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

 или

где - активное сопротивление в нейтрали системы (дугогасящего реактора или резистора).

Постоянная времени затухания колебаний для схемы соответствующей рис. 1.2 определится выражением:

В общем виде процесс изменения во времени напряжения нулевой последовательности в системе после отключения или самоустранения повреждения может быть описан дифференциальным уравнением

решение которого и анализ результатов, выполненный с учетом реальных параметров распределительных сетей с различными режимами работы нейтрали позволили сделать следующие выводы:

1. В сетях с полностью изолированной нейтралью колебательный процесс определяется наличием в сети измерительных трансформаторов напряжения с заземленной нулевой точкой первичной обмотки. Характер переходного процесса (частота собственных колебаний напряжения и токов нулевой последовательности и продолжительность процесса) определяется в основном суммарной емкостью сети относительно земли и количеством одновременно включенных измерительных трансформаторов напряжения. Для реальных параметров распределительных сетей длительность переходного процесса находится в пределах от 2 до 10 периодов промышленной частоты, а частота свободных колебаний имеет значение, как правило, меньшее промышленной частоты, причем частота свободных колебаний непосредственно в процессе затухания колебаний изменяется за счет нелинейного характера реактивного сопротивления измерительных трансформаторов напряжения (рис. 2.8.а).

Рисунок 2.8 - Осциллограммы затухания напряжения нулевой последовательности после отключения повреждения в сети с изолированной нейтралью (а) и с резистором в нейтрали (б)

2. В сетях с компенсированной нейтралью характер переходного процесса при прочих равных условиях зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Затухание напряжения на нейтрали определяется в основном параметрами изоляции распределительной сети относительно земли и не зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Частота свободных колебаний и постоянная времени их затухания в компенсированных сетях значительно превышают аналогичные характеристики в сетях с полностью изолированной нейтралью.

3. Переходный процесс в сетях с резистором в нейтрали в значительной степени зависит от значения указанного резистора. В случае установки резистора, сопротивление которого выбирается из условия (2.30), за счет резкого увеличения коэффициента успокоения (затухания) переходный процесс практически заканчивается за полпериода промышленной частоты. На рис. 2.8 представлены для сравнения осциллограммы изменения напряжения нулевой последовательности в реальной распределительной сети напряжением 6 кВ после отключения металлического однофазного замыкания на землю в сети без наложения (а) и с наложением на сеть (б) активной составляющей тока замыкания на уровне 0,6 емкостного.

2.4 Исследование влияния режима нейтрали сети на электробезопасность распределительных сетей

В общем случае электробезопасность электрических сетей, если не учитывать физиологические особенности и психологическое состояние человека, оценивается в основном значениями тока, проходящего через человека, напряжения прикосновения и времени воздействия указанных величин.

2.4.1 Сети с полностью изолированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с полностью изолированной нейтралью, если пренебречь продольным сопротивлением линии электропередачи, определится выражением

где - номинальное напряжение электрической сети; -сопротивление тела человека, которое для промышленной частоты считается чисто активным.

Анализ расчетов, выполпенных по выражению (2.36), позволяет утверждать, что для реальных параметров распределительных и питающих сетей прикосновение человека к одной из фаз сети, даже без учета переходного процесса, всегда является смертельно опасным.

Степень опасности распределительных сетей при прикосновении к корпусу электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, характеризуется значением напряжения прикосновения и временем его воздействия. Значение напряжения прикосновения для установившегося процесса замыкания в общем случае определяется значениями тока однофазного замыкания на землю и сопротивления защитного заземления и, без учета шунтирующего действия сопротивления тела человека и активного сопротивления изоляции сети относительно земли, может быть рассчитано по выражению:

где - сопротивление защитного заземления поврежденного электрооборудования, - ток однофазного замыкания на заземленный корпус электроустановки.

При дуговых замыканиях имеет место продолжительный переходный процесс, сопровождающийся бросками емкостного тока, что приводит к увеличению действующего значения напряжения прикосновения

где - коэффициент, учитывающий увеличение тока замыкания в переходном режиме.



Рисунок 2.10 - Зависимость напряжения прикосновения от емкости сети при: 1- металлическом замыкании; 2 - дуговом замыкании

На рис. 2.10 кривыми I и 2 показано изменение величины напряжения прикосновения в сети с изолированной нейтралью, соответственно при глухом (коэффициент = I) и дуговом (коэффициент = 4) замыкании на землю в зависимости от величины емкости сети относительно земли при величине сопротивления защитного заземления 4 Ом.

