Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Испытания дугогасящих аппаратов

ВКЛЮЧЕНИЕ В РАБОТУ ДУГОГАСЯЩИХ АППАРАТОВ
Не рекомендуется вводить в эксплуатацию дугогасящий аппарат, просто включив его через отпайку с током, соответствующим расчетному емкостному току замыкания на землю системы. Даже если последняя величина была бы предварительно получена из измерений в некомпенсированной системе, весьма возможно, что за счет высших гармоник ток получится значительно больше предварительно рассчитанного. Чтобы обеспечить хорошую работу дугогасящих катушек во время их эксплуатации, необходимо правильно провести пусковые испытания,вовремя которых уставки токов дугогасящих катушек должны быть согласованы с возможными изменениями конфигурации системы.

Испытания с помощью искусственных замыканий на землю

Такие испытания распространены для систем среднего напряжения с умеренными токами на землю. Такие системы, как правило, являются разветвленными, в результате чего имеется естественная транспозиция и смещение нейтрали отсутствует. К этому виду относятся кабельные системы с их почти полной симметрией. Простейшая схема испытаний показана на рис. 312,а. Имея трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, три амперметра A1, A2, A3 измеряют соответственно остаточный ток замыкания, ток катушки и емкостный ток замыкания на землю. Ток, измеренный амперметром A3, является емкостным током замыкания только в том случае, если в системе не установлены другие катушки. Ваттметр W дает активную составляющую тока, измеренного амперметром A3; таким образом, выделяются реактивная составляющая и составляющие высших гармоник в остаточном токе замыкания. Замыкание на землю осуществляется посредством специально выделенного выключателя, например используется резервный выключатель отходящей линии или шиносоединительный выключатель между главной и резервной системами шин. Токовое реле мгновенного действия и с небольшой уставкой тока отключает выключатель, как только где-либо в сети возникнет замыкание на землю здоровой фазы. Между выключателем и землей полезно включить ограничивающее сопротивление. В этом случае не только уменьшается опасность двойных замыканий на землю, но, как будет показано ниже, получается новый критерий проверки точности настройки. Величина этого сопротивления выбирается примерно равной емкостному сопротивлению системы; более высокая величина сопротивления приводит к ухудшению условий гашения дуги.

Метод U-образной характеристик

Путем переключения отпаек можно осуществить переход от емкостного остаточного тока к индуктивному; последовательные значения остаточного тока при переключении от паек позволяют легко получить условие минимума этого тока, которое соответствует точной настройке. Об этом уже говорилось в § 2 и 7 гл. 5; дополнительный пример показан на рис. 312,б.
Если по показаниям ваттметра и вольтметра вычислить активную составляющую остаточного тока замыкания, его тоже можно нанести на график на рис. 312,б. Величина этой составляющей приблизительно постоянна и несколько меньше минимального тока U-образной характеристики; разница определяется наличием высших гармоник. Если исследуется несколько возможных режимов работы системы, то полезно указанные испытания повторить при этих режимах.

Метод круговых диаграмм

В § 2 гл. 6 было показано, что при заземлении одной из фаз через сопротивление напряжения двух здоровых фаз относительно земли различны, но они становятся равными, когда дугогасящая катушка включается через отпайку, соответствующую точной настройке. Это является очень удобным способом определения точной настройки. Как показано на рис. 313, напряжения двух здоровых фаз и нейтрали относительно земли измеряются с помощью трехфазного трансформатора напряжения со вспомогательной обмоткой. Напряжение на заземляющем сопротивлении более целесообразно измерять с помощью отдельного трансформатора напряжения с соответствующим коэффициентом трансформации. Для обеспечения большей точности измерительная обмотка дугогасящей катушки не используется. Когда указанные четыре напряжения относительно земли известны, можно найти векторное положение точки, соответствующей потенциалу землю, относительно треугольника линейных напряжений системы. При включении катушки через несколько разных отпаек получается геометрическое место точек, по которым может быть нанесена окружность, которая включает в себя и нулевую точку. Очень часто соответствующего постоянного сопротивления на месте может не оказаться; тогда могут быть использованы водяные сопротивления. Величина этих сопротивлений 'непостоянна, и круговая диаграмма, следовательно, искажается; но на условие равенства напряжений при точной настройке изменение величины сопротивления влияния не оказывает.
Следующий пример для системы с напряжением 25  кВ и емкостным токам замыкания на землю 64,5 а поясняет этот метод. Емкостное сопротивление этой системы равно 14 700/64,5=227 Ом. На станции оказалось свободным сопротивление 950 Ом с масляным охлаждением, принадлежащее вышедшему из строя разряднику. Оно и было использовано для опытов, несмотря на то, что падение напряжения на нем было велико.
Система имела пять дугогасящих катушек на станциях: G, Ν, Т, А и Н; последняя подвергалась испытаниям, а остальные четыре были включены соответственно с отпайками 14; 14; 15,5 и 5,5 а. Их суммарный ток, равный 49 а, как видно из табл. 48 и 49, находился в соответствии с действительным напряжением на нейтрали.

