Дугогасящая катушка и твердое заземление в энергосистемах: подробный технический обзор

Введение

 

В современных электроэнергетических системах выбор подходящегометод нейтрального заземленияимеет важное значение для обеспечения баланса между безопасностью, надежностью и-экономической эффективностью. Хотя системы с незаземленной нейтралью обеспечивают непрерывность работы, они сталкиваются со строгими ограничениями, когда емкостный ток замыкания на землю- превышает допустимые пороговые значения.

Когдаемкостный ток замыкания на землю-превышает пределы незаземленной системы (30 А для сетей 3–10 кВ, 10 А для сетей 20–60 кВ), инженеры должны применять более совершенные решения по заземлению. Два наиболее важных метода:

Заземление дугогасительной катушки(также известное как заземление катушки Петерсена)

Глубинно заземленная нейтраль(прямое заземление)

В этой статье представленподробный технический анализобоих методов, их принципов работы, схем защиты и сценариев наилучшего-использования в сетях распределения и передачи электроэнергии.

2. Система заземления дугогасительной катушки (заземление катушки Петерсена)

Что такое катушка гашения дуги?

Анкатушка гашения дуги, также известный каккатушка Петерсена, представляет собой перестраиваемый индуктивный реактор, включенный между нейтралью трансформатора и землей. Его основная функция –компенсировать емкостный ток-замыкания на землюпутем подачи индуктивного тока, который компенсирует емкостной ток системы в месте повреждения, тем самым снижая остаточный ток до уровня, при котором дуга может само-затухнуть.

 

Конструкция и компоненты

Катушка гашения дуги состоит из следующих основных компонентов:

Компонент	Описание	Функция
Железный сердечник с воздушными зазорами	Многослойный стальной сердечник с преднамеренными не-магнитными зазорами	Предотвращает магнитное насыщение и обеспечивает линейные характеристики индуктивности.
Обмотка (катушка)	Медная обмотка, закрепленная на железном сердечнике.	Обеспечивает регулировку индуктивности с помощью механизма переключения-отводов.
Масляный бак	Герметичный трансформаторный-масло-корпус	Обеспечивает изоляцию и охлаждение сердечника и обмотки.
Переключатель ответвлений	Устройство РПН без-нагрузки или с-нагрузкой	Регулирует количество витков активной обмотки для настройки индуктивности.

Обмотка имееточень низкое сопротивлениеиочень высокое реактивное сопротивление, что означает, что катушка в первую очередь обеспечивает индуктивное сопротивление с минимальными резистивными потерями.

 

Принцип работы: Индуктивная компенсация

Нормальная работа

В нормальных условиях системы трех-фазные напряжения по существу сбалансированы, инапряжение смещения нейтральной точкиочень мал. Следовательно, ток, протекающий через катушку дугогасителя, пренебрежимо мал, и катушка не оказывает существенного влияния на нормальную работу системы.

Однофазное-замыкание на землю

Когдаоднофазное-замыкание-на-землюПри этом напряжение смещения нейтральной точки возрастает, вызывая протекание тока через катушку гашения дуги. Этот индуктивный ток протекает через точку повреждения впротивоположное направлениек емкостному току повреждения системы.

дифференциальный ток в месте поврежденияэто векторная разность между:

Емкостный ток (Ic):Генерируется распределенной емкостью двух фаз, не являющихся-неисправными.

Индуктивный ток (IL):Генерируется катушкой гашения дуги

При правильной настройке IL ≈ Ic, и остаточный ток снижается до очень малой величины -резкое снижение энергии дугив месте повреждения и обеспечить самозатухание дуги-.

Режимы настройки и компенсации

Индуктивность дугогасительной катушки равнарегулируемыйпутем изменения количества активных витков обмотки через переключатель ответвлений. Это позволяет настроить катушку в соответствии с емкостным током системы.

Режим сверх-компенсации (рекомендуется)

Вчрезмерная-компенсация, индуктивный ток устанавливается незначительнобольшечем емкостной ток (IL > Ic). Это предпочтительный режим работы, поскольку:

Если емкостной ток системывнезапно уменьшается(например, из-за отключения питателя) система перемещаетсядальше от резонанса, не ближе к этому

Это предотвращает опасныепоследовательный резонансусловия, которые могут вызвать чрезмерное перенапряжение

Обеспечивает запас прочности против изменений конфигурации системы.

Полная компенсация и недостаточная-компенсация

Полная компенсация(IL=Ic): Теоретически идеальный, но опасный вариант - может вызвать резонансное перенапряжение при нормальных условиях.

Нед-компенсация(IL < Ic): Нерекомендуемые изменения в системе - могут привести к резонансу.

