ГЛАВА IX
ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ ДУГОГАСЯЩИЕ АППАРАТЫ
Развитие принципов выполнения дугогасящих аппаратов и основные требования к ним
Катушка индуктивности как средство гашения заземляющих электрических дуг впервые была предположена В. Петерсеном в Германии в 1916 г. в результате проведенных им исследований процессов при однофазных замыканиях в электрических сетях [132].
Термин «катушка Петерсена» длительное время был у нас официальным названием ДГР и лишь в последнем стандарте на электрические реакторы (ГОСТ 18624— 73) уже не рекомендуется к применению.
В 20-е годы изобретатели-электротехники предлагали различные оригинальные конструкции дугогасящих аппаратов, среди которых известны «гасительный трансформатор Бауха» и «гаситель полюсного типа Рейтгоффера» [11, 68]. Эти аппараты по своей конструкции относятся к трехфазным реакторам с магнитной связью между отдельными фазами.
Аппарат Рейтгоффера имеет четырехстержневую магнитную систему с немагнитными зазорами на крайнем стержне. Три его фазные обмотки соединяются по схеме зигзаг, общая точка которых заземляется через четвертую обмотку, имеющую регулировочные ответвления.
Дугогасящий трансформатор Бауха имеет пятистержневую магнитную систему без зазоров. Три первичные фазные обмотки соединяются в звезду с заземленной пулевой точкой. Вторичные обмотки, соединенные по схеме разомкнутого треугольника, нагружаются на специальный дроссель, обмотка которого имеет регулировочные ответвления.
Аппараты Рейтгоффера и Бауха имели ограниченное применение и не получили широкого распространения по экономическим соображениям.
В некоторых сетях с емкостным током замыкания на землю до 10 А по предложению Союзтехэнерго применяют трехфазные дугогасящие устройства типа УДТМ = 30/10 и дугогасящие трансформаторы типа ТАДТМ = 25/6, изготовляемые в ПЭО Свердловскэнерго [54]. Эти аппараты представляют собой модификацию трансформатора Бауха и используются прежде всего для ограничения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю.
В настоящее время для компенсации емкостных токов однофазных замыканий на землю применяются исключительно ДГР, конструктивно различающиеся лишь способом регулирования индуктивности. Дугогасящий реактор подключается к нейтрали силового трансформатора. При этом важное значение имеет схема соединения обмоток трансформатора и его мощность [11, 47], о чем было сказано в главах I и VIII.
Действующие Правила устройства электроустановок предписывают применение компенсации в электрических сетях напряжением 3—35 кВ при емкостных токах соответственно более 30—10 А, а в схемах блоков генератор— трансформатор — более 5 А [76].
В настоящее время, по данным ПО Союзтехэнерго [82], общий дефицит мощности ДГР составляет 3000 мВ-А и, учитывая нынешние темпы электрификации народного хозяйства, нетрудно оценить потребность в этих аппаратах.
Общими конструктивными элементами различных типов ДГР являются основная обмотка и магнитная система стержневого или бронестержневого типа с зазорами. Наличие зазоров в магнитопроводе обеспечивает практическую линейность вольт-амперной характеристики реактора при увеличении напряжения вплоть до 1,1 Uном. Расчету обмоток и магнитных систем реакторов посвящен ряд работ [45, 23].
В настоящей главе мы рассмотрим основные принципы выполнения устройств регулирования индуктивного тока ДГР.
Регулирование индуктивности реактора вызвано необходимостью поддержания резонанса в сети с изменяющейся емкостной проводимостью фаз на землю. Согласно [79, § 42.10] в компенсированных сетях остаточный ток в месте однофазного замыкания на землю не должен превышать 5 А при изменении степени расстройки компенсации до 5 %.
Влияние ДГР на остаточный ток замыкания на землю определяется не только расстройкой компенсации, но также и активной составляющей тока реактора и его высшими гармониками.
Модуль векторной суммы этих токов не должен превосходить по крайней мере установленной величины 5А:
где I —компенсирующий ток ДГР; v, р и kr — соответственно коэффициенты расстройки компенсации, активных потерь ДГР и высших гармоник. Значения коэффициентов v, р, kr у различных типов реакторов отличаются в зависимости от качества регулировочной характеристики, конструктивных особенностей основной обмотки, магнитной индукции, принципа регулирования и т. п.
