Способ компенсации тока однофазного замыкания
Владельцы патента RU 2653510:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Калининградский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электросетях с несимметричными значениями фазной емкости. Технический результат - повышение безопасности за счет снижения токов однофазного замыкания и токов в контуре нулевой последовательности в нормальном режиме, повышение надежности электросети за счет снижения максимальных величин дуговых перенапряжений в условиях несимметрии фазных емкостей электросети. Способ компенсации тока однофазного замыкания заключается в том, что фазы электросети заземляются через соединенные вместе реакторы и конденсаторы. Параметры элементов выбирают из условия резонансной настройки суммарного сопротивления реактора и конденсатора с фазной емкостью электросети. При этом возможно заземление каждой фазы через последовательно включенные реактор и конденсатор либо подключение к электросети реакторов по схеме звезда с нейтралью, заземленной через конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для одновременного снижения тока однофазного замыкания, уровня перенапряжений, а также тока в контуре нулевой последовательности в нормальном режиме в электросетях с несимметричными значениями фазной емкости.
Известен способ компенсации тока однофазного замыкания, реализованный в устройстве для компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью (RU 2549974, МПК H02H 3/00, опубл. 10.04.15), согласно которому к фазам сети подключаются реакторы, соединенные по схеме «зигзаг», а их нейтральная точка заземляется через еще один реактор и резистор. При этом все реакторы располагаются на одном четырехстержневом магнитопроводе.
Известен способ компенсации тока однофазного замыкания [Брунав Я.П. Судовые электрические сети / Я.П. Брунав, Ю.Г. Татьянченко. - Л., «Судостроение». - 1982. - 231 с., с. 138, рис. 4.1], который заключается в заземлении нейтрали через реактор, с использованием конденсаторов.
Способы основаны на том, что при однофазных замыканиях создается индуктивный ток, протекающий через реактор. Индуктивный ток реактора компенсирует емкостной ток в месте замыкания фазы на землю, обусловленный фазной емкостью сети. В результате этого ток замыкания снижается до безопасного значения.
Недостаток вышеописанных решений заключается в том, что эффект достигается только при симметричных значениях фазных емкостей электросети. Известно, что для получения защитного эффекта индуктивность реактора должна быть настроена в резонанс с фазными емкостями электросети. При этом считается, что емкости симметричны. В реальных электросетях это условие обычно не выполняется. Поэтому точная настройка индуктивности в резонанс с фазной емкостью не осуществима без дополнительных мероприятий по симметрированию фазных емкостей. Недостатки также связаны с тем, что при несимметрии фазных емкостей образуется контур нулевой последовательности, в котором возникает резонанс напряжений. Это приводит к увеличению тока, протекающего в этом контуре через заземленные корпусы оборудования и землю, что сказывается на интенсивности износа металлических конструкций, имеющих отношение к электросети, а также на электробезопасности.
Помимо этого из-за несимметрии фазных емкостей возникает напряжение смещения нейтрали по переменному потенциалу, что приводит к увеличению дуговых перенапряжений, которые, в свою очередь, могут стать причиной возникновения опасных феррорезонансных процессов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ заземления нейтрали (RU 2516437, МПК H02H 3/20, H02H 9/04, опубл. 20.05.2014). Согласно этому способу нейтраль сети заземляется при помощи конденсаторов и реактора, активное сопротивление которого выбрано с учетом его нелинейности таким образом, что исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов.
Недостатком такого способа является то, что в случае несимметрии фазных емкостей электросети часть тока однофазного замыкания останется нескомпенсированным. Помимо этого при несимметрии фазных емкостей в контуре нулевой последовательности появится ток, протекающий через металлические заземленные корпуса оборудования, а дуговые перенапряжения будут увеличены из-за возникновения напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу.
Задача изобретения заключается в повышении безопасности электросетей с несимметричными величинами фазных емкостей за счет снижения токов однофазных замыканий при одновременном снижении тока в контуре нулевой последовательности, а также в повышении надежности электросети за счет снижения дуговых перенапряжений.
Для получения необходимого технического результата в способе компенсации тока однофазного замыкания, включающем соединение электросети с землей через реакторы и конденсаторы, предлагается заземлять каждую фазу электросети через соединенные вместе реактор и конденсатор, причем суммарное сопротивление реактора и конденсатора предлагается настраивать в резонанс с емкостью заземляемой фазы.
При осуществлении способа реактор и конденсатор в каждой фазе могут быть соединены последовательно. Кроме этого, реакторы могут быть подключены к фазам электросети по схеме «звезда» с заземленной через конденсатор нейтральной точкой.
На прилагаемых к заявке чертежах изображено:
на фиг. 1 - схема электросети, к которой подключено устройство, реализующее предлагаемый способ с последовательно соединенными реакторами и конденсаторами;
на фиг. 2 - схема электросети, к которой подключено устройство, реализующее предлагаемый способ с реакторами, соединенными по схеме «звезда» с заземленной через конденсатор нейтралью;
на фиг. 3 - векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации тока однофазного замыкания при помощи предлагаемого способа.
На прилагаемых чертежах приняты следующие обозначения: 1 - источник электроэнергии; 2 - конденсаторы; 3 - реакторы; 4 - фазная емкость электросети; А, В, С - фазы электросети; - ЭДС поврежденной фазы, в качестве которой выбрана фаза А; 
, 
- ЭДС неповрежденных фаз, фаз В и С; 
, 
- междуфазные ЭДС; 
, 
- токи, протекающие через емкости неповрежденных фаз; 
, 
- токи, протекающие через реакторы неповрежденных фаз; 
, 
- индуктивная и емкостная составляющие тока однофазного замыкания.
