CC BY-NC
9
DOI: 10.24937/2542-2324-2023-1-403-129-133 УДК 621.316.11+ 621.3.053
В.В. Григорьев , Г.Н. Цицикян
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СОПРОТИВЛЕНИЯ ЩИТА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛЕДОКОЛА «АРКТИКА»
Объект и цель научной работы. Оценка величины емкости кабельных линий электроэнергетической системы (ЭЭС) ледокола «Арктика». Подтверждение выбранного номинала сопротивления в щите заземления нейтрали путем экспериментальных измерений на заказе.
Материалы и методы. Расчеты проведены на основании аппроксимирующих и строгих выражений. Основные результаты. Получены численные результаты, на основании которых установлена правомерность рассмотренных подходов и расчетов.
Заключение. Величина резистивного сопротивления в щите заземления нейтрали ледокола «Арктика» выбрана верно, что подтверждено результатами измерений.
Ключевые слова: резистивное сопротивление нейтрали, емкость кабельных линий и электрооборудования, щит заземления нейтрали, ток замыкания на землю.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2023-1-403-129-133 UDC 621.316.11+ 621.3.053
V.V. Grigoryev , G.N. Tsitsikyan
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
SELECTION JUSTIFICATION FOR NEUTRAL GROUNDING SWITCHBOARD OF ELECTRIC POWER SYSTEM ABOARD "ARKTIKA" ICEBREAKER
Object and purpose of research. This paper discusses the capacity of power cables aboard "Arktika" icebreaker to confirm selected resistor rating of neutral grounding switchboard through on-site measurements. Materials and methods. Calculations are based on approximate and rigorous expressions.
Main results. Numerical results obtained in this study confirmed the correctness of investigated approaches and calculations. Conclusion. Resistor rating for neutral grounding switchboard of "Arktika" icebreaker was selected correctly, which is confirmed by measurement results.
Keywords: neutral resistor rating, electric equipment and cabling capacity, neutral grounding switchboard, ground fault current.
The authors declare no conflicts of interest.
К настоящему времени в системах 6,3-10,5 кВ предпочтение по способу заземления нейтрали отдается высокоомному резистивному сопротивлению [1, 2]. Этот способ заземления позволяет зафиксировать однофазное замыкание и приступить к незамедли-
тельному обнаружению места замыкания с целью его ликвидации и исключения вероятности возникновения аварийного замыкания в системе.
Как правильно отмечено в [3], фиксация замыкания на землю (корпус) требует в дальнейшем эф-
Для цитирования: Григорьев В.В., Цицикян Г.Н. Обоснование выбора сопротивления щита заземления нейтрали для электроэнергетической системы ледокола «Арктика». Труды Крыловского государственного научного центра. 2023; 1(403): 129-133.
For citations: Grigoryev V.V., Tsitsikyan G.N. Selection justification for neutral grounding switchboard of electric power system aboard "Arktika" icebreaker. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2023; 1(403): 129-133 (in Russian).
фективных способов обнаружения самого места замыкания. Для локализации замыкания на землю следует отключить неисправный участок и приступить к поиску места повреждения, прерывающего непрерывную работу системы до нахождения места повреждения (это осуществляется, как правило, квалифицированным персоналом), и его последующей ликвидации.
Влиянию способа заземления нейтрали на ток замыкания в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) посвящены работы [4, 5]. В [5] выражение (11) позволяет найти сумму емкостных проводимостей трехфазной системы, если известно отношение напряжения на нейтрали при резистив-ном сопротивлении Як к напряжению на разомкну-
(
той неитрали.
£ oC
n=A, B,C
U
ии
\uN у
выражение записано в виде:
иN J_
uN3 rn
( л2
' и
V UN У
и,
R
N '
2
(UNл
V UN У
(1)
и
N
работы [5] и при Rn = 600 Ом, имеем: 1
£ mc„
n=A, B,C
600
: 3,1375-10
Ом
и тогда при f = 50 Гц
£
n=A, B,C
Cn =
3,1375-10' п -100
- = 0,9987-10 6 Ф.
Л.
ЧRRN+'и !C 2,
(2)
в соответствии с комплексной формой записи
"зам иф
— + 3 jœC
V Rn
Выбор величины сопротивления Як проистекает из условия, записанного в [1] и повторенного в [2], состоящего в том, что
1
Rn <
3œC
(4)
Если при этом Як = 600 Ом, то при / = 50 Гц емкость фазы относительно земли или корпуса должна удовлетворять условию:
C <-
1
3-100п- 600
= 1,768-10 Ф.
Для отношения —N- = 0,185, как в примере из
Выбор численного значения для Як = 600 Ом отвечает сопротивлению резистора щита заземления нейтрали (ЩЗН) для синхронного генератора ТПС-36-2М2 электроэнергетической системы ледокола «Арктика» пр. 22220.
