Глава одиннадцатая
РЕЗОНАНСНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ В ПРАКТИКЕ РАЗЛИЧНЫХ СТРАН
Практика заземления в различных странах различна. Дугогасящие катушки наиболее распространены в Центральной Европе и Скандинавии, тогда как в других странах инженеры не имеют единого мнения о достоинстве этого метода.
С другой стороны, сторонники глухого заземления нейтрали утверждают, что непрерывное усивершенечвивание конструкций линий, методов эксплуатации и защитных мероприятий дает основание поддерживать эту практику. В противоположность этому заземление нейтрали через настроенные индуктивности считается схемой, недостатки которой настолько очевидны, что следует быть осторожным и ограничивать ее применение.
В некоторых слаборазвитых странах инженеры заимствуют заграничный опыт, тогда как в других странах, например США, наоборот, пытаются делать нововведения в этой области, которые могут показаться Н2- обычными в свете их традиций.
В последней главе попытаемся изложить эти противоположные точки зрения.
Статистика и суммирование отдельных сообщений говорят сами за себя и дают картину современной практики и основные тенденции. Детальный анализ ограничивается странами, по которым имеется достаточная информация. Среди них наиболее характерны Германия и США.
ГЕРМАНИЯ
Глухое заземление нейтрали не получило распространения в Германии. Линии связи строго охранялись такими государственными монополиями, как почтовая и железнодорожная администрация. Энергетические установки во всех случаях проектировались с изолированной нейтралью, сначала исключительно благодаря формальным требованиям с точки зрения влияния на линии связи [Л. 1] Поэтому вскоре возникли затруднения, от которых удалось (во время первой мировой войны) избавиться с помощью катушки Петерсена. Это обеспечило надежную работу линий электропередачи напряжением до 220 кВ и позволило избежать проблем, свойственных системам с глухо заземленной нейтралью, как-то: земляная защита, устойчивость, быстродействующие выключатели, т. е. тех проблем, которые стимулировали прогресс в этих областях в других странах.
Рис. 329,а и б иллюстрирует рост применения катушек Петерсена в Германии до 1935 г. Один график (а) дает количество установленных катушек, другой (б) — показывает их суммарную мощность ( кВА). Сплошная кривая относится к Германии, а пунктирная — к катушкам, экспортируемым из нее в другие страны. Строго говоря, эти графики относятся к катушкам, произведенным фирмой АЕГ, но так как в течение того периода эта компания имела фактическую монополию на катушки, то кривые достаточно характеризуют положение.
Застой, который очевиден для периода 1924—1926 гг., отражает беспокойство, вызванное временным выводом из эксплуатации дугогасящих катушек, установленных в сети 110 кВ компании Электроверке. Эта компания провела исследование причин повреждений нескольких генераторов и трансформаторов и в качестве эксперимента решила эксплуатировать сеть временно без катушек. Пока не были найдены причины этих повреждений, была поставлена под сомнение методика заземления нейтрали через дугогасящую катушку [Л. 2]. Однако убедительный опыт работы катушек в сетях среднего напряжения вплоть до 80 кВ привел к тому, что было принято решение вновь включить дугогасящие катушки в системе 110 кВ [Л. 3]. Данные рис. 329 для конца 1935 г. по системам различных напряжений приведены в
Таблица 51
В немецкой практике применение дугогасящих катушек не ограничивалось определенными значениями токов замыкания на землю или номинальных напряжений. Это иллюстрируется двумя примерами, приведенными ниже в табл. 51.
Кабельная сеть 30 кВ Беваг была впервые оборудована дугогасящими катушками в 1923 г. Однако в 1947 г. общая протяженность кабелей выросла до 1 400 км с суммарным емкостным током замыкания на землю свыше 4 000 а [Л. 4].
Дугогасящие катушки, установленные на 18 станциях и подстанциях, давали максимальный индуктивный ток 4 330 а и были рассчитаны на общую мощность 75000 кВА при 2-часовой работе. Результирующий ток замыкания на землю не превышал 250 а Прибор для проверки настройки катушек — компенсометр — был установлен на одной из подстанций.
Причины, побудившие работать в этой протяженной кабельной сети с компенсированной нейтралью, были следующие: повреждения от замыкания на землю минимальны; генераторы не подвергаются воздействию токов обратной последовательности; исключаются опасные напряженности электрического поля на поверхности земли вблизи места замыкания.
Рис. 329. Применение резонансного заземления в Германии в течение первых 12 лет.
