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

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

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

НАПРЯЖЕНИЕМ 6 кВ ЗАПОРОЖСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОМБИНАТА НА ОСНОВЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Начальник НИЧ  канд. техн. наук, доц. О.Е. Хоменко

Зав. каф. электрических машин

рук. НИР, д-р техн. наук, проф. Ф.П. Шкрабец

Главный энергетик ЗЖРК Ю.Н. Безручко

РЕФЕРАТ

Отчет о НИР.

Объект исследования: электрические сети напряжением 6 кВ системы электроснабжения Запорожскогой железорудногой комбината.

Целью работы является повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением 6 кВ за счет оптимизации режимов нейтрали.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследований:

. Исследовать влияние заземления нейтрали на параметры аварийного режима и эксплуатационные показатели распределительных сетей.

. Разработать рекомендации по выбору оптимального, по условиям эксплуатационной надежности и электробезопасности, режима нейтрали распределительных сетей.

. Разработать рекомендации по улучшению работы устройств защиты от замыканий на землю

Идея работы заключается в использовании характера протекания переходных и установившихся процессов и законов изменения аварийных токов при замыканиях на землю в электрических сетях с разными режимами нейтрале для разработки рекомендаций по их оптимизации.

В прикладном плане результаты работы будут оказывать содействие повышению надежности и электробезопасности распределительных электрических сетей, увеличению сроков работы электрооборудования, улучшению работоспособности устройств защиты от несимметричных повреждений.

Ключевые слова: система электроснабжения; параметры изоляции сети относительно земли; внутренние перенапряжения; аварийный ток; защита от замыканий на землю.

Введение

Интенсификация электроэнергетики и увеличение количественных показателей распределительных сетей и оборудования приводят к росту интенсивности и вероятности повреждений, к ухудшению условий электробезопасности. По данным энергослужб предприятий однофазные замыкания на землю токоведущих частей электрических установок в распределительных сетях 6 кВ составляют более половины всех повреждений электроустановок и поэтому во многом определяют уровень надежности и электробезопасности систем электроснабжения.

Повышение уровня надежности, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обоснование методов и средств улучшения функциональной надежности средств релейной защиты для распределительных сетей указанного класса напряжения.

В работе решается важная научно - практическая задача, заключающаяся в разработке принципов и технических решений, направленных на повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением за счет ограничения и подавления переходных процессов при несимметричных повреждениях.

Идея работы заключается в использовании законов протекания переходных и установившихся процессов при замыканиях на землю в электрических сетях с различными режимами нейтрали для разработки рекомендаций по режимам работы нейтрали и реализации средств защиты сетей от замыканий на землю.

1 Анализ структуры построения схемы электроснабжения и расчет аварийных емкостных токов для распределительных сетей ЗЖРК

.1 Электроснабжение потребителей ЗЖРК

На первой ступени распределения энергии в схеме электроснабжения ЗЖРК применяется напряжение 154 кВ. Преобразование энергии и питание электроприемников осуществляется при помощи главной понизительной подстанции (ГПП). ГПП сооружена непосредственно на территории предприятия с трехобмоточными трансформаторами мощностью 63 МВА и выполнена по упрощенной схеме на стороне высшего напряжения (с отделителями и короткозамыкателями). На стороне 6 кВ осуществляется питание ЗРУ КРМ поверхностных и подземных потребителей и РУ БПМ. На стороне 35 кВ подключены 4 подстанции 35/6 кВ (ЮВС, СВС, ДВС, ЗК). Для РУ напряжением 35 кВ таких подстанций при числе присоединений до двенадцати включительно применяют одиночную секционированную систему шин (ЗК). При большем числе присоединений используется схема с двумя системами сборных шин (ЮВС, СВС, ДВС). В ЗРУ КРМ выполнено разделение поверхностных и подземных потребителей.

К поверхностным подстанциям относятся: ДСФ, ТП-6, 7, 8, 9. К подземным подстанциям в порядке расположения по горизонтам относятся:

гор. 340 - ЦРП 3;

гор. 400 - ЦРП 2;

гор. 480 - ЦРП 1; ЦПП-ЦГС;

гор. 640 - ПДК, ЦПП-ЦСС, ЦРП, УПП «Ю», УПП «С»;

гор. 740 - ЦРП-ЦГС, ЦРП, УПП 13;

гор. 840 - ЦПП, ЦРП, УПП 12;

гор. 940 - ЦПП - ЦГС.

К подстанциям 35/6 кВ принадлежат следующие РП 6 кВ:

ЮВС - насосная ГТС, ЦПП - ЮВС и ЦПП - ЦГС (гор. 400 м);

СВС - ЦПП - СВС (гор. 400 м);

ЗК - СВС 2.

Для Запорожского ЖРК характерна следующая схема электроснабжения подземных потребителей. Питание от ГПП шахты через ствол осуществляется прокладкой кабелей 6 кВ к центральной подземной подстанции (ЦПП). К каждой ЦПП проложено не менее двух кабелей. Сечение кабеля выбрано таким образом, что при выходе из строя одного из них, оставшиеся в работе кабели обеспечили электроэнергией подземные электроприемники. При этом в случае применения КРУВ сечение кабеля не должно превышать 240 мм2. Для повышения надежности электроснабжения в ЦПП применяют секционированную систему шин с устройствами АВР. Секционные выключатели в нормальном режиме выключены. От ЦПП по кабельным линиям электроэнергия передается к стационарным участковым понизительным подстанциям (УПП). Согласно требованиям правил безопасности при разработке двух и более горизонтов на каждом горизонте сооружается ЦПП. Питание каждой ЦПП осуществляется либо по раздельной схеме непосредственно от шин 6 кВ ГПП, либо при небольшой нагрузке от шин ГПП и ЦПП вышележащего горизонта. Часть подземных распределительных подстанции имеют резервные вводы для обеспечения бесперебойности питания потребителей в аварийном режиме. ЦПП установлено вблизи ствола и собрано из комплектных распределительных устройств (типа КРУВ и КРУРН). Комплектные распределительные устройства типа КРУВ - 6 представлены в модификациях: для отходящих присоединений (КРУВ-6-ОТ, КРУВ-6-ОТ с встроенным трансформатором тока нулевой последовательности); водные (КРУВ-6-В) и секционные (КРУВ-6-С).

Повышение уровня надежности электроснабжения и распределительных сетей, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обеспечение улучшения функциональной надежности устройств защиты от замыканий на землю.

Основная масса повреждений в распределительных сетях связана с нарушением изоляции фаз сети относительно земли, т.е. появлением несимметричных повреждений, которые можно разделить на два основных вида:

) замыкания одной фазы распределительной сети на землю;

) двойные замыкания на землю (замыкания на землю в разных точках распределительной сети) - как развитие однофазных замыканий.

По характеру повреждений следует различать металлические (глухие) замыкания на землю, дуговые (через перемежающуюся дугу) и через переходные сопротивления в точках повреждения.

Однофазные замыкания на землю или на корпус появляются вследствие механического повреждения или электрического пробоя изоляции одной из фаз сети относительно земли или корпуса. Такие повреждения в установившемся режиме практически не представляют опасности для работы электроприемников, т.к. симметрия междуфазных напряжений не нарушается, а значения тока замыкания во много раз меньше тока нагрузки. С точки зрения обеспечения электробезопасности такие повреждения представляют значительную опасность за счет появления на корпусах электрооборудования опасных потенциалов (особенно при дуговых замыканиях), кроме того, резко возрастает вероятность появления наиболее опасных двойных замыканий на землю. Исходя из этого ПУЭ и отраслевые ПБ в подземных сетях и в сетях с передвижными электроустановками предусматривают действие защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени. Последнее обстоятельство является весьма негативным фактором с точки зрения обеспечения продольной селективности действия защиты при многоступенчатой схеме электроснабжения, что имеет место в системе электроснабжения ЗЖРК.

Опыт эксплуатации и специальные исследования указывают на существование замыканий фазы на землю через перемежающуюся дугу в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Анализ выполненных по этому вопросу исследований показывает, что в начальной стадии процесса замыкания имеют место пробои по одному или более в каждом полупериоде напряжения поврежденной фазы, причем, число пробоев возрастает с увеличением емкости сети, т.е. с увеличением установившегося тока замыкания. В этой стадии ток дуги обрывается при первом переходе через ноль, поэтому он представляет собой чередующиеся импульсы разных полярностей длительностью порядка 0,05 мс. Интервалы между импульсами и максимальные амплитуды существенно различны, т.е. имеет место нарушение периодичности (пробой изоляции не каждый полупериод) и симметрии по отношению к оси времени. Учитывая, что амплитуды импульсов могут достигать многократных значений по отношению к установившемуся значению, соответственно можно ожидать высокие уровни высших гармонических составляющих / 7, 16/.

Из исследований дуговых замыканий на землю следует, что характерными, а следовательно и отличительными особенностями таких повреждений являются:

ток поврежденного и неповрежденного присоединений представляет собой высокочастотные импульсы с амплитудой в десятки раз большей амплитуды установившегося тока замыкания;

в токе замыкания на землю и в токах поврежденного и неповрежденных элементов содержатся высшие гармоники, уровень которых минимум на порядок превышает уровень высших гармоник установившегося металлического замыкания фазы на землю;

действующее значение тока замыкания из-за больших свободных составляющих переходного процесса в 3-5 раз превышает установившийся ток металлического замыкания, что необходимо учитывать при выборе уставок релейной защиты.

Возникновение замыкания на землю сопровождается перенапряжениями, охватывающими все элементы распределительной сети, которые, как следствие, приводят к многоместным замыканиям за счет пробоя ослабленной изоляции. При однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы, появляются токи замыкания на землю, изменяются напряжения фаз относительно земли. Для предупреждения отрицательных последствий от подобных нарушений нормальной работы системы необходимо принимать соответствующие защитные меры. При этом в первую очередь необходимо учитывать повышение напряжения относительно земли, которое может существенно влиять на уровень безопасности и вызвать развитие аварии с боле тяжелыми последствиями. Такие повреждения являются наиболее опасными как для обслуживающего персонала, так и для электрооборудования и следует стремиться к снижению вероятности их появления.