Если условиями эксплуатации сети предусматривается действие защиты от однофазных замыканий на землю на отключение без выдержки времени, время воздействия на организм человека напряжения прикосновения находится в пределах 0,2 с. (время срабатывания защиты и коммутационного аппарата). Для этого времени воздействия и при величине сопротивления защитного заземления не более 4 Ом напряжение прикосновения в установившемся режиме замыкания не превышает допустимое (кратковременно безопасное) значение во всем возможном диапазоне изменения величины тока однофазного замыкания на землю и физических параметров распределительной сети с изолированной нейтралью.

В тоже время, длительно допустимое напряжение прикосновение (общепринятое значение его составляет 40 В), значительно меньше максимально возможных значений при установившемся режиме замыкания. В случае отсутствия или несрабатывания защиты от замыканий на землю появляется реальная опасность поражения человека напряжением прикосновения при соответствующей емкости сети относительно земли.

Значение напряжения прикосновений возрастает в три-пять раз и становится опасным даже при кратковременном воздействии за счет переходных процессов, возникающих при глухих и перемежающихся замыканиях на землю, которые сопровождаются бросками емкостного тока.

2.4.2 Сети с компенсированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с компенсированной нейтралью в установившемся режиме определяется выражением

Из этого выражения следует, что значение тока через тело человека при непосредственном прикосновении к токоведущим частям одной из фаз сети в значительной степени зависит от степени расстройки компенсации. Ток через человека при резонансной настройке компенсирующего устройства будет:

В сети с компенсированной нейтралью при настройке компенсирующего устройства близкой или равной резонансному режиму, на величину тока через человека в установившемся режиме замыкания может оказать заметное влияние активная составляющая, определяющая потери в сердечнике компенсирующего устройства. С учетом последнего ток через человека определяется выражением:

Без учета переходного процесса при повреждении изоляции относительно земли одной фазы, опасность сетей с компенсированной нейтралью обусловливается в основном степенью расстройки компенсирующего устройства и параметрами электрической сети. При резонансной настройке компенсирующего устройства опасность сети определяется уровнем напряжения и значением активного сопротивления изоляции всей сети относительно земли.

Следует, однако, отметить, что наличие переходного процесса, возникающего в момент касания человеком одной из фаз, преимущества компенсированных сетей в отношении электробезопасности практически сводятся к нулю. В таких сетях в момент замыкания через тело человека пройдет, так называемый, свободный ток компенсирующего устройства, частота которого определяется физическими параметрами электрической сети и дугогасящего устройства, а значение составляет примерно 25% от емкостного тока замыкания /16/.

Значение напряжения прикосновения, так же как и в сетях с изолированной нейтралью зависит от значения тока однофазного замыкания на землю (корпус) и значением сопротивления защитного заземления. Кроме того, в компенсиро-ванных сетях на значение напряжения прикосновения существенное влияние оказывает режим настройки компенсирующего устройства.

В общем случае компенсация емкостного тока замыкания на землю имеет целью уменьшение, кроме тока однофазного замыкания, напряжения прикосновения и шага. Указанные напряжения могут быть уменьшены примерно во столько раз, во сколько раз уменьшен полный ток замыкания на землю. Необходимо отметить, что в переходных режимах, сопровождающих однофазные замыкания на землю, а также при замыканиях через перемежающуюся электрическую дугу, условия электробезопасности значительно ухудшаются. Однако, за счет меньшего значения остаточного тока замыкания и благоприятных условий для гашения электрической дуги, условия электробезопасности даже в переходных режимах намного лучше, чем при тех же условиях в сетях с полностью изолированной нейтралью.

2.4.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с резистором в нейтрали с учетом параметров распределительной сети равен

где - сопротивление, включенное между нейтральной точкой сети и землей.

Для выполнения возложенных на дополнительный активный ток замыкания на землю функций подавления переходного процесса необходимо, чтобы его величина составляла от 50 до 100% емкостного тока замыкания. В этом случае полный ток замыкания на землю, в том числе и через человека, при прочих равных условиях увеличивается максимум в 1,41 раз по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью. Отсюда, при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям сети с резистором в нейтрали, также как и сети с полностью изолированной нейтралью для реальных физических параметров изоляции фаз сети относительно земли являются опасными, даже в случае использования защиты от замыканий на землю действующей на отключение.

Степень опасности сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции в установившемся режиме также несколько возрастает по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью за счет увеличения полного тока замыкания на землю и, соответственно, увеличения напряжения прикосновения.