Несмотря на то, что трудно предположить гашение остаточного тока замыкания на землю 250 а, достигнуто значительное преимущество в эксплуатации сети. Нет необходимости немедленно отключать замыкание на землю сразу после того, как оно найдено, а в зависимости от типа кабеля возможна работа с заземленной фазой в течение времени от 30 сек до нескольких часов. Применяя этот метод, можно установить земляную защиту на простом и надежном принципе. Селективность отключения легко достигается при таких больших временах, достаточных для правильной настройки защиты.
Другой характерный пример относится к применению катушек в сетях сверхвысокого напряжения. Сеть 220 кВ RWE работала с компенсированной нейтралью, начиная с 1929 г., и состояла из 428 км одноцепных линий и 585 км (по трассе) двухцепных линий; соответствующие емкостные токи замыкания на землю составляли 290 и 771 а. Из более чем 20 лет эксплуатации сети данные за 8-летний период были проанализированы Розером [Л. 5], причем было установлено, что применение катушек Петерсена в сети 220 кВ дало более удовлетворительные результаты, чем в сети 110 кВ той же компании. Число грозовых отключений линий было равно 0,2 на 100 км в году. Из общего числа случаев коротких замыканий 3,3 на 100 км в году 85% были однофазными замыканиями (см. анализ замыканий в § 1.4 гл. 3). Эффективность заземляющих тросов незначительна, так как грозовое перекрытие фазы на землю быстро гасится. Большой процент всех замыканий на линиях (30%) произошел вследствие сырой погоды и загрязнения поверхности изоляции, причем в большинстве случаев они были однофазными.
В течение 1931 —1938 гг. общая длина линий постепенно выросла с 1 550 до 2 250 км. Однако в сети RWE критическая стадия была достигнута при протяженности линий около 2 400 км. Эксперимент, проведенный в системе с общей протяженностью
электрически соединенной сети 3 550 км [Л. 6], показал, что процентное отношение успешного гашения однофазного замыкания на землю постепенно падало (по относительному уровню) со 100% (1931 г.) до 40%; другие 60% кончались автоматическими отключениями. Это произошло вследствие большой активной составляющей результирующего тока замыкания па землю, которая достигла 150 а, что можно считать пределом для сетей 220 кВ. Было предложено автоматически секционировать сеть длиной 3 550 км на время замыкания на землю так, чтобы наибольший участок не превышал 2 100 км, поддерживая синхронную работу через сеть 110 кВ, и обратно автоматически замыкать секции после короткого интервала времени.
В 1952 г. к сети 220 кВ была подключена через автотрансформаторы двухцепная линия 300 кВ длиной 260 км с глухо заземленной нейтралью. При замыкании на землю электрическая связь с передачей 300 кВ и иностранной сетью 220 кВ, которая имеет глухо заземленную нейтраль, автоматически прерывалась. Оставалась одна компенсированная сеть 220 кВ RWE. Самопогасание дуги сопровождалось следующими обстоятельствами: ток замыкания на землю в первый момент был равен току короткого замыкания и тут же уменьшался до величины остаточного тока компенсированной сети. Однако постепенное внедрение глухого заземления нейтрали [Л. 7] позволяет заключить, что обычное повторное включение может дать теперь эксплуатационные преимущества, которые раньше получались с помощью резонансного заземления.
Метод заземления, который должен был быть принят при проектировании сверхвысоковольтной системы 400 кВ, был предметом дискуссии. Не получили поддержки те, кто предлагали распространить резонансное заземление на 400 кВ, основываясь на опыте эксплуатации сетей 220 кВ. Другие предлагали компромиссное решение в тех случаях, когда требовалась межсистемная связь основных стран Европы. Некоторые немецкие инженеры на основе распространения соответствующего опыта эксплуатации поддерживали интерес к проблеме заземления нейтрали, считая, что грозовое перекрытие мало вероятно, а однофазные замыкания из-за тумана и загрязнения будут, вероятно, более эффективно ликвидированы при резонансном заземлении нейтрали. Считается, что для сверхвысоких напряжений применение резонансного заземления возможно при общей протяженности сети 400 кВ не более 1 000 км двухцепных линий (200 а активной составляющей остаточного тока замыкания на землю). Для более протяженных сетей должно быть предусмотрено временное автоматическое секционирование. Следует отметить, что в системах о глухо заземленной нейтралью и быстродействующим однофазным повторным включением также существует ограничение по длине линии, которое определяется емкостной связью между поврежденной и здоровыми фазами; однако это ограничение определяется длиной отдельной линии, а не суммарной протяженностью сети.
Дополнительные расходы, связанные с резонансным заземлением сети 400 кВ, составляют 3—10% общей стоимости передачи [Л. 8 и 9]. В Германии в вопросе, касающемся передачи 400 кВ, все же большинство склонилось к глухому заземлению нейтрали, так как этот метод дает неоспоримые преимущества.
