CC BY
118
УДК 621.311.1 ББК 31.279
Э. АЮУРЗАНА, АД. МАМБЕТЖАНОВ, Б.К. ТАКЫРБАШЕВ, Д. ДЖАМАГИДЗЕ, М.И. ПЕТРОВ, А.А. КУЗЬМИН
ОЦЕНКА СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В СЕТЯХ СРЕДНЕГО КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: режим заземления нейтрали, система компенсации тока однофазное замыкание на землю, гармоники в токе ОЗЗ, заземление нейтрали.
В статье обобщен опыт экспериментальных исследований в сетях среднего класса напряжения. В настоящее время для замера величины тока однофазного замыкания на землю используются несколько основных методов. При этом в нормативных документах нет четких требований к применяемому для этого измерительному оборудованию. В работе дается оценка методов, а также оборудования, применяемого для этих измерений. Приводятся показания измерений, проведенных достоверным способом для сетей различного назначения городских электрических подстанций, нефтехимических производств, горнодобывающих заводов, предприятий генерации и др. Даны рекомендации по выбору средств заземления нейтрали.
Основу сетей промышленного и городского назначения составляют сети среднего класса напряжения 3-35 кВ. Как правило, данные сети выполнены в виде кабельных или воздушно-кабельных присоединений, общая протяженность которых может насчитывать сотни километров. Основной причиной возникновения большинства аварийных ситуаций является однофазное замыкание на землю. Появление замыкания на землю может быть устойчивым («металлическим») или через перемежающуюся дугу. В случае возникновения дугового замыкания в результате гашений и повторных зажиганий дуги на неповрежденных фазах возникают перенапряжения значительной величины, в результате чего однофазное замыкание на землю переходит в многоместное короткое замыкание, значительно увеличивая экономический ущерб аварии. В настоящее время перенапряжения в сетях среднего класса напряжения хорошо изучены, на основании экспериментальных и расчетных исследований определены наибольшие кратности перенапряжений [1].
Широко известно, что определяющим фактором, влияющим на развитие процессов при возникновении однофазного замыкания на землю, является режим заземления нейтрали. Выбор режима заземления нейтрали требует внимательной проработки различных эксплуатационных вопросов: технологической возможности отключения поврежденного присоединения, наличия в сети кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, координации ОПН и др.
Проблема выбора режима заземления нейтрали должна решаться индивидуально для каждой энергосистемы. В данной статье приводится опыт экспериментальных исследований выбора и оценки режима заземления нейтрали.
Методика проведения натурных замеров тока однофазного замыкания на землю. Основной измеряемой характеристикой является величина
тока замыкания на землю. Оценка величины тока может быть произведена расчетным путем. Данный способ наименее трудозатратный, но он применим для тех сетей, где есть полная информация по типам установленного оборудования. Зачастую в развивающихся сетях изменение конфигурации сети может быть не внесено в принципиальные схемы, что в отдельных случаях приводит к погрешности расчетов более чем на 50%. Поэтому определение величины тока расчетным путем применимо для вновь проектируемых электрических сетей.
В настоящее время проработаны и используются несколько методов экспериментального определения емкостного тока замыкания на землю1 [5]. Наиболее просто реализуем «косвенный» метод замера, выполняемый для сетей без дугогасящих реакторов (ДГР) при помощи введения искусственной несимметрии или снятия резонансной кривой для сетей с ДГР. Однако «косвенный» замер не позволяет получить всей необходимой информации о состоянии сети: уровнях гармонических искажений тока замыкания на землю, активной и реактивной составляющих полного тока замыкания на землю. Кроме того, данный метод в ряде случаев обладает низкой точностью. «Прямой» метод замера является более полным. При этом осуществляется непосредственное заземление одной из фаз с контуром заземления подстанции. Подробно методика проведения замера приведена в Типовой инструкции по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ (ТИ34.20.179-88). Данный метод позволяет оценить полную величину тока замыкания. При использовании современных средств осциллографирования становится возможной постпроцессорная обработка сигналов, включающая: выделение активной и реактивной составляющих, а также разложение в ряд Фурье для получения его гармонических составляющих. Для сетей с оборудованием, испытанным в соответствии с нормативными требованиями, как показывает опыт многочисленных подобных экспериментов, данный вид воздействий не представляет опасности для изоляции оборудования. Для оценки состояния ДГР при проведении опыта необходимо контролировать ток через ДГР.
