Реакторы электрические

Данная статья представляет собой резюме исторического развития трехфазных сетей переменного напряжения и способов заземления нейтрали сети. Здесь также описывается использование дугогасящей катушки как эффективного элемента энергетической системы. Дугогасящая катушка (реактор) используется, начиная с 1917 года.

Как один из немногих способов заземления нейтрали она позволяет устранить токи замыкания, протекающие через землю. В воздушных линиях она значительным образом, вплоть до 70%, сокращает количество обрывов питания и кратковременных отключений при однофазных повреждениях. Свое значимое место дугогасящая катушка (реактор) также занимает и в кабельных сетях. Сегодня дугогасящая катушка (реактор) дополняется системами, которые еще больше улучшают свойства компенсированной сети, поэтому с уверенностью можно полагать, что и в дальнейшем мы будем с ней встречаться.

Сегодня с трудом можно представить жизнь без электрической энергии. И это несмотря на то, что с точки зрения истории человечества, электричеством занимается очень молодая научная дисциплина. В начале XIX века ряд известных физиков начал вcе больше уделять внимание феномену электричества. В 1878 году господа Савойер и Мэн получили патент на распределение электрического тока.

В конце XIX века электричество уже внедрялось достаточно широко. Для производства электрической энергии использовались динамо-машины, для электропривода - двигатели постоянного тока, а для освещения - дуговые лампы. Томас Алва Эдисон оказался новатором в развитии использования электрической энергии. Он ориентировался на использование постоянного напряжения. Источники электрической энергии должны были находиться близко к потребителям, поскольку сопротивление проводников ограничивало передачу энергии на большие расстояния. Минусом этого было то, что двигатели постоянного тока не обладали соответствующей надежностью и, к тому же, были маломощными. Также необходимо принять во внимание, что в двигателях постоянного тока при протекании тока между неподвижной частью и крутящимся якорем происходят искрения, оплавления щеточно-коллекторного узла, а также частые повреждения. В отличие от этого Никола Тесла придумал генератор без щеточно-коллекторного узла, который производил переменный ток. Посредством переменного напряжения в месте потребления оказалось возможным создавать крутящееся магнитное поле, которое приводило в движение простой, мощный и надежный двигатель, работающий также без щеточно-коллекторного узла. Патенты, связанные с переменным током, у Теслы приобрел предприниматель Георг Вестингауз, после чего они вместе начали воплощать их в жизнь. Зарождались электростанции, распределительные системы, электрифицировались фабрики и города. Этим же занимался и Эдисон, который, однако, отдал предпочтение постоянному току. Инвесторы закономерно задавались вопросом, какая из систем лучше. Конфликта между Эдисоном и Теслой не пришлось ждать долго. В 1896 году фирма Вестингауз Электрик Корпорейшн построила первую электростанцию переменного тока на Ниагарском водопаде. Вся ее концепция была рассчитана тогда уже известным Николой Тесла. Переменный ток позволял при использовании трансформаторов снижать или повышать напряжение, тем самым реализовать передачу электрической энергии на большие расстояния с низкими потерями. Однако с развитием электрических сетей постепенно всплывало все больше и больше проблем, которые нужно было каким-то образом решать. Одной из многих проблем был непрекращающийся рост самих электрических сетей. И было очевидно, что с растущим объемом сетей одновременно в этих сетях росло и количество зафиксированных повреждений. Самыми частыми были однофазные повреждения. С течением времени устранение повреждений уже не заключалось только лишь в усовершенствовании технологии строительства линий, но и вело также к поиску других способов эксплуатации сетей. Отключения линий высокого напряжения, предназначенных для снабжения больших областей, вызывали потерю питания огромного количества подключённых потребителей. Другой неприятной особенностью были высокие значения токов повреждения и небезопасные для жизни напряжения прикосновения. Ограничение значений величины токов однофазных повреждений вело к созданию сети с изолированной