ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Источник контрольного тока

Роберт Вайнштейн, Вера Шестакова, Святослав Юдин
Томский политехнический университет

Идея наложения на первичные цепи электроустановки вспомогательного (контрольного) тока для обеспечения действия защиты является вполне очевидной, и для ее реализации существует ряд предложений [1, 2].
Однако распространение получили далеко не все предложенные методы. Это, по нашему мнению, объясняется тем, что при использовании метода наложения контрольного тока должны выполняться определенные требования. Основное из них заключается в том, что частота контрольного тока и схема подключения источника контрольного тока (ИКТ) должны быть выбраны так, чтобы были совместимы условия работы защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях на землю.
При перемежающихся замыканиях в электроустановках с компенсацией емкостного тока после каждого очередного погасания дуги время восстановления напряжения до следующего пробоя изоляции зависит от расстройки компенсации, пробивного напряжения, условий горения дуги и лежит в пределах от 0,35 до 0,1 с. В соответствии с этим частотный спектр токов и напряжений нулевой последовательности содержит низкочастотные составляющие с частотой примерно от 3 до 10 Гц и кратные им гармоники.
Для примера на рис. 1 приведены расчетные осциллограммы тока нулевой последовательности в поврежденной линии и напряжения на поврежденной фазе при перемежающемся замыкании, когда дуга гаснет после каждого очередного пробоя при переходе через ноль высокочастотной составляющей переходного емкостного тока.
Распределение составляющих токов различных частот при перемежающемся замыкании по элементам сети можно рассмотреть на схеме замещения (рис. 2), в которой в месте замыкания включено напряжение нулевой последовательности, содержащее в общем случае сумму гармонических составляющих.

ВЫБОР ЧАСТОТЫ КОНТРОЛЬНОГО ТОКА

Как видно, при использовании токов в области частот ниже промышленной условия для выполнения защиты значительно лучше, чем при использовании высших гармоник. Это обстоятельство иллюстрируется также расчетными амплитудно-частотными спектрами рис. 4, полученными при тех же условиях, что и осциллограммы, приведенные на рис. 1. Амплитуды гармоник в спектрах отнесены к амплитуде составляющей промышленной частоты.
По спектрам четко видно, что амплитуды низкочастотных гармоник тока при внутреннем замыкании значительно больше, чем при внешнем замыкании, в то время как в области высоких частот соотношение амплитуд гармоник соответствует только соотношению значений емкостей линии и сети. Это объясняется тем, что токи низкочастотных гармоник замыкаются в основном через дугогасящий реактор, имеющий в этой области частот низкое сопротивление.
Из изложенного следует, что условия работы защиты при перемежающихся и устойчивых замыканиях будут совместимы, если частота контрольного тока будет ниже промышленной. На этом основании частота контрольного тока принята равной 25 Гц. Такое значение частоты является целесообразным также в связи с тем, что в качестве основного элемента ИКТ оказалось возможным использовать известное статическое устройство – электромагнитный параметрический делитель частоты на два [3].

СХЕМЫ И РАСЧЕТЫ

ИКТ включается последовательно в цепь дугогасящего реактора со стороны заземления (рис. 5а). При наличии в сети нескольких дугогасящих реакторов их заземляемые выводы объединяются и присоединяются к контуру заземления через ИКТ (рис. 5б).
При принятой схеме включения ИКТ должен также удовлетворять еще двум требованиям:
включение ИКТ не должно нарушать функционирование дугогасящего реактора;
работа ИКТ не должна нарушаться при замыкании на землю, когда по его выходным цепям протекает ток дугогасящего реактора. Оба требования выполняются путем замены в классической схеме параметрического делителя частоты конденсатора цепью из последовательно соединенных конденсатора и линейного дросселя [4]. Принципиальная схема ИКТ приведена на рис. 6.
Источник содержит три конструктивных элемента: электромагнитную часть делителя частоты (ДЧ), линейный дроссель (ДР) и косинусный конденсатор (Ск). Электромагнитная часть делителя частоты выполнена на двух одинаковых замкнутых О-образных магнитопроводах, у которых боковые стержни конструктивно совмещены. На магнитопроводах делителя частоты нанесены следующие обмотки: обмотка колебательного контура (W_к), выходная (W) и обмотка возбуждения (W_в). В цепь последней включен