Значение тока глухого однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали определяется геометрическим сложением двух составляющих: емкостной, и активной, т.е.:

или ,

где ka - коэффициент, учитывающий долю дополнительного активного ток, А замыкания на землю по сравнению с емкостным

.

Однако в переходном режиме замыкания, который в сетях с изолированной нейтралью при определенных параметрах сети представляет опасность для человека, в сетях с резистором в нейтрали опасность прикосновения к корпусам поврежденного оборудования значительно уменьшается за счет резкого сокращения длительности переходного процесса, а также за счет уменьшения амплитуды бросков тока замыкания на землю. При наложении активной составляющей тока однофазного замыкания на землю величиной 50 % от емкостного тока, напряжение прикосновения при дуговых замыканиях уменьшается (например, при емкостном токе замыкания 10 А) в 1,8...2,0 раза по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью.

Напряжение прикосновения при глухих двойных замыканиях на землю значительно превышает безопасные уровни даже при расстоянии между точками замыкания 3 км. Шаговые напряжения и соответствующие им токи представляют опасность для человека даже на удалении 5 м, причем степень опасности возрастает с уменьшением расстояния между точками замыкания на землю двух разных фаз.

Степень опасности двойных замыканий на землю практически не зависит от режима работы нейтрали распределительной сети, но вероятность появления таких повреждений в сетях с изолированной нейтралью небольшая, так как этим сетям соответствуют максимальные (по сравнению с иными режимами нейтрали) кратности внутренних перенапряжений, вызывающих повреждения изоляции в других точках распределительной сети.

Выводы по главе 2

1. Достаточно широко используемый в электрических распределительных сетях систем электроснабжения полностью изолированный режим работы нейтрали в сравнении с другими не является экономичным, не отвечает требованиям электробезопасности и обладает самой низкой надежностью за счет роста повреждаемости элементов системы электроснабжения.

2. Позитивное влияние компенсации емкостных токов замыкания на землю с точки зрения надежности, экономичности и электробезопасности соответствует резонансному режиму настройки компенсирующих устройств, однако, учитывая возможную динамику распределительных сетей, применение их нецелесообразно без достаточно точных средств автоматической настройки индуктивности в резонанс с емкостью сети.

3. Разработаны математические модели для исследования аварийных токов и параметров нулевой последовательности при замыканиях на землю в распределительных сетях с нейтралью заземленной через индуктивность и активное сопротивление и позволяют учитывать переходное сопротивление в месте повреждения и составляющие проводимостей изоляции сети и устройства заземления нейтрали.

4. Появление и ликвидация несимметричных аварийных режимов сопровождаются переходными процессами, параметры которых зависят от режима заземления нейтрали и прямым или косвенным способом влияют на эксплуатационную надежность и электробезопасность систем электроснабжения.

5. Переходные процессы, сопровождающие металлические, дуговые и перемежающиеся замыкания на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью, способствуют снижению надежности электрических сетей за счет появления и негативного проявления значительных внутренних перенапряжений. Значительно меньшие уровни перенапряжений соответствуют сетям с резистором в нейтрали, сопротивление которого должно быть соизмеримо с емкостным сопротивлением изоляции сети относительно земли.

6. По условиям электробезопасности распределительные сети при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям ни один из рассмотренных режимов нейтрали нельзя признать благоприятным. Независимо от режима нейтрали с учетом реальных параметров изоляции распределительных сетей и времени действия устройств защиты и применяемой коммутационной аппаратуры, значение тока через тело человека значительно превышает безопасные уровни.

7. Степень опасности электрической сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования и машин, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, в значительной степени зависит от режима нейтрали. Если учитывать переходные процессы, сопровождающие металлические и дуговые однофазные замыкания на землю, то наиболее благоприятным следует считать электрическую сеть с активным резистором в нейтрали.

3. Исследование влияния параметров изоляции, режима нейтрали и структуры построения схемы электроснабжения комбината на функциональные характеристики средств защиты

3.1 Амплитудные и фазовые характеристики аварийных токов при однофазных замыканиях на землю

Для исследования характеристик напряжения и токов нулевой последовательности воспользуемся схемой замещения показанной на рис. 3.1, которая представлена в виде двух присоединений, подключенных к одному силовому трансформатору. При этом проводимости изоляции соответствующих фаз сети относительно земли контролируемого присоединения () и всей оставшейся части распределительной сети () связаны соотношением:

.

Однофазное замыкание на землю может произойти в контролируемой линии () или во внешней сети ().