нейтралью. В таких сетях при замыкании одной фазы на землю через место повреждения уже не протекал ток однофазного короткого замыкания, а только лишь ток замыкания на землю. Данный ток имеет, главным образом, емкостной характер и зависит от величины емкости сети относительно земли. Величина фазовой емкости относительно земли задана в первую очередь величиной емкости фазового кабеля относительно земли. После начала эксплуатации сетей с изолированной нейтралью произошло значительное снижение значений токов повреждения. Однако в то же время в такие сети нельзя было подключать однофазных потребителей (однофазные трансформаторы) между фазой и землей. В такие сети можно было подключать потребителей (трансформаторы) только между фазами. Поэтому было необходимо строительство трехфазных или даже в исключительных случаях двухфазных линий. Данное решение хоть и снижало токи повреждения, но одновременно требовало строительства линий с изоляцией, рассчитанной на величину линейного напряжения сети. С растущим объемом линий в таких сетях начали расти токи повреждений, а точнее, емкостные токи замыкания на землю. Для снижения значения токов повреждения было необходимо строительство большего количества малых сетей или поиск другого способа заземления нейтрали сети. Важную роль в этом сыграл Вальдемар Петерсен, который с 1894 года работал в техническом университете в Дармштадте. В 1902 году в университете была основана лаборатория высокого напряжения - свыше 50кВ. Здесь с 1916 года Петерсен находился во главе кафедры своего учителя Киттлера. С февраля 1918 года Петерсен стал приемником Киттлера, а вместе с тем и действительным профессором электротехники. В то время как его учитель по-прежнему пропагандировал постоянный ток, Петерсен проводил работу над продвижением переменного тока, которая тогда еще находилась у истоков. В 1917 году Вальдемар Петерсен уже запатентовал катушку, которая подключалась между нейтралью сети и землей. В честь автора данную катушку называют катушкой Петерсена, или также за свою особенность «погашать» дуговое замыкание на землю ее называют дугогасящей катушкой. Особенностью дугогасящей катушки является то, что во время обычного рабочего состояния она практически не влияет на работу сети. Это означает, что она не влияет на потоки активной и реактивной мощности, которые вызваны подключением потребителей или источников. Во время обычного рабочего состояния на дугогасящей катушке имеется минимальное ближе к нулевому напряжение. И только во время однофазного повреждения на ней появляется напряжение. Величина этого напряжения может достигать значения фазного напряжения сети. Далее через катушку начинает протекать индуктивный ток, который в месте однофазного повреждения устраняет емкостной ток сети относительно земли. На плунжерной катушке можно настраивать величину индуктивного тока в соответствии с параметрами сети. Такая настройка катушки происходит в безаварийном состоянии сети. В случае если в сети возникает замыкание на землю, катушка уже настроена. С помощью настройки катушки в параллельный резонанс относительно фазной емкости линии к земле можно достичь минимального значения тока повреждения при замыкании на землю. Через место замыкания на землю в таком случае протекают токи на уровне единиц процентов от общего емкостного тока сети, что является основной идеей системы компенсации емкостных токов относительно земли. При точной настройке дугогасящей катушки ток имеет активный характер и может содержать в себе определенную долю высших гармоник. Доля высших гармоник в токе всегда более выражена для повреждений с низким сопротивлением. Ток, протекающий через место замыкания на землю в сети с дугогасящей катушкой, всегда обозначается как остаточный ток замыкания на землю.
Для определения вывода с однофазным повреждением, через которое не протекает ток короткого замыкания, а только остаточный ток замыкания на землю, было необходимо разработать новый способ обнаружения. И вновь это был Петерсен, который воспользовался принципом наблюдения за направлением потока нулевой составляющей активной мощности на выводах. По сути, это означало наблюдение за потоком активной составляющей тока повреждения при замыкании на землю в отдельных выводах. Данный принцип был запатентован автором годом позже.
