CC BY
216
------------------------------- © М.В. Ильиных, А.И. Ширковец,
А.А. Кузьмин, И.Е. Волокитин,
2011
УДК 621.311.4
М.В. Ильиных, А.И. Ширковец, А.А. Кузьмин,
И.Е. Волокитин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ДУГОВЫХ ОЗЗ В УСЛОВИЯХ РЕЗИСТИВНО-ЗАЗЕМЛЁННОЙ И ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ В СЕТИ 6 КВ ПС «КАРЬЕРНАЯ-2»
ОАО «РАЗРЕЗ ТУГНУЙСКИЙ»
Представлены результаты инструментальных исследований переходных процессов при физическом моделировании дуговых и «металлических» замыканий на землю в действующей сети 6 кВ электроснабжения угольного разреза, проведенные в 2010 г. с целью проверки эффективности режима резистивного заземления нейтрали. На основе предлагаемой схемы измерений [1] впервые в сети горнорудного предприятия осуществлены полномасштабные испытания высоковольтного резистора в сериях замыканий на землю с записью высокочастотных переходных процессов. Представлены цифровые осциллограммы тока замыкания и фазных напряжений, а также результаты их гармонического анализа.
Ключевые слова: «Металлическое», дуговое однофазное замыкание на землю, эскалация перенапряжений, резистивно-заземленная нейтраль, гармоники тока.
Постановка задачи
Специфика тяжелых условий эксплуатации электрооборудования и электрических сетей угольных разрезов при ведении горных работ способствует возникновению большого числа повреждений.
Значительная часть повреждений в высоковольтных сетях промышленных предприятий приходится на долю однофазных замыканий на землю. Для электрических сетей угольных разрезов эта доля составляет 60-90 % от общего числа повреждений. В условиях эксплуатации систем электроснабжения угольных разрезов бывают случаи возникновения многоместных повреждений электрооборудования, приводящих к отключению питания электроприемников нескольких участков или даже целого разреза. Как было установлено, эти явления связаны с перемежающейся дугой в режимах однофазного замыкания на землю, которая сопровождается перенапряжениями, охватывающими всю электрически связанную сеть.
Наиболее уязвимым элементом сетей 6, 10 кВ при воздействии внутренних перенапряжений являются кабели и места соединения кабелей (до 60 % ОДЗ). В воздушно-кабельных сетях значительную долю составляют повреждения опорных и проходных изоляторов (20 %) и коммутационных аппаратов (более 20 %).
Однофазные замыкания на землю представляют значительную опасность для людей, установок и сетей. Опасность для людей связана с появлением на металлических нетоковедущих частях электрооборудования, элементах заземляющих устройств, поверхности земли в местах ОЗЗ и в непосредственной близости от них напряжений, по величине пропорциональных току замыкания на землю.
Для уменьшения вероятности поражения электрическим током и ограничения длительности существования ОЗЗ применяют защиту от однофазных замыкания на землю, которая в соответствии с Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом (ЕПБ) и Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) должна устанавливаться на всех линиях напряжением выше 1000 В, отходящих от подстанций и питающих карьерные передвижные электроустановки и другие потребители. Защита должна действовать на отключение поврежденной линии без выдержки времени (первая ступень).
Невыполнение указанного требования ЕПБ и ПУЭ или отказ защиты приводят к возникновению аварийных ситуаций, характеризующихся повышенной опасностью поражения людей и повреждения электроустановок.
Все это обусловливает необходимость применения мероприятий по ограничению перенапряжений при однофазном дуговом замыкании на землю (ОДЗ) и повышения чувствительности и селективности работы защит.
Расчетное обоснование и установка резистора
Для ряда карьерных сетей 6-10 кВ подстанций угольных разрезов компании «СУЭК» был проведен комплекс расчетов по компьютерному моделированию процессов при однофазных замыканиях на землю.
Проведенный комплекс расчетов переходных процессов при ОДЗ в сети 6-10 кВ подстанций Разреза Тугнуйский показал:
1. В сети 6, 10 кВ карьерных подстанций в результате ОДЗ возникают опасные перенапряжения, уровень которых может достигать величины (3,2^3,4)иф.
2. После ликвидации однофазного замыкания возникают фер-рорезонансные процессы. В зависимости от величины емкостного тока ОЗЗ и характеристик сети феррорезонансные процессы носят устойчивый либо неустойчивый затухающий характер.
