Пояснительная записка.

Компенсация емкостных токов замыкания на землю в сетях 6-35кВ.

Введение. Самым частым видом повреждения (до 95%) в сетях 6, 10, 35 кВ являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), сопровождающиеся протеканием через место замыкания емкостного тока и перенапряжениями высокой кратности на элементах сети (двигателях, трансформаторах) в виде высокочастотного переходного процесса. Такие воздействия на сеть приводят в лучшем случае к срабатыванию земляных защит. Отыскание поврежденного присоединения представляется трудоемкой и длительной организационной задачей – поочередное отключение присоединений затягивается на продолжительное время и сопровождается комплексом оперативных переключений для резервирования потребителей. И, как правило, большинство междуфазных замыканий начинается с ОЗЗ. Развитие однофазных замыканий на землю сопровождается разогревом места замыкания, рассеиванию большого количества энергии в месте ОЗЗ и заканчивается отключением потребителя уже защитой МТЗ при переходе ОЗЗ в короткое замыкание. Изменить ситуацию можно применением резонансного заземления нейтрали.

Токи замыкания. При ОЗЗ на землю через место повреждения протекает емкостный ток, обусловленный наличием электрической емкости между фазами сети и землей. Емкость сконцентрирована, в основном, в кабельных линиях, длина которых и определяет общий емкостный ток ОЗЗ (ориентировочно на 1 А емкостного тока приходится 1 км кабеля).

Виды ОЗЗ. Все ОЗЗ делятся на глухие (металлические) и дуговые. Наиболее частым (95% всех ОЗЗ) и наиболее опасным видом ОЗЗ являются дуговые ОЗЗ. Опишем каждый вид ОЗЗ отдельно.

1) с точки зрения уровней перенапряжений на элементах сети наиболее безопасны металлические замыкания на землю (например, падение провода воздушной ЛЭП на землю). В этом случае через место пробоя протекает емкостный ток, не сопровождающийся большими перенапряжениями в виду специфики такого рода ОЗЗ.

2) особенность дуговых ОЗЗ - наличие электрической дуги в месте ОЗЗ, которая является источником высокочастотных колебаний, сопровождающих каждое ОЗЗ.

Способы подавления токов ОЗЗ. Существует два способа подавления токов ОЗЗ.

1) отключение поврежденного присоединения – этот способ ориентирован на ручное либо автоматическое (с использованием средств РЗА) отключение. При этом потребитель в соответствии с категорией переводится на резервное питание или остается без питания. Нет напряжения на поврежденной фазе – нет тока через место пробоя.

2) компенсация емкостного тока в месте замыкания установленным в нейтрали сети реактором, обладающим индуктивными свойствами.

Суть компенсации емкостных токов ОЗЗ. Как было замечено, при замыкании фазы на землю (пробое) через место ОЗЗ протекает емкостный ток. Этот ток при ближайшем рассмотрении обусловлен емкостями двух оставшихся (неповрежденных) фаз, заряженных до линейного напряжения. Токи этих фаз, сдвинутые друг относительно друга на 60 электрических градусов, суммируются в точке повреждения и имеют по величине тройное значение фазного емкостного тока. Отсюда и определяется величина тока ОЗЗ через место повреждения: . Этот емкостный ток можно скомпенсировать индуктивным током дугогасящего реактора (ДГР), установленного в нейтраль сети. При ОЗЗ в сети на нейтрали любого присоединенного к ней трансформатора, обмотки которого соединены в звезду, появляется фазное напряжение, которое, если имеется вывод нейтрали, присоединенный к высоковольтной обмотке реактора L, инициирует индуктивный ток реактора через место пробоя. Этот ток направлен встречно емкостному току ОЗЗ и может его компенсировать при соответствующей настройке реактора (рис. 1)

Рис. 1 Пути прохождения токов ОЗЗ через элементы сети

Необходимость автоматической настройки в резонанс. Для достижения максимальной эффективности ДГР контур, образованный емкостью всей сети и индуктивностью реактора – контур нулевой последовательности сети (КНПС) - должен быть настроен в резонанс на частоте сети 50 Гц. В условиях постоянных переключений в сети (включений/отключений потребителей) емкость сети изменяется, что приводит к необходимости применения плавнорегулируемых ДГР и автоматической системы компенсации емкостных токов ОЗЗ (АСКЕТ). К слову сказать, применяемые в настоящее время ступенчатые реакторы типа ЗРОМ и др. настраиваются вручную, исходя из расчетных данных о емкостных токах сети, и поэтому не обеспечивают резонансной настройки.

Принцип действия АСКЕТ. КНПС настраивается в резонанс устройством автоматической регулировки компенсации типа УАРК.101М, работающим на фазовом принципе. На вход УАРК.101М подаются опорный сигнал (линейное напряжение) и сигнал 3Uo с измерительного трансформатора (например, НТМИ). Для правильной и устойчивой работы АСКЕТ необходимо создать искусственную несимметрию в сети, что делается источником возбуждения нейтрали (ИВН) - либо включением высоковольтной конденсаторной батареи в одну из фаз сети, либо установкой специального несимметричного трансформатора типа ТМПС со встроенным ИВН (с возможностью регулирования коэффициента трансформации с дискретностью 1,25 % фазного напряжения). В последнем случае величина напряжения 3Uo в режиме резонанса и устойчивость работы АСКЕТ остаются постоянными при изменении конфигурации сети (см. формулы ниже). В нейтраль этого же трансформатора устанавливается ДГР (например, типа РДМР). Таким образом, АСКЕТ представляется в виде системы ТМПС+РДМР+УАРК.101М.

