Глава шестая
ДУГОГАСЯЩИЕ АППАРАТЫ. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. ОСТАТОЧНЫЙ ТОК И ЕГО КОМПЕНСАЦИЯ
Остаточный ток в месте замыкания на землю содержит три составляющие: реактивную, которая может носить как индуктивный, так и емкостный характер, активную и высшие гармоники. Две первые составляющих рассматривались в § 2, 4, 6 и 7 предыдущей главы. В настоящем параграфе рассматриваются компенсация активной составляющей, а также происхождение и компенсация высших гармонических остаточного тока.
Компенсация активной составляющей
Как известно, дугогасящая катушка не только не уменьшает активной составляющей тока замыкания, но даже увеличивает ее. Можно было предположить, что ликвидация этой составляющей существенно улучшит гашение дуги. В действительности дело обстоит сложнее.
Было указано, что уменьшение скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке является более важным фактором, чем уменьшение абсолютного значения тока, проходящего через место замыкания. В системе с полной компенсацией емкостного тока (идеальная настройка) остаточный ток совпадает по фазе с напряжением на нейтрали. Наличие в схеме небольшого последовательно включенного сопротивления обусловливает также небольшую активную составляющую напряжения на нейтрали, которая мгновенно появляется на дуговом промежутке после угасания дуги. Активные потери в схеме приводят также к затуханию свободных колебаний (рис. 120,а) и ускоряют восстановление напряжения на дуговом промежутке, т. е. приводят в данном случае к тем же последствиям, что и недокомпенсация или перекомпенсация (рис. 120,б). Таким образом, чем выше потери, тем меньше допустимая степень расстройки (при данной скорости восстановления напряжения).
С другой стороны, активные потери в компенсирующей сети играют полезную роль. При идеальной настройке реактивный ток между сетью и землей отсутствует и через место замыкания протекает только активный ток. Если же этот активный ток будет также скомпенсирован, система окажется предоставленной самой себе и лишенной всякого стабилизирующего влияния (см. § 4 гл. 1). После обрыва дуги не окажется механизма, способного вернуть систему в нормальный симметричный режим. Другое объяснение этого факта заключается в том, что при отсутствии потерь свободные колебания системы не затухают и система длительно сохраняет потенциалы, имеющие место в момент угасания дуги. Более того, при перекомпенсации активных потерь будет иметь место отрицательное демпфирование, что приведет к увеличению смещения нейтрали до тех пор, пока возросшее насыщение аппаратов не ограничит амплитуду колебаний.
Некоторая стабилизация потенциалов может быть достигнута путем расстройки системы, при которой через дуговой промежуток вместо компенсированной активной составляющей будет проходить реактивная составляющая.
Еще одним доводом против компенсации активной составляющей является возможность использования ее для определения места повреждения.
В некоторых случаях активная составляющая остаточного тока не только не компенсируется, но искусственно увеличивается с целью уменьшить смещение нейтрали и обеспечить работу реле.
Во многих крупных системах с большими потерями компенсация активной составляющей не была признана целесообразной, но обращалось большое внимание на точность настройки. В качестве примера можно привести кабельную сеть 30 кВ Берлинской муниципальной электрической компании с током утечки около 200 а и электропередачу 220 кВ Рейнско-Вестфальской электрической компании, имеющую активный ток 70 а.
Компенсация активной составляющей может оказаться целесообразной для линий весьма высокого напряжения с проводами относительно малого диаметра, где возможны значительные потери на корону при однофазном замыкании на землю. Для того чтобы избежать смещения нейтрали при нормальном режиме, следует вводить компенсацию активного тока только кратковременно в случае замыкания на землю.
Хотя компенсация активной составляющей остаточного тока не получила широкого применения, было предложено несколько схем, первая из которых была выдвинута Петерсеном.
