Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях

Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 -35 к. В и их ограничение

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОЗЗ n В целях упрощения анализа и расчетов переходных процессов в сетях 6 – 35 к. В можно собственную индуктивность линии не учитывать, а емкости фаз относительно земли Сф и междуфазные емкости Смф считать сосредоточенными в одной точке.

РАСЧЕТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ n РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Значение способа заземления нейтрали n n n n Способ заземления нейтрали сети является достаточно важной характеристикой. Он определяет: ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании; схему построения релейной защиты от замыканий на землю; уровень изоляции электрооборудования; выбор аппаратов для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений (ограничителей перенапряжений); бесперебойность электроснабжения; допустимое сопротивление контура заземления подстанции; безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ n В сетях среднего напряжения (с номинальным напряжение до 69 к. В по зарубежной классификации) применяются четыре режима заземления нейтрали

Страна Россия Изолированная + Австралия Канада США Испания Португалия Франция Япония Германия Австрия Бельгия Великобритания Швейцария Финляндия Италия Чехия Словения Швеция Норвегия + ДГР Резистор +? Глухозаземлен.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ n В России используется режим изолированной нейтрали (примерно 70 -80% сетей 6 -35 к. В) и режим заземления через дугогасящий реактор (примерно 20 -30% сетей 6 -35 к. В), в других странах чаще всего применяется заземление нейтрали через резистор или дугогасящий реактор. Режим заземления нейтрали через резистор сравнительно новый и используется в России в ограниченном числе сетей 6 -35 к. В.

ИЗОЛИРОВАННАЯ НЕЙТРАЛЬ n n n Достоинства режима изолированной нейтрали: отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю; малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).

ИЗОЛИРОВАННАЯ НЕЙТРАЛЬ n n n n Недостатками этого режима работы нейтрали являются: возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю; возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями; возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы; необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение; сложность обнаружения места повреждения; опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДУГОГАСЯЩИЙ РЕАКТОР (ДГР) n n n Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются: отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю; малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

n n Если емкости всех фаз относительно земли равны другу, то в нормальном режиме Uн=0 и Iр=0. При однофазном замыкании на землю на нейтрали появляется напряжение нулевой последовательности Uн=Uф и ток в дугогасящем реакторе где L(0) и R(0) – суммарная индуктивность и активное сопротивление нулевой последовательности.

Через место замыкания на землю проходят емкостный и индуктивный токи. Результирующий ток в месте замыкания на землю равен Изменяя индуктивность реактора можно изменять ток IL, а, следовательно, и настройку компенсации емкостного тока, которая характеризуется коэффициентом настройки компенсации, который может быть определен при RP=0 по формуле Реактор может быть настроен; в резонанс (q=1), с недокомпенсацией (q<1), и с перекомпенсацией (q>1).

После затухания высокочастотных колебаний на емкостях всех фаз и на нейтрали появляется напряжение U. В схеме без ДГР это напряжение сохранялось бы вплоть до следующего зажигания дуги. В схеме с ДГР все три емкости фаз начинают разряжаться через индуктивность реактора в нейтрали. Этот процесс носит колебательный характер с частотой f. C практически равной частоте источника при q≈1 (fc=50√q). Однако напряжение U находится в противофазе с установившимся напряжением в поврежденной фазе, поэтому напряжение на ней после затухания высокочастотных колебаний растет медленно и новое зажигание дуги становится маловероятным

Применение ДГР n n После гашения дугового замыкания при расстройке компенсации изменение напряжения в фазах идет в виде биений. На “здоровых” фазах при биениях напряжение может повышаться до 2 Uф, а на поврежденной до 1, 8 Uф. Повторные пробои (зажигания дуги) на повышенных напряжениях приводят к более высоким кратностям перенапряжений ((2, 6÷ 2, 8)Uф при Uпр=1, 7 Uф). При резонансной настройке повторные пробои происходят при Uпр

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n n n n n Недостатками этого режима заземления нейтрали являются: возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации; возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети; возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации; возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов; возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях; сложность обнаружения места повреждения; опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

Влияние несимметрии на напряжения в нейтрали 1 – нейтраль изолирована; 2 – нейтраль компенсирована, q= 1; 3 – нейтраль компенсирована, q= 0, 9; 4 – нейтраль компенсирована, q= 1, 1