Для этой схемы в общем случае для режима однофазного замыкания на землю в контролируемом присоединении или во внешней сети мы можем записать выражения:

- для напряжения нулевой последовательности

или



Рисунок 3.1 - Схема замещения распределительной сети для исследования напряжения и токов нулевой последовательности

- для тока нулевой последовательности при повреждении в контролируемой линии

- для собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю)

где YН - проводимость нейтральной точки сети относительно земли.

Выполненные исследования представленных зависимостей по оценке влияния на значения напряжения и токов нулевой последовательности параметров изоляции и характера режима нейтрали сети и их анализ позволяют констатировать:

Сеть с полностью изолированной нейтралью

- напряжение нулевой последовательности определяется (кроме значения фазного напряжения сети) параметрами изоляции сети относительно земли и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

- ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

- собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения.

Сеть с компенсированной нейтралью

- напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, проводимостью компенсирующего устройства (степенью расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима) и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

- при металлических (глухих) замыканиях одной фазы на землю режим настройки компенсирующего устройства не влияет на значение напряжения нулевой последовательности, которое при этом равно фазному напряжению сети;

- ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности, параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли (включая и параметры компенсирующего устройства) за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

- собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

- ток в компенсирующем устройстве при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами компенсирующего устройства.

Сеть с резистором в нейтрали

- напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, значением сопротивления резистора в нейтрали и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

- ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети и нейтрали относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения и значением сопротивления резистора в нейтрали;

- собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

- ток в нейтрали сети (ток в резисторе в нейтрали) при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами самого резистора.

Общий вывод - собственный ток контролируемого присоединения, выраженный через напряжение нулевой последовательности, определяется только параметрами изоляции контролируемой линии и не зависит от режима работы нейтрали электрической сети.

Фазовые характеристики аварийных токов при замыканиях на землю

Устройства защиты от замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося аварийного режима, используют в основном токи и напряжения нулевой последовательности. Для направленных устройств защиты от замыканий на землю кроме значений требуется также знать фазу или взаимное положение сравниваемых величин, т.е. положение векторов напряжения и токов нулевой последовательности для защит, реагирующих на мощность нулевой последовательности. С точки зрения создания новых методов и средств направленных устройств защиты или сигнализации от замыканий на землю представляют интерес также амплитудные и фазовые характеристики собственного тока защищаемой линии и тока в нейтрали сети.

Пользуясь выражениями (3.1) … (3.3) с учетом значений проводимостей изоляции сети и контролируемого присоединения дадим оценку фазовым характеристикам напряжения, токов нулевой последовательности с учетом режима нейтрали сети.

Сеть с полностью изолированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с полностью изолированной нейтралью определится из выражения

и изменяется в пределах от 1800 до 900 при изменении переходного сопротивления в точке замыкания от нуля до бесконечности.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

- вектора тока нулевой последовательности



- вектора собственного тока контролируемой линии

Анализ выражений (3.5) и (3.6) показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, можно сделать следующие выводы:

- угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов, или минус 90 эл. градусов;

- угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

Сеть с компенсированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с компенсированной нейтралью зависит от параметров изоляции сети, параметров компенсирующего устройства и величины переходного сопротивления в месте замыкания, и определяется выражением



где - степень расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима.

В зависимости от параметров сети, режима настройки дугогасящей катушки и значения переходного сопротивлений в точке замыкания, угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы может принимать значения в интервале от 90 до 270 эл. градусов, т.е. теоретически может изменяться в пределах 180 эл. градусов. При настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли указанный угол практически равен 180 эл. градусов и не зависит от параметров сети и значения переходного сопротивления в точке замыкания.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

- вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

- вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, а также учитывая реальные значения параметров дугогасящего реактора, можно сделать следующие выводы:

- угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и определяется в значительной степени значением расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима и для резонансной настройки составляет практически 180 эл. градусов; при расстройке компенсирующего устройства от резонансного режима, как в сторону перекомпенсации, так и в сторону недокомпенсации, вектор тока отклоняется на угол соответственно до плюс 90 эл. градусов и минус 90 эл. градусов, таким образом диапазон изменения угла между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности теоретически составляет 180 эл. градусов;

- угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет 90 эл. градусов;

- угол между вектором тока в дугогасящем реакторе и вектором напряжения нулевой последовательности определяется только параметрами непосредственно дугогасящего реактора и для реальных их значений составляет 90 эл. градусов.