Рис. 162. Схема для компенсации активной составляющей остаточного тока (по Петерсену); используются вращающиеся машины с сериесной характеристикой. а — последовательное включение генератора (добавочное напряжение); б — параллельное включение генератора
Он предложил добавлять к реактивному току, обусловленному наличием дугогасящей катушки, составляющую, направленную навстречу активной составляющей остаточного тока, путем введения в схему добавочного напряжения (рис. 162,а) или добавочного тока (рис. 162,б). В частности, источником напряжения или тока может быть асинхронный генератор, вращающийся со скоростью, несколько более высокой, чем скорость, соответствующая нормальной частоте сети. Величина тока, которую дает асинхронный генератор, зависит от частоты; в условиях замыкания на землю это вынужденная частота источника, а в нормальном режиме — частота собственных колебаний сети. Если частота собственных колебаний выше частоты источника (режим перекомпенсации), асинхронная машина будет работать как двигатель, увеличивая активную составляющую остаточного тока. Таким образом, в этой схеме автоматически регулируется направление тока, вследствие чего компенсация осуществляется только в режиме замыкания на землю. Такие устройства эквивалентны отрицательным активным сопротивлениям. Недостатком их является применение постоянно включенных вращающихся машин.
Вместо использования вращающихся машин необходимое напряжение для компенсации активной составляющей в момент замыкания может быть получено от самой системы. Вспомогательное устройство, содержащее реле и выключатели, дает возможность автоматически подавать в цепь дугогасящей катушки напряжение от поврежденной фазы (рис. 163). Эта идея, принадлежащая также Петерсену, получила дальнейшее развитие.
Рис. 163. Введение добавочного напряжения; автоматический выбор необходимой величины и фазы напряжения из главной системы.
Рис. 164. Компенсация активной составляющей остаточного тока с помощью вспомогательного реактора.
Рис. 165. Компенсация активной составляющей остаточного тока путем несимметричного включения дугогасящего трансформатора.
На рис. 164 показан вспомогательный реактор, который может автоматически включаться под напряжение одной из фаз. Добавочный индуктивный ток, протекающий через реактор, может быть опережающим или отстающим по отношению к току дугогасящей катушки на угол 30°. Векторная диаграмма показывает, что для получения нужного эффекта ток должен быть отстающим. Это достигается подключением вспомогательного реактора к неповрежденной фазе, напряжение которой опережает напряжение заземлившейся фазы. То обстоятельство, что сдвиг фаз между добавочным током и током дугогасящей катушки составляет 30, а не 90°, оказывает влияние на реактивную составляющую; это может быть легко учтено при выборе параметров дугогасящей катушки.
Тот же принцип компенсации активного тока может быть использован применительно к дугогасящему трансформатору (рис. 165). Вторичные обмотки трансформатора имеют несколько отпаек; обмотки подключаются таким образом, что напряжение обмотки в одной из здоровых фаз оказывается большим, а в другой — меньшим, чем в поврежденной фазе, что дает правильные фазные соотношения. Фирма Броун-Бовери, применяющая устройство на рис. 164, предложила также схему для автоматической компенсации активной составляющей, не содержащую выключателей, принцип которой иллюстрирует рис. 166. Три насыщающихся реактора присоединены к промежуточным точкам обмотки, соединенной в треугольник. Если реакторы одинаковые и имеют линейные характеристики, то их комбинация эквивалентна одному реактору, точка присоединения которого находится в центре тяжести треугольника, т. е. в нейтрали. Благодаря насыщению реактор, присоединенный к точке с наибольшим напряжением, играет ту же роль, что и вспомогательный реактор в схеме на рис. 164.
Рис. 166. Саморегулирующаяся схема с тремя насыщенными реакторами.
Достоинством этого устройства является то, что в нормальном режиме оно не оказывает влияния на активную составляющую остаточного тока, а следовательно, и на распределение напряжения. Однако всякое отклонение системы от состояния равновесия вследствие несимметрии емкостей или замыкания на землю усиливается при наличии данного устройства, так как степень компенсации активных потерь растет вместе со смещением нейтрали.
В заключение можно сказать, что компенсация активной составляющей остаточного тока имеет ограниченную область применения; активные потери препятствуют развитию свободных колебаний и способствуют возвращению системы в нормальное состояние (симметричное распределение потенциалов) после угасания дуги. Уменьшение активной составляющей приводит к необходимости отклонения от настройки системы, что является нежелательным, особенно для сетей более высокого напряжения.
Рис. 167. Регистрация высших гармоник (пятой и седьмой) в линейном напряжении системы 6 кВ.