Для получения информации о сети (уровнях возникающих перенапряжений, величине несимметрии и др.) необходимо одновременно производить мониторинг фазных напряжений. Анализ экспериментальных осциллограмм показывает, что частота переходного процесса, возникающего при однофазном замыкании на землю, может составлять десятки килогерц. Применение трансформаторов напряжения (ТН) для получения сигналов фазных напряжений не всегда приемлемо. Согласно [4] граница пропускаемых частот ТН типа НТМИ, НОМ и ЗНОМ, при которых коэффициент трансформации постоянен, находится в диапазоне 3-5 кГц, однако не гарантируется производителем. При этом в [3] показано, что погрешность ТН типа НОМ-6 на частоте 2 кГц по напряжению достигает 20%, а по углу -30°, что не соответствует требованиям точности замеров.
1 ТИ34.20.179-88. Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ М., 1988.
Результаты экспериментальных исследований в сети городского электроснабжения. Для проведения комплексных исследований в сети 10 кВ подстанции городского электроснабжения проведен опыт измерения тока однофазного замыкания на землю «прямым» методом. На кабельном присоединении специально выделенной для организации искусственного ОЗЗ ячейки одна из фаз соединялась с землей «закороткой», рассчитанной на ток трехфазного КЗ. Для осциллографирования тока ОЗЗ в цепь «закоротки» устанавливался дополнительно трансформатор тока (ТТ). К выводам вторичных обмоток трансформатора тока через измерительные кабели подключался цифровой осциллограф для регистрации тока ОЗЗ.
Осциллограмма тока замыкания на землю приведена на рис. 1. Значение полного тока замыкания на землю составляет 58,8 А. В процессе обработки, получен гармонический состав тока, наиболее характерные составляющие (свыше 0,25 А) приведены в табл. 1. Полный гармонический состав приведен на гистограмме (рис. 2). В токе содержится значительная составляющая гармонических искажений - 5,36 А (9,1% от составляющей тока замыкания на землю 50 Гц). Наличие высших гармоник в токе ОЗЗ приводит к невозможности точной компенсации тока однофазного замыкания на землю, осложняют процесс горения дуги, что утяжеляет процесс горения дуги.
Наличие большой активной составляющей в токе ОЗЗ может говорить о значительном техническом износе изоляции кабельных линий. Активная составляющая в токе замыкания на землю составляет 0,79 А (1,3%), что говорит о нормальном состоянии изоляции.
50,5 ■ А/дел
[250 ОтБ/^ц]
250 мс/дел
50,5 А/дел
Рис. 1. Осциллограммы тока ОЗЗ при замыкании в сети 10 кВ городской подстанции
Таблица 1
Действующие значения гармоник тока ОЗЗ в установившемся режиме в сети 10 кВ, А
Номер гармоники Опыт № 1
1 58,580
2 0,681
3 0,523
4 0,937
5 4,030
6 1,563
7 0,726
8 0,503
9 0,386
10 0,617
11 2,032
12 1,023
13 1,602
14 0,614
15 0,281
16 0,539
17 0,710
18 0,362
19 0,537
24 0,261
25 0,652
3,5
2,5
1,5
0,5
0
П.П.П.П.П.М.П.п.п.П.п.П. п.п.п.П.п.П.п.п.
Номер гармоники
Рис. 2. Действующие значения гармоник тока ОЗЗ для сети 10 кВ городской подстанции
В данной сети использование традиционных средств защиты сети путем заземления нейтрали через дугогасящий реактор может оказаться недостаточным из-за значительной величины тока высших гармоник. С учетом анализа полученных экспериментальных данных выданы рекомендации о переводе сети к низкоомному заземлению нейтрали.
4
3
2
1
Экспериментальная оценка уровней гармонических искажений тока однофазного замыкания на землю. На основании многолетнего опыта натурных замеров получены данные о содержании высших гармоник в токах замыкания на землю. Физическая природа появления гармонических искажений в токе ОЗЗ приведена в [7]. При оценке использовались данные по уровням гармонических искажений в токе ОЗЗ 62 объектов напряжением 6-35 кВ России, Белоруссии, Казахстана, Монголии, Грузии. Экспериментальные исследования проводились для электрических сетей различного назначения: городских электрических подстанций, нефтехимических производств, горнодобывающих заводов, предприятий генерации и др.