Принцип снижения тока однофазного замыкания в условиях несимметрии фазных емкостей пояснен при помощи векторной диаграммы, построенной на фиг. 3. При замыкании фазы А на землю емкости между фазами В, С и землей оказываются под линейным напряжением, которое характеризуется векторами 
и 
соответственно. В результате действия этих напряжений на фазные емкости электросети возникают токи 
и 
, сумма которых равна 
. Ток 
протекает в месте замыкания фазы на землю. Одновременно с этим реакторы 3 также оказываются под напряжением, близким к линейному, в результате чего появляются индуктивные токи 
и 
. Их сумма соответствует вектору
. Ток 
также протекает в месте замыкания фазы на землю. При резонансной настройке реакторов 3 и фазных емкостей 4 с учетом емкостей конденсаторов 2 векторы 
и 
равны друг другу по модулю и противоположны по направлению, а их сумма равна нулю. Тем самым обеспечивается компенсация тока однофазного замыкания при несимметричных значениях фазных емкостей сети, за счет чего повышается безопасность электросети.
Ограничение дуговых перенапряжений происходит в результате снижения величины напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу. Как известно, величина дуговых перенапряжений определяется следующим выражением:
где 
- мгновенное значение междуфазной ЭДС в момент замыкания; 
- мгновенное значение ЭДС поврежденной фазы в момент замыкания; 
- мгновенное значение напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу в момент замыкания; 
- напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу; (1-k) - коэффициент, учитывающий наличие междуфазной емкости; (1-d) - коэффициент, учитывающий затухание амплитуды свободной составляющей напряжения.
Амплитуда напряжения смещения нейтрали по переменному потенциалу определяется по выражению:
где 
, 
, 
- векторы фазных ЭДС; 
, 
, 
- комплексные проводимости между фазами и землей; 
- комплексная проводимость между нейтральной точкой электросистемы и землей.
При изолированной нейтрали в случае несимметрии справедливы неравенства 
, а также равенство 
. В результате этого 
, что справедливо и при любом способе заземления нейтрали, в случае несимметрии фазных емкостей.
При использовании в сети предлагаемого способа проводимость ветвей реакторов 3 и конденсаторов 2 состоит из активной и реактивной составляющих. Для обеспечения результата реактивные составляющие проводимости должны быть равными по модулю проводимости фазных емкостей и иметь индуктивный характер. В этом случае числитель выражения (2) становится равным нулю, а знаменатель из-за наличия активной проводимости отличается от нулевого значения. В результате чего напряжение смещения нейтрали по переменному потенциалу 
становится равным нулю, тем самым достигается снижение дуговых перенапряжений при несимметрии. За счет этого повышается надежность электросети, т.к. уменьшается воздействие перенапряжений на изоляцию электрооборудования.
Снижение тока в контуре нулевой последовательности обеспечивается за счет того, что уменьшается 
, а также увеличивается сопротивление контура нулевой последовательности, т.к. фазная емкость оказывается включенной параллельно с индуктивной ветвью. Снижение тока в контуре нулевой последовательности повышает безопасность электросети, т.к. он протекает через металлические элементы оборудования, не предназначенные для этого, а следовательно, не защищенные от прикосновения человека.
Пример осуществления способа
Для проверки действия способа на токи однофазного замыкания, на величину дуговых перенапряжений и на величину тока в контуре нулевой последовательности при помощи компьютерного моделирования в программе Workbench были реализованы схемы, изображенные на фиг. 1-2. При этом электросистема была воспроизведена с фазным напряжением 220 B, с несимметрией фазных емкостей. Емкости между фазами и землей составили следующие значения: между фазой А и землей - 10 мкФ, фазой В и землей - 8 мкФ, фазой С и землей - 6 мкФ.
В схеме моделировались как устойчивые, так и неустойчивые однофазные замыкания, при этом регистрировались следующие величины: установившиеся токи однофазных замыканий при помощи амперметра, включенного между поврежденной фазой и землей; максимальные значения дуговых перенапряжений между неповрежденной фазой и землей в переходном процессе при помощи осциллографа; установившийся ток в контуре нулевой последовательности при помощи амперметра, включенного между нейтральной точкой емкостей, моделирующих фазную емкость электросети, и точкой подключения к земле устройства, реализующего способ. Результаты регистрации указанных величин при различных способах защиты, включая предлагаемый, приведены в таблицах 1-3.
Как видно из таблиц 1-3, при предлагаемом способе в случае несимметрии действительно снижается величина установившегося тока однофазного замыкания, величина максимальных дуговых перенапряжений, а также значительно снижается величина тока в контуре нулевой последовательности по сравнению с заземлением нейтрали, описанным в ближайшем аналоге. Тем самым обеспечивается повышение безопасности и надежности электросети. Предлагаемые конкретные варианты заземления фаз приводят к решению поставленной задачи.
1. Способ компенсации тока однофазного замыкания, включающий соединение электросети с землей через реакторы и конденсаторы, отличающийся тем, что заземляют каждую фазу электросети через соединенные вместе реактор и конденсатор, причем суммарное сопротивление реактора и конденсатора настраивают в резонанс с емкостью заземляемой фазы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реактор и конденсатор в каждой фазе соединяют последовательно друг с другом.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакторы подключают к фазам электросети по схеме «звезда» с заземленной через конденсатор нейтральной точкой.
