Повышение надежности распределительных сетей напряжением 6кВ Запорожского железорудного комбината на основе ограничения внутренних перенапряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

НАПРЯЖЕНИЕМ 6 кВ ЗАПОРОЖСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОМБИНАТА НА ОСНОВЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Начальник НИЧ канд. техн. наук, доц. О.Е. Хоменко

Зав. каф. электрических машин

рук. НИР, д-р техн. наук, проф. Ф.П. Шкрабец

Главный энергетик ЗЖРК Ю.Н. Безручко

РЕФЕРАТ

Отчет о НИР.

Объект исследования: электрические сети напряжением 6 кВ системы электроснабжения Запорожскогой железорудногой комбината.

Целью работы является повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением 6 кВ за счет оптимизации режимов нейтрали.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследований:

1. Исследовать влияние заземления нейтрали на параметры аварийного режима и эксплуатационные показатели распределительных сетей.

2. Разработать рекомендации по выбору оптимального, по условиям эксплуатационной надежности и электробезопасности, режима нейтрали распределительных сетей.

3. Разработать рекомендации по улучшению работы устройств защиты от замыканий на землю

Идея работы заключается в использовании характера протекания переходных и установившихся процессов и законов изменения аварийных токов при замыканиях на землю в электрических сетях с разными режимами нейтрале для разработки рекомендаций по их оптимизации.

В прикладном плане результаты работы будут оказывать содействие повышению надежности и электробезопасности распределительных электрических сетей, увеличению сроков работы электрооборудования, улучшению работоспособности устройств защиты от несимметричных повреждений.

Ключевые слова: система электроснабжения; параметры изоляции сети относительно земли; внутренние перенапряжения; аварийный ток; защита от замыканий на землю.

Введение

Интенсификация электроэнергетики и увеличение количественных показателей распределительных сетей и оборудования приводят к росту интенсивности и вероятности повреждений, к ухудшению условий электробезопасности. По данным энергослужб предприятий однофазные замыкания на землю токоведущих частей электрических установок в распределительных сетях 6 кВ составляют более половины всех повреждений электроустановок и поэтому во многом определяют уровень надежности и электробезопасности систем электроснабжения.

Повышение уровня надежности, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обоснование методов и средств улучшения функциональной надежности средств релейной защиты для распределительных сетей указанного класса напряжения.

В работе решается важная научно - практическая задача, заключающаяся в разработке принципов и технических решений, направленных на повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением за счет ограничения и подавления переходных процессов при несимметричных повреждениях.

Идея работы заключается в использовании законов протекания переходных и установившихся процессов при замыканиях на землю в электрических сетях с различными режимами нейтрали для разработки рекомендаций по режимам работы нейтрали и реализации средств защиты сетей от замыканий на землю.

1 Анализ структуры построения схемы электроснабжения и расчет аварийных емкостных токов для распределительных сетей ЗЖРК

1.1 Электроснабжение потребителей ЗЖРК

На первой ступени распределения энергии в схеме электроснабжения ЗЖРК применяется напряжение 154 кВ. Преобразование энергии и питание электроприемников осуществляется при помощи главной понизительной подстанции (ГПП). ГПП сооружена непосредственно на территории предприятия с трехобмоточными трансформаторами мощностью 63 МВА и выполнена по упрощенной схеме на стороне высшего напряжения (с отделителями и короткозамыкателями). На стороне 6 кВ осуществляется питание ЗРУ КРМ поверхностных и подземных потребителей и РУ БПМ. На стороне 35 кВ подключены 4 подстанции 35/6 кВ (ЮВС, СВС, ДВС, ЗК). Для РУ напряжением 35 кВ таких подстанций при числе присоединений до двенадцати включительно применяют одиночную секционированную систему шин (ЗК). При большем числе присоединений используется схема с двумя системами сборных шин (ЮВС, СВС, ДВС). В ЗРУ КРМ выполнено разделение поверхностных и подземных потребителей.

К поверхностным подстанциям относятся: ДСФ, ТП-6, 7, 8, 9. К подземным подстанциям в порядке расположения по горизонтам относятся:

гор. 340 - ЦРП 3;

гор. 400 - ЦРП 2;

гор. 480 - ЦРП 1; ЦПП-ЦГС;

гор. 640 - ПДК, ЦПП-ЦСС, ЦРП, УПП «Ю», УПП «С»;

гор. 740 - ЦРП-ЦГС, ЦРП, УПП 13;

гор. 840 - ЦПП, ЦРП, УПП 12;

гор. 940 - ЦПП - ЦГС.

К подстанциям 35/6 кВ принадлежат следующие РП 6 кВ:

ЮВС - насосная ГТС, ЦПП - ЮВС и ЦПП - ЦГС (гор. 400 м);

СВС - ЦПП - СВС (гор. 400 м);

ЗК - СВС 2.

Для Запорожского ЖРК характерна следующая схема электроснабжения подземных потребителей. Питание от ГПП шахты через ствол осуществляется прокладкой кабелей 6 кВ к центральной подземной подстанции (ЦПП). К каждой ЦПП проложено не менее двух кабелей. Сечение кабеля выбрано таким образом, что при выходе из строя одного из них, оставшиеся в работе кабели обеспечили электроэнергией подземные электроприемники. При этом в случае применения КРУВ сечение кабеля не должно превышать 240 мм2. Для повышения надежности электроснабжения в ЦПП применяют секционированную систему шин с устройствами АВР. Секционные выключатели в нормальном режиме выключены. От ЦПП по кабельным линиям электроэнергия передается к стационарным участковым понизительным подстанциям (УПП). Согласно требованиям правил безопасности при разработке двух и более горизонтов на каждом горизонте сооружается ЦПП. Питание каждой ЦПП осуществляется либо по раздельной схеме непосредственно от шин 6 кВ ГПП, либо при небольшой нагрузке от шин ГПП и ЦПП вышележащего горизонта. Часть подземных распределительных подстанции имеют резервные вводы для обеспечения бесперебойности питания потребителей в аварийном режиме. ЦПП установлено вблизи ствола и собрано из комплектных распределительных устройств (типа КРУВ и КРУРН). Комплектные распределительные устройства типа КРУВ - 6 представлены в модификациях: для отходящих присоединений (КРУВ-6-ОТ, КРУВ-6-ОТ с встроенным трансформатором тока нулевой последовательности); водные (КРУВ-6-В) и секционные (КРУВ-6-С).

