CC BY
9УДК 621.316.925
УСТРОЙСТВО для отключения линии с замыканием на землю в СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕТРАЛЬЮ
Сбитнев Е. А., Семенов Д. А., Александрова А. А.
ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет
Аннотация. Для сетей с изолированной нейтралью однофазные замыкания на землю не являются аварийными, однако потенциально опасны для людей и животных и могут привести к развитию аварии в междуфазные короткие замыкания. Целью работы является разработка и исследование устройств, осуществляющих селективную защиту от замыканий на землю в электрической сети с малыми токами замыкания на землю. В результате разработано устройство для отключения линии с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью 6...35 кВ на электрических подстанциях предлагается использовать данное устройство с целью обеспечения автоматического выбора и отключения только той линии, на которой произошло замыкание.
Ключевые слова: аварийный режим, короткие замыкания, повреждение изоляции, повышение надёжности, режим работы, сети с изолированной нейтралью, устройство для отключения, электрическая сеть.
Введение. Надежность энергосистемы зависит от исправного состояния электрических сетей и ее элементов. В процессе работы выделяют рабочие и аварийные режимы электрических сетей [5]. Аварийные режимы работы приводят к нарушению в передаче электрической энергии потребителям, а также к нарушению качества электроэнергии во всей системе электроснабжения. Аварийные режимы возникают в любое время суток и года как на кабельных, так и на воздушных линиях. Основными аварийными режимами в сетях 6...35 кВ являются двухфазные короткие замыкания (КЗ), двухфазные КЗ на землю, трехфазные КЗ, двойные короткие замыкания, обрыв фазных проводов, однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) [3, 4, 8]. Так как при аварийных режимах изменяются достаточно большое количество параметров электрической сети их необходимо учитывать при выборе уставок релейной защиты что является достаточной трудоемкой задачей [1]. Следует отметить, что качественные селективные защиты от ОЗЗ по ряду причин на энергетических предприятиях отсутствуют (по данным [2] селективные токовые защиты от ОЗЗ отсутствуют на 80% подстанций России), и в сетях поиск повреждённого присоединения при ОЗЗ часто ведётся «дедовским» методом - поочерёдным отключением присоединений и затягивается на несколько часов, то становится понятным интерес специалистов - практиков к защитам от ОЗЗ. Эффективная защита от ОЗЗ позволяет снизить опасное влияние на аппаратуру сетей 6-35 кВ тех воздействий, которые возникают при ОЗЗ. Это, в свою очередь, повысит надёжность работы двигателей, кабелей и других элементов сети и позволит продлить срок их эксплуатации. Повышается также безопасность для людей и животных, которые могут оказаться в зоне падения провода воздушной ЛЭП. В настоящее время в России и за рубежом применяются следующие основные разновидности защит от ОЗЗ:
1. Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности.
2. Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности.
3. Направленные защиты, реагирующие на составляющие промышленной частоты тока и напряжения нулевой последовательности.
4. Защиты, фиксирующие «наложенный» ток с частотой, отличной от промышленной.
5. Защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности, возникающие естественным путём.
6. Защиты, реагирующие на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности в переходном процессе ОЗЗ.
Материалы и методы. Объектом исследования являлись линии электропередач сельскохозяйственного назначения напряжением 6, 10 и 35 кВ. Электрические сети 6...35 кВ включают трансформаторы 35/10 (6) кВ или 110/35/10 (6) кВ, трехпроводные воздушные или кабельные линии электропередачи и потребительские трансформаторы. Реже всего в сельской местности питание потребителей осуществляется по кабельным линиям. В таких линиях фазы относительно земли имеют большую емкость, что приводит к достаточно тяжелым последствиям при замыканиях на землю. В сельской местности преимущественно чаще прокладывают воздушные линии электропередачи 6 - 10 кВ, выполненные неизолированными сталеалюминиевыми или алюминиевыми проводами марки АС и А.
В сетях с изолированной нейтралью повреждение изоляции одной или нескольких фаз относительно земли не является аварийным режимом, но последствия от таких повреждений могут быть самые тяжелые.