3. Даже при отсутствии устойчивого феррорезонансного процесса при ОДЗ в сети 6-10 кВ ПС, в обмотках высокого напряжения ТН возникают броски тока величиной до 1-2 А, которые значительно превышают допустимые значения тока по термической стойкости, оцениваемые интервалом 0,2...0,3 А. Кроме того, затухание феррорезонансных процессов может проходить достаточно долго, что приводит в отдельных случаях к ложному срабатыванию защит от ОЗЗ не поврежденных присоединений.
4. Необходимо реализовать мероприятия по ограничению уровня перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю до величины (2,4 - 2,5) Ц, и подавлению резонансных явлений.
5. Эффективно ограничить перенапряжения при ОДЗ, избавиться от резонансных явлений и обеспечить правильное функционирование защит от однофазных замыканий на землю в сети 6-10 кВ карьерных подстанций можно путем резистивного заземления нейтрали сети.
Для карьерных подстанций Разреза Тугнуйский были разработаны проектные решения по выполнению резистивного заземления нейтрали сети подстанций 6 кВ.
Первым этапом работ по переходу к резистивному заземлению нейтрали сетей подстанций 6-10 кВ явилась установка резистора в нейтраль сети 6 кВ ПС «Карьерная-2».
После установке резистора в нейтраль сети 6 кВ ПС «Карьер-ная-2» были проведены экспериментальные исследования процессов при металлических и дуговых ОЗЗ в условиях резистивно-заземлённой и изолированной нейтрали.
Схема экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования процессов изменения фазных напряжений и тока однофазного замыкания на землю при «металлическом» однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) и однофазном дуговом замыкании на землю (ОДЗ) в сети сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» ОАО «Разрез Тугнуйский» при различных режимах заземления нейтрали сети проводились с целью:
a) измерения величины тока ОЗЗ, определение его гармонического состава;
b) определения уровней перенапряжений, характера изменения процессов при однофазных замыканиях на землю для различных режимов заземления нейтрали (изолированная нейтраль сети и резистивно-заземленая нейтраль сети);
c) оценки эффективности резистивного заземления нейтрали сети.
Схема подключения измерительной аппаратуры для регистрации тока ОЗЗ и фазных напряжений при однофазных замыканиях на землю приведена на рис. 1. Общие методические положения измерений тока ОЗЗ и напряжений на фазах с осциллографированием переходных и установившихся процессов приведены в [1, 2].
На рис. 2 приведен внешний вид КРУ-6 кВ, "нейтралеобразующего" устройства типа ФМЗО, подключенного с помощью кабельной вставки через разъединитель к секции КРУ-6 кВ, резистора РЗ-800-15-6, подсоединенного к нейтральной точке ФМЗО, показано подключение делителей напряжения, ИП и трансформатора к фазным проводам отходящей линии Ф4.
В сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» ОАО «Разрез Тугнуйский» выполнены следующие эксперименты:
- металлическое ОЗЗ в режиме резистивно-заземлённой нейтрали;
- металлическое ОЗЗ в режиме изолированной нейтрали;
- ОДЗ в режиме резистивно-заземлённой нейтрали;
- ОДЗ в режиме изолированной нейтрали.
Результаты опытов «металлических» ОЗЗ
Осциллограммы тока ОЗЗ и фазных напряжений в сети 6 кВ
ПС «Карьерная-2» ОАО «Разрез Тугнуйский» приведены на рис. 3
- 6. Во всех экспериментальных опытах замыкание проводилось на фазе А. На осциллограммах: синий (канал 1) - напряжение фазы А; зелёный (канал 2) - напряжение фазы В; красный (канал 3) - напряжение фазы С; чёрный (каналы 4) - ток ОЗЗ.
Рис. 1. Схема подключения измерительной аппаратуры при проведении экспериментальных исследований процессов однофазных замыканий на землю в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» ОАО «Разрез Тугнуйский»
Рис. 2. Внешний вид КРУ-6 кВ, ФМЗО, резистора для заземления нейтрали РЗ-800-15-6 (а) и подключение оборудования для измерения фазных напряжений и тока ОЗЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» (б)
Таблица 1
Наиболее выраженные гармоники в токе ОЗЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2»
Режим нейтрали № гармоники среднеквадратические значения гармоник №»2...40 в % от основной
Резистивно- заземленная 3, 5, 7, 23, 25, 37, 39 12,9 %
Изолированная 3, 5, 7, 9, 11, 21, 23, 25, 35, 37, 39 27,2 %
В результате спектрального анализа был выделен ряд гармоник, наиболее выраженных в токе замыкания на землю в сети 6 кВ ПС "Карьерная-2" в режимах с резистивно-заземленной и изолированной нейтралью (рис. 7).