Для каждого класса напряжения характерны отличительные особенности проблем появления гармонических искажений. Сети 6-10 кВ, как правило, состоят из кабельных линий, имеют значительную параллельную протяженность сети и небольшую длину отдельных присоединений. Нелинейные нагрузки подключаются напрямую, без трансформаторной связи. Сети 35 кВ выполняются кабельно-воздушными линиями с преимуществом воздушных, они имеют большую протяженность отдельных присоединений (по сравнению с сетями 6-10 кВ) и небольшую разветвленность. Кроме объектов металлургии источники гармонических искажений в таких сетях располагаются за трансформаторной связью.
Для систематизации уровней гармонических искажений в токе ОЗЗ на различных объектах введем следующие оценочные критерии:
1. Значение тока высших гармоник ОЗЗ превышает установленные нормы1. При таком уровне гармонических искажений полностью теряется эффект компенсации. В сети возможно возникновение резонансных перенапряжений.
2. Существенное содержание гармоник в токе ОЗЗ: ВГ имеют величину 8-15 А для сети 6-10 кВ, 5А для сети 35 кВ. При данных уровнях гармонических искажений дуговое замыкание значительно утяжеляется [2].
3. Значительное содержание гармоник в токе ОЗЗ: уровень ВГ в токе ОЗЗ для сети 6-10 кВ от 4,5 до 8 А, и от 2 до 4 А для сети 35 кВ.
4. Отсутствие значимого гармонического фона в токе ОЗЗ.
Результаты измерений по сетям промышленного и городского электроснабжения приведены в табл. 1 и 2, соответственно.
Результаты гармонического анализа, полученного в ходе натурных исследований, приведены в табл. 3 и 4. Как видно из них, вопрос гармонических искажений в токе однофазного замыкания на землю актуален для эксплуатируемых сетей. В сетях промышленного назначения 4 объекта (6,5%)
содержат в своих спектрах величины гармонических искажений, превышаю-
2
щие нормы , что делает невозможным выполнение условия самопогасания дуги обычными системами компенсации; на 7 объектах (25,9%) значения то-
1 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации РД 34.20.501-95: утв. Приказом Минэнерго России от 19.06.2003 г. Доступ из справ.-прав. системы Гарант.
2 Там же.
ков высших гармоник достаточны для неустойчивого горения дуги. Среди объектов класса 6-10 кВ 18,5% содержат гармоники, значения которых превышают 4,5 А. При этом меньше половины (48%) объектов не имеют проблем с высшими гармониками в токе ОЗЗ.
Таблица 3
Результаты исследований возникновения гармонических искажений в сети промышленных предприятий
Показатели Класс напряжения, кВ
6 10 35
Всего объектов 11 12 4
Значение тока ОЗЗ превышает установленные ПУЭ нормы 0 3 1
Существенное содержание гармоник в токе ОЗЗ 3 2 2
Значительное содержание гармоник в токе ОЗЗ 2 3 0
Отсутствие проблем 6 4 1
Таблица 4
Результаты исследований возникновения гармонических искажений в сети городского назначения напряжения 6-35 кВ
Показатели Класс напряжение, кВ
6 10 35
Всего объектов 8 23 4
Значение тока ОЗЗ превышает установленные ПУЭ нормы 0 0 0
Существенное содержание гармоник в токе ОЗЗ 1 6 0
Значительное содержание гармоник в токе ОЗЗ 3 6 0
Отсутствие проблем 4 11 4
Для сетей городского назначения характерно также значительное содержание высших гармоник в токе ОЗЗ, 45% исследованных объектов сетей 6-10 кВ городской инфраструктуры содержат токи высших гармоник, усугубляющих процессы при ОДЗ.
Выбор режима заземления нейтрали. При достаточном резервировании потребителей возможна реализация низкоомного заземления нейтрали. При этом устройства защиты действует на отключение поврежденного присоединения без выдержки времени. За счет этого снижаются длительность существования аварии и воздействие на оборудование с низким уровнем изоляции, такое как электродвигатели. В настоящее время компанией ООО «Болид» выполнены работы по переводу части подстанций Республики Киргизия и Республики Монголии на низкоомное заземление нейтрали. Согласно наблюдениям службы изоляции ОАО «Северэлектро» (г. Бишкек, Республика Киргизия), количество аварийных отключений после ввода низкоомного заземления нейтрали снизилось в 4,5 раза. Выбор параметров средств заземления определяется обеспечением селективности работы средств релейной защиты.
