Марка • Оборудование

В соответствии с договором между МРСК Волги и «НПП Бреслер» создан и введен в опытную эксплуатацию дугогасящий агрегат (ДГА) сухого исполнения типа АТДС-400/10 для компенсации емкостных токов замыкания на землю.
В процессе опытной эксплуатации проведены испытания ДГА при ОЗЗ в реальной сети 10 кВ, присоединенной к шинам ПС «Новая» Северного ПО «Чувашэнерго».
Испытания ДГА в стационарных и динамических режимах работы сети подтвердили правомерность решений, принятых при разработке, и допущений, использованных при теоретических исследованиях.

ДУГОГАСЯЩИЙ АГРЕГАТ
Испытания, результаты исследования

Александр Булычев, Владимир Козлов, Игорь Соловьев, НПП «Бреслер», г. Чебоксары
Валерий Сазонов, ПАО «МРСК Волги», г. Саратов
Иван Шкрыль, ПАО «Чувашэнерго», г. Чебоксары

Развитие систем электроснабжения и совершенствование изоляции неизбежно приводят к росту емкости электрических сетей относительно земли. В сетях с изолированной нейтралью это создает условия для увеличения токов при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). В связи с этим повышается вероятность возникновения и длительного горения электрической дуги в месте ОЗЗ, что в ряде случаев исключает возможность продолжения работы сети с существующим дуговым ОЗЗ.

Компенсация емкостных токов в месте повреждения при ОЗЗ с помощью специальных катушек индуктивности (дугогасящих реакторов, ДГР) позволяет восстановить многие преимущества сетей с изолированной нейтралью. Но для реализации этого решения необходимо преодолеть некоторые препятствия технического и методического характера.

В сетях 6–10 кВ, как правило, нет специально выведенной нейтрали и ДГР подключается к искусственной нулевой точке, образованной обмотками специального нейтралеобразующего трансформатора или фильтра нулевой последовательности. Настройка ДГР в резонанс с емкостью сети в момент, предшествующий ОЗЗ, позволяет существенно снизить риск возникновения электрической дуги и, следовательно, предотвратить возможное развитие аварийной ситуации. Для контроля сети и регулирования ДГР необходимы специальные средства автоматики [1], постоянно поддерживающие ДГР в настроенном состоянии.

Фото 1.
Опытный образец ДГА сухого исполнения

Для получения целостного решения по заземлению нейтрали начинают широко применяться агрегатированные устройства для заземления нейтрали сети 6–10 кВ и компенсации токов в месте повреждения при ОЗЗ [2]. Они обладают важными эксплуатационными преимуществами: компактностью, точностью настройки в любых (в том числе неблагоприятных) условиях, возможностью регулировать индуктивность с помощью переключаемых конденсаторов, широким диапазоном регулирования, линейными характеристиками. Такой дугогасящий агрегат (рис. 1) содержит присоединительный нейтралеобразующий фильтр (ФНП), формирующий искусственную нулевую точку сети, собственно ДГР с рабочей и нагрузочной обмотками, размещенными на сердечнике с воздушным зазором, и блок конденсаторного регулирования (БК). Максимальная компактность конструкции ДГА достигается выполнением ФНП и ДГР на общей магнитной системе [3].

Рис. 1. Структурная схема ДГА.

Характеристики ДГА определяются факторами, зависящими от свойств сети, параметров обмоток, сердечников и переключаемых конденсаторов. Всё это, а также возможность возникновения нелинейных режимов затрудняет расчет характеристик ДГА.

Для описания входных воздействий электрической системы на ДГА достаточно использовать частотный диапазон 0–1000 Гц. При этом ДГА в линейном режиме может быть представлен эквивалентной схемой замещения с сосредоточенными параметрами, а ДГР с конденсаторным регулированием – в виде многоэлементного четырехполюсника с известной структурой (рис. 2). Эта модель ДГР основана на общепринятой схеме замещения [4, 5], параметры которой приведены к первичной (рабочей) обмотке, соединяющей искусственную нулевую точку сети с землей (рис. 3).

Рис. 2. Схема замещения ДГА с конденсаторным регулированием

E₀ – эквивалентная ЭДС нулевой последовательности;
Z_C – эквивалентное внутреннее сопротивление источника нулевой последовательности;
С_С – эквивалентная емкость сети;
R_C – эквивалентное активное сопротивление фаз сети относительно земли;
С_Р – емкость блока переключаемых конденсаторов (ПК).