диод. На обмотку возбуждения подается напряжение питания ИКТ – 220 В, 50 Гц.
Параметры цепи конденсатор – линейный дроссель подбираются таким образом, чтобы на частоте 25 Гц ее эквивалентное емкостное сопротивление соответствовало условиям деления частоты на два, а при частоте 50 Гц имело место условие точного резонанса. Поэтому относительно зажимов выходной обмотки на частоте 50 Гц источник контрольного тока представляет собой трансформатор, у которого вторичная обмотка практически замкнута накоротко. Благодаря этому сопротивление ИКТ относительно зажимов выходной обмотки на частоте 50 Гц весьма мало (составляет доли процента от сопротивления дугогасящего реактора). Кроме того, ток дугогасящего реактора замыкается в основном по линейной цепи дроссель-конденсатор и его намагничивающая часть мала, вследствие чего значительно ослабляется влияние тока дугогасящего реактора на электромагнитный режим делителя частоты.
Линейный дроссель выполнен на броневом Ш-образном магнитопроводе, в среднем стержне которого имеется немагнитный зазор. Настройка дросселя изменением длины немагнитного зазора осуществляется однократно при изготовлении источника. Электромагнитная часть делителя частоты и дроссель помещаются в баки с маслом размерами 600 x 480 x 480 мм и 500 x 480 x 480 мм соответственно. В настоящее время разрабатывается источник контрольного тока в сухом исполнении.
Параметры разработанных ИКТ таковы, что они сохраняют свою работоспособность по условию существования режима деления частоты на два и по условию допустимых электромагнитных нагрузок, если намагничивающая сила, создаваемая током дугогасящего реактора, проходящим по выходной обмотке при замыкании на землю, не превысит некоторого предельного значения.
Так как напряжение половинной частоты на выходной обмотке пропорционально ее числу витков, то при прочих равных условиях указанная намагничивающая сила пропорциональна произведению напряжения выходной обмотки с частотой 25 Гц на суммарный ток дугогасящих реакторов. Для применяемых ИКТ, рассчитанных на длительную работу при замыкании в сети, предельное значение этой величины составляет 2200 ВА.
Для сетей с различными номинальными напряжениями и емкостными токами замыкания ИКТ отличаются друг от друга только числом витков и площадью поперечного сечения провода выходной обмотки. При этом напряжение с частотой 25 Гц на выходной обмотке равно

где U_ном – номинальное напряжение сети.

Например, для сети 10 кВ с емкостным током 100 А расчетные значения следующие: U₂₅ = 22 В, I₂₅ = 0,76 А.
Практически выходная обмотка выполняется состоящей из четырех секций, что позволяет изменять число витков и применять источник с одним исполнением выходной обмотки для сетей определенного диапазона параметров.
ИКТ, выполненный на базе электромагнитного параметрического делителя частоты, без принятия специальных дополнительных мер обладает еще одним важным для данного применения свойством, а именно он не критичен к изменению питающего напряжения в довольно широком диапазоне (примерно от 200 до 250 В). При этом напряжение с частотой 25 Гц изменяется не более чем на 10%. Использование для работы защиты низкочастотных составляющих позволяет отстраиваться от тока небаланса фильтров токов нулевой последовательности по частоте. Благодаря этому выполняются защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, работающих на сборные шины, и генераторов укрупненных блоков на гидроэлектростанциях с использованием фильтров токов нулевой последовательности на типовых фазных трансформаторах тока [5]. Так как ИКТ работает непрерывно, то электрические величины с частотой 25 Гц в нормальном режиме можно использовать для измерения расстройки компенсации и автоматической настройки дугогасящих реакторов [6].
Эксплуатация нескольких десятков ИКТв течение длительного времени показала их высокую надежность. Сейчас источники контрольного тока используются для обеспечения работы защиты генераторов от замыканий на землю, входящих в состав комплексной цифровой защиты, выпускаемой НПП «ЭКРА».

ЛИТЕРАТУРА

1. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения для тока нулевой последовательности. Киев: Наукова думка, 1983. – 266 с.
2. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем: Учебник для вузов. – М.: «Энергия», 1976. – 560 с.
3. Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. Собрание сочинений Мандельштама Л.И., Т. 2. – М.: Изд-во АН СССР, 1947.
4. Патент РФ № 2268524. Устройство для защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока / Р.А. Вайнштейн, В.В. Шестакова, С.М. Юдин. Приор.17.08.2004; Опуб. 20.01.2006; Бюл. № 02.
5. Патент РФ № 2286636. Устройство для селективной защиты от замыканий на землю в обмотке статоров генераторов, работающих в укрупненном блоке / Р.А. Вайнштейн, В.В. Шестакова, С.М. Юдин. Приор. 29.07.2005; Опуб. 27.10.2006; Бюл. № 30.
6. Патент РФ № 2227954. Устройство для измерения расстройки компенсации емкостного тока замыкания на землю/ Р.А. Вайнштейн, С.Л. Березницкий, В.В. Шестакова, С.М. Юдин. Приор. 12.11.2002; Опуб. 27.04.2004; Бюл. № 12.