В ряде случаев невозможно выполнить немедленное отключение поврежденного присоединения, поэтому применяют комбинированное заземление нейтрали. В сетях с большим емкостным током согласно Правилам технической
эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации1 необходимо применение устройств компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю. При этом эффективность данной меры будет определяться качеством работы силовой части и автоматики настройки. В идеальном случае в аварийном режиме должна обеспечиваться резонансная настройка, при этом обеспечивается снижение в месте замыкания тока до нуля. Однако реально существует активная составляющая тока замыкания на землю, а также токи высших гармоник [6]. Для оценки работоспособности существующих систем и определения рекомендаций по выбору параметров режима заземления нейтрали необходимо проведение натурных исследований.
Выводы. 1. Режим заземления нейтрали в сети среднего класса напряжения имеет определяющее значение в вопросе обеспечения надежности электроснабжения. Для принятия обоснованного решения по вопросу выбора режима заземления нейтрали необходима комплексная оценка сети.
2. При исследовании сети необходимо проведение замеров емкостного тока замыкания на землю. Косвенные методы имеют определенную область применения. Для получения наиболее полной информации необходимо проведение прямого замера. При этом датчики тока и напряжения должны обеспечивать стабильную передаточную характеристику во всем диапазоне измеряемых частот.
3. Обобщение результатов замеров емкостного тока в сетях среднего класса напряжения городского и промышленного назначения показывает содержание гармоник в токе однофазного замыкания на землю свыше 4А. В 52% объектов сети промышленного назначения и 45% объектов городского энергохозяйства имеют место токи гармоник, значительно утяжеляющие процессы горения и погасания дуги.
Литература
1. Аношин О.А. Повышение надежности эксплуатации ограничителей перенапряжений в сетях 6-10 кВ // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования: материалы Междунар. науч.-техн. конф. СПб.: ПЭИПК, 2003. Вып. 1. 261 с.
2. Базуткин В.В. К проблеме компенсации емкостных токов в сетях 6-10-35 кВ // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2007. № 1. С. 13-18.
3. Булычев А.В., Ванин В.К. Частотные характеристики трансформаторов напряжения для защиты генераторов // Энергетика. 1987. № 11.
4. Гиндуллин Ф.А., Гольдштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов ФХ. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989.
5. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. М.: Высш. шк., 1991.
6. Кучумов Л.А., Кузнецов А.А., Стефановский В.А. О технической выполнимости требований минимизации токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью // Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования: материалы Междунар. науч.-техн. конф. СПб.: ПЭИПК, 2003. Вып. 1. С. 293-303.
1 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации РД 34.20.501-95: утв. Приказом Минэнерго России от 19.06.2003 г. Доступ из справ.-прав. системы Гарант.
7. Петров М.И., Кузьмин А.А. Влияние частотно-регулируемой нагрузки на процессы при возникновении однофазного замыкания на землю // Вестник Чувашского университета. 2015. № 3. С. 104-108.
АЮУРЗАНА ЭРДЭНЭБИЛЭГ - инженер-исследователь, производственно-технический отдел, Национальная электропередающая сеть Монголии, Монголия, Улан-Батор ([email protected]).
МАМБЕТЖАНОВ АЗАМАТ ДУЙШЕБАЕВИЧ - заместитель технического директора по капитальному строительству, ОАО «Северэлектро», Киргизия, Бишкек (е«Ло1роп@та11. ги).
ТАКЫРБАШЕВ БЕЙШЕНАЛЫ КАСЫМАЛИЕВИЧ - начальник службы релейной защиты и автоматики, ОАО «Северэлектро», Киргизия, Бишкек ([email protected]).
ДЖАМАГИДЗЕ ДЖАБА - начальник отдела высоковольтной сети службы распределительной сети, АО «Теласи», Грузия, Тбилиси ([email protected]).
ПЕТРОВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет; директор, ООО «НИР Энерго», Россия, Чебоксары ([email protected]).
КУЗЬМИН АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - ассистент кафедры безопасности труда, Новосибирский государственный технический университет; начальник отдела перспективных разработок, ООО «Болид», Россия, Новосибирск ([email protected]).
E. AYURZANA, A. MAMBETZHANOV, B. TAKYRBASHEV, J. DZHAMAGIDZE, M. PETROV, A. KUZMIN ASSESSMENT OF CURRENT COMPONENTS OF SINGLE-PHASE EARTHINGS DURING FIELD EXPERIMENTS IN MEDIUM-VOLTAGE FOR VARIOUS PURPOSES Key words: neutral wire earthing, the current compensation systems of a single-phase ground fault, harmonic current of SPE, detuning compensation.