Электрификация Европы проходила главным образом в начале XX века. В 1881 году Эдисон построил первую в Европе электрическую централь. Была введена трехфазная энергетическая система 50 Гц. Для местных сетей было определено номинальное напряжение 3 x 380/220 В. Для дистрибуции энергии в рамках региона 22 кВ и для линий передачи было выбрано напряжение 100 кВ. После второй мировой войны началась работа по соединению отдельных сетей и созданию системы передачи электроэнергии.
Посредством электрификации всех населенных пунктов произошло создание обширной сети высокого напряжения по дистрибуции энергии. В 60-х годах появился вопрос: как дальше эффективно эксплуатировать эти сети? Возникла исследовательская задача, главной целью которой было определить самый выгодный способ эксплуатации нейтрали в сети высокого напряжения. При сравнении отдельных возможных способов заземления нейтрали сети было рекомендовано эксплуатировать распределительные сети с компенсацией емкостных токов на землю. Таким образом, возникло требование по установке дугогасящих катушек в узел распределительной сети высокого напряжения. Однако производители трансформаторов отказались заниматься разработкой плунжерных катушек и предложили возможность устанавливать катушки с отпайками. Исследовательский центр, которым в то время руководил Йозеф Рихтер, не поддержал это решение, поскольку только плавно настраиваемая дугогасящая катушка дает возможность ее точной настройки на параллельный резонанс относительно фазной емкости сети по отношению к земле. При настроенной катушке возникает эффект погасания дуговых замыканий на землю. Это приводит к тому, что приблизительно 70% всех замыканий на землю самопроизвольно исчезает. Поэтому Йозеф Рихтер спроектировал собственную конструкцию плавно настраиваемой дугогасящей катушки. Согласно этому проекту в действующих энергетических мастерских Южной Чехии был произведен прототип дугогасящей катушки, который был испытан на подстанции 22 кВ Мыдловары. В 1952 году господину Рихтеру был выдан патент на конструкцию дугогасящей катушки. Так из производственных мастерских, изначально предназначенных для нужд предприятия электростанций Южной Чехии (Jihočeských elektráren), возникло отдельное предприятие – Энергетический машиностроительный завод (Energetické strojírny), который в 1962 году входил в предприятие Энерговод Прага (Energovod Praha). Поэтому дугогасящие катушки производились под маркой EGV. Катушки поставлялись также в рамках восточного блока. В 1990 году завод в рамках реструктуризации вновь отделился, и возникло государственное предприятие Энергетик (Energetik) с традиционным машиностроительным производством для энергетики, однако, уже с новым руководством и новой предпринимательской стратегией. В 1992 году руководство компании в рамках процесса приватизации выкупило у государства предприятие, назвав его EGE. В новых условиях компания принципиально пересмотрела технический уровень и качество своих изделий. Внедрением инноваций и снижением затрат она смогла продвинуть дугогасящие катушки на уровень мировой конкуренции. И в этом отношении, конструкция дугогасящей катушки, исходящая из изначальной конструкции, смогла выстоять. Данная конструкция отличается главным образом робастностью, высокой надежностью и низкими потерями. Такие характеристики позволили дугогасящим катушкам занять достойное место на очень требовательных рынках западной Европы.