О соотношении величин естественной и искусственной несимметрии. В сети с изолированной нейтралью напряжение на разомкнутом треугольнике НТМИ с учетом коэффициента трансформации соответствует напряжению естественной несимметрии. Величина и угол этого напряжения нестабильны и зависят от различных факторов (погодных,…..и т. д.), поэтому для правильной работы АСКЕТ необходимо создать более стабильный сигнал как по величине, так и по фазе. Для этой цели в КНПС вводится источник возбуждения нейтрали (источник искусственной несимметрии ). Если использовать терминологию теории автоматического управления, искусственная несимметрия представляет собой полезный сигнал, используемый для управления КНПС, а естественная – помеха, от которой необходимо отстроиться путем выбора величины искусственной несимметрии. В сетях с наличием кабельных линий с емкостным током 10 и более ампер величина естественной несимметрии, как правило, очень мала . П.5.11.11. ПТЭЭСиС ограничивает величину напряжения несимметрии (естественной + искусственной) в сетях, работающих с компенсацией емкостного тока, на уровне 0,75% фазного напряжения, а максимальную степень смещения нейтрали на уровне не выше 15% фазного напряжения. На разомкнутом треугольнике НТМИ эти уровни будут соответствовать значениям 3Uo= 0,75В и 15В. Максимальная степень смещения нейтрали возможна в режиме резонанса (рис.2).

Приведем ниже формулы для расчета напряжения 3Uo в режиме резонанса для двух способов создания искусственной несимметрии:

1) в случае применения конденсатора Co

,

где - угловая частота сети, 314,16 с-1,

http://pandia.ru/text/79/550/images/image006_44.gif" width="24" height="23 src=">- фазная ЭДС, В,

http://pandia.ru/text/79/550/images/image008_37.gif" width="29" height="27">- коэффициент трансформации по 3Uo измерительного трансформатора, в сети 6 кВ – 60/, в сети 10 кВ - 100/http://pandia.ru/text/79/550/images/image010_32.gif" width="97" height="51">,

где Ксм – переключаемый коэффициент смещения фазы В специального трансформатора.

Из формул видно, что в случае применения конденсатора Co величина 3Uo в точке резонанса зависит от емкостного тока сети (), а в случае применения специального несимметричного трансформатора не зависит.

Минимальное значение 3Uo выбирается, исходя из условия надежной работы устройства УАРК.101М, и составляет 5В.

В вышеприведенных формулах не учитывается величина напряжения естественной несимметрии сети ввиду ее небольших значений..jpg" width="312" height="431">

Рис. 3 Векторы напряжений в резонансно-заземленной сети

Выводы:

Точная автоматическая компенсация емкостного тока ОЗЗ является бесконтактным средством дугогашения и по сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью, с резистивно-заземленной, с частично компенсируемой, а также с комбинированно заземленной нейтралью имеет следующие преимущества:

уменьшает ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник), обеспечивает надежное дугогашение (предотвращает длительное воздействие заземляющей дуги) и безопасность при растекании токов в земле;

облегчает требования к заземляющим устройствам;

ограничивает перенапряжения, возникающие при дуговых ОЗЗ, до значений 2,5-2,6 Uф (при степени расстройки компенсации 0-5%), безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

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

предотвращает набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых ОЗЗ, чем сохраняется качество электроэнергии у потребителей;

предотвращает развитие в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали), если выполняются ограничения в отношении применения плавких предохранителей на линиях электропередачи;

исключает ограничения по статической устойчивости при передаче мощности по линиям электропередачи.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой.

Литература:

1. Лихачев на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. – 152 с.

2. Обабков адаптивных систем управления резонансными объектами. Киев: Наукова думка, 1993. – 254 с.

3. Фишман В. Способы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Точка зрения проектировщика. Новости Электротехники, №2, 2008

4. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской федерации. РД 34.20.501-издание. Москва, 1996.

Главный инженер

Рис. 2 Примеры резонансных характеристик КНПС

Рис. 4 Реакция резонансно-заземленной сети на дуговой пробой

Содержание:

В электротехнике существует такое понятие как емкостный ток, более известный в качестве емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях. Данное явление возникает при повреждении фазы, в результате чего возникает так называемая заземляющая дуга. Для того чтобы избежать серьезных негативных последствий, необходимо своевременно и правильно выполнять расчет емкостного тока сети. Это позволит уменьшить перенапряжение в случае повторного зажигания дуги и создаст условия для ее самостоятельного угасания.

Что такое емкостный ток

Емкостный ток возникает как правило на линиях с большой протяженностью. В этом случае земля и проводники работают аналогично обкладкам конденсатора, способствуя появлению определенной емкости. Поскольку обладает переменными характеристиками, это может послужить толчком к его появлению. В кабельных линиях, напряжением 6-10 киловольт, его значение может составить 8-10 ампер на 1 км протяженности.