1.2 Режимы нейтрали распределительных сетей

Действующие нормативные документы предписывают изолированный режим работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ /12, 14/. При этом понимают, что нейтраль полностью изолирована от земли или соединена с землей через большое индуктивное (компенсированная нейтраль) или активное (сеть с резистором в нейтрали) сопротивление. Основным преимуществом сетей с изолированной нейтралью является то, что в таких сетях однофазные замыкания на землю не связаны с нарушением нормальной работы электроприемников.

К недостаткам сетей с изолированной нейтралью можно отнести нестабильность напряжения нейтрали, благоприятные условия для возникновения дуговых замыканий, феррорезонансных явлений, повышенные напряжения прикосновения и шага при дуговых замыканиях на землю, повышенные кратности внутренних перенапряжений и др /15, 18/. Отмеченные явления приводят к появлению многоместных замыканий на землю и к снижению уровня надежности и электробезопасности.

Применение дугогасящих реакторов обусловлено тем обстоятельством, что в системе с изолированной нейтралью при дуговом замыкании на землю одной из фаз переход от нормального режима работы к режиму с заземленной фазой совершается путем затухания колебаний с частотой, зависящей от значений индуктивности и емкости системы. Прохождение тока дуги через нулевое значение может приводить к обрыву дуги с последующим ее зажиганием при повышенном напряжении. Этот процесс сопровождается возникновением на неповрежденных фазах перенапряжений. Опасность для изоляции этих перенапряжений усугубляется тем, что они могут быть длительными и охватывать всю электрически связанную сеть. В результате в местах с ослабленной изоляцией могут возникать новые замыкания на землю, которые, в свою очередь, будут способствовать дальнейшему развитию аварии. При заземлении нейтрали через дугогасящий реактор (настроенную индуктивность) перенапряжения дуговых замыканий меньше и, что особенно важно для изоляции, длятся сравнительно небольшой промежуток времени (обычно не более полупериода). Однако это преимущество минимизируется при расстройке режима компенсации от резонансного значения более чем на 5 %, а при расстройке на 20% и более преимущества компенсированных сетей в части ограничения перенапряжений практически исключаются. Также недостатком системы заземления нейтрали через дугогасящий реактор является сложность обеспечения резонансной настройки и нарушение работоспособности средств защиты от замыканий на землю реагирующих на параметры установившегося аварийного режима. Поэтому при токах меньше рекомендуемых ПУЭ применение данного вида заземления экономически не целесообразно.

В настоящие время для сетей с небольшими токами замыкания на землю все большую популярность приобретает метод заземления нейтрали через высокоомный резистор (сеть с резистором в нейтрали).

Достоинством данного способа является простота осуществления, дешевизна и возможность надежного отключения (контроля) поврежденного присоединения простыми средствами релейной защиты. При этом однофазное замыкание, как правило, не переходит в более опасное двойное или двухфазное замыкание на землю.

1.3 Расчет значений емкостных токов однофазного замыкания на землю для системы электроснабжения ЗЖРК

Для достижения ранее поставленной цели и решения сформулированных задач по оптимизации режима работы нейтрали распределительных сетей ЗЖРК, и разработки рекомендаций по выбору параметров защит от однофазных замыканий на землю, в первую очередь необходимо знать значения токов однофазного замыкания на землю в каждой системе гальванически связанных электрических сетей и значения собственных емкостных токов присоединений. В общем случае в сети с полностью изолированной нейтралью ток однофазного замыкания на землю состоит из двух составляющих - емкостной и активной. Последняя в кабельных электрических сетях напряжением 6 кВ составляет не более 2% от емкостной. В связи с этим для рассматриваемых сетей будем считать ток замыкания на землю чисто емкостным.

Значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для установившегося режима замыкания могут быть рассчитаны с достаточной точностью по удельным емкостям фаз относительно земли основного электрооборудования и ЛЭП. В общем случае расчетная формула имеет вид :

где UФ - фазное напряжение сети, кВ; СBi, CKi - емкости на фазу по отношению к земле токоведущих жил (мкф/км) соответственно 1 км воздушной и кабельной линии определенного сечения; lBi, lKi - суммарные длины воздушной и кабельной линий заданного сечения, км; Cдi, CTPi - емкости на фазу соответственно электродвигателей и силовых трансформаторов по отношению к корпусу оборудования, мкф; Nдi, NTPi - соответственно число электродвигателей и трансформаторов заданной мощности, подключенных к сети.

Для анализа состояния распределительной сети ЗЖРК и работоспособности устройств защиты (сигнализации) от однофазных замыканий на землю собран фактический материал о длине, типе и сечении кабелей и шин, соединяющих РУ с потребителями, а также ГПП с РУ и с потребителями, подключенными непосредственно к ним. При сборе информации учитывалась суммарная длина кабеля между двумя точками (независимо от физического расстояния между этими объектами). По справочным данным для конкретного типа кабеля устанавливалась удельная емкость на фазу, мкФ/м и с учетом длины кабеля рассчитывался емкостной ток по секциям по формуле (1.1) для конкретного РУ (приложение А) и суммарные значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для ГПП и п/ст 35/6 кВ (табл. 1.1-1.6). При расчете этих токов принимался во внимание обычный режим работы ГПП, т.е. не учитывался режим работы при аварии на каком-либо РУ, когда все его потребители подключаются к другой секции ГПП.

В результате обработки собранных реальных физических параметров сетей, емкостные токи однофазного замыкания на землю по ГПП и поверхностным подстанциям 35/6 к

В имеют следующие значения:

ГПП:

напряжение 6 кВ

секция1 - 43,72 А;

секция 2 - 39,3 А.

напряжение 35 кВ

секция1 - 0,63 А;

секция 2 - 0,79 А.

Таблица 1.1 - Расчет емкостных токов по ГПП 6кВ секция 1, 2

п/ст ЮВС

секция1 - 4,73 А; секция 2 - 4,15 А.

п/ст СВС

секция1 - 2,34 А; секция 2 - 1,35 А.

п/ст ДВС

секция1 - 0,15 А; секция 2 - 0,15 А.

п/ст ЗК

секция1 - 0,4 А; секция 2 - 0,29 А.

Таблица 1.2 - Расчет емкостных токов по ГПП 35кВ, секция 1, 2

Таблица 1.3 - Расчет емкостных токов по ЮВС 6кВ, секция 1, 2

Таблица 1.4 - Расчет емкостных токов по СВС 6кВ, секция 1, 2

Таблица 1.5 - Расчет емкостных токов по ДВС 6кВ, секция 1, 2

Таблица 1.6 - Расчет емкостных токов по ЗК 6кВ, секция 1, 2

2. Исследование влияния параметров изоляции и режима нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ на кратность внутренних перенапряжений и электробезопасность

.1 Исследование влияния режима нейтрали сети на внутренние перенапряжения в системах электроснабжения

В общем случае оценка эффективности и выбор режима работы нейтрали распределительных и питающих сетей осуществляется на основе технико-экономического сравнения вариантов. При этом определяющими критериями оценки режимов нейтрали следует считать: надежность электроснабжения; электробезопасность; обеспеченность защитой от однофазных замыканий на землю и качество ее работы; экономичность системы. Одним из наиболее важных критериев оценки систем электроснабжения в целом, и режима нейтрали в частности, следует считать надежность. Исследуем по этому критерию системы электроснабжения с различными режимами работы нейтрали электрических сетей.

2.1.1 Сети с полностью изолированной нейтралью

Распределительные сети напряжением выше 1000 В с полностью изолированной нейтралью получили преимущественное распространение в большинстве стран. Однако такой режим нейтрали сети не всегда является оптимальным с точки зрения указанных ранее критериев.

При прочих равных условиях надежность электроснабжения электроприемников или надежность распределительных сетей в основном определяется повреждаемостью элементов сети и качеством работы устройств релейной защиты. Степень влияния указанных факторов на надежность работы распределительных сетей зависит от режима нейтрали, который в свою очередь определяет уровень внутренних перенапряжений и характер переходных процессов при однофазных замыканиях на землю. Уровень перенапряжений оказывает определяющее влияние на повреждаемость электрических сетей и их элементов, а характер переходных процессов - на качество работы устройств защиты от замыканий на землю.

Наибольший уровень напряжения между неповрежденными фазами и землей на основании теории Петерса и Слепяна определяется выражением

где  - суммарная междуфазная емкость электрически связанной сети; (1 - a) - коэффициент, учитывающий уменьшение удержанных зарядов за счет активной проводимости и в сетях с изолированной нейтралью может принимать значения от 0,85 до 0,95; (1 - d) -коэффициент, учитывающий затухание амплитуды собственных колебаний и связан с потерями в колебательной цепи при замыкании на землю и в общем случае определяется формулой

,

где  - переходное сопротивление в точке замыкания,  - частота свободных колебаний переходного процесса.

С учетом возможных изменений понижающих коэффициентов, для реальных параметров распределительных сетей максимальное значение напряжения между здоровыми фазами и землей находится на уровне 4,5 фазного напряжения. Для этих же сетей теоретический максимум напряжения смещения нейтрали составляет трехкратное фазное напряжение.

Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью сопровождаются переходными процессами, возникающими в момент появления замыкания и в момент отключения поврежденного участка (процесс восстановления напряжения в сети). Отмеченные переходные процессы обеспечивают значительную часть ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной нейтралью.

Системы электроснабжения с полностью изолированной нейтралью по сравнению с сетями с другими режимами нейтрали не требуют дополнительных капитальных затрат. Однако эксплуатационные расходы в сетях с полностью изолированной нейтралью за счет большей повреждаемости, а также за счет ущерба от перерывов электроснабжения значительно больше, чем в сетях, работающих с другими режимами нейтрали. Следует также отметить, что можно в некоторой степени снизить эксплуатационные расходы и ущерб от перерывов за счет применения оборудования и электрических сетей с более высоким уровнем изоляции, что, естественно, требует дополнительных капитальных вложений.

