Котушка дугогасіння та суцільне заземлення в системах живлення: технічний досвід

вступ

 

У сучасних системах електроенергетики вибираючи відповідніспосіб заземлення нейтралімає важливе значення для збалансування безпеки, надійності й-рентабельності. Хоча системи з незаземленою нейтраллю забезпечують безперервність обслуговування, вони стикаються із суворими обмеженнями, коли-ємнісний струм замикання на землю перевищує допустимі порогові значення.

Колиємнісний струм-замикання на землюперевершує межі незаземленої системи (30 А для мереж 3–10 кВ, 10 А для мереж 20–60 кВ), інженери повинні застосовувати більш просунуті рішення щодо заземлення. Два найважливіші методи:

Заземлення котушки дугогасіння(також відомий як заземлення котушки Петерсена)

Твердозаземлена нейтраль(пряме заземлення)

Ця стаття містить aдетальний технічний аналізобох методів, їх принципи роботи, схеми захисту та найкращі{0}}сценарії використання в мережах розподілу та передачі електроенергії.

2. Система заземлення котушки дугогасіння (заземлення котушки Петерсена)

Що таке дугогасильна котушка?

Андугогасильна котушка, також відомий як aКотушка Петерсена, це регульований індуктивний реактор, підключений між нейтральною точкою трансформатора та землею. Його основна функція полягає в тому, щобкомпенсувати ємнісний струм-замикання на землюшляхом введення індуктивного струму, який компенсує ємнісний струм системи в місці пошкодження, тим самим зменшуючи залишковий струм до рівня, коли дуга може само{0}}згаснути.

 

Конструкція та компоненти

Котушка для гасіння дуги складається з таких основних компонентів:

компонент	опис	функція
Залізний сердечник з повітряними зазорами	Ламінований сталевий сердечник із навмисно не-магнітними проміжками	Запобігає магнітному насиченню та забезпечує лінійні характеристики індуктивності
Обмотка (котушка)	Мідна обмотка, встановлена ​​на залізному сердечнику	Забезпечує регульовану індуктивність через-механізм перемикання
Масляний бак	Герметичний трансформаторний-масло-корпус	Забезпечує ізоляцію та охолодження сердечника та обмотки
Перемикач РПН	Перемикач РПН із-навантаженням або з-навантаженням	Регулює кількість витків активної обмотки для налаштування індуктивності

Обмотка маєдуже низький опірідуже високий реактивний опір, що означає, що котушка в основному забезпечує індуктивний опір з мінімальними резистивними втратами.

 

Принцип роботи: індуктивна компенсація

Нормальна робота

За нормальних умов системи три{0}}фазні напруги в основному збалансовані, інапруга зміщення нейтральної точкидуже малий. Отже, струм, що протікає через дугогасильну котушку, є незначним, і котушка не має істотного впливу на нормальну роботу системи.

Однофазне-замикання на землю

Коли aоднофазне-замикання-на-землювиникає напруга зміщення нейтральної точки, що спричиняє протікання струму через дугогасильну котушку. Цей індуктивний струм протікає через точку розлому впротилежному напрямкудо ємнісного струму пошкодження системи.

Theзалишковий струм у місці пошкодженнявекторна різниця між:

Ємнісний струм (Ic):Створюється розподіленою ємністю двох не-фаз із замиканням

Індуктивний струм (IL):Створюється котушкою дугогасіння

При правильному налаштуванні IL ≈ Ic, а залишковий струм зменшується до дуже малого значення -різке зниження енергії дугиу місці несправності та забезпечення само-гасіння дуги.

Режими налаштування та компенсації

Індуктивність дугогасильної котушки становитьрегульованийшляхом зміни кількості активних витків обмотки через перемикач РПН. Це дозволяє налаштувати котушку відповідно до ємнісного струму системи.

Режим-компенсації (рекомендовано)

впонад-компенсацію, індукційний струм встановлюється незначнобільшийніж ємнісний струм (IL > Ic). Це оптимальний режим роботи, оскільки:

Якщо струм системи ємніснийраптово зменшується(наприклад, через вимкнення живильника) система рухаєтьсядалі від резонансу, не ближче до нього

Це запобігає небезпечнимсерійний резонансумови, які можуть спричинити надмірну перенапругу

Забезпечує запас безпеки від змін конфігурації системи

Повна компенсація та недостатня-компенсація

Повна компенсація(IL=Ic): Теоретично ідеально, але небезпечно - може викликати резонансну перенапругу за нормальних умов

Під-компенсацію(IL < Ic): не рекомендовано - зміни системи можуть призвести до резонансу

 

Під час однофазного-замикання на землю в системі із заземленою дугогасильною котушкою:

Параметр	Поведінка
Несправність фазної напруги	Падає до нуля
Не{0}}фазна напруга	Підвищується до √3 × фазна напруга (від-до-лінійної напруги)
Три{0}}фазна мережева напруга	Залишається симетричним і незмінним
Струм замикання в місці замикання	Значно знижений (лише залишковий струм)
Поведінка дуги	Може само-згаснути через низький залишковий струм

Тому щотри{0}}фазна напруга залишається симетричною, система може тимчасово продовжувати працювати -але не більше 2 годин. Це обмеження часу дозволяє операторам виявити та усунути несправність, зберігаючи безперервність обслуговування.

