Режимы заземления нейтрали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. Режимы заземления нейтрали

1.1 Режим изолированной нейтрали

1.2 Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через дугогосящий реактор

1.3 Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через резистор (резестивное заземление нейтрали)

2. Разработка физических и математических моделей сетей 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями

2.1 Физическая модель кабельной сети 6-10кВ

2.2 Математическая модель кабельной сети 6-10кВ

3. Разработка защиты от замыканий на землю в сетях 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями

Литература



1. Режимы заземления нейтрали

Выбор режима заземления нейтрали в сети 6-35 кВ (или, по-другому, способа заземления нейтрали) - исключительно важный вопрос при проектировании и эксплуатации (реконструкции). Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ определяет:

¦ ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании;

¦ схему построения релейной защиты от замыканий на землю;

¦ уровень изоляции электрооборудования;

¦ выбор ОПН для защиты от перенапряжений;

¦ бесперебойность электроснабжения;

¦ допустимое сопротивление контура заземления подстанции;

¦ безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.

Таким образом, очевидно, что режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ влияет на значительное число технических решений, которые реализуются в конкретной сети.

В сетях среднего напряжения (с номинальным напряжением до 69 кВ по зарубежной классификации) применяются 4 режима заземления нейтрали (рис. 1.1).

То есть всего в мире в сетях среднего напряжения (до 69 кВ), в отличие от сетей высокого напряжения (110 кВ и выше), используются четыре возможных варианта заземления нейтральной точки сети:

заземление защита нейтраль сеть



Рис.1.1 Режимы заземления нейтрали сетей среднего напряжения.

-изолированная (незаземленная);

-заземленная через дугогасящий реактор;

-заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный);

- глухозаземленная (в России не применяется).

Кроме указанных четырех режимов заземления нейтрали в мире применяется также комбинация (параллельное включение) дугогасящего реактора и резистора. Например, такая комбинация встречается в воздушных сетях 20 кВ Германии, где дугогасящий реактор обеспечивает гашение кратковременных однофазных перекрытий изоляции на землю, а низкоомный резистор подключается к нейтрали сети параллельно реактору только кратковременно специальным однофазным силовым выключателем. Резистор в такой схеме служит для селективного определения фидера с устойчивым однофазным замыканием на землю.

Если посмотреть на мировую практику эксплуатации сетей среднего напряжения (см. табл. 1.1), то хорошо видно, что в отличие от России, где используется режим изолированной нейтрали (примерно 80 % сетей 6-35 кВ) и режим заземления через дугогасящий реактор (примерно 20 % сетей 6-35 кВ), в других странах чаще всего применяется заземление нейтрали через резистор или дугогасящий реактор. 

Таблица 1.1 Режим заземления нейтрали в сетях 3-69 кВ в различных странах мира

Страна	Способ заземления нейтрали
	Изолированная	Заземленная через реактор	Заземленная через резистор	Глухозазем-ленная
Россия	+	+	-	-
Австралия	-	-	+	+
Канада	-	-	+	+
США	-	-	+	+
Испания	-	+	+	+
Португалия	-	-	+	-
Франция	-	+	+	-
Япония	-	-	+	-
Германия	-	+	+	-
Австрия	-	+	+	-
Бельгия	-	-	+	-
Великобритания	-	-	+	+
Швейцария	-	+	+	-
Финляндия	+	+	+	-
Италия	-	+	+	-
Чехия	-	+	+	-
Словакия	-	+	+	-
Швеция	-	+	+	-
Норвегия	-	+	+	-

Режим заземления нейтрали через резистор сравнительно новый и используется в России в ограниченном числе сетей 6-35 кВ. Впервые режим резистивного заземления нейтрали использовался в России в карьерных сетях 6 кВ в 1978-1983 г. [1, 2] и сетях 6 кВ собственных нужд блочных электростанций примерно в 1987 г. [3]. Однако, несмотря на полученный положительный опыт, развития использования резистивного заземления нейтрали в СССР не произошло. Вероятно, это было связано с отсутствием в основном нормативном документе - «Правилах устройства электроустановок» разрешения на использование режима резистивного заземления нейтрали.

В настоящее время в России в сетях 6-35 кВ нормативными документами («Правилами устройства электроустановок») разрешены к применению только три режима заземления нейтрали. Пункт 1.2.16 ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г. гласит:

«...работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор».

Таким образом, в сетях 6-35 кВ в России разрешены все режимы заземления нейтрали, кроме глухого заземления.

Четкого определения и рекомендаций, в каких случаях в сетях 6-35 кВ должен использоваться тот или иной режим заземления нейтрали, в ПУЭ, к сожалению, нет. В том же пункте 1.2.16 только указаны граничные емкостные токи, начиная с которых должна применяться компенсация емкостного тока. Отсутствие рекомендаций по использованию режима нейтрали в сетях 6-35 кВ в ПУЭ, скорее всего, связано со сложностью формирования таких рекомендаций для большого разнообразия сетей 6-35 кВ (сельских, городских, сетей промышленных предприятий и др.) и необходимости учета при этом многих условий.

Из других нормативных документов, касающихся режима заземления нейтрали, можно отметить также РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ». Это документ, касающийся исключительно компенсации емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов (катушек). Другие режимы заземления нейтрали в нем не рассматриваются.

В части существующих нормативных документов следует отметить отдельный пункт 5.11.8 в последней редакции «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей», посвященный режиму заземления нейтрали, который гласит: «...В сетях собственных нужд 6 кВ блочных электростанций допускается режим работы с заземлением нейтрали сети через резистор».

1.1 Режимы изолированной нейтрали

Режим изолированной нейтрали используется в России достаточно давно, и подавляющее большинство сетей 6-35 кВ (примерно 80 %) работает именно с этим режимом заземления нейтрали.

На рис. 2 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ.

Как видно из рис. 1.2, в этом случае нейтральная точка в сети 6-10 кВ физически отсутствует, так как обмотки силовых трансформаторов на стороне 6-10 кВ соединены в треугольник. В сетях 35 кВ с изолированной нейтралью нейтральная точка физически присутствует, так как обмотки трансформаторов 35 кВ в большинстве случаев соединены в звезду с выводом нейтральной точки через отдельный проходной изолятор на крышку бака трансформатора.

Рис. 1.2. Понижающая подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ

Многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтралью, накопленный не только в России, но и во всем мире, позволяет говорить о существенных недостатках режима изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ, таких как:

¦ дуговые перенапряжения и пробои изоляции на первоначально неповрежденных фидерах при однофазных замыканиях на землю в сети;

¦ возможность возникновения многоместных повреждений изоляции (одновременное повреждение изоляции нескольких фидеров) при однофазных замыканиях на землю;

¦ повреждения трансформаторов напряжения (НТМИ, ЗНОЛ, ЗНОМ) при замыканиях на землю;

¦ сложность обнаружения места повреждения (места замыкания);

¦ неправильная работа релейных защит от однофазных замыканий на землю;

¦ опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети.

В связи с наличием такого количества недостатков режим изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ был исключен в подавляющем большинстве стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии и других странах еще в 40-50-х годах прошлого века.

В сетях среднего напряжения 3-69 кВ стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии режим изолированной нейтрали применяется крайне редко (в исключительных случаях). В основном сети среднего напряжения 3-69 кВ этих стран работают с нейтралью, заземленной через резистор или дугогасящий реактор.

Одна из стран, в которых имеется значительное число сетей с изолированной нейтралью, - Финляндия. Там указанный режим используется исключительно в воздушных сетях 20 кВ и его применение существенно отличается от отечественной практики эксплуатации. В частности, при наличии режима изолированной нейтрали в сети 20 кВ защиты от замыканий на землю действуют на мгновенное отключение поврежденной воздушной линии. При отказе в отключении выключателя отходящей линии с выдержкой времени 0,5 секунды отключается выключатель ввода на секцию. Режим изолированной нейтрали в воздушных сетях 20 кВ Финляндии применяется исключительно для повышения чувствительности защит от замыканий на землю, так как сопротивление грунта на большей части территории этой страны в 20-50 раз выше, чем среднеевропейское. При таком высоком удельном сопротивлении грунта заземление нейтрали (глухое или через резистор) не увеличивает ток в поврежденном фидере, так как он в основном определяется сопротивлением грунта. Применение изолированной нейтрали в данном случае является вынужденной мерой и причина такого технического решения не обеспечение надежности электроснабжения, а повышение чувствительности защит от замыканий на землю и безопасности людей.

1.2 Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через дугогосящий реактор

Компенсация емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ применяется для уменьшения тока замыкания на землю, снижения скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения заземляющей дуги, уменьшения перенапряжений при повторных зажиганиях дуги и создания условий для ее самопогасания.

Компенсация должна применяться при следующих значениях емкостного тока замыкания на землю сети в нормальных режимах ее работы:

-в воздушных сетях 6-20 кВ на железобетонных или металлических опорах и во всех сетях 35 кВ - при токе более 10 А;

-в воздушных сетях, не имеющих железобетонных или металлических опор: при напряжении 6 кВ - при токе более 30 А, при напряжении 10 кВ - более 20 А, при напряжении 15-20 кВ - более 15 А.

Компенсацию допускается применять также в воздушных сетях 6-10 кВ при емкостном токе менее 10 А.

Для компенсации емкостного тока замыкания на землю применяются дугогасящие заземляющие реакторы с плавным или ступенчатым регулированием индуктивности.

В электрических сетях, где в процессе эксплуатации емкостный ток замыкания на землю изменяется не более чем на ±10%, рекомендуется применять дугогасящие реакторы со ступенчатым регулированием индуктивности.

Если же емкостный ток замыкания на землю изменяется более чем на ±10%, рекомендуется применять реакторы с плавным регулированием индуктивности, настраиваемые вручную или автоматически.

Автоматическая настройка компенсации рекомендуется в сетях 35 кВ при емкостном токе замыкания на землю более 10 А и в сетях 6-10 кВ при емкостном токе более 50 А.

На рис. 1.3 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через дугогасящий реактор.

Рис. 1.3. Понижающая подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через дугогасящий реактор

В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0) и дугогасящий реактор.

При однофазном замыкании на землю в сети дугогасящий реактор создает в месте повреждения индуктивную составляющую тока, равную емкостной. При этом суммарный ток в месте повреждения становится равным практически нулю и первое возникшее в сети однофазное замыкание на землю можно не отключать.

Режим с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (катушку) также достаточно давно используется в России в сетях с большими емкостными токами (городских сетях, сетях промышленных предприятий).

В сетях среднего напряжения 3-69 кВ европейских стран (Германия, Чехия, Швейцария, Австрия, Франция, Италия, Румыния, Польша, Финляндия, Швеция, Норвегия и др.) широко используется заземление нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором (рис. 1.3). Низковольтный шунтирующий резистор напряжением 500 В подключается через специальный контактор во вторичную силовую обмотку 500 В дугогасящего реактора. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

¦ отсутствие необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания на землю и, соответственно, потребителя;

¦ малый остаточный ток в месте повреждения (не более 1-2 А);

¦ самоликвидация однофазных замыканий (особенно на воздушных линиях);

¦ возможность организации селективной автоматически действующей релейной защиты от однофазных замыканий на землю;

¦ исключение повреждений измерительных ТН из-за феррорезонансных процессов.

Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором приведена на рис. 1.4.

В существующих российских сетях 6-35 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы старой конструкции с ручным регулированием и реакторы с подмагничиванием, но без шунтирующего резистора существует проблема организации селективной защиты от однофазных замыканий на землю. В этих сетях не могут использоваться как простые токовые защиты от замыканий на землю, так и направленные защиты.

Рис. 1.4. Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор

Первые в связи с тем, что дугогасящий реактор компенсирует ток однофазного замыкания (ток 3I₀) в поврежденном присоединении практически до нуля. Вторые в связи с совпадением направления тока 3I₀ в поврежденном и неповрежденных фидерах по направлению. В поврежденном фидере в направлении «от шин» течет индуктивный ток 3I₀, по величине равный собственному емкостному току фидера, а в неповрежденных фидерах собственные емкостные токи в направлении «к шинам».

Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором, подключаемым во вторичную силовую обмотку напряжением 500 В, позволяет реализовать селективную защиту от замыканий на землю как с использованием простых токовых защит, так и более сложных направленных защит по направлению тока 3I0 или активной мощности нулевой последовательности («ваттметрические»). Как правило, защиты от замыканий на землю в этом случае действуют на сигнал (ток в месте повреждения мал, и его немедленное отключение не требуется).

При наличии шунтирующего низковольтного (500 В) резистора логика использования дугогасящих реакторов следующая. До момента возникновения однофазного замыкания дугогасящий реактор настроен в резонанс, а шунтирующий резистор отключен. В начальной стадии замыкания дуга обычно неустойчива, и возникают повторные зажигания и гашения. При этом реактор действует как дугогасящее устройство и позволяет не отключать поврежденный фидер.

В том случае, если замыкание перешло в устойчивое, с определенной выдержкой времени, задаваемой в регуляторе REG-DPA реактора, подключается шунтирующий резистор (на время от 1 до 3 секунд). Цифровой регулятор REG-DPA реактора дает команду на включение контактора шунтирующего резистора напряжением 500 В, который подключается к вторичной силовой обмотке реактора 500 В (рис. 1.5). Подключение шунтирующего резистора на 1-3 секунды создает только в поврежденном фидере активный ток 3I₀, величина которого определяется сопротивлением резистора и может составлять от 5 до 50 А. Этого тока достаточно для селективного срабатывания даже обычной токовой защиты от замыканий на землю поврежденного присоединения. Уставка простых токовых защит от замыканий на землю по току 3I₀ на фидерах выбирается, исходя из собственного емкостного тока присоединения (или суммарного тока присоединения и питаемого им РП). Для современных цифровых защит с фильтрацией входного сигнала можно рекомендовать уставку на уровне 1,5 собственных емкостных тока присоединения. Уставка по времени защит от замыканий на землю при действии на сигнал может приниматься в диапазоне от 0 до 0,5 с в зависимости от необходимости отстройки от переходных процессов.

В нормальном режиме низковольтный шунтирующий резистор SR ду- гогасящего реактора отключен и не влияет на точность настройки компенсации. Резистор подключается только на время, требуемое для срабатывания защит от замыканий на землю (1-3 с).



Рис. 1.5. Организация селективной релейной защиты от однофазных замыканий в сети с заземлением через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором

Термическая стойкость резистора, как правило, от 6 до 60 секунд. Подключение шунтирующего резистора регулятор REG- DPA реактора может выполнять как по факту перехода замыкания в устойчивое, так и просто через определенную выдержку времени (например, через 5 с после возникновения перемежающегося замыкания). Если замыкание в течение выдержки времени не перешло в устойчивое, то подключение шунтирующего резистора увеличивает активную составляющую в месте повреждения, тем самым способствуя стабилизации дуги (переходу замыкания в устойчивое). Если замыкание самоустранилось за время менее 5 с, резистор не подключается и сеть продолжает работать в нормальном режиме.

В проектной практике и эксплуатации мощность дугогасящего реактора выбирается исходя из емкостного тока сети и перспектив развития сети. В РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) мощность дугогасящих реакторов рекомендуется выбирать по формуле:

где 1,25 - коэффициент, учитывающий возможное развитие сети; U_H0U - номинальное напряжение сети; I_С - суммарный емкостный ток сети (включая емкостные токи РП, при их питании от подстанции, где устанавливаются дугогасящие реакторы). Мощность трансформатора для подключения дугогасящего реактора выбирается равной или большей мощности реактора.

1.3 Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через резистор (резестивное заземление нейтрали)

На рис. 6 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через высоковольтный резистор.

В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0), в нейтраль которого включается резистор.

На рис. 1.6 приведены возможные варианты включения резистора в сеть. Как правило, для реализации резистивного заземления нейтрали используют варианты 7а и 7в. Вариант 76 достаточно редкий и требует для своей реализации специального трансформатора.

Рис. 1.6. Варианты включения резистора в сеть

Все режимы заземления нейтрали через резистор (или, по-другому, резистивное заземление нейтрали) можно разделить на две большие группы с позиции создаваемого активного тока:

¦ высокоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) не превышает 10 А. Как правило, однофазное замыкание на землю при таком режиме заземления нейтрали можно не отключать, и защиты от замыканий на землю действуют на сигнал;

¦ низкоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) превышает 10 А. Как правило, суммарный ток однофазного замыкания при этом режиме заземления нейтрали существенно превышает 10 А, а именно, достигает десятков и сотен ампер, что требует действия защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени (или малой выдержкой).

Указанное деление на высокоомное и низкоомное резистивное заземление в отечественных документах не выполнено. Четкая граница между этими двумя подвидами резистивного заземления нейтрали дана в зарубежных нормативных документах, в частности, в IEEE Std 142-1991 «Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems».

Высокоомное резистивное заземление нейтрали может выполняться только в сетях с емкостным током I_с не более 5-7 А, при этом активный ток I_R создаваемый резистором, должен быть больше емкостного тока сети:

I_C?5ч7 A

I_C? I_R

При высокоомном резистивном заземлении нейтрали суммарный ток в месте повреждения складывается из емкостного тока сети и активного тока, создаваемого резистором заземления нейтрали:

Указанные активный и емкостный ток суммируются векторно и сдвинуты друг относительно друга на 90° (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании в сети с резистивным заземлением нейтрали

При равенстве активного тока, создаваемого резистором, и емкостного тока сети суммарный ток в месте повреждения увеличивается всего в раз. Так при емкостном токе сети величиной 5 А и активном токе 5 А, создаваемом резистором, суммарный ток в месте повреждения составит всего 7 А.

Низкоомное заземление нейтрали может выполняться в .сетях с любым емкостным током, при этом активный ток I_я, создаваемый резистором, также должен быть больше емкостного тока сети. Как правило, активный ток, создаваемый резистором, превышает емкостный ток сети не менее чем в 2 раза.

Обычно ток, создаваемый резистором при низкоомном резистивном заземлении нейтрали, лежит в пределах от 20 до 2000 А.

Выбор тока, создаваемого резистором, при низкоомном заземлении нейтрали является разумным компромиссом между двумя противопо-ложными задачами: повышением чувствительности защит от замыканий на землю за счет увеличения тока однофазного замыкания и ограничением тока в месте повреждения (однофазного замыкания) для снижения объема разрушения оборудования.

Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор, представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор:

Преимущества	Недостатки
1.Отсутствие необходимости в немедлен-ном отключении однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали). 2.Отсутствие дуговых перенапряжений. 3.Простая реализация релейной защиты. 4.Исключение повреждений измери-тельных TH из-за феррорезонансных процессов. 5.Уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц (при низкоомном заземлении нейтрали и быстром отключении).	1.Увеличение тока в месте повреждения (только для низкоомного заземления нейтрали). 2.Необходимость отключения однофазных замыканий (только для низкоомного заземления нейтрали).

Такие существенные преимущества сетей с резистивным заземлением нейтрали, как отсутствие перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, исключение феррорезонансных процессов насыщения трансформа-торов напряжения и возможность организации селективной релейной защиты от замыканий на землю, предопределили широкое использование этого режима в зарубежных странах.

Присущие режиму резистивного заземления нейтрали недостатки (увеличение тока в месте повреждения и необходимость отключения замыканий) преодолеваются за счет быстрого отключения поврежденного фидера и организации резервного питания потребителей.

Организация релейной защиты от замыканий на землю в сетях с высо- коомным и низкоомным заземлением нейтрали может отличаться.

Как правило, в сетях с высокоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю действуют на сигнал. При этом могут использоваться как простые токовые защиты при существенном превышении активным током емкостного, так и направленные защиты при значительных собственных емкостных токах присоединений. Защита от замыканий на землю с действием на отключение в сетях с высокоомным резистивным заземлением нейтрали может применяться, но необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания в таких сетях нет.

В сетях с низкоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю должны действовать на отключение поврежденного фидера с минимально возможной выдержкой времени. Однофазное замыкание при низкоомном резистивном заземлении нейтрали должно отключаться так же быстро, как и двухфазное или трехфазное КЗ.

Основываясь на изложенном выше, можно сделать вывод о том, что в сетях 6-35 кВ наиболее благоприятными с точки зрения эксплуатации являются режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с низковольтным шунтирующим резистором и режим заземления через резистор (высокоомный или низкоомный). Режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен из практики эксплуатации.

2. Разработка физических и математических моделей сетей 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями

2.1 Физическая модель кабельной сети 6-10кВ

Экспериментальная установка для физического моделирования процессов при замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью разработана на кафедре ,,Электрические станции” ЮРГТУ(НПИ) для исследования процессов и сравнительного испытания различных устройств защиты и сигнализации в установившихся и переходных режимах.

С целью упрощения установки в модели используются только факторы, определяющие основу процесса повреждения, пренебрегая при этом нагрузкой сети, заменяя распределенные емкости фаз элементов сети относительно земли эквивалентными расчетными емкостями Coj, не учитываются активные и индуктивные сопротивления линий, а также междуфазные емкости присоединений. Указанные и допустимые ограничения, как показывает большинство исследований и практический опыт, не влияют на степень достоверности результатов экспериментов. В целях безопасности применяется трехфазная электрическая сеть переменного тока напряжения 220/127 В.

Упрощенная принципиальная схема установки приведена на рис.2.1. Моделируется сеть, содержащая трехфазный источник питания с изолированной нейтралью и три присоединения. Эти присоединения имитируются тремя батареями конденсаторов С1, С2 и С3, которые подключается к шинам переменного напряжения соответственно через выключатели Q1, Q2, Q₃. Емкости батарей конденсаторов регулируются дискретно, независимо для каждой батареи, что позволяет регулировать емкостный ток в месте замыкания на землю I_з(с)=3I_0(с) при работе сети с изолированной нейтралью в диапазоне от 0,4 до 13А,

здесь I_0(с)=-jU_ф/х_с? , где U_ф - номинальное фазное напряжение сети;

Х_с?=1/щ₀С_0?-эквивалентное емкостное сопротивление сети;

Рис.2.1. Принципиальная схема стенда для физического моделирования однофазных замыканий на землю



Рис.2.2 Схема соединения конденсаторных батарей в стенде: (а) модель линии №1 и №2; (б) модель линии №3.

Контроль напряжения нулевой последовательности 3U₀ осуществляется при помощи трех однофазных трансформаторов напряжения, вторичные обмотки которых соединены в разомкнутый треугольник (измерительный трансформатор TV). Место повреждения (фаза А) устанавливается ключом SA:на любом из трех присоединений или на шинах питания. Емкостный ток замыкания на землю в месте повреждения замеряется амперметром PA4, при имитации замыкания на землю выключаем SF2.Емкостный ток каждого присоединения контролируется через измерительные трансформаторы тока TA1-TA3 амперметрами PA1-PA3.При этом в нормальном режиме работы сети косвенно измеряется емкостный ток фазы А присоединения, а при замыкании на землю фазы А измеряется емкостный ток замыкания каждого присоединения. В цепи каждого присоединения также устанавливаются стандартные трансформаторы тока нулевой последовательности TAO различных типов (Т3, ТЗЛМ, ТЗР), что позволяет исследовать влияние различных датчиков тока нулевой последовательности на устройства защиты и сигнализации (реле КА1-КА3).

Последовательно в цепи замыкания на землю вместо накладки ХВ1 может включаться дополнительный блок моделирования дуги MD.При этом можно создавать как реальную низковольтную дугу с помощью угольных электродов (как установившуюся, так и с кратковременным замыканием). С помощью специального управляющего ключа предусмотрена возможность производить замыкания в различные моменты времени, определенной длительности и полярности.

При моделировании процессов в сетях с компенсированной нейтралью к базовой модели подключается силовой трансформатор Т мощностью 2кВА, нейтраль которого замыкается через дугогасящий реактор (линейный дроссель L).

Индуктивность дросселя регулируется изменением воздушного зазора в широких пределах, что позволяет имитировать режимы недокомпенсации емкостного тока, перекомпенсации и практически идеальной компенсации.

В составе стенда имеется стандартные реле защиты типов РТЗ-50; РТЗ-51; ЗЗП-1; УСЗ-2/2 и РТ-40/0,2, что позволяет анализировать работу этих устройств при различных режимах замыкания и сравнивать их работу с вновь разрабатываемыми устройствами на микропроцессорной и микроэлектронной элементной базе.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных на физических моделях, хорошо совпадают с имеющимися данными авторов и с результатами реальных экспериментов при замыканиях на землю, проведенных сотрудниками кафедры на различных энергетических предприятиях.

2.2 Математическая модель кабельной сети 6-10кВ

Единственным, а порой и непреодолимым препятствием на пути широкого применения математического моделирования (вычислительный эксперимент) являлись ограниченные возможности вычислительной техники, как основного инструмента при моделировании. На сегодняшний уровень ее развития позволяет отнести эту проблему к разряду второстепенных для большинства задач.

Применение математического моделирования в электроэнергетике позволяет преодолеть целый ряд трудностей связанных с исследованием процессов с помощью экспериментального метода (натурный эксперимент). Кроме того, математическое моделирование позволяет в широких пределах варьировать параметры исследуемой модели, что невозможно сделать при исследованиях на натурной модели.

Все исследования, проводимые в этой работе, и полученные в ходе их результаты основаны на использовании системы компьютерного моделирования MATLAB. Выбор сделан в пользу этой системы, как основного инструмента при исследованиях, по многим причинам: среди них открытость системы, возможность создания не только своих элементов, но и возможность создавать законченные приложения с помощью собственного языка программирования (MATLAB-язык), а так же с помощью более популярных языков, таких как С++ или Fortran.



Рис.2.3 Математическая модель сети с компенсированной нейтралью

Рис.2.4 Токи в линии 1

Рис.2.5 Токи в линии 2

Рис.2.6 Напряжения на выводах источника



Рис.2.7 (1) сумма токов в линии1, (2) сумма токов в линии2, (3) 3U₀, (4)N

3. Разработка защиты от замыканий на землю в сетях 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями.

Старение оборудования обуславливает необходимость оснащения воздушных и кабельных линий 35 кВ устройствами защиты и сигнализации от замыканий на землю и требует принятия ряда технических решений с учетом особенностей схем и режимов его работы. При этом установка таких устройств не должна быть связана с существенной реконструкцией существующей электрической части подстанций и не требовать значительных дополнительных капитальных затрат.

В одном случае рассматривалась возможность оснащения устройствами защиты воздушных линий 35 кВ в сети с изолированной нейтралью. Поскольку одной из основных проблем при этом является обеспечение достаточной чувствительности при сравнительно малых величинах токов замыканий на землю, было принято решение об установке чувствительных токовых направленных защит нулевой последовательности. За основу было принято микропроцессорное устройство защиты типа РНМ-03КИ, разработанное в ЮРГТУ (НПИ). Принцип работы устройства основан на контроле модулей и фазовых соотношений первых гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности.

Для кабельных линий 35 кВ двухтрансформаторной подстанции защита выполнена на базе микропроцессорных устройств типа РЕНОМ-04, реализующую принцип относительного замера. Это позволяет выявить поврежденное присоединение по наибольшему значению высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности. Однако данный принцип построения защит применим при наличии трех и более присоединений, что не всегда имеет место в рассматриваемом случае.

С учетом отмеченного выше модернизировано устройство РЕНОМ-04 введением канала сравнения знаков и длительностей сигналов высших гармонических составляющих (токов и напряжений нулевой последовательности), двух каналов дуговой защиты. В этом случае защита может быть выполнена на базе индивидуальных устройств. Проведенные испытания подтвердили реализуемость алгоритмов функционирования. Разработанное устройство предполагается установить на двухтрансформаторной подстанции, на стороне 35 кВ которой имеется два и три присоединения соответственно.

Микропроцессорное устройство релейной защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-35 кВ типа РЕНОМ-04Л (в дальнейшем Устройство) предназначено для защиты воздушных и кабельных линий, работающих с изолированной, компенсированной или резистивно-заземленной нейтралью, от однофазных замыканий на землю. Устройство предназначено для установки в релейных отсеках КРУ и КРУН, на панелях и в шкафах РЗА.

Устройство типа РЕНОМ-04Л предназначено для эксплуатации в следующих условиях:

температура окружающего воздуха - от минус 10 до 55 С;

относительная влажность при 25 С - до 98 %;

атмосферное давление - от 550 до 800 мм рт. ст.;

окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных паров и газов, разрушающих изоляцию и металлы;

место установки должно быть защищено от попадания брызг, воды, масел, эмульсий, а также от прямого воздействия солнечной радиации;

синусоидальная вибрация вдоль вертикальной оси частотой от 10 до 100 Гц с ускорением не более 1 g;

многократные удары частотой от 40 до 80 ударов в минуту с ускорением не более 3 g, длительность ударного ускорения - от 15 до 20 мс.

Структурная схема РЕНОМ-04Л приведена на рис. 3.1. На схеме приняты следующие обозначения:

ДН, ДТ - датчики напряжения и тока нулевой последовательности,

БП - блок питания,

ФПЗ - фазоповоротное звено,

ПФ - полосовой фильтр,

ФПИ - формирователь прямоугольных импульсов,

ДЗ - дифференцирующее звено,



Рис.3.1. Структурная схема устройства РЕТОМ-04Л

МУ - масштабный усилитель напряжения нулевой последовательности,

ССФ - схема совпадения по фазе высших гармоник тока и напряжения нулевой последовательности,

ОНМ ВЧ - орган направления мощности высших гармоник,

ФС - формирователь сигнала 3I₀ высших гармоник,

БИЛ - блок измерений и логики,

МП - микропроцессор,

БИ - блок индикации,

БВР - блок выходных реле.



ЛИТЕРАТУРА

1. Серов В. И., Шуцкий В. И., Ягудаев Б.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. - М.: Наука. -1985. - 135 с.

2. А.с. 1026173 (СССР). Способ изготовления высоковольтного объемного резистора / Врублевский Л.Е., Жаворонков А.А., Захаров Г.А., Николаев И.В.; заявлено 03.07.1981, № 3313567/18-21; опубл. в Б. И., 1983, № 24.

3. Зильберман В.А., Эпштейн И.М., Петрищев Л. С., Рождественский Г. Г. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество, № 12, 1987, стр. 52-56.

3. М.А. Шабад Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. Конспект лекций. Издание Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов Минэнерго РФ. С.Петербург 2001

4. В.А. Шуин, А.В. Гусенков Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. Приложение к журналу Энергетик. М. НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик» 2001

5. Н.В. Чернобровов, В.А. Семёнов Релейная защита энергетических систем. М. Энергоатомиздат 1998

6. Руководящие указания по релейной защите: Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500кВ. Расчёты. М.: Энергия, 1980.

7. XVII научно-техническая конференция "Релейная защита и автоматика энергосистем 2006" Москва - 16-19 мая 2006г. Н.В.Гребченко, Донецкий национальный технический университет; А.А.Беликов, ЗАО «Донецксталь-металлургический завод».

8. С.И. Олейник, А.А. Сафарбаков Защита от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью, реагирующая на активную составляющую. Электрические станции. - 2002, № 3.

9. В.А. Семенов Мировая практика осуществления релейной защиты ВЛ и перспективы ее совершенствования. -Энергетик, 1997, №5.

10. Руководящие указания по релейной защите. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. -М.: Энергия, 1980.

11. А.А. Рудман, О.А. Юркова Адаптивная релейная защита - Релейная защита и линейная автоматика электрических сетей 110-750 кВ. Сборник научных трудов Энергосетьпроект, 1986.

12. О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС / Циркуляр Ц-01-97(Э). - М.: Росэнергоатом, 1997

13. А.И. Шалин Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости Электротехники. - № 1 (31), 2005.

Размещено на Allbest.ru

...