2.1.2 Сети с компенсированной нейтралью

Компенсация емкостного тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях применяется при превышении значения емкостного тока однофазного замыкания на землю в установившемся режиме сверх допустимого нормативными документами.

Компенсация емкостных токов замыкания на землю осуществляется включением в нейтраль сети индуктивности, посредством которой при замыкании на землю создается индуктивная составляющая тока однофазного замыкания на землю, имеющая в точке замыкания направление, противоположное емкостной составляющей тока замыкания. Эффективность компенсации емкостных токов и эффективность работы электрических сетей с компенсированной нейтралью в значительной степени зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Большинство исследователей при этом отдают предпочтение резонансной настройке индуктивности компенсирующего устройства с емкостью сети относительно земли, то есть

 или

где  и  - соответственно индуктивное сопротивление компенсирующего устройства и емкостное сопротивление всей электрически связанной сети относительно земли;  - индуктивность компенсирующего устройства; C - емкость одной фазы всей электрически связанной сети относительно земли.

Условие (2.2) в установившемся режиме однофазного замыкания на землю обеспечивает равенство по величине емкостной и индуктивной  составляющих токов замыкания на землю и, учитывая их направление, остаточный ток замыкания становится равным активной составляющей тока замыкания  (без учета гармонических составляющих тока замыкания). В случае несоблюдения условия (2.2) остаточный ток определяется как геометрическая сумма активной и реактивной составляющих. Реактивная составляющая в свою очередь зависит от степени расстройки (отклонения от резонансной настройки) компенсации:

где  - коэффициент (степень) настройки компенсирующего устройства.

Кроме резонансного с емкостью сети режима настройки компенсирующего устройства, различают также режим недокомпенсации (остаточный реактивный ток замыкания на землю носит емкостной характер) и перекомпенсации (остаточный реактивный ток замыкания на землю носит индуктивный характер).

Если оценивать надежность электроснабжения электроприемников повреждаемостью элементов сети и качеством работы релейной защиты, то необходимо отметить, что в основном применение компенсированных сетей, где требуется действие защиты на отключение, сдерживается вторым условием. Что касается повреждаемости элементов распределительных сетей, то необходимо отметить непосредственную связь этого показателя с режимом настройки компенсирующего устройства, так как именно настройкой компенсирующего устройства определяется уровень перенапряжений в сети при однофазных замыканиях на землю.

На рис. 2.1 показаны кривые зависимости максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации /11/. Значение коэффициента, , учитывающего снижающие перенапряжения факторы, в общем случае зависит от частоты колебаний свободных составляющих тока замыкания, длин линий распределительной сети, расположения места повреждения относительно источника, сопротивления в цепи замыкания и с достаточной для практического применения точностью может быть определено по выражению:

где  - мгновенное значение напряжения на поврежденной фазе, установившееся непосредственно после замыкания на землю;

 - значение напряжения на неповрежденной фазе в момент замыкания.

Для реальных параметров распределительных сетей указанный коэффициент находится на уровне 0,8...О,9.

Из рис. 2.1 видно, что при резонансной настройке компенсирующего устройства, а также при его расстройке в пределах 5%, даже теоретически перенапряжения на неповрежденных фазах не могут превысить 2,75 ,. Снижение уровня перенапряжений обусловлено созданием удобного пути для стоков статических зарядов по фазам за счет включения в нейтраль сети дугогасящего реактора. Увеличение степени расстройки компенсации от 5 до 30...40% приводит к быстрому нарастанию уровня перенапряжений. Необходимо отметить, что при расстройке компенсирующего устройства на 20% от резонансной, эффективность компенсирующих устройств в части ограничения перенапряжений при замыканиях на землю практически не ощущается по сравнению с сетями с полностью изолированной нейтралью.

Перенапряжение в нейтрали сети, примерно в 1,5...2 раза меньше кратности перенапряжений на неповрежденных фазах, что также способствует снижению повреждаемости элементов системы электроснабжения.

замыкание изоляция режим схема

Рисунок 2.1 - Зависимости максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации в режиме: 1 - перекомпенсации; 2 - недокомпенсации

Одним из факторов, оказывающих влияние на выбор режима настройки дугогасящих реакторов является возможность нарушения нормальной работы сети за счет резонансных явлений в компенсированных сетях. В реальных распределительных сетях наблюдается постоянная или временная несимметрия изоляции фаз сети относительно земли. Учитывая, что в кабельных сетях емкостное сопротивление изоляции значительно меньше активного, можно считать, что несимметрия создается емкостью фаз сети. В результате, при нормальной работе сети напряжение нейтрали системы относительно земли отличается от нуля (напряжение не симметрии).

Максимальное напряжение смещения нейтрали  в компенсированных сетях в соответствии с /7/ в режиме резонансной настройки от емкостной несимметрии может быть определено из соотношения суммарного емкостного тока замыкания на землю  и активной составляющей остаточного тока :

Из выражения (2.5) следует, что для уменьшения напряжения смещения нейтрали следует принимать меры, приводящие к уменьшению напряжения несимметрии или увеличению остаточного активного тока замыкания.

На рис. 2.2 показаны кривые изменения напряжения смещения нейтрали от степени расстройки компенсирующего устройства плунжерного типа (кривая I) и дугогасящего реактора с подмагничиванием (кривая 2). Максимальное значение напряжения смещения следует учитывать при выборе напряжения срабатывания первой и второй ступени защиты сигнализации от замыкания на землю.

С экономической точки зрения распределительные сети с компенсацией емкостного тока замыкания на землю требуют дополнительных капитальных затрат на дугогасящие реакторы и устройства для их подключения. Что касается эксплуатационных расходов, то они значительно меньше, чем в сетях с полностью изолированной нейтралью за счет меньшей повреждаемости элементов системы. При резонансной настройке компенсирующего устройства и при незначительных расстройках компенсации в электрических сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30% /11, 17/.

Необходимо напомнить, что эффективность компенсации емкостных токов замыкания на землю наблюдается при резонансном и близких к нему режимах настройки компенсирующих устройств. Учитывая возможное изменение параметров распределительных сетей (оперативные и аварийные переключения, наращивание ЛЭП и т.п.), необходимо ориентироваться на применение устройств автоматической настройки дугогасящих реакторов.

Рисунок 2.2 - Зависимость напряжения смещения нейтрали от степени расстройки дугогасящего реактора 1) плунжерного типа, 2) с подмагничиванием

2.1.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Основной причиной ложных срабатываний защит (сигнализаций) от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью следует считать возникновение в сети после отключения поврежденного присоединения (или после самоликвидации повреждения) колебательного процесса с частотой близкой к частоте 50 Гц.

Естественно, что для устранения ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю, вызванных указанными колебаниями, необходимо исключить или резко сократить длительность переходных процессов. Одним из эффективных методов устранения колебания является уменьшение добротности колебательного контура, что достигается уменьшением значения активного сопротивления изоляции сети относительно земли, которое включено параллельно реактивным сопротивлением изоляции. В результате появляется активная составляющая тока, которая накладывается на электрическую сеть и увеличивает активную составляющую тока однофазного замыкания на землю. Эффективность метода подавления переходного процесса существенно проявляется при значении создаваемого активного тока замыкания на землю на уровне не менее 40 % от емкостного, то есть

Электрические сети с резистором в нейтрали, обладают, по сравнению с сетями с полностью изолированной или компенсированной нейтралью, более высокой надежностью за счет улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю, исключения феррорезонансных процессов и уменьшения повреждаемости элементов системы электроснабжения. Последнее обусловлено значительным снижением внутренних перенапряжений, сопровождающих однофазные замыкания на землю.

Величина перенапряжений в трехфазной сети с активным сопротивлением в нейтрали определяется выражением /2, 5, 9/

где  - фаза напряжения поврежденной фазы в момент зажигания, рад.;

 - фаза напряжения поврежденной фазы в момент гашения дуги, при которой напряжение смещения достигает максимума.

На рис. 2.3 показана зависимость максимальной кратности внутренних перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от соотношения активной и емкостной составляющих тока однофазного замыкания на землю, полученная с учетом самых неблагоприятных условий по выражению (2.7).

Рисунок 2.3 - Зависимость максимальной кратности перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от отношения активной и емкостной составляющих тока замыкания

По мере роста активной составляющей тока замыкания по отношению к емкостной составляющей, кратность перенапряжений уменьшается до значения 2,4, при равенстве активного и емкостного тока замыкания. Из рисунка видно, что дальнейшее увеличение активной составляющей практически не приводит к существенному уменьшению кратности перенапряжений.

Сравнительно ощутимые дополнительные капитальные затраты на выполнение сетей с резистором в нейтрали по сравнению с полностью изолированной нейтралью сети будут при токах замыкания на землю более 5...10 А. В этом случае требуется включение в нейтраль сети высоковольтного резистора и устройств для его подключения, в состав которых кроме коммутационных аппаратов могут входить специальные трансформаторы, необходимые для подключения резисторов. В сетях с током замыкания на землю до 5 А дополнительные капитальные затраты уменьшаются практически до нуля, так как в этом случае представляется возможным обойтись имеющимися в сети измерительными трансформаторами НТМИ и низковольтными резисторами.

За счет снижения повреждаемости элементов сети и улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю значительно уменьшается и эксплуатационные расходы.

2.2 Аварийные токи при однофазных замыканиях на землю в установившемся режиме

Для оценки характера процессов в сетях с различными режимами нейтрали и влияния их на условия электробезопасности и работоспособность применяемых и создаваемых средств защиты от замыканий на землю, необходимо изучить характер изменения амплитудных и фазовых значений напряжения и токов нулевой последовательности в установившемся и переходном режимах однофазного замыкания.

Наиболее распространенным и доступным методом исследования аварийных режимов в системах электроснабжения является метод математического моделирования, основанный на формализации изучаемых процессов и построения частных математических моделей. Использование для этой цели активного эксперимента в условиях действующей системы электроснабжения сопряжена с организационными трудностями и, кроме того, связано с созданием условий повышенной опасности поражения электрическим током и с созданием опасных для оборудования аварийных режимов. В общем случае математическую модель как совокупность математических выражений, связывающих параметры объекта с характеристиками изучаемого процесса, получают в результате формализации изучаемого процесса и построения его формализованной схемы с требуемой степенью приближения к действительности /9, 11/.

