CC BY
21
I
УДК 621.313
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАНЦИЙ НЕФТЕПРОДУКТОПЕРЕКАЧКИ
В работе представлены результаты экспериментальных исследований режимов однофазного замыкания на землю в системе электроснабжения продуктоперекачивающей станции. Применены два трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда — разомкнутый треугольник». Установка балластных резисторов принята на стороне низшего напряжения трансформатора.
Станции нефтепродуктоперекачки относятся к потребителям 1-ой категории по надежности системы электроснабжения. Основными потребителями электроэнергии являются высоковольтные синхронные и асинхронные двигатели. Для повышения надежности перекачки нефтепродуктов выполняется технологическое резервирование: каждый высоковольтный двигатель
дублирован. Для питания низковольтной нагрузки устанавливается несколько трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ. Для подключения двигателей выполняются отдельные распределительные пункты. Имеется сторонняя нагрузка - питание субабонентов преимущественно воздушными линиями.
При возникновении однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в системе электроснабжения, в том числе и на линиях субабонентов, которые относятся к сетям с изолированной нейтралью (6-35 кВ), в связи с малыми токами замыкания на землю, определяемыми только собственными емкостями элементов системы электроснабжения, защиты действуют на сигнал. При этом сеть может длительно работать с ОЗЗ - до нескольких часов, а в отдельных случаях и дольше. В результате провоцируется переход однофазного замыкания в многофазное. Это замыкание будет отключено соответствующей токовой защитой, но при этом может произойти нарушение технологического процесса из-за отключения двигателей.
Таким образом, в системе электроснабжения станций
нефтепродуктоперекачки актуально решение проблемы как ускоренного действия релейных защит при наличии многофазных замыканий, так и реализация действия защит на отключение при возникновении ОЗЗ.
Системы с незаземленными нейтралями, как показали научные исследования и опыт эксплуатации [1-3], не могут считаться надежными, обеспечивающими меньший ущерб от перерыва питания потребителей в силу допустимости длительной работы с однофазными замыканиями на землю линий электропередачи систем электроснабжения. «Высокая вероятность аварий при многократных повторных замыканиях электрических дуг вследствие однофазных замыканий в сети или деградации изоляции в месте замыкания, переход
© А. И. Федотов, А. В. Кузнецов
Проблемы энергетики, 2005, № 7-8
А.И. ФЕДОТОВ*, А.В. КУЗНЕЦОВ**
*Казанский государственный энергетический университет ** Уфимский филиал ЗАО «Шнейдер Электрик»
однофазных в многофазные замыкания, приводящие к большим повреждениям оборудования, - все это обусловливает отказ от применения изолированной нейтрали для промышленных систем электроснабжения (за исключением специальных случаев, оговоренных в ПУЭ)» [1]. Как альтернатива могут быть предложены системы резистивного заземления нейтрали: низкоомное и
высокоомное заземление.
Система с низкоомным заземлением нейтрали использует резистор, который ограничивает ток в месте повреждения относительно невысоким значением (по сравнению с многофазным замыканием) 50 - 1000 А. Обладает следующими преимуществами [1]:
- обеспечивает более долгую ожидаемую жизнь изоляции электрооборудования сети за счет снижения амплитуды перенапряжений, длительности и частоты воздействия перенапряжений;
- обеспечивает улучшение защитных свойств релейных защит путем быстрого и селективного отключения повреждений на землю при относительно низких токах в месте повреждения;
- обеспечивает защиту от повреждения стали вращающихся электрических машин, предотвращая длительное горение дуги между обмоткой и корпусом;
- обеспечивает сниженный риск поражения электрическим током обслуживающего персонала.
На рис. 1 представлена принципиальная схема выполнения резистивного заземления нейтрали в сетях 6 - 35 кВ. Заземление нейтрали можно выполнить как с помощью высоковольтного резистора Я^ в нейтрали специального заземляющего трансформатора Т, так и с помощью низковольтного резистора Яд
Рис. 1. Принципиальная схема подключения резисторов
Заземляющий резистор Яд (ЯN) трансформатора Т (рис. 1) выбирается исходя из режима длительного протекания тока, если предполагается действие защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) на сигнал. При действии защиты от ОЗЗ на отключение заземляющий резистор выбирается по режиму кратковременного протекания тока. Соответственно и мощность трансформатора Т
также может быть выбрана исходя из режима допустимой кратковременной перегрузки. Очевидно, что недостатки такого решения, проявляющиеся в повышенных потерях активной мощности, искажении формы тока вследствие насыщения, повышенных значениях температуры обмотки, не могут служить определяющими для отказа от снижения расчетной мощности трансформатора. Сами ОЗЗ проявляются достаточно редко (в системах электроснабжения перекачивающих станций не более 1 -3 случаев за год, в зависимости от протяженности сети), и их продолжительность при действии защит от ОЗЗ на отключение ограничивается несколькими секундами. Следовательно, актуально реализовать выбор мощности трансформаторов по условиям перегрузки, что существенно снижает затраты на их установки и предоставляет возможность размещения непосредственно в ячейках КРУ.
В системе электроснабжения перекачивающей станции (ПС) «Черкассы» ОАО «Уралтранснефтепродукт», г. Уфа, были выполнены работы по созданию системы резистивного заземления нейтрали и ее экспериментальным исследованиям действия при появлении ОЗЗ с соответствующей настройкой защит от ОЗЗ на отключение.