Переваги заземлення дугогасильної котушки

Самозагасаючі дуги:-Компенсований залишковий струм досить малий, щоб дуга могла згаснути природним шляхом, особливо длякороткочасні замикання на землю

Зменшене пошкодження дуги:Менший струм замикання мінімізує пошкодження від опіку в місці пошкодження

Мінімальне втручання:Зменшений струм-замикання на землю зводить до мінімуму електромагнітні перешкоди для сусідніх ліній зв’язку

Безперервність служби:Тимчасова робота (до 2 годин) дозволяє планово усунути несправність

Ефективний для тимчасових несправностей:Більшість однофазних-замикань на землю в повітряних лініях є короткочасними

Міркування щодо проектування ізоляції

Подібно до незаземлених систем,фазна напруга без-замикання зростає до напруги-до-лініїпід час замикання на землю. Тому всеізоляція фази-до-землі має бути розроблена для повної напруги-до-лінії, що збільшує вартість обладнання порівняно з системами з твердим заземленням.

Сценарії застосування

Заземлення дугогасильної котушки зазвичай використовується в:

Кабельні-мережі середньої напругиде ємнісний струм перевищує межі незаземленої системи

ПЛ 20–60 кВзі значним ємнісним струмом

Міські розподільні мережіз розгалуженою кабельною інфраструктурою

Системи з безперервністю обслуговуваннямає пріоритет, але ємнісний струм занадто великий для роботи без заземлення

3. Надійно заземлена нейтраль (пряме заземлення)

Принцип дії

В анадійно заземлена нейтраль, нейтральна точка трансформаторабезпосередньо підключений до землібез навмисного введення імпедансу. Потенціал нейтральної точки залишається на рівнінуль вольтза всіх робочих умов - нормальний або несправний.

Коли aоднофазне-замикання-на-землювиникає, пошкоджена фаза безпосередньо замикається-через точку замикання та заземлену нейтраль. Це створюємаксимально можливий однофазний-струм замикання на землю-, який зазвичай порівнюється або перевищує три{0}}струм замикання.

 

Поведінка при несправності та захист

Негайне усунення несправностей

Завдякивеликий струм-замикання на землю, має бути пошкоджена лініянегайно відключеноза допомогою захисних реле. Це принципово відрізняється від незаземлених та дугогасильних систем котушок, які дозволяють тимчасово продовжувати роботу.

Переваги релейного захисту

Високий струм пошкодження забезпечує значну перевагу длязахисне релеювання:

Прості та надійні схеми захисту- реле надструму можуть легко виявити великий струм пошкодження

Вибіркова ізоляція несправностей- висока величина струму дозволяє легко відрізнити несправні фідери від справних

Швидке усунення несправностейЗахист - працює швидко й точно, зводячи до мінімуму тривалість несправності та збитки

 

Автоматичне-повторне замикання для тимчасових несправностей

Перехідний характер замикань на землю

Досвід експлуатації показує, що вМережі 110 кВ і вище, більшість-однофазних замикань на землю -, особливо ті, що наповітряні лінії електропередачі- єперехідний характер. Причини включають:

Удари блискавки викликають тимчасове спалах ізоляції

Уламки,-принесені вітром, миттєво торкаються провідників

Контакт з птахами або тваринами

Забруднення,-спричинене спалахом, який-самоочищено

Схема автоматичного-повторного замикання

Після відключення несправної лінії,ізоляція в місці пошкодження часто швидко відновлюється. Сучасні надійно заземлені системи використовуютьпристрої автоматичного повторного вмикання (ARC).що:

Вимкнення несправної лініїпри виявленні замикання на землю

Зачекайте короткий мертвий час(зазвичай 0,3–1 секунда) для деіонізації дуги

Автоматично -вмикати вимикачщоб перевірити, чи несправність усунена

Відновити живленняякщо помилка була тимчасовою -, що в більшості випадків і є

Цей підхід значно покращуєнадійність постачанняу надійно заземлених системах, що зменшує основний недолік негайного усунення несправності.

