Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6–10 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина"

Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ

М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина,

Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова, В.А. Шуин

Авторское резюме

токовый дуговой однофазный заземление

Состояние вопроса: Для защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в распределительных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, как правило, применяются максимальные токовые защиты нулевой последовательности (ТЗНП). Опыт эксплуатации ТЗНП показывает, что частые отказы функционирования защит данного типа имеют место при наиболее опасных для защищаемой сети дуговых перемежающихся ОЗЗ. Анализ показал, что причины недостаточного технического совершенства ТЗНП связаны с применяемым в настоящее время подходом к оценке их чувствительности, который предполагает ее оценку только при устойчивых замыканиях на землю и не требует ее оценки при дуговых перемежающихся замыканиях. В настоящее время методы оценки чувствительности ТЗНП при дуговых перемежающихся ОЗЗ отсутствуют.

Материалы и методы: Разработка подхода и методики оценки чувствительности ТЗНП при дуговых перемежающихся ОЗЗ проводились с применением комплексных имитационных моделей «Кабельная сеть 6-10 кВ - алгоритм ТЗНП», выполненных с применением пакетов SimPowerSystem и Simulink системы моделирования Matlab.

Результаты: Предложен поход и разработана методика оценки чувствительности ТЗНП не только при устойчивых, но и при дуговых перемежающихся замыканиях.

Выводы: Достоверность разработанной методики проверена исследованиями на имитационных моделях кабельных сетей и алгоритмов функционирования ТЗНП. Предложенная методика позволяет более точно оценить реальную эффективность функционирования ТЗНП при внутренних ОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью и может быть использована проектными и эксплуатационными организациями при расчетах уставок и оценке чувствительности ТЗНП.

Ключевые слова: кабельные сети 6-10 кВ, изолированная нейтраль, однофазные замыкания на землю, токовые защиты нулевой последовательности, чувствительность, имитационное моделирование.

Abstract

Evaluation of the sensitivity of the current protection against earth faults in 6-10 kV cable networks

M.S. Al-Homidi, O.A. Dobriagina, E.S. Shagurina, Т.Yu. Shadrikova, V.A. Shuin

Background: For protection against single-phase earth fault (SGF) in distribution 6-10 kV cable networks, working with isolated neutral, generally used in zero sequence overcurrent protection (ZSCP). The ZSCP operating experience shows that the frequent failures of protection operation of this type take place under the most threat for protected network arc interspersed oz. The analysis showed that the reasons for the lack of ZSCP technical perfection associated with the currently used approach to assessing their sensitivity, which suggests its assessment of a persistent ground fault and does not require the evaluation during arc intermittent short-circuits.

Materials and Methods: The study of the causes of lack of ZSCP technical perfection and development of methods of its increase in arc SGF was conducted using simulation models of cable networks 6-10 kV and algorithms of digital versions of current protections implemented with the use of packages SimPowerSystem and Simulink system modelling Matlab.

Results: It is shown that for increase of efficiency of ZSCP functioning 6-10 kV cable networks, working with isolated neutral, their sensitivity must be measured not only in steady but also in arc intermittent SGF. Proposed hike and the method of evaluation of sensitivity of digital versions of ZSCP not only be sustained, but also during arc intermittent short-circuits.

Conclusions: The developed method allows to more accurately evaluate the effectiveness of zero sequence current protection in all types of ground faults in 6-10 kV cable networks with insulated neutral and can be filtered through into the design, commissioning and operational organizations in the zero sequence current protection calculations.

Key words: 6-10 kV cable networks, insulated neutral, single-phase earth faults, zero sequence current protection, sensitivity, simulation.

