Там, где имеется нейтраль силового трансформатора приемлемой мощности, задача компенсации тока замыкания на землю наиболее просто решается с помощью дугогасящей катушки, т. с. однофазного реактора, включаемого между нейтралью и землей. При отсутствии силового трансформатора достаточной мощности могут быть использованы вспомогательные заземляющие трансформаторы (см. § 9). Кроме того, были предложены еще две группы дугогасящих устройств, которые, однако, не нашли широкого применения. Своими зажимами они присоединяются непосредственно к проводам фаз аналогично пофазно заземляющим устройствам. Одна из групп включает в себя аппараты, состоящие из трех однофазных реакторов, имеющих отдельные магнитные цепи; другая группа охватывает различные конструкции трехфазных реакторов, в которых имеется магнитная связь между отдельными фазами. Часто недооценивают коренное различие между настоящими пофазно заземляющими реакторами, представленными первой группой, и реакторами с магнитной связью между фазами, которые в скрытой форме являются по существу устройствами заземления нейтрали.
Пофазно заземляющие реакторы в силу своей экономической нецелесообразности никогда не найдут широкого практического применения, и это неплохо, так как они имеют ряд технических недостатков, о которых будет сказано в § 4 следующей главы. Когда устройства с заземлением каждой фазы впервые предлагались для применения в системах, то надеялись, что удастся избежать этих недостатков. Однако это было опровергнуто практикой и, кроме того, стало совершенно ясно, что трехфазные устройства с магнитной связью между фазами, предложенные для устранения мнимых недостатков аппаратов с заземлением нейтрали, во всех отношениях не лучше и не хуже последних. Далее станет видно, что их характеристики совершенно идентичны с характеристиками дугогасящих катушек, присоединенных к вспомогательным заземляющим трансформаторам.
Для устранения предполагаемых недостатков первоначальной дугогасящей катушки, помимо трехфазных устройств, была еще предложена так называемая «ненастроенная катушка», противопоставляемая резонансному заземлению. В § 13 этой главы будет показано, что это скорее разновидность режима работы, чем новое устройство.
11.1. Двоякая роль магнитной цепи трехфазных дугогасящих устройств
В § 1 гл. 2 было найдено, что при замыкании на землю напряжения фаз по отношению к земле могут быть разложены на две группы составляющих, которые определяются уравнениями (27). Любое устройство, предназначенное для работы в условиях замыкания на землю, должно быть выполнено таким образом, чтобы оно реагировало на появление этих напряжений, либо на их сумму, либо на каждое в отдельности. Первый вариант решения этого вопроса состоит в раздельном заземлении каждой фазы. Второй вариант используется во всех остальных случаях, хотя это и не всегда является очевидным. Наиболее характерным примером устройства, порознь воспринимающего отдельные составляющие напряжения, является обычная дугогасящая катушка в соединении с заземляющим трансформатором. На обмотки последнего, будь то силовой или вспомогательный трансформатор, ложатся три симметричных напряжения: U10, U20 и U30, в то время как дугогасящая катушка оказывается под напряжением смещения нейтрали U0е. Магнитные потоки, соответствующие, с одной стороны, фазным напряжениям U10 U20 и U30 и с другой—напряжению на нейтрали U0е, образуются в разных магнитных цепях и действуют на различные обмотки.
Рис. 144. Принципиальное устройство дугогасящей катушки.
Магнитная цепь дугогасящей катушки по соображениям, которые будут приведены несколько ниже, содержит насыщающийся материал. Однако в связи с тем, что требуемое реактивное сопротивление должно быть относительно малым, замкнутый стальной сердечник не может быть использован для этой цели. Оба эти требования удовлетворяются введением воздушных зазоров в магнитную цепь катушки. Для того чтобы можно было отрегулировать ток до требуемой величины, со стороны заземляемого конца делается несколько отводов от витков катушки (рис. 144).
Элемент, реагирующий на напряжение U0е, совсем необязательно должен быть включен между нейтралью трехфазного трансформатора и землей. Действительно, последовательность расположения двух элементов можно изменить на обратную [Л. 8] и тогда эквивалент дугогасящей катушки будет расположен между выводами трансформатора и системой, как это показано на рис. 145. В этом случае нейтраль трансформатора присоединяется непосредственно к земле.
Если дугогасящая катушка включена перед трансформатором, то необходимо принять меры для того, чтобы токи трехфазной нагрузки, проходя по ней, не вызывали недопустимо большого падения напряжения. Это может быть обеспечено одним из двух способов, указанных на рис. 145.
Рис. 145. Два типа трехфазных устройств, включаемых между системой и трансформатором и действующих как дугогасящий аппарат.
Рис. 146. Трехфазное заземляющее устройство.
Для того чтобы создать на пути составляющих нулевой последовательности определенное сопротивление, в обоих случаях предусмотрены сердечники с воздушными зазорами. Составляющие прямой и обратной последовательностей будут уравновешиваться либо в результате концентрического расположения трех обмоток па общем стержне, либо при обмотках, размещенных на отдельных стрежнях, с помощью дополнительной обмотки, включенной в короткозамкнутую звезду.
Ради исторической полноты нашего рассмотрения можно упомянуть еще один вариант, показанный на рис. 146. Здесь мы имеем две магнитные цепи трехфазного типа, каждая из которых выполняет половину обеих функций. Система напряжений прикладывается к двум одинаковым секциям. Магнитные цепи соединены таким образом, что через каждую секцию, состоящую из трех параллельных стержней, проходит поток нулевой последовательности, причем каждая секция создает половину н. с. В местах соединения двух магнитных цепей устроены воздушные зазоры. Выполнить их на главных стержнях нельзя, так как это вызовет нежелательное. увеличение трехфазного намагничивающего тока. С другой стороны, размещение их на участках магнитной цепи, где нет обмоток, приводит к тому, что на эти участки ложится значительная часть н. с., в результате чего недопустимо возрастает поток рассеяния.