В симметричной трехфазной системе линейные (междуфазные) напряжения представляют равносторонний треугольник. При отсутствии нагрузки векторы фазных напряжений , ,,при строгом равенстве проводимостей изоляции фаз сети относительно земли образуют симметричную трехлучевую звезду фазных напряжений, а нейтраль сети имеет потенциал, равный потенциалу земли. При нарушении равенства проводимостей изоляции фаз сети относительно земли точка нулевого потенциала системы сместится, и нейтраль системы получит потенциал  относительно земли, а симметрия фазных напряжений относительно земли нарушится.

На основании общепринятых допущений схема замещения распределительной сети для исследования аварийных токов будет иметь вид представленной на рис. 2.4. Полученная схема учитывает в своей структуре лишь те элементы и связи, которые оказывают ощутимое влияние на исследуемые аварийные токи при замыканиях одной фазы на землю. На рисунке приняты следующие обозначения:  - проводимость нейтральной точки сети относительно земли;  - проводимости соответственно фаз А, В и С относительно земли; y - проводимость переходного сопротивления в точке замыкания;  - напряжение смещения нейтрали сети или напряжение нулевой последовательности;  - фазные напряжения питающего трансформатора (напряжения фаз сети относительно нейтрали системы); - ток через проводимость нейтральной точки сети относительно земли;  - токи через проводимости относительно земли соответствующих фаз;  - ток однофазного замыкания на землю.

Рисунок 2.4 - Схема замещения распределительной сети

2.2.1 Сеть с полностью изолированной нейтралью С учетом того, что

и принимая во внимание, что система является симметричной, для которой справедливо соотношение

,

после соответствующих подстановок и преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с полностью изолированной нейтралью

где  и ,  - напряжения фаз сети относительно земли R и C - соответственные активное сопротивление изоляции и емкость всей электрически связанной сети относительно земли; r - переходное сопротивление в точке замыкания фазы на землю.

Действующее значение тока однофазного замыкания на землю, учитывающее все составляющие изоляции относительно земли сети с полностью изолированной нейтралью:

В реальных сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения шахт активная составляющая сопротивления изоляции относительно земли более чем на порядок превышает емкостную составляющую и, естественно, оказывает незначительное влияние на значение тока замыкания на землю. Можно, без учета названного сопротивления, получить упрощенную формулу для тока замыкания

2.2.2 Сеть с компенсированной нейтралью

Приняв на схеме замещения, представленной на рис. 2.4 проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости компенсирующего устройства , и считая выключатель Q, находящимся во включенном положении, проведя необходимые преобразования получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью:

где - проводимость компенсирующего устройства.

Для случая полной компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю, т.е. резонансной настройки дугогасящего реактора с емкостью сети относительно земли ( или ), ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме будет

Из выражения (2.12) видно, что в резонансном режиме настройки дугогасящего реактора ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме является чисто активным и определяется практически только активными сопротивлениями изоляции сети относительно земли и компенсирующего устройства. Если пренебречь активными потерями в сердечнике компенсирующего устройства (), получим

Общее выражения для тока однофазного замыкания на землю электрической сети с компенсированной нейтралью (2.12) можно записать по другому

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих:

1)  - ток обусловленный проводимостью изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;

)  - ток обусловленный проводимостью компенсирующего устройства.

2.2.3 Сеть с резистором в нейтрали

Приняв на схеме замещения проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости резистора включенного в нейтраль , после преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю для сети с резистором в нейтрали:

   (2.14)

или

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих:

1)  - ток, обусловленный проводимостью изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;

)  - ток, обусловленный проводимостью включенного в нейтраль резистора.

Без учета активного сопротивления изоляции сети относительно земли, которое более чем на порядок превышает емкостное, получим упрощенное выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали

Максимальное значение тока, или ток металлического (r = 0) однофазного замыкания на землю для тех же условий будет равен

.3 Токи замыкания на землю в переходном режиме

Переходный процесс характеризует изменение электрических величин соответствующих переходу системы из одного устойчивого состояния в другое и применительно к системам электроснабжения представляет собой результат наложения изменений электрических величин, представляющих собой переходные аварийные составляющие, на электрические величины нормального режима. Для оценки действия устройств защиты от замыканий (утечек) на землю важно иметь представление о переходных процессах как в начале аварийного режима, так после его завершения, то есть, после отключения или самоликвидации замыкания на землю /9/.

2.3.1 Переходный процесс в начальной стадии аварийного режима

В сетях с изолированной нейтралью повреждение изоляции относительно земли одной из фаз приводит к полному перераспределению напряжений фазных проводов во всей системе и источником изменения является место повреждения. Переходный процесс характеризуется в этом случае стеканием заряда с проводников поврежденной фазы и разряда их до потенциала земли, и переносом дополнительного заряда неповрежденным фазам для сообщения им нового потенциала относительно земли. В соответствии с упрощенной схемой замещения сети, представленной на рис. 2.4, запишем выражения для максимальных значений трех составляющих тока металлического замыкания на землю, создающих ток замыкания в переходном режиме.

. Установившаяся составляющая переходного тока:

. Переходная составляющая, зависящая от момента замыкания фазы на землю и обусловленная скачкообразным изменением потенциала нейтрали при возникновении замыкания на землю при напряжении поврежденной фазы отличной от нуля:

3. Переходная составляющая, обусловленная изменением напряжений неповрежденных фаз:

где  - междуфазная емкость всей электрически связанной сети;  - начало отсчета времени, соответствующее моменту положительного максимума напряжения поврежденной фазы;  - угловая частота свободных колебаний системы в режиме однофазного замыкания на землю.

Рисунок 2.5 - Схема замещения распределительной сети для исследования переходных процессов, возникающих при замыкании фазы на землю

Из выражения (2.19) - (2.21) видно, что амплитудное значение переходной составляющей  по сравнению со значением установившейся составляющей тока замыкания IЗ , определяется в основном относительными значениями фазной и междуфазной емкостей сети. Максимальное значение переходной составляющей  по сравнению с установившимся током замыкания зависит, кроме соотношения фазной и междуфазной емкости, от отношения частоты свободных колебаний и принудительных колебаний (промышленной частоты). Учитывая, что

и для реальных параметров распределительных сетей в 2,5...22 раза превышает промышленную, максимальное значение переходной составляющей  может превышать значение установившегося тока замыкания, примерно, от 1,4 до 14 раз.

В сети с изолированной нейтралью переходный ток при возникновении замыкания на землю с учетом переходного сопротивления в точке замыкания и без учета индуктивного сопротивления фаз сети определится выражением (рис. 2.4,  принимаются равными бесконечности):

где  - переходное сопротивление в точке повреждения;  - начальная фаза напряжения поврежденной фазы; ;  - фазовая характеристика общего сопротивления цепи, которая равна

Максимальная амплитуда свободной составляющей переходного тока будет иметь место при условии  и определится как

Совместный анализ выражений (2.22) и (2.23), после преобразований, позволяет получить выражение для свободной составляющей переходного тока через максимальное значение установившегося тока замыканий на землю.

и сделать вывод, что кратность броска свободной составляющей тока замыкания определяется отношением полного сопротивления изоляции всей сети относительно земли

и переходного сопротивления в точке замыкания на землю .

Свободная составляющая переходного тока равна нулю при выполнении условия . В этом случае переходный процесс отсутствует, а ток в цепи становится равным принужденной составляющей (установившемуся значению).

Анализа полученных выражений показывает, что кратность переходного тока при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью зависит от момента замыкания (от действующего значения фазного напряжения), в некоторой степени от параметров изоляции сети относительно земли и от значения переходного сопротивления в точке замыкания. С ростом последнего, амплитуда переходного тока резко уменьшается. Параметры изоляции сети относительно земли и переходного сопротивления в месте повреждения оказывают влияние также на длительность переходного процесса. При значении переходного сопротивления в точке замыкания на землю на уровне 100¸200 Ом переходный процесс в сети с изолированной нейтралью из периодического затухавшего переходит в апериодический.

При металлических замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью можно считать, что для реальных параметров сети переходный процесс практически заканчивается за 10...15 мс.

В сетях с компенсированной нейтралью в зависимости от соотношения параметров распределительной сети (включая и параметры компенсирующего устройства) переходный процесс может носить колебательный или апериодический характер. Колебательный переходный процесс возникает при выполнении условия

,

апериодический переходный процесс наступает при

,

где  - суммарное активное сопротивление всей сети относительно земли в аварийном режиме, с учетом переходного сопротивления определяется выражением

Наибольшее значение свободная составляющая переходного тока при замыкании на землю одной из фаз сети будет иметь в начальный момент при начальной фазе напряжения . В этом случае

где , .

Из этого выражения видно, что максимум свободной составляющей переходного тока в сети с компенсированной нейтралью так же, как и в сети с изолированной нейтралью может превышать амплитуду установившегося тока в числе раз, определяемое отношением модуля полного сопротивления изоляции сети относительно земли к переходному сопротивлению в точке замыкания.

Наибольшее значение переходного тока будет иметь место при максимальных значениях принужденной и свободной составляющих и при совпадении их по фазе. В момент времени t = 0 это выполнимо при  = 0, В этом случае переходный ток

.

Длительность переходного процесса в компенсированных сетях составляет несколько периодов промышленной частоты.

В сети с резистором в нейтрали переходный процесс по характеру практически не отличается от переходного процесса в сети с изолированной нейтралью. Однако включение резистора в нейтраль сети , значение которого выбирается по условию

приводит к резному уменьшению активного сопротивления изоляции сети относительно земли и соответственно к увеличению коэффициента затухания переходного процесса, чем достигается резное сокращение длительности переходного процесса

Для примера на рис. 2.6 приведена осциллограмма изменения тока нулевой последовательности в поврежденном присоединении , напряжения нулевой последовательности  и напряжения неповрежденной фазы при непродолжительном однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью. На рис. весьма четко прослеживается переходный процесс в сети и влияние его на напряжения неповрежденных фаз. На рис. 2.7 показана осциллограмма протекания тока замыкания при замыкании фазы на землю через перемежающуюся дугу.