 

Переваги конструкції ізоляції

Ключова економічна вигода

Найсуттєвішою перевагою систем із заземленою нейтраллю є те, щоне{0}}фазна напруга не збільшуєтьсяпід час одно-фазного замикання на землю. Оскільки нейтраль міцно заземлена, напруга фази-до-землі справних фаз залишається на рівні нормальної фазної напруги.

Це означає:

Ізоляція від-фази до-земліпотрібно лише бути розробленим дляфазна напруга(не напруга--лінія)

Цезменшує витрати на утепленнядля трансформаторів, кабелів, розподільних пристроїв і розрядників перенапруг

TheЕкономічна вигода зростає з напругою системи- чим вища напруга, тим більша економія

 

Порівняння: міцно обґрунтовані та інші методи

Особливість	Безпідставно	Дугогасильна котушка	Твердо заземлений
Величина струму пошкодження	Малий (ємнісний)	Дуже малий (залишковий)	Великий (коротке-замикання)
Не{0}}фазна напруга під час несправності	√3 × фазна напруга	√3 × фазна напруга	Фазна напруга (без змін)
Необхідний рівень ізоляції	Напруга між лініями--	Напруга між лініями--	Фазова напруга
Усунення несправностей	Вручну або з відстрочкою	Затримка (менше або дорівнює 2 годинам)	Негайний (автоматичний)
Складність захисту	Комплекс	Комплекс	Простий і надійний
Безперервність роботи під час несправності	Так (тимчасово)	Так (менше або дорівнює 2 годинам)	Ні (відразу спіткнувся)
Дуга самозагасна-	Важко (високий Ic)	Так (компенсується)	Не застосовується
Можливість автоматичного-повторного замикання	Обмежений	Обмежений	Високоефективний
Найкращий діапазон напруги	3–10 кВ	10–60 кВ	110 кВ і вище
Економічна перевага	Низька (висока вартість ізоляції)	Середній	Висока (низька вартість ізоляції)

 

Типове застосування систем із твердим заземленням

Системи із заземленою нейтраллю переважно використовуються в:

Високо{0}}мережі передачі(110 кВ, 220 кВ, 500 кВ і вище)

Розподіл середньої-напруги в місті(10 кВ, 35 кВ), де пріоритетом є надійність і простий захист

Великі промислові енергосистемиз розгалуженими кабельними мережами

Системи-низької напруги(380В/400В/480В) для безпеки та захисту обладнання

Рекомендації щодо вибору: вибір правильного методу заземлення

На основі рівня напруги

Діапазон напруги	Рекомендований метод заземлення	Основне обґрунтування
Низька напруга (менше або дорівнює 1 кВ)	Міцно заземлений	Безпека, простий захист
Середня напруга (3–10 кВ)	Незаземлена або дугогасильна котушка	безперервність обслуговування; залежить від ємнісного струму
Середньо{0}}висока напруга (20–60 кВ)	Дугогасильна котушка	Ємнісний струм занадто великий для незаземленого; контрольована вартість ізоляції
Висока напруга (більше або дорівнює 110 кВ)	Міцно заземлений	Економічна економія ізоляції; простий, надійний захист

На основі системних вимог

Якщо безперервність обслуговування має першорядне значення→ Котушка дугогасіння або незаземлена система

Якщо простий, потрібен надійний захист→ Надійно заземлена система

Якщо кабельна мережа з великим ємнісним струмом→ Котушка дугогасіння

Якщо повітряна мережа з перехідними несправностями→ Міцне заземлення з автоматичним-повторним вмиканням

 

Висновок

Theсистема заземлення котушки дугогасінняінадійно заземлена нейтральпредставляють два принципово різні підходи до заземлення нейтралі енергосистеми, кожен з яких має певні переваги:

Заземлення котушки дугогасіннявідмінно підходить для мереж середньої{0}}напруги, дебезперервність обслуговуванняідуга, що самозагасає-є критичними. Завдяки компенсації ємнісного струму пошкодження він забезпечує тимчасову роботу та природне згасання дуги, що робить його ідеальним для кабельних мереж і повітряних розподільних систем зі значним ємнісним струмом.

Системи із заземленою нейтраллюдомінувати в -мережах передачі високої напруги, де економічні вигоди відзнижені вимоги до ізоляціїі надійністьпрості, швидкі схеми захиступереважує недолік негайного усунення несправності. У поєднанні з технологією автоматичного-повторного вмикання ці системи забезпечують як безпеку, так і надійність.

Розуміння цих методів заземлення має важливе значення для інженерів енергосистем, виробників електрообладнання та операторів об’єктів. наZhejiang Rsafele Electric Co., Ltd., наша команда експертів може допомогти вам вибрати та застосувати найкраще рішення заземлення для вашої конкретної програми, забезпечуючи оптимальну безпеку, надійність і-рентабельність вашої енергосистеми.