CC BY
48
СЕМИНАР 21
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Г.М. Петров, 2001
УДК 621. 316. 925
Г.М. Петров
РАБОТА УСТРОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В КАРЬЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10 КВ С МАЛЫМИ ТОКАМИ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
оссийское производство, в последнее время, начинает вставать на ноги, что требует развития электроэнергетических систем, а это в свою очередь сопровождается увеличением протяженности распределительных сетей высокого напряжения и передаваемой по ним электрической мощности. На крупных предприятиях общая протяженность таких сетей превышает сотни километров.
Преобладающим видом повреждений в распределительных электрических сетях 6-35 кВ является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ), число которых зависит от протяженности сети, количества подключенных электроприемников, климатических и других условий и факторов. Наибольшее число замыканий происходит в карьерных распределительных сетях (КРС) 6-10 кВ и может достигать на отдельных карьерах 70 в месяц [1].
КРС является сложной динамической системой с изменяющейся структурой и имеет следующие особенности:
• сравнительно небольшие длины отдельных линий и ответвлений от них, но значительно изменяющиеся по мере развития и ведения горных работ;
• непостоянное число и взаимное расположение мест подключения электроприемников к сети в течение технологического процесса;
• малое (не более 20 А) значение установившегося тока ОЗЗ в большинстве сетей 6 - 10 кВ.
Большая частота ОЗЗ в этих сетях имеет место в связи с механическими воздействиями из-за тяжелых условий эксплуатации (взрывы, передвижки, перемещение электрооборудования и установок), запыленностью среды, расположением электрооборудования на открытом воздухе и т.д.
ОЗЗ представляет значительную опасность для людей, установок и сетей. Установившемуся процессу однофазного замыкания, как правило, пред-шествует переходный,
при котором ток замыкания на землю может в несколько раз превышать установившейся ток. Опасность для людей связана с появлением на металлических токопроводящих частях электрооборудования, элементах заземляющих устройств, поверхности земли в местах ОЗЗ и в непосредственной близости от них напряжений, по величине прямо пропорциональных току замыкания на землю. Замыкание фазы на землю нередко происходит через перемежающуюся дугу и сопровождается протеканием тока ОЗЗ, который может быть в несколько раз больше тока устойчивого металлического замыкания на землю [2]. При дуговом перемежающемся ОЗЗ в неповрежденных фазах сети относительно земли могут возникать перенапряжения, которые более чем в 3 раза превышают по величине фазные напряжения сети, а в ряде случаев и испытательные напряжения электрооборудования. Одним из эффективных средств ограничения длительности существования ОЗЗ, уменьшения вероятности поражения человека электрическим током и предупреждения несчастных случаев с тяжелым исходом в КРС 6-35 кВ является защита от однофазного замыкания на землю, которая в соответствии с ПУЭ должна действовать на отключение поврежденной линии без выдержки времени (первая ступень) и устанавливаться на всех линиях напряжением выше 1000 В, отходящих от подстанций и питающих карьерные передвижные электроустановки и другие потребители.
В ряде случаев (например, при падении на землю оборванного провода воздушной ЛЭП, при возникновении в сети заземления обрыва или при величине сопротивления заземляющего устройства выше допустимого значения) данная защита практически является единственным средством, уменьшающим вероятность случайного попадания человека под действие электрического тока.
Недостаточная надежность функционирования защиты от ОЗЗ приводит не только к созданию опасных ситуаций, при которых резко возрастает вероятность попадания людей под воздействие электрического тока, но и приводит к значительному экономическому ущербу из-за перерыва электроснабжения по причине неправильного срабатывания защиты от ОЗЗ, что немаловажно в наше время, определяемое рыночными отношениями. Защита от ОЗЗ, действующая согласно ПУЭ на отключение без выдержки времени, должна устанавливаться на питающих элементах во всей электрически связанной сети. При питании от одной линии нескольких электроприемников данную защиту целесообразно устанавливать не только
на головном участке питающей линии (на подстанции), но и на каждом от нее ответвлении [1]. Она должна автоматически отключать поврежденный элемент от остальной, неповрежденной части электрической сети с помощью выключателей. Данная защита существенно повышает надежность электроснабжения потребителей, способствует сокращению простоев горной и транспортной техники, предотвращает развитие аварий в электроустановках, ограничивает объемы их разрушения.
В настоящее время применяются следующие виды защит от ОЗЗ:
• реагирующие на напряжение нулевой последовательности;
• реагирующие на токи нулевой последовательности;
• реагирующие на напряжение и токи нулевой последовательности.
Выбор вида защиты определяется в зависимости от числа ответвления на шинах подстанции. В защитах, реагирующих на напряжение нулевой последовательности, сигнал снимается с вторичных обмоток трансформатора напряжения, соединенных в открытый треугольник. Но у данной схемы есть недостаток - она не может работать селективно и применяется в тех случаях, когда к шинам подстанции подключена неразветвленная сеть. В сетях с числом присоединений более восьми - десяти, отходящих от шин подстанции, для селективного отключения поврежденного участка применяется простая токовая защита, в которой в качестве датчиков сигнала используются трансформаторы тока нулевой последовательности, а в качестве реагирующих органов - различные токовые реле. На поврежденном участке ток нулевой последовательности имеет наибольшее значение и поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока также будет наибольшим. Поэтому чем больше участков в сети, тем выше селективность защиты. Основной недостаток токовых защит - возможность неселективных отключений неповрежденных участков сети, особенно при небольшом числе присоединений, на подстанции.
Значительно сложнее решается задача создания селективной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания, когда число присоединений на шинах подстанции не превышает пяти - шести. К таким сетям относятся и КРС.
В КРС 6-10 кВ, когда естественный ток замыкания недостаточен для устойчивого срабатывания защиты, целесообразно создать наложение небольшого активного тока. Для этой цели могут быть использованы резисторы, как низковольтные, так и высоковольтные, включенные между нейтралью сети и землей. Наложение активного тока оказывается полезным не только для обеспечения устойчивой работы защиты, но и способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации карьерных электрических сетей.
В работе [3] для наложения дополнительного активного тока на ток ОЗЗ предложено применить трансформатор напряжения типа НТМИ-6. Данный трансформатор изготавливают в виде комплекта, состоящего их трех одинаковых однофазных трехобмоточных трансформаторов напряжения с шихтованными трехстержневыми (Ш -образными) магнитопроводами, которые размещают в общем заполненном маслом баке. Первичная обмотка высшего напряжения и две вторичные (основная и дополнительная) обмотки каждой фазы выполняются в виде общей катушки, помещенной на среднем стержне. Первичная обмотка соединена в звезду с заземленной нейтралью, вторичная, основная, соединена также в звезду, а дополнительная - по схеме разомкнутого треугольника и предназначена для измерения напряжения нулевой последовательности. Нейтраль первичной обмотки трансформатора НТМИ заземляется для измерения напряжения фазы по отношению к земле.
Напряжение на выходе дополнительной обмотки определяется:
Цах = (Ш + Цв + ЦсУК = 3 *По/Кт,
(1)
где Кт - коэффициент трансформации трансформатора НТМИ.
Номинальное вторичное фазное напряжение дополнительных обмоток трансформатора напряжения принимается равным 100/3 В. При этом максимальное вторичное напряжение нулевой последовательности в установившемся режиме ОЗЗ может быть равным 3*Ц0,в тах = 100 В.
В нормальном режиме и при симметрии параметров НТМИ напряжение 3*Ш0 должно быть равно нулю. Практически на зажимах вторичной дополнительной обмотки всегда имеется напряжение небаланса ивб, величина которого может быть 10-11 В. Значение Шнб в КРС обусловливается главным образом неодинаковой проводимостью фаз сети относительно земли и наличием в первичных фазных напряжениях гармоник, кратных трем. Другой причиной появления Цй является погрешность трансформатора напряжения.
Длительный опыт эксплуатации трансформаторов НТМИ в КРС 6-10 кВ показал, что они имеют недостаточную стойкость к дуговым ОЗЗ и феррорезонансным перенапряжениям и по этой причине могут часто выходить из строя [1].
В настоящее время разработан новый трансформатор напряжения типа НАМИ-10(6), который более устойчив к дуговым ОЗЗ и феррорезонансным процессам [4]. В данном трансформаторе напряжения функции трансформации фазных и междуфазных напряжений разделены и осуществляются разными трансформаторами. Для трансформации трех междуфазных напряжений используются два трансформатора напряжения, соединенных в открытый треугольник, один из которых включен на на-
пряжение Щв, а другой на напряжение ШВС (см. рис). Для трансформации трехфазных напряжений между фазой В и землей Х включен третий трансформатор напряжения, который является опорным при измерении двух других напряжений Щх и ПСХ, т.е.:
Цах = Цав + ЦВХ; ЦСХ = ЦСВ + ^ВХ (2)
Выделение напряжения нулевой последовательности Ц0 производится дополнительными обмотками трех трансформаторов напряжения, соединенных в разомкнутый треугольник. Напряжение на выводах ад хд определяется по формуле:
Ц0 = (ЦАХ + Ызх + ЦСХ)/3 = = ЩаБ + Ызх + ЦВХ + ^ОБ +
Цвх)/3 = =Цбх + Шаб/3 + Шсб/3. (3)
Повышение надежности трансформатора напряжения типа НАМИ достигнуто благодаря включению только одного трансформатора между фазой сети и землей, имеющего по сравнению с трансформатором напряжения типа НТМИ увеличенные в несколько раз значения активного и индуктивного сопротивлений первичной обмотки.
Схема для создания дополнительного активного тока с использованием трансформатора напряжения типа НАМИ приведена на рисунке.
Работа данного устройства по созданию дополнительного тока с трансформатором напряжения типа НАМИ ничем не отличается от работы устройства с трансформатором напряжения типа НТМИ, работа которого описана в [3].
еще более повысить эффективность работы устройства защиты от токов ОЗЗ в карьерных электрических сетях 6-10 кВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бухтояров В.Ф., Щуцкий В.И.
Защита от замыканий на землю в электроустановках 6-35 кВ. -Екатеринбург:
УрГАПС, 1999. -430 с
2. Цапенко Е.Ф. Замыкание на землю в сетях 6-35 кВ. - М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 128 с.
3. Петров Г.М. Повышение эффективности работы устройств защи-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
ты от однофазных замыканий на землю в карьерных сетях 6-10 кВ / В сб. статей научно-практического семинара с международным участием "Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных
предприятий. - М.: МГГУ, 1993. с. 72-77.
4. Зихерман М.Х., Несвинский Е.И., Рассолова И.Г., Федотов С.П. Трансформатор напряжения повышенной надежности для сетей 6-10 кВ // Электрические станции. 1990, № 6. с. 64-68.
