Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Резонансное заземление в США

Дискуссия о применении дугогасящих катушек началась в AIEE докладом Конвелла и Эванаса [Л. 10], в котором авторы, взвешивая преимущества и недостатки резонансного заземления, пришли к выводу, что оно не имеет будущего. Однако по ходу дискуссии Льюис, Труеолуд, Феррис и Уоррен высказались благоприятно об этом тогда еще новом методе заземления как с точки зрения энергетической техники, так и техники связи. Вскоре были получены материалы опыта эксплуатации сети 44  кВ протяженностью 150 км, о чем доложили Оливер и Эбергардт [Л. 11] в 1926 г., и которые были предметом исследования Льюиса [Л. 12].


Рис. 331. Дугогасящие аппараты в США.

1 — всего; 2 —катушки, рассчитанные на 10-минутную работу; 3- катушки рассчитанные на длительную работу.

Рис. 322. Максимальная продолжительность работы с устойчивым замыканием на землю в резонансно-заземленных системах США по напряжениям.
Катушка без стального сердечника имела диапазон регулирования 32,7—13,2 а. Это позволяло иметь 40% недокомпенсации и 21 % перекомпенсации. Относительно смещения нейтрали при нормальных условиях было найдено, что небаланс емкостных токов, измеренный при глухо заземленной нейтрали, составляет 0,56 а; при катушке, настроенной в резонанс, через нее протекал ток 6 а; смещение нейтрали сети 6  кВ было равно 0,23 Еф. Была обнаружена небольшая разница в перенапряжениях на изоляции здоровых фаз относительно земли, так как в этой системе при замыкании на землю, при глухом заземлении нейтрали, получалось искажение линейного напряжения на 80%. Благоприятные результаты с катушкой, полученные в течение 1922— 1923 гт., были изложены в § 2 гл. 7. Упоминание о такой же установке может быть найдено в § 11.2.3 гл. 6, где перекрытия изоляции шин Объясняются работой выключателей. (Другое объяснение, что система работала с достаточной недокомпенсацией и получились резонансные условия при неодновременном отключении трех фаз, вряд ли является обоснованным, так как для развития такого резонанса требуется несколько периодов.) В качестве предупредительного мероприятия линейный выключатель отключался с выдержкой времени после того, как шунтирующий выключатель дугогасящей катушки замыкал свои контакты. Так как в 1924 г. длина сети увеличилась вдвое, катушка была перенесена в сеть 44  кВ длиной 130 км, где она успешно эксплуатируется до сих пор (по данным Льюиса [Л. 13]).

Дугогасящие аппараты появились в то время, когда другие методы заземления нейтрали были уже достаточно сильно развиты. На рис. 330 показано, как внедрялось резонансное заземление нейтрали, которое распространялось главным образом за счет сокращения систем с изолированной и заземленной через активное сопротивление нейтралью. С 1935 г. наблюдается особенно сильное развитие резонансного заземления В статье Гросса и Азертона [Л. 14] дается анализ развития резонансного заземления, который вместе с другой статьей Гросса [Л. 15] является исходным материалом для последующего обозрения.
Рис. 331 показывает число дугогасящих катушек, установленных с 1921 по 1949 г. и работающих до сих пор. Первоначально большинство катушек было рассчитано на 10- минутную работу, но в дальнейшем это время было увеличено. С 1943 по 1949 г. число дугогасящих катушек увеличилось до 26, рассчитанных на длительную работу, и до 10, рассчитанных па 10 мин. Рис. 332 показывает, что время работы с заземленной фазой в сетях напряжением до 69  кВ иногда достигает нескольких часов.
Из 51 системы только 14% были оборудованы дугогасящими катушками с самого начала, 39% работали раньше с изолированной нейтралью, тогда как 31% перешли от глухого заземления к резонансному. Остальные 4 и 12% имели соответственно заземление нейтрали через активное сопротивление и реактор и далее перешли к резонансному заземлению.



Рис. 334. Применение резонансного заземлении в системах США. Максимальные и средние протяженности сетей различных напряжений.
Рис. 333 показывает число резонансно заземленных систем по напряжениям и времени работы, на которые рассчитаны катушки.

Максимальная и средняя протяженности компенсированных сетей различных напряжений показаны на рис. 334. Среди них самая крупная сеть 34,5  кВ США.
Третий доклад AIEE о заземлении систем [Л. 17] дает для 1947 г. следующую картину: из всех передающих и распределительных сетей напряжением 22  кВ и выше (180 000 км—100%) и 12900 км, или 0,8%, имеют резонансное заземление. Классификация по напряжениям дана в табл. 52.
показана практика заземления для сетей 22—70  кВ и выше; развитие резонансного заземления шло даже более интенсивно, чем при меньших напряжениях.