Повреждения изоляции в электрических сетях возникают чаще всего по следующим причинам:
- естественное старение изоляции линий и аппаратов;
- загрязнение изоляции бытовыми и промышленными выбросами. Быстро выходит из строя загрязненная влажная изоляция, если не производится своевременная ее чистка. Для чистки изоляции необходимо выводить элементы сети в ремонт;
- механические повреждения опор и изоляции. В сельской местности опоры повреждаются при наездах механизмов. Изоляция чаще всего разрушается из-за актов варварства и по незнанию элементарных правил работы линий электропередачи;
- ошибочные действия оперативно-ремонтного персонала. Ошибки персонала наблюдаются при нарушении правил включения линий после ремонта, при выводе в ремонт, при умышленном нарушении блокировок от неправильных операций с аппаратами сетей;
- атмосферные перенапряжения. Грозовые перенапряжения приводят к авариям чаще всего в тех случаях, когда отсутствуют или вышли из строя средства грозозащиты;
- падение деревьев на провода линий электропередачи при сильно ветре и при лесорубных работах;
- нарушение габаритов линий электропередачи. Периодически в эксплуатации перетягивать провода, тогда при низкой температуре окружающего воздуха они не приблизятся на опасное расстояние до земли. Резко уменьшаются габариты при гололеде. Плавка гололеда обычно производится подачей пониженного напряжения на закороченный участок линии;
- ошибки монтажа. В процессе монтажа может быть нарушена технология соединения проводов и их крепления к изоляторам, не установлены виброгасители. При монтаже необходимо выдерживать расчетную стрелу провеса воздушных линий электропередачи.
В таблице 1 представлена некоторая статистика из исследований авторов.
Таблица 1 - Процент повреждений, приходящихся на разные типы внешних воздействий
Тип внешнего воздействия % повреждений
Естественное старение изоляции ~ 24
Атмосферные перенапряжения ~ 21
Механические повреждения опор и изоляции ~ 11
Ошибочные действия оперативно-ремонтного персонала « 9
Остальные виды ~ 35
Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью практически не сказываются на работе потребителей, но вызывают усложнение работы самой электрической сети. На этом основании можно выделить последствия длительного протекания токов замыкания на землю [7]:
- от выделяющегося тепла ослабляются крепления крюков на деревянных опорах, увеличивается вероятность возгорания;
- возможно термическое разрушение железобетонной опоры. Нередко такие разрушения выявляются при замене вязки или изолятора, когда в момент подъема электромонтера на высоту, железобетонная опора падает на землю. Чтобы исключить такие явления в электрических сетях, опоры, через которые протекал ток замыкания на землю, маркируются, выбраковываются и при капитальных ремонтах должны заменяться. С такой практикой можно согласиться при неполных замыканиях на землю, когда на поврежденной фазе напряжение отлично от нуля и изменяется с течением времени. Когда же замыкание полное, и напряжение в течение времени поиска повреждения не изменяется, то можно утверждать, что деструктивных изменений подземной части железобетонной опоры не происходит. Такая опора может оставаться в эксплуатации;
- от увеличения напряжения на неповрежденных фазах выходят из строя трансформаторы напряжения на подстанциях, особенно при появлении резонансных напряжений, когда резко возрастают токи намагничивания;
- прикосновение или приближение к опоре с поврежденной изоляцией приводит к гибели людей и животных от воздействия шагового напряжения и напряжения прикосновения. Этого следует опасаться и при отыскании места замыкания на землю работниками электрических сетей;
- увеличение напряжения на неповрежденных фазах может привести к повреждению изоляции другой фазы в другой точке, при этом возникает двойное замыкание на землю. Двойные замыкания на землю вызывают протекание больших токов между двумя фазами через землю, тогда релейная защита отключает одну или две линии, и у потребителей нарушается электроснабжение;
- наличие высших гармонических составляющих в токе замыкания на землю отрицательно сказывается на работе радио и телефонной связи.
Обсуждение. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью не отключаются релейными защитами линий из-за малых емкостных токов, такое повреждение
только сигнализируется на питающей подстанции за счет изменения фазных напряжений. На отыскание и локализацию повреждения в электрических сетях отводится в среднем два часа, а иногда отыскивают десятки часов. За это время соединение фазного провода с землей представляет угрозу для жизни людей и животных, приближающихся к проводу, лежащему на земле, или к опоре с поврежденной изоляцией. Поэтому желательно быстро отключать линию с замыканием на землю, особенно, если линия проходит по населенному пункту.
Коллективом авторов разработано устройство для отключения линии с замыканием на землю в сети с изолированной нейтралью [6]. В результате технического применения данного устройства повысится безопасность эксплуатации электрической сети. В связи с тем, что при появлении на питающей подстанции сигнала «ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ» сработает программное реле времени (рис. 1, поз. 17), которое через промежуточные реле и выключатели (рис. 1, поз. 1, 2) начнет поочередно отключать все линии (рис. 1, поз. 3, 5), подключенные к шинам питающей подстанции (рис. 1, поз. 4). И если на линии отсутствует однофазное замыкание на землю (рис.1, поз. 6), то автоматическое повторное включение (АПВ) восстановит питание потребителей. Если же при отключении линии замыкание на землю исчезает, то сработает запрет АПВ и линия останется отключённой, то есть не будет представлять опасности. Само устройство отличается от аналогов тем, что к шинам подстанции присоединяется трансформатор напряжения (рис. 1, поз. 10), ко вторичной обмотке которого, соединенной в разомкнутый треугольник (рис. 1, поз. 10.3), подключено реле напряжения (рис. 1, поз. 11) с замыкающими (рис. 1, поз. 11.2) и размыкающими контактами (рис. 1, поз. 11.3). К источнику переменного оперативного тока (рис. 1, поз. 8) подключено программное реле времени (рис. 1, поз. 17) и однофазный двухполупериодный диодный мост (рис. 1, поз. 14), положительный полюс которого (рис. 1, поз. 17) через замыкающие контакты реле напряжения соединен с входом реле времени, а к выходам в цепи управления каждого силового выключателя присоединены последовательно соединенные зарядное сопротивление и связанный с отрицательным полюсом диодного моста (рис. 1, поз. 16) конденсатор. Параллельно конденсатору подключены последовательно соединенные пороговый орган и катушка промежуточного реле. Катушка имеет первый замыкающий контакт, шунтирующий контакт «отключить» ключа управления, и второй замыкающий контакт, подключающий через размыкающий контакт реле напряжения к выходам диодного моста в цепи управления каждого выключателя указательное реле. Размыкающие контакты данного реле включены в рассечку цепочки из последовательно соединенных катушки реле времени АПВ и третьего размыкающего вспомогательного контакта силового выключателя. На рисунке 1 представлена схема подключения цепей к шинам подстанции.
20(1) 18(1) 17.1 16(1) 13(1)
изолированной нейтралью
Выводы: Разработанное устройство предлагается использовать на электрических подстанциях в сетях с изолированной нейтралью 6...35 кВ с целью обеспечения автоматического выбора и отключения только той линии, на которой произошло замыкание.
Список использованных источников
1. Борковский С. О., Горева Т. С., Горева Т. И. Проблема диагностики однофазных замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю // Фундаментальные исследования. 2014. № 9. С. 954-959.
2. 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.
3. Козлов А. В., Шевцов И. С. Анализ аварийности сельских электрических сетей 0,38 кВ в ООО «АКС» «Амурэлектросетьсервис» // Инновационная наука. 2021. № 7. С. 50-54.
4. Лабуз И. В., Загороднев Я. А., Мусорина О. С. Моделирование аварийных режимов распределительной электрической сети 10/0,38 кВ с накопителями электроэнергии // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 33. С. 1391-1404.
5. Папков Б. В., Илюшин П. В., Куликов А. Л. Надежность и эффективность современного электроснабжения: монография. Нижний Новгород: Научно-издательский центр «XXI век», 2021. 160 с.
6. Патент на изобретение № Яи 2733 202 С1. Устройство для отключения линии с рамыканием на землю в сети с изолированной нейтралью [Текст] / Н. М. Попов, В. Л. Осокин, Е. А. Сбитнев Рос. Федерация: МПК Н02Н 3/16 (2006/01). Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 30 сентября 2020 года.
7. Попов Н. М. Электроснабжение. Рабочие режимы сетей 0,38.10 кВ: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». Кострома: КГСХА. 2010. 202 с.
8. Сбитнев Е. А., Жужин М. С. Анализ аварийности сельских электрических сетей 0,38 кВ Нижегородской энергосистемы // Вестник НГИЭИ. 2020. № 11 (114). С. 36-47. 001: 10.24411/2227-9407-2020-10104.
Евгений Александрович Сбитнев, старший преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», evgenij.sbitnev@yandex.ru, ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22а
Дмитрий Александрович Семенов, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», xxxmy@mail.ru, ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22а
Алина Алексеевна Александрова, старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация», alieksandrova_1990@mail.ru, ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22а
DEVICE FOR DISCONNECTION OF LINE WITH GROUND FAULT IN NETWORK WITH
INSULATED NEUTRAL Sbitnev E. A., Semenov D. A., Alexandrova A. A.
Abstract. For power lines with insulated neutral a single-phase earth faults are not emergency, but they are potentially dangerous for people and animals and can lead to the development of an accident into phase-to-phase short circuits. The purpose of paper is to develop and research devices that selectively protect against earth faults in electrical power line with low earth fault currents. As a result, a device for disconnecting a line with an earth fault in power line with insulated neutral has been developed. In power lines with insulated neutral 6...35 kV at electrical substations, it is offered to use this device in order to provide automatic selection and disconnection of only the line on which the short circuit occurred.
Keywords: emergency mode, short circuits, insulation damage, reliability improvement, operation mode, power line with insulated neutral, disconnection device, electrical line.
Sbitnev Evgeniy Aleksandrovich, senior lecturer of the department «Infocommunication technologies and Communication Systems», evgenij.sbitnev@yandex.ru, Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a
Semenov Dmitriy Aleksandrovich, PhD (eng), Associate Professor, head of the department
«Infocommunication technologies and Communication Systems», xxxmy@mail.ru,_Nizhny
Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a
Alexandrova Alina Alekseevna, senior lecturer of the department «Electrification and automation», alieksandrova 1990@mail.ru, Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a