 

При однофазном замыкании на землю-в системе с заземлением дугогасительной катушки:

Параметр	Поведение
Фазовое напряжение неисправности	Падает до нуля
Фазовое напряжение без-повреждения	Повышается до √3 × фазное напряжение (линейное---сетевое напряжение)
Трех-фазное сетевое напряжение	Остается симметричным и неизменным.
Ток повреждения в точке повреждения	Значительно снижен (только остаточный ток)
Поведение дуги	Может само-затухать из-за низкого остаточного тока.

Потому чтотрехфазное линейное напряжение остается симметричным, система может продолжать работу временно -но не более 2 часов. Этот временной лимит позволяет операторам обнаружить и изолировать неисправность, сохраняя при этом непрерывность обслуживания.

Преимущества заземления дугогасительной катушки

Самозатухающие-дуги:Компенсированный остаточный ток достаточно мал, чтобы дуга погасла естественным путем, особенно прикратковременные замыкания на землю

Уменьшение урона от дуги:Меньший ток короткого замыкания сводит к минимуму ущерб от ожогов в месте повреждения.

Минимальное вмешательство:Снижение тока замыкания на землю-сводит к минимуму электромагнитные помехи на близлежащие линии связи.

Непрерывность обслуживания:Временная работа (до 2 часов) позволяет плановую локализацию неисправности.

Эффективно при кратковременных неисправностях:Большинство однофазных замыканий на землю в воздушных линиях имеют кратковременный характер.

Рекомендации по проектированию изоляции

Подобно незаземленным системам,фазовые напряжения, не связанные с-повреждением, повышаются до линейного-до-сетевого напряженияво время замыкания на землю. Поэтому всеИзоляция между фазой-и-землей должна быть рассчитана на полное линейное напряжение-к-линии., что увеличивает затраты на оборудование по сравнению с глухозаземленными системами.

Сценарии применения

Заземление дугогасительной катушки обычно используется в:

Кабельные сети среднего-напряжениягде емкостной ток превышает пределы незаземленной системы

Сети ВЛ 20–60 кВсо значительным емкостным током

Городские распределительные сетис обширной кабельной инфраструктурой

Системы, в которых непрерывность обслуживанияимеет приоритет, но емкостной ток слишком велик для работы без заземления

3. Глубинно заземленная нейтраль (прямое заземление)

Принцип работы

Всистема с глухозаземленной нейтралью, нейтральная точка трансформатора равнанапрямую подключен к землебез намеренного введения импеданса. Потенциал нейтральной точки остается на уровненоль вольтпри всех условиях эксплуатации - нормально или неисправно.

Когдаоднофазное-замыкание-на-землюслучае, поврежденная фаза замыкается-прямо через точку повреждения и заземленную нейтраль. Это производитмаксимально возможный ток однофазного-заземления-замыкания, что обычно сравнимо или превышает ток трехфазного короткого замыкания.

 

Поведение при неисправности и защита

Немедленное устранение неисправностей

Из-забольшой ток замыкания-на землю, неисправная линия должна бытьнемедленно отключилсяс помощью защитных реле. Это принципиально отличается от незаземленных систем и систем с катушками гашения дуги, которые позволяют временно продолжать работу.

Преимущества релейной защиты

Высокий ток повреждения обеспечивает значительное преимущество длязащитная релейная защита:

Простые и надежные схемы защитыРеле максимального тока - могут легко обнаружить большой ток повреждения.

Выборочная изоляция неисправностей- высокая величина тока позволяет легко отличить неисправные и исправные фидеры.

Быстрое устранение неисправностейЗащита - работает быстро и точно, сводя к минимуму продолжительность сбоя и ущерб.

 

Автоматическое-АПВ при кратковременных сбоях

Переходный характер замыканий на землю

Опыт эксплуатации показывает, что вСети 110 кВ и выше, большинство однофазных замыканий на землю -, особенновоздушные линии электропередачи- — этопреходящий характер. Причины включают в себя:

Удары молнии приводят к временному пробою изоляции

Обломки, перенесенные ветром-мгновенно касаются проводников

Контакт с птицами или животными

Загрязнение,-вызванное вспышкой, которая само-устраняется

Схема автоматического-АПВ

После отключения поврежденной линииизоляция в месте повреждения часто быстро восстанавливается. В современных системах с прочным заземлением используютсяустройства автоматического повторного включения (ARC)что:

Отключите неисправную линиюпри обнаружении замыкания на землю

Подождите немного мертвого времени(обычно 0,3–1 секунда) для дуговой деионизации

Автоматически повторно-включать выключательпроверить, устранена ли неисправность

Восстановить питаниеесли неисправность была временной -, что происходит в большинстве случаев

Такой подход значительно улучшаетнадежность поставокв надежно заземленных системах, что смягчает основной недостаток немедленного устранения неисправности.