В табл. 1 представлены наиболее выраженные гармоники и среднеквадратические значения гармоник №2.40 в % от основной в токе ОЗЗ в различных режимах заземления нейтрали.
Таким образом, проведенный анализ в сети 6 кВ ПС "Карьерная-2" показал, что в токе ОЗЗ присутствуют высшие гармоники нечетного ряда, состав и амплитуда которых зависит от режима заземления нейтрали.
а)
Номер гармоники б)
Таблица 2
Измеренный ток ОЗЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» при отключенных фидерах №2 и №3
Режим нейтрали Полный ток ОЗЗ, А Активный ток, А Реактивный (емкостный) ток, А
Изолированная 2,1 0,2 2,1
Резистивно- 5,5 5,1 2,03
заземленная
Среднеквадратические значения гармоник №2...40 в % от основной в токе ОЗЗ в режиме изолированной нейтрали более чем в 2 раза превышают данный параметр в режиме резистивно-заземленной нейтрали. Такое значительное искажение формы тока ОЗЗ высшими гармониками может быть вызвано наличием в нагрузке частотно-регулируемых приводов карьерных экскаваторов.
Измеренный полный ток ОЗЗ в полной схеме (подключено все оборудование) на момент эксперимента составил 6,6 А, после выделения активной составляющей (5,63 А) емкостный ток ОЗЗ в рассматриваемой конфигурации сети составил 3,52 А.
В табл. 2 приведены измеренные значения тока ОЗЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» в режиме с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью для конфигурации сети с отключенными фидерами № 2 и №3. Были выделены активная и реактивная составляющие тока ОЗЗ промышленной частоты для каждого из режимов нейтрали, что позволило определить ёмкостный ток сети при отключенных фидерах №2 и №3.
При отключении дополнительного оборудования (данные по отключенным участкам сети отсутствуют) и фидеров №2 и №3, емкостный ток ОЗЗ в сети 6 кВ составил 1,2 А.
Результаты опытов дуговых ОЗЗ
В соответствии с программой был выполнен ряд опытов искусственного ОДЗ для двух режимов заземления нейтрали:
- нейтраль сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» заземлена через резистор РЗ-800-15-6 Ом (Опыт ОДЗ № 1, Опыт ОДЗ № 2);
- нейтраль сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» изолирована (Опыт ОДЗ № 3, Опыт ОДЗ №4, Опыт ОДЗ № 5).
В каждом опыте организовывалось несколько циклов горения прерывистой дуги.
Таблица 3
Кратности перенапряжений при ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2»
Режим заземления нейтрали Опыт ОДЗ Кратность перенапряжений, о.е. Максимальная кратность перенапряжений, о.е. Наличие эскалации перенапряжений при ОДЗ
Резистивно- № 1 2,34 2,34 отсутствует
заземленная № 2 2,31
№ 3 2,50
Изолированная № 4 2,51 2,61* присутствует
№ 5 2,61
№ 6 2,58
*Примечание: В связи возможностью повреждения изоляции высоковольного оборудования эксперименты с созданием более высоких кратностей перенапряжений были прекращены.
Изменением зазора и скорости вращения электродов ИП может быть обеспечен достаточно высокий уровень перенапряжений при ОДЗ. Достижение наибольшего уровня перенапряжений требует значительно количества опытов с подбором необходимой величины зазора и скорости вращения.
В связи с явным наличием эскалационного роста перенапряжений процессе ОДЗ при изолированной нейтрали сети и возможностью в связи с этим повреждения оборудования, нарушения жесткого производственного цикла дальнейшие исследования были прекращены.
На момент проведения опытов ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная» присоединения №2 и №3 были отключены.
Осциллограммы переходных процессов при ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» приведены на рис. 8 -9.
На приведенных осциллограммах, полученных с помощью осциллографа DL-750: напряжение ф. А - синий (СН1), ф. В - зеленый (СН2), ф. С - красный (СН3). Время записи процесса в каждом опыте - 20 секунд, частота дискретизации - 200 кГ ц/канал. По результатам опытов дуговых ОЗЗ были определены фактические уровни (кратности) перенапряжений в сети на момент проведения измерений (табл. 3).