В случае отключения линии, находящейся в ненагруженном состоянии, величина емкостного тока может достигнуть нескольких десятков и даже сотен ампер. В процессе отключения, когда наступает момент перехода тока через нулевое значение, напряжение на расходящихся контактах будет отсутствовать. Однако, в следующий момент вполне возможно образование электрической дуги.

Если значение емкостного тока не превышает 30 ампер, это не приводит к каким-либо серьезным повреждениям оборудования в зоне опасных перенапряжений и замыканий на землю. Электрическая дуга, появляющаяся на месте повреждения, достаточно быстро гаснет с одновременным появлением устойчивого замыкания на землю. Все изменения емкостного тока происходят вдоль электрической линии, в направлении от конца к началу. Величина этих изменений будет пропорциональна длине линии.

Для того чтобы уменьшить ток замыкания на землю, в сетях, напряжением от 6 до 35 киловольт, осуществляется компенсация емкостного тока. Это позволяет снизить скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги. Кроме того, снижаются перенапряжения в случае повторных зажиганий дуги. Компенсация выполняется с применением дугогасящих заземляющих реакторов, имеющих плавную или ступенчатую регулировку индуктивности.

Настройка дугогасящих реакторов выполняется в соответствии с током компенсации, величина которого равна емкостному току замыкания на землю. При настройке допускается использование параметров излишней компенсации, когда индуктивная составляющая тока будет не более 5 ампер, а степень отклонения от основной настройки - 5%.

Выполнение настройки с недостаточной компенсацией допустимо лишь в том случае, когда мощность дугогасящего реактора является недостаточной. Степень расстройки в этом случае не должна превышать 5%. Главным условием такой настройки служит отсутствие напряжения смещения нейтрали, которое может возникнуть при несимметричных емкостях фаз электрической сети - при обрыве проводов, растяжке жил кабеля и т.д.

Для того чтобы заранее предупредить возникновение аварийных ситуаций и принять соответствующие меры, необходимо рассчитать емкостный ток на определенном участке. Существуют специальные методики, позволяющие получить точные результаты.

Пример расчета емкостного тока сети

Значение емкостного тока, возникающего в процессе замыкания фазы на землю, определяется лишь величиной емкостного сопротивления сети. По сравнению с индуктивными и активными сопротивлениями, емкостное сопротивление обладает более высокими показателями. Поэтому первые два вида сопротивлений при расчетах не учитываются.

Образование емкостного тока удобнее всего рассматривать на примере трехфазной сети, где в фазе А произошло обычное замыкание. В этом случае величина токов в остальных фазах В и С рассчитывается с помощью следующих формул:

Модули токов в этих фазах I в и I с, учитывая определенные допущения С = С А = С В = С С и U = U А = U В = U С можно вычислить при помощи еще одной формулы: Значение тока в земле состоит из геометрической суммы токов фаз В и С. Формула целиком будет выглядеть следующим образом: При проведении практических расчетов величина тока замыкания на землю может быть определена приблизительно по формуле: , где U ср.ном. - является фазным средненоминальным напряжением ступени, N - коэффициент, а l представляет собой суммарную длину , имеющих электрическую связь с точкой замыкания на землю (км). Оценка, полученная с помощью такого расчета, указывает на независимость величины тока от места замыкания. Данная величина определяется общей протяженностью всех линий сети.

Как компенсировать емкостные токи замыкания на землю

Работа электрических сетей, напряжением от 6 до 10 киловольт, осуществляется с изолированной или заземленной нейтралью, в зависимости от силы тока замыкания на землю. Во всех случаях в схему включаются дугогасящие катушки. Нейтраль заземляется с помощью дугогасящих катушек, для того чтобы компенсировать токи замыкания на землю. Когда возникает однофазное замыкание на землю, работа всех электроприемников продолжается в нормальном режиме, а электроснабжение потребителей не прерывается.

Значительная протяженность городских кабельных сетей приводит к образованию в них большой емкости, поскольку каждый кабель является своеобразным конденсатором. В результате, однофазное замыкание в подобных сетях, может привести к увеличению тока на месте повреждения до нескольких десятков, а в некоторых случаях - и сотен ампер. Воздействие этих токов приводит к быстрому разрушению изоляции кабеля. Из-за этого, в дальнейшем, однофазное замыкание становится двух- или трехфазным, вызывая отключение участка и прерывая электроснабжение потребителей. В самом начале возникает неустойчивая дуга, постепенно превращающаяся в постоянное замыкание на землю.

Когда ток переходит через нулевое значение, дуга сначала пропадает, а затем появляется вновь. Одновременно на неповрежденных фазах возникает повышение напряжения, которое может привести к нарушению изоляции на других участках. Для погашения дуги в поврежденном месте, необходимо выполнить специальные мероприятия по компенсации емкостного тока. С этой целью к нулевой точке сети подключается индуктивная заземляющая дугогасящая катушка.