Введение

Более 50% вырабатываемой в РФ электроэнергии распределяется потреби-телям через кабельные сети напряжением 6-10 кВ. Значительная часть распределительных кабельных сетей 6-10 кВ работает с изолированной нейтралью. Аварии в таких кабельных сетях 6-10 кВ составляют около 70% всех нарушений электроснабжения потребителей. Причиной аварий часто являются дуговые перемежающиеся ОЗЗ (ДПОЗЗ). ДПОЗЗ сопровождаются опасными перенапряжениями на неповрежденных фазах по всей электрически связанной сети и значительным увеличением эффективного значения тока в месте повреждения, обуславливающими вторичные пробои в точках сети с ослабленной изоляцией и переходы ОЗЗ в двойные замыкания на землю или междуфазные короткие замыкания (КЗ) в месте повреждения [1, 2 и др.]. Поэтому надежность электроснабжения потребителей в значительной мере зависит от технического совершенства - селективности и устойчивости функционирования устройств защиты от ОЗЗ, обеспечивающих определение поврежденного элемента и возможность ликвидации дефекта изоляции без нарушения электроснабжения потребителей.

В сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, в качестве устройств защиты от ОЗЗ преобладающее применение получили максимальные токовые защиты нулевой последовательности (ТЗНП) [например, 3, 4]. Анализ опыта эксплуатации устройств защиты от ОЗЗ электрических сетей среднего напряжения, выполненный в 2000 г. ОРГРЭС на основе информации, полученной из четырнадцати энергосистем [5], показал, что все исполнения ТЗНП, как на электромеханической, так и на микроэлектронной базе, имеют среднюю оценку эффективности функционирования, равную 2,8-3,0, что вряд ли можно признать приемлемым (табл. 1).

Таблица 1

Оценки эффективности функционирования различных исполнений защиты от ОЗЗ [5]

Поэтому исследования, направленные на повышение технического совершенства, прежде всего, современных цифровых исполнений ТЗНП на микропроцессорной базе, актуальны.

Условия селективности и чувствительности цифровых исполнений ТЗНП в кабельных сетях 6-10 кВ

Первичный ток срабатывания ТЗНП в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью выбирается из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешних ОЗЗ [3, 4 и др.]:

где К_отс = 1,3 - коэффициент отстройки; I_{C собс} - собственный емкостный ток защищаемого присоединения, определяемый при номинальном фазном напряжении сети U_ф.ном; С_{0 собс} - емкость фазы на землю защищаемого присоединения; = 250; К_{бр.макс} - максимальное значение коэффициента, учитывающего увеличение тока 3I₀ в неповрежденном присоединении за счет бросков переходных емкостных токов при ДПОЗЗ.

В цифровых исполнениях ТЗНП в качестве воздействующей величины может быть использовано среднеквадратичное или средневыпрямленное значение полного тока 3I₀ или его составляющей основной частоты 50 Гц в защищаемом присоединении. В [6] показано, что использование в качестве воздействующей величины среднеквадратичного значения составляющей основной частоты 50 Гц тока 3I₀ обеспечивает более эффективную отстройку защиты от влияния переходных токов при внешних ДПОЗЗ, чем использование средневыпрямленного значения. Для таких исполнений ТЗНП коэффициент К_{бр.макс} устанавливает соотношение между собственным емкостным током защищаемого присоединения I_{C собс} при внешнем устойчивом ОЗЗ и составляющей основной частоты 50 Гц на входе измерительного органа тока ТЗНП при ДПОЗЗ. Значение коэффициента К_бр зависит в основном от интервалов времени между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги при дуговых прерывистых ОЗЗ. Наибольших значений коэффициент К_бр = К_{бр.макс} достигает при ДПОЗЗ, развивающихся в соответствии с теорией W. Petersen [7], когда повторные пробои изоляции возникают через полупериод рабочей частоты T₅₀/2 = 10 мс. В [3, 6, 8 и др.] для микропроцессорных ТЗНП рекомендуется принимать К_{бр.макс} = 2-3.

