Быстродействующее шунтирование однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Быстродействующее шунтирование однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6 - 10 кВ с изолированной нейтралью

Е.А. Кротков, Г.И. Точилкин

Замыкание на землю токоведущих частей электроустановок напряжением 6 - 10 кВ является преобладающим видом повреждений. На основании этого получены аналитические зависимости между токами замыкания на землю и параметрами электрической сети при различных режимах работы нейтрали, кроме того, рассмотрены альтернативные методы устранения замыканий на землю.

Ключевые слова - быстродействующее защитное шунтирование замыкания на землю, надежность электроснабжения, селективност, электрические сети.

The earth fault of current-carrying parts of electrical installations with voltage 6 - 10 kV is the predominant type of damage. On the basis of this, analytical dependencies between ground fault currents and electrical network parameters are obtained for various modes of neutral operation, in addition, alternative methods for eliminating earth faults are considered.

Keywords - high-speed protective shunting of ground fault, reliability of electricity supply, selectivity, electrical networks.

Наиболее часто встречающимися повреждениями в распределительных сетях 6 - 10 кВ являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ).

Для ограничения отрицательного влияния токов ОЗЗ на оборудование созданы различные режимы заземления нейтрали, а также разработаны устройства для обеспечения надежного электроснабжения и селективной работы релейной защиты, однако они не в полной мере способны исключить все негативные явления, возникающие при замыканиях на землю.

Изолированная нейтраль

Основным преимуществом сетей с изолированной нейтралью является простота воплощения этого режима, потому что сразу же исчезает необходимость применения компенсирующих и специальных устройств для заземления нейтрали. Стоит отметить и относительную безопасность этих сетей в нормальном режиме работы, что дает возможность использовать их в местах повышенной либо особой опасности [4].

Однако в таких сетях существует ряд значительных недостатков, среди которых разрушение железобетонных опор воздушных линий токами ОЗЗ величиной более 10А, появление перемежающихся дуговых замыканий со значительными перенапряжениями на неповрежденных фазах, сложность обнаружения местоположения ОЗЗ, вероятность неправильной работы релейной защиты и т.д. [2,5].

Глухозаземленная нейтраль

Применение режима глухого заземления нейтрали в сетях 6 - 35 кВ в России не разрешено ПУЭ, потому что высокие значения токов короткого замыкания обуславливают применение релейной защиты, действующей на отключение, что приводит к перерыву в электроснабжении потребителей. Кроме того, данный режим заземления приводит к удорожанию и усложнению заземляющих устройств [8]. К достоинствам глухозаземленной нейтрали можно отнести снижение уровня перенапряжений в сети, что позволяет снизить капитальные затраты. Такие электрические сети применяются в странах Северной и Южной Америки.

Заземление нейтрали через резистор

В промышленных сетях практически всех стран Европы наиболее широко используется режим заземления нейтрали через резистор. Применение резистора особенно актуально в городских кабельных сетях с резервированием, а также при питании высоковольтных электродвигателей [1].

При высокоомном режиме заземления нейтрали (ток, протекающий через место повреждения, не превышает по величине 10А, схема подключения резистора изображена на рис. 1) ОЗЗ допускается не отключать. При этом защиты работают на сигнал, что повышает надежность электроснабжения и позволяет найти поврежденный фидер без применения поочередного отключения линий. Данный вид заземления применяется на любых типах опор, исключает феррорезонансные явления, многоместные повреждения изоляции в сети. Высокоомное резистивное заземление нейтрали имеет ограничения в применении по току (сети с током ОЗЗ не более 5ч7А, причем IR ?IC) и классу напряжения. Кроме того, в месте повреждения увеличивается ток замыкания, повышается вероятность повторных пробоев в точках сети с ослабленной изоляцией, ограничивается развитие сети по величине емкостного тока, ухудшаются условия гашения дуги в месте повреждения и т.д.

При применении низкоомного заземления нейтрали емкостная составляющая тока не влияет на величину
полного тока. Наибольший эффект достигается при использовании подобного режима в кабельных сетях. Низкоомное заземление позволяет практически исключить вероятность дальнейшего развития повреждения, полностью исключить дуговые прерывистые ОЗЗ, снизить уровень перенапряжений. Сети с низкоомным резистором активно развиваются в энергосистеме г. Москвы и Московской области на классе напряжения 20 кВ. Но этот тип заземления также имеет ограничения в использовании. По некоторым источникам, он может применяться лишь в сетях с большими токами ОЗЗ и высокой степенью резервирования.