Таблица 52

Результаты эксплуатации, полученные из вопросника, посланного в 50 энергосистем, были следующие: 30% —отличные. 62%—хорошие, 8% — удовлетворительные и ни одного неудовлетворительного. В связи с этим некоторый интерес представляет то, что из общего числа 54 систем 67% имеют только деревянные опоры, 53% — незаземленную арматуру и только 14%— заземленную.
Были случаи вывода из работы дугогасящих катушек в системах, которые соединялись с другими системами с иным способом заземления нейтрали. Льюис [Л. 18] сообщает некоторые интересные подробности опыта эксплуатации в нескольких системах.
Сеть 140  кВ протяженностью 369 км, возросшая до 442 км (включая 64 км двухцепных линий). Две дугогасящие катушки 133— 56,6 а каждая, рассчитанные на 10 мин, установлены в 1931 г. Вследствие малого диаметра проводов потери на корону высоки, активная составляющая тока замыкания на землю составляет 40—50 а. За 6-летний период эксплуатации (1931 — 1936 гг.) 94% замыканий на землю и 72% всех замыканий закончились без отключения линии. Грозозащитные тросы отсутствуют, мероприятий по снижению сопротивлений заземления не проводилось. За 16-летний период эксплуатации было такое же число отключений на 100 км в год, как для сетей с одним грозозащитным тросом и низкими сопротивлениями заземления опор.
Сеть 110  кВ протяженностью 362 км, возросшая до 460 км. Одна дугогасящая катушка со встроенным тиритовым шунтирующим сопротивлением установлена в 1937 г. Потери на корону велики вследствие малого диаметра проводов и большой высоты линий над уровнем моря (3—4 км), активная составляющая емкостного тока — около 22 а.
За 9-летний период 97% всех замыканий были ликвидированы без отключения линии. Грозозащитного троса нет. Стоимость установки катушки равна 10% стоимости сети. Высокие сопротивления заземления опор позднее были улучшены на участке длиной 145 км.
Сеть 66  кВ. три катушки установлены были в 1937 г. В первом же году отключения линий (отнесенные к средним за предшествующие 5 лет) были снижены на 80% на линиях современной конструкции и на 30% на старых линиях со штыревыми изоляторами.
Для снижения токов небаланса, которые достигали 30% номинального тока катушки, было решено транспонировать некоторые линии.
Сеть 230  кВ протяженностью 420 км. Две дугогасящие катушки 139/86 и 278/139/86 а установлены в 1939 г. Емкостный ток замыкания на землю составляет 314 а. Активная составляющая результирующего тока замыканий на землю 60—70 а. Эксплуатировалась несколько лет с дугогасящими катушками, пока линия Булдер Дам-Барре Чайн не соединилась с разветвленной системой 230  кВ с глухо заземленной нейтралью.
Сеть 115  кВ. 554 км. Три дугогасящие катушки с автоматическим шунтированием установлены в 1940 г. За годичный период 88% замыканий на землю и 78% всех замыканий были устранены без отключения. Деревянные Н-образные опоры с растяжками без троса.
Сеть 13,8  кВ, 640 км воздушных линий и 13 км кабелей. Одна дугогасящая катушка с заземляющим трансформатором 61,3/29,4 а установлена в 1944 г.; мощность катушек была удвоена в 1947 г. В 1946 и 1947 гг. 87 и 74% соответственно замыканий на землю были ликвидированы без отключения нагрузки. Из общего числа случаев работы катушки 57% были связаны с плохой погодой, тогда как 43% явились следствием набросов и других причин. Влияния на линии связи, ранее причинявшие много неприятностей, были устранены.
Браун и Гросс [Л. 19] доложили об опыте эксплуатации сети 34,5  кВ общей протяженностью 405/570 км. Заземляющий трансформатор с дугогасящей катушкой в общем баке на 80/40 а длительной работы установлен в 1946 г. За 2-летний период работы с дугогасящей катушкой число отключений снизилось на 40% и на 80% снизился простой в километро-часах. 90% линий имеют деревянные опоры без троса, остальная часть — металлические опоры с классом изоляции 69  кВ. Линии на деревянных опорах имеют деревянные траверсы, незаземленную арматуру и деревянные вставки в оттяжках.
В 1948 г. в части сети под проводами 34,5  кВ был подвешен 5-парный телефонный кабель. Во время устойчивых замыканий на землю, продолжительность которых достигла 3 ч. не возникало никаких неприятностей.
Новое применение дугогасящих катушек описано Герцогом [Л. 20]. Крупные двигатели 6,6  кВ испытательных лабораторий военно-воздушных сил США в Даутоне не должны были отключаться в случае замыкания на землю в разветвленной распределительной сети, имеющей 48 км подземного кабеля и 40 км воздушных линий. Система должна была быть рассчитанной на работу с заземленной фазой. В 1947 г. были установлены два заземляющих трансформатора и две дугогасящие катушки на 20 а каждая. Катушки рассчитаны на продолжительную работу и имеют очень тонкую регулировку, до 5 а. Замыкания на землю поддерживались до конца дня, когда вручную включалось шунтирующее сопротивление и запускалась защита. Трудность заключалась в точном определении места замыкания на землю при включенной катушке [Л. 21].