Эффективность срабатываний ТЗНП при внутренних замыканиях в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. [Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. № 204]. - М.: Омега-Л, 2012. - 272 с. оценивается коэффициентом чувствительности только при устойчивых ОЗЗ (УОЗЗ), определяемым по выражению

где I_C?мин _ суммарный емкостный ток сети в расчетном минимальном режиме; К_{ч. мин} - минимально допустимое значению коэффициента чувствительности (1,2 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение).

Отметим, что такой способ оценки эффективности функционирования ТЗНП при внутренних повреждениях не гарантирует устойчивых срабатываний при значительно более опасных для сети и поврежденного элемента ДПОЗЗ. В то же время известно [например, 10, 11], что в сетях 6-10 кВ большая часть ОЗЗ в кабелях и электрических машинах начинается с дугового прерывистого замыкания, которое может длиться от нескольких минут до нескольких часов и более. По данным [4, 11] "бездействие" ТЗНП на этой стадии развития повреждения изоляции из-за недостаточной чувствительности в 50 и более процентов случаев является причиной переходов ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания на землю или КЗ в месте повреждения и аварийного отключения одного или двух присоединений.

О подходе к оценке чувствительности ТЗНП при ДПОЗЗ

Известно [например, 1, 2 и др.], что дуговые прерывистые ОЗЗ сопровождаются опасными для сети перенапряжениями (т.е. являются дуговыми перемежающимися - ДПОЗЗ) только при определенных интервалах времени t между повторными зажиганиями и гашениями заземляющей дуги, при этом кратность перенапряжений К_п = U_макс /U_ф.m увеличивается при уменьшении величины t. Так как амплитуды переходного тока при пробоях изоляции фазы сети на землю и максимальные кратности перенапряжений К_п взаимосвязаны, то значение К_{бр.макс} соответствует максимальным значениям К_п и минимальным значениям t_мин между повторными зажиганиями заземляющей дуги. Минимальные значения t_мин, при которых возникают наиболее опасные перенапряжения, имеют место при ДПОЗЗ, протекающих в соответствии с классической теорией W. Petersen [7], и равны половине периода основной частоты Т₅₀/2 = 10 мс. C увеличением t кратность перенапряжений и опасность их для сети уменьшается, при этом уменьшаются и значения К_бр. Начиная с некоторых значений t > t_макс перенапряжения, сопровождающие повторные пробои изоляции, перестанут представлять опасность для сети. Для достижения одной из главных целей функционирования защиты от ОЗЗ - снижения вероятности их переходов из-за перенапряжений в двойные замыкания на землю или междуфазные КЗ в месте повреждения и повышения надежности электроснабжения потребителей необходимо, чтобы ТЗНП обеспечивала возможность фиксации дуговых прерывистых ОЗЗ при t ? t_макс. Указанным максимальным значениям t_макс, при которых дуговое прерывистое ОЗЗ имеет характер опасного ДПОЗЗ, можно поставить в соответствие значение К_бр = К_бр.мин.

Используя введенное понятие К_бр.мин, можно оценить чувствительность ТЗНП при ДПОЗЗ, представляющих опасность для всей электрически связанной сети по величине сопровождающих их перенапряжений:

Из (1), (2) и (3) можно получить условия применимости ТЗНП (условие одновременного обеспечения минимально допустимой устойчивости несрабатываний при внешних ОЗЗ и минимально допустимой чувствительности при внутренних УОЗЗ и ДПОЗЗ):

- при обеспечении чувствительности только при внутренних УОЗЗ

- при обеспечении чувствительности при внутренних ДПОЗЗ

Из сравнения (4) и (5) можно видеть, что при К_бр.мин < 1 более жестким является условие обеспечения минимально допустимой чувствительности при внутренних ДПОЗЗ (5), а при К_бр.мин 1 - условие обеспечения минимально допустимой чувствительности при внутренних УОЗЗ (4).