Повышение уровня надежности электроснабжения и распределительных сетей, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обеспечение улучшения функциональной надежности устройств защиты от замыканий на землю.

Основная масса повреждений в распределительных сетях связана с нарушением изоляции фаз сети относительно земли, т.е. появлением несимметричных повреждений, которые можно разделить на два основных вида:

1) замыкания одной фазы распределительной сети на землю;

2) двойные замыкания на землю (замыкания на землю в разных точках распределительной сети) - как развитие однофазных замыканий.

По характеру повреждений следует различать металлические (глухие) замыкания на землю, дуговые (через перемежающуюся дугу) и через переходные сопротивления в точках повреждения.

Однофазные замыкания на землю или на корпус появляются вследствие механического повреждения или электрического пробоя изоляции одной из фаз сети относительно земли или корпуса. Такие повреждения в установившемся режиме практически не представляют опасности для работы электроприемников, т.к. симметрия междуфазных напряжений не нарушается, а значения тока замыкания во много раз меньше тока нагрузки. С точки зрения обеспечения электробезопасности такие повреждения представляют значительную опасность за счет появления на корпусах электрооборудования опасных потенциалов (особенно при дуговых замыканиях), кроме того, резко возрастает вероятность появления наиболее опасных двойных замыканий на землю. Исходя из этого ПУЭ и отраслевые ПБ в подземных сетях и в сетях с передвижными электроустановками предусматривают действие защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени. Последнее обстоятельство является весьма негативным фактором с точки зрения обеспечения продольной селективности действия защиты при многоступенчатой схеме электроснабжения, что имеет место в системе электроснабжения ЗЖРК.

Опыт эксплуатации и специальные исследования указывают на существование замыканий фазы на землю через перемежающуюся дугу в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Анализ выполненных по этому вопросу исследований показывает, что в начальной стадии процесса замыкания имеют место пробои по одному или более в каждом полупериоде напряжения поврежденной фазы, причем, число пробоев возрастает с увеличением емкости сети, т.е. с увеличением установившегося тока замыкания. В этой стадии ток дуги обрывается при первом переходе через ноль, поэтому он представляет собой чередующиеся импульсы разных полярностей длительностью порядка 0,05 мс. Интервалы между импульсами и максимальные амплитуды существенно различны, т.е. имеет место нарушение периодичности (пробой изоляции не каждый полупериод) и симметрии по отношению к оси времени. Учитывая, что амплитуды импульсов могут достигать многократных значений по отношению к установившемуся значению, соответственно можно ожидать высокие уровни высших гармонических составляющих / 7, 16/.

Из исследований дуговых замыканий на землю следует, что характерными, а следовательно и отличительными особенностями таких повреждений являются:

- ток поврежденного и неповрежденного присоединений представляет собой высокочастотные импульсы с амплитудой в десятки раз большей амплитуды установившегося тока замыкания;

- в токе замыкания на землю и в токах поврежденного и неповрежденных элементов содержатся высшие гармоники, уровень которых минимум на порядок превышает уровень высших гармоник установившегося металлического замыкания фазы на землю;

- действующее значение тока замыкания из-за больших свободных составляющих переходного процесса в 3-5 раз превышает установившийся ток металлического замыкания, что необходимо учитывать при выборе уставок релейной защиты.

Возникновение замыкания на землю сопровождается перенапряжениями, охватывающими все элементы распределительной сети, которые, как следствие, приводят к многоместным замыканиям за счет пробоя ослабленной изоляции. При однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы, появляются токи замыкания на землю, изменяются напряжения фаз относительно земли. Для предупреждения отрицательных последствий от подобных нарушений нормальной работы системы необходимо принимать соответствующие защитные меры. При этом в первую очередь необходимо учитывать повышение напряжения относительно земли, которое может существенно влиять на уровень безопасности и вызвать развитие аварии с боле тяжелыми последствиями. Такие повреждения являются наиболее опасными как для обслуживающего персонала, так и для электрооборудования и следует стремиться к снижению вероятности их появления.

1.2 Режимы нейтрали распределительных сетей

Действующие нормативные документы предписывают изолированный режим работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ /12, 14/. При этом понимают, что нейтраль полностью изолирована от земли или соединена с землей через большое индуктивное (компенсированная нейтраль) или активное (сеть с резистором в нейтрали) сопротивление. Основным преимуществом сетей с изолированной нейтралью является то, что в таких сетях однофазные замыкания на землю не связаны с нарушением нормальной работы электроприемников.

К недостаткам сетей с изолированной нейтралью можно отнести нестабильность напряжения нейтрали, благоприятные условия для возникновения дуговых замыканий, феррорезонансных явлений, повышенные напряжения прикосновения и шага при дуговых замыканиях на землю, повышенные кратности внутренних перенапряжений и др /15, 18/. Отмеченные явления приводят к появлению многоместных замыканий на землю и к снижению уровня надежности и электробезопасности.