В [6] было предложено комбинированное (установка неотключаемого высокоомного резистора параллельно каждому ДГР) заземление нейтрали (рис. 2). На основании сравнения данных работы сети 6 кВ ТЭЦ Новокузнецкого металлургического комбината с заземлением нейтрали через ДГР и комбинированным заземлением нейтрали было установлено, что комбинированное заземление

Рис.1. Электрическая схема заземления нейтрали через высокоомный резистор.

ток замыкание шунтирование электрический

Рис.2. Электрическая схема комбинированного заземления нейтрали.

Заземление нейтрали через индуктивность

Применение заземления нейтрали через индуктивность, как и применение глухого заземления, в сетях напряжением 6 - 35 кВ в России не разрешено нормативными документами [8]. Ток ОЗЗ по величине должен составлять 60% тока трехфазного короткого замыкания для исключения переходных перенапряжений, что является нецелесообразным по причине повышенного термического воздействия на оборудование. К тому же в качестве индуктивности используется трансформатор специального назначения, что повышает капитальные затраты. Защита в таких сетях работает на отключение, что снижает надежность электроснабжения [1].

Заземление нейтрали через дугогасящий реактор

Широкое применение заземления нейтрали с помощью дугогасящего реактора (далее - ДГР) в большинстве стран Европы обусловлено высокими требованиями к надежности электроснабжения. ДГР позволяет устранить возникновение перемежающихся дуговых замыканий, самоликвидировать замыкания на землю, повысить чувствительность сигнализации о замыканиях на землю через большое переходное сопротивление. Применение ДГР с шунтирующим низковольтным резистором дает возможность организации селективной релейной защиты от ОЗЗ с различными типами, однако повышаются капитальные затраты на сеть. Отсутствие резистора создает проблему организации селективной защиты.

Из существующих типов ДГР (со ступенчатым, плавным регулированием и подмагничиванием) реакторы со ступенчатым и плавным регулированием при переключении необходимо отключать от сети, к тому же они имеют различные недоработки конструктивных элементов. Реакторы с подмагничиванием не нужно отключать от сети, однако они в момент ОЗЗ не имеют оптимальную величину индуктивности [2]. Кроме того, в
токе компенсации присутствуют высшие гармоники, что создает условия для длительного горения дуг.

Инновационные разработки

В настоящее время компанией Swedish Neutral [9] разработан ДГР со статической конструкцией, не требующий обслуживания, и с высоким быстродействием, которое достигается путем постоянной настройки в резонанс с помощью отключения или включения блока конденсаторных батарей, подключаемых к вспомогательной обмотке реактора. Кроме ДГР для совместного использования разработаны устройство автоматической настройки ДГР в резонанс, обеспечивающее настройку даже при плавающем смещении нейтрали, устройство определения поврежденного присоединения с двумя параллельно работающими алгоритмами и заземляющий трансформатор с физическим выделением нейтрали.

Быстродействующее шунтирование

Известно, что одним из эффективных средств борьбы с замыканиями на землю является закорачивание на землю аварийной фазы [7].

В качестве устройства, ограничивающего негативные последствия ОЗЗ, предлагается устройство защитного шунтирования. Основное преимущество заключается в осуществлении защиты от ОЗЗ без перерыва в электроснабжении потребителей. Устройство защитного шунтирования позволит селективно шунтировать поврежденные линии, организовывая при этом простую релейную защиту.

Устройство работает следующим образом (рис. 3): при возникновении ОЗЗ элемент выбора поврежденной фазы определяет поврежденную фазу и выдает команду на элемент управления, которая в случае отсутствия запрета от устройства блокировки, запрещающего или разрешающего выдачу команды от элемента выбора фазы к элементу управления, передается на устройство искусственного замыкания. Данный элемент шунтирует ОЗЗ, снижая ток в месте повреждения. После выдержки времени элемент искусственного замыкания отключается, и при устранении замыкания не включается. В случае наличия замыкания устройство искусственного замыкания снова шунтирует ОЗЗ и остается в таком положении до отключения через элемент блокировки диспетчером.

На основании теоретической части, взятой из [3], были проведены расчеты и выявлены аналитические зависимости между токами сети и всеми параметрами при шунтировании поврежденной фазы, получены зависимости напряжений фаз сети относительно земли от параметров сети.

