"Электрические станции",1999г., №8
ОДНОФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЯХ И ИХ ЭФФЕКТЫ НАПРЯЖЕНИЙ
Реферат: Перенапряжения в промышленных сетях среднего уровня напряжения могут быть опасными для изоляции линии и других силовых устройств. Для того чтобы улучшить качество поставки электроэнергии необходимо ограничить перенапряжения на безопасном уровне. Эта статья представляет результаты измерений, моделирования и расчета переходных процессов в электрических сетях собственных нужд 6кВ электростанции. Измерения на подстанции с асинхронными двигателями также были выполнены. Количество и места измерений были ограничены техническими возможностями. Вычисления адаптированы для исследования явлений большого количества мест коротких замыканий и конфигураций сетей. Они учитывают
соответствующий выбор типов, параметров и места расположения элементов сети. Один из наиболее важных параметров энергия, рассеянная на соответствующем элементе сети. Вычисления были выполнены с использованием программы EMTP.
1 ВВЕДЕНИЕ
В промышленных сетях среднего уровня напряжения перенапряжения могут возникать из-за однофазного короткого замыкания на землю или при включении или отключении электрических устройств. Перенапряжения повреждают изоляцию линии
, и другие устройства электрической энергии могут и в конечном итоге привести к значительному ущербу и перебоях в поставке электроэнергии для потребителей. Величина перенапряжения зависят от сетевой структуры и механизма развития короткого замыкания на землю.Серия измерений величин перенапряжения в 6 кв. сетях электростанции и на одной подстанции были проделаны. Нейтральная точка сети была заизолирована или заземлена через резистор. Двигатели, запитаны линией длиной 3.5 км. Механизм поведения дуги при возникновении замыканий на землю, как показано на осциллограммах, соответствует теории Петерса-Слепяна описанной в литературе.
Цель измерений состояла в том, чтобы контролировать возможность возникновения перенапряжения на изоляции устройств и оценить необходимость использования в качестве ограничителей перенапряжения варистора.
Вычисления учитывали расширения анализа в этой области. Были исследованы влияние длины линии и места замыканий на землю на величины перенапряжений. Результаты компьютерных вычислений были подтверждены значениями измерений.
Были описаны эффекты применения ограничителей перенапряжения, которые зависят от их места расположения.
Защита сети против высоких перенапряжений, таким образом, является одним из элементов улучшения качества поставки электрической энергии
.
2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В сети собственных нужд электростанции и промышленных сетей 6кВ внутренних перенапряжения, главным образом переключения и замыкания на землю могут быть увеличены особенно в конце линий, питающих 6кВ асинхронных двигателей и 6 / 0.4 кВ силовых трансформаторов в результате отражения в точке разрыва связи полного сопротивления. В сетях с длинными линиями питающих подстанции, в которых спланирована защита от перенапряжения с помощью варисторных ограничителей, феномен увеличения перенапряжения должен быть принят во внимание. Измерения перенапряжений при замыканиях на землю в сети 6кВ электростанции были выполнены прямым методом, использующим многоканальные цифровые записывающие устройства, специальные делители напряжения, станционные трансформаторы тока и автоматически запрограммированный диспетчер.
На шинах подстанция PR3, где подключена линия 3.5км состоящая из двух частей (от PR3 до станции PR4 и от PO4 до станции PO14), следующие величины были записаны:
- 3
х фазное напряжение на шинах (с использованием трансформаторов напряжения),- напряжение нейтральной точки (с использованием делителя напряжения),
На станции PO14 в конце кабельной линии напряжения 3х фаз были зафиксированы также.
На рисунке 4 представлена конфигурация сети.
В ходе проведения измерений перенапряжений, замыкание на землю было введено путем повреждения изоляции в специально определенной короткой части кабеля, который был подключен к шинам через дополнительный разъединитель. Моменты коротких замыканий, отключаемые и включаемые этим разъединителем, управлялись диспетчером, таким образом, время замыкания на землю не превышало 100 мс. Регистрация напряжений и тока были выполнены одновременно на PR3 и PO14 станциях. Были проделаны шесть коротких замыканий, одно металлическое и пять с электрической дугой, рассмотренные как с изолированной, так и заземленной через резистор нейтральной точкой.