Рисунок 2.6 - Осциллограммы переходного процесса при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью

Рисунок 2.7 - Ток замыкания на землю при перемежающемся дуговом замыкании на землю

2.3.2 Переходный процесс в сети в послеаварийном режиме

При замыкании на землю система электроснабжения работает в вынужденном режиме и характер повреждения (металлическое замыкание или через переходное сопротивление) определяет значение напряжения смещения нейтрали (в данном случае и напряжение нулевой последовательности), которое может принимать значения от нуля (переходное сопротивление в точке повреждения равно бесконечности) до фазного напряжения (переходное сопротивление равно нулю). Учитывая, что самоустраняющиеся повреждения, а также принудительный разрыв тока замыкания, при его отключении коммутационным аппаратом, происходит при переходе значения тока замыкания на землю через нуль, можно считать, что процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе будет происходить от нулевого значения (для случая металлического замыкания фазы на землю) до фазного за какой-то промежуток времени, продолжительность которого и является одной из важнейших характеристик переходного процесса. Аналогично от фазного значения до нуля будет изменяться значение напряжения нулевой последовательности (напряжение нейтрали). Задачей исследований данного переходного процесса является изучение влияния режимов работы нейтрали на характер протекания и длительность переходного процесса.

Напряжение источника питания поврежденной фазы будет равно  и в момент отключения повреждения определится выражением:

где  - начальная фаза напряжения поврежденной фазы (момент разрыва тока замыкания).

После отключения поврежденного присоединения выключателем в сети устраняется режим создаваемый фазным напряжением, а индуктивность и емкость сети образуют колебательный контур с начальными значениями токов и напряжения соответствующими аналогичным значениям, предшествующим непосредственно отключению повреждения. Угловая частота начинающихся свободных колебаний будет равна:

где  - результирующая индуктивность относительно земли (дугогасящих реакторов или измерительных трансформаторов напряжения).

Учитывая, что в системе имеются активные сопротивления, в которых теряется предварительно запасенная в емкости и индуктивности энергия, колебательный переходный процесс носит затухающий характер. Коэффициент успокоения колебаний в рассматриваемой системе является величиной обратной добротности колебательного контура и определяется параметрами изоляции сети относительно земли

 или

где  - активное сопротивление в нейтрали системы (дугогасящего реактора или резистора).

Постоянная времени затухания колебаний для схемы соответствующей рис. 1.2 определится выражением:

В общем виде процесс изменения во времени напряжения нулевой последовательности в системе после отключения или самоустранения повреждения может быть описан дифференциальным уравнением

решение которого и анализ результатов, выполненный с учетом реальных параметров распределительных сетей с различными режимами работы нейтрали позволили сделать следующие выводы:

. В сетях с полностью изолированной нейтралью колебательный процесс определяется наличием в сети измерительных трансформаторов напряжения с заземленной нулевой точкой первичной обмотки. Характер переходного процесса (частота собственных колебаний напряжения и токов нулевой последовательности и продолжительность процесса) определяется в основном суммарной емкостью сети относительно земли и количеством одновременно включенных измерительных трансформаторов напряжения. Для реальных параметров распределительных сетей длительность переходного процесса находится в пределах от 2 до 10 периодов промышленной частоты, а частота свободных колебаний имеет значение, как правило, меньшее промышленной частоты, причем частота свободных колебаний непосредственно в процессе затухания колебаний изменяется за счет нелинейного характера реактивного сопротивления измерительных трансформаторов напряжения (рис. 2.8.а).

Рисунок 2.8 - Осциллограммы затухания напряжения нулевой последовательности после отключения повреждения в сети с изолированной нейтралью (а) и с резистором в нейтрали (б)

. В сетях с компенсированной нейтралью характер переходного процесса при прочих равных условиях зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Затухание напряжения на нейтрали определяется в основном параметрами изоляции распределительной сети относительно земли и не зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Частота свободных колебаний и постоянная времени их затухания в компенсированных сетях значительно превышают аналогичные характеристики в сетях с полностью изолированной нейтралью.

. Переходный процесс в сетях с резистором в нейтрали в значительной степени зависит от значения указанного резистора. В случае установки резистора, сопротивление которого выбирается из условия (2.30), за счет резкого увеличения коэффициента успокоения (затухания) переходный процесс практически заканчивается за полпериода промышленной частоты. На рис. 2.8 представлены для сравнения осциллограммы изменения напряжения нулевой последовательности в реальной распределительной сети напряжением 6 кВ после отключения металлического однофазного замыкания на землю в сети без наложения (а) и с наложением на сеть (б) активной составляющей тока замыкания на уровне 0,6 емкостного.

2.4 Исследование влияния режима нейтрали сети на электробезопасность распределительных сетей

В общем случае электробезопасность электрических сетей, если не учитывать физиологические особенности и психологическое состояние человека, оценивается в основном значениями тока, проходящего через человека, напряжения прикосновения и времени воздействия указанных величин.

2.4.1 Сети с полностью изолированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с полностью изолированной нейтралью, если пренебречь продольным сопротивлением линии электропередачи, определится выражением

где  - номинальное напряжение электрической сети;  -сопротивление тела человека, которое для промышленной частоты считается чисто активным.

Анализ расчетов, выполпенных по выражению (2.36), позволяет утверждать, что для реальных параметров распределительных и питающих сетей прикосновение человека к одной из фаз сети, даже без учета переходного процесса, всегда является смертельно опасным.

Степень опасности распределительных сетей при прикосновении к корпусу электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, характеризуется значением напряжения прикосновения и временем его воздействия. Значение напряжения прикосновения для установившегося процесса замыкания в общем случае определяется значениями тока однофазного замыкания на землю и сопротивления защитного заземления и, без учета шунтирующего действия сопротивления тела человека и активного сопротивления изоляции сети относительно земли, может быть рассчитано по выражению:

где  - сопротивление защитного заземления поврежденного электрооборудования,  - ток однофазного замыкания на заземленный корпус электроустановки.

При дуговых замыканиях имеет место продолжительный переходный процесс, сопровождающийся бросками емкостного тока, что приводит к увеличению действующего значения напряжения прикосновения

где  - коэффициент, учитывающий увеличение тока замыкания в переходном режиме.

Рисунок 2.10 - Зависимость напряжения прикосновения от емкости сети при: 1- металлическом замыкании; 2 - дуговом замыкании

На рис. 2.10 кривыми I и 2 показано изменение величины напряжения прикосновения в сети с изолированной нейтралью, соответственно при глухом (коэффициент  = I) и дуговом (коэффициент  = 4) замыкании на землю в зависимости от величины емкости сети относительно земли при величине сопротивления защитного заземления 4 Ом.

Если условиями эксплуатации сети предусматривается действие защиты от однофазных замыканий на землю на отключение без выдержки времени, время воздействия на организм человека напряжения прикосновения находится в пределах 0,2 с. (время срабатывания защиты и коммутационного аппарата). Для этого времени воздействия и при величине сопротивления защитного заземления не более 4 Ом напряжение прикосновения в установившемся режиме замыкания не превышает допустимое (кратковременно безопасное) значение во всем возможном диапазоне изменения величины тока однофазного замыкания на землю и физических параметров распределительной сети с изолированной нейтралью.

В тоже время, длительно допустимое напряжение прикосновение (общепринятое значение его составляет 40 В), значительно меньше максимально возможных значений при установившемся режиме замыкания. В случае отсутствия или несрабатывания защиты от замыканий на землю появляется реальная опасность поражения человека напряжением прикосновения при соответствующей емкости сети относительно земли.

Значение напряжения прикосновений возрастает в три-пять раз и становится опасным даже при кратковременном воздействии за счет переходных процессов, возникающих при глухих и перемежающихся замыканиях на землю, которые сопровождаются бросками емкостного тока.

2.4.2 Сети с компенсированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с компенсированной нейтралью в установившемся режиме определяется выражением

Из этого выражения следует, что значение тока через тело человека при непосредственном прикосновении к токоведущим частям одной из фаз сети в значительной степени зависит от степени расстройки компенсации. Ток через человека при резонансной настройке компенсирующего устройства будет:

В сети с компенсированной нейтралью при настройке компенсирующего устройства близкой или равной резонансному режиму, на величину тока через человека в установившемся режиме замыкания может оказать заметное влияние активная составляющая, определяющая потери в сердечнике компенсирующего устройства. С учетом последнего ток через человека определяется выражением:

Без учета переходного процесса при повреждении изоляции относительно земли одной фазы, опасность сетей с компенсированной нейтралью обусловливается в основном степенью расстройки компенсирующего устройства и параметрами электрической сети. При резонансной настройке компенсирующего устройства опасность сети определяется уровнем напряжения и значением активного сопротивления изоляции всей сети относительно земли.

Следует, однако, отметить, что наличие переходного процесса, возникающего в момент касания человеком одной из фаз, преимущества компенсированных сетей в отношении электробезопасности практически сводятся к нулю. В таких сетях в момент замыкания через тело человека пройдет, так называемый, свободный ток компенсирующего устройства, частота которого определяется физическими параметрами электрической сети и дугогасящего устройства, а значение составляет примерно 25% от емкостного тока замыкания /16/.

Значение напряжения прикосновения, так же как и в сетях с изолированной нейтралью зависит от значения тока однофазного замыкания на землю (корпус) и значением сопротивления защитного заземления. Кроме того, в компенсиро-ванных сетях на значение напряжения прикосновения существенное влияние оказывает режим настройки компенсирующего устройства.

