Нормальный режим работы компенсированной сети
Режиму точной компенсации емкостного тока свойственна опасность появления значительного напряжения нулевой последовательности при нормальной работе сети. Эта опасность связана с возможностью возникновения в сети, при некоторой несимметрии ее элементов, продольного резонанса между индуктивностью ДГР и емкостью сети.
Каковы же причины появления этого резонанса?
Выше мы приближенно принимали ЭДС генераторов симметричными и емкости фаз сети одинаковыми. Соответственно получалось, что напряжение нейтрали при нормальной работе системы равно нулю. В действительности в эксплуатации имеют место отклонения от этих условий симметрии, в особенности, например, в воздушных сетях при недостаточной транспозиции фаз на линиях.
Как известно из ТОЭ, при изолированной нейтрали, отсутствии потерь и активных утечек смещение нейтрали основной частоты
(IV.24)
(Знак минус перед правой частью этого уравнения определяется выбранными условными направлениями напряжений (см. параграф 2 гл. I).)
Из этого уравнения следует, что смещение нейтрали при нормальной работе зависит от несимметрии напряжений питающего источника и емкостей сети.
При включении ДГР, настроенного на точную компенсацию емкостей,
(IV.25)
Индуктивность реактора и емкости фаз образуют, как показано выше, колебательный контур, настроенный в резонанс при рабочей частоте системы.
Напряжение Uо, включенное в этот контур последовательно, создает резонанс напряжений, причем на реакторе и всех фазах сети возникают теоретически бесконечно большие напряжения относительно земли (в действительности активные сопротивления и проводимости ограничивают эти напряжения, но все же они могут во много раз превышать указанное выше напряжение U0).
Это явление будет предотвращено, если индуктивность ДГР будет отличаться от получающейся по формуле (IV. 25). При такой неточной настройке ДГР и d =0 напряжение нейтрали сети согласно теореме об эквивалентном генераторе будет
(IV.26)
Найдем отношение смещения нейтрали при включенном ДГР к напряжению нейтрали при отсутствии ДГР (т. е. к естественному напряжению несимметрии сети):
(IV.27)
Из этого выражения видно, что даже небольшое отклонение индуктивности ДГР от точно настроенной индуктивности Lн. точн приводит к понижению напряжения нейтрали. Другим способом ограничения напряжения на нейтрали компенсированной сети при точной настройке индуктивности ДГР (v= 0) является искусственное ухудшение добротности контура нулевой последовательности (см. гл. XI).
Преимущества и недостатки компенсации емкостного тока замыкания на землю
Из изложенного выше вытекает, что благодаря компенсации емкостного тока замыкания на землю в сети достигаются следующие преимущества. Практически устраняется опасность перемежающихся дуговых замыканий на землю (возможны лишь неустойчивые прерывистые замыкания на землю). В связи с этим предотвращается повышение напряжения на поврежденной фазе выше нормального фазного. Перенапряжения на неповрежденных фазах, обусловленные высокочастотными колебаниями, имеют существенно меньшие значения, чем в сети с изолированной нейтралью. Благодаря снижению перенапряжений резко уменьшается вероятность перехода однофазных замыканий в разноместные замыкания на землю двух фаз. В этом отношении достигаются такие же преимущества, как при заземлении нейтрали через высокоомное активное сопротивление (см. гл. III).
Однако в отличие от такого заземления при точной настройке компенсации, небольших высших гармониках и незначительном активном токе утечек почти полностью устраняется ток в месте повреждения. Поэтому многие дуговые замыкания на землю полностью ликвидируются непосредственно после их возникновения.
При однофазном замыкании на землю продолжается бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией. Такой режим не является аварийным, а расценивается как ненормальный и, согласно правилам технической эксплуатации (ПТЭ), может продолжаться несколько часов.
Помимо того что при компенсации уменьшается ток в месте повреждения, при ней замедляется восстановление напряжения на поврежденной фазе после отключения замыкания на землю или после погасания дуги. Это также способствует самоликвидации замыканий на землю. Повторные зажигания заземляющей дуги возможны только в тех случаях, когда для этого достаточно напряжение, не превышающее Еф.
Опыт эксплуатации показывает, что при незначительной расстройке компенсации указанные выше преимущества в основном не теряются. Даже при сравнительно большой расстройке применение ДГР оказывается весьма эффективным. Отклонения от точной настройки (≈ ± 0,2) практически незначительно ухудшают условия гашения дуги, причем повторные зажигания в большинстве случаев уже не имеют места, а перенапряжения достигают меньших значений, чем при изолированной нейтрали.
Предельным остаточным током, при котором предотвращается повторное зажигание дуги на воздушных линиях, можно считать 30—40 А при ≤ 20 %. По статистическим данным [107], до 80% однофазных замыканий на землю в воздушных сетях при таких токах расстройки автоматически ликвидируются без отключения. Еще более эффективно применение компенсации при меньших абсолютных значениях расстройки о.
Следует отметить, что в некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью емкостные токи замыкания на землю указанных значений обычно приводят к устойчивому горению дуги (последнее объясняется быстрым восстановлением напряжения на поврежденной фазе в некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью). Дуговые замыкания в кабельных сетях случаются реже, чем в воздушных. Замыкания здесь чаще имеют устойчивый характер. Однако применение компенсации в разветвленных колебательных сетях не менее эффективно, чем в воздушных, благодаря снижению токов замыкания на землю. Предельное действующее значение тока замыкания на землю в кабелях, при котором однофазное повреждение обычно еще не переходит в междуфазное к. з., составляет 20—25 А независимо от наличия в сети компенсации емкостного тока замыкания на землю.
В компенсированных сетях (так же как в сетях, заземленных через активное сопротивление) практически устраняется возможность феррорезонансных процессов (см. гл. VI, VII),
Наряду с перечисленными большими преимуществами компенсированным сетям свойственны и определенные недостатки. В них возможно возникновение продольного резонанса и связанного с ним повышения напряжений сети при нормальном режиме. При неточной настройке индуктивности ДГР может возникнуть биение напряжений после погасания заземляющей дуги. В момент замыкания на землю через тело человека, прикоснувшегося к токоведущей части, возникает дополнительный свободный, сравнительно медленно затухающий ток дугогасящего реактора, что ухудшает условия электробезопасности.
Несмотря на отмеченные недостатки, ввиду значительных преимуществ компенсации она широко применяется в сетях различных напряжений (в нашей стране до 35 кВ включительно). Можно считать, что эффективность компенсации тем выше, чем больше емкостный ток замыкания на землю в сети.
Помимо рассмотренной компенсации емкостного тока замыкания на землю основной частоты, существуют разработки устройств для компенсации активной составляющей этого тока, а также его высших гармонических составляющих (см. гл. X) [26, 55]. Такие устройства могут способствовать дальнейшему повышению надежности эксплуатации электрических сетей. Однако целесообразность их применения в конкретных случаях должна быть обоснована технико-экономическими расчетами.
