После определения емкостного тока замыкания на землю электрически соединенных частей системы необходимо выполнить следующий шаг, состоящий в выборе числа компенсирующих аппаратов и их расстановки в системе.
Номинальная мощность
Состояние системы в любой момент может измениться. Надо также часто учитывать будущее развитие системы. Эти факторы определяют максимальную и минимальную величины компенсирующего тока.
В прошлом отдельные катушки выполнялись с отношением минимального и максимального токов 1:2 и интервалом между отпайками примерно 10%. Изготовлялись катушки и с непрерывной регулировкой тока.
Для небольших систем бывает достаточно установить одну должным образом расположенную катушку, и отношение 1:2 обычно удовлетворяет требованиям. Отпайки 50, 60, 71, 84 и 100% витков катушки позволяют осуществить настройку с точностью до 10%. Отношение больше 1:4 может быть получено с помощью применения специальных конструкций (см. § 1.4 гл. 9). Более точную настройку можно получить, если компенсировать систему при помощи двух катушек на различные номинальные токи. Это будет более понятно из следующего примера: для полного тока 190 а применяются две катушки, одна с отпайками 120—100—80 а, другая с отпайками 70—60—50 а. Это дает 13 комбинаций, которые позволят получить следующие компенсирующие токи: 50—60—70—80—100—120— 130—140—150—160—170—180—190 а.
Отношение минимума и максимума тока 1:3,8 и точность настройки 10% при наименьшем значении тока повышаются до 2,8% при верхнем конечном пределе.
Таким образом, становится ясным, что в больших системах точная настройка легко выполнима, если в системе установлено несколько катушек определенной мощности. Если две катушки, примененные выше, использовать для системы с током замыкания на землю 140 а, это не только удовлетворило бы всем условиям работы с токами от 50 минус 10% до 140 а, но имелся бы и запас 30% на будущее развитие системы.
При выборе катушек необходимо учитывать также продолжительность работы с номинальной нагрузкой. Когда имеется в виду работа системы с заземленной фазой, то катушки надо выбирать на длительное время работы. В Европе часто рассчитывают на двухчасовую продолжительность, имея в виду, что только в редких случаях замыкание на землю не ликвидируется за это время.
Если работа с устойчивым замыканием на землю не предполагается, обычно принимается 10-минутная продолжительность, которая дает достаточный запас термической устойчивости, даже если замыкания на землю повторяются через короткие промежутки времени.
Как правило, настройку компенсирующих устройств производят, когда в системе нет замыканий на землю, поэтому переключатели отпаек работают без нагрузки. Изредка применяют схемы с переключением под нагрузкой (см. § 1.4 следующей главы), допускающие настройку во время замыкания. Для этой же цели могут быть использованы катушки с непрерывным регулированием тока.
При подсоединении дугогасящей катушки к нейтрали силового трансформатора должны быть соблюдены определенные правила относительно мощности трансформатора и схемы соединения его обмоток. Об этом говорилось в § 8 гл. 5.
Установка
В небольших системах с одной катушкой главная задача состоит в определении подходящей нейтрали трансформатора. Компенсирующее устройство надо устанавливать так, чтобы оно по возможности не отключалось от основной части сети при коммутационных переключениях. Возникает также проблема перенапряжений в случае отключения двойных замыканий на землю, если имеется только один выключатель на единственной линии, подключенной к шинам подстанции, на которой установлена дугогасящая катушка (см. § 11.23 гл. 6).
Если не имеется подходящей нейтрали трансформатора, то можно применять заземляющий трансформатор с соединением обмоток в зигзаг или звезду—треугольник (см. § 9 гл. 5). Ранее было показано, что группы из однофазных трансформаторов или силовые трехфазные трансформаторы со свободным путем для магнитных потоков по стали (например, пятистержневые) не могут быть использованы, если на этих трансформаторах нет обмотки, соединенной в треугольник. Мощность трехфазного трансформатора со вторичной обмоткой, соединенной в треугольник, должна быть не менее двукратной мощности катушки, а трансформатора звезда — звезда — не менее пятикратной (если не применяют дополнительные схемы соединения нейтрали, как указано в § 8.5 гл.2).