В общем случае компенсация емкостного тока замыкания на землю имеет целью уменьшение, кроме тока однофазного замыкания, напряжения прикосновения и шага. Указанные напряжения могут быть уменьшены примерно во столько раз, во сколько раз уменьшен полный ток замыкания на землю. Необходимо отметить, что в переходных режимах, сопровождающих однофазные замыкания на землю, а также при замыканиях через перемежающуюся электрическую дугу, условия электробезопасности значительно ухудшаются. Однако, за счет меньшего значения остаточного тока замыкания и благоприятных условий для гашения электрической дуги, условия электробезопасности даже в переходных режимах намного лучше, чем при тех же условиях в сетях с полностью изолированной нейтралью.

.4.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с резистором в нейтрали с учетом параметров распределительной сети равен

где  - сопротивление, включенное между нейтральной точкой сети и землей.

Для выполнения возложенных на дополнительный активный ток замыкания на землю функций подавления переходного процесса необходимо, чтобы его величина составляла от 50 до 100% емкостного тока замыкания. В этом случае полный ток замыкания на землю, в том числе и через человека, при прочих равных условиях увеличивается максимум в 1,41 раз по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью. Отсюда, при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям сети с резистором в нейтрали, также как и сети с полностью изолированной нейтралью для реальных физических параметров изоляции фаз сети относительно земли являются опасными, даже в случае использования защиты от замыканий на землю действующей на отключение.

Степень опасности сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции в установившемся режиме также несколько возрастает по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью за счет увеличения полного тока замыкания на землю и, соответственно, увеличения напряжения прикосновения.

Значение тока глухого однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали определяется геометрическим сложением двух составляющих: емкостной, и активной, т.е.:

 или ,

где ka - коэффициент, учитывающий долю дополнительного активного ток, А замыкания на землю по сравнению с емкостным

.

Однако в переходном режиме замыкания, который в сетях с изолированной нейтралью при определенных параметрах сети представляет опасность для человека, в сетях с резистором в нейтрали опасность прикосновения к корпусам поврежденного оборудования значительно уменьшается за счет резкого сокращения длительности переходного процесса, а также за счет уменьшения амплитуды бросков тока замыкания на землю. При наложении активной составляющей тока однофазного замыкания на землю величиной 50 % от емкостного тока, напряжение прикосновения при дуговых замыканиях уменьшается (например, при емкостном токе замыкания 10 А) в 1,8...2,0 раза по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью.

Напряжение прикосновения при глухих двойных замыканиях на землю значительно превышает безопасные уровни даже при расстоянии между точками замыкания 3 км. Шаговые напряжения и соответствующие им токи представляют опасность для человека даже на удалении 5 м, причем степень опасности возрастает с уменьшением расстояния между точками замыкания на землю двух разных фаз.

Степень опасности двойных замыканий на землю практически не зависит от режима работы нейтрали распределительной сети, но вероятность появления таких повреждений в сетях с изолированной нейтралью небольшая, так как этим сетям соответствуют максимальные (по сравнению с иными режимами нейтрали) кратности внутренних перенапряжений, вызывающих повреждения изоляции в других точках распределительной сети.

Выводы по главе 2

. Достаточно широко используемый в электрических распределительных сетях систем электроснабжения полностью изолированный режим работы нейтрали в сравнении с другими не является экономичным, не отвечает требованиям электробезопасности и обладает самой низкой надежностью за счет роста повреждаемости элементов системы электроснабжения.

. Позитивное влияние компенсации емкостных токов замыкания на землю с точки зрения надежности, экономичности и электробезопасности соответствует резонансному режиму настройки компенсирующих устройств, однако, учитывая возможную динамику распределительных сетей, применение их нецелесообразно без достаточно точных средств автоматической настройки индуктивности в резонанс с емкостью сети.

. Разработаны математические модели для исследования аварийных токов и параметров нулевой последовательности при замыканиях на землю в распределительных сетях с нейтралью заземленной через индуктивность и активное сопротивление и позволяют учитывать переходное сопротивление в месте повреждения и составляющие проводимостей изоляции сети и устройства заземления нейтрали.

. Появление и ликвидация несимметричных аварийных режимов сопровождаются переходными процессами, параметры которых зависят от режима заземления нейтрали и прямым или косвенным способом влияют на эксплуатационную надежность и электробезопасность систем электроснабжения.

. Переходные процессы, сопровождающие металлические, дуговые и перемежающиеся замыкания на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью, способствуют снижению надежности электрических сетей за счет появления и негативного проявления значительных внутренних перенапряжений. Значительно меньшие уровни перенапряжений соответствуют сетям с резистором в нейтрали, сопротивление которого должно быть соизмеримо с емкостным сопротивлением изоляции сети относительно земли.

. По условиям электробезопасности распределительные сети при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям ни один из рассмотренных режимов нейтрали нельзя признать благоприятным. Независимо от режима нейтрали с учетом реальных параметров изоляции распределительных сетей и времени действия устройств защиты и применяемой коммутационной аппаратуры, значение тока через тело человека значительно превышает безопасные уровни.

. Степень опасности электрической сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования и машин, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, в значительной степени зависит от режима нейтрали. Если учитывать переходные процессы, сопровождающие металлические и дуговые однофазные замыкания на землю, то наиболее благоприятным следует считать электрическую сеть с активным резистором в нейтрали.

3. Исследование влияния параметров изоляции, режима нейтрали и структуры построения схемы электроснабжения комбината на функциональные характеристики средств защиты

3.1 Амплитудные и фазовые характеристики аварийных токов при однофазных замыканиях на землю

Для исследования характеристик напряжения и токов нулевой последовательности воспользуемся схемой замещения показанной на рис. 3.1, которая представлена в виде двух присоединений, подключенных к одному силовому трансформатору. При этом проводимости изоляции соответствующих фаз сети относительно земли контролируемого присоединения () и всей оставшейся части распределительной сети () связаны соотношением:

.

Однофазное замыкание на землю может произойти в контролируемой линии () или во внешней сети ().

Для этой схемы в общем случае для режима однофазного замыкания на землю в контролируемом присоединении или во внешней сети мы можем записать выражения:

для напряжения нулевой последовательности

 или

Рисунок 3.1 - Схема замещения распределительной сети для исследования напряжения и токов нулевой последовательности

для тока нулевой последовательности при повреждении в контролируемой линии

для собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю)

где YН - проводимость нейтральной точки сети относительно земли.

Выполненные исследования представленных зависимостей по оценке влияния на значения напряжения и токов нулевой последовательности параметров изоляции и характера режима нейтрали сети и их анализ позволяют констатировать:

Сеть с полностью изолированной нейтралью

- напряжение нулевой последовательности определяется (кроме значения фазного напряжения сети) параметрами изоляции сети относительно земли и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения.

Сеть с компенсированной нейтралью

напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, проводимостью компенсирующего устройства (степенью расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима) и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

при металлических (глухих) замыканиях одной фазы на землю режим настройки компенсирующего устройства не влияет на значение напряжения нулевой последовательности, которое при этом равно фазному напряжению сети;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности, параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли (включая и параметры компенсирующего устройства) за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

ток в компенсирующем устройстве при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами компенсирующего устройства.

Сеть с резистором в нейтрали

напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, значением сопротивления резистора в нейтрали и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети и нейтрали относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения и значением сопротивления резистора в нейтрали;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

ток в нейтрали сети (ток в резисторе в нейтрали) при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами самого резистора.

Общий вывод - собственный ток контролируемого присоединения, выраженный через напряжение нулевой последовательности, определяется только параметрами изоляции контролируемой линии и не зависит от режима работы нейтрали электрической сети.

Фазовые характеристики аварийных токов при замыканиях на землю

Устройства защиты от замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося аварийного режима, используют в основном токи и напряжения нулевой последовательности. Для направленных устройств защиты от замыканий на землю кроме значений требуется также знать фазу или взаимное положение сравниваемых величин, т.е. положение векторов напряжения и токов нулевой последовательности для защит, реагирующих на мощность нулевой последовательности. С точки зрения создания новых методов и средств направленных устройств защиты или сигнализации от замыканий на землю представляют интерес также амплитудные и фазовые характеристики собственного тока защищаемой линии и тока в нейтрали сети.

Пользуясь выражениями (3.1) … (3.3) с учетом значений проводимостей изоляции сети и контролируемого присоединения дадим оценку фазовым характеристикам напряжения, токов нулевой последовательности с учетом режима нейтрали сети.

Сеть с полностью изолированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с полностью изолированной нейтралью определится из выражения

и изменяется в пределах от 1800 до 900 при изменении переходного сопротивления в точке замыкания от нуля до бесконечности.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

Анализ выражений (3.5) и (3.6) показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов, или минус 90 эл. градусов;

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

Сеть с компенсированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с компенсированной нейтралью зависит от параметров изоляции сети, параметров компенсирующего устройства и величины переходного сопротивления в месте замыкания, и определяется выражением

где - степень расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима.

В зависимости от параметров сети, режима настройки дугогасящей катушки и значения переходного сопротивлений в точке замыкания, угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы может принимать значения в интервале от 90 до 270 эл. градусов, т.е. теоретически может изменяться в пределах 180 эл. градусов. При настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли указанный угол практически равен 180 эл. градусов и не зависит от параметров сети и значения переходного сопротивления в точке замыкания.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, а также учитывая реальные значения параметров дугогасящего реактора, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и определяется в значительной степени значением расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима и для резонансной настройки составляет практически 180 эл. градусов; при расстройке компенсирующего устройства от резонансного режима, как в сторону перекомпенсации, так и в сторону недокомпенсации, вектор тока отклоняется на угол соответственно до плюс 90 эл. градусов и минус 90 эл. градусов, таким образом диапазон изменения угла между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности теоретически составляет 180 эл. градусов;

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет 90 эл. градусов;

угол между вектором тока в дугогасящем реакторе и вектором напряжения нулевой последовательности определяется только параметрами непосредственно дугогасящего реактора и для реальных их значений составляет 90 эл. градусов.

Сеть с резистором в нейтрали

Для сети с резистором в нейтрали угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы

Влияние значения активного сопротивления в нейтрали сети на значение и фазу напряжения нулевой последовательности по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью можно оценить как существенное снижение активного сопротивления изоляции фаз сети относительно земли.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

вектора собственного тока контролируемой линии

вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли значения сопротивления резистора в нейтрали, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и, в отличие от сетей с полностью изолированной нейтралью, равен значению в пределах от 180 до 270 эл. градусов; для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (1¸2) XС этот угол составляет примерно 225¸240 эл. градусов.

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

угол между вектором тока в резисторе, включенном в нейтрали сети и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от параметров изоляции сети, резистора и режима замыкания и совпадает по направлению с вектором напряжения нулевой последовательности ( угол равен 0 эл. градусов).

Важно отметить, что фаза собственного тока контролируемого присоединения не зависит от режима работы нейтрали, определяется только параметрами непосредственно контролируемого присоединения и практически жестко привязана к напряжению нулевой последовательности.

3.2 Исследование влияния режима нейтрали сети на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Значительное преобладание однофазных замыканий на землю в рассматриваемых сетях над другими видами повреждений, не явно выраженный аварийный характер работы сети при таком повреждении, а также значительный диапазон изменения параметров нулевой последовательности, привели к разработке большого количества весьма разнообразных устройств защиты от однофазных замыканий на землю, которые можно классифицировать по принципу их действия на четыре основные группы:

) защитные устройства, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания;

) защитные устройства, реагирующие на параметры переходного процесса при замыканиях на землю;

) защитные устройства, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты;

) комбинированные устройства защиты.

Следует отметить, что ни одно из защитных устройств не может гарантировать благополучного исхода при прикосновении человека к токоведущим частям в сетях с любым режимом нейтрали при напряжении 6 кВ и выше. Поэтому основным назначением устройств защиты от замыканий на землю следует считать обеспечение электробезопасности при действии напряжения прикосновения, надежности электроснабжения и недопущение дальнейшего развития аварий. Исходя из этого, основными требованиями, предъявляемыми к устройствам защиты распределительных сетей от несимметричных повреждений являются:) чувствительность к параметрам контролируемых величин;

) селективность (избирательность) действий;

) высокая функциональная и аппаратная надежность;

) работоспособность в широком диапазоне изменения входных сигналов.

С точки зрения оптимизации режима нейтрали распределительных сетей и обеспечения качества работы защитных устройств, научный и практический интерес представляют исследования работоспособности известных средств защиты при всех возможных видах режима работы нейтрали распределительных сетей.

К устройствам защиты, реагирующих на параметры установившегося режима однофазного замыкания на землю в распределительных сетях напряжением выше 1000 В следует отнести:

устройства, реагирующие на ток нулевой последовательности (максимальные токовые защиты нулевой последовательности);

устройства, реагирующие на напряжение нулевой последовательности;

устройства, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности и угол между этими величинами (направленные устройства защиты).

Широкое применение токовых защит ограничивается относительно низкой чувствительностью, которая связана с необходимостью выбора тока срабатывания, исходя из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения и , как правило, с учетом переходного процесса. В общем случае ток срабатывания простой токовой защиты определяется выражением:

где  - коэффициент надежности, вводимый для отстройки от бросков собственного емкостного тока при переходном процессе, принимается  = 4¸5; - собственный емкостной ток защищаемого присоединения.

Рекомендуемый коэффициент чувствительности простой токовой защиты должен быть:

,

Выражение для коэффициента чувствительности можно записать в иной форме

где  и  - соответственно полный емкостной ток сети и собственный емкостной ток эащищаемой линии при металлическом замыкании на землю, определяемый без учета активной составляющей проводимости изоляции сети.

Из выражения (3.16) с учетом  можно получить:

Последнее выражение является условием применимости токовой защиты, то есть применение простой токовой защиты оправдано по условиям чувствительности при емкости защищаемой линии меньше в 5¸7,5 раз емкости всей электрически связанной сети. При несоблюдении указанного условия селективность работы нарушается. Необходимость выполнения условия (3.16) значительно ограничивает область применения токовых защит, тем более, если учитывать, что в процессе эксплуатации емкость всей сети, а также отдельных линий значительно меняется.

Принцип обеспечения селективности действия токовых защит, а также соотношение значений токов нулевой последовательности при внутренних и внешних однофазных замыканиях на землю, не способствует применению их в сетях с компенсированной нейтралью. В таких сетях в установившемся режиме замыкания на землю при настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли, а также при незначительных расстройках от резонансного режима (на 10 - 20 %), ток нулевой последовательности защищаемого присоединения (собственный ток присоединения) оказывается, как правило, больше тока нулевой последовательности при повреждении в защищаемом присоединении. Это обстоятельство практически исключает возможность применения токовых защит в сетях с компенсированной нейтралью. Однако при больших расстройках компенсирующего устройства от резонансного режима (более 40%) применение токовых защит становится возможным, хотя и ограниченным за счет необходимости отстраивать защиту от бросков собственного тока в начальный период повреждения.

Достоинством простых токовых защит, реагирующих на ток нулевой последовательности, следует считать то, что такие защиты в отличии от направленных устройств, реагируют на сравнительно более опасные двойные замыкания на землю. Одним из видов токовых защит от замыканий на землю, получивших применение в сетях с компенсированной нейтралью, являются устройства, реагирующие на высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности. Наличие высших гармонических составляющих в токе замыкания обусловлено нелинейным характером нагрузок (главным образом вентильно-преобразовательных установок и силовых трансформаторов). Состав и уровень гармоник в сетях изменяется в широких пределах. Гармонические составляющие в разных точках сети существенно отличаются в каждый момент времени и резко изменяются с течением времени в зависимости от включенного оборудования, графика нагрузки и т.д. Гармонические составляющие установившегося остаточного тока замыкания на землю могут быть использованы для действия защиты при условии, что в сети имеется достаточно стабильный состав и уровень гармоник. Необходимая чувствительность защиты может быть обеспечена лишь при небольшом (несколько Ом) переходном сопротивлении в точке замыкания, так как в противном случае уровень гармоник резко снижается. Кроме того, для защиты, использующей естественные гармоники установившегося тока замыкания на землю, трудно согласовать селективность действия и чувствительность.

Основным недостатком защитных устройств, реагирующих только на напряжение нулевой последовательности, является невозможность обеспечения селективности работы. В сетях с компенсированной нейтралью применение таких защит практически невозможно также и по причине существенного значения напряжения смещения нейтрали при резонансной (или близкой к резонансной) настройке дугогасящего реактора.

Устройства направленной защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания, работают на основе сравнения по фазе тока и напряжения нулевой последовательности. Указанные устройства рекомендованы только для сетей с полностью изолированной нейтралью. В сетях с компенсированной нейтралью указанный принцип выполнения защит не нашел применения, так как в этих сетях углы между токами и напряжением нулевой последовательности определяются в основном режимом компенсации, а также зависят от параметров изоляции сети и переходного сопротивления в точке замыкания.

Основными причинами неудовлетворительной работы направленных устройств защиты в сетях с изолированной нейтралью следует считать наличие переходных процессов, сопровождающих как возникновение замыкания фазы на землю, так и отключение поврежденного присоединения. К причинам, вызывающим ложную работу существующих устройств направленной защиты, следует отнести также несовершенство схемных решений. Из этой группы причин следует выделить следующие:

недостаточную отстройку устройств по каналам тока и напряжения нулевой последовательности от высших гармонических составляющих, уровень которых может быть значительным, особенно при замыканиях через перемежающуюся дугу ;

широкая угловая зона срабатывания, которая составляет примерно 180¸210°, что приводит к совпадению во времени сравниваемых сигналов за счет их фазовых искажений, (рис. 3.2) обусловленных угловыми погрешностями трансформаторов тока и напряжения, фазовыми сдвигами сигналов непосредственно в схеме устройства и т.п.

Рисунок 3.2 - К пояснению неселективного действия направленных устройств защиты на неповрежденных присоединениях при появлении фазовой погрешности jП между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности (ІР - ток в исполнительном реле)

Дуговые замыкания на землю появляются вследствие нескольких импульсных перекрытий в течение периода и сопровождаются также переходными процессами с последующим установлением тока дугового замыкания промышленной частоты. Длительность горения электрической дуги и интервалы, через которые она повторяется, определяются быстродействием и режимом настройки дугогасящего реактора в компенсированных сетях, а также временными характеристиками процессов ионизации и деионизации поврежденной изоляции.

Устройства защиты, реагирующие на параметры переходного процесса, находят применение в сетях с компенсированной нейтралью, так как компенсация емкостного тока замыкания на землю не позволяет, как правило, использовать для действия защиты токов или напряжений промышленной частоты.

Переходный процесс при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях характеризуется появлением следующих этапов:

формирование начального фронта в месте повреждения, т.е. появление падающих разрядных волн;

распространение разрядных волн в пределах однородной поврежденной линии;

распространение волн в сети с отражениями и преломлениями в точках нарушения однородности волновых сопротивлений;

дополнительный заряд емкостей поврежденных фаз, формирование и распространение зарядных волн;

установление нового режима с промышленной частотой изменения токов и напряжений.

Информация, получаемая при контроле электрических величин переходного процесса при замыкании на землю имеет следующие особенности:

) независимость рабочих режимов системы;

) кратковременное действие, характеризующее появление повреждений, но не характеризующее состояние системы после появления повреждения;

) возможность определения не только устойчивых, но и кратковременных, исчезающих однофазных повреждений.

К недостатком устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на амплитудные и волновые характеристики переходного процесса, в значительной степени ограничивающих их распространение в распределительных сетях, следует отнести следующее:

. Броски начального емкостного тока, а также токи и напряжения волн разрядной стадии переходного процесса в значительной степени определяются значениями напряжения и его фазы в момент замыкания на землю. В тоже время электрические сети характеризуются высокой вероятностью механического повреждении изоляции, что может происходить в моменты, соответствующие не максимуму напряжения поврежденной фазы, когда переходный процесс практически не возникает.

. Наличие переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю приводит к уменьшению амплитудных и временных характеристик переходного процесса. Опыт эксплуатации распределительных сетей показывает, что при значении переходного сопротивления порядка нескольких сотен Ом переходный процесс практически не возникает.

. При распространении волн по линиям с реальными параметрами их фронты сглаживаются за счет потерь в активных сопротивлениях проводов и земли даже при глухих замыканиях на землю. Кроме того, распределительные сети, обладают неоднородностью, что также приводит к затруднению использования в таких сетях переходных процессов для определения поврежденных присоединений.

. Отсутствие повторности действия защитных устройств при квитировании сигнала в условиях устойчивого замыкания на землю.

Защитные устройства от замыканий на землю, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты, возможны в сетях с любым режимом нейтрали.

Недостатками устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на постоянный оперативный ток, являются отсутствие селективности действия (отключается, как правило, питающий трансформатор), а также ограниченная зона применения (ограничение по суммарной емкости сети относительно земли и по максимальной длине отходящих присоединений, которые определяются опасностью для человека зарядов в распределенных емкостях сети).

Для устройств, реагирующих на наложенный переменный ток непромышленной частоты, величина наложенного тока складывается из составляющих, определяемых, кроме уровня напряжения источника, значением переходного сопротивления в месте замыкания и суммой фазных емкостей сети относительно земли:

где z - величина полного сопротивления обмоток трансформатора, линии и грунта для тока накладываемой частоты;  - емкостное сопротивление одной фазы всей сети относительно земли (для накладываемой частоты).

Вторая составляющая наложенного тока существует независимо от величины переходного сопротивления и возрастает с увеличением емкости сети и частоты оперативного напряжения. Эта составляющая распределяется по всем линиям сети пропорционально их емкостям.

Общим недостатком для защит, реагирующих на наложенный ток как пониженной, так и повышенной частоты, является невозможность создания высокочувствительных устройств, так как необходимо отстраиваться от утечек оперативного тока через емкость защищаемой линии. Кроме того, следует отметить возможность ложной работы устройств защиты при переходных процессах, так как в точках переходного процесса возможно наличие составляющих оперативной частоты.

Принцип наложения на защищаемую сеть оперативного напряжения непромышленной частоты является наиболее предпочтительным для сетей с компенсированной нейтралью как по реализации самого устройства защиты, так и по простоте реализации оперативного источника.

3.3 Влияния структуры системы электроснабжения на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Одно из основных требований к устройствам защиты от однофазных замыканий на землю - селективность действия. При этом для указанной защиты следует различать поперечную и продольную селективность. Поперечная селективность обеспечивается выбором тока срабатывания защиты из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

Продольная селективность в общем случае обеспечивается введением выдержки времени для последовательно включенных защит с нарастанием по мере приближения к источнику питания. Однако ПУЭ и отраслевые Правила безопасности горнодобывающих предприятий предписывают действие первой ступени защиты от замыканий на землю без выдержки времени. Выдержка времени 0,5 с допускается только для второй ступени указанной защиты.

Анализ построения схемы электроснабжения ЗЖРК показал, что проблема продольной селективности существует только для части системы электроснабжения, получающей питание от ГПП, так как только здесь потребители получают питание через одну и более промежуточную распределительную подстанцию, а защиты должны действовать на отключение. Другие трансформаторные подстанции комбината (п/ст 35/6 кВ ЮВС, СВС, ДВС, ЗК) питают потребители поверхности, защита от замыканий на землю действует (за исключением нескольких ответственных потребителей) на сигнал и вопросы продольной селективности не являются критическими.

Обеспечение продольной селективности защиты от замыканий на землю для ГПП может быть обеспечено одним из следующих путей:

установкой на каждом РП, где имеется защита от замыканий на землю, устройств АПВ с функцией опережающего автоматического контроля изоляции отключенного присоединения (участка);

доукомплектация ячеек рудничных распределительных устройств оборудованных блокировочными устройствами утечки (БРУ), устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Выводы по главе 3

. Установлено, что угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности:

- в сети с полностью изолированной нейтралью не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов;

в сети с компенсированной нейтралью не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и определяется в значительной степени значением расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима и для резонансной настройки составляет практически 180 эл. градусов; при расстройке компенсирующего устройства от резонансного режима, как в сторону перекомпенсации, так и в сторону недокомпенсации, вектор тока отклоняется на угол соответственно до плюс 90 эл. градусов и минус 90 эл. градусов (диапазон изменения угла теоретически составляет 180 эл. градусов);

в сети с резистором в нейтрали не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (1¸2) XС этот угол составляет примерно 225¸240 эл. градусов.

. Фаза собственного тока контролируемого присоединения не зависит от режима работы нейтрали, определяется только параметрами непосредственно контролируемого присоединения и практически жестко привязана к напряжению нулевой последовательности

. По результатам исследований параметров нулевой последовательности при замыкания на землю в распределительных сетях с различными режимами нейтрали сформулированы основные причины отказов и дана оценка работоспособности существующих средств защиты.

4. Разработка технических решений по ограничению внутренних перенапряжений и рекомендаций по выбору параметров защит от замыканий на землю для сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

.1 Рекомендации по оптимизации режимов работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

Эффективность любого вида режима работы нейтрали электрической сети определяется целесообразным технико-экономическим соответствием бесперебойности электроснабжения потребителей, величины капиталовложений и эксплуатационных расходов. При этом учитывается, что всякого рода аварийные отключения линий электропередачи и подстанций, как правило, приводят либо к полному обесточиванию потребителей, либо к ограничениям потребления электроэнергии. Перебои в электроснабжении наносят тем больший ущерб, чем выше энергоемкость потребителей и чем больше потребителей, у которых прекращение подачи электроэнергии недопустимо по условиям непрерывности технологического процесса. В связи с этим для обеспечения надежности электроснабжения и для снижения возможных негативных последствий, помимо широко применяемой системной автоматики, конфигурация сетей делается такой, чтобы питание основных или ответственных потребителей осуществлялось по нескольким путям, в том числе и по линиям сетей низшего напряжения.

Эффективностью компенсации емкостного тока замыкания на землю (компенсированная нейтраль) называется способность дугогасящих аппаратов ограничивать токи через место повреждения, перенапряжения и скорости восстанавливающихся напряжений после гашения заземляющей дуги. Показателем эффективности компенсации является отношение количества замыканий на землю не развившихся в короткие замыкания, к общему количеству замыкания.

Эк = 1 - nк.з/nобщ.

При сравнении показателей эффективности работы электрических сетей с различными способами заземления нейтрали, кроме удовлетворения требования по обеспечению надежности электроснабжения потребителей, серьезное внимание обращается на основные параметры сетей, влияющие на эксплуатационные характеристики систем электроснабжения, к которым можно отнести:

. Уровни изоляции и защита от перенапряжений (устойчивость к перенапряжениям).

. Селективность действия релейной защиты и простота ее выполнения.

. Отключение коротких замыканий и возможность нарушения устойчивости параллельной работы (в мощных энергосистемах).

. Влияние на линии связи, каналы телемеханики и средства промышленной автоматики.

. Заземляющие устройства линий и подстанций и безопасность напряжении прикосновения и шаговых напряжений.

В отношении электрических сетей и оборудования напряжением 6-35 кВ, работающих с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, следует отметить, что при резонансных настройках или при незначительных расстройках компенсации в сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30%. Такие запасы обеспечивают высокую надежность работы систем электроснабжения.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является бесконтактным средством дугогашения. В сравнении с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с сетями работающими с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, сети с индуктивностью в нейтрали, настроенной в резонанс с емкостью сети относительно земли, обладают следующими выгодными для эксплуатации качествами:

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

обеспечивается надежное дугогашение (предотвращается длительное воздействие заземляющей дуги);

улучшаются условия безопасности при растекании аварийных токов в земле;

облегчаются требования к заземляющим устройствам;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

в нейтраль первичной обмотки специального заземляющего трансформатора);

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4.2 - Поясняющая схема комбинированного режима заземления нейтрали

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

4.3 Параметры и варианты реализации рекомендуемого режима нейтрали

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

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

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

включение в нейтраль сети высоковольтного резистора.

Таблица 4.1 - Сравнительный анализ двух способов заземления нейтрали

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

Значения нагрузочных резисторов для вторичных обмоток заземляющих трансформаторов рассчитываются по формуле

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

Параметры и характеристика однофазных трансформаторов

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

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

Таблица 4.2

Таблица 4.3 - Технические характеристики трансформаторов ОМП

Таблица 4.4 - Технические характеристики трансформаторов ОМ и ОМГ

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

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

Низкоомный резистор для заземления нейтрали

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

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

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

Рисунок 4.4 - Общий вид РЗ-100-6-176

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

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

Таблица 4.5 - Технические характеристики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4.5 - Схема включения сопротивления в нейтраль трансформатора НТМИ

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

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

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

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

 и

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

Выводы по главе 4

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

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

. По результатам исследований параметров нулевой последовательности при замыкания на землю в распределительных сетях с различными режимами нейтрали сформулированы основные причины отказов и дана оценка работоспособности существующих средств защиты. Разработаны организационно-технические мероприятия и технические решения, позволяющие повысить функциональную надежность находящихся в эксплуатации средств защиты от замыканий на землю в распределительных сетях напряжением 6 кВ.

Заключение

. Наиболее распространенными повреждениями в распределительных сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения горных предприятий являются однофазные замыкания на землю, которые в общем случае представляют опасность как для изоляции электрических сетей и установок, так и для обслуживающего персонала. Широко используемый в электрических распределительных сетях систем электроснабжения полностью изолированный режим работы нейтрали в сравнении с другими не является экономичным, не отвечает требованиям электробезопасности и обладает самой низкой надежностью за счет роста повреждаемости элементов системы электроснабжения.

. Для электрических сетей системы электроснабжения ЗЖРК на основе реальных физических параметров электрических сетей и оборудования, структуры системы электроснабжения и значений удельных фазных емкостей рассчитаны значения максимальных суммарных токов однофазного замыкания на землю для каждой секции шин подстанций, на основании чего разработаны рекомендации по оптимизации режима нейтрали распределительных сетей.

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

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

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

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

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

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

Перечень ссылок

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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