Почему дугогасящий реактор не всегда гасит дугу

Дугогасящий реактор (ДГР) в нейтрали сети 6–35 кВ должен компенсировать емкостный ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) и гасить дугу в месте повреждения. Принцип работает на сетях с малыми емкостными токами, но по мере роста сетей компенсация начинает порождать новые проблемы: резонансное смещение нейтрали, которое называют «ложной землей», повторные пробои изоляции кабелей и ложные срабатывания защит. А при токах ОЗЗ свыше 100 ампер ДГР перестает справляться со своей основной задачей.

Разберем причины резонансного смещения нейтрали. Рассмотрим, в каких случаях компенсация емкостных токов вредит сети: защита от однофазных замыканий на землю срабатывает ложно, изоляция кабелей пробивается повторно, а при больших токах дуга не гаснет.

Контур нулевой последовательности и зачем нужна компенсация

Распределительные сети 6–35 кВ относятся к классу сетей с изолированной нейтралью. Достоинство этого режима в возможности сохранить работу поврежденного участка при ОЗЗ, поскольку токи замыкания на землю в установившемся режиме малы, линейные напряжения не зависят от потенциала нейтрали и потребитель не чувствует замыкания.

Относительно земли каждая фаза сети представляет собой распределенную емкость. Контур нулевой последовательности (КНП) состоит из фазы питающего источника, линии, емкости фазы относительно земли, земли и нейтрали источника. В нормальном режиме напряжение между нейтралью и землей отсутствует, и токи в КНП не протекают. При ОЗЗ нейтраль смещается в сторону замкнувшей фазы, возникает напряжение смещения нейтрали и ток замыкания, с которым связаны основные проблемы.

Необходимость компенсации диктуется электробезопасностью (недопустимо протекание токов ОЗЗ по земле из-за шагового напряжения), пожаробезопасностью (разогрев места замыкания и переход металлического ОЗЗ в дуговое) и износом оборудования. ПТЭЭСС (п. 621) обязывают периодически измерять емкостные токи сети и готовиться к их компенсации. Пороговые значения тока, при которых компенсация обязательна в кабельных сетях: свыше 30 А при 6 кВ, свыше 20 А при 10 кВ, свыше 15 А при 15–20 кВ, свыше 10 А при 35 кВ. В воздушных сетях 6–10 кВ на железобетонных и металлических опорах порог снижен до 10 А.

Идея компенсации предложена В. Петерсоном: нейтраль заземляется через катушку индуктивности (катушка Петерсона, или ДГР). Ток в КНП складывается из емкостного тока ОЗЗ (I_С) и индуктивного тока катушки (I_L). При равенстве этих токов суммарный ток стремится к нулю. Качество компенсации оценивается расстройкой ν = (I_С − I_L)/I_С: при ν = 0 наступает резонанс, при ν > 0 недокомпенсация, при ν < 0 перекомпенсация.

Резонансное смещение нейтрали: как добротность рождает «ложную землю»

Достичь абсолютного резонанса ν = 0 в эксплуатации сложно. Сеть постоянно меняется: подключаются и отключаются линии, изменяется емкости фаз относительно земли. В сети всегда присутствует естественная несимметрия U_несим, величина которой зависит от параметров сети.

В компенсированной сети эта несимметрия усиливается резонансным контуром. Напряжение смещения нейтрали U₀ описывается формулой:

U₀ = U_несим · Q / √(ν² + d²)

где Q – это добротность сети, d – это коэффициент успокоения (величина, обратная добротности).

Смысл формулы в следующем: при высокой добротности Q даже малая несимметрия дает большое U₀. Средняя добротность современной компенсированной сети составляет около 20 (d = 0,05), а в сетях с кабелями из сшитого полиэтилена и современным оборудованием она существенно выше. Это значит, что рост добротности сетей обостряет проблему резонансного смещения.

«Ложная земля» это режим, когда резонансное смещение нейтрали приводит к срабатыванию защиты от ОЗЗ при отсутствии реального замыкания. ПТЭЭСС (п. 624) ограничивает несимметрию в работающей компенсированной сети значением 0,75 % фазного напряжения U_ф. При добротности Q = 20 эта величина усиливается в 20 раз: U₀ = 0,75 · 20 = 15 % U_ф. Именно такой уровень напряжения смещения нейтрали совпадает с типичными минимальными уставками реле напряжения, фиксирующего факт ОЗЗ. Защита срабатывает, хотя замыкания нет.

Способов бороться с резонансным смещением несколько. Самый распространенный: установка параллельно ДГР резистора для увеличения активных потерь и снижения добротности сети. Резистор играет двойную роль: уменьшает резонансное смещение нейтрали и сокращает количество вторичных пробоев при ОЗЗ. Менее удобно симметрирование сети транспозицией проводов, распределением конденсаторов ВЧ-связи или установкой дополнительных конденсаторов между фазами и землей.

Перенапряжения в компенсированной сети

Компенсация емкостных токов снижает перенапряжения при ОЗЗ, но не устраняет их полностью. В работах по исследованию компенсированных сетей показано, что перенапряжения не превышают 2,75 U_ф. Зависимость кратности перенапряжений от расстройки компенсации слабая: в пределах допустимой ПТЭЭСС расстройки (от ±5 %) на перенапряжение практически не влияет.

Существенно важнее другая зависимость. Напряжение смещения нейтрали U₀ как функция расстройки имеет максимум в точке резонанса ν = 0. Автоматика настройки ДГР, использующая этот максимум для поиска резонанса, называется автоматикой резонансного типа. Но именно в точке резонанса сеть наиболее уязвима к «ложной земле». Настройка ДГР в резонанс и работа защиты от ОЗЗ оказываются противоречащими друг другу задачами.