 

Преимущества конструкции изоляции

Ключевая экономическая выгода

Наиболее значительным преимуществом систем с глухозаземленной нейтралью является то, чтоФазные напряжения, не связанные с-повреждением, не увеличиваютсяпри однофазном замыкании на землю-. Поскольку нейтраль надежно заземлена, напряжение между фазой-–-землей здоровых фаз остается на нормальном уровне фазного напряжения.

Это означает:

Изоляция фазы-к-землидолжен быть предназначен только дляфазное напряжение(не линейное-меж-сетевое напряжение)

Этотснижает затраты на изоляциюдля трансформаторов, кабелей, распределительных устройств и ограничителей перенапряжения

экономическая выгода увеличивается с ростом напряжения в системе- чем выше напряжение, тем больше экономия

 

Сравнение: твердо обоснованные и другие методы

Особенность	Необоснованный	Катушка гашения дуги	Твердое заземление
Величина тока повреждения	Малый (емкостный)	Очень маленький (остаточный)	Большое (короткое-замыкание)
Не-фазное напряжение при неисправности	√3 × фазное напряжение	√3 × фазное напряжение	Фазное напряжение (без изменений)
Требуемый уровень изоляции	Линейное-между-сетевым напряжением	Линейное-между-сетевым напряжением	Фазное напряжение
Устранение неисправностей	Ручной или с задержкой	Задержка (менее или равна 2 часам)	Немедленно (автоматически)
Сложность защиты	Сложный	Сложный	Простой и надежный
Непрерывность обслуживания во время неисправности	Да (временно)	Да (меньше или равно 2 часам)	Нет (сработало сразу)
Дуга самозатухающая-	Сложный (высокий Ic)	Да (компенсируется)	Непригодный
Применимость автоматического-повторного включения	Ограниченный	Ограниченный	Высокоэффективный
Лучший диапазон напряжения	3–10 кВ	10–60 кВ	110 кВ и выше
Экономическое преимущество	Низкий (высокая стоимость изоляции)	Середина	Высокий (низкая стоимость изоляции)

 

Типичные применения систем с глухим заземлением

Системы с глухозаземленной нейтралью преимущественно используются в:

Сети передачи высокого-напряжения(110 кВ, 220 кВ, 500 кВ и выше)

Городское распределение среднего-напряжения(10 кВ, 35 кВ), где приоритетом являются надежность и простая защита.

Крупные промышленные энергосистемыс обширной кабельной сетью

Низковольтные-системы(380 В/400 В/480 В) для безопасности и защиты оборудования

Рекомендации по выбору: выбор правильного метода заземления

В зависимости от уровня напряжения

Диапазон напряжения	Рекомендуемый метод заземления	Основное обоснование
Низкое напряжение (менее или равно 1 кВ)	Твердое заземление	Безопасность, простая защита
Среднее напряжение (3–10 кВ)	Незаземленная катушка или катушка гашения дуги	Непрерывность обслуживания; зависит от емкостного тока
Среднее-высокое напряжение (20–60 кВ)	Катушка гашения дуги	Емкостный ток слишком велик для незаземленного устройства; доступная стоимость изоляции
Высокое напряжение (больше или равно 110 кВ)	Твердое заземление	Экономическая экономия на изоляции; простая и надежная защита

На основе системных требований

Если непрерывность обслуживания имеет первостепенное значение→ Катушка дугогасителя или незаземленная система.

Если требуется простая и надежная защита→ Глубинно заземленная система

Если кабельная сеть с большим емкостным током→ Катушка гашения дуги

Если сеть воздушных линий с кратковременными повреждениями→ Надежное заземление с автоматическим-повторным включением.

 

Заключение

система заземления катушки дугогасителяисистема с глухозаземленной нейтральюпредставляют собой два принципиально разных подхода к заземлению нейтрали энергосистемы, каждый из которых имеет свои преимущества:

Заземление дугогасительной катушкипревосходно работает в сетях среднего-напряжения, гденепрерывность обслуживанияидуга самозатухающая-являются критическими. Компенсируя емкостной ток повреждения, он обеспечивает временную работу и естественное гашение дуги, что делает его идеальным для кабельных сетей и воздушных распределительных систем со значительным емкостным током.

Системы с глухозаземленной нейтральюдоминируют в сетях передачи-высокого напряжения, где экономические выгодыпониженные требования к изоляциии надежностьпростые и быстрые схемы защитыперевешивают недостаток немедленного устранения неисправности. В сочетании с технологией автоматического-повторного включения эти системы обеспечивают безопасность и надежность.

Понимание этих методов заземления важно для инженеров энергетических систем, производителей электрооборудования и операторов объектов. ВЧжэцзян Rsafele Electric Co., Ltd., наша команда экспертов может помочь вам выбрать и внедрить наиболее подходящее решение по заземлению для вашего конкретного применения, гарантируя оптимальную безопасность, надежность и экономическую-эффективность вашей энергосистемы.