Активные потери в ДГР и в изоляции протяженной сети могут создать в месте замыкания остаточный ток порядка 10—20 А, что способствует длительному горению заземляющих дуг и снижению эффективности компенсации емкостного тока.
Радикальным средством уменьшения активной составляющей является разделение сети на гальванически не связанные участки с компенсацией емкостного тока каждого участка в отдельности. В тех случаях, когда такое решение является технически неосуществимым или экономически неоправданным, предлагается применять специальную аппаратуру для компенсации активного тока.
В сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью необходимость ограничения активной составляющей тока однофазного замыкания может быть вызвана повышенными требованиями к электро- и пожаробезопасности.
Несмотря на то что правилами технической эксплуатации компенсация активной составляющей тока замыкания не предусмотрена, на практике в виде опытных образцов применяется ряд устройств [18, 60]. Еще В. Петерсен предложил вводить в контур нулевой последовательности добавочный ток, направленный навстречу активной составляющей остаточного тока замыкания на землю [11]. Источником электроэнергии может быть асинхронный генератор, вращающийся со скоростью несколько более высокой, чем скорость, соответствующая нормальной частоте сети (рис. 89, а, б). Вместо использования ненадежных вращающихся машин необходимое напряжение поврежденной фазы для компенсации активной составляющей при замыкании на землю может подаваться от самой системы через однофазный трансформатор Т и автоматические включатели QF1, QF2 и QF3 (рис. 89, в), которые приводятся в действие с помощью соответствующего блока управления (на рисунке не указан). Современные варианты такого устройства описаны в [43].
Развитием этой же идеи является применение вспомогательного реактора LP2 (рис. 89, г), который также может автоматически подключаться к одной из фаз сети. Для получения нужного эффекта ток вспомогательного реактора должен быть отстающим по отношению к току ДГР. Это достигается подключением вспомогательного
реактора к неповрежденной фазе сети, напряжение которой опережает напряжение заземлившейся фазы.
Рис. 89. Схемы устройств для автоматической компенсации активной составляющей тока замыкания на землю с Еист, включенным последовательно с ДГР (а) и на вторичную его обмотку (б), с однофазным трансформатором, включенным последовательно с ДГР (в), и при включении вспомогательного реактора к неповрежденной фазе сети (г).
Включение вспомогательного реактора вызывает увеличение реактивной составляющей тока замыкания, что необходимо учитывать при настройке основного ДГР. Аналогичный эффект достигается при подключении вспомогательной емкости к неповрежденной фазе, напряжение которой отстает от напряжения заземлившейся фазы сети.
Появление управляемых силовых полупроводниковых приборов позволило разработать технически более совершенные устройства компенсации активных токов замыкания на землю [67], блок-схема такого устройства представлена на рис. 90. Последовательно с ДГР включается однофазный зависимый инвертор, преобразующий постоянное напряжение управляемого выпрямителя в переменное, совпадающее по частоте с током реактора и противоположное ему по фазе.
Рис. 90. Схема устройства для компенсации полного тока однофазного замыкания на землю:
1 — блок управления; 2 — источник переменного тока; 3 — управляемый выпрямитель; 4 — инвертор
Фактически инвертор передает в контур нулевой последовательности сети активную мощность, эквивалентную потери в реакторе и в активных проводимостях между фазами сети и землей. Компенсация активной составляющей осуществляется изменением сигнала на входе управляемого выпрямителя и может быть автоматизирована.
Основное преимущество этого устройства — высокое быстродействие, поэтому его целесообразно использовать на объектах с повышенными требованиями к электро- и пожаробезопасности.
С помощью управляемого источника электроэнергии, введенного в контур нулевой последовательности сети, можно также осуществить селективную сигнализацию о замыканиях на землю и автоматическую настройку компенсации емкостных токов. После ликвидации замыкания на землю искусственное поддержание высокой добротности контура нулевой последовательности может привести к возникновению длительных свободных колебаний и неоправданному увеличению времени восстановления нормального напряжения на поврежденной фазе. Этот недостаток может быть устранен дополнительным усложнением алгоритма работы автоматического регулятора.
Учитывая относительную сложность устройств компенсации активного тока, в перспективе их применение возможно лишь в электрических сетях с повышенной опасностью обслуживания.
Современные жесткие требования к качеству электрической энергии [15], в частности к уровню высших гармоник в фазных напряжениях сети, не всегда выполняются. Причины их возникновения исследованы достаточно подробно [11, 84], и можно только добавить, что для компенсированных сетей существенную роль играют параметры ДГР (см. гл. IX).
В некоторых сетях промышленных предприятий при однофазных замыканиях на землю нескомпенсированные токи высших гармоник могут достигать десятков ампер [54], что существенно снижает общую эффективность компенсации.
В случае, когда устранение первопричины возникновения высших гармоник является невозможным, для их подавления в токе однофазного замыкания можно применять специальное устройство, впервые предложенное еще В. Петерсеном [11]. В этом устройстве (рис. 91) параллельно основному ДГР X, устанавливается цепь из последовательно соединенных индуктивности Xl и емкости Xв.
Рис. 91. Схема устройства для компенсации высших гармонических составляющих тока замыкания на землю
Параметры элементов X1, XL подбирают таким образом, чтобы они образовали запирающий контур для третьей гармоники и давали результирующее кажущееся сопротивление 100 и 20 % для составляющих соответственно основной частоты и пятой гармоники. Для этого между индуктивностью элементов устройства и суммарным емкостным сопротивлением фаз сети должны соблюдаться следующие соотношения:
XI =0,928 Xc; XI' =0,598Xc; Хc'= 13,635Хc. (Х.57) Из выражений (Х.57) видно, что емкость устройства компенсации высших гармоник Xc более чем на порядок превышает емкость сети. Индуктивности XL и XL должны регулироваться в соответствии с изменением емкости сети. Применение подобных устройств требует технико-экономического обоснования.
Более эффективным средством для локализации заземляющих электрических дуг в сетях с высоким содержанием высших гармоник может оказаться устройство замыкания на землю поврежденной фазы (АЗФ), рассмотренное в гл. VIII.