Применение дугогасящих реакторов обусловлено тем обстоятельством, что в системе с изолированной нейтралью при дуговом замыкании на землю одной из фаз переход от нормального режима работы к режиму с заземленной фазой совершается путем затухания колебаний с частотой, зависящей от значений индуктивности и емкости системы. Прохождение тока дуги через нулевое значение может приводить к обрыву дуги с последующим ее зажиганием при повышенном напряжении. Этот процесс сопровождается возникновением на неповрежденных фазах перенапряжений. Опасность для изоляции этих перенапряжений усугубляется тем, что они могут быть длительными и охватывать всю электрически связанную сеть. В результате в местах с ослабленной изоляцией могут возникать новые замыкания на землю, которые, в свою очередь, будут способствовать дальнейшему развитию аварии. При заземлении нейтрали через дугогасящий реактор (настроенную индуктивность) перенапряжения дуговых замыканий меньше и, что особенно важно для изоляции, длятся сравнительно небольшой промежуток времени (обычно не более полупериода). Однако это преимущество минимизируется при расстройке режима компенсации от резонансного значения более чем на 5 %, а при расстройке на 20% и более преимущества компенсированных сетей в части ограничения перенапряжений практически исключаются. Также недостатком системы заземления нейтрали через дугогасящий реактор является сложность обеспечения резонансной настройки и нарушение работоспособности средств защиты от замыканий на землю реагирующих на параметры установившегося аварийного режима. Поэтому при токах меньше рекомендуемых ПУЭ применение данного вида заземления экономически не целесообразно.

В настоящие время для сетей с небольшими токами замыкания на землю все большую популярность приобретает метод заземления нейтрали через высокоомный резистор (сеть с резистором в нейтрали).

Достоинством данного способа является простота осуществления, дешевизна и возможность надежного отключения (контроля) поврежденного присоединения простыми средствами релейной защиты. При этом однофазное замыкание, как правило, не переходит в более опасное двойное или двухфазное замыкание на землю.

1.3 Расчет значений емкостных токов однофазного замыкания на землю для системы электроснабжения ЗЖРК

Для достижения ранее поставленной цели и решения сформулированных задач по оптимизации режима работы нейтрали распределительных сетей ЗЖРК, и разработки рекомендаций по выбору параметров защит от однофазных замыканий на землю, в первую очередь необходимо знать значения токов однофазного замыкания на землю в каждой системе гальванически связанных электрических сетей и значения собственных емкостных токов присоединений. В общем случае в сети с полностью изолированной нейтралью ток однофазного замыкания на землю состоит из двух составляющих - емкостной и активной. Последняя в кабельных электрических сетях напряжением 6 кВ составляет не более 2% от емкостной. В связи с этим для рассматриваемых сетей будем считать ток замыкания на землю чисто емкостным.

Значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для установившегося режима замыкания могут быть рассчитаны с достаточной точностью по удельным емкостям фаз относительно земли основного электрооборудования и ЛЭП. В общем случае расчетная формула имеет вид :

где UФ - фазное напряжение сети, кВ; СBi, CKi - емкости на фазу по отношению к земле токоведущих жил (мкф/км) соответственно 1 км воздушной и кабельной линии определенного сечения; lBi, lKi - суммарные длины воздушной и кабельной линий заданного сечения, км; Cдi, CTPi - емкости на фазу соответственно электродвигателей и силовых трансформаторов по отношению к корпусу оборудования, мкф; Nдi, NTPi - соответственно число электродвигателей и трансформаторов заданной мощности, подключенных к сети.

Для анализа состояния распределительной сети ЗЖРК и работоспособности устройств защиты (сигнализации) от однофазных замыканий на землю собран фактический материал о длине, типе и сечении кабелей и шин, соединяющих РУ с потребителями, а также ГПП с РУ и с потребителями, подключенными непосредственно к ним. При сборе информации учитывалась суммарная длина кабеля между двумя точками (независимо от физического расстояния между этими объектами). По справочным данным для конкретного типа кабеля устанавливалась удельная емкость на фазу, мкФ/м и с учетом длины кабеля рассчитывался емкостной ток по секциям по формуле (1.1) для конкретного РУ (приложение А) и суммарные значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для ГПП и п/ст 35/6 кВ (табл. 1.1-1.6). При расчете этих токов принимался во внимание обычный режим работы ГПП, т.е. не учитывался режим работы при аварии на каком-либо РУ, когда все его потребители подключаются к другой секции ГПП.

В результате обработки собранных реальных физических параметров сетей, емкостные токи однофазного замыкания на землю по ГПП и поверхностным подстанциям 35/6 к

В имеют следующие значения:

ГПП:

- напряжение 6 кВ

секция1 - 43,72 А;

секция 2 - 39,3 А.

- напряжение 35 кВ

секция1 - 0,63 А;

секция 2 - 0,79 А.

Таблица 1.1 - Расчет емкостных токов по ГПП 6кВ секция 1, 2

	секция 1
Название РП	Емкостной ток, А
ЦПП ЦГС 940 м	3,21
УПП 12 "юг"	0,00
ЦРП 840 м	1,09
ЦПП 840 м	5,31
УПП 13 740 м	0,17
ЦРП 740 м	2,03
ЦРП ЦГС 740 м	5,77
УПП "С" 640 м	0,01
УПП "Ю" 640 м	0,01
ЦРП 640 м	2,04
ЦПП ЦСС 640 м	5,66
ПДК 640 м	7,76
ПУ ЦСС 400 м	0,46
ЦРП 3 400 м	0,43
ЦРП 2 400 м	4,81
ЦРП 1 480 м	6,49
ЦПП ЦГС 480 м	10,96
КРМ подз потр	39,45
КРМ поверх потр	3,71
ТП 7-8	0,50
ТП 6	0,34
ДСФ	1,14
БПМ	0,52
ГПП	43,72
	секция 2
Название РП	Емкостной ток, А
ЦПП ЦГС 940 м	3,33
УПП 12 "юг"	0,01
ЦРП 840 м	1,66
ЦПП 840 м	0,91
УПП 13 740 м	0,04
ЦРП 740 м	2,14
ЦРП ЦГС 740 м	2,46
УПП "С" 640 м	0,21
УПП "Ю" 640 м	0,08
ЦРП 640 м	1,00
ЦПП ЦСС 640 м	5,17
ПДК 640 м	4,71
ПУ ЦСС 400 м	0,12
ЦРП 3 400 м	0,43
ЦРП 2 400 м	4,01
ЦРП 1 480 м	5,68
ЦПП ЦГС 480 м	10,30
КРМ подз потр	34,25
КРМ поверх потр	4,54
ТП 9	0,00
ТП 6	0,20
ДСФ	1,25
БПМ	0,52
ГПП	39,30

п/ст ЮВС

секция1 - 4,73 А; секция 2 - 4,15 А.