Сеть с резистором в нейтрали

Для сети с резистором в нейтрали угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы



Влияние значения активного сопротивления в нейтрали сети на значение и фазу напряжения нулевой последовательности по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью можно оценить как существенное снижение активного сопротивления изоляции фаз сети относительно земли.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

- вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

- вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли значения сопротивления резистора в нейтрали, можно сделать следующие выводы:

- угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и, в отличие от сетей с полностью изолированной нейтралью, равен значению в пределах от 180 до 270 эл. градусов; для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (12) XС этот угол составляет примерно 225240 эл. градусов.

- угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

- угол между вектором тока в резисторе, включенном в нейтрали сети и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от параметров изоляции сети, резистора и режима замыкания и совпадает по направлению с вектором напряжения нулевой последовательности ( угол равен 0 эл. градусов).

Важно отметить, что фаза собственного тока контролируемого присоединения не зависит от режима работы нейтрали, определяется только параметрами непосредственно контролируемого присоединения и практически жестко привязана к напряжению нулевой последовательности.

3.2 Исследование влияния режима нейтрали сети на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Значительное преобладание однофазных замыканий на землю в рассматриваемых сетях над другими видами повреждений, не явно выраженный аварийный характер работы сети при таком повреждении, а также значительный диапазон изменения параметров нулевой последовательности, привели к разработке большого количества весьма разнообразных устройств защиты от однофазных замыканий на землю, которые можно классифицировать по принципу их действия на четыре основные группы:

1) защитные устройства, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания;

2) защитные устройства, реагирующие на параметры переходного процесса при замыканиях на землю;

3) защитные устройства, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты;

4) комбинированные устройства защиты.

Следует отметить, что ни одно из защитных устройств не может гарантировать благополучного исхода при прикосновении человека к токоведущим частям в сетях с любым режимом нейтрали при напряжении 6 кВ и выше. Поэтому основным назначением устройств защиты от замыканий на землю следует считать обеспечение электробезопасности при действии напряжения прикосновения, надежности электроснабжения и недопущение дальнейшего развития аварий. Исходя из этого, основными требованиями, предъявляемыми к устройствам защиты распределительных сетей от несимметричных повреждений являются:

I) чувствительность к параметрам контролируемых величин;

2) селективность (избирательность) действий;

3) высокая функциональная и аппаратная надежность;

4) работоспособность в широком диапазоне изменения входных сигналов.

С точки зрения оптимизации режима нейтрали распределительных сетей и обеспечения качества работы защитных устройств, научный и практический интерес представляют исследования работоспособности известных средств защиты при всех возможных видах режима работы нейтрали распределительных сетей.

К устройствам защиты, реагирующих на параметры установившегося режима однофазного замыкания на землю в распределительных сетях напряжением выше 1000 В следует отнести:

- устройства, реагирующие на ток нулевой последовательности (максимальные токовые защиты нулевой последовательности);

- устройства, реагирующие на напряжение нулевой последовательности;

- устройства, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности и угол между этими величинами (направленные устройства защиты).

Широкое применение токовых защит ограничивается относительно низкой чувствительностью, которая связана с необходимостью выбора тока срабатывания, исходя из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения и , как правило, с учетом переходного процесса. В общем случае ток срабатывания простой токовой защиты определяется выражением:

где - коэффициент надежности, вводимый для отстройки от бросков собственного емкостного тока при переходном процессе, принимается = 45; - собственный емкостной ток защищаемого присоединения.

Рекомендуемый коэффициент чувствительности простой токовой защиты должен быть:

,

Выражение для коэффициента чувствительности можно записать в иной форме



где и - соответственно полный емкостной ток сети и собственный емкостной ток эащищаемой линии при металлическом замыкании на землю, определяемый без учета активной составляющей проводимости изоляции сети.

Из выражения (3.16) с учетом можно получить:

Последнее выражение является условием применимости токовой защиты, то есть применение простой токовой защиты оправдано по условиям чувствительности при емкости защищаемой линии меньше в 57,5 раз емкости всей электрически связанной сети. При несоблюдении указанного условия селективность работы нарушается. Необходимость выполнения условия (3.16) значительно ограничивает область применения токовых защит, тем более, если учитывать, что в процессе эксплуатации емкость всей сети, а также отдельных линий значительно меняется.