Важнейшим эксплуатационным требованием к ДГР является обеспечение их автоматической, дистанционной настройки, в том числе и в режиме однофазного замыкания на землю. Диапазон регулирования, характеризующийся отношением предельных токов ДГР, должен быть выбран с учетом возможных в эксплуатации изменений емкости сети относительно земли. При поиске места однофазного замыкания может быть отключена почти половина всех отходящих линий, в пределе возможно двукратное изменение емкости.
Регулировочной характеристикой реактора принято называть зависимость тока реактора от изменяемого параметра П, которым может быть относительная величина зазора магнитной системы, тока подмагничивания или относительное число витков обмотки.
Важной особенностью регулировочной характеристики, определяющей качество настройки системы компенсации, является отношение производной тока реактора по регулируемому параметру к току реактора·
Чтобы расстройка компенсации не превышала допустимой величины (±5%) при любом значении емкостного тока сети, изменение тока реактора на соответствующем интервале регулировочной характеристики не должно превышать удвоенного значения предельной расстройки, т. е. Is+1 — Is = ΔI ≤ 2vIs, (Is+1 и Is — значения тока реактора по краям участка регулировочной характеристики). Другими словами, регулировочная характеристика не должна выходить за пределы зоны, ограниченной соответствующими относительными значениями тока реактора из ряда:
(IX.1)
При известном отношении предельных токов реактора Г и заданной допустимой расстройке компенсации v необходимое минимальное количество дискретных значений тока S, при которых регулировочная характеристика удовлетворяет названному выше условию, определяется простым соотношением
Скорость регулирования настройки компенсации до сих пор остается предметом дискуссии. Специалисты, высказывая разные мнения, опираются на данные отдельных экспериментов [52], однако для реальных условий протекания однофазных замыканий на землю еще нет обобщенных зависимостей влияния скорости регулирования тока компенсации на уровень перенапряжения в. сети, а также данных о разрушении изоляции, вероятности перехода замыкания в двух- и трехфазное.
В работе [115] показано, что для систем настройки компенсации в нормальном режиме работы сети время отработки всего диапазона регулирования тока ДГР не играет существенной роли и из технологических соображений может быть принято порядка нескольких минут.
При замыкании на землю возникновение расстройки компенсации вызывает увеличение остаточного тока, и в этом случае исход аварии зависит только от скорости ликвидации недопустимой расстройки.
Известно, что при наличии замыкания на землю емкостный ток разветвленной сети может значительно изменяться. Это происходит в результате работы противоаварийной автоматики (АВР), неконтролируемых переключений в абонентских сетях, отключений релейной защитой линий для ликвидации двойных замыканий на землю и т. п. Во всех случаях возникают недопустимые расстройки компенсации, приводящие к развитию однофазных повреждений в многоместные к.з., предотвращение которых возможно только быстродействующей автоматической подстройкой компенсирующих аппаратов [51].
По имеющимся экспериментальным данным [52, 115], время ликвидации недопустимой расстройки компенсации лежит в пределах долей и единиц секунд. Поэтому остается актуальной задача точного определения скорости настройки компенсации в режиме однофазного замыкания на землю в сетях с различными параметрами при широком диапазоне расстроек.
Таким образом, ДГР должны соответствовать следующим основным эксплуатационным, техническим и технологическим требованиям.
Рис. 54. Классификация ДГР.
1. Индуктивность реактора должна регулироваться дистанционно при номинальном напряжении.
2. Отношение предельных токов (глубина регулирования) должно быть не менее 2.
3. Отношение производной тока по регулируемому параметру к величине тока на соответствующем участке регулировочной характеристики не должно превышать удвоенной
величины допустимой расстройки
- Суммарный остаточный ток замыкания на землю, обусловленный расстройкой компенсации, активными потерями и высшими гармониками реактора, не должен превышать 5 А.
- Время регулирования всего диапазона номинального тока не должно превышать 1 с.
- Технология изготовления ДГР должна ориентироваться на применение холоднокатанной электротехнической стали марки Э-330А толщиной 0,35 мм, нормализованную ширину пластин, высоту вставок стержней.
Классификация ДГР по виду и способу регулирования индуктивного тока приведена на рис. 54. Эта классификация в основном соответствует принятой в стандарте [16] и дополнена сравнительно новыми типами ДГР: реакторы, регулируемые под напряжением (РПН); реакторы с фазоуправляемым коммутатором. Две новые разновидности ДГР ориентированы на использование в регулирующем устройстве силовых полупроводниковых ключей.