Это устройство представляет собой пример неудовлетворительного выполнения требований технического и экономического характера, которые в целях классификации приведены в § 11.2.
При анализе характеристик других различных типов дугогасящих аппаратов мы будем прибегать к упомянутому выше методу разделения напряжений и потоков на две группы. В тех случаях, когда имеет место насыщение, следует проявлять осторожность в применении этого метода наложения. Метод разделения напряжений и соответствующих потоков на две группы дает особенно большие преимущества при анализе устройств, в которых отдельные участки магнитной цепи или обмотки играют двоякую роль.
Рис. 147. Магнитосвязанные трехфазные дугогасящие аппараты, дающие заземление каждой фазы.
а — схема соединения обмоток и векторная диаграмма напряжения; б — конструкция с воздушными зазорами в главных стержнях; в — конструкция с воздушными зазорами во вспомогательных стержнях.
11.2. Основные требования, предъявляемые к трехфазным резонансным заземляющим устройствам
Ранее уже было отмечено, что дугогасящие аппараты реагируют на несимметричность проводимостей между фазами и землей. В этом отношении сами они не должны образовывать источника асимметрии. Учитывая это, а также замечания, сделанные в § 11.1, мы можем сформулировать ряд требований, которые позволят нам оценивать пригодность каждого отдельного устройства:
а) экономичность конструкции;
б) магнитная симметрия всех цепей тока между фазами и землей;
в) требуемое реактивное сопротивление нулевой последовательности должно сочетаться с высоким реактивным сопротивлением холостого хода;
г) отсутствие свободных н. с.;
д) простота регулирования тока в условиях эксплуатации, а также простота регулирования воздушных зазоров при испытаниях на заводе-изготовителе.
Трехфазные дугогасящие аппараты магнитосвязанного типа
Возьмем три однофазных заземляющих устройства, каждое из которых имеет один стержень, несущий обмотку, и другой стержень, образующий обратный путь потока, и соединим последние вместе. Если магнитное сопротивление их пренебрежимо мало, то против такого объединения стержней не может быть возражений. Мы получим тогда конструкцию, близкую к пятистержневой, показанной на рис. 147,6, которая представляет собой трехфазное заземляющее устройство без магнитной связи по дополнительному потоку, возникающему во время замыкания на землю. Если, однако, общая цепь, образующая обратный путь этого потока, обладает значительным магнитным сопротивлением, как это имеет место на рис. 147,в, то все три стержня, несущие обмотки, оказываются связанными общей н. с. на внешнем магнитном сопротивлении, на которое они работают параллельно. Три фазы не будут уже теперь независимыми в условиях замыкания на землю, они будут магнитосвязанными.
В § 11.3 мы пришли к выводу, что при этой простейшей форме магнитной связи образуется недопустимо большое поле рассеяния. В этом не будет ничего удивительного, если вспомнить, что устройство, показанное на рис. 147,в, эквивалентно или, лучше сказать, происходит от комбинации обычного трехстержневого вспомогательного трансформатора, соединенного в звезду, с однофазной трехстержневой дугогасящей катушкой (рис. 148), имеющей воздушные зазоры в стержнях, свободных от обмоток.
Рис. 143. Эквивалентность заземления нейтрали и магнитосвязанного заземления фаз.
Рис. 149. Устройство заземления фаз с дополнительной обмоткой на стержне с воздушными зазорами
Рис. 150. Трехфазное заземляющее устройство, предложенное Рейтгофером, использующее небаланс обмоток, соединенных в зигзаг.
При объединении сердечника заземляющего трансформатора с центральным стержнем катушки и последующем совмещении обмоток мы, очевидно, и получим представленный на рис. 147,в вариант трехфазного магнитосвязанного дугогасящего устройства.
Дугогасящая катушка с воздушными зазорами в стержнях, свободных от обмоток, по-видимому, непригодна для наших целей ввиду значительного потока рассеяния. С той же трудностью мы сталкиваемся и в случае только что упомянутого комбинированного устройства. Для устранения этого недостатка было предложено добавить еще одну обмотку, расположив ее на стержне (или стержнях) с воздушными промежутками, с тем чтобы н. с. создавать прямо в месте ее приложения. При таком решении (рис. 149) н. с., создаваемая током замыкания на землю, проходящим по трем основным обмоткам, будет весьма значительной. Отмеченного затруднения не возникает, если главные обмотки пересоединить со звезды на «зигзаг», так как теперь, очевидно, мы получим эквивалент устройства, показанного на рис. 139, с заземляющим трансформатором, соединенным в «зигзаг», и обычной дугогасящей катушкой.
Комбинированное устройство может быть получено простым добавлением к каждой стороне сердечника вспомогательного заземляющего трансформатора, соединенного в «зигзаг», половины двухстержневой дугогасящей катушки. Снизить расход материала таким путем не удается, так как не следует упускать из виду того, что в ярмах будет иметь место наложение потоков. Однако все требования, сформулированные в § 11.2, оказываются удовлетворенными. Если комбинированное устройство выполняется с четырьмя стержнями, подобно показанному на рис. 149, то следует увеличить размеры главных стержней, имея в виду, что по ним будет проходить также поток, создаваемый обмоткой, расположенной на четвертом стержне с воздушными зазорами. Экономии материалов достичь не удается, в частности ввиду низких значений индукции, которые должны иметь место в главных стержнях, с тем чтобы избежать асимметрии магнитных цепей фаз.
