CC BY
168
РЕЖИМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6-35 КВ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
© Афанасенко А.С.*, Кудряшев Г.С.*
Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск
Рассмотрены способы заземления нейтралей в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью и их влияние на величину тока однофазного замыкания на землю. Условия появления высокочастотных гармоник в токе ОЗЗ и перенапряжений на неповрежденных фазах сети. Зависимость перенапряжений от параметров сети. Влияние способов заземления нейтралей на надежное и селективное срабатывание релейной защиты при ОЗЗ.
Ключевые слова: заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ, ток ОЗЗ, релейная защита от ОЗЗ, перенапряжения в сетях 6-35 кВ.
В распределительных сетях с рабочим напряжением 6-35 кВ ключевой задачей является режим заземления нейтрали, оказывающий решающее влияние на надежность электроснабжения потребителей, сохранность электрических машин и силовых кабелей, безопасность людей и животных оказавшихся в местах прохождений линий, а также на выбор принципов и типов устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), на способы использования этих устройств для отключения, сигнализации однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ).
Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях 6-35 кВ составляют 7590 % от общего числа повреждений. Ток ОЗЗ зависит от рабочего напряжения сети, суммарной ёмкости неповрежденных фаз сети по отношению к земле, сечения жил кабелей. Величина тока ОЗЗ соизмерима с током нагрузки и может изменяться от единиц до сотен ампер. При этом вся электрически связанная сеть длительно (до 2 часов) подвергается перенапряжениям сопровождающихся перемежающейся электрической дугой в месте повреждения [8].
Теоретически при «металлическом» ОЗЗ перенапряжения на неповрежденных фазах равны 1,73 фазных напряжений (Пф) [9].
Время работы сети с ОЗЗ ограничивается термической стойкостью измерительных трансформаторов напряжения (ТН) у которых нейтраль первичной обмотки глухо заземлена [9].
В России главным образом используются режимы:
* Аспирант кафедры Электрических станций, сетей и систем.
* Профессор кафедры Электрических станций, сетей и систем, доктор технических наук, профессор.
- изолированная нейтраль.
- резонансно-заземлённая нейтраль.
- с заземлением нейтрали через активное сопротивление (резистор), которое внесено в нормативные документы [10].
На основе известных методов и существующих устройств релейной защиты от ОЗЗ, в сетях 6-35 кВ, обладающих во всех случаях 100 % селективностью и требуемой чувствительностью, получить не удаётся, что требует дополнительных исследований.
Реально амплитуды дуговых перенапряжений достигают (3,5-3,8) Пф, сопровождаются пробоем изоляции неповрежденных фаз с переходом в междуфазное короткое замыкание (КЗ) через землю, после отключения, которого релейной защитой от междуфазных КЗ, режим ОЗЗ продолжается. Перемежающая дуга в месте ОЗЗ сопровождается перенапряжениями на неповрежденных фазах сети.
Положение осложняется феррорезонансными явлениями в сети приводящих к повреждениям ТН-ов и маломощных силовых трансформаторов.
При ОЗЗ на железобетонных опорах ВЛ-6(10-35) кВ разрушается бетон опоры по границе с грунтом, возникают шаговые напряжения, наблюдаются падения опор.
В проводных линиях связи при ОЗЗ возникают большие электромагнитные помехи.
Как правило, ОЗЗ сопровождаются в месте повреждения электрической дугой, являющейся источником пожаров лесных массивов, торфяников. В кабельных сооружениях энергетических объектов при двойных замыканиях на землю с повреждениями оболочек кабелей возникают пожары наносящие большой ущерб производственным объектам, объектам энергетики [7],
Перемежающая дуга в месте ОЗЗ при токе в дуге до 10 ампер создает перенапряжения порядка (3,5-3,8) Пф сети. При токах дуги больше 10 ампер создает перенапряжения порядка 3-х Пф сети, при токе 20-50 ампер перенапряжения держатся на уровне 2,7 Пф. Снижение перенапряжений при ОЗЗ с увеличении тока в дуге объясняется устойчивым её горением.
Максимум перенапряжения при ОЗЗ возникает при:
- наличии напряжения на поврежденной фазе в момент первичного зажигания дуги;
- в момент погасания дуги и напряжении повторного её зажигания (вторичный пробой) в течение этого же полупериода напряжения [8].
