствии с (2) принимается сопротивление заземляющего резистора , при этом . Для уровня .

После гашения заземляющей дуги в момент перехода тока замыкания через нуль на нейтрали сети быстро нарастает напряжение (u_N) (фиг. 2). Под действием крутого фронта напряжения на нейтрали сети (u_N) в контуре, образованном емкостным делителем C₁ (5) - С₂ (6) и трансформатором Т (7) (фиг. 1), возникает переходный процесс. Напряжение (u_зап), появляющееся на выводах вторичной обмотки трансформатора и прикладываемое между управляющими электродами и условными катодами всех симисторов, достаточно для их отпирания (фиг. 2). Открытие фазных симисторов (8) приводит к подключению к выводам питающего трансформатора сети фазных ОПН (2). Через фазные ОПН неповрежденных фаз (на фиг. 2 это фазы "А" и "В") в силу больших фазных напряжений кратковременно протекают токи (i_ОПНА и i_ОПНВ), снижающие дуговые перенапряжения. Открытие резисторного симистора (4) приводит к заземлению резистора R_N и снижению напряжения на нейтрали сети (u_N). Защитные ОПН (9), установленные параллельно симисторам (фиг. 1), предохраняют их от возможных перенапряжений в сети.

Таким образом, при однофазных замыканиях на землю дуговые перенапряжения в электрической сети эффективно подавляются импульсно подключаемыми фазными ОПН (2) и заземляющим резистором R_N (1) (фиг. 1). По сравнению с прототипом, где применяется только резистивное заземление нейтрали сети, уровень ограничения дуговых перенапряжений снижается на ~22% при K_r=0,78.

При многократных дуговых замыканиях на землю в силу ухудшения диэлектрических свойств участка сети с дефектной изоляцией процесс замыкания на землю со временем часто приближается по характеру к устойчивому замыканию. В силу плавного (близкого к синусоидальному) изменения напряжения на нейтрали сети, его малой производной и недостаточного напряжения u_зап симисторы находятся в закрытом состоянии, исключая разогрев заземляющего резистора R_N (1) и фазных ОПН (2).

В высоковольтных сетях в некоторых случаях может потребоваться последовательное включение нескольких симисторов в силу возможной ограниченности их рабочего напряжения. В этом случае количество изолированных друг от друга вторичных обмоток запускающего трансформатора Т соответствует количеству последовательно включенных симисторов, защищенных ограничителями перенапряжений нелинейными [прототип].

Таким образом, предлагаемое устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети автоматически - посредством фазных симисторов - подключает фазные ОПН к выводам питающего трансформатора при дуговых (неустойчивых) замыканиях на землю, глубоко снижая дуговые перенапряжения на неповрежденных фазах. Заземляющий (нейтральный) резистор может выполняться с большим сопротивлением, а требуемый коэффициент резистивной компенсации K_r соответственно становится меньшим, что снижает потери энергии в заземляющем устройстве при неустойчивых дуговых замыканиях. Ввиду большего сопротивления заземляющего резистора снижается его рассеиваемая мощность.

Формула изобретения

Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети, состоящее из заземляющего резистора, включенного между нейтралью сети и условным анодом резисторного симистора, условный катод которого подключен к земле, между нейтралью трехфазной электрической сети и землей включен емкостный делитель напряжения, состоящий из двух конденсаторов, параллельно конденсатору, включенному между средней точкой емкостного делителя и землей, подключены выводы первичной обмотки запускающего трансформатора, первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к управляющему электроду резисторного симистора, а второй - к земле, к условным аноду и катоду резисторного симистора подключен защитный нелинейный ограничитель перенапряжений, отличающееся тем, что к трем фазным выводам питающего трансформатора электрической сети дополнительно подключены фазные нелинейные ограничители перенапряжений, вторые выводы которых подключены к соответствующим условным анодам фазных симисторов, а их условные катоды подключены к земле, первый вывод вторичной обмотки запускающего трансформатора подключен к трем управляющим электродам фазных симисторов, параллельно фазным симисторам к их условным анодам и катодам подключены защитные нелинейные ограничители перенапряжений.

Изобретение "Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети" (Качесов В.Е., Финашин Р.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога