Модернизация электрооборудования главной понизительной подстанции электроснабжения металлургических предприятий

При установке стержневых молниеотводов на защищаемом здании от каждого молниеотвода должно быть проложено не менее двух токоотводов по противоположным сторонам здания.

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром 6-8 мм и уложена на кровлю непосредственно или под слой негорючих утеплителя или гидроизоляции. Сетка должна иметь ячейки площадью не более 150 м² (например, ячейка 12х12 м). Узлы сетки должны быть соединены сваркой. Токоотводы, соединяющие молниеприемную сетку с заземляющим устройством, должны быть проложены не реже чем через каждые 25 м по периметру здания.

В соответствии с требованиями ПУЭ при отсутствии точных сведений о материале крыши и наличии металлической связи с заземлителем принимаем для защиты здания подстанции металлическую сетку с размерами ячейки 12Ч12 м и диаметром прутка 8 мм. Токоотводы, соединяющие молниеприемную сетку с заземлителем, располагаем на расстоянии 12 м друг от друга по периметру здания. Токоотводы соединяются горизонтальным поясом вблизи поверхности земли [24, п. 3.2.2.3].

Для защиты трансформаторов, расположенных на открытом распределительном устройстве 110 кВ, применяем двойной стержневой молниеотвод, установленный на крыше здания подстанции. Высота молниеотвода принимается равной 6 м, таким образом, высота молниеприемника над уровнем земли составит 25 м (с учетом высоты здания подстанции). Молниеприемники установим по углам наиболее высокой части здания со стороны ОРУ-110 кВ. При этом расстояние между ними составит 42 м.

Рассчитаем защитные области для принятых молниеотводов согласно [25, с. 98] для случая h < L < 2h.

Радиус защиты на уровне земли для молниезащиты класса А:

r_o = (1,1 - 2•10^-3 ·h )·h = (1,1 - 2•10^-3•25)·25 = 26,3 м. (12.5.1)

Высота вершины конуса стержневого молниеотвода:

h_o = 0,85·h = 0,85•25 = 21,3 м. (12.5.2)

Высота средней части двойного стержневого молниеотвода:

h_c = h_o - (0,17 + 3•10^-4 ·h)·(L - h) = 21,3 - (0,17 + 3•10^-4 •25)(42 - 25) = 18,2 м. (12.5.3)

Радиус средней части зоны двойного стержневого молниеотвода на уровне земли:

Высота защищаемого оборудования (трансформатора ТРДЦН-63000 кВА) h_x = 7,5 м. Отсюда ширина средней части зоны двойного стержневого молниеотвода на высоте защищаемого объекта:

(12.5.4)

Схема молниезащиты и контура заземления приведены на рис. 13.4, 13.5.



Рис. 13.4 Молниезащита и контур заземления на ГПП-9

Рис. 13.5. Молниезащита на ГПП-9

1. Для защиты подстанции от прямых ударов молнии на крыше здания уложена молниеприемная сетка с размером ячейки 12х12 м.

2. Со стороны открытого распределительного устройства в двух углах здания установлены стержневые молниеприемники высотой 6 м.

3. Через каждые 12 м по периметру здания проложены токоотводы из полосы сечением 40х4 мм, соединенные с заземляющим устройством.

4. Стержневые заземлители (79 штук) располагаем вдоль стен здания п/с по периметру на расстоянии 1 м от стен через 3 м каждый.

13.6 Защита электрооборудования от перенапряжений

Оборудование электрических сетей подвергается многим опасным воздействиям. Одна из главных опасностей - перенапряжение. Перенапряжениями называются повышения напряжения электрических установок, которые могут быть опасными для изоляции. Увеличение стоимости электрооборудования не позволяет проектировать его с изоляцией, которая выдерживала бы любые перенапряжения. По этой причине подход к решению проблемы состоит в том, чтобы встраивать защитные устройства в сеть.

Наибольшую опасность для оборудования представляют импульсные перенапряжения. Они возникают вследствие атмосферных разрядов (внешние) и коммутаций в сети (внутренние). Коммутационные (внутренние) перенапряжения возникают при изменении режима работы электроустановок, например при отключении цепей с большой индуктивностью или емкостью, в момент отключения сети при коротком замыкании, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью и т.д. Атмосферные (внешние) перенапряжения возникают в результате воздействия на электроустановку атмосферного электричества при грозовых разрядах.

Использование ограничителей перенапряжения (ОПН) является наиболее эффективной защитой от этих перенапряжений. ОПН устанавливается в непосредственной близости от защищаемого оборудования и действует как шунт для импульса перенапряжения.

Сопротивление ОПН нелинейно, поэтому при превышении некоторого предела небольшие изменения напряжения на зажимах ОПН приводят к стремительному росту тока через него.

По сравнению с вентильными разрядниками ОПН обладают следующими преимуществами:

- глубоким уровнем ограничения всех видов перенапряжений;

- отсутствием сопровождающего тока после затухания волны перенапряжения;

- простотой конструкции и высокой надежностью в эксплуатации;

- стабильностью характеристик и устойчивостью к старению;

- способностью к рассеиванию большой энергии;

- малыми габаритами, весом и стоимостью.

Выбранный ОПН должен обеспечивать:

- ограничение коммутационных и грозовых перенапряжений до значений, при которых обеспечивается надежная работа защищаемых электроустановок;

- надежную работу, не теряя своей термической устойчивости, при непрерывном воздействии наибольших рабочих напряжений сети и перенапряжений в рабочих и аварийных режимах;

- взрывобезопасность при протекании токов к.з. в результате внутренних повреждений;

- соответствие механическим и климатическим условиям эксплуатации.

Для защиты изоляции нейтрали силового трансформатора применяем подходящий по параметрам ОПН.

Выбор ОПН производим по двум главным параметрам. Один из них длительно-допустимое рабочее напряжение U_c, при котором ОПН будет работать надежно и устойчиво. Другой - способность поглощения разряда, или номинальный ток разряда I_n в соответствии с классом разряда линии.

Первая величина, необходимая для выбора напряжения U_c ОПН - напряжение, прикладываемое к зажимам ОПН в нормальных, неаварийных условиях. В данном случае это напряжение между нейтралью и землей. Из-за большого значения тока замыкания на землю отключение происходит очень быстро. Поэтому рабочее напряжение U_c ОПН выбирается как:

 (12.6.1)

где Т - коэффициент возрастания напряжения;

U_мр - максимальное рабочее напряжение, кВ.

Для времени перенапряжения t =0,5 c по рис. 2 [1] принимаем Т = 1,36.

U_мр=U_m=131 кВ, (12.6.2)

где U_m - максимальное напряжение изоляции оборудования.

Подставляя известные данные, получим:

(12.6.3)

Номинальный разрядный ток составляет I_п = 10 кА.

Исходя из этих параметров выбираем ОПН-У-110/56 (II) [11]. Характеристики ОПН приведены в таблице 13.2.

Для защиты питающих кабельных линий 110 кВ ГПП-9 от перенапряжений применяем ОПН/TEL-110/73 фирмы «Таврида Электрик».

Номинальный разрядный ток составляет I_п = 10 кА. Характеристики ОПН приведены в таблице 13.2.

Для защиты отходящих кабельных линий ГПП-9 от перенапряжений применяем комплект ОПН, включенных между фазой и землей (установка в кабельном отсеке отходящих фидеров). Рабочее напряжение ОПН определим следующим образом:

(12.6.4)

где для времени перенапряжения t =3 c по рис. 2 [1] принимаем Т = 1,28.

Номинальный разрядный ток составляет I_п = 10 кА.

Исходя из этих параметров по [11] выбираем ОПН-РТ/TEL?10/11,5-10 УХЛ2. Характеристики ОПН приведены в таблице 13.2.

Таблица 13.2. Параметры ограничителей перенапряжений

Параметр	Тип ограничителя
	ОПН-У-110/56 (II)	ОПН-PТ/TEL ? 10/11,5 -10	ОПН/TEL- 110/73
Класс напряжения сети, кВ	110	10	110
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uс, кВ	56	12	73
Номинальный разрядный ток 8/20 мкс, кА	10	10	10
Напряжения (кВ) на ОПН при импульсе тока 30/60 мкс с амплитудой: - 250 А, не более - 500 А, не более	140 145	26,9 27,6	176,3 181
Напряжение (кВ) на ОПН при импульсе тока 8/20 мкс с амплитудой: - 5000 А, не более - 10000 А, не более - 20000 А, не более	178 193 217	32,8 35,8 40,1	214,5 232 262,2
Классификационное напряжение ОПН (при амплитуде тока 1,4 мА), U, кВ, не менее	73	13,7	89,8
Удельная энергоемкость, кДж	5,0	5,5	5,0
Длина пути утечки внешней изоляции, см, не менее	870	20,5	315
Масса, не более, кг	15	1,5	15

14. Компенсация емкостных токов в сети 10 кВ

14.1. Однофазные замыкания на землю в сети 10 кВ

Наиболее распространенным типом замыканий на землю в электрических сетях являются однофазные замыкания. Они являются причиной 80% всех повреждений оборудования. Расчет токов короткого замыкания проведенный в пункте 14.2 показал, что режим изолированной нейтрали для сети 10 кВ недопустим по причине больших токов замыкания на землю [2]. Большой ток замыкания на землю может привести к развитию однофазного замыкания на землю в многофазные замыкания. Кроме того, данный вид замыкания представляет определенную опасность поражения электрическим током персонала предприятия.

Значительное улучшение качества электропередачи достигается при снижении количества отключений в распределительных сетях с помощью резонансных заземляющих систем (компенсационных систем) путем заземления нейтрали через устройство с высоким реактивным сопротивлением. В качестве такого устройства используется реактор со стальным магнитопроводом (дугогасящий реактор, также известный как катушка Петерсена), настраиваемый в соответствии с полной емкостью сети относительно земли, тогда при замыкании на землю емкостной ток сети будет скомпенсирован индуктивным током реактора. В результате остаточный ток в месте однофазного замыкания значительно снизится и будет иметь в основном активную составляющую. Величина остаточного тока составляет 5-10% от тока однофазного замыкания на землю в сети без компенсации.

В сетях с малыми токами замыкания на землю, работающих с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи трехфазного КЗ.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли уменьшается (иногда вплоть до нуля), а напряжения неповрежденных фаз увеличиваются, поэтому повышенные напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ.

Емкость сети в основном определяется длиной присоединенных линий, в то время как емкости относительно земли обмоток генератора или трансформатора сравнительно невелики.

14.2. Расчет емкостных токов замыкания на землю в сети 10 кВ

Расчет токов однофазного замыкания на землю в сети 10 кВ проведем по эмпирической формуле, приведенной в [28, с. 145].

где l - длина кабельной линии, км,

n - число кабелей в линии,

S - сечение жилы кабеля, мм,

U_н - номинальное напряжение линии, кВ.

Результаты расчетов сведены в таблицу 14.1.

Таблица 14.1. Результаты расчетов однофазных замыканий на землю

Секция	Ячейка	Присоединение	Кабель	Длина, км	Iс, А
			Тип	Число ниток
1	2	3	4	5	6	8
I-1	9	ФЛЦ, печь 1	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	0,48	1,63
	12	ФЛЦ, печь 2	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	0,48	1,63
Суммарный емкостный ток секции	3,25
I-2	4	РУ-10 кВ «Сигран», яч.3	АПвЭоГП-10-3Ч150	2	2,3	6,72
	5	п/ст. 49, яч. 13, 15	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	0,48	2,1
	102	КС №1, К-1500 №7 10000 кВт, яч. 5	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	0,85	3,73
	104	КЦ-2 КТ-7 тр-р 630 кВА	АПвЭоГП-10-3Ч150	1	1,8	2,63
	108	п/ст. 2, яч. 13	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	1,79	7,85
	109	п/ст. 1«Н», яч.1	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	0,98	3,32
Суммарный емкостный ток секции	26,4
II-1	15	РУ-10 кВ «Сигран», яч.2	АПвЭоГП-10-3Ч150	2	2,3	6,72
	16	п/ст. 12, яч. 17	АПвЭоБГ-10-3Ч185	2	0,75	2,54
	20	п/ст. 4«Р», яч.5, п/ст. 4«С», яч.51	АПвЭоВнг-10-3Ч150	5	0,7	5,11
	27	п/ст. 49, яч. 14, 16	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	0,48	2,1
	28	ЦРП-3 КХП, яч. 21,23	АПвЭоБГ-10-3Ч185	4	2,28	15,4
	33	ГПП-1, яч. 11	АПвЭоБГ-10-3Ч185	4	1,59	10,8
Суммарный емкостный ток секции	42,7
II-2	80	п/ст. 16, яч. 11	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	2,82	12,4
	81	РП-20 ККЦ-1	АПвЭоБГ-10-3Ч150	3	1,3	5,7
	84	СД №3 9000 кВт К-1500 №4, яч. 3	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	0,82	3,6
	91	п/ст. 48, яч. 13	АПвЭоБГ-10-3Ч150	3	0,57	2,5
	92	п/ст. 11, яч. 6	АПвЭоБГ-10-3Ч185	2	1,09	3,69
	93	п/ст. 12, яч. 7, 8	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	0,75	2,54
	96	РП-11 ГЭС, яч. 12	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	1,5	5,08
Суммарный емкостный ток секции	35,5
III-1	63	п/ст. 4«Р», яч.5, п/ст. 4«С», яч.51	АПвЭоВнг-10-3Ч150	5	0,7	5,11
	67	ПВС ТЭЦ	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	1,8	7,89
	74	ЦРП-1 КХП, яч. 17	АПвЭВнг-10-3Ч150	2	1,87	5,47
	76	п/ст. 1«Н», яч. 56	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	1,02	3,45
Суммарный емкостный ток секции	21,9
III-2	38	ЦРП-3 КХП, яч. 20, 22	АПвЭоБГ-10-3Ч185	4	2,28	15,4
	39	п/ст. 48, яч. 20	АПвЭоБГ-10-3Ч185	3	0,5	2,54
	46	СД №52 9000 кВт К-1500 №2, яч. 11	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	0,83	3,64
	49	РП-11 ГЭС, яч. 8	АПвЭоВнг-10-3Ч185	2	1,5	5,08
	50	п/ст. 3, яч. 42	АПвЭоВнг-10-3Ч150	3	1,73	7,58
	51	МЦМО, КТП-67«а»	АПвЭоВнг-10-3Ч95	1	0,3	0,33
Суммарный емкостный ток секции	34,6

В соответствии с требованиями [2] на секциях I-2, II-1, II-2, III-1, III-2 должна быть применена компенсация емкостных токов ОЗЗ. Так для всех секций I_с не превышает 50 А в соответствии с рекомендациями [29] компенсация емкостного тока ОЗЗ во всем возможном диапазоне его изменения в рабочих режимах может быть осуществлена при применении одного ступенчато-регулируемого или плавно-регулируемого реактора. Более эффективное решение обеспечивает применение плавно-регулируемого реактора с автоматической настройкой компенсации.

Применение дугогасящих реакторов дает следующие преимущества:

- значительное снижение токов однофазного замыкания по сравнению с применением заземления нейтрали через резистор или в сетях с изолированной нейтралью.

- Минимизация опасного воздействия на оборудование и обслуживающий персонал.

- Снижение возможности повторного зажигания дуги и замыкания на землю

- В большинстве случаев (до 80%) однофазное замыкание исчезает и перерыва в электроснабжении не происходит.

На секции I-1 (расчетные значения I_с < 20 А) допустима работа с изолированной нейтралью (в нормальном режиме работы).

14.3 Выбор дугогасящих реакторов

Дугогасящий реактор представляет собой индуктивность, предназначенную для гашения дуги емкостного тока замыкания на землю и ограничения перенапряжений при повторных зажиганиях заземляющей дуги.

По способам регулирования тока компенсации современные дугогасящие реакторы разделяются на три основных вида:

- с переключением ответвлений обмотки (ступенчато-регулируемые реакторы);

- с изменением зазоров в магнитной системе (плунжерные реакторы);

- с изменением индуктивности подмагничиванием постоянным током.

Дугогасящая катушка является центральным элементом защитной системы. Поскольку характеристики сети имеют свойство меняться, то и индуктивность дугогасящей катушки, используемой для заземления нейтрали, должна иметь возможность регулировки. Существуют два основных принципа регулировки индуктивности: переключение витков в катушке, когда витки или секции катушки соединены или разъединены (секционированная катушка), или непрерывное изменение магнитного сопротивления дугогасящей катушки посредством механического привода (катушка с втяжным сердечником).

Предпочтительно использовать катушку с втяжным сердечником, чем катушку со ступенчатой регулировкой индуктивности, т.к. для изменения индуктивности не требуется никаких операций переключения, которые могут вызвать возмущение сети во время короткого замыкания на землю. Катушки с втяжным сердечником можно настраивать точно на минимальный ток в месте короткого замыкания благодаря возможности непрерывной регулировки.

Мощность реакторов должна выбираться по значению емкостного тока сети с учетом её развития в ближайшие 10 лет. Определение емкостного тока сети для выбора мощности дугогасящих реакторов можно производить путем расчетов.

Расчетная мощность реакторов Q (кВАр) определяется по формуле:

для секции I-2, (14.4.1)

для секции II-1, (14.4.2)

для секции II-2, (14.4.3)

для секции III-1, (14.4.4)

для секции III-2, (14.4.5)

где n - коэффициент, учитывающий развитие сети,

Ic - полный ток замыкания на землю, А,

Uф - фазное напряжение сети, кВ.

14.4 Выбор системы автоматического регулирования ДГР

Перечислим требования к одноканальным компенсирующим устройствам, которые обеспечивают автоматическую резонансную настройку контура нулевой последовательности (КНПС).

1. Необходимо обеспечить постоянную готовность ДГР к парированию ОЗЗ путем резонансной настройки КНПС при всех видах возмущений, действующих на сеть (изменение конфигурации сети и погодных условий, старение изоляции и т.д.).

2. При эксплуатации сети в режиме глухого ОЗЗ следует поддерживать минимально возможную величину тока через место повреждения изоляции при любых видах возмущений.

3. При возникновении перемежающейся дуги в месте ОЗЗ необходима непрерывная подстройка ДГР для обеспечения наилучших условий гашения перемежающихся дуг.

4. Реализация пунктов 1-3 повышает требования к точности резонансной настройки КНПС.

5. Всемерное снижение опасностей от ОЗЗ при больших изменениях ёмкости энергосети, возникающих при отключении большого количества потребителей, требует высокого быстродействия резонансной настройки КНПС во всех режимах эксплуатации сети.

6. Для осуществления указанных пунктов необходима асимптотическая (без автоколебаний) устойчивость системы автокомпенсации при всех возможных возмущениях, действующих на систему.

7. Компенсация емкостных токов КНПС во всех режимах работы сети не должна нарушать работоспособности применяемой земляной защиты или сигнализации, если защитное воздействие на сеть автокомпенсации ниже защитного действия земляных защит.

8. Работоспособность систем автокомпенсации должна быть обеспечена в условиях изменения токов естественной несимметрии сети.

9. Необходимо создать условия для предупреждения аварийных ситуаций за счёт профилактической работы в сетях на основе накопления информации о самоликвидирующихся ОЗЗ.

10. Защитное действие системы автокомпенсации должно быть глобальным, т.е. распространяться на все виды электрооборудования сети, а не на отдельные её участки.

11. Опасные шаговые напряжения вблизи места повреждения изоляции сети должны быть минимальными.

12. Необходимо способствовать простой локализации повреждений.

Эффективное решение вышеперечисленных требований возможно лишь при использовании совершенных автоматических систем автокомпенсации с подходящим для этой цели ДГР в сочетании с селективной защитой присоединений.

Сравним несколько решений, предлагаемых сегодня на российском рынке.

На данный момент наиболее интересными являются следующие предложения:

- Система фирмы TRENCH, Австрия.

- Микропроцессорный контроллер МИРК 4.1 с плунжерным реактором РЗДПОМ.

- Микропроцессорный контроллер САНК 4.2 с реактором типа РУОМ.

Система фирмы TRENCH, Австрия

Система защиты от короткого замыкания на землю фирмы Trench Austria (рис. 14.1) включает в себя следующие функциональные единицы:

- Дугогасительная катушка с постоянной регулировкой;

- Контроллер компенсации тока замыкания на землю на основе микропроцессора;

- Селективное определение местоположения низкоомных и высокоомных замыканий на землю;

- Подавление остаточного тока для сведения к минимуму риска в месте короткого замыкания на землю в результате продолжительного короткого замыкания на землю.



Рис. 14.1. Система компенсации емкостного тока TRENCH

Дугогасящий реактор

В системе фирмы TRENCH используется плунжерный реактор. Его преимущества:

1) возможность непрерывной регулировки тока под нагрузкой путем изменения воздушного зазора до втяжного сердечника;

2) механическая регулировка положения втяжного сердечника с помощью приводного механизма, который расположен поверх бака, имеет индикатор положения и потенциометр дистанционной индикации.

3) наличие вспомогательной силовой обмотки для непрерывной работы в режиме 10% от номинальной мощности дугогасящей катушки (для компенсации остаточного тока);

4) наличие высокоскоростного механического привода, с которым максимальное время настройки не превышает 5 сек.

5) линейность и высокая добротность;

6) эффективное использование активных материалов;

7) экономичность;

8) простота математического описания и легкость управления;

На сегодняшний день фирма TRENCH производит реакторы на напряжения 6-35кВ на токи 5-500А номинальной мощностью 100-1000кВА.

ФМЗО

Для подключения реакторов должны использоваться силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток "звезда с выведенной нейтралью-треугольник". Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов. Фирма TRENCH также производит дугогасительные агрегаты, состоящие из реактора и трансформатора для его подключения.

Регулятор компенсации

Система защиты от ОЗЗ состоит из постоянно настраиваемой дугогасящей катушки в сочетании с автоматическим компенсационным устройством контроля и избирательным (селективным) высокочувствительным устройством обнаружения ОЗЗ. В частности разработанный новый метод для селективного обнаружения ОЗЗ через большое сопротивление, входящий в систему защиты от ОЗЗ, предлагает средства для раннего определения персоналом повреждения в сети среднего напряжения, что невозможно при использовании традиционных методов и устройств.

Регулятор EFC40

Для определения точки резонанса регулятор компенсации ОЗЗ EFC40 (рис. 14.2) использует метод введения тока в контур нулевой последовательности и поэтому расстройка дугогасящей катушки не требуется.

Рис. 14.2. Регулятор компенсации EFC40

Регулятор ОЗЗ EFC40 определяет индуктивность контура нулевой последовательности при помощи измерения векторов напряжения на нейтрали и тока в контуре нулевой последовательности сети до и во время введения тока.

Если сеть строго симметрична, напряжение нейтрали относительно земли незначительно и отсутствует резонансная кривая, которая может быть использована в качестве сигнала управления. В этом случае можно увеличить напряжение нейтрали относительно земли, используя постоянное введение тока в контур нулевой последовательности таким образом, чтобы при изменении схемы сети обеспечивается надежная работа регулятора EFC40. В дальнейшем система EFC40 способна оптимизировать регулирование нескольких дугогасящих катушек, установленных в одной сети путем воздействия на их электроприводы.

Примечание: режим работы регулятора EFC40 обязательно требует установки устройства введения тока ECI.

Система определения места ОЗЗ EFD

Основа электронной части системы защиты от ОЗЗ - устройство определения ОЗЗ EFD, которое используется как отдельное устройство определения ОЗЗ EFD 10 и как комбинированное устройство для контроля и определения EFD 40 (компактное устройство). Разница между новым методом определения ОЗЗ и релейными методами, доступными в настоящее время, состоит в том, что измерительные сигналы токов нулевой последовательности регистрируются и объединяются в главном устройстве для дальнейшей обработки через каждые 20 мсек. Полная проводимость нулевой последовательности источников питания (метод проводимости) определяется векторным измерением токов нулевой последовательности (I₀₁.....І_0n) и напряжением нулевой последовательности (U_о) до и во время изменения системы нулевой последовательности. Изменение системы нулевой последовательности вызвана введением тока, то есть при помощи введения тока система EFD определяет в неповрежденной сети контрольные значения полной проводимости на землю и их несимметрию по источнику питания путем векторного измерения U_о и I_о. После этой начальной фазы проверка без введения тока проводится каждые 20 мсек. для того, чтобы определить присоединение, в котором происходит изменение несимметрии. Подсчет подобных изменений производится с использованием векторных измерений фактических значений U_о и I_о и их контрольное значение регистрируются во время начальной фазы. Присоединение, показывающее наибольшее изменение несиметрии, считается поврежденным. Используя данный метод, можно обнаружить ОЗЗ через большое сопротивление (до 100 кОм). Подобную селективность или чувствительность трудно достичь, используя какое-либо устройство или систему традиционной технологии защиты от ОЗЗ.

Устройство подачи тока ECI

Устройство введения тока ECI используется для изменения напряжения нулевой последовательности путем введения тока в контур нулевой последовательности. Это изменение напряжения нулевой последовательности требуется как для работы регулятора компенсации ОЗЗ EFC40, так и для устройства определения ОЗЗ EFD.

Введение тока в контур нулевой последовательности обычно осуществляется во вторичной дополнительной обмотке для создания необходимого напряжения на дугогасящей катушке.

Устройство введения тока ECI состоит из трансформатора, конденсаторов для ограничения тока, реле, контролирующих и сигнальных контактов.

Микропроцессорный контроллер МИРК 4.1 с плунжерным реактором РЗДПОМ.

Дугогасящий реактор.

Дугогасящий реактор типа РЗДПОМ (реактор заземляющий, дугогасящий, плунжерный, однофазный, масляный) предназначен для компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ, аналогичен реакторам, описанным в п.14.4.1.1.

ФМЗО

Подключение реакторов аналогично методу, описанному в п. 14.4.1.2.

Регулятор компенсации

Для автоматического управления плунжерными дугогасящими реакторами типа РЗДПОМ предназначен микроконтроллерный блок автоматического регулирования МИРК-4.1 (рис. 14.3, рис. 14.4), разработанный ООО «МИКРО-Инжиниринг» и изготавливаемый по ТУ 3425-001-40093098-2005.

Микроконтроллерный регулятор МИРК-4.1 за счет использования современного микроконтроллера и цифровой обработки входных сигналов обладает большей чувствительностью и помехозащищенностью, чем старые регуляторы типа УАРК, РНДК, БАНК и др. Одновременное определение резонансной настройки по амплитуде и фазе напряжения смещения нейтрали полностью исключает ложное срабатывания регулятора. Цифровая обработка сигналов позволяет очень точно производить все необходимые регулировки (зоны нечувствительности, задержки срабатывания и т.д.).



Рис. 14.3. Блок управления реактором РЗДПОМ с регулятором МИРК 4.1

Рис. 14.4. Система компенсации емкостного тока на базе регулятора МИРК 4.1

Наличие в МИРК-4.1 дополнительного порта (USB) позволяет оперативно получать информацию о степени расстройки компенсации, срабатывании ДГР, времени возникновения замыкания на землю и токе компенсации ДГР, которая записывается в файл журнала событий и может передаваться на компьютер диспетчера.

Алгоритм работы автоматического регулятора построен на обработке одновременно двух сигналов: угла сдвига фаз межу напряжением смещения нейтрали U₀ и опорным напряжением U_оп и амплитуды напряжения смещения нейтрали U₀. При первом пуске регулятор замыкает один из управляющих контактов и гонит плунжер ДГР вверх или вниз. Если напряжение смещения нейтрали уменьшается, регулятор автоматически делает реверс и гонит плунжер ДГР в сторону резонанса. Резонанс определяется по максимуму амплитуды U₀. Регулятор останавливает плунжер в резонансном положении и запоминает соответствующие значения напряжения смещения нейтрали U₀ и угол между U_оп и U₀ (измеренный угол виртуально приравнивается 0). Далее регулятор работает в ждущем режиме.

Управляющая программа микроконтроллера позволяет работать в двух основных режимах:

- ручной поиск резонанса;

- автоматический поиск резонанса.

В режиме ручного поиска резонанса оператор находит точку резонанса по максимуму напряжения смещения нейтрали U₀, запоминает ее и далее микроконтроллер уже сам отслеживает состояние сети, автоматически настраивая реактор в резонанс по заданным ранее параметрам.

В режиме автоматического поиска резонанса регулятор сам определяет точку резонанса по максимуму напряжения смещения нейтрали после каждого изменения параметров высоковольтной сети.

Микропроцессорный контроллер САНК 4.2 с реактором типа РУОМ

Дугогасящий реактор

Микропроцессорный контроллер САНК 4.2 предназначен для использования реакторами типа РУОМ (рис. 14.5). Реакторы типа РУОМ-это управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы. Их преимущества:

1) технологичность;

2) высокая надёжность;

3) большой ресурс из-за отсутствия механических узлов.



Рис. 14.5. ДГР РУОМ и регулятор САНК

ФМЗО

Подключение реакторов аналогично методу, описанному в п. 14.4.1.2.

Регулятор компенсации

Работа САНК (рис. 14.6) основана на измерении напряжений и токов непромышленной частоты в контуре нулевой последовательности, зависящих от емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости дугогасящего реактора с целью последующего регулирования тока управляемого дугогасящего реактора типа РУОМ в режиме однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). Плавное регулирование тока РУОМ в широком диапазоне обеспечивается насыщением участков магнитопровода, на которых расположены секции обмотки, с помощью встроенного тиристорного преобразователя, угол открытия которого управляется регулятором САНК в соответствии с заданным текущим значением емкостного тока замыкания на землю. В режиме холостого хода, при отсутствии управления, амплитуда переменного потока не превышает индукции насыщения стали, и ток реактора составляет несколько процентов от номинального значения. В соответствии с принципом работы магнитного усилителя, по мере вытеснения переменного магнитного потока потоком насыщения за перегиб вебер-амперной характеристики, ток реактора возрастает до номинального, когда в режиме полупредельного насыщения участков магнитопровода в течение всего полупериода переменный поток превышает индукцию насыщения, а ток реактора практически синусоидален.

Напряжение непромышленной частоты вводится в контур нулевой последовательности сети через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, а напряжение нейтрали сети с обмоток трансформатора напряжения (НТМИ или НАМИ), соединенных в открытый треугольник непрерывно измеряется устройством САНК. Определяется резонансная частота.

При каждом цикле измерения пересчитывается уставка, которая определяется по следующей формуле:

I уст = ((I дгр + I баз ) (f₅₀/f_p)2 - I баз) Uн тек / Uфаз,

где I уст - уставка по току САНК;

Iдгр - ток реактора РУОМ;

Iбаз - ток базового реактора; f50 - частота сетевого напряжения;

fр - частота резонанса;

Uн тек - текущее напряжение на нейтрали сети в режиме ОЗЗ;

Uфаз - фазное напряжение сети, соответствующее смещению нейтрали сети при однофазном металлическом замыкании на землю.

Также обеспечивается подмагничивание реактора стабилизированным током до величины, соответствующей существенной расстройке компенсации, когда индуктивное сопротивление обмотки реактора примерно вдвое превышает текущее емкостное сопротивление емкости сети на землю. Благодаря этому, во-первых, отсутствуют коммутационные перенапряжения, характерные для резонансно настроенных сетей, а во-вторых, оказывается возможным производить непрерывное измерение текущей емкости сети на частоте, отличной от промышленной.

При возникновении замыкания на землю блокируется работа генератора непромышленной частоты. САНК переходит в режим «компенсация» и формирует импульсы управления тиристорным преобразователем РУОМ, обеспечивая подмагничивание и поддерживая ток реактора в соответствии с ранее определенной уставкой. Ток реактора в режиме компенсации измеряется устройством САНК при помощи встроенного в реактор трансформатора тока.

При исчезновении замыкания на землю схема с выдержкой времени переходит в исходное состояние измерения емкости сети.

Анализ рассмотренных систем

Анализ рассмотренных систем начнём с типов реакторов, используемых в них.

Системы фирм TRENCH и ОРГРЭС используют плунжерные ДГР, в то время как система САНК применяется с реакторами с подмагничиванием.

Применение ДГР с подмагничиванием не предлагается по ряду технических причин (внутренние обратные связи делают ДГР неработоспособным в режиме дугового ОЗЗ без компенсации активной составляющей и весьма осложняют задачу предварительной настройки в нормальном режиме, повышенное содержание гармоник в токе, нелинейность, сложность математического описания и т.п.), в том числе и по неконкурентной большой стоимости данного типа ДГР.

Системы фирм TRENCH и ОРГРЭС используют ДГР плунжерного типа, которые не имеют описанных выше недостатков.

Австрийские системы на сегодняшний день системы имеют преимущество, заключающееся в использовании элементов одной фирмы (ДГР, ФМЗО, контроллер, система защит и обнаружения ОЗЗ), соответственно сервис осуществляется также одной компанией. Это преимущество неоспоримо, например, по сравнению с контроллером САНК 4.2, настройку которого может производить только ООО «ЭЛУР».

В соответствии с приведенными выше выкладками примем к установке на подстанции трансформаторные агрегаты (дугогасящий реактор с трансформатором, в нейтраль которого он включается) серии ELD с дугогасящими реакторами с втяжным сердечником и устройства контроля и определения ОЗЗ серии EFD40 производства фирмы TRENCH AUSTRIA. Характеристики трансформаторных агрегатов сведены в таблицу 14.2. Характеристики устройства контроля и определения ОЗЗ сведены в таблицу 14.3. Для секций I-2, II-2, III-1, III-2 примем трансформаторные агрегаты ELD мощностью 250 кВА, а для секции II-1 - мощностью 315 кВА.

Таблица 14.2. Характеристики трансформаторного агрегата ELD

Параметр	Значение параметра
Номинальное напряжение, кВ	10
Номинальный ток реактора, А	4-40, 5-50
Номинальная мощность трансформатора, кВА	250, 315
Режим работы	длительный

Таблица 14.3. Характеристики устройства контроля EFD40

Устройство управления
Центральный процессор	32-битный транспьютер (процессор с сокращённым набором команд с устройством для выполнения операций с плавающей точкой), 1 МБ ОЗУ
Память	4 МБ ОЗУ, 8 МБ ППЗУ для программного кода
Экран	ЖК, разрешение 640х200, с подсветкой
Обнаружение и измерение сигнала
Центральный процессор	24-битный процессор (для обработки) сигналов
Аналого-цифровой преобразователь	16 бит, 50 000 образцов.
Входное напряжение	0 - 100 В переменного тока
Входной ток	0 - 1 А или 0 - 5 А
Цифровые выходы	16 выходных контактов реле для сменной платы, объединенные в 4 астатические группы (250 В переменного тока, максимум 4 А, 1000 ВА или 250 В постоянного тока, максимум 1 А, 100 Вт)
Светодиодный дисплей	Индикация неисправной питающей линии, индикация состояния цифровых входов и выходов
Последовательный интерфейс	3хRS232 для модема, ПК или SCADA (шина стандарта SPA, соответствует стандарту IEC 870-5-103)
Источник питания	110…230 В переменного/постоянного тока
Ширина / высота / глубина	483 / 265 / 300 мм
Масса	16 кг

Заключение

В проекте проведена модернизация подстанции ГПП-9 110/10 кВ ОАО «НЛМК». Проведен анализ существующей схемы электроснабжения района ГПП-9. Осуществлен расчет электрических нагрузок и величин токов трехфазного короткого замыкания. На основании полученных данных о величинах токов короткого замыкания произведены выбор и проверка на электродинамическую, термическую стойкости и коммутационную способность электрооборудования подстанции с использованием современной элементной базы. Были предложены к установке комплектное распределительное устройство ELTEMA с вакуумными выключателями BB/TEL и АВВ VD4, ограничители перенапряжений на отходящие линии 10 кВ, в нейтрали трансформаторов и на питающие кабельные линии 110 кВ, трансформаторы напряжения НАМИ-10, 110; терминалы микропроцессорной защиты ABB (RET, REF), аккумуляторная батарея VARTA малообслуживаемой серии. Кроме того, предложена замена маслонаполненных кабелей и кабелей с бумажной пропитанной изоляцией кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Проведён расчёт токов ОЗЗ. По результатам анализа систем компенсации емкостных токов замыкания на землю предложены к установке системы фирмы Trench Austria. Рассчитаны уставки блоков микропроцессорной защиты распределительных линий 10, 110 кВ и защиты трансформатора. Рассмотрены вопросы качества и автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии на подстанции. Рассчитаны молниезащита и контур заземления подстанции, потери активной мощности и напряжения в элементах подстанции. Произведен экономический расчет предлагаемого проекта модернизации.

В результате модернизации электрооборудования подстанции повысится надежность электроснабжения потребителей, уменьшатся потери в элементах электрической сети. Также снизятся расходы на эксплуатацию оборудования, так как предполагаемое к установке оборудование в основном не требует проведения текущих ремонтов и имеет высокие показатели качества.

Библиографический список

1. Грудинский П.Г. Электротехнический справочник, изд. 4-е, переработ., [Текст] / под ред. П.Г. Грудинского, М.Г. Чиликина (главн. ред.) и др. Т.2, М., «Энергия», 1972.- 816 с., ил.

2. Правила устройства электроустановок. - 7-е изд., перераб. и доп. с изм. М.: Главэнергонадзор, 1998.

3. Федоров А.А. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. [Текст] / Под общ. ред. А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского. В 2-х кн. Кн.2. Технические сведения об оборудовании. М., «Энергия», 1974.-528 с., ил.

4. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов: Учеб. пособие для сред. проф. образования [Текст] / Е.А.Конюхова. - 2-е изд., стер.- М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 320 с.

5. Федоров А.А. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. [Текст] / Под общ. ред. А.А.Федорова и Г.В. Сербиновского. В 2-х кн. Кн.1. Проектно-расчетные сведения. М., «Энергия», 1973.-520 с., ил.

6. ООО «АББ Москабель» [Текст]: каталог продукции. - «ABB inc.»

7. ООО «Электрощит» [Текст]: каталог продукции. - «Московский завод электрощит».

8. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования РД 153-34.0-20.527-98. [Текст]

9. Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций: Учебник для сред. проф. образования [Текст] / Л.Д.Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.В. Чиркова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 448 с.

10. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т.3. Кн.1. Производство, передача и распределение электрической энергии [Tекст] / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др. - 6-е изд. испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982. - 656 с.: ил.

11. ООО «Таврида Электрик» [Текст]: каталог продукции. - «Таврида Электрик».

12. Сайт фирмы «АББ» http:\\abb.com

13. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев, В.А. Старшинов и др., под ред. И.П. Крючкова и В.А. Старшинова - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 416 с.

14. ООО «Электрофарфор» [Текст]: каталог продукции. - «Электрофарфор».

15. Иванов, А.В. Методическое пособие по расчету систем оперативного тока, собственных нужд, заземляющих устройств и молниезащиты подстанций 35 кВ и выше. [Текст] / А.В.Иванов, Т.В.Колчин, А.В. Осьминушкин. - Н.Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2000. - 40 с., ил.

16. Рокотян С.С. Справочник по проектированию подстанций 35- 500 кВ [Текст] / Под ред. С.С. Рокотяна, Я.С. Самойлова. - М.: Энергоатомиздат, 1982. -352 с.: ил.

17. Сайт фирмы “VARTA” http:\\varta.com ( интернет-источник).

18. Свирен С.Я. Электрические станции, подстанции и сети. [Текст] / С.Я.Свирен. - Киев: Государственное издательство технической литературы, 1972. - 308 с., ил.

19. Басс Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем: Учебное пособие [Текст] / Э.И. Басс, В.Г. Дорогунцев, под ред. А.Ф. Дьякова. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 296 с., ил.

20. Рязанцева Л.М. Экономическая оценка эффективности инвестиций: Методические указания к расчетному заданию и дипломному проекту. [Текст] / Л.М. Рязанцева. - Липецкий государственный технический университет, Липецк, 1999. - 40 с.

21. Шпиганович А.А. Методические указания к технико-экономическим расчетам по курсовому проектированию для студентов специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 181300 «Внутризаводское электрооборудование». [Текст] / А.А. Шпиганович. - Липецкий государственный технический университет, Липецк, 1999. - 28 с.

22. Шабад М.А. Автоматизация распределительных электрических сетей с использованием цифровых реле [Текст] / М.А. Шабад. - 4-е издание., доп. - СПб. : ПЭИПК, 2005. - 48 с.

23. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб. для проф. учеб. заведений./ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков - М.: Высш. шк., 2001. - 336 с.: ил.

24. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при работе в электроустановках ПОТ РМ-016-2001; РД 153-34.0-03.150-00. [Текст]

25. Шеховцов В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. методическое пособие для курсового проектирования. [Текст] / В.П. Шеховцов. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 214 с., ил.

26. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. [Текст]

27. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО 153-34.21.122-87. [Текст]

28. Беркович М.А. Основы техники релейной защиты. Изд. 6-е [Текст] / М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А. Семенов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 378 с.

29. Халилов Ф.Х. Перенапряжения в электрических сетях. Учеб. пособие. - СПб.: ПЭИпк, 2002. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru

...