Схема включения дугогасящей катушки, изображенная на рисунке, состоит из заземляющего трансформатора (1), выключателя (2), сигнальной обмотки напряжения с вольтметром (3), дугогасящей катушки (4), трансформатора тока (5), (6), токового реле (7), звуковой и световой сигнализации (8).

Конструкция катушки состоит из обмотки с железным сердечником, помещенной в кожух, наполненный маслом. На главной обмотке имеются ответвления, соответствующие пяти значениям тока для возможности регулировки индуктивного тока. Один из выводов включается в нулевую точку обмотки трансформатора, соединенной звездой. В некоторых случаях может использоваться специальный заземляющий трансформатор, а соединение вывода главной обмотки осуществляется с землей.

Таким образом, для обеспечения безопасности выполняется не только расчет емкостного тока, но и проводятся с помощью специальных устройств. В целом это дает хорошие результаты и обеспечивает безопасную эксплуатацию электрических сетей.

Размещено 05.07.2011 (актуально до 18.07.2013)

Как отмечают многие наши читатели, в особенности специалисты проектных организаций, в имеющейся российской технической литературе нет конкретных рекомендаций по выбору защит от замыканий на землю (ОЗЗ) и отсутствуют современные методики расчёта уставок. Поэтому материалы на эту тему вызывают большой интерес.

Алексей Шалин, д.т.н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

В предыдущем номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 4(34) 2005) была опубликована статья Алексея Ивановича Шалина , в которой был приведен пример расчёта уставок защиты от замыканий на землю, реагирующей на напряжение нулевой последовательности.

О значениях коэффициента броска

В были приведены рекомендации авторов по расчёту уставок ненаправленных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ. Из этих рекомендаций видно, что специалисты существенно расходятся во мнениях относительно таких основополагающих для расчёта величин, как коэффициент броска, нормируемый коэффициент чувствительности и т.д.

В комментарии к Сергей Титенков утверждает, что используемый в расчётах коэффициент броска, зависящий в основном от высокочастотного тока нулевой последовательности, возникающего в процессе разряда ёмкости поврежденной фазы цепи и заряда ёмкостей неповрежденных фаз, не уменьшается при резистивном заземлении нейтрали сети. Это определяется, в частности, тем, что этот резистор в сетях 6–10 кВ включается в цепь маломощного нейтралеобразующего трансформатора.

Как это часто бывает в действительности, любое конкретное высказывание имеет свои «границы истинности». Если речь идёт о резисторах, устанавливаемых в нейтрали нейтралеров (нейтралер – трёхфазная дроссельная катушка с соединением зигзагом) в соответствии с , то такое мнение в большинстве случаев совершенно справедливо. По первой гармонике индуктивное сопротивление нейтралера мощностью 63 кВА на напряжении 10 кВ составляет 96 Ом . По 10–20 гармоникам, которые присутствуют в процессе перезаряда ёмкостей при ОЗЗ, это сопротивление возрастет до 960–1920 Ом и при сопротивлении резистора порядка 100–150 Ом суммарное сопротивление цепочки «нейтралер – заземляющий резистор» будет практически полностью индуктивным. В результате, в полном соответствии с мнением Сергея Титенкова, заземляющий резистор практически не окажет влияния на токи перезаряда емкостей и, таким образом, не повлияет на коэффициент броска.

На напряжении 35 кВ трёхобмоточные силовые трансформаторы обычно имеют выведенную нейтраль. Заземляющий резистор включают в цепь этой нейтрали. В этом случае говорить о том, что этот резистор не влияет на токи перезаряда, было бы неверно.

О выдержке времени

Рассмотрим этот вопрос на примере схемы, приведенной в . Здесь питающий трансформатор напряжением 35 кВ имеет мощность 10 МВА. От него запитана одна воздушная ЛЭП, которая потом разделяется на две цепи, каждая из которых питает свой трансформатор мощностью 4 МВА со схемой соединения первичной обмотки в звезду с выведенной нейтралью. Для снижения уровня перенапряжений в нейтрали трансформаторов включены заземляющие резисторы. Использование в сети заземляющих резисторов позволяет повысить эффективность защиты, но при этом должна быть пересмотрена методика выбора её уставок.

В соответствии с ток срабатывания защиты от ОЗЗ IСЗ в сети с изолированной нейтралью при наличии кабельного трансформатора тока нулевой последовательности выбирается из следующего условия:

где k н = 1,2 (коэффициент надежности);

k бр – коэффициент броска, учитывающий бросок ёмкостного тока в момент возникновения ОЗЗ, а также способность реле реагировать на него;

I с.фид.макс – максимальный ёмкостный ток защищаемого фидера.

В соответствии с для мгновенно действующих защит от ОЗЗ в расчётах следует принимать значение произведения k н k бр = 4…5. Для защит с выдержкой времени при возможности возникновения перемежающейся дуги kн kбр = 2,5. По-видимому, эти значения рекомендованы автором для традиционных отечественных реле защиты, включая РТЗ-51.

В предлагается считать k н = 1,2, k бр = 3…5 (применительно к реле старых типов). Для реле РТЗ-51 рекомендуется принимать k бр = 2…3. При этом предлагается выполнять защиту без выдержки времени. «При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, например, серии SPACOM, в том числе SPAC-800 …, можно принимать значения k бр = 1…1,5 (необходимо уточнить у фирмы–изготовителя)» .