В более сложных системах применяют несколько катушек. При этом учитывается возможность разделения системы (из-за автоматических отключений или из-за временных оперативных потребителей). Катушки должны быть установлены так, чтобы автоматически сохранялась удовлетворительная компенсация отдельных частей системы в этих случаях. В некоторых случаях индуктивная связь параллельно проходящих линий может быть сведена к минимуму при помощи соответствующих расположения и настройки компенсирующих аппаратов, как показано в § 7.1 гл. 6. В других случаях для этой цели удобно применять аппараты поперечной компенсации — соединенные в звезду развязывающие устройства. Преимущества, даваемые распределением компенсирующей мощности между отдельными аппаратами в соответствии с эксплуатационными требованиями, обычно более важны, чем некоторая экономия, получаемая при концентрации всей мощности в одной единице.
Схема включения
Если компенсирующий аппарат содержит вспомогательный трехфазный трансформатор (часто в одном баке с дугогасящей катушкой), то для него требуется отдельная ячейка. На подстанциях, где имеется несколько подходящих трансформаторов и выполнена нулевая шина, дугогасящие катушки могут быть присоединены к нулевому выводу одного или другого трансформатора. При этом устанавливаются разъединители как между нейтралями и нулевой шиной, так и между высоковольтным выводом катушки и шиной. Заземляющий провод не должен иметь разъединителя. Обычно располагают трансформатор тока внутри бака катушки. Иногда включают между нейтралью и землей трансформатор напряжения, но часто его функции выполняет дополнительная обмотка дугогасящей катушки. На рис. 288 показан пример простого и наглядного монтажа ячейки с катушкой, включенной на два силовых трансформатора.
Рис. 288. Пример установки дугогасящей катушки в системе 45 кВ.
Применение для включения дугогасящих катушек комплектных распределительных устройств не встречает никаких затруднений.
Уровень изоляции нулевой шины, вводов, кабельных перемычек, разъединителей и т. п. при отсутствии защиты от перенапряжений должен быть того же класса, что и системы. Возможна некоторая экономия при применении той же изоляции или лучше несколько выше, что и изоляция системы относительно земли. При этом устанавливают соответствующего типа разрядник, который ограничивает переходные перенапряжения до безопасного уровня (см. § 11.3.3 и 11.3.4 гл.6). На основании современного опыта в системах с номинальным напряжением до 220 кВ утвердилась практика настраивать разрядники на 0,7—0,8 междуфазного напряжения (1,2—1,4 фазного напряжения).
Применение разъединителей имеет в виду, что катушка не должна отключаться от сети, когда по ней протекает ток. Обычно отсутствие характерного шума сердечника считается достаточным указанием того, что по катушке не протекает ток. Если в первичной или вторичной цепи заземляющей схемы должно включаться автоматически активное сопротивление, то применяют автоматические выключатели, работающие под нагрузкой, обычно масляные выключатели, Такое же устройство применяется и для временного глухого заземления нейтрали, которое осуществляется для отключения устойчивого повреждения. В этих случаях в качестве автоматически включаемых и отключаемых вручную шунтирующих выключателей могут найти применение также быстродействующие разъединители мощности.
