Вопросы компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-10 кВ энергоемких предприятий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

A Matthews // Surface and Coatings Technology. — 2007. — Vol. 201. - P. 661-670.

3. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, — 2003.

4. Зиновьев, Г. С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, 1990. — 220 с.

5. Математическое моделирование процессов в источнике питания для электролитно-плазменной обработки / Д. М. Лазарев [и др] // Вестник УГАТУ. — 2008. — № 2. — С. 131 — 141.

6. Герман-Галкин, С. Г. Модельное исследование основных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей. Моделирование устройств силовой электроники / С. Г. Герман-Галкин // Силовая электроника. — 2008. — № 1.— С. 92 — 99.

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий ка-

федрой «Электроснабжение промышленных предприятий», декан энергетического института. ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ШАГАРОВ Александр Анатольевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ШАГАРОВ Дмитрий Анатольевич, магистрант группы РЗА-512.

Адрес для переписки: xkv-post@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 15.01.2013 г.

© В. Н. Горюнов, К. В. Хацевский, А. А. Шагаров,

Д А. Шагаров

УДК 621.301.1 А. Д. ЭРНСТ

П. Н. МАТВИЕНКО Т. П. МАТВИЕНКО

Омский государственный технический университет

Филиал ОАО «МРСК Сибири» — «Омскэнерго»

ВОПРОСЫ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНОГО ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-10 КВ

ЭНЕРГОЕМКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ______________________________

Статья посвящена вопросу компенсации емкостных токов в системах промышленного электроснабжения энергоемких предприятий. Выявлено различие законов изменения и предложены формулы нелинейной экстраполяции для расчета емкостного тока замыкания на землю, ориентированные на минимальное по термической стойкости сечения кабельных линий для кабелей с бумажной изоляцией и современных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. На примере энергоемкого предприятия показано, что при выборе степени расстройки компенсации необходим учет емкости электродвигателей, трансформаторов и присоединений.

Ключевые слова: емкостный ток, кабель из сшитого полиэтилена, емкость присоединений, надежность электроснабжения.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Экономичность работы энергоемких предприятий в большой степени зависит от надежности развитых кабельных сетей. Однофазные замыкания на землю являются преобладающим видом повреждений в распределительных сетях промышленных предприятий с изолированной нейтралью. При замыкании на землю возникают емкостные токи, определяемые электрической емкостью всей электрически связанной сети Сх

!с=3(оСхи. (1)

Влияние на электрическую емкость в первую очередь оказывают кабельные линии. При большом числе трансформаторов, высоковольтных двигателей, шинных конструкций, коммутационных аппаратов, распределительных пунктов и других элементов в сетях энергоемких предприятий их емкость может быть соизмерима с емкостью распределительной сети, что не учитывается в современной практике расчетов и нет оценок реальной доли этих элементов в общем токе замыкания на землю. Заниженное же расчетное значение тока может привести к непра-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

227

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

вильному выбору дугогасящего реактора и резонансным перенапряжениям при недокомпенсации и режимных переключениях в сетях предприятия. Компенсация емкостных токов требует существенных затрат, что должно учитываться в технико-экономических расчетах.

Современные упрощенные подходы оценки емкостного тока не учитывают реальных токов замыкания на землю и ориентированы на малые сечения кабелей. Термически устойчивые сечения кабельных линий в настоящее время достигают 240 мм2. Это требует новых подходов к расчетам токов замыкания на землю и оценки погрешности. При дипломном проектировании студентами энергетических специальностей также не рассматриваются эти вопросы. Требует отдельной оценки емкостных токов применение новых кабелей из сшитого полиэтилена. Рассмотрение этих вопросов является целью настоящей работы.

В соответствии с [1] при значениях тока замыкания на землю в сети 6 кВ, превышающих 30 А, а 10 кВ 20 А должна предусматриваться компенсация емкостного тока с применением заземляющих дугогасящих реакторов. Компенсация применяется для уменьшения тока замыкания на землю в целях безопасности, создания условий для самопогашения дуги и, как следствие, уменьшения перенапряжений, что особенно важно для чувствительных к перенапряжениям кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. В литературе отсутствуют рекомендации по расчету емкостных токов этих кабелей.

В соответствии с «Типовой инструкцией по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6 — 35 кВ» [2], дугогасящий реактор (ДГР) должен выбираться на реактивную мощность компенсации по значению емкости сети с учетом ее развития в ближайшие 10 лет.

Включение ДГР должно производиться в нейтраль специальных трансформаторов, дополнительно устанавливаемых на ГПП.

Современная практика оценки величины и расчета емкостного тока ориентирована на применение устаревшей формулы для кабельной линии [3],

2pss0 ln —

(3)

Ic

Uk 10 '

(2)

где U — номинальное напряжение сети; lS — суммарная длинна электрически связанных линий.

Также в расчетах не учитывается влияние присоединений.