Рис. 3. Схема замещения ДГР с конденсаторным регулированием

Z_P – входное сопротивление ДГР;
L_d1 и R₁ – индуктивность рассеяния и активное сопротивление рабочей обмотки;
L'_d2 и R'₂ – индуктивность рассеяния и активное сопротивление нагрузочной обмотки, приведенные к рабочей обмотке; L₀ и R_П – индуктивность намагничивания и эквивалентное сопротивление потерь;
R'_C – активное сопротивление шунтирующего резистора, приведенное к рабочей обмотке.

Соответствующее этой схеме изображение по Лапласу входного сопротивления Z_Р(p) представляет собой отношение полиномов четвертой и третьей степени, постоянные коэффициенты которых определяются параметрами ДГА и блока переключаемых конденсаторов:

,

где:

b₄ = LL_d1L'_d2C'_PR'_C;

b₃ = LL_d1C'_PR_ПR'_C + L_d1L'_d2R_ПR'_C + LL_d1L'_d2 + LL'_d2C'_PR₁R'_C + LL'_d2C'_PR_ПR'_C;

b₂ = LR_ПC'_PR₁R'_C + LL_d1R_П + L'_d2R'_CC'_PR_ПR₁ + LL'_d2R₁ + L_d1L'_d2R_П + L_d1R'₂R'_CC'_PR_П + LL_d1R'₂ + LL_d1R'_C + LC'_PR₁R'_CR'₂ + LL'_d2R_П;

b₁ = LR_ПR₁ + L'_d2R_ПR₁ + R'₂R'_CC'_PR_ПR₁ + LR'₂R₁ + L_d1R_ПR'₂ + LR₁R'_CR'₂ + L_d1R_ПR'_C + LC'_PR_ПR'_CR'₂ + LR_ПR'₂ + LR_ПR'_С;

b₀ = R_ПR₁R'₂ + R_ПR'_CR₁;

a₃ = L L'_d2 R'_C C'_P;

a₂ = L R_П C'_P R'_C + L'_d2 R'_C C'_P R_П + L L'_d2 + L R'₂ R'_C C'_P;

a₁ = L R_П + L'_d2 R_П + R'₂ R'_C C'_P R_П + L R'₂ + L R'_C;

a₀ = R'₂ R_П + R_П R'_C.

Формальная замена р = jω позволяет получить комплексное входное сопротивление ДГР Z_P(jω). Модуль и аргумент Z_P(jω)представляют собой, соответственно, полное сопротивление и фазовый угол этого комплексного сопротивления:

Практический интерес представляет зависимость входного сопротивления ДГР от емкости блока ПК (рис. 4). В реальном диапазоне изменения общей С_Р эквивалентное индуктивное сопротивление ДГР связано с С_Р нелинейной функцией. Чем больше емкость, тем больше эквивалентное индуктивное сопротивление. При нулевой С_Р эквивалентное сопротивление ДГР имеет наименьшее значение, равное собственному индуктивному сопротивлению ДГР. При наибольшей С_Р эквивалентное сопротивление ДГР имеет наибольшее значение, обеспечивающее минимальный ток компенсации.

Рис. 4. Зависимость полного входного сопротивления ДГР (400 кВА) от С_р

Таким образом обеспечивается широкий диапазон регулирования от минимального до максимального тока ДГР с шагом 0,5–2 А. В реальных условиях это аналогично плавному плунжерному регулированию, но в значительно более широком диапазоне токов.

Важно отметить, что регулировочная характеристика ДГР с конденсаторным регулированием (рис. 5) представляет собой линейную зависимость емкости, которую надо создать переключаемыми конденсаторами, от тока ДГР, который необходимо получить при компенсации. Это удобно и дает дополнительные преимущества при настройке ДГР.

Рис. 5. Регулировочная характеристика ДГР (400 кВА)

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Переходные процессы и динамические свойства ДГА с приемлемой достоверностью и точностью можно рассматривать на основе схемы замещения контура нулевой последовательности сети (рис. 6), возникающего при ОЗЗ, и соответствующего математического описания, основой которого является приведенная модель ДГА с конденсаторным регулированием.

Рис. 6. Схема замещения контура нулевой последовательности сети с ДГА при переходных процессах

В исходном состоянии ключ S разомкнут, источник ЭДС нулевой последовательности отключен, а ДГА находится в состоянии готовности компенсировать ток ОЗЗ. Степень расстройки ДГА определяется устройством автоматического управления ДГР и регулируется путем изменения суммарной емкости переключаемых конденсаторов С_Р .