Так как напряжение поврежденной фазы относительно земли было измерено неточно, окончательное его определение было произведено путем умножения первичного тока замыкания на заземляющее сопротивление. Треугольник линейных напряжений может быть получен из измерений, а положение на векторной диаграмме точки, соответствующей потенциалу земли, определяется для каждой отпайки по напряжению относительно земли здоровых фаз. Точки, полученные таким путем, расположены на окружности, проходящей через центр треугольника. Это показано на рис. 314,а, на котором также видно, что отпайка Т3 дает наилучшую компенсацию. Полный ток катушек, указанный в графе 22 табл. 49, получается при помощи геометрического сложения номинального тока всех остальных дугогасящих катушек, т. е. 49 а, и номинального тока находящейся в работе отпайки включаемой катушки (столбец 15); полученная сумма находится в соответствии с величиной отношения смешения нейтрали (столбец 20) к номинальному напряжению катушки, равному 14,7  кВ. Само смещение нейтрали может быть получено (при отсутствии трансформатора напряжения) из круговой диаграммы. Полный остаточный ток замыкания (столбец 23) получается из данных столбца 10 путем умножения указанного там тока на коэффициент трансформации трансформатора тока 20/5.

Таблица 48

Данные измерений

Таблица 49
Обработка результатов измерения

Активная составляющая остаточного тока замыкания (столбец 24) определяется по показаниям ваттметра и вольтметра (столбцы 8 и 9) с учетом того же коэффициента трансформации.
Зависимость остаточного тока от полноте тока дает кривую, показанную на рис. 314,б которая является достаточной для определения отпайки, соответствующей точной настройке. Круговая диаграмма дает некоторые дополнительные данные. Если на рис. 314,а нанести окружность, диаметр которой равен напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, и если продолжить вектор напряжения на нейтрали до пересечения с этой окружностью, например в точке 5, соответствующей отпайке Т5, то три вектора TV, Т5 и 5V будут соответственно равняться падению напряжения на заземляющем сопротивлении R от полного остаточного тока замыкания, от его реактивной и активной составляющих. Так как величина TV известна в амперах (столбец 20), то может быть также получена в амперах величина реактивной составляющей; разделив ее. на полный ток катушки при точной настройке, можно получить степень компенсации в процентах. Таким путем или при помощи метода, изложенного в § 2 гл. 6 (рис. 181), можно найти величину расстройки, выраженную в процентах, как показано в табл. 50.

Таблица 50

Рис. 314. Графический анализ результатов испытаний в компенсированной системе 25  кВ (метод заземления фазы через сопротивление). а ~ круговая диаграмма; б — U-образна и характеристика.

Рис. 315. Круговая диаграмма, полученная во время пусковых испытаний дугогасящей катушки в кабельной сети с напряжением 28  кВ.

Следует заметить, что из-за большой величины сопротивления условия гашения дуги ухудшались во время опытов на отпайках, не соответствующих более или менее точной настройке. Отсюда в системах с большой протяженностью линий необходимо обращать внимание на выбор сопротивления, величина которого должна быть взята в соответствии с указанными выше рекомендациями, т. е. должна примерно равняться емкостному сопротивлению системы. Пример круговой диаграммы для кабельной сети длиной 109,6 км с напряжением 28  кВ дан на рис. 315. Диаграмма построена для случая заземления через сопротивление, взятого с учетом указанных соотношений. Опыты проводилась на участке с длиной линий 34 км; емкостный ток замыкания на землю равнялся 47,5 а. Емкостное сопротивление составляло 340 Ом, а заземляющее сопротивление было взято равным 384 Ом.
Другой пример может быть взят из рис. 182.

Метод ваттметра

Когда нельзя измерить фазные напряжения и поэтому указанные выше методы непригодны, может быть применен следующий достаточно простой метод.
Остаточный ток замыкания пропускается через амперметр, а ток катушки —через ваттметр, к которому попеременно подводятся три линейных напряжения. Эти измерения позволяют определить величину и фазу остаточного тока замыкания. Метод может быть полезным, например, когда невозможно осуществить замыкание на землю в той же точке системы, где установлена дугогасящая катушка с измерительной обмоткой. Его можно применить и для получения данных относительно того, индуктивная или емкостная составляющая преобладает в остаточном токе замыкания.