Электрическая емкость линии, проложенной вдоль массивного проводящего корпуса на расстоянии к, длиной I может быть рассчитана в соответствии с выражением [6]:
C
2пеп/
ln h l( h Y л
\ — 1 " 1
[R V 1R J
(5)
где е0 = —■ 10 9 Ф/м, Я - радиус провода. 36п
Полагая в примере к = 0,1 м, Я = 0,08 м и I = 100 м, будем иметь оценку для величины емкости С линии, равную:
Для трехфазной линии передачи, проложенной вдоль протяженной массивной металлической оболочки, в среднем емкость на фазу составит ~ 0,333-10-6 Ф в рассматриваемом случае, если иы1иыт = 0,185 и Як = 600 Ом.
Из вышесказанного и вытекает способ оценки емкости симметричной трехфазной линии передачи.
Перейдем к оценке тока замыкания. В работе [5] дается упрощенное выражение для указанной оценки, записанное в виде:
2п
С:
36п
-10"9 -100
18
10'
ln
0,08
ln(1,25 + 0,75)
= 8,01540 Ф.
Будем считать для примера, что общее число трехфазных параллельных линий подключенных к генератору, равно 20. Тогда, оценка емкости фазы равна:
Сф = 0,1603 ■ 10"6 Ф = 0,16 мкФ.
Следует иметь в виду, что общая емкость фазы относительно корпуса, выполняющего роль земли, может быть существенно больше, если учитывать емкость всего силового оборудования, подключенного к генератору. Этот вопрос требует специального рассмотрения для оценки превышения емкости над полученной величиной, включая и методы прямого измерения емкости фазы относительно корпуса. С этим вопросом непосредственно связан и выбор величины резистивного сопротивления.
Преимущества резистивного сопротивления нейтрали перечислены в [1]. К их числу могут быть отнесены: ослабление ожоговых эффектов и эффектов плавления в дефектном оборудовании, в коммутирующих устройствах, в трансформаторах, кабелях и вращающихся электрических машинах; ослабление механических воздействий в линиях и аппаратах; безопасный контроль переходных перенапряжений и др. Высокоомное заземление выбирается исходя из ограничения, чтобы величина тока через заземляющий резистор незначительно превосходила общий ток, текущий через емкости. Величина тока в этом случае ограничена 10 А. Это иллюстрируется формулами (2) и (3). Из вышесказанного вытекает важность оценки емкостей фаз, и, как видно, эта оценка приобретает ключевое значение для последующего выбора резистивного сопротивления нейтрали.
ЭЭС 10,5 кВ ледокола «Арктика» пр. 22220 не относится к сильно разветвленной и содержит ограниченный набор основных потребителей. В связи с этим в период строительства судна было произведено измерение емкостей: поэлементно, при снятом с электрооборудования напряжении, с помо-
щью измерителя типа Е7-21. Результаты измерений (табл.) включают емкости и кабельных линий, и подключенного к ним электрооборудования.
Сравним полученные значения измерений для емкостей электрооборудования с подключенными участками кабелей и результаты расчета емкости фазы кабельной линии по формуле (5). Из соотношения вытекает, что емкость электрооборудования до главного распределительного устройства, отнесенная к одной фазе (1,084 10-6 Ф), существенно больше емкости фазы в рассмотренном ранее примере из 20 параллельных кабелей.
Тогда имеем (4):
Rn ^
1
3-п-100-1,084-10~
978,81 Ом.
Поэтому выбор резистивного сопротивления в 600 Ом не противоречит условию (4).
Методы измерения емкостей отдельного судового электрооборудования высоковольтной СЭЭС в целом описаны в [7].
В цитируемой работе [4] приведено выражение (1.17) для тока замыкания в виде:
Л,
U Ф.А 1 + 3R УюСф R R
Rs3M 1+^+3RH ;юСф
зам
(6)
Это основано на предположении, что сопротивление нейтрали является чисто резистивным, т.е. 2н = Ян. Сопротивление тела человека, попавшего под напряжение между фазой и корпусом, также резистивное Язам = Яч, предполагается, что емкост-
Таблица. Емкость электрооборудования с участками кабелей до выключателей главного распределительного устройства № 1
Table. Capacity of electric equipment with cable stretches up to MSB-1 switches
Наименование
Количество
Емкость электрооборудования с трехфазным кабелем, мкФ
Генератор ТПС-36-2М2
1,2
Трансформатор силовой сухой согласующий ТРСЗП-6000/10
0,235
1
6
Трансформатор силовой сухой отбора мощности ТСЗ-2500/10 2 0,107
Электронасосные агрегаты ПЭМА250-80 с трансформатором 10,5/0,69 3 0,053
Кабельная перемычка с ГРУ1 на ГРУ2 1 0,27
Суммарная емкость, полученная измерением: 3,253
Рис. 1. Электрическая схема при замыкании фазы А через сопротивление тела человека
Fig. 1. Phase A fault (human-body contact): circuit diagram
ные сопротивления фаз относительно земли (корпуса) —1— практически равны.