Компенсация емкостных токов тоже не всегда была благополучной. В городских сетях происходила замена воздушных линий на трехфазные кабели с бумажно-масляной изоляцией. В случае возникновения в такой линии замыкания на землю, момент прогорания однофазного повреждения в многофазное замыкание с последующим быстрым отключением повреждения оставался уже только вопросом времени. Таким образом, преимущества возможной эксплуатации сети с однофазным повреждением на некоторое время были значительно подавлены. Переход на кабельные линии одновременно вызвал сильное повышение значения емкостных токов замыкания на землю. Упомянутый рост емкостного тока замыкания на землю требовал повышение мощности дугогасящей катушки. Следующий недостаток этой системы заключался в том, что существующие защиты, которые по-прежнему работали по ваттметрическому принципу, не были достаточно надежными для определения вывода с повреждением. По этим причинам обширные кабельные сети начали эксплуатироваться с резистивно заземленной нейтралью. Однофазные повреждения быстро выключались простыми и надежными защитами по току. Таким образом, была элиминирована эксплуатация сети с замыканием на землю. Однако минусом резистивно заземленной нейтрали было высокое значение аварийного тока. Данный способ эксплуатации нейтрали сети был эффективен только в случаях, когда защитное заземление сети имело низкое значение сопротивления. Соблюдать низкое значение защитного заземления в смешанных сетях, то есть в сетях с воздушными и кабельными линями было тяжело. Поэтому такие сети и впредь сохранят за собой способ заземления нейтрали через дугогасящую катушку. Разработка новых материалов изоляции проникла также в технологию производства кабелей. Здесь начали использоваться кабели из сшитого полиэтилена (XLPE). Одновременно начали использоваться преимущественно одножильные кабели. С развитием электронных защит улучшались их функции, и постепенно были устранены причины, которые вели к вытеснению дугогасящих катушек из кабельных сетей. Главная выгода дугогасящих катушек, которая заключается в значительном ограничении аварийного тока в месте однофазного повреждения, вновь вернулась на первый план. В настоящее время с помощью надежных направленных защит и систем обнаружения протекания аварийного тока в сети можно отключать даже небольшие отрезки с повреждениями или только их локализовывать. Эти качества снова вызвали спрос на дугогасящие катушки, и не только в Европе. Именно рост доли кабельных сетей с компенсацией емкостных токов является причиной спроса на постоянно возрастающие мощности дугогасящих катушек. В настоящее время в европейские распределительные сети поставляются дугогасящие катушки с мощностью превышающей 12 МВАр. Емкостные токи, благодаря обширным кабельным сетям, достигают значений нескольких сотен ампер. Таким образом, для сетей 20 кВ поставляются дугогасящие катушки с индуктивными токами, превышающими значение 800 А. Использование дугогасящих катушек в столь обширных сетях является результатом стремления обеспечить безопасную эксплуатацию данных сетей, поскольку именно дугогасящие катушки способны устранять аварийный ток непосредственно в месте замыкания на землю. Для минимизации величины аварийного тока очень важны точная настройка дугогасящей катушки и низкие потери на катушке. Потери на катушке влияют на величину активной составляющей остаточного тока в месте замыкания на землю.
В разветвленных кабельных сетях иногда бывают проблемы с наладкой дугогасящей катушки по нулевой составляющей напряжения. В таких случаях резонансная кривая имеет низкое значение и бывает плоской. Поиск пика плоской кривой с помощью этого метода, а тем самым и точная настройка дугогасящей катушки затруднительна. Поэтому в таких сетях сегодня используются иные методы настройки дугогасящей катушки. Данные методы основаны на «настройке» величины требуемого изменения реактанса дугогасящей катушки, которая исходит из «обнаружения» ее параллельного резонансного состояния по отношению к фазной емкости сети относительно земли. После определения требуемого значения реактанса катушка настраивается на требуемое значение. Существует много методов для определения требуемой настройки реактанса дугогасящей катушки. Современные методы используют различные способы определения требуемого реактанса в нейтрали сети для обеспечения резонансного состояния на основании инжекции тока при сетевой частоте или же с измененной частотой инжектируемого тока.