Формула (2) справедлива только для кабелей малого сечения (50 — 70 кв. мм). Современные энергоемкие предприятия имеют сечения кабелей до 240 кв. мм, а кабели из сшитого полиэтилена до 800 кв. мм исходя из условий нагрузки и термической стойкости. Так, по расчетам для подстанции «Конденсат-2» ЗСК (г. Сургут) были получены точные значения емкостного тока IcS=45,47 А, а по упрощенной формуле — IcS=24'88 А. Погрешность составляет 45 что совершенно неприемлемо и встает вопрос о корректировке оценочной формулы.

Мировые тенденции развития кабельных энергораспределительных сетей в течение последних десятилетий направлены на внедрение кабелей с теплостойкой экструдированной изоляцией (сшитый полиэтилен и этилен-пропиленовая резина).

Нами были проведены расчеты и экспериментальное определение параметров кабелей из сшитого полиэтилена сечением 240 мм2 и 300 мм2 , длиной 1 метр. Расчеты производились по формуле [3].

где е0 = 8,85'10-12 Ф/м; е = 2,4 — 2,6 — относительная диэлектрическая проницаемость сшитого полиэтилена; Я — радиус изоляции кабеля до полупрово-дящего слоя; г — эквивалентный радиус проводящей жилы кабеля.

Так, для кабеля сечением 240 мм2 с параметрами Я = 12,5 мм г = 8,74 мм удельная емкость составляет с0 = 382 пФ при е = 2,4 и 414 пФ при е = 2,6.

Также были проведены измерения емкости образцов с помощью прибора измерения емкости Е7-22. Получены следующие результаты:

— для кабеля сечением 240 мм2 удельная емкость с0 = 400 пФ (табличное значение 440 пФ/м);

— для кабеля сечением 300 мм2 удельная емкость с0 = 516 пФ (табличное значение 480 ПкФ/км).

Погрешность расчетных и опытных данных достигает 10 %. Это говорит о том что достоверное значение емкостного тока можно определить либо опытным путем, либо при точном знании марки и параметров кабеля. Это объясняется тем что параметры кабеля имеют разброс.

Закон изменения емкости от сечения жилы отличается от кабелей с бумажной изоляцией и должен быть учтен при создании формул упрощенных расчетов.

Использование табличных значений приемлемо только для упрощенных расчетов. При этом желательно использовать наибольшее значение емкости и емкостных токов во избежание недокомпенсации и феррорезонансных явлений.

Исходя из того, что сечение кабельных линий энергоемких предприятий определяется в большей степени не их токовой нагрузкой, а их термической стойкостью, нами предлагаются упрощенные формулы для кабелей ориентированные на минимальное по термической стойкости стандартное сечение кабельных линий на предприятии 5(у, что связано с тем, что практически все кабельные линии имеют сечение не менее минимально допустимого по термической стойкости.

Это позволило создать эмпирические формулы нелинейной экстраполяции следующего вида:

— для кабеля с бумажной изоляцией на 6 кВ:

Sty

Ic = 0'6 • lj;

c S V 50

для кабеля с бумажной изоляцией 10 кВ:

■ l J-ty

■ lYA - _ .

(4)

(5)

Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена имеющего более низкую диэлектрическую проницаемость (е = 2,4 против е = 4) применение упрощенной формулы дает более точные результаты, однако она также не учитывает зависимость величины емкостного тока от сечения. Повышенная электрическая прочность сшитого полиэтилена позволила уменьшить величину изоляции, и фактические измерение и расчет емкости показали при 5=50 мм ток замыкания на землю не отличается от тока в кабеле с бумажной изоляцией, но имеют различные законы изменения. Это позволило создать эмпирические формулы нелинейной экстраполяции для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена следующего вида:

c

о

r

I

c

Рис. 1. Удельный емкостный ток кабеля с бумажной изоляцией 6 кВ

Рис. 3. Удельный емкостный ток кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена 6 кВ

Рис. 2. Удельный емкостный ток кабеля с бумажной изоляцией 10 кВ

Рис. 4. Удельный емкостный ток кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена 10 кВ

для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена

6 кВ:

5

Г = 0,6 [у 3-2с Ч 90

(6)

для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена

10 кВ:

1с

5

I 3

[у] ■

М| 60

(7)

В формулах (4 — 7) размерность 12 [км] 5у [кв. мм].

На рис. 1—4 приведены результаты расчета по предлагаемым формулам в сравнении со старой методикой и точными значениями удельного тока замыкания на землю (А/км). Погрешность применения формул на конкретные сечения не превышает 5 %.

На рис. 1—4:------------расчет по старым формулам; ----- — расчет по предлагаемым формулам;

■■■■. — параметры по справочным данным.

Оценка влияния емкости обмоток высоковольтных электродвигателей, трансформаторов, присоединений и шинных конструкций производилась для ЗСК (г. Сургут). Емкость фазы двигателя 6 кВ при отсутствии конкретных данных может быть определена по выражению [4]

'дв * н . (8)

где Рн — номинальная мощность двигателя (кВт).

Емкостный ток обмоток двигателя 1сдв — ^/3&Сфин • 10 3 — 3,26 • Сф А,

(9)

где Сф (мкФ) — емкость обмотки и ввода двигателя, ин (кВ) — номинальное напряжение.