Вторичный пробой происходит при ненулевом значении напряжения в нейтрали сети, которое зависит от условий гашения дуги после первого пробоя и имеет значение 0,5-1,4 Пф сети.
Максимум перенапряжения 3,8 Пф сети при ОЗЗ достигается, если дуга гаснет при переходе через нулевое значение свободной составляющей тока дуги. Быстрое гашение дуги приводит к зарядке емкостей неповрежденных
фаз до напряжения, превышающего Пф, чем обуславливается появление напряжения на нейтрали и последующий пробой (зажигание дуги) в момент максимума напряжения поврежденной фазы, нарастанию напряжения на нейтрали и к перенапряжению на неповрежденных фазах сети [2].
Недостатки сети с изолированной нейтралью частично компенсируются заземлением нейтрали через активное сопротивление (резистор), что позволяет снизить перенапряжения, исключить явление феррорезонанса, улучшить условия срабатывания релейной защиты [4].
Применяются возможные режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ:
- изолированная нейтраль;
- заземление нейтрали через дугогасительный реактор (ДГР);
- заземление нейтрали через резистор;
- заземление нейтрали, через ДГР зашунтированный резистором.
Заземление нейтрали через дугогасительный реактор (ДГР) позволяет
полностью компенсировать ёмкостные токи в месте ОЗЗ и ограничить величину дуговых перенапряжений [5]. Это положительное качество имеет и негативную сторону, проявляющуюся при неточной настройке дугогаситель-ного реактора. Неточная настройка ДГР способствует возникновению больших кратностей перенапряжений при ОЗЗ в сочетании с неполнофазным режимом, возникающим из-за неодновременного отключения фаз выключателя или отказе одного из полюсов выключателя.
Резонансная настройка нейтрали сети в процессе ОЗЗ и погасания дуги в некоторых случаях приводит к повторным пробоям при напряжении равном или меньше фазного, а на неповрежденных фазах перенапряжения могут достигать 2,4 Пф. При расстройке компенсации от 15 % до 30 % дуговые перенапряжения достигают 2,8-3 Пф сети, что снижает эффективность заземления нейтрали через дугогасительный реактор. При резонансной настройке нейтрали сети токовая защита от ОЗЗ отказывает [1].
При неточной настройке ДГР процесс выравнивания напряжений фаз после погасания дуги носит характер биений. Частота биений определяется степенью расстройки компенсации и добротностью образованного колебательного контура [9].
При точной настройке ДГР, или настройке с незначительной перекомпенсацией, возникновение ОЗЗ приводит неизбежно к расстройке ДГР, а возникновению биений способствует отключение от сети присоединения с большим ёмкостным током. Биения могут привести к повторному ОЗЗ, которое произойдет при напряжении близком к максимуму, что станет причиной перенапряжений на неповрежденных фазах сети [9].
Однако, в неповрежденных фазах сети протекают преимущественно ёмкостные токи, токи утечки, в которых присутствуют гармоники высших порядков по отношению к основной частоте сети. Выделение этих токов, изучение условий их возникновения и растекания позволят, возможно в перспективе, обеспечивать селективные отключения ОЗЗ в сетях 6-35 кВ [7].
Для достижения селективных срабатываний релейной защиты (РЗ), уставка срабатывания защиты отстраивается от емкостного тока защищаемого присоединения, при условии, что ток срабатывания защиты меньше тока ОЗЗ всей сети. Поэтому сети с ДГР предпочтительно эксплуатируются с перекомпенсацией ёмкостного тока ОЗЗ.
Заземление нейтрали сети через высокоомный, или низкоомный резистор дает ряд положительных качеств.
Заземление через высокоомный резистор нейтрали сети выполняется с целью ограничения дуговых перенапряжений и исключения феррорезо-нансных явлений, при ограниченно допустимом времени работы сети с ОЗЗ при отыскании поврежденного участка сети дежурным персоналом.
Высокоомный резистор, установленный в нейтрали, позволяет уменьшить постоянную времени разряда ёмкости неповреждённых фаз сети во время безтоковой паузы. Время полного разряда ёмкостей фаз - 0,008-0,010 секунды. Расчетная величина сопротивления резистора должно обеспечивать ток при ОЗЗ больше тока срабатывания РЗ [4], отстроенной по току срабатывания от собственного тока ОЗЗ на защищаемой линии.