С другой стороны существуют сети с высокой степенью фазовой емкостной несимметрии. Данные сети при настроенной дугогасящей катушке имеют высокое значение нулевой составляющей напряжения. Во многих случаях значение нулевой составляющей напряжения превышает пределы для замыкания на землю. На практике можно встретить сети, в которых при настроенной дугогасящей катушке значение нулевой составляющей напряжения превышает 70% значения фазного напряжения. Это также отчетливо проявляется в виде изменения фазных напряжений. Для эксплуатации таких сетей с дугогасящей катушкой очень важно найти и, по возможности, устранить причину фазной емкостной несимметрии относительно земли. Существуют также случаи, когда значительное повышение нулевой составляющей напряжения было вызвано отключением одной поврежденной фазы в параллельных однофазных кабельных линиях, поскольку под воздействием изменения нагрузки уже не было необходимости эксплуатировать параллельные кабели. Изменение фазовой емкостной несимметрии на уровне одного процента вызывает значительные изменения фазного напряжения и нулевой составляющей напряжения при наладке дугогасящей катушки. В некоторых сетях с несимметрией напряжения для ее снижения используется метод демпфирования с помощью резистора. Данный метод эффективен в сетях с низким затуханием, то есть в сетях с очень низким значением активного тока утечки. Демпфирование сети с помощью резистора решает проблему снижения разницы фазовых напряжений в нейтрали сети, однако с другой стороны, ограничивает возможность обнаружения высокоомных замыканий на землю. Демпфирование с помощью резистора выгодно в сетях с более низкой несимметрией и низким значением естественного затухания. В сеть с несимметрией можно установить систему симметризации фазных емкостей относительно земли. Данная система вместе с дугогасящей катушкой позволяет точно настроить дугогасящую катушку даже в сетях с несимметрией, не вызывая нежелательные изменения величины фазных напряжений или же напряжений в нейтрали сети. Управление фазовой несимметрией в сети не снижает чувствительность защит к резистивным повреждениям. Систему симметризации фазных емкостей на землю можно также использовать для снижения значения зарядных емкостных токов на линии. В некоторых промышленных сетях описанная система используется даже независимо и выполняет функцию системы устранения зарядных токов линии и емкостных токов сети относительно земли, при этом она одновременно может исключить фазовую несимметрию напряжения в сети.
Требования к увеличивающейся безопасности эксплуатации разветвленных сетей приводят не только к использованию новых систем, но и к изменению существующих систем с целью исключить остаточные токи. Именно с учетом необходимости обеспечения высокой надежности в настоящее время рассматриваются системы для устранения остаточного тока на базе силовой электроники. Данные системы имеют отличные результаты, но, пока что, в общем, их основными проблемами являются высокая повреждаемость и высокие инвестиции. Несмотря на то, что будущее будет приклоняться к этим системам, главным образом после их усовершенствования и удешевления, в настоящее время именно обеспечение более высокой надежности является тем фактором, который препятствует их широкому распространению. Поэтому все чаще используются дополнительные системы к дугогасящим катушкам, которые позволяют снизить остаточный ток замыкания на землю до нулевого значения. Высококачественные дугогасящие катушки устраняют более чем 90% тока замыкания на землю, при этом дополнительные системы имеют перед собой задачу устранить его остаточную часть. В случае если ток замыкания на землю минимальный или нулевой, то сеть можно безопасно эксплуатировать с замыканием на землю в течение ограниченного времени. С этой целью существует также еще одна система, которую можно использовать в сетях с компенсацией емкостных токов на землю. Речь идет о системе заземления фазы с замыканием на землю. Данная система может существенно снизить значение тока повреждения в месте замыкания на землю для резистивных или дуговых замыканий на землю. Эксплуатация сети с замыканием на землю, в которой ток через замыкание полностью устранен или минимален, позволяет сократить периоды выключения потребителей. В таких случаях распределительную сеть можно эксплуатировать с замыканием на землю вплоть до момента локализации места повреждения. Как правило, речь идет от единиц до десятков минут. Однако на практике в системе заземления фазы с замыканием на землю были зарегистрированы случаи, когда сеть была в эксплуатации с замыканием на землю не только в ходе локализации места повреждения, но и в ходе подготовительных работ перед ремонтом. То есть в общей сложности сеть эксплуатировалась с замыканием на землю несколько часов.
В настоящее время дугогасящая катушка остается широко используемым оборудованием. Это один из самых безопасных способов заземления нейтрали сети, который вместе с тем по-прежнему принадлежит к прогрессивным решениям.