Для силовых трансформаторов, трансформаторов напряжения, собственных нужд и коммутационных аппаратов емкость колеблется от 200 до 10000 пФ [5].

Учитывая несущественное влияние этих элементов, и принимая емкость каждого присоединения равной 1000 пФ [5] емкостной ток и зарядная мощность выводов и обмоток трансформаторов, коммутационных аппаратов и других присоединений секции шин ГПП оценивалась по формуле, учитывающей среднее значение емкости каждого присоединения 1000 пФ. Коэффициент 2 учитывает емкость шин и других неучтенных элементов.

1прУ — 2 • (Птр + Пяч) • л/3 • Ю ин • 10 = 6,53 • (Птр + Пяч) • 10-3 ,

(10)

где Птр — число силовых трансформаторов электрически связанной схемы; Пяч — число присоединений.

Расчетом показано, что влияние этих элементов на емкостный ток составляет от 3,1 % до 7,9 % от общего тока замыкания на землю, что является существенным в отличие от общепризнаваемого малого влияния [6, 7].

6

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Для комплектных конденсаторных установок 6 кВ и силовых резонансных фильтров, при условии заземления их нейтрали, ток и мощность при замыкании на землю определяются из выражения

1кку -

@кку

-Вин'

(11)

где Ошу (квар) — мощность ККУ.

Включение каждой ККУ мощностью 450 квар дает увеличение емкостного тока на 43,3А, что говорит о недопустимости заземления нейтрали либо компенсации емкостного тока на ту же величину тока или мощности с помощью дугогасящих реакторов.

Выводы.

1. Применение упрощенных формул оценки емкостного тока замыкания на землю неприемлемо, так как погрешность достигает 45 % и более.

2. Проанализирован закон изменения емкости для кабелей с бумажной изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена. Выявлено различие законов изменения. Параметры кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют существенный разброс по сравнению со справочными данными.

3. Предложены формулы нелинейной экстраполяции для расчета емкостного тока замыкания на землю ориентированные на минимальное по термической стойкости сечения кабельных линий для кабелей с бумажной изоляцией и современных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Предлагаемые формулы дают погрешность, не превышающую 5 %.

4. На примере энергоемкого предприятия показано, что при выборе степени расстройки компенсации необходим учет емкости электродвигателей, трансформаторов и присоединений. Влияние этих элементов на емкостный ток составляет от 3,1 % до 7,9 % от общего тока замыкания на землю. Неучет этих емкостей может привести к резонансным перенапряжениям при резонансной настройке дугогасящего реактора и отключении кабельной линии.

5. Заземление нейтрали батарей статических конденсаторов и силовых резонансных фильтров в сетях с изолированной нейтралью недопустимо, так как приводит к значительному увеличению тока замыкания на землю и увеличению дуговых перенапряжений.

6. Предлагается ввести раздел «компенсация емкостных токов замыкания на землю» в рекомендации по курсовому и дипломному проектированию для студентов для оценки необходимости компенсации емкостного тока и учета средств компенсации в технико-экономических расчетах.

Библиографический список

1. Правила устройства электроустановок. — 7-е изд. — СПб. : ДЕАН, 2002. - 176 с.

2. РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87). Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ. — М. : СПО Союзтехэнерго, 1988. — 70 с.

3. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : ЭНАС, 2007. — 352 с.

4. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 1150 Кв от грозовых и внутренних перенапряжений. — Спб. : ПЭИПК, 1999. — 227 с.

5. Техника высоких напряжений / Под ред. Д. В. Разевига. — М. : Энергия, 1976. — 488 с.

6. Лихачёв, Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной и компенсацией емкостных токов / Ф. А. Лихачёв. — М. : Энергия, 1971. — 152 с.

7. Теоретические основы электротехники : учебник для

вузов. В 3 т. Т. 1 / К. С. Демирчян [и др.]. — 4 —е изд. —

Спб. : Питер, 2004. — 463 с.

ЭРНСТ Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). МАТВИЕНКО Павел Николаевич, заместитель начальника диспетчерской службы Филиала ОАО «МРСК Сибири» — «Омскэнерго».

МАТВИЕНКО Татьяна Павловна, магистрант ЭС-611 ОмГТУ.

Адрес для переписки: tatasamatata@mail.ru

Статья поступила в редакцию 13.03.2013 г.

© А. Д. Эрнст, П. Н. Матвиенко, Т. П. Матвиенко

Книжная полка

Вагин, Г. Я. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учеб. для вузов по направлению «Электроэнергетика» / Г. Я. Вагин, А. Б. Лоскутов, А. А. Севостьянов. - 2-е изд., испр. -М. : Академия, 2011. - 223 с. - ISBN 978-5-7695-8034-5.

Описаны электромагнитная обстановка на различных объектах электроэнергетики, источники электромагнитных помех и каналы распространения помех. Рассмотрены помехозащитные устройства, методы испытаний и сертификации объектов электроэнергетики на помехоустойчивость, документы по нормированию электромагнитных помех и электромагнитной совместимости, а также влияние полей, создаваемых объектами электроэнергетики, на биологические объекты.