п/ст СВС

секция1 - 2,34 А; секция 2 - 1,35 А.

п/ст ДВС

секция1 - 0,15 А; секция 2 - 0,15 А.

п/ст ЗК

секция1 - 0,4 А; секция 2 - 0,29 А.

Таблица 1.2 - Расчет емкостных токов по ГПП 35кВ, секция 1, 2

	секция 1		секция 2
Название РП	Емкостной ток, А	Название РП	Емкостной ток, А
ГПП	0,63	ГПП	0,79

Таблица 1.3 - Расчет емкостных токов по ЮВС 6кВ, секция 1, 2

	секция 1		секция 2
Название РП	Емкостной ток, А	Название РП	Емкостной ток, А
ЦПП-ЮВС	2,40	ЦПП-ЮВС	2,02
Насосная ГТС	0,09	Насосная ГТС	0,11
ЮВС	4,73	ЮВС	4,15

Таблица 1.4 - Расчет емкостных токов по СВС 6кВ, секция 1, 2

	секция 1		секция 2
Название РП	Емкостной ток, А	Название РП	Емкостной ток, А
ЦПП СВС 400 м	1,10	ЦПП СВС 400 м	0,15
СВС	2,34	СВС	1,35

Таблица 1.5 - Расчет емкостных токов по ДВС 6кВ, секция 1, 2

	секция 1		секция 2
Название РП	Емкостной ток, А	Название РП	Емкостной ток, А
ДВС	0,15	ДВС	0,15

Таблица 1.6 - Расчет емкостных токов по ЗК 6кВ, секция 1, 2

	секция 1		секция 2
Название РП	Емкостной ток, А	Название РП	Емкостной ток, А
СВС 2	0,00	СВС 2	0,04
ЗК	0,4	ЗК	0,29

2. Исследование влияния параметров изоляции и режима нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ на кратность внутренних перенапряжений и электробезопасность

2.1 Исследование влияния режима нейтрали сети на внутренние перенапряжения в системах электроснабжения

В общем случае оценка эффективности и выбор режима работы нейтрали распределительных и питающих сетей осуществляется на основе технико-экономического сравнения вариантов. При этом определяющими критериями оценки режимов нейтрали следует считать: надежность электроснабжения; электробезопасность; обеспеченность защитой от однофазных замыканий на землю и качество ее работы; экономичность системы. Одним из наиболее важных критериев оценки систем электроснабжения в целом, и режима нейтрали в частности, следует считать надежность. Исследуем по этому критерию системы электроснабжения с различными режимами работы нейтрали электрических сетей.

2.1.1 Сети с полностью изолированной нейтралью

Распределительные сети напряжением выше 1000 В с полностью изолированной нейтралью получили преимущественное распространение в большинстве стран. Однако такой режим нейтрали сети не всегда является оптимальным с точки зрения указанных ранее критериев.

При прочих равных условиях надежность электроснабжения электроприемников или надежность распределительных сетей в основном определяется повреждаемостью элементов сети и качеством работы устройств релейной защиты. Степень влияния указанных факторов на надежность работы распределительных сетей зависит от режима нейтрали, который в свою очередь определяет уровень внутренних перенапряжений и характер переходных процессов при однофазных замыканиях на землю. Уровень перенапряжений оказывает определяющее влияние на повреждаемость электрических сетей и их элементов, а характер переходных процессов - на качество работы устройств защиты от замыканий на землю.

Наибольший уровень напряжения между неповрежденными фазами и землей на основании теории Петерса и Слепяна определяется выражением

где - суммарная междуфазная емкость электрически связанной сети; (1 - a) - коэффициент, учитывающий уменьшение удержанных зарядов за счет активной проводимости и в сетях с изолированной нейтралью может принимать значения от 0,85 до 0,95; (1 - d) -коэффициент, учитывающий затухание амплитуды собственных колебаний и связан с потерями в колебательной цепи при замыкании на землю и в общем случае определяется формулой

,

где - переходное сопротивление в точке замыкания, - частота свободных колебаний переходного процесса.

С учетом возможных изменений понижающих коэффициентов, для реальных параметров распределительных сетей максимальное значение напряжения между здоровыми фазами и землей находится на уровне 4,5 фазного напряжения. Для этих же сетей теоретический максимум напряжения смещения нейтрали составляет трехкратное фазное напряжение.

Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью сопровождаются переходными процессами, возникающими в момент появления замыкания и в момент отключения поврежденного участка (процесс восстановления напряжения в сети). Отмеченные переходные процессы обеспечивают значительную часть ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной нейтралью.

Системы электроснабжения с полностью изолированной нейтралью по сравнению с сетями с другими режимами нейтрали не требуют дополнительных капитальных затрат. Однако эксплуатационные расходы в сетях с полностью изолированной нейтралью за счет большей повреждаемости, а также за счет ущерба от перерывов электроснабжения значительно больше, чем в сетях, работающих с другими режимами нейтрали. Следует также отметить, что можно в некоторой степени снизить эксплуатационные расходы и ущерб от перерывов за счет применения оборудования и электрических сетей с более высоким уровнем изоляции, что, естественно, требует дополнительных капитальных вложений.

