Еще до изобретения дугогасящего реактора для защиты электроустановок от последствий однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью в США использовались так называемые «подавители заземляющих дуг» [106].
На питающей подстанции устанавливался автоматически действующий выключатель с независимым пофазным управлением, который наглухо заземлял поврежденную фазу, шунтируя первоначальное замыкание и снижая ток в месте повреждения практически до нуля. Выключатель приводился в действие по сигналу реле минимального напряжения, специальная блокировка предотвращала одновременное срабатывание двух выключателей.
Поврежденная фаза заземляется на небольшой промежуток времени и затем дешунтируется. Как правило, после первого же срабатывания дуга в месте аварии ликвидируется. Однако в случае устойчивого замыкания на землю действие АЗФ оказывается безрезультатным, так как оно не в состоянии устранить замыкание и не облегчает его поиск.
Применение АЗФ, оправдавшее себя в некоторых сетях средних напряжений с малым током замыкания на землю, не могло удовлетворить потребителей мощных разветвленных сетей с жесткими требованиями к селективному отключению поврежденных участков.
В дальнейшем в США отказались от АЗФ и перешли к практике глухого заземления нейтрали. В Европе почти повсеместно стали применяться дугогасящие реакторы.
Недостатки АЗФ, выполненных на электромеханических выключателях, в основном определялись их конструктивными особенностями. Значительная инерционность привода не предотвращает возникновения перенапряжений в сети при дуговом замыкании в ней. При отключении АЗФ между контактами выключателя могут возникнуть повторные зажигания дуг, сопровождающиеся наибольшим перенапряжением [52]. Высокая скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе сети ухудшает условие самоликвидации аварии. После срабатывания АЗФ при отсутствии специальных мер практически невозможно определить место первоначального однофазного замыкания в сети и обеспечить селективное отключение поврежденной линии.
В сетях с воздушными линиями, где замыкание на землю может сопровождаться разрывом фазного провода со стороны питающей подстанции, срабатывание АЗФ приведет к усугублению аварии, поскольку через место замыкания потечет полный ток нагрузки. Хотя этот случай является сравнительно маловероятным, тем не менее его следует учитывать с точки зрения электробезопасности.
В сравнении с другими техническими средствами ограничение токов однофазного замыкания на землю АЗФ обладает следующими преимуществами: замыкание из
случайного места в сети, где оно произошло, переносится в заранее выбранное место, обычно на питающей подстанции; одно технически простое устройство осуществляет одновременное ограничение емкостной, активной и высших гармонических составляющих тока в месте повреждения; существенно ограничиваются перенапряжения в сети при дуговых замыканиях на землю; улучшаются условия электро- и пожаробезопасности в сетях напряжением 3—10 кВ, снижается вероятность тяжелых последствий электротравм, полученных в результате прикосновений к токоведущим частям электроустановок.
Необходимое условие эффективности АЗФ—обеспечение срабатывания устройства за время не более 3—5 мс. Этому условию удовлетворяют быстродействующие тиристорные коммутаторы. Однако недостатком их является необходимость в весьма надежной быстродействующей блокировке, предотвращающей одновременное включение тиристоров двух или трех фаз. (Такое включение было бы равносильно междуфазному к.з. в сети!)
Этот недостаток устраняется в электромеханическом трехфазном замыкателе, в конструкции которого наряду с достаточным быстродействием предусматривается невозможность одновременного замыкания на землю более одной фазы [104]. Последнее достигается благодаря тому, что подвижный заземленный контакт может соприкоснуться только с одним из трех неподвижных контактов, присоединенных к трем фазам. В настоящее время продолжаются исследования в этом направлении.
Для ограничения нарушений электроснабжения потребителей в сетях с повышенной опасностью в схеме АЗФ предусматривается автоматическое повторное отключение фазы от земли с выдержкой времени [61]. Эти устройства могуч применяться совместно с обычной селективной релейной защитой линий [99]. Упрощенная схема комплексного устройства заземления, селективной и резервной защиты приведена на рис. 53.
При замыкании на землю, а также в случае прикосновения человека к токоведущей части, находящейся под напряжением, в сети возникает смещение нейтрали и снижение напряжения одной из фаз, вследствие чего через 3—5 мс на питающей подстанции автоматически срабатывает устройство АЗФ. Указанная выдержка времени необходима для отстройки от случайных кратковременных колебаний напряжения в сети, возможных, например, в результате неодновременного замыкания контактов выключателей при коммутации отходящих от подстанции линий. Через определенный промежуток времени (несколько секунд), достаточный для отрыва человека от токоведущей части, устройство АЗФ отключается, после чего, если замыкание на землю не устранилось, срабатывает пусковой орган защиты и поврежденное присоединение отключается. Выдержки времени срабатывания защит и устройства АЗФ должны быть согласованы.
Рис. 53. Упрощенная схема комплексного устройства заземления, направленной селективной и резервной защиты:
1— питающий трансформатор; 2 — выключатель шин подстанции; 3 — выключатель защищаемой линии; 4 — трансформатор тока нулевой последовательности, 5— реле селективной направленной защиты; 6 — пусковой орган защит, 7 — трансформатор напряжении; 8 — блок управления АЗФ, 9 — тиристорные заземляющие выключатели
В случае прикосновения человека к токоведущей части он успевает за время включенного состояния АЗФ оторваться, не подвергаясь серьезной травме. Затем в сети восстанавливается нормальный режим работы.
При наличии в сети протяженных линий с двигательной нагрузкой в дополнение к АЗФ на шинах питающей подстанции может потребоваться установка АЗФ в конце таких линий. Для выяснения необходимости в таких устройствах следует рассчитывать падение напряжения в линии, возникающее после срабатывания АЗФ на шинах от токов подпитки, создаваемых двигателями. АЗФ в конце линии устанавливается в случае опасной величины падения напряжения.
В сочетании с традиционными средствами релейной защиты от замыканий на землю быстродействующие АЗФ существенно повышают надежность электроснабжения и безопасность обслуживания электроустановок.
Опыт внедрения быстродействующих АЗФ еще недостаточен для окончательных выводов о целесообразности массового их использования, однако для определенного класса сетей и потребителей применение АЗФ может быть оправдано.