Низкоомный резистор в нейтрали сети обеспечивает срабатывание релейной защиты при ОЗЗ и обеспечивает максимальную зону защиты обмоток генераторов, трансформаторов, электродвигателей. Способствует подавлению феррорезонанса и ограничению перенапряжений на неповреждённых фазах сети. Заземление нейтрали через низкоомный резистор эффективно для сетей с синхронными генераторами и вращающимися машинами.
Резистор в этом случаи создает условия:
- предотвращающие недопустимые перенапряжения в неповрежденных фазах сети с ёмкостным током не менее тока ОЗЗ,
- обеспечивает селективное отключение поврежденного присоединения при срабатывании РЗ от ОЗЗ.
Расчётная величина резистора из рассмотренных условий выбирается минимальной [4].
Шунтирование резистором ДГР позволяет устранить биения после погашения дуги, ограничить перенапряжения при повторных пробоях до 2,4 Пф сети. Шунтирующий резистор позволяет:
- ограничить перенапряжение на неповреждённых фазах сети при ОЗЗ до величины профилактического испытательного напряжения обмоток вращающихся электрических машин переменного тока в соответствии с «Объемами и нормами испытания электрооборудования» (РД34.45-51.300-97) [3];
- увеличить активную составляющую в токе ОЗЗ и тем самым обеспечить селективность токовых защит, исключить феррорезонанс-ные процессы.
Расчетная величина шунтирующего резистора должна обеспечивать максимальное значение перенапряжения на неповрежденных фазах сети при ОЗЗ не более 2,6 Пф сети [3].
Режим заземления нейтрали в сети 6-10 (35) кВ выбирается по одному из важных признаков:
- величине тока ОЗЗ [1];
- наличию генераторов и электродвигателей в сети (обязательное требование для ограничения перенапряжений) [3].
Отсутствуют единые методики (несовершенство применяемых) в расчетах уставок РЗ от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ, а также и методы проверки чувствительности защит. Расчеты уставок срабатывания по току защиты от ОЗЗ на кабельных линиях, выполненных несколькими параллельными кабелями, уточняются натурными испытаниями. Трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) устанавливаются на каждый кабель, а их вторичные обмотки соединяются последовательно и нагружаются на пусковой орган (реле тока) защиты. Селективное срабатывание защиты зависит от технически правильного исполнения заземления оболочек силовых кабелей. Неисправность контактных соединений в первичной схеме приводит к неселективной работе защиты.
На воздушных линиях (ВЛ) схемы включения вторичных обмоток трансформаторов тока на сумму токов 3-х фаз (фильтр тока нулевой последовательности (3I0)), имеют большой ток небаланса, зависящий от характеристик и качества изготовления трансформаторов тока. Кроме отстройки от тока срабатывания от собственного тока ОЗЗ на защищаемой линии, необходимо отстроиться и от тока небаланса трансформаторов тока, что приводит к значительному увеличению уставки срабатывания защиты.
Переходное сопротивление в месте ОЗЗ, при обрыве на ВЛ провода и падении его на землю, достигает 5-7 кОм, ток ОЗЗ оказывается ниже расчетной уставки срабатывания защиты. В этом случаи чувствительность защиты не обеспечивается, не срабатывает сигнализация от замыканий на землю.
При всех способах заземления нейтралей в сетях 6-10 кВ токовые защиты от ОЗЗ с ТТНП часто не отвечают требованиям селективности и чувствительности при ОЗЗ, однако они применяются и селективно отключают междуфазные короткие замыкания через землю, чем и объясняется их применение.
От ОЗЗ в сетях 6-10 кВ применяются защиты [6]:
- по напряжению нулевой последовательности (3U0) (сигнализация),
- направленная токовая защита по току 3I0 и напряжению 3U0 на основной частоте 50 Гц,
- токовая защита по току 3I0 на основной частоте 50 Гц,
- с наложением тока с частотой отличной от 50 Гц,
- реагирующие на высокочастотные (ВЧ) составляющие в токе ОЗЗ возникающие естественным путем (при переходных процессах во время горения дуги),
- реагирующие на напряжение 3П0 и ток 310 в переходных процессах.