юСф
Заменяя U^a на (рис. 1), для действующего значения тока замыкания будем иметь:
Цф V1 + (Rh 3®Сф )2
R
1 +
R
2
R
+ (Rh 3юСф )2
"зам j
■■Um
U
RÎM + 2RHR3aM + RH + (R3aMRH 3®Сф )2
1 + (Rh ЗюСф )2 1
где XC
r2 + 2rH R3aM + rH2
3аМ 1 + (rH / Xc )2 1 + (rH / Xc )2 1
ЗюС,
(7)
(8)
ф
Видоизменим выражение (7) следующим образом:
I - ^ 1 -
зам ф I-
R , RhXC
зам „о 2
\2
R ,2 + X,
rh xc
с j
rh2 + xc
1 - xc
rh2 + xc j
U,
ф
^2
\ 2
r , rh XC
Лзам ^ 2 ,v 2 rh + XC J
2
(8)
rh xc
RH + XC J
Выражение (8) для тока замыкания не отличается от выражения для тока замыкания, приведенного в [7, с. 119] с учетом разницы в обозначениях, если Язвм заменить на r3, Rн - на r0 и /зам - на 1ч. В свою очередь, это служит и подтверждением правильности анализа, приведенного в [4].
Вывод: выбор резистивного сопротивления нейтрали для ЭЭС ледокола «Арктика» отвечает способу высокоомного заземления.
Список использованной литературы
1. IEEE Std 142-2007. IEEE Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems : Rev. IEEE Std 142-1991. New York : Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007. VIII, 215 p.
2. Sottile J., Novak T., Tripathi A. Best practices for implementing high-resistance grounding in mine power systems // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51, No. 6. P. 5254-5260. DOI: 10.1109/ TIA.2015.2420632.
3. Fault Locating in ungrounded and high-resistance grounded systems / T. Baldwin, F. Renovich, L.F. Saunders, D. Lubkeman // IEEE Transactions on Industry Applications. 2001. Vol. 37, No. 4. P. 1152-1159. DOI: 10.1109/28.936408.
4. Цицикян Г.Н., Антипов М.Ю. Автономные электроэнергетические системы. Вопросы электробезопасности и электромагнитной совместимости. Санкт-Петербург : Крыловский государственный научный центр, 2017. 106 с.
5. Цицикян Г.Н., Гренчук А.М. Определение емкости электроэнергетической системы с помощью резистора, включенного между нейтралью системы и землей // Судостроение. 2018. № 6. С. 34-36.
6. Теоретические основы электротехники : учеб. : [В 3 т.]. Т. 3 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Ко-ровкин, В.Л. Чечурин. 4-е изд., доп. Санкт-Петербург : Питер, 2003. 277 с.
7. Граве В.И., Романовский В.В., Ушаков В.М. Электро-пожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем. Санкт-Петербург : Элмор, 2003. 160 с.
References
1. IEEE Std 142-2007. IEEE Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems : Rev. IEEE Std 142-1991. New York : Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007. VIII, 215 p.
2. Sottile J., Novak T., Tripathi A. Best practices for implementing high-resistance grounding in mine power systems // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51, No. 6. P. 5254-5260. DOI: 10.1109/ TIA.2015.2420632.
I
зам
3. Fault Locating in ungrounded and high-resistance grounded systems / T. Baldwin, F. Renovich, L.F. Saunders, D. Lubke-man // IEEE Transactions on Industry Applications. 2001. Vol. 37, No. 4. P. 1152-1159. DOI: 10.1109/28.936408.
4. Tsitsikyan G.N., AntipovM.Yu. Autonomous electric power systems. Safety and electromagnetic compatibility. St. Petersburg : Krylov State Research Centre. 2017. 106 p. (in Russian).
5. Tsitsikyan G.N., GrenchukA.M. Determination of power system capacity by means of resistor between system neutral and ground // Sudostroyeniye. 2018. No. 6. P. 34-36 (in Russian).
6. Theoretical fundamentals of electric engineering. In 3 vol. Vol. 3 / K.S. Demirchan, L.R. Neiman, N. V. Ko-rovkin, V.L. Chechurin. St. Petersburg : Piter, 2003. 277 p. (in Russian).
7. Grave V.I., Romanovsky V.V., Ushakov V.M. Electric fire safety of high-voltage marine power systems. St. Petersburg : Elmor, 2003. 160 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Григорьев Владислав Викторович, начальник сектора филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государствен-
ный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, Благодатная ул., д. 6. Тел. +7 (812) 748-52-40. E-mail: grivlad@gmail.com. https://orcid.org/0000-0001-5599-4004.
Цицикян Георгий Николаевич, д.т.н., профессор, начальник сектора - заместитель начальника отдела филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, Благодатная ул., д. 6. Тел.: +7 (812) 748-52-39. E-mail: George.20021940@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-8813-6003.
About the authors
Vladislav V. Grigoryev, Head of Sector, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st. St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: +7 (812) 748-52-40. E-mail: grivlad@gmail.com. https://orcid.org/0000-0001-5599-4004. Georgy N. Tsitsikyan, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of Sector -Deputy Head of Department, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st. St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: +7 (812) 748-52-39. E-mail: George.20021940@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-8813-6003.
Поступила / Received: 28.10.22 Принята в печать / Accepted: 03.02.23 © Григорьев В.В., Цицикян Г.Н., 2023