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n n n Применение ДГР будет эффективным и оправданным при выполнении трех условий: идеально симметрировать сеть; обеспечить автоматическую подстройку индуктивности ДГР в резонанс как в нормальном режиме, так и в режиме ОЗЗ к изменяющимся в широких пределах параметрам сети; обеспечить компенсацию не только основной, но и высших гармонических составляющих токов ОЗЗ. При невыполнении этих условий неминуемо будет наблюдаться высокая аварийность сетей в основном из-за многоместных повреждений при ОЗЗ.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n n n Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах: более 30 А при напряжении 3 -6 к. В; более 20 А при напряжении 10 к. В; более 15 А при напряжении 15 -20 к. В; более 10 А в сетях напряжением 3 -20 к. В, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 к. В; более 5 А в схемах генераторного напряжения 620 к. В блоков «генератор–трансформатор» .

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n n n В существующих российских сетях 6 -35 к. В с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы старой конструкции с ручным регулирование и реакторы с подмагничиванием, но без шунтирующего резистора существует проблема организации селективной защиты от однофазных замыканий на землю. В данных сетях практически невозможно выполнить условия эффективного применения ДГР При отсутствии в сети замыкания на землю допускается напряжение смещения нейтрали не выше 15% фазного напряжения длительно и не выше 30% в течение 1 часа. ДГР должны иметь автоматическую настройку компенсации, чтобы в нормальном режиме напряжение несимметрии не превышало 0, 75% фазного напряжения.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n В сетях среднего напряжения 3 -69 к. В европейских стран (Германия, Чехия, Швейцария, Австрия, Франция, Италия, Румыния, Польша, Финляндия, Швеция, Норвегия и др. ) широко используется заземление нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором. Низковольтный шунтирующий резистор напряжением 500 В подключается через специальный контактор во вторичную силовую обмотку 500 В дугогасящего реактора.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6 -10 к. В через дугогасящий реактор

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором, подключаемым во вторичную силовую обмотку напряжением 500 В, позволяет реализовать селективную защиту от замыканий на землю как с использованием простых токовых защит, так и более сложных направленных защит по направлению тока 3 I 0 или активной мощности нулевой последовательности.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ ДГР n n До момента возникновения однофазного замыкания дугогасящий реактор настроен в резонанс, а шунтирующий резистор отключен. В начальной стадии замыкания при перемежающихся дугах реактор действует, как дугогасящее устройство и позволяет не отключать поврежденный фидер. При переходе замыкания в устойчивое, подключается шунтирующий резистор на время от 1 до 3 секунд. Это создает только в поврежденном фидере активный ток 3 I 0, величина которого определяется сопротивлением резистора и может составлять от 5 до 50 А. Этого тока достаточно для селективного срабатывания даже обычной токовой защиты от замыканий на землю поврежденного присоединения.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n n n Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются: отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети; отсутствие необходимости в отключении первого однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали); исключение феррорезонансных процессов и повреждений трансформаторов напряжения; уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц при однофазном замыкании (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения); практически полное исключение возможности перехода однофазного замыкания в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения); простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на токовом принципе.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n Существует два основных подхода к выбору длительности эксплуатации резистора и значения его сопротивления: ограниченное (1 -3 с) и длительное (до 6 часов) время работы резистора в режиме ОЗЗ В первом случае применение резистора возможно, если релейная защита быстро отключает поврежденное присоединение с ОЗЗ. Однако, для этого необходимо наличие многократного резервирования электроснабжения и селективных защит. Применяется низкоомный резистор от 100 до 1000 Ом, длительность работы до 3 сек. Сети с малыми емкостными токами замыкания на землю, до 10 А.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n Второй случай соответствует большинству сетей 6 35 к. В, где не требуется немедленное отключение поврежденного присоединения. n Применяются высокоомные резисторы 1000 – 10000 Ом. Резисторы постоянно подключены к нейтрали сети и функционирует в режиме ОЗЗ вплоть до устранения аварии. Они не приводят к значительному увеличению токов ОЗЗ и позволяют эффективно подавлять возникновение феррорезонансных процессов. Применяются при емкостных токах сети до 50 А n

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n Значение резистора следует выбирать так, чтобы комплексно решить три задачи: 1) Полностью ликвидировать возможность возникновения феррорезонансных процессов и снизить кратность перенапряжений до (2 -2, 5) Uф; 2) Создать условия для реализации надежной селективной защиты от однофазных замыканий, построенной на принципе появления активного тока в поврежденном фидере; 3) Определить необходимое время эксплуатации резистора в режиме однофазного замыкания на землю (033).