Защита по напряжению нулевой последовательности с действием на отключение выполняется на одиночных линиях отходящих от шин. Ее преимущество перед направленной защитой по току 31о и другими защитами -минимум составляющих ВЧ гармоник, лучше работает при перемежающейся дуге, не сказывается влияние ДГР.
Эффективность направленных защит по току 310 возрастает в сетях:
- с малым током при ОЗЗ с заземлением нейтрали через резистор с активным током 35-40А в нейтрали, а собственный емкостным ток ОЗЗ на присоединениях не более 5А (типовая схема с ТТНП);
- в РУ-6(10) кВ с ДГР на подстанциях промышленных предприятий, городских сетей с большим количеством кабельных линий с собственным емкостным током ОЗЗ на присоединениях не более 5А [1].
Выполнить эффективную защиту по току 310 без ректора в этом случае сложно - необходимо заземлить нейтраль через резистор с током 10-15А.
Устройства, реагирующие на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности в переходном процессе ОЗЗ.
Устройства защиты и сигнализации ОЗЗ, основанные на использовании электрических величин переходного процесса, разрабатываются для решения проблемы селективной сигнализации ОЗЗ в компенсированных сетях. По принципу действия устройства используются также в сетях с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали через резистор.
Наибольшее применение находят устройства, в которых определение поврежденного присоединения осуществляется с применением следующих двух способов:
- сравнения амплитуд переходных токов в присоединениях защищаемого объекта;
- определения знака мгновенной мощности нулевой последовательности в начальный момент переходного процесса.
По первому способу выполняются централизованные токовые устройства относительного замера, а направленные централизованные и автономные (индивидуальные) устройства защиты от ОЗЗ по второму способу.
Автономные и централизованные устройства защиты от ОЗЗ реагируют только на электрические величины переходного процесса и не обладают необходимым свойством непрерывности действия, как при «металлических» (устойчивых) ОЗЗ.
Выводы:
1. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ при ОЗЗ присутствуют при всех режимах заземления нейтрали и могут достигать (3,5-3,8) Пф сети.
2. При ОЗЗ величина тока в месте замыкания изменяется в широких пределах и зависит от рабочего напряжения, схемы и протяженности сети, что не позволяет обеспечить отстройку и селективность при срабатывании защиты от ОЗЗ.
3. В токе ОЗЗ содержатся ВЧ гармоники. Частота и амплитуда гармоник зависят от добротности образованного колебательного контура.
4. Отсутствуют единые методики (несовершенство применяемых) расчета уставок РЗ от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ, а также методы проверки чувствительности защит.
5. На основе результатов анализа, условий работы, селективности и чувствительности защит от ОЗЗ в сетях 6-35 кВ, необходима разработка подходов к решению задач, обеспечивающих нормативные требования к релейной защите.
6. В сетях, питающих асинхронную нагрузку целесообразно шунтирование резистором ДГР, что позволит устранить биения после погашения перемежающейся дуги, ограничить перенапряжения при повторных пробоях до 2,4 Пф сети.
Список литературы:
1. ПУЭ «Правила устройства электроустановок. Издание 7» Утверждено Приказом Минэнерго России от 8 июля 2002 г. № 204.
2. Васюра Ю.Ф., Гамилко В.А., Евдокунин Г.А., Утегулов Н.И. Защита от перенапряжений в сетях 6-10 кВ // Электротехника. - 1994. - № 5-6.
3. Объемы и нормы испытания электрооборудования (РД34.45-51.300-97).
4. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10кВ // Электричество. - 1998. - № 12.
5. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия, 1971. - 152 с.
6. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. - 2000. - № 1. - С. 20-22.
7. Кискачи В.М. Селективная сигнализация замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. - 1967. - № 9. - С. 24-29.
8. Костенко М.В., Богатенков И.М., Михайлов Ф.Х. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю, включениях и отключениях индуктивных элементов // Итоги науки и техники (ВИНИТИ). - Т. 17. - 105 с. - (Элек-трич. станции и сети).
9. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. - М.: Энергоатом издат, 1986. - 128 с.
10. РД 34.20.501-95. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей российской федерации. Утверждены Приказом Минэнерго России от 19.06.2003 N 229.