Замыкание ключа S в схеме замещения соответствует возникновению ОЗЗ и, следовательно, ЭДС нулевой последовательности в сети, тока ДГР I_P и тока ОЗЗ I_ОЗЗ.

На рис. 7.1 показаны временные диаграммы переходных процессов при моделировании ОЗЗ разных видов. При расчетах использованы параметры реального ДГА, полученные в лабораторных условиях из опытов холостого хода, КЗ и нагрузочных режимов.

Рис. 7. 1. Временные диаграммы переходных процессов при моделировании ОЗЗ

Рис. 7.1а: диаграммы переходного процесса в сети с ДГА при металлическом замыкании и расстройке ДГА 5%. Ток в месте повреждения (ток ОЗЗ) и в катушке ДГА (ток ДГА) содержит экспоненциальные составляющие, затухающие с постоянной времени 0,1 с. Здесь ток ОЗЗ показан с учетом высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками сети.

Рис. 7.1б: расчетные токи в месте повреждения и в катушке ДГА при кратковременном ОЗЗ длительностью 0,07 с.

Рис. 7.1в: сеть содержит включенные параллельно ДГР со ступенчатым регулированием (РЗДСОМ) и ДГА с конденсаторным регулированием. При кратковременном ОЗЗ длительностью 0,03 с токи распределяются между ДГР РЗДСОМ и ДГА в соответствии с их параметрами. Часть тока ОЗЗ компенсируется ДГР РЗДСОМ, и режим ДГА соответствует состоянию сети с уменьшенной емкостью.

Необходимо отметить, что ток в переходных режимах содержит принужденную и свободную составляющие. Принужденная (стационарная) составляющая тока определяется параметрами источника ЭДС (Е₀, Z_С) и входным сопротивлением ДГР. Свободная составляющая тока изменяется независимо от приложенной ЭДС нулевой последовательности, и характер изменения этой составляющей (степень затухания и частота колебаний) определяется параметрами ветви намагничивания ДГР и блока переключаемых конденсаторов. Причем наибольшее влияние на процессы оказывают индуктивность L₀ намагничивания ДГР и емкость С_Р переключаемых конденсаторов.

Таким образом, во время переходных процессов в токе ДГР и в токе ОЗЗ имеются, кроме принужденных колебаний с частотой сети, еще и колебания с собственной частотой, которая в общем не совпадает с частотой принужденных колебаний и достаточно быстро затухает.

ИСПЫТАНИЯ

Схема сети при испытаниях ДГА приведена на рис. 8. Испытания проводились в разных режимах сети.

Рис. 8. Схема сети при испытаниях ДГА и вторичные цепи, присоединенные к цифровому регистратору серии «Бреслер-0107»

1. Измерение и фиксация значения эквивалентной емкости сети в нормальном режиме.

Величина С_С (8,2 мкФ) и соответствующий ток ОЗЗ 47 А определены с помощью специальной функции автоматики «Бреслер 0107.081». При сохраненной конфигурации сети проведен опыт металлического ОЗЗ, измерено значение тока ОЗЗ и косвенным способом определено значение емкости сети (получено 8,5 мкФ и соответствующий ток ОЗЗ 49 А). Результаты измерений совпадают с погрешностью, не превышающей 5%, что приемлемо для натурных экспериментов в электроэнергетической системе.

2. Проверка функционирования автоматики настройки ДГА при изменении емкости сети.

В исходном состоянии сети с подключенным ДГА в режиме автоматической настройки отключено присоединение с существенной емкостью относительно земли (0,3 мкФ, что соответствует току ОЗЗ примерно 2 А). Время настройки ДГА в новом режиме сети после отключения присоединения составило 2 с.

3. Опыты металлического (стационарного) и нестационарного ОЗЗ при компенсации тока ОЗЗ с помощью ДГА с разной степенью расстройки.

Во всех экспериментах для создания металлических ОЗЗ использовался выключатель 10 кВ, а для кратковременных (нестационарных) ОЗЗ – шаровой разрядник с вращающимися электродами (фото 2).