ВЫСОКООМНОЕ РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n Главной целью такого заземления нейтрали является ограничение дуговых перенапряжений и феррорезонансных явлений при одновременном обеспечении длительной работы сети с ОЗЗ на время поиска и отключения поврежденного участка. Для обеспечения полного разряда емкостей фаз в промежутке между повторными зажиганиями дуги за время 0, 008 – 0, 01 с сопротивление резистора выбирают из условия, чтобы активная оставляющая тока замыкания на землю была больше емкостного тока Ir ≥ Ic

ВЫСОКООМНОЕ РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n Сопротивление резистора для схемы с ТЗН Rn =Uвн /(Iс∙√ 3) n Расчетная мощность трансформатора ТЗН и резистора S ≥ (Uвн)2 /(3∙Rn) n Ток замыкания на землю при равенстве активной и емкостной составляющих будет равен Iз = Ic∙√ 2

НИЗКООМНОЕ РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n Главной целью низкоомного заземления нейтрали является быстрое отключение ОЗЗ релейной защитой, при этом обеспечивается подавление перенапряжений и феррорезонансных явлений Низкоомное сопротивление включается в нейтраль ТЗН Сопротивление резистора выбирают исходя из двух условий: предотвращение перенапряжений, резистор должен создавать ток не менее емкостного тока ОЗЗ; Обеспечение селективного действия защит на отключение ОЗЗ Rn ≤ Uвн/(Iср∙√ 3), где Iср – максимальный ток срабатывания защиты от ОЗЗ

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ (ПС 35 к. В)

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n Модуль резисторной установки Uном = 6 к. В; Исполнение – наружное; R = 1500 Ом; Время непрерывной работы при номинальном напряжении – 27 с; Номинальная мощность – 24 к. Вт; Поглощаемая энергия – 0, 65 МДж; Высота – 0, 38 м; Диаметр тела – 0, 15 м; Масса – 20 кг Подключались по схеме «звезда» к каждой секции шин 10 к. В непосредственно в ЗРУ 10 к. В. Подключение осуществлялось выключателем при появлении напряжения нулевой последовательности, без выдержки времени.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКООМНЫХ РЕЗИСТОРОВ

НИЗКООМНЫЙ РЕЗИСТОР

КОМБИНИРОВАННОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n При использовании дугогасящих реакторов с неавтоматической компенсацией тока замыкания на землю, как правило, имеет место расстройка компенсации, приводящая к увеличению тока в месте замыкания и к росту кратности дуговых перенапряжений. В таких случаях (при остаточном токе не более 5. . 10 А) для снижения дуговых перенапряжении эффективно применение высокоомного резистора (выбираемого на величину тока раскомпенсации), включаемого параллельно реактору. Кроме того, этот резистор уменьшает риск возможных значительных резонансных перенапряжений.

КОМБИНИРОВАННОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ n n n При неточной настойке ДГР процесс выравнивания напряжений фаз после погасания дуги носит характер биений, частота которых определяется степенью расстройки компенсации и добротностью колебательного контура. Опасность биений состоит в том, что повторное замыкание может произойти при напряжении, близком к максимуму, что вызывает повышение перенапряжений Для устранения биений и снижения перенапряжений можно подключить параллельно ДГР резистор Rn=(1, 5 – 2)Uф/ΔI, где ΔI – ток расстройки ДГР. При расстройке 15 – 30% дуговые перенапряжений достигают (2, 8 – 3)Uф, что делает неэффективным применение ДГР

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ n Десятилетний опыт эксплуатации резистивного заземления нейтрали (резисторы ООО БОЛИД) показывают уменьшение числа повреждений кабелей и оборудования. Например, данные о повреждении двигателей на ТЭЦ-2, г. Саратов и ТЭЦ-3 г. Энгельс. Число двигателей на ТЭЦ-2 - 110, на ТЭЦ-3 - 65 1994 ТЭЦ-2 ТЭЦ-3 2 3 1995 1996 1 1 1997 1999 2000 2001 2002 2003 - 2010 6 1 1998 2 1 2 3 4 1

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

БЛАГОДАРЮ ВАС ЗА ВНИМАНИЕ