Вспомогательные заземляющие трансформаторы, которые не используются для питания местной нагрузки, не имеют масляного выключателя. Для отключения тока намагничивания при отсутствии замыкания на землю достаточны обычные разъединители, а плавкие вставки могут быть применены для защиты от сверхтоков. Неодновременная операция с тремя фазами разъединителя не является источником небаланса. Если отключена одна фаза, то результирующее напряжение двух других включается последовательно с заземляющим трансформатором и дугогасящей катушкой. В этом случае, однако, заземляющий трансформатор уже не представляет собой незначительного реактивного сопротивления нулевой последовательности; его сопротивление в этом случае примерно равно сопротивлению холостого хода и ограничивает до малой величины ток, несущий от системы в заземляющий трансформатор и катушку. Аналогично, если перегорает плавка вставка, то не образуется опасности значительного напряжения смещения, но это может привести к тому, что дугогасящая катушка окажется отключенной. Многие предлагают оборудовать вспомогательный заземляющий трансформатор масляным выключателем, но факты показывают, что дугогасящие трансформаторы (трансформаторы Бауха) из условий экономии включаются, как правило, с трехфазными разъединителями.
На крупных подстанциях ручное управление разъединителем заменяется дистанционным; на катушке для контроля устанавливается газовое реле.
Когда имеется несколько подходящих трансформаторов с нулевыми выводами, нулевую шину не следует заводить в каждую трансформаторную ячейку. Причина этого состоит в том, что нельзя полностью обесточить ячейку, когда система находится в работе, так как нулевая шина может оставаться под напряжением.
Нулевую ошибку необходимо окрашивать таким образом, чтобы не создавалось впечатление, что она заземлена.
Рис. 289. Схема включения дугогасящей катушки. АSC — дугогасящая катушка; LA — разрядник; СТ — трансформатор тока; RA— регистрирующий амперметр; GR — реле от замыкании на землю; VR — реле напряжения; L — световой сигнал.
Катушки поперечной компенсации требуют использования двух нейтралей независимых систем. В этом случае выполняют монтаж отдельных нулевых шин для обеих систем, если в каждой из них используется несколько трансформаторов.
Заземляющие устройства для дугогасящих катушек, которые разработаны менее чем для глухо заземленных систем, требуют некоторого внимания. Высокое активное сопротивление заземления создает увеличение потерь компенсирующей схемы, которое, будучи иногда полезным, должно лежать в определенных пределах (см. § 7 гл.5).
Напряженности электрического поля, которая в течение замыкания существует вблизи места заземления, необходимо тоже уделить внимание. Если места заземления катушки и измерительных устройств разделены, то вторичные цепи трансформаторов тока и вспомогательной обмотки напряжения должны быть соединены с заземлением измерительных цепей.
Типичная схема включения высоковольтного оборудования на станции, имеющей дугогасящий аппарат, показана на рис. 289 и описана в следующем параграфе.
Переключатель отпаек, допускающий переключение на отключенном компенсирующем аппарате, встроен в этот аппарат и не влияет на схему включения (см. § 1,4 гл. 9). На больших подстанциях предпочитают устанавливать переключатели под нагрузкой с дистанционным управлением с соответствующей панели главного щита управления.
Вспомогательное оборудование
Когда не требуется обеспечить автоматическое отключение устойчивого замыкания на землю, вспомогательное оборудование относительно просто. На рис. 289 показана схема подстанции, на которой установлена дугогасящая катушка.
Один или несколько из общего числа силовых трансформаторов могут быть выделены для присоединения одной или нескольких дугогасящих катушек ASC с помощью нулевой шины. Трансформатор тока СТ на заземляющей шине катушки (обычно низковольтного класса) предназначен для питания регистрирующего амперметра, который фиксирует время возникновения, продолжительность каждого замыкания и величину тока, если замыкание не слишком кратковременно. Так же используют регистрирующий вольтметр. Следует иметь в виду, что их показания включают в себя и составляющую третьей гармоники.
Смещение нейтрали измеряют одним или несколькими устройствами, описанными в § 14.3.3 гл. 6. В типовом устройстве вспомогательная обмотка дугогасящей катушки (или вторичная обмотка трансформатора напряжения, включенного в нейтрали, если требуется большая точность) питает чувствительное реле напряжения (VR), которое включает звуковой сигнал (звонок или сирену) и одну или несколько сигнальных ламп (L), одна из которых должна быть близко от места, откуда управляют выключателем катушки. Кроме того, на рис. 289 показано включение ваттметрового реле замыкания на землю (GR) для одной отходящей линии, что рассматривалось более подробно в § 14.3 гл. 6.