Фото 2. Внешний вид шарового разрядника с вращающимися электродами

Металлическое ОЗЗ создавалось путем соединения фазы А сети с землей через один полюс выключателя. Для создания нестационарных ОЗЗ фаза А соединялась с землей через по-следовательно включенные разрядник и один полюс выключателя. При вращении электродов расстояние между ними и неподвижным электродом периодически изменялось. При минимальном расстоянии происходил пробой воздушного промежутка, возникала электрическая дуга, которая за счет вращения электродов растягивалась и гасла. На каждом провороте электродов процесс повторялся. Наиболее характерные осциллограммы переходных процессов приведены на рис. 7.2.

Рис. 7. 2. Осциллограммы переходных процессов при экспериментальных ОЗЗ в сети

Рис. 7.2а: ток ОЗЗ и ток ДГА при металлическом замыкании фазы А на землю при расстройке (недокомпенсации) 4,94% (задана в ручном режиме). Токи в месте повреждения и в ДГА устанавливаются с постоянной времени примерно 100 мс. Максимальное значение тока в месте ОЗЗ в первый момент замыкания на землю, обусловленное разрядом емкости по-врежденной фазы через место ОЗЗ, составляет 407 А.

Рис. 7.2б: токи при кратковременном (~ 70 мс) ОЗЗ при расстройке ДГА (недокомпенсации) 20,19%. Максимальное значение тока ОЗЗ в момент замыкания на землю – 419 А, постоянная времени затухания переходного процесса примерно 100 мс.

4. Опыты металлического и нестационарного ОЗЗ при компенсации тока ОЗЗ только ДГР РЗДСОМ со ступенчатым регулированием.

Осциллограммы переходных процессов, соответствующие чисто индуктивному характеру ДГР, практически не отличаются от осциллограмм, полученных при компенсации тока ОЗЗ посредством ДГА с конденсаторным регулированием.

5. Опыты металлического и нестационарного ОЗЗ при компенсации тока ОЗЗ параллельно включенными ДГА с конденсаторнымрегулированием и ДГР РЗДСОМ со ступенчатым регулированием.

Переходные процессы в этом режиме (рис. 7.2в) не отличаются от соответствующих процессов при компенсации токов ОЗЗ отдельно ДГА и ДГР РЗДСОМ (подключение ДГР РЗДСОМ параллельно ДГА эквивалентно уменьшению емкости сети на величину, скомпенсированную ДГР с фиксированной индуктивностью).

Отметим, что характер переходных процессов и их предельные параметры, зафиксированные в процессе испытаний, согласуются с данными ОРГРЭС и других организаций [4, 5].

Испытания показали, что ДГА с конденсаторным регулированием ведет себя по отношению к внешней сети во всех возможных режимах как линейная регулируемая индуктивность.

ВЫВОДЫ

1. Гармоник в токе ДГА с конденсаторным регулированием в нормальных режимах сети и при ОЗЗ не обнаружено. Следовательно, агрегат ведет себя по отношению к сети как линейный элемент и при исследованиях можно пользоваться линейными моделями ДГА.
2. Колебательные составляющие в токе ДГА имеют затухающий характер, и их частота не кратна частоте сети. Эти составляющие обусловлены свободными колебаниями в контуре нулевой последовательности. Время затухания свободных составляющих колебаний до уровня 5% от принужденных не более 200 мс.
3. Автоматика управления ДГА обеспечивает резонансную настройку из любого положения. Погрешность настройки ДГА составляет не более ±1% тока компенсации во всем диапазоне его изменения: от 5 до 50 А.
4. Подтверждена возможность параллельной работы ДГА с конденсаторным регулированием и ДГР со ступенчатым регулированием типа РЗДСОМ. При этом реактор со ступенчатым регулированием целесообразно использовать в базисном режиме (для компенсации определенной базисной доли тока ОЗЗ), а ДГА – в регулируемом режиме для компенсации изменяющейся в процессе эксплуатации доли тока ОЗЗ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козлов В.Н., Булычев А.В. Современная автоматика управления дугогасящими реакторами для компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях 6–35 кВ // Энергоэксперт. 2014. № 1. С. 38–43.
2. Булычев А.В., Ефимов Н.С., Козлов В.Н. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью: Патент РФ на изобретение № 2549974 от 02.10.2013.
3. Булычев А.В., Ефимов Н.С., Козлов В.Н. Устройство для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в многофазных электрических сетях с изолированной нейтралью: Патент РФ на полезную модель № 151804 от 19.08.2014.
4. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 152 с.
5. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.