Компенсация гармонических составляющих
1.2.1. Происхождение высших гармонических в кривой остаточного тока
Высшие гармоники могут появляться в кривых э. д. с. генераторов и намагничивающих токов трансформаторов. Выполнение современных генераторов предусматривает весьма малое отклонение формы кривой э. д. с. от синусоиды. Номинальная мощность трансформаторов, установленных в какой-либо системе, обычно в несколько раз превышает номинальную мощность генераторов. Поскольку намагничивающий ток трансформаторов имеет несинусоидальную форму, они могут рассматриваться как источники высших гармоник. Стандарт на трансформаторы не предусматривает никаких требований к форме кривой намагничивающего тока.
Рис. 168. Изменение процентного содержания пятой гармоники в зависимости от нагрузки.
1— мощность; 2 — пятая гармоника.
По этим причинам явления, связанные с высшими гармоническими, могут быть приписаны главным образом нелинейным характеристикам намагничивания трансформаторов. Из всего спектра высших гармонических должны приниматься во внимание обычно две или три, причем их порядок и амплитуда часто меняются с изменением условий работы и конфигурации сети. Емкость системы и индуктивность рассеяния трансформатора определяют резонансную частоту это явление упоминалось выше при рассмотрении переходных процессов. Теперь рассматривается тот же самый резонансный контур, но под действием одной из гармоник, постоянно действующей в сети. Отсюда вытекает, что вынужденные колебания будут усиливаться, если их частота окажется близкой к собственной частоте контура (точное совпадение частот необязательно). Очевидно также, что с изменением конфигурации сети будут меняться и собственная частота и амплитуда вынужденных колебаний. На ленте самопишущего прибора, регистрирующего содержание высших гармонических (рис. 167), отчетливо видны две гармоники, частоты которых, очевидно, лежат по обе стороны от резонансной частоты; всякие изменения в работе системы, связанные с коммутационными операциями, вызывают резкое изменение содержания гармонических.
Рнс. 169. Гармоники, обусловленные нелинейностью кривой намагничивания трансформатора.
а — исследуемая простая сеть; б — эквивалентная схема с источником тока; в — зависимость между гармониками напряжения и стока.
Нагрузка системы должна рассматриваться как кажущееся сопротивление, присоединенное параллельно одному из элементов резонансного контура. Индуктивная нагрузка изменяет резонансную частоту, а следовательно, и порядок гармонических, имеющих наибольший удельный вес; активная нагрузка оказывает демпфирующее действие. Это подтверждается результатами регистрации, воспроизведенными на рис. 168, из которого видно, что пики нагрузки совпадают с минимумами пятой гармоники, в то время как спад нагрузки приводит к увеличению амплитуды гармоники. Там, где длительное уменьшение нагрузки не приводило к увеличению процентного содержания пятой гармоники (воскресение), по-видимому, имело место изменение конфигурации сети.
Более подробное рассмотрение влияния условий резонанса дано на рис. 169. Эквивалентная схема (рис. 169,а) содержит индуктивность рассеяния источника η-й гармоники, емкость системы С и индуктивность холостого хода распределительного трансформатора L0. Целесообразно сложить параллельно L, и С, которые вместе с L0 могут образовать резонансный контур для одной из гармоник. Индуктивность L0 для η-й гармоники представляет собой высокое сопротивление ηωL0. Отсюда следует, что резонанс получается, если два других элемента, соединенные параллельно, образуют вместе кажущееся сопротивление Хп противоположного знака. Иначе говоря, Ls и С образуют контур, находящийся в условиях, близких к условиям резонанса токов. Это означает, что Ls и С определяют порядок гармоник, имеющих наибольший удельный вес, независимо от того, с какой стороны находится источник гармонических.
Резонансная частота проявляется в переходном режиме во время начальных стадий замыкания на землю. Когда остаточный ток достигает установившегося состояния, в нем наиболее отчетливо выражены гармоники, кратные трем, а также те составляющие, частоты которых близки к резонансной. [При отсутствии замыкания на землю собственная частота системы и высшие гармонические, имеющие наибольший удельный вес, несколько отличаются от подсчитанных по формулам (65) и (66) § 1, 2 и 3 гл. 3.] Если между местом замыкания и источником имеется некоторая индуктивность L, то эквивалентная схема для определения резонансной частоты может быть изображена в соответствии с рис. 170.