В качестве расчетной была взята кабельная линия электропередачи напряжением 10 кВ, длиной 10 км с сечением жилы 95 мм2.

Расчетная схема сети показана на рис. 3. На ней обозначены: Z - сопротивление фазы линии до места замыкания, RШ - сопротивление шунта,

RЗ - сопротивление в цепи тока замыкания,

ZИЗ - сопротивление изоляции одной фазы, l - длина линии до места замыкания, IЗ - ток замыкания на землю,

UЗ - напряжение в месте замыкания относительно земли, ЕА,ЕВ, ЕС - источник трехфазного напряжения.

Рис. 3. Расчетная схема с устройством защитного шунтирования.

(1).

Так как сопротивление изоляции сети относительно земли значительно больше сопротивления шунта, сопротивления замкнувшейся фазы и сопротивления линии, то уравнение (1) приобретает упрощенный вид:

(2).

В дальнейшем токи замыкания на землю рассчитываются по формуле (2).

На рис. 4 представлена зависимость напряжения замыкания на землю от сопротивления шунта, на рис. 5 - зависимости тока замыкания от сопротивления шунта и в точке замыкания. По графикам видно, что с увеличением сопротивления ток замыкания становится меньше.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Ток замыкания на землю в большей степени зависит от тока нагрузки. Соответственно, можно выбирать сопротивление шунта под конкретный ток нагрузки таким образом, чтобы ток замыкания на землю имел минимальное значение (близкое к нулю);

2. С целью достижения наиболее эффективной защиты необходимо шунтировать поврежденную фазу непосредственно в месте замыкания.

Рис. 4. Зависимость напряжения замыкания на землю от сопротивления шунта.

Рис.5. Зависимость тока замыкания от сопротивления шунта и в точке замыкания.

Список литературы

1. Назарычев, А., Пугачев, А. Комплексные инновационные решения по заземлению нейтрали в сетях 6 - 35 кВ. Сети России.

2. Куличенков, В.П. Защита от атмосферных и внутренних перенапряжений в электроустановках напряжением 6 - 750 кВ.; БНТУ, 2010.

3. Цапенко, Ю.Е. Защитное шунтирование с программным управлением в системах электроснабжения 6 - 10 кВ.; Москва, 1992.

4. Беляев, А.В. Электробезопасность в трёхфазных сетях переменного тока: учеб. пособие / - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - 94 с.

5. Сирота, И.М., Кисленко, С.Н., Михайлов, А.М. Режимы нейтрали электрических сетей/- Киев: Наук. думка, 1985. - 264 с.

6. Сарин, Л.И., Ильиных, М.В., Ширковец, А.И., Буянов, Э.В., Шамко, В.Н. Анализ результатов мониторинга процессов при однофазных замыканиях на землю в сети 6 кВ с дугогасящими реакторами и резисторами в нейтрали/ - журнал «Энергоэксперт», № 1 - 2008.

7. Гуревич, В.И. Некоторые технические аспекты проблемы защиты от замыканий на землю распределительных сетей среднего напряжения/ - журнал «Промышленная энергетика», № 1 - 2001.

8. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. - М.: КРОНУС, 2007.

9. www.swedishneutral.ru

10. Самойлович, И.С. Вопросы координации изоляции электрических сетей карьеров. - В кн.: Электробезопасность на горнорудных предприятиях. Днепропетровск: Днепропетр. горн. ин-т.

11. Сирота, И. М. Оптимизация режимов нейтрали в электрических сетях напряжением до 35 кВ. - Киев: О-во «Знание» УССР, 1980. - 30 с.

12. Короткевич М.А. Эксплуатация электрических сетей: [учебник для вузов по специальности "Электроэнергетические системы и сети"] /Короткевич М.А. - 2-е изд., испр. и доп. - Минск: Вышэйшая школа, 2014. - 350 с.

13. Самойлович И.С. Внутренние перенапряжения в карьерных сетях с изолированной нейтралью и пути их ограничения. - В кн.: Режимы нейтрали в электрических сетях. Киев: Наук. думка, 1974.

14. Герасименко А.А., Кинев Е.С., Чупак Т.М. Электроэнергетические системы и сети. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

15. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6 - 35 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 128 с.: ил.

16. Багаев Д.В., Сазонов В.Н., Астафьев С.О., Кучеренко В.И. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6 - 35 кВ в ОАО «МРСК Волги». - Кабель-news/№ 3/ март 2009.

Размещено на Allbest.ru