Принцип обеспечения селективности действия токовых защит, а также соотношение значений токов нулевой последовательности при внутренних и внешних однофазных замыканиях на землю, не способствует применению их в сетях с компенсированной нейтралью. В таких сетях в установившемся режиме замыкания на землю при настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли, а также при незначительных расстройках от резонансного режима (на 10 - 20 %), ток нулевой последовательности защищаемого присоединения (собственный ток присоединения) оказывается, как правило, больше тока нулевой последовательности при повреждении в защищаемом присоединении. Это обстоятельство практически исключает возможность применения токовых защит в сетях с компенсированной нейтралью. Однако при больших расстройках компенсирующего устройства от резонансного режима (более 40%) применение токовых защит становится возможным, хотя и ограниченным за счет необходимости отстраивать защиту от бросков собственного тока в начальный период повреждения.

Достоинством простых токовых защит, реагирующих на ток нулевой последовательности, следует считать то, что такие защиты в отличии от направленных устройств, реагируют на сравнительно более опасные двойные замыкания на землю. Одним из видов токовых защит от замыканий на землю, получивших применение в сетях с компенсированной нейтралью, являются устройства, реагирующие на высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности. Наличие высших гармонических составляющих в токе замыкания обусловлено нелинейным характером нагрузок (главным образом вентильно-преобразовательных установок и силовых трансформаторов). Состав и уровень гармоник в сетях изменяется в широких пределах. Гармонические составляющие в разных точках сети существенно отличаются в каждый момент времени и резко изменяются с течением времени в зависимости от включенного оборудования, графика нагрузки и т.д. Гармонические составляющие установившегося остаточного тока замыкания на землю могут быть использованы для действия защиты при условии, что в сети имеется достаточно стабильный состав и уровень гармоник. Необходимая чувствительность защиты может быть обеспечена лишь при небольшом (несколько Ом) переходном сопротивлении в точке замыкания, так как в противном случае уровень гармоник резко снижается. Кроме того, для защиты, использующей естественные гармоники установившегося тока замыкания на землю, трудно согласовать селективность действия и чувствительность.

Основным недостатком защитных устройств, реагирующих только на напряжение нулевой последовательности, является невозможность обеспечения селективности работы. В сетях с компенсированной нейтралью применение таких защит практически невозможно также и по причине существенного значения напряжения смещения нейтрали при резонансной (или близкой к резонансной) настройке дугогасящего реактора.

Устройства направленной защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания, работают на основе сравнения по фазе тока и напряжения нулевой последовательности. Указанные устройства рекомендованы только для сетей с полностью изолированной нейтралью. В сетях с компенсированной нейтралью указанный принцип выполнения защит не нашел применения, так как в этих сетях углы между токами и напряжением нулевой последовательности определяются в основном режимом компенсации, а также зависят от параметров изоляции сети и переходного сопротивления в точке замыкания.

Основными причинами неудовлетворительной работы направленных устройств защиты в сетях с изолированной нейтралью следует считать наличие переходных процессов, сопровождающих как возникновение замыкания фазы на землю, так и отключение поврежденного присоединения. К причинам, вызывающим ложную работу существующих устройств направленной защиты, следует отнести также несовершенство схемных решений. Из этой группы причин следует выделить следующие:

- недостаточную отстройку устройств по каналам тока и напряжения нулевой последовательности от высших гармонических составляющих, уровень которых может быть значительным, особенно при замыканиях через перемежающуюся дугу ;

- широкая угловая зона срабатывания, которая составляет примерно 180210°, что приводит к совпадению во времени сравниваемых сигналов за счет их фазовых искажений, (рис. 3.2) обусловленных угловыми погрешностями трансформаторов тока и напряжения, фазовыми сдвигами сигналов непосредственно в схеме устройства и т.п.



Рисунок 3.2 - К пояснению неселективного действия направленных устройств защиты на неповрежденных присоединениях при появлении фазовой погрешности П между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности (ІР - ток в исполнительном реле)

Дуговые замыкания на землю появляются вследствие нескольких импульсных перекрытий в течение периода и сопровождаются также переходными процессами с последующим установлением тока дугового замыкания промышленной частоты. Длительность горения электрической дуги и интервалы, через которые она повторяется, определяются быстродействием и режимом настройки дугогасящего реактора в компенсированных сетях, а также временными характеристиками процессов ионизации и деионизации поврежденной изоляции.

Устройства защиты, реагирующие на параметры переходного процесса, находят применение в сетях с компенсированной нейтралью, так как компенсация емкостного тока замыкания на землю не позволяет, как правило, использовать для действия защиты токов или напряжений промышленной частоты.