Рис. 170. Замыкание на землю за реактансом. Источник гармоник в остаточном токе.
Схема, показанная на рис. 170, отличается от схемы на рис. 49,а только добавлением междуфазных емкостей. При рассмотрении рис. 49,а основное внимание было обращено на условия возникновения токов основной частоты. Очевидно, что при малых значениях L (замыкание вблизи источника) резонансная частота приближается не к основной частоте сети, а к одной из ее гармоник. Вместо использования схемы на рис. 170 можно перейти к эквивалентной схеме на рис. 91,а, включив утроенную индуктивность L в цепь обратного тока. Этот контур имеет более чем одну частоту собственных колебаний, следовательно более двух гармоник с частотами, близкими к резонансной, которые наиболее отчетливо выражены в кривых напряжения или тока.
Приведенные выше соображения о происхождении высших гармоник остаточного тока относятся к системе, где основная составляющая остаточного тока скомпенсирована. В некомпенсированной системе генератор работает на несимметричную емкостную нагрузку, что может привести к появлению высших гармоник в э. д. с. генератора [Л. 3].
В системах с дугогасящими аппаратами гармоники тока с тройной частотой обычно ограничены высоким сопротивлением в нейтрали. Это имеет место в том случае, если магнитные цепи всех трех фаз симметричны, т. е. токи тройной частоты проходят по путям токов нулевой последовательности. Нарушение симметрии эквивалентно наложению составляющих прямой и обратной последовательностей, которые ведут себя, как гармоники других порядком.
Рис. 171. Искажение кривых тока и напряжения в линии.
а — кривые линейного на пряжения и разрядного тока в липни без компенсации (ясно выраженная пятая гармоника); б — кривые напряжения и остаточного тока в системе 110 кВ. с резонансным заземлением нейтрали.
Корона является другим источником высших гармоник, включая неуравновешенные гармоники тройной частоты. К этому вопросу мы вернемся в § 12 этой главы. Растущее применение управляемых ртутных выпрямителей также увеличивает роль высших гармоник. Соединение между собой различных систем может привести к появлению гармоник, практически не наблюдавшихся в отдельных системах.
На рис. 171,а показаны кривые линейного напряжения и емкостного тока в системе, имеющей в нормальных условиях ярко выраженную пятую гармонику. Интересно сопоставить эти кривые с кривыми на рис. 171,б (линейное напряжение и остаточный ток), которые относятся к компенсированной системе 110 кВ.
1.2.2. Компенсация гармонических составляющих остаточного тока
Наличие высших гармоник в кривой остаточного тока не внушает опасений и не отражается существенно на условиях гашения дуги. Рассмотрим, например, влияние пятой гармоники. Если амплитуда этой гармоники в кривой остаточного тока равна амплитуде основной составляющей не скомпенсированного (емкостного) тока, то соответствующая гармоника в кривой фазного напряжения составляет всего одну пятую основной. Это означает, что даже в таком маловероятном случае резко искаженной кривой тока восстала вливающееся напряжение после обрыва дуги оказывается в несколько раз меньшим, чем при незаземленной нейтрали. При наличии высших гармоник в остаточном токе обрыв замыкания на землю сопровождается характерным треском. Это дает возможность судить о наличии высших гармоник и их влиянии на гашение дуги.
Рис. 172. Компенсация высших гармоник остаточного тока.
а — устройство для компенсации основной частоты и одно из высших гармоник; б — устройство для компенсации основной частоты в трех гармоник; в—устройство для компенсации основной частоты в двух гармоник, состоящее из двух отдельных ветвей.
Как правило, наличие высших гармоник оказывается совершенно безвредным. Подобный пример был описан Луидхольмом [Л. 4], который не считал нужным прибегать к специальным мерам ограничения высших гармоник. Однако в некоторых случаях электрические компании находят желательным установку оборудования для ликвидации высших гармоник. Первое решение этого вопроса было дано Петерсеном в 1926 г. Он предложил заменить простую дугогасящую катушку более сложным устройством, состоящим из комбинации индуктивности и емкости.
На рис. 172,а дана схема для компенсации основной и пятой гармоник и запирания третьей гармоники. Примем кажущееся сопротивление схемы для основной частоты за 100%; тогда для нейтрализации пятой гармоники потребуется индуктивное сопротивление 20%.