Из (4) и (5) можно видеть также, что условия применимости ТЗНП определяются не только относительным значением собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_{c собс*,} но и в значительной мере величиной коэффициентов броска переходного тока К_{бр.макс} и К_бр.мин. Для практической оценки возможностей обеспечения минимально допустимой чувствительности ТЗНП не только при УОЗЗ, но и, что более важно в аспекте снижения аварийности в кабельных сетях с изолированной нейтралью и повышения надежности электроснабжения потребителей, также и при более опасных ДПОЗЗ, необходимо определить значения К_бр.мин, характерные для кабельных сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью.

Оценка значений К_бр.мин на имитационных моделях

Оценки значений К_{бр.макс} для наиболее эффективных цифровых исполнений ТЗНП, основанных на использовании составляющих основной частоты 50 Гц тока 3I₀, полученные на комплексных имитационных моделях "Кабельная сеть 6-10 кВ - ТЗНП" в системе Matlab, даны в [6]. Учитывая сложность математического описания переходных процессов при ДПОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, в данной работе расчетные значения К_бр.мин также получены на имитационных моделях, отражающих основные особенности конфигурации и значения параметров элементов кабельных сетей 6 - 10 кВ промышленного и городского электроснабжения, выполненных в среде Matlab. Суммарный емкостный ток I_C исследуемых кабельных сетей изменялся в пределах от единиц ампер до 30 А. При исследованиях ДПОЗЗ, кроме значений t, варьировались также условия гашения и повторного зажигания заземляющей дуги заземляющей дуги (в соответствии с существующими теориями W. Petersen, J. Peters и J. Slepian или Белякова Н.Н. [7, 12, 13]), удаленность места повреждения от шин, индуктивность источника питания сети и др.

При экспериментах для одних и тех же расчетных условий оценивались кратности максимальных перенапряжений К_П на шинах центра питания исследуемой сети и соотвествующие им значения коэффициента броска переходного тока К_бр в поврежденном присоединении. Значения К_бр определялись для исполнений ТЗНП, основанных на использовании основной составляющей 50 Гц тока 3I₀ (т.е. выполненных с применением фильтров, выделяющих из тока 3I₀ составляющую основной частоты).

На рис. 1 и 2 приведены полученные на основе обработки результатов вычислительных экспериментов на имитационных моделях зависимости максимальных кратностей перенапряжений на неповрежденных фазах К_п и соответствующих им значений К_бр от интервалов времени t между повторными зажиганиями заземляющей дуги для кабельных сетей 6-10 кВ с изолированной нейтралью с различными значениями суммарного емкостного тока I_C.

Рисунок 1 Зависимость максимальных значений кратностий перенапряжений при ДПОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью с I_C = 5... 30 А от интервалов времени t между повторными пробоями изоляции: 1 - I_C = 5 А; 2 - I_C = 30 А

Рисунок 2 Зависимость значений коэффициента К_бр при ДПОЗЗ в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью с I_C = 5... 30 А от интервалов времени t между повторными пробоями изоляции: 1 - I_C = 5 А; 2 - I_C = 30 А

Из рис. 1 и 2 можно видеть, что при уменьшении кратности перенапряжений К_п уменьшаются и соответствующие им значения коэффициента К_бр, при этом в отличие от К_П значения К_бр практически не зависят от суммарного емкостного тока сети I_C. Задаваясь значением опасной для контролируемой сети кратности перенапряжений К_{п.макс.доп}, из зависимостей рис. 1 и 2 можно определить соответствующее ей значение К_бр.= К_{бр. мин}.

Известно, что наиболее слабыми по запасам изоляционной прочности элементами кабельных сетей напряжением 6-10 кВ кВ являются электрические машины (электродвигатели и генераторы), изоляция которых при высоковольтных испытаниях в соответствии с существующими нормами [9] должна проверяться напряжением U_исп 2,9U_ф.m. Известно также, что применяемые для защиты кабельных сетей от дуговых перенапряжений ограничители перенапряжений (ОПН) с учетом их технических возможностей и методики выбора их параметров обеспечивают величину остающегося напряжения U_ост (2,7... 3)U_ф.m [2]. С учетом этого, кратности дуговых перенапряжений К_п < 2,9-3,0 можно рассматривать как относительно безопасные для контролируемой сети. Из рис. 1 можно видеть, что опасные для сети перенапряжения с кратностью К_{п.макс.доп} 3 возникают при t ? 60 мс. Поэтому такие дуговые ОЗЗ следует рассматривать как опасные ДПОЗЗ, при которых ТЗНП должна срабатывать. Отметим, что значение t ? 60 достаточно хорошо коррелируется экспериментальными данными, полученным в реальных кабельных сетях 6-10 кВ [14].

Принимая, что опасные для сети перенапряжения могут возникать при значениях t_мин ? 60 мс, из зависимости рис. 2 можно получить

К_бр.мин 0,25-0,3.

Полученные рассмотренным способом значения К_бр.мин позволяют более точно оценить по выражениям (3) и (5) реальную эффективность функционирования и область возможного применения цифровых исполне-ний ТЗНП на объектах распределительных кабельных сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью.

Выводы

1 Предложен подход к оценке чувствительности максимальных токовых защит от замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ с изолированной нейтралью не только при устойчивых, но и при наиболее опасных дуговых перемежающихся ОЗЗ.

2 На основе исследований на имитационных моделях показано, что для защиты кабельных сетей 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, от опасных перенапряжений при дуговых ОЗЗ ТЗНП должна обеспечивать требуемую чувствительность при внутренних дуговых прерывистых ОЗЗ с интервалами времени между повторными пробоями изоляции t ? 50-60 мс, которым соответствуют значения коэффициента К_бр.мин 0,25-0,3.

3 Полученные на основе исследований на имитационных моделях кабельных сетей 6-10 кВ значения коэффициента К_бр.мин позволяют оценить чувствительность ТЗНП не только при устойчивых, но и при дуговых перемежающихся замыканиях на землю.

Список литературы

1. Лихачев, Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия. 1971. 208 с.

2. Халилов, Ф.Х. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Ф.Х. Халилов, Г.А. Евдокунин, В.С. Поляков и др.: под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. СПб.: Энергоатомиздат, 2002. 268 с.

3. Шабад, М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей / М.А. Шабад. СПб.: ПЭИПК, 2003. 350 с.

4. Шуин, В.А. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ / В.А. Шуин, А.В. Гусенков. М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001. 104 с.

5. Борухман, В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию / В.А. Борухман // Энергетик. 2000, № 1. С. 20-22.

6. Аль-Хомиди, М.С. Выбор воздействующей величины цифровых токовых защит от однофазных замыканий на землю в кабельных сетях среднего напряжения / М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Т.Ю. Шадрикова, В.А. Шуин // Вестник ИГЭУ. 2015. Вып. 2. С. 21-29.

7. Petersen W. Der aussetzende (intermittierende) Erdschluss. ETZ, 1917, H. 47, 48.

8. Александров, А.М. Выбор уставок срабатывания асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ /А.М. Александров. СПб.: ПЭИПК, 2004. 80 с.

9. Дударев, Л.Е. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях / Л.Е. Дударев, С.И. Запорожченко, Н.М. Лукьянцев // Электрические станции. 1971, № 8. С. 64-66.

10. Шалыт, Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях // Труды ВНИИЭ. Вып. 8. М.: Госэнергоиздат. 1959. С. 77 - 97.

11. J.F. Peters, J. Slepian. Voltage Induced by Areign Grounds. Tr. AIEE, 1928, Apr., p. 478.

12. Беляков, Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 и 10 кВ с изолированной нейтралью / Н.Н. Беляков // Электричество. 1957. № 5. С. 31-36.

13. Шуцкий, В.И. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок / В.И. Шуцкий, В.О. Жидков, Ю.Н. Ильин. М.: Энергоатомиздат, 1988. 208 с.

Размещено на Allbest.ru