Гармонический анализ с разложением в ряд Фурье переходного процесса производить нельзя, поскольку, строго говоря, такой процесс не является периодическим.
Рис. 8. Осциллограммы фазных напряжений при ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьер-ная-2» в режиме резистивно-заземленной нейтрали. Опыт ОДЗ № 1
Рис. 9. Осциллограммы фазных напряжений при ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьер-ная-2» в режиме изолированной нейтрали Опыт ОДЗ № 5
Тем не менее, известно, что при горении дуги возникают колебания напряжений и токов замыкания в широкой полосе частот: от субгармоник (т/2, т/3, ... , единицы герц) до еще различимых, т.е. вполне выраженных в записываемом на осциллограф сигнале, гармоник частотой единицы и десятки килогерц.
В частности, согласно исследованиям [3], ток перемежающейся дуги содержит гармоники вплоть до 20-й и выше, а в частотном спектре этого тока содержится большое количество "интергармоник" (частотой не кратной 50), субгармоник (ниже 50 Гц), составляющих промежуточных частот, т.е практически непрерывный ряд.
Экспериментальные исследования процессов при ОДЗ в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2»для разных режимов заземления нейтрали показали следующее.
Режим изолированной нейтрали сети:
— за счет горения перемежающейся дуги возникает эскалация напряжений;
— возможно возникновение опасных для изоляции электрооборудования перенапряжений высокой кратности (из-за возможности повреждения изоляции генерация перенапряжений кратностью более 2,6Шфмах не была реализована);
— после устранения ОДЗ возникают феррорезонансные явления с перенапряжениями на частоте 50 Гц, которые также могут привести к повреждению трансформаторов напряжения и другого высоковольтного оборудования.
Режим резистивно-заземленной нейтрали (нейтраль сети заземлена через резистор типа РЗ-800-15-6):
— эскалация напряжений отсутствует;
— максимальная кратность перенапряжений при ОДЗ не превышает 2,34ифмах;
— процессы носят апериодический характер; феррорезонанс-ные явления отсутствуют.
Сравнительный анализ характера процессов и уровней перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в сети с изолированной и резистивно- заземленной нейтралью свидетельствует об эффективности заземления нейтрали сети 6 кВ ПС «Карьерная» через резистор типа РЗ-800-15-6 как средства ограничения перенапряжений при ОДЗ и устранения феррорезонансных явлений.
Выводы
Проведенные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях на землю (устойчивые "металлические", перемежающиеся дуговые) в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2» для различ-
ных режимов заземления нейтрали сети показали, что заземление нейтрали сети через резистор типа РЗ-800-15-6 по сравнению с режимом изолированной нейтрали обеспечивает:
- отсутствие эскалации напряжений при ОДЗ;
- эффективное ограничение перенапряжений при ОДЗ (максимальная кратность перенапряжений при ОДЗ не превышает
2,34ифмах);
- подавление феррорезонансных явлений;
- гарантированную (не зависящую от конфигурации сети) величину тока ОЗЗ, необходимую для обеспечения надежной работы защит от замыканий на землю.
Результаты экспериментальных исследований подтверждают эффективность внедрения резистивного заземления нейтрали в сети 6 кВ ПС «Карьерная-2». Это мероприятие может быть рекомендовано для карьерных распределительных сетей 6-10 кВ всех подстанций ОАО «СУЭК».
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ширковец А.И., Ильиных М.В. Методические подходы к осциллографи-рованию процессов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ.//Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. -спец. вып. №1. - с. 44-51.
2. Иванов А.В., Сарин Л.И., Ширковец А.И. Исследования параметров тока однофазного замыкания на землю в сети 6 кВ Оренбургского ГПЗ.// Газовая промышленность. - 2008. - №12 (625). - с. 79-81.
3. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Влияние электрической дуги на направленные защиты.//Новости ЭлектроТехники. - №1(37). - 2006. ііїгЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------
Ильиных М.В. - начальник научно-исследовательского отдела,
Ширковец А.И. - ведущий инженер научно исследовательского отдела,
Кузьмин А.А. - ведущий инженер научно исследовательского отдела,
ООО «Болид», e-mail: nio_bolid@ngs.ru
Волокитин И.Е. - начальник отдела электро-тепло-водоснабжения и производственно-технологической связи энерго-механического управления, Главный энергетик ОАО «СУЭК», e-mail: volokitin@msk. suek.ru