Когда требуется применять шунтирующее устройство, схема должна быть усложнена таким образом, чтобы в случае замыкания на землю обеспечить соответствующую последовательность операций. Из двух схем, упомянутых в § 14.3.6 гл. 6, рассмотрим только одну, более общую, которая осуществляет полное или через сопротивление заземление нейтрали после того, как замыкание на землю продолжается некоторое время.
Если временное заземление через сопротивление используют для надежного запуска релейной защиты, продолжительность времени, в течение которого сопротивление может быть включено, ограничивается его термической устойчивостью. Если в течение этого времени замыкание не ликвидировано, сопротивление должно быть отключено. Это требует масляного выключателя. Если сопротивление включено на вторичную обмотку дугогасящей катушки, может быть выбран менее дорогой тип выключателя более низкого напряжения, но при этом необходимо сравнить удорожание катушки с экономией на коммутационной аппаратуре.
Если применять временное глухое заземление нейтрали, то возврат схемы может быть В последнем случае можно осуществить схему таким образом, что шунтирующая цепь будет отключаться только при отсутствии тока в нейтрали. Тогда масляный выключатель может быть заменен разъединителем с быстродействующим включающим пружинным приводом. При использовании разъединителя автоматический возврат схемы можно сделать зависимым от указателя отключения поврежденной линии. Однако если имеется схема с возвратом через определенное время, необходимо считаться с возможностью отключения при устойчивых замыканиях, и тогда необходим масляный выключатель.
Схема с шунтирующей цепью требует следующего вспомогательного оборудования, кроме шунтирующей аппаратуры и заземляющего сопротивления:
а) Автоматическое включение
- Реле времени, которое запускается от тока через дугогасящую катушку или напряжения на ней; при ликвидации замыкания ранее определенного времени реле возвращается в исходное положение. Шкала: 0—30 сек. Практически настраивается на уставку 5— 10 сек.
- Промежуточное реле с самоудерживанием, запускающееся от реле времени. Оно воздействует на пружинный включающий механизм шунтирующего разъединителя.
- Дополнительное реле времени. Его устанавливают только тогда, когда в системе временно заземляется более чем одна нейтраль для обеспечения селективного действия защиты. Места таких временных заземлений нейтрали не должны совпадать с подстанциями, оборудованными дугогасящими катушками.
Как только одна нейтраль будет заземлена, в остальных нейтралях немедленно прекратятся сигналы о присутствии замыкания на землю и схемы возвратятся в исходное положение.
Когда все схемы заземления нейтралей приходят в действие, необходимо обеспечить, чтобы промежуточные реле с самоудерживанием не воздействовали на включающий механизм непосредственно. Для этого служит вспомогательное реле времени с небольшой выдержкой порядка 1 сек. Тем самым предоставляется достаточный запас для срабатывания схемы на другой подстанции, где может быть некоторое запаздывание в работе реле.
- Шунтирующее устройство должно также включаться для закорачивания дугогасящей катушки, когда необходимо менять отпайки. Должна быть предусмотрена соответствующая схема, которая взаимно блокирует эти две операции.
б) Автоматическое повторное отключение. Оно желательно, чтобы обеспечить готовность схемы компенсации с минимальной выдержкой времени.
- Реле времени с регулировкой 0—3 мин. которое запускается при помощи вспомогательных контактов шунтирующего устройства при его включении.
- После того как пройдет заданное время, контакты реле замыкают цепь, осуществляющую повторное отключение шунтирующего выключателя. В той же цепи имеются другие контакты, назначение которых — блокировать импульс на повторное отключение до тех пор. пока не прекратится ток через шунтирующую цепь. Эти контакты принадлежат токовому реле, питаемому от трансформатора тока шунтирующей цепи.