Схема электроснабжения ПС «Черкассы» в упрощенном виде приведена на рис. 2. Все субабоненты питаются от секций 6 кВ ЗРУ подстанции «Черкассы».
К установке, с учетом запаса по перегрузочной способности в режиме ОЗЗ, были приняты трансформаторы типа М-63 6,3/0,4 с обмотками, соединенными согласно рис. 1: первичная обмотки соединена в звезду с выведенной нейтралью, вторичные обмотки соединены в разомкнутый треугольник и подключены к низкоомным резисторам. Обмотки выполнены на коэффициент трансформации 14,4.
Для селективного действия защиты от однофазных замыканий на землю был принят ток нулевой последовательности в трансформаторе, равный 17 А. На основании расчетных формул [1] было получено, что Яд » 3,0 Ом, и ток в обмотке низшего напряжения (в ненасыщенном режиме) равен 265 А. Номинальный ток ее равен 91 А, коэффициент загрузки составляет 2,9, что удовлетворяет тепловому режиму трансформатора в пределах десятков секунд.
Для защиты трансформаторов Т (рис. 2) применены предохранители типа ПКТ101-6-16-40У4. При токе нагрузки 40 А они обеспечивают отключение трансформатора через 90 с. На стороне низшего напряжения трансформаторов предусмотрены автоматические выключатели типа АЕ2046МП-100-00У3, УХЛ4 на номинальный ток 31,5 А. При токе нагрузки 265 А автоматы обеспечивают отключение цепи нагрузки через 8,4 секунды в холодном состоянии и через 2,5 секунды в нагретом состоянии. Тем самым предотвращается выход из строя трансформатора, выбранного по режиму кратковременной перегрузки, в случае несрабатывания выключателей на отключение ОЗЗ.
Опыты ОЗЗ производились следующим образом. Кабели от выключателей Q1 и Q2 отсоединялись от нагрузки и заземлялась фаза «а» (рис. 2). При включении данных выключателей воссоздавалось металлическое ОЗЗ. Переходный процесс записывался на терминалы 8ЕРЛМ. Для надежного срабатывания земляной защиты на терминалах ячеек принималась уставка срабатывания, равная 6 А, выдержка времени - 2 с.
Предварительно опытным путем определялся суммарный собственный ток замыкания на землю по каждой секции, для чего трансформаторы Т1 и Т2 отключались от сети и выполнялось на выключателях Q1 и Q2 замыкание на землю. Опыты показали несовпадение расчетных величин с действительными. Так, расчетный ток ОЗЗ в системе электроснабжения, определенный с использованием справочных данных, составил 24 А, тогда как полученный экспериментально - 10 А.
При подключении трансформаторов Т1 и Т2 к сети 6 кВ на балластных резисторах напряжение небаланса составило: для Т1 - 2,5 В; для Т2 - 4,1 В. При выполнении опытов ОЗЗ ток в балластных резисторах равнялся: для Т1 - 180 А, для Т2 - 210 А. Соответственно ток ОЗЗ составил: при включении выключателя Q1 - 126 А, при включении выключателя Q2 - 122 А. Учитывая вклад емкостного тока, находим, что практически весь ток ОЗЗ определяется током замыкания через нейтраль трансформаторов.
По данным осциллограмм ток нулевой последовательности в трансформаторе Т1 составляет 40,5 А; ток фазы «а» - 27 А, ток фазы «с» - 52 А. Соответственно ток прямой последовательности в обмотках трансформатора Т1 примерно равен 14 А. Для трансформатора Т2: ток нулевой
последовательности - 42 А; ток фазы «а» - 31 А, ток фазы «с» - 51 А, ток прямой последовательности - 11 А.
Таким образом, опыты ОЗЗ установили:
- трансформаторы работают в режиме глубокого насыщения, токи прямой последовательности, теоретически равные токам холостого хода, превышают номинальные токи трансформаторов;
- общепринятые схемы замещения трансформаторов не могут быть использованы для расчета токов ОЗЗ при работе трансформаторов с кратковременной перегрузкой;
- ток ОЗЗ практически не зависит от емкостного тока системы электроснабжения, следовательно, защита от ОЗЗ будет работать селективно и чувствительно при любой конфигурации системы электроснабжения;
- без ущерба для чувствительности защиты от ОЗЗ можно снизить величину тока ОЗЗ в 3 - 5 раз из предположения металлического ОЗЗ, однако при этом возрастает вероятность несрабатывания защиты на неустойчивое ОЗЗ через существенное переходное сопротивление;
- емкостные токи системы электроснабжения необходимо принимать только по данным эксперимента, так как расчетные токи, полученные по исходным справочным данным, существенно отличаются от экспериментальных.
Summary
In work the results of experimental researches of modes of single-phase short circuit on ground in system of electrosupply the swap produce of station are submitted. Two transformers with the circuit of connection of windings "a star - open condition a triangle" are applied. The installation of ballast resistors is accepted on the party of the lowest pressure of the transformer.
Литература
1. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. /Под ред. Халилова Ф.Х., Евдокунина Г. А., Таджибаева А.И. -СПб.: Издательство Петербургского энергетического института повышения квалификации Минтопэнерго РФ.- 1997. - 216 с.
2. Кадомская К.П., Челаназов А.А. Режимы заземления нейтрали сетей 3-610-35 кВ // Электрические станции. - 2000. - №10. - С.67-68.
3. Виштебеев А.В., Кадомская К.П. Ограничение напряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ.// Электрические станции. - 2003. - №1. - С.70-72.
Поступила 25.04.2005