Опыты, использующие естественную или искусственную несимметрию системы

В то время как в больших системах в целом обеспечивается симметрия емкостей на землю, в высоковольтных системах с простой конфигурацией можно ожидать наличия некоторой естественной несимметрии. Этот вопрос рассматривался в § 4 гл. 6. Там было показано, что при различных степенях компенсации положение нейтрали на векторной диаграмме перемещается по траектории, которая представляет собой окружность (см. рис. 192). При точной компенсации напряжение нейтрали относительно земли и ток через дугогасящий аппарат достигают максимальной величины. На рис. 316 показана зависимость напряжения на нейтрали от компенсирующего тока для системы напряжением 110  кВ. с длиной высоковольтных линий 520 км и емкостным током замыкания на землю 161 а.  

Рис. 316. Настройка дугогасящей катушки по величине смещений нейтрали из-за естественной несимметрии системы (система напряжением 110  кВ протяженностью линий 520 км).

В системе были установлены три дугогасящие катушки; одна из них работала на отпайке 28 а, а две другие, каждая с диапазоном регулирования 23—83 а, включались так, чтобы изменять полный компенсирующий ток от 158 до 192 а. Максимум смещения нейтрали, равный 9,5% фазного напряжения, достигался при точной настройке. Для этой системы на рис. 118 показаны осциллограммы, которые были сняты при включении дугогасящих катушек, настроенных в соответствии с этим предварительным опытом; последний был вполне достаточен для осуществления пусковых испытаний при включении. При применении этого метода могут быть небольшие отклонения от точной настройки из-за нелинейности характеристики катушки.
Метод естественной несимметрии имеется в стандарте А1ЕЕ № 32, по которому требуется, чтобы при применении этого метода длительно протекающий ток через дугогасящие аппараты был не более 30% номинального тока, что определяется термическими условиями. Обследование, проведенное комитетом А1ЕЕ [Л. 18], подтвердило правильность этого требования.
В хорошо транспонированных системах естественная несимметрия оказалась бы недостаточной, чтобы использовать ее для определения точности настройки. В таких случаях можно искусственно создать несимметрию емкостей, отключив одну фазу на подходящем участке линии.



Описание этого способа можно найти в § 4 гл. 6, а круговые диаграммы смещения нейтрали, полученные таким путем, даны на рис. 195 и 196. Преимущества, которые дает этот метод при использовании его в системе с хорошей симметрией, иллюстрируют рис. 317, взятый из [Л. 19].

Некоторые дополнительные данные относительно условий включения компенсирующих аппаратов

Когда в системе, работавшей до того с иным заземлением нейтрали, вводится резонансное заземление, то могут возникнуть непредвиденные затруднения. В частности, может оказаться, что ни на одной отпайке компенсирующий аппарат не обеспечивает эффективного гашения дуги. Может также случиться, что удовлетворительное гашение дуги получается вообще без включения компенсирующего аппарата. В первом случае могут влиять неполадки в схемах соединения, например отсутствие соединения в нулевой точке за счет обрыва, или обнаружится влияние  емкости соседней системы, электрически связанной с данной через автотрансформатор; при этом полная емкость внешней системы влияет так же, как и эквивалентная ей емкость, включенная между нейтралью и землей. Во втором случае «приятный сюрприз» объясняется, вероятно, тем, что нейтрали некоторых трансформаторов с соединением обмоток в звезду соединились с землей и случайно оказалось, что их реактивное сопротивление нулевой последовательности скомпенсировало емкость на землю. Конечно, такое положение нежелательно, так как заземление получилось через сопротивление, не рассчитанное для этого.
Если при первом включении компенсирующего оборудования окажутся перекрытыми несколько изоляторов, это будет указывать на наличие слабых изоляторов, обнаружение которых в общем будет полезно для обслуживающего персонала. Как указывалось раньше (см. § 2 гл. 7), в течение начального периода эксплуатации резонансного заземления нейтрали постепенно выходят из строя все слабые изоляторы, после чего работа оборудования становится надежной [Л. 20].
Особое внимание необходимо обратить на выбор и установку разрядников, которые не должны реагировать на появление переходных напряжений на здоровых фазах, когда одна из фаз повреждена (см. конец § 2.3 гл. 3). Кроме того, они должны быть рассчитаны на гашение протекающего тока при появлении на защитном промежутке полного линейного напряжения.
Смещение нейтрали может быть сведено к минимуму применением простой транспозиции. Однако в 85% американских систем с компенсированной нейтралью таких мер не потребовалось.
Влияние высших гармоник на остаточный ток замыкания выявляется значительно больше, если их измерение происходит при слабой нагрузке системы.