По моему мнению, там, где это возможно, лучше использовать защиту от ОЗЗ с выдержкой времени. Это дает возможность обеспечить селективность при двух и более последовательно включенных ЛЭП, использовать в расчетах меньшее значение коэффициента броска, предотвращает ложные отключения неповрежденных линий после того, как отключается поврежденная линия (из-за феррорезонансных явлений, связанных с измерительными трансформаторами напряжения), и т.д.

В некоторых отраслях (шахты, карьеры и т.д.) имеются нормативные документы, требующие немедленного отключения ОЗЗ. Там необходимо использовать мгновенно действующие защиты от ОЗЗ.

Определение ёмкостных токов

Величину I с.фид.макс = I CS для сетей с изолированной нейтралью в рекомендуется, например, определять следующим образом:

для кабельных сетей

для сетей с воздушными ЛЭП

где U – номинальное напряжение сети (кВ);

S – суммарная длина линий (км).

Суммарный ёмкостный ток сети определяется как сумма описанных выше составляющих для всех гальванически связанных линий сети.

Более точно величину ёмкостного тока I с.фид.макс ЛЭП можно подсчитать, используя, например, данные по удельным ёмкостным токам в воздушных и кабельных ЛЭП, приведенные в . Однако там же отмечается, что величина ёмкостного тока, определенная по (2), (3), может давать погрешность порядка 40–80% по сравнению с реальным, замеренным при ОЗЗ в сети, током. Одна из причин – неучёт ёмкостей относительно земли потребителей электроэнергии, например, двигателей, а также конструкции воздушных ЛЭП (тип опоры, с заземляющим тросом или без него) и т.д.

(4)

где U ф – фазное напряжение (кВ);

w = 2pf = 314 (рад/с);

C S – ёмкость одной фазы сети относительно земли (Ф).

(5)

где c i – удельная емкость на фазу i-ой линии (Ф/км);

l i – длина i-ой линии (км);

m – число линий (кабельных, воздушных с заземляющим тросом и без него);

c j – ёмкость на фазу j-го элемента сети (Ф);

q j – число учитываемых элементов сети, кроме ЛЭП (например, двигателей);

n – общее число таких элементов.

(6)

где S ном – номинальная полная мощность двигателя (МВ·А);

U ном – номинальное напряжение двигателя (кВ).

Для остальных типов электрических двигателей

(7)

где n ном – номинальная частота вращения ротора (об/мин).

Как отмечалось выше, расчётные ёмкостные токи сети обычно отличаются от реальных, которые можно определить лишь замером на объекте. Однако процесс замера ёмкостного тока, кроме технических трудностей, связан ещё и с некоторой методической неопределенностью. Опыт показывает, что на многих объектах в составе ёмкостного тока сети даже при металлическом ОЗЗ присутствуют не только составляющие промышленной частоты, но и значительные токи высших гармоник.

Замер суммарного значения тока, например, с помощью традиционных приборов, предназначенных для измерения токов промышленной частоты, связан с существенными погрешностями. Реально отмечались погрешности порядка 30% (в том числе в сторону уменьшения замеренных токов относительно расчётного). Более точно ёмкостный ток сети можно измерить путем осцилло-графирования с последующим разложением на гармонические составляющие.

Токи нулевой последовательности в резистивно-заземленных сетях

При наличии в сети нескольких заземляющих резисторов при внешнем ОЗЗ по защите может протекать также активный ток I IR. При этом вместо I с.фид.макс в (1) надо подставлять

Чувствительность проверяется по величине коэффициента k ч:

(9)

где k ч.норм – нормируемый коэффициент чувствительности;

I ЗАЩ – ток в защите поврежденной ЛЭП.

В резистивно-заземленных сетях и установках

где I" CS – суммарный ёмкостный ток сети за вычетом ёмкостного тока защищаемого фидера;

I R – ток заземляющего резистора, протекающий по защите поврежденного присоединения. В было показано, что при защите от ОЗЗ воздушных линий пользоваться рекомендованными в значениями нормативного коэффициента чувствительности опасно из-за возможности образования в месте ОЗЗ большого переходного сопротивления и отказа защиты по этой причине. Там же были приведены рекомендации по проверке чувствительности защиты в этом случае.

Токи в переходных режимах ОЗЗ

В настоящее время слабо изучен вопрос о том, каким должно быть значение коэффициента k бр при установке в нейтрали сети заземляющего резистора. Есть два мнения на этот счет:

Значение k бр должно быть таким же, как в сетях без заземляющих резисторов;

Значение k бр должно быть принято меньшим, чем в предыдущем случае.

Известно, что k бр зависит, в частности, от отношения максимального тока перезаряда ёмкостей сети (токов разряда ёмкости поврежденной фазы и дозаряда ёмкостей «здоровых» фаз) и значения ёмкостного тока защищаемого присоединения в установившемся режиме внешнего ОЗЗ. На рис. 1 показана осциллограмма тока нулевой последовательности 3I0 в переходном процессе ОЗЗ в одном из присоединений электрической сети, описанной в , суммарный ток ОЗЗ в которой равен19 А. Осциллограмма соответствует повторному загоранию прерывистой дуги в сети, где заземляющие резисторы отсутствуют. Максимальное значение тока переходного процесса составило 138 А, амплитудное значение установившегося тока 3I0 равно 16 А. Обозначив отношение максимального тока к амплитуде установившегося как k max , получаем для рассматриваемого случая k max = 8,62.

