Уменьшение тока дуги
Дугодушительные реакторы также называются нейтрализаторами нейтрали заземления или катушками Петерсена после В. Петерсена, которые запустили идею этого конкретного реакторного приложения в начале прошлого века.
Как работают реакторы подавления дуги (нейтрализаторы отказа от земли или катушки Петерсена)? - фото кредит: ege.cz
В высоковольтных силовых системах могут иметь место однофазные замыкания на землю. Они могут быть инициированы переходными перенапряжениями, часто в сочетании с пониженной диэлектрической проницаемостью из-за загрязненных изоляторов или присутствием таких животных, как птицы, белки и т. Д.
Возникают дуги, которые приводят к емкостным токам. Если ток выше определенных уровней, дуга может длиться долгое время и вызывать разрывы проводника и повреждать материал, такой как изоляторы. Это может вызвать пожар. Обычно считается, что дуги гасятся сами по себе, когда ток дуги ниже 5-10 А.
Целью дугогасящего реактора является уменьшение тока дуги и, таким образом, условие тушения дуги.
Для определения соответствующей индуктивности дугогасящего реактора необходимо знать ток замыкания на землю. Это, в свою очередь, определяется емкостью заземления C e каждого фазного проводника силовой системы.
Содержание:
- Основной принцип дугогасительного реактора
- Как определить данные о реакторе?
Учитывание кабелей
- Общий ток замыкания на землю
- Проектирование дугогасительных реакторов
- Системное соединение
Основной принцип дугогасительного реактора
Чтобы проиллюстрировать влияние дугогасительного реактора, мы будем использовать пример, который несколько упрощен, но все еще достаточен для объяснения принципа.
Рисунок 1 - Основной принцип дугогасительного реактора
На рисунке 1 слева показан источник энергии, который может быть вторичной обмоткой трансформатора с клеммами R, S и T.
Он подключен к системе, в которой каждая фаза имеет емкость до земли C e. Эта емкость распределена по всей длине проводников, но обозначается как один концентрированный конденсатор C e на фазу.
Предположим, что эта емкость одинакова во всех трех фазах, что означает, что фазные проводники воздушных линий отлично вращаются. В фазе R указывается замыкание на землю.
Для простоты предположим, что импеданс в пятне неудачи настолько мал, что его можно пренебречь. Другими словами, потенциал фазы R равен потенциалу земли, который в невозмущенном и симметричном состоянии находится в или вблизи нейтральной точки (точки звезды) обмотки трансформатора.
Из-за замыкания на землю потенциалы на землю фаз S и T увеличились. При нормальной работе происходит обмен токов между системой и землей таким образом, что емкость на землю одной фазы служит обратным контуром для тока через емкость двух других фаз и наоборот.
Ошибка замыкания на землю изменила этот емкостный ток.
Теперь возврат тока к земле из фазы S и T проходит через замыкание на землю и в фазу R. Из-за увеличенных потенциалов к земле фаз S и T, токи на землю из этих фаз также увеличились.
Взаимосвязь между напряжениями и токами показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Векторные соотношения между напряжениями и токами
В этом примере потенциал по отношению к Земле на звуковых фазах S и T считается равным нормальному напряжению системы U (от линии к линии).
Другими словами, потенциал земли на этих фазах увеличился в 3 раза. (Этот коэффициент может на практике быть ниже или выше √3). Нейтраль сдвинута Δu, что в этом случае равно нормальному напряжению от линии к нейтрали.
Емкостные токи на землю из фаз S и T, I cs и I ct ведутся на 90 ° относительно U s и U t соответственно. Емкостный ток в замыкании на землю I e представляет собой векторную сумму I cs и I ct.
I cs = I ct = U × ω × C e
I e = 2 × U × ω × C e × cos30 ° = √3 × ω × C e
В зависимости от C e, который пропорционален общей длине линий и кабелей в системе, я могу стать довольно высоким и поддерживать дугу в месте падения.
Рисунок 3 - Подключение дугогасительного реактора (L)
При подключении дугогасительного реактора L между нейтралью обмотки трансформатора и землей индуктивный ток протекает через L к земле, где он находит обратный путь через замыкание на землю.
Индуктивный ток через замыкание на землю имеет противоположное направление емкостного тока, обеспечиваемого фазами S и T.
На рисунке 4 показан вектор I L, добавленный к предыдущей векторной диаграмме на фиг. 3, перед наличием реактора подавления дуги.
Рисунок 4 - вектор I L, добавленный к предыдущей векторной диаграмме на рисунке 3, перед наличием дугодушительного реактора
Δu - напряжение, которое приводит ток I L через реактор, и I L, естественно, отстает на 90 ° относительно Δu.