The article summerizes the experience of experimental research in the medium-voltage networks. Several basic methods are used currently to measure the amount of current of single-phase earth faults. In the regulations there is no clear requirement to apply measurement equipment used for this purpose. The paper presents an evaluation of the methods, as well as the equipment used for this purpose. It also provides measurement readings performed in a reliable way for networks of various purposes of urban electric substations, petrochemical plants, mining plants, generation companies and other industries. The article gives recommendations to choose means of neutral grounding.
References
1. Anoshin O.A. Povyshenie nadezhnosti ekspluatatsii ogranichitelei perenapryazhenii v se-tyakh 6-10 kV [Increasing the reliability of surge arresters for networks 6-10 kV]. Perenapryazheniya i nadezhnost' ekspluatatsii elektrooborudovaniya: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of Int. Sci. Conf. «Overvoltage and reliability of exploitation is Electrical»]. St. Petersburg, 2003, iss. 1, 261 p.
2. Bazutkin V.V. K probleme kompensatsii emkostnykh tokov v setyakh 6-10-35 kV [On the problem of compensation of capacitive currents in networks 10/06/35 kV]. Elektro. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskayapromyshlennost', 2007, no. 1, pp. 13-18.
3. Bulychev A.V., Vanin V.K. Chastotnye kharakteristiki transformatorov napryazheniya dlya zashchity generatorov [The frequency characteristics of voltage transformers for the protection of generators]. Energetika, 1987, no. 11.
4. Gindullin F.A., Gol'dshtein V.G., Dul'zon A.A., Khalilov F.Kh. Perenapryazheniya v setyakh 6-35 kV [Overvoltage in networks 6-35 kV]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989.
5. Kelim Yu.M. Elektromekhanicheskie i magnitnye elementy sistem avtomatiki [Electromagnetic elements and automation systems]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1991.
6. Kuchumov L.A., Kuznetsov A.A., Stefanovskii V.A. O tekhnicheskoi vypolnimosti trebova-nii minimizatsii tokov pri odnofaznykh zamykaniyakh na zemlyu v elektricheskikh setyakh 6-35 kV s izolirovannoi ili kompensirovannoi neitral'yu [On the technical feasibility require- ments, minimizing the currents in single-phase earth faults in electric networks of 6-35 kV with isolated or compensated neutral]. Perenapryazheniya i nadezhnost' ekspluatatsii elektrooborudovaniya: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of Int. Sci. Conf. «Overvoltage and reliability of exploitation is Electrical»]. St. Petersburg, 2003, iss. 1, pp. 293-303.
7. Petrov M.I., Kuz'min A.A. Vliyanie chastotno-reguliruemoi nagruzki na protsessy pri voz-niknovenii odnofaznogo zamykaniya na zemlyu [Features of ozone generators with high-resistance electrodes]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 3, pp. 104-108.
AYUURZANA ERDENEBILEG - Engineering Research, Production and Technical Department, National Electricity Transmission Network of Mongolia, Mongolia, Ulaanbaatar ([email protected]).
MAMBETZHANOV AZAMAT - Deputy Technical Director of the capital construction, JSC «Severelectro», Kyrgyzstan, Bishkek ([email protected]).
TAKYRBASHEV BEISHENALY - Chief of the Relay Protection and Automation, JSC «Severelectro», Kyrgyzstan, Bishkek ([email protected]).
DZHAMAGIDZE JABA - Head of the High-Voltage Network Service Distribution Networks, JSC «Telasi», Georgia, Tbilisi ([email protected]).
PETROV MIKHAIL - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Industrial Enterprises Power Supply Department, Chuvash State University; Director, «NIR-Energy», Russia, Cheboksary ([email protected]).
KUZMIN ALEXEY - Post-Graduate Student of the Technology and Electrophysics High Voltages Department, Novosibirsk State Technical University, Leading Researcher of «Bolid» LTd, Russia, Novosibirsk ([email protected]).
Ссылка на статью: Аюурзана Э., Мамбетжанов А.Д., Такырбашев Б.К., Джамагидзе Д., Петров М.И., Кузьмин А.А. Оценка составляющих тока однофазного замыкания на землю при проведении натурных экспериментов в сетях среднего класса напряжения различного назначения // Вестник Чувашского университета. - № 3. - С. 21-29.
