CC BY
26
УДК 621.311.4:621.33
В. А. Шлыков, А. П. Афанасьев
ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО РЕЖИМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ С НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ
В статье рассмотрен критерий определения способа заземления нейтрали в сетях свыше 1 кВ. Выполнен анализ результатов моделирования работы заземляющего устройства в пакете Simulink.
Ключевые слова: трёхфазная нагрузка, однофазное замыкание на землю, нейтраль, воздушная линия электропередач, заземление.
Введение
Для промышленного электроснабжения в настоящее время в России повсеместно используется система трёхфазного переменного тока с частотой 50 Гц при различных напряжениях: от 750 кВ при передаче электроэнергии на большие расстояния до 0,4 кВ у потребителей электрической энергии.
Способ заземления нейтрали является фактором, который влияет на надёжность функционирования сетей и определяет их рабочую устойчивость при перенапряжениях, возникающих в случаях дуговых замыканиях на землю [1, 2].
При прочих равных условиях предпочтение должно быть отдано такому способу заземления нейтрали, при котором защита от замыкания на землю получается достаточно простой и надёжной.
На рисунке 1 представлена общепринятая классификация критериев, по которым определяется способ заземления нейтрали в зависимости от напряжения на неповреждённых фазах.
Как видно из приведённого изображения, если значения напряжений на неповреждённых фазах лежат в диапазоне области I, то рекомендуется режим заземления с эффективным заземлением нейтрали. Для значений напряжений, лежащих в диапазоне области II, необходима компенсация ёмкостного тока замыкания [3]. Самый распространённый
Шлыков Виктор Александрович — магистрант 2 курса (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан).
Афанасьев Александр Петрович — кандидат технических наук, доцент, и.о. заведующего кафедрой технических дисциплин (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: mr.preceptor@yandex.ru.
© Шлыков В. А., Афанасьев А. П., 2017
67
случай относится к области III — область применения сетей с изолированной нейтралью. Область IV соответствует области неиспользуемых режимов.
Рис. 1. Напряжения на неповреждённых фазах, ^, „ с, нейтрали С ^ и ток короткого замыкания при однофазном замыкании на землю
Для изучения процессов, протекающих в электрических сетях при однофазных замыканиях на землю, и определения влияния способа заземления на параметры этих процессов авторами был поставлен имитационный эксперимент.
Моделирование работы заземляющего устройства в пакете 51ши1тк
Целью моделирования является исследование электромагнитных переходных процессов в сельских электрических сетях при различном конструктивном исполнении линии электропередачи и заземлении нейтрали.
В качестве объекта исследования рассматривался участок сельской распределительной сети 10 кВ, получающей питание от подстанции
68
электрических сетей. На подстанции установлены два трансформатора типа ТМН-6300/35/10 со схемой соединения обмоток У/А. Общая протяжённость отходящих от шин подстанции воздушных линий напряжением 10 кВ составляет 72 км. Подстанция получает питание по двум воздушным линиям напряжением 35 кВ. Моделировались процессы коммутации и однофазное замыкание в линии 10 кВ с односторонним питанием протяжённостью 15 км. В нормальном режиме нагрузка сети составляет Б = 1500 + ]500 кВА. Схема модели сети представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Имитационная модель сети 10 кВ
Модель состоит из трёх источников синусоидального напряжения AC Voltage Source; воздушной линии электропередачи, которая моделировалась по П-образной схеме замещения линии с сосредоточенными параметрами блоками Series RLC Branch с учётом ёмкостей фаза-земля; ключей Ideal Switch, с помощью которых моделировалось отключение трёх фаз. Блок Breaker моделирует металлическое замыкание фазы «А» на землю, измерительные блоки Current Measurement и Voltage Measurement предназначены для измерения тока и напряжения соответственно, с помощью осциллографа Scope фиксируются значения параметров в переходном режиме сети [4]. Блок пользователя Powergui определяет модуль и фазу напряжения и тока в установившемся режиме [5] (начальные значения интегрируемых переменных).
В стандартном наборе элементов библиотеки Simulink нет блока для определения кратности перенапряжений, поэтому с помощью стандартных элементов Simulink был собран блок Multiplicity Surge на базе Simulink-элементов, схема блока представлена на рисунок 3.
В данной схеме:
- блок Minmax предназначен для выбора максимального (минимального) значения из массива сигналов, поступающих на его вход;
69
Ub |„| —
Abs
Рис. 3. Схема блока Multiplicity Surge
- блок Memory выполняет задержку входного сигнала на один временной такт (шаг интегрирования), служит накопителем максимального мгновенного значения напряжения;
- блок Abs выполняет вычисление абсолютного значения величины сигнала; блок Product осуществляет вычисление текущих значений сигналов.
Результаты имитационного эксперимента
При проведении серии вычислительных экспериментов на имитационной модели изменялись параметры схемы замещения линии электропередачи в соответствии с каталожными данными проводов для голых и защищённых изоляцией проводов.
Во всех экспериментах использованы провода с площадью поперечного сечения 70 мм2.
Работа имитационной модели сети осуществляется следующим образом:
1. В начальный момент времени (to = 0) схема работает в нормальном режиме;
2. В момент времени t-i = 1/4T (где Т — период промышленной частоты) происходит однофазное замыкание фазы А на землю через блок Breaker.
3. Во втором периоде колебаний, когда амплитуда фазы B достигает максимального значения, происходит отключение трёх фаз нагруженной линии от источника питания.
В процессе эксплуатации ёмкость сети может изменяться в широких пределах за счёт изменения количества подключённых к шинам подстанции фидеров, а также реконструкции сети, эксперименты проведены для эквивалентной ёмкости сети, выполненной голыми и защищён-ными изоляцией проводами, соответствующей длине линии 72 км.
В сети с компенсированной нейтралью эксперименты проведены для случая расстройки компенсации 10 %. Для нейтрали, заземлённой через резистор, сопротивление высокоомного резистора принято 1 кОм, а низ-коомного — 0,1 кОм.
Для примера на рисунках 4 и 5 приведены осциллограммы изменения напряжения фаз в момент возникновения однофазного замыкания
70
и последующего отключения трёх фаз от источника питания для нагруженной линии на начальном и конечном участках ЛЭП соответственно.
а 0 005 0 01 0015 0 02 0035 0 03 0 035 0 04 0Д«5 0.05 Рис. 4. Осциллограммы напряжений на начальном участке ЛЭП
О О.ООБ 0.01 0.015 0.02 0.025 ООЗ 0.035 0.04 0.0*5 0105 Рис. 5. Осциллограммы напряжений на конечном участке ЛЭП
71
Как показали результаты имитационного эксперимента, токи однофазного замыкания в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, выполненной защищёнными изоляцией проводами, превышают токи в сети с проводами АС в 2,2 раза (при проводах SAX-W-70) и в 17,4 раза (при проводах SAXKA-70). Это обстоятельство приводит к необходимости применять средства ограничения тока замыкания или исключать возможность работы сети с замкнутой на землю фазой.
Список литературы
1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Госэнергоиздат, 2001. 415 с.
2. Сирота И. М., Кисленко С. Н. Михайлов А. М. Режимы нейтрали электрических систем. Киев: Изд-во АН СССР, 2003. 264 с.
3. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. М.: Энергия, 2001. 152 с.
4. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в энергетических системах. М.: Наука, 1970. 510 с.
5. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М: ДМК Пресс; СПб: Питер, 2008. 288 с.
•Jc -Jc -Jc
Shlykov Alexey A., Afanasyev Alexander P.
THE PROBLEM OF CHOOSING AN APPROPRIATE NEUTRAL GROUNDING MODE IN NETWORKS WITH VOLTAGES ABOVE 1 KV
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
The criterion for determining the method of neutral grounding in networks over 1 kV is considered in the article. An analysis of the results of simulating the operation of the grounding device in the Simulink package is performed.
Keywords: Three-phase load, Single-phase earth fault, Neutral, Overhead power line, Grounding.
References
1. Vilgeim R., Uoters M. Zazemlenie neitrali v vysokovoltnykh sistemakh (Neutral grounding in high-voltage systems), Moscow, Gosenergoizdat Publ., 2001. 415 p.
2. Sirota I. M., Kislenko S. N., Mikhailov A. M. Rezhimy neitrali elektricheskikh system (Neutral modes of electrical systems), Kiev, Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 2003. 264 p.
3. Likhachev F. A. Zamykaniia na zemliu v setiakh s izolirovannoi neitraliu i s kompensatciei emkostnykh tokov (Ground faults in networks with isolated neutral and with compensation of capacitive currents), Moscow, Energia Publ., 2001. 152 p.
4. Ulianov S. A. Elektromagnitnye perekhodnye protcessy v energeticheskikh sistemakh (Electromagnetic transients in power systems), Moscow, Nauka Publ., 1970. 510 p.
5. Chernykh I. V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh ustroistv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink (Modeling of electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink), Moscow, St. Petersburg, 2008. 288 p.
■k -k -k
72