2.1.2 Сети с компенсированной нейтралью

Компенсация емкостного тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях применяется при превышении значения емкостного тока однофазного замыкания на землю в установившемся режиме сверх допустимого нормативными документами.

Компенсация емкостных токов замыкания на землю осуществляется включением в нейтраль сети индуктивности, посредством которой при замыкании на землю создается индуктивная составляющая тока однофазного замыкания на землю, имеющая в точке замыкания направление, противоположное емкостной составляющей тока замыкания. Эффективность компенсации емкостных токов и эффективность работы электрических сетей с компенсированной нейтралью в значительной степени зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Большинство исследователей при этом отдают предпочтение резонансной настройке индуктивности компенсирующего устройства с емкостью сети относительно земли, то есть

или

где и - соответственно индуктивное сопротивление компенсирующего устройства и емкостное сопротивление всей электрически связанной сети относительно земли; - индуктивность компенсирующего устройства; C - емкость одной фазы всей электрически связанной сети относительно земли.

Условие (2.2) в установившемся режиме однофазного замыкания на землю обеспечивает равенство по величине емкостной и индуктивной составляющих токов замыкания на землю и, учитывая их направление, остаточный ток замыкания становится равным активной составляющей тока замыкания (без учета гармонических составляющих тока замыкания). В случае несоблюдения условия (2.2) остаточный ток определяется как геометрическая сумма активной и реактивной составляющих. Реактивная составляющая в свою очередь зависит от степени расстройки (отклонения от резонансной настройки) компенсации:

где - коэффициент (степень) настройки компенсирующего устройства.

Кроме резонансного с емкостью сети режима настройки компенсирующего устройства, различают также режим недокомпенсации (остаточный реактивный ток замыкания на землю носит емкостной характер) и перекомпенсации (остаточный реактивный ток замыкания на землю носит индуктивный характер).

Если оценивать надежность электроснабжения электроприемников повреждаемостью элементов сети и качеством работы релейной защиты, то необходимо отметить, что в основном применение компенсированных сетей, где требуется действие защиты на отключение, сдерживается вторым условием. Что касается повреждаемости элементов распределительных сетей, то необходимо отметить непосредственную связь этого показателя с режимом настройки компенсирующего устройства, так как именно настройкой компенсирующего устройства определяется уровень перенапряжений в сети при однофазных замыканиях на землю.

На рис. 2.1 показаны кривые зависимости максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации /11/. Значение коэффициента, , учитывающего снижающие перенапряжения факторы, в общем случае зависит от частоты колебаний свободных составляющих тока замыкания, длин линий распределительной сети, расположения места повреждения относительно источника, сопротивления в цепи замыкания и с достаточной для практического применения точностью может быть определено по выражению:

где - мгновенное значение напряжения на поврежденной фазе, установившееся непосредственно после замыкания на землю;

- значение напряжения на неповрежденной фазе в момент замыкания.

Для реальных параметров распределительных сетей указанный коэффициент находится на уровне 0,8...О,9.

Из рис. 2.1 видно, что при резонансной настройке компенсирующего устройства, а также при его расстройке в пределах 5%, даже теоретически перенапряжения на неповрежденных фазах не могут превысить 2,75 ,. Снижение уровня перенапряжений обусловлено созданием удобного пути для стоков статических зарядов по фазам за счет включения в нейтраль сети дугогасящего реактора. Увеличение степени расстройки компенсации от 5 до 30...40% приводит к быстрому нарастанию уровня перенапряжений. Необходимо отметить, что при расстройке компенсирующего устройства на 20% от резонансной, эффективность компенсирующих устройств в части ограничения перенапряжений при замыканиях на землю практически не ощущается по сравнению с сетями с полностью изолированной нейтралью.

Перенапряжение в нейтрали сети, примерно в 1,5...2 раза меньше кратности перенапряжений на неповрежденных фазах, что также способствует снижению повреждаемости элементов системы электроснабжения.

замыкание изоляция режим схема



Рисунок 2.1 - Зависимости максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации в режиме: 1 - перекомпенсации; 2 - недокомпенсации

Одним из факторов, оказывающих влияние на выбор режима настройки дугогасящих реакторов является возможность нарушения нормальной работы сети за счет резонансных явлений в компенсированных сетях. В реальных распределительных сетях наблюдается постоянная или временная несимметрия изоляции фаз сети относительно земли. Учитывая, что в кабельных сетях емкостное сопротивление изоляции значительно меньше активного, можно считать, что несимметрия создается емкостью фаз сети. В результате, при нормальной работе сети напряжение нейтрали системы относительно земли отличается от нуля (напряжение не симметрии).

Максимальное напряжение смещения нейтрали в компенсированных сетях в соответствии с /7/ в режиме резонансной настройки от емкостной несимметрии может быть определено из соотношения суммарного емкостного тока замыкания на землю и активной составляющей остаточного тока :

Из выражения (2.5) следует, что для уменьшения напряжения смещения нейтрали следует принимать меры, приводящие к уменьшению напряжения несимметрии или увеличению остаточного активного тока замыкания.

На рис. 2.2 показаны кривые изменения напряжения смещения нейтрали от степени расстройки компенсирующего устройства плунжерного типа (кривая I) и дугогасящего реактора с подмагничиванием (кривая 2). Максимальное значение напряжения смещения следует учитывать при выборе напряжения срабатывания первой и второй ступени защиты сигнализации от замыкания на землю.