Переходный процесс при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях характеризуется появлением следующих этапов:

- формирование начального фронта в месте повреждения, т.е. появление падающих разрядных волн;

- распространение разрядных волн в пределах однородной поврежденной линии;

- распространение волн в сети с отражениями и преломлениями в точках нарушения однородности волновых сопротивлений;

- дополнительный заряд емкостей поврежденных фаз, формирование и распространение зарядных волн;

- установление нового режима с промышленной частотой изменения токов и напряжений.

Информация, получаемая при контроле электрических величин переходного процесса при замыкании на землю имеет следующие особенности:

1) независимость рабочих режимов системы;

2) кратковременное действие, характеризующее появление повреждений, но не характеризующее состояние системы после появления повреждения;

3) возможность определения не только устойчивых, но и кратковременных, исчезающих однофазных повреждений.

К недостатком устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на амплитудные и волновые характеристики переходного процесса, в значительной степени ограничивающих их распространение в распределительных сетях, следует отнести следующее:

1. Броски начального емкостного тока, а также токи и напряжения волн разрядной стадии переходного процесса в значительной степени определяются значениями напряжения и его фазы в момент замыкания на землю. В тоже время электрические сети характеризуются высокой вероятностью механического повреждении изоляции, что может происходить в моменты, соответствующие не максимуму напряжения поврежденной фазы, когда переходный процесс практически не возникает.

2. Наличие переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю приводит к уменьшению амплитудных и временных характеристик переходного процесса. Опыт эксплуатации распределительных сетей показывает, что при значении переходного сопротивления порядка нескольких сотен Ом переходный процесс практически не возникает.

3. При распространении волн по линиям с реальными параметрами их фронты сглаживаются за счет потерь в активных сопротивлениях проводов и земли даже при глухих замыканиях на землю. Кроме того, распределительные сети, обладают неоднородностью, что также приводит к затруднению использования в таких сетях переходных процессов для определения поврежденных присоединений.

4. Отсутствие повторности действия защитных устройств при квитировании сигнала в условиях устойчивого замыкания на землю.

Защитные устройства от замыканий на землю, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты, возможны в сетях с любым режимом нейтрали.

Недостатками устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на постоянный оперативный ток, являются отсутствие селективности действия (отключается, как правило, питающий трансформатор), а также ограниченная зона применения (ограничение по суммарной емкости сети относительно земли и по максимальной длине отходящих присоединений, которые определяются опасностью для человека зарядов в распределенных емкостях сети).

Для устройств, реагирующих на наложенный переменный ток непромышленной частоты, величина наложенного тока складывается из составляющих, определяемых, кроме уровня напряжения источника, значением переходного сопротивления в месте замыкания и суммой фазных емкостей сети относительно земли:

где z - величина полного сопротивления обмоток трансформатора, линии и грунта для тока накладываемой частоты; - емкостное сопротивление одной фазы всей сети относительно земли (для накладываемой частоты).

Вторая составляющая наложенного тока существует независимо от величины переходного сопротивления и возрастает с увеличением емкости сети и частоты оперативного напряжения. Эта составляющая распределяется по всем линиям сети пропорционально их емкостям.

Общим недостатком для защит, реагирующих на наложенный ток как пониженной, так и повышенной частоты, является невозможность создания высокочувствительных устройств, так как необходимо отстраиваться от утечек оперативного тока через емкость защищаемой линии. Кроме того, следует отметить возможность ложной работы устройств защиты при переходных процессах, так как в точках переходного процесса возможно наличие составляющих оперативной частоты.

Принцип наложения на защищаемую сеть оперативного напряжения непромышленной частоты является наиболее предпочтительным для сетей с компенсированной нейтралью как по реализации самого устройства защиты, так и по простоте реализации оперативного источника.

3.3 Влияния структуры системы электроснабжения на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Одно из основных требований к устройствам защиты от однофазных замыканий на землю - селективность действия. При этом для указанной защиты следует различать поперечную и продольную селективность. Поперечная селективность обеспечивается выбором тока срабатывания защиты из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

Продольная селективность в общем случае обеспечивается введением выдержки времени для последовательно включенных защит с нарастанием по мере приближения к источнику питания. Однако ПУЭ и отраслевые Правила безопасности горнодобывающих предприятий предписывают действие первой ступени защиты от замыканий на землю без выдержки времени. Выдержка времени 0,5 с допускается только для второй ступени указанной защиты.