Почему ДГР пасует при токе ОЗЗ свыше 100 А

Главная задача ДГР при металлическом ОЗЗ: уменьшить ток через место замыкания и не допустить его разогрева. Изоляция кабелей и оборудования при металлическом ОЗЗ находится под напряжением, равным линейному напряжению сети, на которое она рассчитана. С дугой ситуация сложнее: ДГР сводит ток в месте замыкания к малым величинам, и вероятность чисто металлического ОЗЗ мала. В месте пробоя образуется дуговой промежуток. При синусоидальном напряжении периодически восстанавливается электрическая прочность промежутка, но не происходит его деионизация, и следует повторный пробой. Ток при пробое мал, но напряжение на изоляции «прыгает» от нуля до линейного.

Если перемежающееся ОЗЗ продолжается достаточно долго, наступает момент, когда происходит пробой изоляции другой фазы на землю и возникает двухфазное замыкание на землю. Такое замыкание сопровождается большими токами и отключается релейной защитой. В разветвленной сети замыкания относятся к разным фидерам, и защита одного из них срабатывает раньше. Результат: последовательные пробои кабелей в сети. ДГР спасает от пожара, но разрушает изоляцию кабелей при возникновении ОЗЗ.

Существует и принципиальное ограничение компенсации: активные потери. Активный ток замыкания составляет 3–5 % от емкостного. Если емкостный ток сети достигает 100 А, активный ток составляет около 5 А, что соответствует устойчивому горению дуги. Для сети 10 кВ емкостный ток 100 А требует ДГР расчетной мощностью порядка 580 кВА (U_ф·I = 10000/√3 · 100), а фактически устанавливают реакторы типовых номиналов с запасом: 800 кВА и выше. Сети развиваются, на них устанавливают ДГР значительно большей мощности, но упускается главное: при емкостном токе более 100 А ДГР не может гарантированно погасить дугу. Активные потери в сети способны самостоятельно поддерживать ее горение. Установка ДГР большой мощности без решения проблемы компенсации полного тока ОЗЗ лишена смысла.

Требования к настройке ДГР: СТО 34.01-3.2-008-2017 и почему 1 % недостаточно

СТО 34.01-3.2-008-2017 «Реакторы заземляющие дугогасящие 6–35 кВ. Общие технические требования» регламентирует погрешность обеспечения требуемого тока ДГР не более 1 %. На первый взгляд это строгий норматив, но проверить его можно лишь в лабораторных условиях.

В эксплуатации точность настройки ограничена физическими причинами. Сеть постоянно сдвигается: подключаются и отключаются линии и нагрузки, меняются параметры. Расстройка компенсации вслед за сетью изменяется от замера к замеру.

Ранее применяемые ДГР имели ступенчатое переключение витков, и разница расстройки при переключении на одну ступень составляла 3–20 % в зависимости от соотношения токов и производителя. Современные плунжерные ДГР (РДМР) и ДГР с конденсаторным регулированием (РДМК) дают плавное изменение индуктивности и работают совместно с автоматикой управления. Но и плавная настройка не снимает проблему «ложной земли»: при ν = 0 резонансное смещение максимально. Поэтому на практике приходится задавать гистерезис на перенастройку реактора порядка ±5 %, что выводит расстройку за пределы норматива.

Полная компенсация через управляемый источник тока

Решение проблем компенсации емкостных токов: переход к компенсации полного тока ОЗЗ. Разница между подходами в следующем: ДГР компенсирует только реактивную (емкостную) составляющую тока замыкания, а полный ток включает активную составляющую потерь, которая и поддерживает дугу при больших токах.

Компенсация остаточного активного тока выполняется управляемым источником тока (УИТ). Он подключается либо к специальной силовой обмотке ДГР, либо параллельно ДГР через согласующий высоковольтный трансформатор. Второй вариант предпочтительнее при модернизации существующих систем: он не требует замены уже установленных реакторов.

Современная силовая электроника и цифровая техника реализуют компенсацию полного тока достаточно надежно. В эксплуатации находятся системы, которые позволяют практически избавиться от резонансного смещения нейтрали, повторных пробоев изоляции и устойчивого горения дуги. Развитие этого направления ведет к концепции сети с управляемым заземлением нейтрали, где ток ОЗЗ контролируется не только по реактивной, но и по активной составляющей.

Что в итоге

Компенсация емкостных токов ОЗЗ дугогасящими реакторами остается базовым режимом заземления нейтрали для сетей 6–35 кВ, но ее возможности ограничены. Резонансное смещение нейтрали («ложная земля») приводит к ложным срабатываниям защит, особенно в сетях с высокой добротностью. Перемежающиеся ОЗЗ вызывают повторные пробои изоляции и последовательные повреждения кабелей. Принципиальное ограничение кроется в активных потерях: при емкостном токе свыше 100 А они сами поддерживают дугу, и ДГР не может ее погасить. Стандартное решение: установка резистора параллельно ДГР для снижения добротности. Радикальное: переход к полной компенсации тока ОЗЗ через управляемый источник тока, которая компенсирует не только емкостную, но и активную составляющую.

Источники:

1. Козлов В.Н., Булычев А.В., Соловьёв И.В., Александров А.С. «Сопутствующие эффекты компенсации токов однофазного замыкания на землю» // журнал «Релейная защита и автоматизация», № 1 (42), 2021, с. 22–28. Выполнена на базе сетей ПАО «Россети Волга».
2. ПТЭ (Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей), п. 5.11.12
3. СТО 34.01-3.2-008-2017 «Реакторы заземляющие дугогасящие 6-35 кВ. Общие технические требования». Утв. распоряжением ПАО «Россети» от 28.02.2017.