С экономической точки зрения распределительные сети с компенсацией емкостного тока замыкания на землю требуют дополнительных капитальных затрат на дугогасящие реакторы и устройства для их подключения. Что касается эксплуатационных расходов, то они значительно меньше, чем в сетях с полностью изолированной нейтралью за счет меньшей повреждаемости элементов системы. При резонансной настройке компенсирующего устройства и при незначительных расстройках компенсации в электрических сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30% /11, 17/.

Необходимо напомнить, что эффективность компенсации емкостных токов замыкания на землю наблюдается при резонансном и близких к нему режимах настройки компенсирующих устройств. Учитывая возможное изменение параметров распределительных сетей (оперативные и аварийные переключения, наращивание ЛЭП и т.п.), необходимо ориентироваться на применение устройств автоматической настройки дугогасящих реакторов.

Рисунок 2.2 - Зависимость напряжения смещения нейтрали от степени расстройки дугогасящего реактора 1) плунжерного типа, 2) с подмагничиванием

2.1.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Основной причиной ложных срабатываний защит (сигнализаций) от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью следует считать возникновение в сети после отключения поврежденного присоединения (или после самоликвидации повреждения) колебательного процесса с частотой близкой к частоте 50 Гц.

Естественно, что для устранения ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю, вызванных указанными колебаниями, необходимо исключить или резко сократить длительность переходных процессов. Одним из эффективных методов устранения колебания является уменьшение добротности колебательного контура, что достигается уменьшением значения активного сопротивления изоляции сети относительно земли, которое включено параллельно реактивным сопротивлением изоляции. В результате появляется активная составляющая тока, которая накладывается на электрическую сеть и увеличивает активную составляющую тока однофазного замыкания на землю. Эффективность метода подавления переходного процесса существенно проявляется при значении создаваемого активного тока замыкания на землю на уровне не менее 40 % от емкостного, то есть

Электрические сети с резистором в нейтрали, обладают, по сравнению с сетями с полностью изолированной или компенсированной нейтралью, более высокой надежностью за счет улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю, исключения феррорезонансных процессов и уменьшения повреждаемости элементов системы электроснабжения. Последнее обусловлено значительным снижением внутренних перенапряжений, сопровождающих однофазные замыкания на землю.

Величина перенапряжений в трехфазной сети с активным сопротивлением в нейтрали определяется выражением /2, 5, 9/

где - фаза напряжения поврежденной фазы в момент зажигания, рад.;

- фаза напряжения поврежденной фазы в момент гашения дуги, при которой напряжение смещения достигает максимума.

На рис. 2.3 показана зависимость максимальной кратности внутренних перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от соотношения активной и емкостной составляющих тока однофазного замыкания на землю, полученная с учетом самых неблагоприятных условий по выражению (2.7).

Рисунок 2.3 - Зависимость максимальной кратности перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от отношения активной и емкостной составляющих тока замыкания

По мере роста активной составляющей тока замыкания по отношению к емкостной составляющей, кратность перенапряжений уменьшается до значения 2,4, при равенстве активного и емкостного тока замыкания. Из рисунка видно, что дальнейшее увеличение активной составляющей практически не приводит к существенному уменьшению кратности перенапряжений.

Сравнительно ощутимые дополнительные капитальные затраты на выполнение сетей с резистором в нейтрали по сравнению с полностью изолированной нейтралью сети будут при токах замыкания на землю более 5...10 А. В этом случае требуется включение в нейтраль сети высоковольтного резистора и устройств для его подключения, в состав которых кроме коммутационных аппаратов могут входить специальные трансформаторы, необходимые для подключения резисторов. В сетях с током замыкания на землю до 5 А дополнительные капитальные затраты уменьшаются практически до нуля, так как в этом случае представляется возможным обойтись имеющимися в сети измерительными трансформаторами НТМИ и низковольтными резисторами.

За счет снижения повреждаемости элементов сети и улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю значительно уменьшается и эксплуатационные расходы.

2.2 Аварийные токи при однофазных замыканиях на землю в установившемся режиме

Для оценки характера процессов в сетях с различными режимами нейтрали и влияния их на условия электробезопасности и работоспособность применяемых и создаваемых средств защиты от замыканий на землю, необходимо изучить характер изменения амплитудных и фазовых значений напряжения и токов нулевой последовательности в установившемся и переходном режимах однофазного замыкания.

Наиболее распространенным и доступным методом исследования аварийных режимов в системах электроснабжения является метод математического моделирования, основанный на формализации изучаемых процессов и построения частных математических моделей. Использование для этой цели активного эксперимента в условиях действующей системы электроснабжения сопряжена с организационными трудностями и, кроме того, связано с созданием условий повышенной опасности поражения электрическим током и с созданием опасных для оборудования аварийных режимов. В общем случае математическую модель как совокупность математических выражений, связывающих параметры объекта с характеристиками изучаемого процесса, получают в результате формализации изучаемого процесса и построения его формализованной схемы с требуемой степенью приближения к действительности /9, 11/.

В симметричной трехфазной системе линейные (междуфазные) напряжения представляют равносторонний треугольник. При отсутствии нагрузки векторы фазных напряжений , ,,при строгом равенстве проводимостей изоляции фаз сети относительно земли образуют симметричную трехлучевую звезду фазных напряжений, а нейтраль сети имеет потенциал, равный потенциалу земли. При нарушении равенства проводимостей изоляции фаз сети относительно земли точка нулевого потенциала системы сместится, и нейтраль системы получит потенциал относительно земли, а симметрия фазных напряжений относительно земли нарушится.