Анализ построения схемы электроснабжения ЗЖРК показал, что проблема продольной селективности существует только для части системы электроснабжения, получающей питание от ГПП, так как только здесь потребители получают питание через одну и более промежуточную распределительную подстанцию, а защиты должны действовать на отключение. Другие трансформаторные подстанции комбината (п/ст 35/6 кВ ЮВС, СВС, ДВС, ЗК) питают потребители поверхности, защита от замыканий на землю действует (за исключением нескольких ответственных потребителей) на сигнал и вопросы продольной селективности не являются критическими.

Обеспечение продольной селективности защиты от замыканий на землю для ГПП может быть обеспечено одним из следующих путей:

- установкой на каждом РП, где имеется защита от замыканий на землю, устройств АПВ с функцией опережающего автоматического контроля изоляции отключенного присоединения (участка);

- доукомплектация ячеек рудничных распределительных устройств оборудованных блокировочными устройствами утечки (БРУ), устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Выводы по главе 3

1. Установлено, что угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности:

- в сети с полностью изолированной нейтралью не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов;

- в сети с компенсированной нейтралью не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и определяется в значительной степени значением расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима и для резонансной настройки составляет практически 180 эл. градусов; при расстройке компенсирующего устройства от резонансного режима, как в сторону перекомпенсации, так и в сторону недокомпенсации, вектор тока отклоняется на угол соответственно до плюс 90 эл. градусов и минус 90 эл. градусов (диапазон изменения угла теоретически составляет 180 эл. градусов);

- в сети с резистором в нейтрали не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (12) XС этот угол составляет примерно 225240 эл. градусов.

2. Фаза собственного тока контролируемого присоединения не зависит от режима работы нейтрали, определяется только параметрами непосредственно контролируемого присоединения и практически жестко привязана к напряжению нулевой последовательности

3. По результатам исследований параметров нулевой последовательности при замыкания на землю в распределительных сетях с различными режимами нейтрали сформулированы основные причины отказов и дана оценка работоспособности существующих средств защиты.

4. Разработка технических решений по ограничению внутренних перенапряжений и рекомендаций по выбору параметров защит от замыканий на землю для сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

4.1 Рекомендации по оптимизации режимов работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

Эффективность любого вида режима работы нейтрали электрической сети определяется целесообразным технико-экономическим соответствием бесперебойности электроснабжения потребителей, величины капиталовложений и эксплуатационных расходов. При этом учитывается, что всякого рода аварийные отключения линий электропередачи и подстанций, как правило, приводят либо к полному обесточиванию потребителей, либо к ограничениям потребления электроэнергии. Перебои в электроснабжении наносят тем больший ущерб, чем выше энергоемкость потребителей и чем больше потребителей, у которых прекращение подачи электроэнергии недопустимо по условиям непрерывности технологического процесса. В связи с этим для обеспечения надежности электроснабжения и для снижения возможных негативных последствий, помимо широко применяемой системной автоматики, конфигурация сетей делается такой, чтобы питание основных или ответственных потребителей осуществлялось по нескольким путям, в том числе и по линиям сетей низшего напряжения.

Эффективностью компенсации емкостного тока замыкания на землю (компенсированная нейтраль) называется способность дугогасящих аппаратов ограничивать токи через место повреждения, перенапряжения и скорости восстанавливающихся напряжений после гашения заземляющей дуги. Показателем эффективности компенсации является отношение количества замыканий на землю не развившихся в короткие замыкания, к общему количеству замыкания.

Эк = 1 - nк.з/nобщ.

При сравнении показателей эффективности работы электрических сетей с различными способами заземления нейтрали, кроме удовлетворения требования по обеспечению надежности электроснабжения потребителей, серьезное внимание обращается на основные параметры сетей, влияющие на эксплуатационные характеристики систем электроснабжения, к которым можно отнести:

1. Уровни изоляции и защита от перенапряжений (устойчивость к перенапряжениям).

2. Селективность действия релейной защиты и простота ее выполнения.

3. Отключение коротких замыканий и возможность нарушения устойчивости параллельной работы (в мощных энергосистемах).

4. Влияние на линии связи, каналы телемеханики и средства промышленной автоматики.

5. Заземляющие устройства линий и подстанций и безопасность напряжении прикосновения и шаговых напряжений.

В отношении электрических сетей и оборудования напряжением 6-35 кВ, работающих с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, следует отметить, что при резонансных настройках или при незначительных расстройках компенсации в сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30%. Такие запасы обеспечивают высокую надежность работы систем электроснабжения.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является бесконтактным средством дугогашения. В сравнении с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с сетями работающими с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, сети с индуктивностью в нейтрали, настроенной в резонанс с емкостью сети относительно земли, обладают следующими выгодными для эксплуатации качествами: