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

- уменьшается ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник);

- обеспечивается надежное дугогашение (предотвращается длительное воздействие заземляющей дуги);

- улучшаются условия безопасности при растекании аварийных токов в земле;

- облегчаются требования к заземляющим устройствам;

- ограничиваются перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2,5-2,6 фазного напряжения сети (при степени расстройки до 5%) - безопасных для изоляции оборудования и линий;

- значительно снижаются скорости восстановления напряжений на поврежденной фазе, что способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

- предотвращаются набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, что способствует сохранению качества электроэнергии у потребителей (при резонансной настройке):

- резко уменьшается вероятность развития в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали).

Как отмечалось ранее, расстройка режима компенсации более 5% от резонансного приводит к резкому снижению эффективности в части кратности перенапряжений, развития феррорезонансных процессов т.п. В этих условиях требуемая надежность и, в определенной мере, электробезопасность достигается включением параллельно дугогасящему реактору дополнительного реактора.

Анализ выполненных и изложенных в предыдущих разделах отчета результатов исследований влияния заземления нейтрали электрических сетей на надежность и условия электробезопасности систем электроснабжения в целом, на повреждаемость распределительных сетей и электрооборудования, а также на функциональные характеристики релейной защиты в частности, позволяет дать оценку каждому конкретному режиму работы нейтрали и разработать рекомендации, направленные на усиление позитивных показателей соответствующих режимов.

Исследования показали, что самый низкий уровень эксплуатационной надежности соответствует сетям с полностью изолированной нейтралью, а также сетям с компенсированной нейтралью при расстройках компенсации на 20% и более от резонансной. Это обусловлено высокой повреждаемостью элементов систем электроснабжения от действия внутренних перенапряжений и феррорезонансных явлений /15, 17/.

Следует отметить, что наиболее высокая эксплуатационная надежность обеспечивается в распределительных сетях с наложением дополнительной активной составляющей на ток замыкания на землю (сети с резистором в нейтрали). В таких сетях при определенных условиях резко ограничиваются уровня внутренних перенапряжений сопровождающих несимметричные повреждения, практически исключается развитие феррорезонансных процессов, что, соответственно, способствует уменьшению повреждаемости элементов сети. Кроме того, при этом практически исключается ложной работа устройств защиты от замыканий на землю за счет резкого подавления (практически устранения) переходных процессов при появлении и отключении повреждений.

По условиям обеспечения электробезопасности электрических сетей при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям ни один из возможных режимов нейтрали нельзя признать благоприятным. Независимо от режима нейтрали с учетом реальных параметров изоляции относительно земли распределительных сетей и времени действия устройств защиты, а также времени действия применяемой в таких сетях коммутационной аппаратуры, значения тока через тело человека будут значительно превышают безопасные уровни.

Следует однако отметить, что степень косвенной опасности электрической сети, например от действия напряжения прикосновения (при прикосновении человека к корпусам электрооборудования и машин, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз), в значительной степени зависит от режима нейтрали. Для установившегося режима однофазного замыкания в этом случае предпочтение следует отдать электрическим сетям с компенсированной нейтралью при резонансной (или близкой к резонансной) настройке компенсирующего устройства. Если учитывать переходные процессы, сопровождающие металлические и дуговые однофазные замыкания на землю, то наиболее благоприятным следует считать электрическую сеть с активным резистором в нейтрали.

Как отмечалось ранее, в сетях напряжением 6 кВ, работающих с нейтралью полностью изолированной от земли, предлагается режим работы с резистором в нейтрали, т.е. наложение в аварийном режиме на емкостный ток замыкания активной составляющей, значение которой выбирается из условия

Реализация в электрических сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения ЗЖРК режима нейтрали с созданием дополнительной активной составляющей тока замыкания на землю (режим работы сети с резистором в нейтрали) может быть осуществлена наиболее просто одним из методов, показанных на рис.4.1, или их комбинаций.

Для создания дополнительного искусственного активного тока замыкания могут использоваться резисторы, включаемые между нейтральной точкой сети и землей. В этом случае высоковольтный резистор может включаться:

- в нейтраль силового трансформатора при включении его обмоток в звезду и выведенной нулевой точкой (рис. 4.1.а);

- в нейтраль первичной обмотки специального заземляющего трансформатора);

- между каждой фазой и землей трех сопротивлений, соединенных в звезду с искусственной нулевой точкой (рис. 4.1.б).

Кроме того, создание искусственного дополнительного активного тока однофазного замыкания на землю может быть обеспечено включением низковольтного резистора одним из следующих способов:

- в качестве нагрузочного резистора вторичной обмотки специального однофазного трансформатора, первичная обмотка которого включается между нейтральной точкой сети и землей (рис. 4.1.в);

- в качестве нагрузочного резистора, подключенного ко вторичным обмоткам трех однофазных трансформаторов, включенных по схеме разомкнутого треугольника (первичные обмотки включаются при этом в звезду с заземленной нулевой точкой) (рис. 4.1.г).

Рисунок 4.1 - Варианты реализации режима нейтрали сети заземленной через активное сопротивление

4.2 Обоснование комбинированного режима заземления нейтрали распределительных сетей напряжением 6 - 10 кВ

При превышении токов замыкания на землю допустимых значений, устанавливаются дугогасящие реакторы, которые как правило не оборудованы устройствами автоматической настройки индуктивности в резонанс с емкостью сети (что имеет место на ГПП системы электроснабжения ЗЖРК). Кроме того, зачастую эксплуатационная динамика указанных сетей может превышать 20 - процентное изменение параметров изоляции сетей относительно земли.

Для указанных сетей нами, с целью оптимизации заземления нейтрали, предлагается использовать так называемый комбинированный режим работы нейтрали. Суть комбинированного режима заземления нейтрали состоит в том, что кроме создания индуктивной составляющей тока однофазного замыкания на землю, предлагается также одновременно накладывать на ток замыкания и активную составляющую. То есть, комбинированный режим заземления нейтрали, это компенсированная сеть с наложением в аварийном режиме дополнительной активной составляющей. Значение накладываемой на сеть активной составляющей тока замыкания на землю должно быть на уровне 30 - 50 % от емкостной составляющей, что обеспечивает эксплуатационные показатели адекватные сетям с резистором в нейтрали даже при расстройках дугогасящего реактора до 50%.

На рис. 4.2 представлена схема, поясняющая принцип реализации комбинированного режима заземления нейтрали сети. Полный аварийный ток при однофазном замыкании на землю складывается из емкостного, индуктивного, активного обусловленного активным сопротивлением изоляции сети и активным через резистор в нейтрали. Векторная диаграмма составляющих токов замыкания на землю для этого случая показана на рис. 4.3а. На рис 4.3б для сравнения показаны зоны максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации от резонансного режима в сети с компенсированной нейтралью (зона 1) и в сети с комбинированным режимом работы нейтрали (зона 2). Верхняя и нижняя границы зон соответствуют значениям коэффициента ? равном соответственно 1 и 0,8, который учитывает физические характеристики сети, относительное место повреждения и прочее.

Рисунок 4.2 - Поясняющая схема комбинированного режима заземления нейтрали

Рисунок 4.3 - Векторная диаграмма (а) и зависимость кратности перенапряжений от степени расстройки реактора (б) при комбинированном режиме заземления нейтрали

4.3 Параметры и варианты реализации рекомендуемого режима нейтрали

Для системы электроснабжения ЗЖРК с целью ограничения негативных последствий от однофазных замыканий на землю предложено накладывать на аварийный ток, который в данном случае имеет практически чисто емкостный характер, активную составляющую тока.

Для реализации этого процесса нами рассмотрены два приемлемых и наиболее просто реализуемых в условиях системы электроснабжения ЗЖРК варианта (таблица 4.1):

- включение в нейтраль сети однофазного трансформатора, вторичная обмотка (230 В) которого нагружена активным сопротивлением соответствующего значения;

- включение в нейтраль сети высоковольтного резистора.

Таблица 4.1 - Сравнительный анализ двух способов заземления нейтрали

В таблице 4.1 представлены параметры заземления нейтрали сети заземляющими резисторами или однофазными трансформаторами для системы электроснабжения ЗЖРК. Результаты представлены для условий длительного режима работы трансформаторов и с учетом их возможной 30% перегрузки.

Значения нагрузочных резисторов для вторичных обмоток заземляющих трансформаторов рассчитываются по формуле

где - номинальное напряжение сети; - значение накладываемого на сеть активного тока; - коэффициент трансформации заземляющего трансформатора.

Параметры и характеристика однофазных трансформаторов

Понижающие однофазные силовые масляные трансформаторы ОМП предназначены для преобразования электроэнергии напряжением 6 или 10кВ обеспечения питания блочно-комплектных устройств катодной защиты магистральных трубопроводов и путепроводов и других потребителей напряжением 220В. Трансформаторы предназначены для внутренней и наружной установки. Переключение ответвлений без возбуждения. Схема и группа соединения обмоток 1/1 - 0.

Однофазные масляные трансформаторы (ОМ), герметичного исполнения (ОМГ), мощностью 0,25 ... 10 кВА, напряжением до 27,5 кВ., предназначены для понижения напряжения в сетях энергосистем, питания аппаратуры сигнализации и автоблокировки железных дорог, а также питания других потребителей электроэнергии в условиях умеренного (от -45°C до +40°С) и холодного (от -60°С до +40°С) климата. Адреса и телефоны представительства завода изготовителя в таблице 4.2

Таблица 4.2

Таблица 4.3 - Технические характеристики трансформаторов ОМП

Таблица 4.4 - Технические характеристики трансформаторов ОМ и ОМГ

Частота - 50 Гц; схема и группа соединения 1/1-0.

Для реализации второго рекомендовано применять резисторы типа РЗ номиналом 50-300 Ом, выпускаемые в г. Запорожье.

Низкоомный резистор для заземления нейтрали

Для ограничения перенапряжений в сетях 3, 6, 10 кВ выпускаются резисторы типа РЗ номиналом 50-300 Ом. Эти резисторы предназначены для установки в шкафах КРУ, длительность их работы в режиме ОЗЗ ограничена и определяется быстродействием релейной защиты.

Наличие многократного резервирования и селективных релейных защит от замыканий на землю позволяет произвести в сети немедленное отключение релейной защитой присоединения с однофазным замыканием на землю, ограничивая тем самым время существования ОЗЗ, являющегося источником опасных перенапряжений. Реализация такого режима работы сети требует "низкоомного" номинала резистора, создающего ток замыкания в десятки и сотни ампер, достаточного для надежной работы релейной защиты. Длительность работы такого резистора в режиме ОЗЗ невелика, что позволяет создать достаточно компактную конструкцию, вписывающуюся в ячейку КРУ.

Универсальность конструкции резистора типа РЗ позволила разработать высоковольтный резистор компактных размеров номиналом 50-300 Ом для комплектации ячеек КРУ на напряжение 3, 6, 10 кВ.

Рисунок 4.4 - Общий вид РЗ-100-6-176

Характеристики резисторов типа РЗ 50, 100 и 150 Ом для установки в шкафах КРУ в сети с номинальным напряжением 3, 6, 10 кВ электрических подстанций и собственных нужд электростанций приведены в таблице. Резисторы состоят из элементов резистора защитного (ЭРЗ), закрепленных в изоляционном каркасе из стеклотекстолита.

Изоляционный каркас устанавливается на опорных изоляторах ИОР-10-750-IIУЛХ в шкафах КРУ К-104М и К-104МС1. Технические и энергетические характеристики резисторов приведены в табл.4.5.

Таблица 4.5 - Технические характеристики

Резистор в данном устройстве является элементом устройства и работает в комплекте с релейной защитой. Кроме того, энергетически резистор в данной конструкции рассчитан на воздействие тока однофазного замыкания на землю 40 А только в течение 1,5 секунд.

По заказу могут быть изготовлены в этих же габаритах резисторы номиналов от 50 до 1500 Ом, резисторы в тропическом исполнении, а также резисторы для сетей 35 кВ.

4.4 Рекомендаций по выбору параметров и работоспособности средств защиты от замыканий на землю

Исследования установившихся и переходных процессов, сопровождающих замыкания на землю в распределительных сетях напряжением 6 кВ, а также исследования работоспособности существующих средств защиты, позволили сформулировать основные причины неудовлетворительной работы и отказов наиболее распространенных средств защиты:

- наличие колебательных переходных процессов, сопровождающих появление замыканий на землю (особенно глухих и дуговых) и их отключение (процесс восстановления напряжения сети), является причиной неудовлетворительной работы токовых и направленных устройств защиты, реагирующих токи и напряжения установившегося аварийного режима;

- появление феррорезонансных процессов в распределительных сетях, которые устройствами защиты воспринимаются как процессы, сопровождающие замыкания на землю и вызывают ложную работу защитных устройств первой и второй ступеней, а также причиной выхода из строя измерительных трансформаторов напряжения НТМИ;

- фазовые и амплитудные искажения параметров нулевой последовательности при двойных замыканиях на землю, что является причиной несрабатывания направленных устройств защиты;

- несоответствие реальных структур схем электроснабжения применяемым средствам защиты от замыканий на землю.

С целью повышения функциональной надежности находящихся в эксплуатации устройств защиты от замыканий на землю разработаны изложенные ниже рекомендации и технические решения для условий распределительных сетей напряжением 6 кВ с изолированной и компенсированной нейтралью.

1. В случае, если распределительная сеть работает с полностью изолированной нейтралью с током однофазного замыкания на землю до 5 А, у всех подключенных к сети измерительных трансформаторов напряжения НТМИ, работающих с заземленной нейтралью, следует дополнительную обмотку, включенную по схеме разомкнутого треугольника, нагрузить активным сопротивлением 25 Ом и мощностью не менее 100 Вт.

2. Нейтральные точки первичных обмоток измерительных трансформаторов напряжения НТМИ, у которых не используется по прямому назначению дополнительная (включенная в разомкнутый треугольник) обмотка, необходимо изолировать от земли или соединить с землей через резистор со значением сопротивления примерно 5 кОм и мощностью не менее 1000 Вт (рис.4.5). Такое мероприятие позволит исключить появление и развитие феррорезонансных процессов.

3. Один измерительный трансформатор НТМИ при однофазном замыкании на землю создает индуктивную составляющую тока замыкания примерно 0,15 А, которая соответствует емкостной составляющей создаваемой кабелем сечением 95 мм2 и длиной примерно 100 … 115 м или воздушной линией длиной около 10 км. Отсюда видно, что при нескольких НТМИ - 6 подключенных одновременно к распределительной сети могут создаваться условия, когда ток замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью будет иметь индуктивный характер и, следовательно, будут наблюдаться отказы направленных защит. Отключение от земли нейтральной точки большинства из включенных в сеть трансформаторов НТМИ исключает возможность опрокидывания фазы тока замыкания. Тоже достигается, если нейтральные точки НТМИ соединить с землей через указанный в пункте 2 резистор. При этом дополнительная обмотка НТМИ будет работать как фильтр напряжения нулевой последовательности. Ошибка измерения в этом случае составит порядка 20 % (рис.4.6).

Рисунок 4.5 - Схема включения сопротивления в нейтраль трансформатора НТМИ

Рисунок 4.6 - Зависимость вносимой погрешности при измерении U0 от значения резистора в нейтрали НТМИ

4. При использовании в распределительных сетях для защиты от однофазных замыканий на землю направленных устройств защиты, реагирующих на направление мощности нулевой последовательности есть высокая вероятность несрабатывания защит при опасных двойных замыканиях на землю за счет значительных фазовых изменений параметров нулевой последовательности. Для защиты таких сетей от двойных замыканий на землю рекомендуется устанавливать дополнительно токовую защиту, реагирующую на ток нулевой последовательности и действующую на отключение без выдержки времени. Ток срабатывания такой защиты должен выбираться из условия отстройки от бросков максимального тока однофазного замыкания на землю по выражению

где - максимальный (для конкретной распределительной сети) емкостной ток установившегося режима металлического однофазного замыкания на землю.

5. Для устройств токовой защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях напряжением 6 кВ ЗЖРК, ток срабатывания защит следует выбирать (при реализации рекомендаций по оптимизации режима работы нейтрали) исходя из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения с двойным запасом, если коэффициент чувствительности соответствующей защиты будет также не менее двух, т.е.

и

Результаты расчета параметров срабатывания защит от однофазных замыканий по распределительным подстанциям системы электроснабжения ЗЖРК представлены в приложении А к отчету.

Выводы по главе 4

1. Заземление нейтрали электрической сети через резонансно настроенную индуктивность или комбинированное заземление нейтрали обеспечивает, по сравнению с сетями с полностью изолированной нейтралью, значительное уменьшение повреждаемости; улучшение условий безопасности при растекании аварийных токов в земле; ограничение перенапряжений возникающих при дуговых замыканиях; уменьшение вероятности развития феррорезонансных процессов.

2. Для электрических сетей системы электроснабжения предприятий горной промышленности разработаны рекомендации по оптимизации режима работы нейтрали по критериям надежности и электробезопасности. Предложен для определенных условий так называемый комбинированный режим работы нейтрали, сочетающий практически все достоинства сетей с компенсированной нейтралью (при настройке реактора близко к резонансному режиму) и с резистором в нейтрали.

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. Разработаны организационно-технические мероприятия и технические решения, позволяющие повысить функциональную надежность находящихся в эксплуатации средств защиты от замыканий на землю в распределительных сетях напряжением 6 кВ.

Заключение

1. Наиболее распространенными повреждениями в распределительных сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения горных предприятий являются однофазные замыкания на землю, которые в общем случае представляют опасность как для изоляции электрических сетей и установок, так и для обслуживающего персонала. 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. Для электрических сетей системы электроснабжения ЗЖРК на основе реальных физических параметров электрических сетей и оборудования, структуры системы электроснабжения и значений удельных фазных емкостей рассчитаны значения максимальных суммарных токов однофазного замыкания на землю для каждой секции шин подстанций, на основании чего разработаны рекомендации по оптимизации режима нейтрали распределительных сетей.

3. Разработаны математические модели распределительных сетей для исследования токов замыкания и их составляющих, параметров нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю в сетях полностью изолированной нейтралью, с компенсированной нейтралью и с резистором в нейтрали. Математические модели позволяют учитывать влияние на амплитудные и фазовые характеристики исследуемых величин параметров изоляции электрической сети в целом и защищаемого присоединения, переходных сопротивлений в точках повреждения и режима настройки компенсирующих устройств.

4. Для электрических сетей системы электроснабжения ЗЖРК рекомендован режим работы с резистором в нейтрали (кроме ГПП), значение которого выбирают из условия создания дополнительной активной составляющей тока замыкания на землю не менее 40 % емкостного тока.

5. Для ГПП рекомендован режим компенсации емкостных токов с недокомпенсацией на уровне 15-20% с целью обеспечения работоспособности направленных защит от замыканий на землю, установленных на ГПП.

6. Отсутствие автоматической резонансной настройки режима компенсации исключает ограничение внутренних перенапряжений, в результате чего мы рекомендуем комбинированный режим работы нейтрали, т.е., параллельно индуктивности в нейтрали рекомендуется включать резистор для создания дополнительной активной составляющей тока замыкания на землю не менее 30% емкостного тока.

7. Заземление нейтрали электрической сети через резонансно настроенную индуктивность или комбинированное заземление нейтрали обеспечивает, по сравнению с сетями с полностью изолированной нейтралью, значительное уменьшение повреждаемости; улучшение условий безопасности при растекании аварийных токов в земле; ограничение перенапряжений, возникающие при дуговых замыканиях; уменьшение вероятности развития феррорезонансных процессов.

8. Выполнена оценка влияния режима заземления нейтрали распределительной сети на эксплуатационную надежность систем электроснабжения, на условия электробезопасности в установившемся и переходном режимах замыкания фазы на землю, на работоспособность известных средств защиты от замыканий на землю. Предложены обоснованные организационные и технические рекомендации, направленные на повышение функциональной надежности существующих средств защиты от замыканий на землю для распределительных сетей напряжением 6 кВ системы электроснабжения ЗЖРК.

Перечень ссылок

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - 10-е изд. М.: УИЦ "Гардарики", 2001. - 638 с.

2. Бикфорд Дж. П. И др. Основы теории перенапряжений в электрических сетях: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1981. - 168 с.

3. Бургедорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 399 с.

4. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. - М.: Высш. шк.,1981.- 480 с.

5. Вильгейм Р. Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. - М.;-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 415 с.

6. Ковалев А.И., Шкрабец Ф.П. Анализ методов контроля изоляции, средств защиты и противоаварийного управления в системах электроснабжения карьеров //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. - 2005. - Вып. 74. - С.14-19.

7. Лихачев Ф.В. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ.// Электрические станции. - 1981. - N11. - С. 51-56.

8. Мнухин А.Г., Коневский Б.И. Защита электрических сетей от коммутационных перенапряжений. - М.: Недра, 1987. - 143 с.

9. Півняк Г.Г., Шкрабець Ф.П., Заїка В.Т., Разумний Ю.Т. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт / За ред. акад. НАН України Г.Г.Півняка. - Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2004. - 206 с.

10. Пивняк Г.Г., Шкрабец Ф.П., Горбунов Я.С. Релейная защита электроустановок на открытых горных работах: Справочное пособ. -М.: Недра, 1992.-240с.

11. Пивняк Г.Г., Шкрабец Ф.П. Несимметричные повреждения в электрических сетях карьеров: Справочное пособие. - М.: Недра, 1993 192 с.

12. Правила устройства электроустановок./ Минэнерго СССР. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 640 с.

13. Правила технической эксплуатации электроустановок. - М.: Атомиздат, 1975. - 352 с.

14. Режимы нейтрали электрических сетей / И.М.Сирота, С.Н.Кисленко, А.М.Михайлов. - К.: Наукова думка, 1985. - 264 с.

15. Серов В.И., Щуцкий В.И., Ягудаев В.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. -М.: Наука, 1985. -136 с.

16. Сирота И.М. Влияние режимов нейтрали в сетях 6-35 кВ на условия безопасности.// Режимы нейтрали в электрических системах.- К.:1974.- С. 84-104.

17. Стогний Б.С., Масляник В.В., Назаров В.В. Анализ эффективности существующих режимов нейтрали сетей 6-35 кВ в энергетике // Науково-прикладний журнал "Технічна електродинаміка" К.: 2002. - № 3. - С. 37-41.

18. Электробезопасность на открытых горных работах. / Под ред. В.И. Щуцкого. -М.: Недра, 1983. - 192 с.

Размещено на Allbest.ur