На основании общепринятых допущений схема замещения распределительной сети для исследования аварийных токов будет иметь вид представленной на рис. 2.4. Полученная схема учитывает в своей структуре лишь те элементы и связи, которые оказывают ощутимое влияние на исследуемые аварийные токи при замыканиях одной фазы на землю. На рисунке приняты следующие обозначения: - проводимость нейтральной точки сети относительно земли; - проводимости соответственно фаз А, В и С относительно земли; y - проводимость переходного сопротивления в точке замыкания; - напряжение смещения нейтрали сети или напряжение нулевой последовательности; - фазные напряжения питающего трансформатора (напряжения фаз сети относительно нейтрали системы); - ток через проводимость нейтральной точки сети относительно земли; - токи через проводимости относительно земли соответствующих фаз; - ток однофазного замыкания на землю.

Рисунок 2.4 - Схема замещения распределительной сети

2.2.1 Сеть с полностью изолированной нейтралью С учетом того, что

и принимая во внимание, что система является симметричной, для которой справедливо соотношение

,

после соответствующих подстановок и преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с полностью изолированной нейтралью

где и , - напряжения фаз сети относительно земли R и C - соответственные активное сопротивление изоляции и емкость всей электрически связанной сети относительно земли; r - переходное сопротивление в точке замыкания фазы на землю.

Действующее значение тока однофазного замыкания на землю, учитывающее все составляющие изоляции относительно земли сети с полностью изолированной нейтралью:

В реальных сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения шахт активная составляющая сопротивления изоляции относительно земли более чем на порядок превышает емкостную составляющую и, естественно, оказывает незначительное влияние на значение тока замыкания на землю. Можно, без учета названного сопротивления, получить упрощенную формулу для тока замыкания

2.2.2 Сеть с компенсированной нейтралью

Приняв на схеме замещения, представленной на рис. 2.4 проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости компенсирующего устройства , и считая выключатель Q, находящимся во включенном положении, проведя необходимые преобразования получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью:

где - проводимость компенсирующего устройства.

Для случая полной компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю, т.е. резонансной настройки дугогасящего реактора с емкостью сети относительно земли ( или ), ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме будет

Из выражения (2.12) видно, что в резонансном режиме настройки дугогасящего реактора ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме является чисто активным и определяется практически только активными сопротивлениями изоляции сети относительно земли и компенсирующего устройства. Если пренебречь активными потерями в сердечнике компенсирующего устройства (), получим

Общее выражения для тока однофазного замыкания на землю электрической сети с компенсированной нейтралью (2.12) можно записать по другому

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих:

1) - ток обусловленный проводимостью изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;

2) - ток обусловленный проводимостью компенсирующего устройства.

2.2.3 Сеть с резистором в нейтрали

Приняв на схеме замещения проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости резистора включенного в нейтраль , после преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю для сети с резистором в нейтрали:

 (2.14)

или

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих:

1) - ток, обусловленный проводимостью изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;

2) - ток, обусловленный проводимостью включенного в нейтраль резистора.

Действующее значение второй составляющей, или ток, протекающий через включенного в нейтрали резистора при однофазном замыкании на землю, выраженный через параметры сети и резистора будет равен

Без учета активного сопротивления изоляции сети относительно земли, которое более чем на порядок превышает емкостное, получим упрощенное выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали

Максимальное значение тока, или ток металлического (r = 0) однофазного замыкания на землю для тех же условий будет равен

2.3 Токи замыкания на землю в переходном режиме

Переходный процесс характеризует изменение электрических величин соответствующих переходу системы из одного устойчивого состояния в другое и применительно к системам электроснабжения представляет собой результат наложения изменений электрических величин, представляющих собой переходные аварийные составляющие, на электрические величины нормального режима. Для оценки действия устройств защиты от замыканий (утечек) на землю важно иметь представление о переходных процессах как в начале аварийного режима, так после его завершения, то есть, после отключения или самоликвидации замыкания на землю /9/.

2.3.1 Переходный процесс в начальной стадии аварийного режима

В сетях с изолированной нейтралью повреждение изоляции относительно земли одной из фаз приводит к полному перераспределению напряжений фазных проводов во всей системе и источником изменения является место повреждения. Переходный процесс характеризуется в этом случае стеканием заряда с проводников поврежденной фазы и разряда их до потенциала земли, и переносом дополнительного заряда неповрежденным фазам для сообщения им нового потенциала относительно земли. В соответствии с упрощенной схемой замещения сети, представленной на рис. 2.4, запишем выражения для максимальных значений трех составляющих тока металлического замыкания на землю, создающих ток замыкания в переходном режиме.

1. Установившаяся составляющая переходного тока:

2. Переходная составляющая, зависящая от момента замыкания фазы на землю и обусловленная скачкообразным изменением потенциала нейтрали при возникновении замыкания на землю при напряжении поврежденной фазы отличной от нуля:

3. Переходная составляющая, обусловленная изменением напряжений неповрежденных фаз:

где - междуфазная емкость всей электрически связанной сети; - начало отсчета времени, соответствующее моменту положительного максимума напряжения поврежденной фазы; - угловая частота свободных колебаний системы в режиме однофазного замыкания на землю.



Рисунок 2.5 - Схема замещения распределительной сети для исследования переходных процессов, возникающих при замыкании фазы на землю

Из выражения (2.19) - (2.21) видно, что амплитудное значение переходной составляющей по сравнению со значением установившейся составляющей тока замыкания IЗ , определяется в основном относительными значениями фазной и междуфазной емкостей сети. Максимальное значение переходной составляющей по сравнению с установившимся током замыкания зависит, кроме соотношения фазной и междуфазной емкости, от отношения частоты свободных колебаний и принудительных колебаний (промышленной частоты). Учитывая, что

и для реальных параметров распределительных сетей в 2,5...22 раза превышает промышленную, максимальное значение переходной составляющей может превышать значение установившегося тока замыкания, примерно, от 1,4 до 14 раз.

В сети с изолированной нейтралью переходный ток при возникновении замыкания на землю с учетом переходного сопротивления в точке замыкания и без учета индуктивного сопротивления фаз сети определится выражением (рис. 2.4, принимаются равными бесконечности):

где - переходное сопротивление в точке повреждения; - начальная фаза напряжения поврежденной фазы; ; - фазовая характеристика общего сопротивления цепи, которая равна

Максимальная амплитуда свободной составляющей переходного тока будет иметь место при условии и определится как

Совместный анализ выражений (2.22) и (2.23), после преобразований, позволяет получить выражение для свободной составляющей переходного тока через максимальное значение установившегося тока замыканий на землю.



и сделать вывод, что кратность броска свободной составляющей тока замыкания определяется отношением полного сопротивления изоляции всей сети относительно земли

и переходного сопротивления в точке замыкания на землю .

Свободная составляющая переходного тока равна нулю при выполнении условия . В этом случае переходный процесс отсутствует, а ток в цепи становится равным принужденной составляющей (установившемуся значению).

Анализа полученных выражений показывает, что кратность переходного тока при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью зависит от момента замыкания (от действующего значения фазного напряжения), в некоторой степени от параметров изоляции сети относительно земли и от значения переходного сопротивления в точке замыкания. С ростом последнего, амплитуда переходного тока резко уменьшается. Параметры изоляции сети относительно земли и переходного сопротивления в месте повреждения оказывают влияние также на длительность переходного процесса. При значении переходного сопротивления в точке замыкания на землю на уровне 100200 Ом переходный процесс в сети с изолированной нейтралью из периодического затухавшего переходит в апериодический.

При металлических замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью можно считать, что для реальных параметров сети переходный процесс практически заканчивается за 10...15 мс.

В сетях с компенсированной нейтралью в зависимости от соотношения параметров распределительной сети (включая и параметры компенсирующего устройства) переходный процесс может носить колебательный или апериодический характер. Колебательный переходный процесс возникает при выполнении условия

,

апериодический переходный процесс наступает при

,

где - суммарное активное сопротивление всей сети относительно земли в аварийном режиме, с учетом переходного сопротивления определяется выражением

Наибольшее значение свободная составляющая переходного тока при замыкании на землю одной из фаз сети будет иметь в начальный момент при начальной фазе напряжения . В этом случае

где , .

Из этого выражения видно, что максимум свободной составляющей переходного тока в сети с компенсированной нейтралью так же, как и в сети с изолированной нейтралью может превышать амплитуду установившегося тока в числе раз, определяемое отношением модуля полного сопротивления изоляции сети относительно земли к переходному сопротивлению в точке замыкания.

Наибольшее значение переходного тока будет иметь место при максимальных значениях принужденной и свободной составляющих и при совпадении их по фазе. В момент времени t = 0 это выполнимо при = 0, В этом случае переходный ток

.

Длительность переходного процесса в компенсированных сетях составляет несколько периодов промышленной частоты.

В сети с резистором в нейтрали переходный процесс по характеру практически не отличается от переходного процесса в сети с изолированной нейтралью. Однако включение резистора в нейтраль сети , значение которого выбирается по условию

приводит к резному уменьшению активного сопротивления изоляции сети относительно земли и соответственно к увеличению коэффициента затухания переходного процесса, чем достигается резное сокращение длительности переходного процесса

Для примера на рис. 2.6 приведена осциллограмма изменения тока нулевой последовательности в поврежденном присоединении , напряжения нулевой последовательности и напряжения неповрежденной фазы при непродолжительном однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью. На рис. весьма четко прослеживается переходный процесс в сети и влияние его на напряжения неповрежденных фаз. На рис. 2.7 показана осциллограмма протекания тока замыкания при замыкании фазы на землю через перемежающуюся дугу.

Рисунок 2.6 - Осциллограммы переходного процесса при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью



Рисунок 2.7 - Ток замыкания на землю при перемежающемся дуговом замыкании на землю

2.3.2 Переходный процесс в сети в послеаварийном режиме

При замыкании на землю система электроснабжения работает в вынужденном режиме и характер повреждения (металлическое замыкание или через переходное сопротивление) определяет значение напряжения смещения нейтрали (в данном случае и напряжение нулевой последовательности), которое может принимать значения от нуля (переходное сопротивление в точке повреждения равно бесконечности) до фазного напряжения (переходное сопротивление равно нулю). Учитывая, что самоустраняющиеся повреждения, а также принудительный разрыв тока замыкания, при его отключении коммутационным аппаратом, происходит при переходе значения тока замыкания на землю через нуль, можно считать, что процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе будет происходить от нулевого значения (для случая металлического замыкания фазы на землю) до фазного за какой-то промежуток времени, продолжительность которого и является одной из важнейших характеристик переходного процесса. Аналогично от фазного значения до нуля будет изменяться значение напряжения нулевой последовательности (напряжение нейтрали). Задачей исследований данного переходного процесса является изучение влияния режимов работы нейтрали на характер протекания и длительность переходного процесса.

Напряжение источника питания поврежденной фазы будет равно и в момент отключения повреждения определится выражением:

где - начальная фаза напряжения поврежденной фазы (момент разрыва тока замыкания).

После отключения поврежденного присоединения выключателем в сети устраняется режим создаваемый фазным напряжением, а индуктивность и емкость сети образуют колебательный контур с начальными значениями токов и напряжения соответствующими аналогичным значениям, предшествующим непосредственно отключению повреждения. Угловая частота начинающихся свободных колебаний будет равна:

где - результирующая индуктивность относительно земли (дугогасящих реакторов или измерительных трансформаторов напряжения).

Учитывая, что в системе имеются активные сопротивления, в которых теряется предварительно запасенная в емкости и индуктивности энергия, колебательный переходный процесс носит затухающий характер. Коэффициент успокоения колебаний в рассматриваемой системе является величиной обратной добротности колебательного контура и определяется параметрами изоляции сети относительно земли