Установив в нейтраль питающего трансформатора заземляющий резистор сопротивлением 2 кОм (ток резистора при ОЗЗ равен 10 А, т.е. 0,53 от полного ёмкостного тока сети), получаем для того же присоединения k max = 1,3, т.е. k max снизился более чем в 6,5 раза. Увеличение сопротивления резистора приводит к росту k max (в пределах в рассматриваемом случае до 8,62). Если в сети установлено несколько заземляющих резисторов и по рассматриваемому присоединению при внешнем ОЗЗ протекает активный ток одного из них, то это приводит к некоторому снижению значения k max , поскольку установившийся ток 3I0 в рассматриваемом присоединении возрастает.

Из описанного ясно, что значение k бр в рассматриваемом случае может быть принято ниже, чем при отсутствии заземляющих резисторов, причем степень снижения k бр зависит от сопротивления резистора. В описан еще один способ заземления, предназначенный для обеспечения эффективной работы селективной защиты от замыканий на землю в сетях 6–10 кВ (рис. 2). В рассматриваемом случае нейтралеобразующий трансформатор не устанавливается.

При появлении в сети напряжения нулевой последовательности, свидетельствующего о том, что произошло замыкание на землю, специальным выключателем между каждой фазой и землей включается свой заземляющий резистор. При этом образуются активные токи замыкания на землю, пригодные для селективного выявления поврежденного присоединения.

Для ограничения перенапряжений, которые могут возникнуть в сети до включения заземляющих резисторов, предусматривается установка на шины ОПН. Их термическая стойкость должна быть обеспечена на время до включения заземляющих резисторов и выявления релейной защитой повреждённого присоединения. Сработав, релейная защита отключает повреждённое присоединение, после чего заземляющие резисторы отключаются. Заземляющие резисторы выполняются маломощными, теплопоглощающими, с временем термической стойкости порядка 10–20 секунд.

Пример распределения токов

На рис. 3 показано распределение токов в цепях схемы.

При построении рисунка были приняты допущения о том, что:

- ёмкости фаз ЛЭП относительно земли многократно превышают ёмкости остальных элементов схемы;

Утечками через трансформаторы напряжения можно пренебречь;

Активный ток по изоляции фаз относительно земли прене­брежимо мал;

Сопротивления ЛЭП и обмоток трансформатора пренебрежимо малы.

На схеме рис. 3 не показаны коммутационные аппараты и ограничители перенапряжений. Здесь Тр – питающий трансформатор; ЛЭП1 – ЛЭП, на которой произошло замыкание фазы на землю; ЛЭП2 – неповрежденная ЛЭП (или группа таких линий); R1 – заземляющие резисторы.

Из рисунка видно, что активные токи заземляющих резисторов замыкаются через питающий трансформатор Тр и поврежденную фазу линии ЛЭП1. В результате по защите повреждённой ЛЭП протекает сумма активных токов резисторов неповрежденных фаз и ёмкостного тока неповрежденной ЛЭП. По защите неповрежденной ЛЭП протекает только ёмкостный ток этой ЛЭП.

Описанный выше способ резистивного заземления был реализован на трёх подстанциях Ханты-Мансийских РЭС Нефтеюганских электрических сетей. Имеющийся к сегодняшнему дню опыт эксплуатации подтверждает высокую эффективность такого технического решения. В случае применения этой схемы, как показывают наши исследования, заземляющие резисторы также снижают значение kmax, а значит, и k бр. При этом для достижения одинакового эффекта сопротивления резисторов в схемах рис. 2, 3 следует принимать в 3 раза большими, чем при включении заземляющего резистора, например, в нейтраль силового трансформатора.

Рис. 1. Осциллограмма тока нулевой последовательности в переходном процессе однофазного замыкания на землю в сети 35 кВ

Рис. 2. Включение заземляющих резисторов между фазами и землей при возникновении замыкания на землю

Рис. 3. Распределение токов в цепях схемы

Проведённые исследования позволяют сделать следующий вывод: использование заземляющих резисторов без нейтралеров приводит к возможности уменьшения значения k бр. Применение нейтралеров заметно снижает этот эффект, в большинстве случаев практически сводя его к нулю.

В результате при включении заземляющих резисторов через нейтралеры значения коэффициента броска k бр следует брать, как и для сети с изолированной нейтралью, в соответствии с рекомендациями .

При включении заземляющих резисторов по описанным выше схемам без использования нейтралеров расчетные значения k бр могут быть снижены. Если ток заземляющего резистора приблизительно равен суммарному ёмкостному току сети (как это рекомендуется для оптимального ограничения перенапряжений), значения коэффициентов броска в соответствии с могут быть приняты на уровне 1,2–1,3.

Если сопротивления заземляющих резисторов существенно больше ёмкостного сопротивления трёх фаз сети (как это часто бывает при больших значениях ёмкостного тока), значение k бр может быть либо взято таким же, как для сетей с изолированной нейтралью, либо определено после дополнительных расчётов токов переходного процесса ОЗЗ.

В была описана одна из особенностей горения дуги в отечественных кабелях с бумажно-масляной изоляцией. Речь шла о том, что на начальной стадии ОЗЗ загорание дуги в таком кабеле приводит к разложению масляно-канифольной пропитки и выделению значительного количества газов, которые гасят возникшую дугу. Пока образовавшиеся газы не «ушли» в разные стороны от места дуги между слоями бумаги, дуга не горит. При этом из-за образовавшейся «паузы» в токе нулевой последовательности защита от ОЗЗ, имеющая выдержку времени, может отказать в срабатывании. Причина в том, что во время бестоковой паузы токовый орган возвращается в исходное состояние и орган выдержки времени, так и «не отсчитав» установленную выдержку времени, также возвращается в исходное состояние.

Для предотвращения таких отказов защиты от ОЗЗ в некоторых импортных защитах (а также в защите УЗЛ совместного производства Новосибирского государственного технического университета и ООО «ПНП БОЛИД») имеется опция запоминания факта запуска защиты. Если был «клевок» токового органа, то этот факт запоминается на время до 0,3 с и при повторном «клевке» защита работает на отключение. Для таких защит даже при наличии в сети заземляющего резистора рекомендуется принимать повышенное значение k бр, например, равное 1,5.

Область применения ненаправленных защит

В целом ненаправленные токовые защиты от ОЗЗ могут быть эффективны лишь в установках с большим количеством подключенных к секции присоединений, каждое из которых имеет малый ёмкостный ток. Тогда отстройка от этого тока в соответствии с (1) не приведет к недопустимому снижению чувствительности. Этот случай характерен, например, для цехов предприятий с большим количеством маломощных электродвигателей, включенных через короткие кабели.

Если в такой сети установлен дугогасящий реактор, то для обеспечения эффективного действия защиты от ОЗЗ целесообразно параллельно этому реактору включить заземляющий резистор, причем ток, протекающий по резистору при ОЗЗ, должен превышать уставку самой «грубой» защиты в 1,5–2 раза. В этом случае ненаправленные токовые защиты могут обеспечить необходимую селективность и высокую чувствительность при ОЗЗ.

Значительного повышения эффективности удаётся достичь при использовании токовых защит нулевой последовательности с относительным замером. Например, существует микропроцессорный терминал защиты, принцип действия которого основан на сравнении значений токов нулевой последовательности во всех присоединениях защищаемой секции сборных шин. Отстраивать ток срабатывания от ёмкостных токов присоединений не требуется. При отсутствии в сети дугогасящего реактора такая защита позволяет эффективно выявить поврежденное присоединение при ОЗЗ.

Литература

1. Шалин А.И. Защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчета уставок // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).

2. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Достоинства и недостатки различных защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 3 (33).

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

4. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. – М.: Высшая школа, 1991. – 496 с.

5. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асин-хронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. СПб.: ПЭИПК, 2001.

6. Челазнов А.А. Разработка технических регламентов и стандартов в области энергетики ОАО «Газпром» // Труды третьей всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей6–35 кВ» / Новосибирск, 2004. – С.12–25.

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

8. Лурье А.И., Панибратец А.Н., Зенова В.П. и др. Серия нейтралеров типа ФМЗО для работы с управляемыми подмагничиванием дугогасящими реакторами серии РУОМ в распределительных сетях с изолированной нейтралью // Электротехника. – 2003. – №1.

9. Электротехнический справочник. Том 3. Производство, передача и распределение электрической энергии/ Под общей редакцией профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. редактор А.И. Попов) – 8-е изд. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 964 с.

10. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.

11. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с.

12. Патент на изобретение РФ № 2157038. Устройство для выявления присоединения с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью / Шалин А.И. Бюллетень изобретений № 27, 2000 г.

13. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Случаи неправильных действий защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2 (32).

Обсудить на форуме

Электрические сети могут работать с заземленной или изолированной нейтралью трансформаторов и генераторов . Сети 6, 10 и 35 кВ работают с изолированной нейтралью трансформаторов. Сети 660, 380 и 220 В могут работать как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Наиболее распространены четырехпроводные сети 380/220, которые в соответствии с требованиями должны иметь заземленную нейтраль.

Рассмотрим сети с изолированной нейтралью . На рисунке 1,а изображена схема такой сети трехфазного тока. Обмотка изображена соединенной в звезду, однако все сказанное ниже относится также и к случаю соединения вторичной обмотки в треугольник.

Рис. 1. Схема сети трехфазного тока с изолированной нейтралью (а). Замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью (б).

Как бы хороша ни была в целом изоляция токоведущих частей сети от земли, все же проводники сети имеют всегда связь с землей. Связь эта двоякого рода.

1. Изоляция токоведущих частей имеет определенное сопротивление (или проводимость) по отношению к земле, обычно выражаемое в мегомах. Это означает, что через изоляцию проводников и землю проходит ток не которой величины. При хорошей изоляции этот ток весьма мал.

Допустим, например, что между проводником одной фазы сети и землей напряжение равно 220 В, а измеренное мегомметром сопротивление изоляции этого провода равно 0,5 МОм. Это значит, что ток на землю 220 этой фазы равен 220 / (0,5 х 1000000) = 0,00044 А или 0,44 мА. Этот ток называется током утечки.

Условно для наглядности на схеме сопротивления изоляции трех фаз r1 , r2 , r3 изображаются в виде сопротивлений, присоединенных каждое к одной точке провода. На самом деле токи утечки в исправной сети распределяются равномерно по всей длине проводов, в каждом участке сети они замыкаются через землю и их сумма (геометрическая, т. е. с учетом сдвига фаз) равна нулю.

2. Связь второго рода образуется емкостью про водников сети по отношению к земле. Как это понимать?

Каждый проводник сети и землю можно представить себе как две . В воздушных линиях проводник и земля - это как бы обкладки конденсатора, а воздух между ними - диэлектрик. В кабельных линиях обкладками конденсатора являются жила кабеля и металлическая оболочка, соединенная с землей, а диэлектриком - изоляция.

При переменном напряжении изменение зарядов конденсаторов вызывает возникновение и прохождение через конденсаторы переменных токов. Эти так называемые емкостные токи в исправной сети равномерно распределены по длине проводов и в каждом отдельном участке также замыкаются через землю. На рис. 1,а сопротивления емкостей трех фаз на землю х1, х2, х3 условно показаны присоединенными каждое к одной точке сети. Чем больше длина сети, тем большую величину имеют токи утечки и емкостные токи.

Посмотрим, что же произойдет в изображенной на рисунке 1,а сети, если в одной из фаз (например, А) произойдет замыкание на землю , т. е. провод этой фазы будет соединен с землей через относительно малое сопротивление. Такой случай изображен на рисунке 1,б. Поскольку сопротивление между проводом фазы А и землей мало, сопротивления утечки и емкости на землю этой фазы шунтируются сопротивлением замыкания на землю. Теперь под воздействием линейного напряжения сети UB через место замыкания и землю будут проходить токи утечки и емкостные токи двух исправных фаз. Пути прохождения тока показаны стрелками на рисунке.

Замыкание, показанное на рисунке 1,б, называется однофазным замыканием на землю, а возникающий при этом аварийный ток - током однофазного замыкания.

Представим себе теперь, что однофазное замыкание вследствие повреждения изоляции произошло не непосредственно на землю, а на корпус какого-нибудь электроприемника - электродвигателя, электрического аппарата, либо на металлическую конструкцию, по которой проложены электрические провода (рис. 2). Такое замыкание называется замыканием на корпус. Если при этом корпус электроприемника или конструкция не имеют связи с землей, тогда они приобретают потенциал фазы сети или близкий к нему.

Рис. 2.

Прикосновение к корпусу равносильно прикосновению к фазе. Через тело человека, его обувь, пол, землю, сопротивления утечки и емкостные сопротивления исправных фаз образуется замкнутая цепь (для простоты на рис. 2 емкостные сопротивления не показаны).

Ток в этой цепи замыкания зависит от ее сопротивления и может нанести человеку тяжелое поражение или оказаться для него смертельным.

Рис. 3. Прикосновение человека к проводнику в сети с изолированной нейтралью при наличии в сети замыкания на землю

Из сказанного следует, что для прохождения тока через землю необходимо наличие замкнутой цепи (иногда представляют себе, что ток «уходит в землю» - это неверно). В сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В токи утечки и емкостные токи обычно невелики. Они зависят от состояния изоляции и длины сети. Даже в разветвленной сети они находятся в пределах нескольких ампер и ниже. Поэтому эти токи, как правило, недостаточны для расплавления плавких вставок или отключения .

При напряжениях выше 1000 В основное значение имеют емкостные токи, они могут достигать нескольких десятков ампер (если не предусмотрена их компенсация). Однако в этих сетях отключение поврежденных участков при однофазных замыканиях обычно не применяется, чтобы не создавать перерывов в электроснабжении.

Таким образом, в сети с изолированной нейтралью при наличии однофазного замыкания (о чем сигнализируют приборы контроля изоляции) продолжают работать электроприемники. Это возможно, так как при однофазных замыканиях линейное (междуфазное) напряжение не изменяется и все электроприемники получают энергию бесперебойно. Но при всяком однофазном замыкании в сети с изолированной нейтралью напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле возрастают до линейных, а это способствует возникновению второго замыкания на землю в другой фазе. Образовавшееся двойное замыкание на землю создает серьезную опасность для людей. Следовательно, любая сеть с наличием в ней однофазного замыкания должна рассматриваться как находящаяся в аварийном состоянии , так как общие условия безопасности при таком состоянии сети резко ухудшаются.

Так, наличие «земли» увеличивает опасность при прикосновении к частям, находящимся под напряжением. Это видно, например, из рисунка 3, где показано прохождение тока поражения при случайном прикосновении к токоведущему проводу фазы А и неустраненной «земле» в фазе С. Человек при этом оказывается под воздействием линейного напряжения сети. Поэтому однофазные замыкания на землю или на корпус должны устраняться в кратчайший срок.