Регулируя реактивность реактора I L, можно дать такое же числовое значение, что и I e, и поскольку l e и I L имеют противоположные направления, результирующий ток через ошибку станет нулевым или близким к нулю.
Тогда дуге на пятне отказа дается большая вероятность потушить сама по себе, и работа силовой системы может продолжаться без изменений и без прерывания подачи электроэнергии.
Вернуться к содержанию ↑
Как определить данные о реакторе?
Ток через реактор должен уравнять емкостный ток, определяемый емкостью на землю системы, в которой должен быть установлен реактор. Тогда необходимо знать C e.
C e можно найти путем прямого измерения в энергосистеме. Тем не менее, система может редко находиться в распоряжении для таких измерений, поэтому C e затем оценивается на основе расчетов.
Системы могут содержать как воздушные линии, так и кабели, а один километр кабеля имеет гораздо более высокую емкость для земли, чем один километр воздушной линии. Вклад в C e от кабелей можно рассчитать на основе конкретных данных поставщиков кабелей и общей длины кабелей.
Вклад в C e от воздушных линий может быть не так просто определить с той же точностью, что и для кабелей.
C e для воздушных линий определяется несколькими параметрами, такими как:
- Высота проводников над землей
- Геометрическая конфигурация трехфазных проводников
- Количество параллельных проводников на фазу
- Количество проводов заземления, если они есть, и их расстояние до фазных проводников и земли
- Размеры проводников
- Степень растительности ниже линии
- Сезонные вариации из-за льда и снега.
В литературе выводятся точные формулы для емкости к Земле в идеальных условиях (плоская земля, постоянные расстояния до земли и между проводниками) (например, Р. Вильгельм и М. Уотерс: Нейтральное заземление в высоковольтной передаче, 1956).
Однако, принимая во внимание, что реактивность реакторов подавления дуги может варьироваться в широких пределах, для этой цели достаточно простых приближенных методов расчета C e.
На рис. 5а и б показаны типичные токи зарядки (токи замыкания на землю) в системе воздушных линий в зависимости от длины линии, при этом напряжения системы в качестве параметров.
Рисунок 5 - Типовые токи зарядки (токи замыкания на землю) в системе воздушных линий
Диаграммы действительны для 50 Гц. Для 60 Гц токи должны быть увеличены на 20%. Из этих диаграмм можно легко оценить емкостный ток короткого замыкания.
Номинальный ток дугогасительного реактора должен быть таким же, как и емкостный ток короткого замыкания, что означает, что реактор должен выдерживать этот ток в течение определенного времени.
Кроме того, реактивное сопротивление реактора должно быть таким, чтобы он пропускал этот ток через определенное напряжение в реакторе.
Это напряжение должно быть самым высоким напряжением, которое будет подвергаться воздействию реактора. На практике это считается самым высоким напряжением системы, разделенным на √3. Это напряжение от фазы к нейтрали, когда система сбалансирована (симметрична).
Вернуться к содержанию ↑
Учитывание кабелей
Когда также кабели являются частями системы, необходимо учитывать вклад от кабелей к току замыкания на землю. Это предпочтительно должно основываться на информации поставщиков кабелей, но в случае отсутствия такой информации мы предоставляем некоторые данные в качестве руководства.
Емкость кабеля заземления может варьироваться в диапазоне 0, 1 - 0, 7 мкФ / км в зависимости от конструкции кабеля и размеров. Мы рассмотрим три разных проекта, которые показаны на рисунке 6.
Рисунок 6 - Кабели и их конструкции
Заземляющая емкость для каждой фазы C e, выраженная в канале μF / km, указана на оси ординат на рисунке 7, рисунке 8 и рисунке 9.
Рисунок 7 - Емкость между проводниками и землей C e из трехжильных кабельных лент в зависимости от сечения провода - Изоляция бумаги
Рисунок 8 - Емкость между проводниками и землей C e одножильных кабелей SL- и H-типа в зависимости от сечения проводника - Изоляция бумаги
Рисунок 9 - Емкость проводника-земля C e кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в зависимости от сечения проводника
Для определения емкостного тока замыкания на землю на основе диаграмм на рисунках 7, 8 или 9 ордината Y, считываемая из области проводника по оси x, а кривая для соответствующего напряжения системы должна быть вставлена в следующую формулу:
I e = √3 × 2 × π × f × Y × U × L c × 10 3
В этой формуле:
- I e - емкостной ток замыкания на землю в амперах
- f - частота мощности
- Y - ордината от одной из диаграмм на рисунках 7, 8 или 9 в мкФ / км
- U - напряжение системы (линия-линия) в кВ
- L c - общая длина фактического типа кабеля в системе в км.
Вернуться к содержанию ↑
Общий ток замыкания на землю
Общий токовый ток замыкания на землю определяется путем добавления арифметически вкладов от воздушных линий и от кабелей.
Номинальный ток дугогасительного реактора должен быть, по крайней мере, таким же, как и общий ток замыкания на землю. Предпочтительно также учитывать будущие расширения.
Обычно номинальный ток реактора не должен быть слишком малым. В случае несовершенной настройки реактора остаточный реактивный ток должен быть индуктивным. Емкостный остаточный ток может привести к тому, что напряжение на земле на здоровых фазах будет еще выше, чем линейное напряжение в системе.
Вернуться к содержанию ↑
дизайн
Реакторы подавления дуги являются однофазными. Они имеют сердечник из стальных листов, как и сердечники трансформаторов. В большинстве случаев сердцевина имеет центральную конечность, которая окружена обмоткой, и две раскрученные боковые конечности, а верхние и нижние ярмо закрывают магнитный путь.
Ядро отличается от сердечников трансформаторов, поскольку центральная конечность состоит из ряда стальных стальных пакетов с немагнитными промежутками между ними.
Обмотка похожа на обмотки трансформатора. Он может иметь привязки для настройки реактивного сопротивления на емкость к земле системы.
Реактивное сопротивление может варьироваться в пределах определенного диапазона. Соотношение между наивысшим и самым низким реактивным потенциалом по практическим причинам ограничено 2, 5: 1. Для более низких напряжений системы (22 кВ и ниже) отношение может быть 3: 1. Если требуется больше диапазона, 10-12: 1 может быть достигнуто путем регулирования зазоров в сердечнике.
Основной эскиз дугогасительной катушки
Регулирование зазоров может осуществляться с помощью электродвигателя. Это регулирование является непрерывным, в то время как регулирование с помощью отводов в обмотке находится в шагах.
В установленных системах, где ситуация довольно стабильна, то есть нет или очень редкие изменения в емкости заземления системы, будет выполнена адекватная регулировка реактивного сопротивления ступенчато с помощью устройства РПН. В системах, которые подвержены частым расширениям или секционирования, может быть предпочтительной автоматическая настройка путем изменения зазоров в сердечнике.
Реакторы с подавлением дуги в большинстве случаев поглощены маслом. Обычно реакторы подавления дуги снабжены вторичной обмоткой для индикации и измерения напряжения в реакторе.
Вторичная обмотка иногда нагружается сопротивлением, чтобы увеличить активную составляющую тока отказа, чтобы активировать селективные реле замыкания на землю в случае постоянного замыкания на землю. Разумеется, реактор подавления дуги не снимает замыкание на землю, когда, например, проводник воздушной линии упал на землю.
Однако реактор может в таких случаях ограничивать повреждение материала, минимизируя ток повреждения.
Обычно реакторы подавления дуги имеют встроенный трансформатор тока для индикации и измерения тока через реактор.
Вернуться к содержанию ↑
Системное соединение
Реакторы подавления дуги соединены между нейтралью энергосистемы и землей. Нейтральная нейтраль может быть доступна в нейтральной втулке трансформаторов с витой звездой или зигзагом.
Если трансформатор с такой обмоткой отсутствует в месте, где требуется установка дугогасительного реактора, заземляющий реактор (также называемый нейтральным соединителем) может обеспечить нейтральную точку.
При определении реактивности реактора подавления дуги необходимо учитывать реактивное сопротивление нулевой последовательности трансформатора или реактора заземления. Это реактивное сопротивление нулевой последовательности происходит последовательно с реактивным сопротивлением реактора. Это тогда сумма реакторного сопротивления реактора и одна треть реакционного сопротивления нулевой последовательности подключенного трансформатора или заземляющего реактора, который должен уравнять емкость системы.
Для определения реактивности реактора подавления дуги должно быть известно реактивное сопротивление нулевой последовательности трансформатора, где оно связано.
IEC 60076-1 Силовые трансформаторы Часть 1: Общие, определяет импеданс нулевой последовательности трехфазной обмотки как импеданс, выраженный в омах на фазу при номинальной частоте, между линейными терминалами трехфазного соединения с звездой или зигзагом, подключенной обмотки, соединенной вместе, и ее нейтральной клеммы.
Вернуться к содержанию ↑
Рекомендации //
- Руководство по трансформатору от ABB
- Справочник по автоматизации распространения - Элементы систем распределения энергии от ABB
- Спиральные катушки для дуги шведского нейтрального AB