Были определены коэффициенты перенапряжения - kz, kd и kk как отношение величины перенапряжения к нормальному максимальному напряжению на питающей станции (точка короткого замыкания), точка за реактором и концом линии, соответственно. Были вычислены коэффициенты увеличения перенапряжения на реакторе (Wdz), на кабельной линии (Wkd) и всей питающей станции (Wkz). Такой коэффициент означает отношение величины перенапряжения в конце устройства к величине в начале.Максимальные величины измеренных коэффициентов перенапряжения представлены в Таблице 1, а коэффициентов увеличения перенапряжения - в Таблице 2.
На рисунке 1 и 2 представлены результаты регистрации для выбранного случая.
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ
Линий
Другие требования необходимы, чтобы смоделировать кабели для вычислений сверхпереходных процессов по сравнению с вычислением установившихся переходных процессов во время повреждений или утечек тока. Такие кабельные модели должны обеспечивать следующие свойства: постоянное распределение параметров вдоль кабельной длины, реальной геометрией всех проводников, заземленное сопротивление оболочки и брони, зависимости параметров линии от частоты, напряжения, тока, и реальных параметров грунта [2,5].
Кабельная модель, разработанная в данном направлении, может использоваться для вычисления токов и напряжений, сопровождающих следующие процессы: разрыв токов короткого замыкания через разъединитель, включение и отключение кабелей под нагрузкой и нет, случайных коротких замыканий. Метод блуждающих волн может использоваться для вычисления этих эффектов.
Вычисления в частотной области адаптированы принимая во внимание зависимость параметров линии от частоты. Применение модального преобразования - полезно, когда кабель - несимметричный.
Программа EMTP применяется для моделирования сети, использующей два типа моделей кабельной линии: с едиными параметрами, вычисленными для выбранной частоты и использованными для вычислений установившихся переходных процессов, и с распределенными параметрами, вычисленными для фиксированной частоты или зависимые от частоты и использованные в расчете переходных процессов.
Таблица 1 - Максимальные величины коэффициентов измеренного перенапряжения на питающей станции (kz), на точке за реактором (kd) и в конце линии (kk)
|
Точка нейтрали |
Коэф. перенапряжений [о.е.] | ||
|
Kz |
kd |
kk | |
|
Изолирована |
2.24 |
2.54 |
2.56 |
|
Заземлена через резистор |
1.95 |
2.08 |
2.35 |
Таблица 2– Максимальная величина коэффициентов увеличения перенапряжения на реакторе (Wdz), на кабельной линии (Wkd) и на всём питающем пути (Wkz)
|
Точка нейтрали |
Коэффициенты увеличения перенапряжений [ % ] | ||
|
Wdz |
Wkd |
Wkz | |
|
Изолирована |
37.5 |
10 |
25 |
|
Заземлена через резистор |
20 |
16 |
30 |
EMTP использует процедуры Bergeron, Marti, Noda и Pi, чтобы вычислить кабельные параметры [1,2].
Рисунок 1-Результаты записанных напряжений и токов в течение короткого замыкания на землю в 6 кВ сети с изолированной нейтральной точкой (Uzr, Uzs, Uzt - напряжения на шинах станции PR3, Uo - напряжение точки нейтрали, Udr, Udt - напряжения за реактором на станции PO4, Iz – ток замыкания).
Рисунок 2 - Результаты записанных напряжений и тока в течение короткого замыкания на землю в 6 кВ сети с заземлением нейтральной точки через резистор (обозначения как на Рисунке 1)
Трансформаторы
Модель трансформатора для расчета переходных процессов в энергетической сети среднего уровня напряжения во время возмущений как, например, короткие замыкания фазы на землю, включение или отключение разъединителя при коротких замыканиях или в нормальной работе трансформатора должны моделироваться с некоторыми особенностями. Затем мы должны рассматривать:
- распределение электрических параметров, как при само - так и взаимной индукции заземленной фазы, фазные ёмкости и ёмкости обмотки, и сопротивления, представляющие потери в обмотках и сердечнике,
- зависимость всех параметров от частоты и тока,
-
количество витков, их связи и конструкции сердечников.Эти показатели делают модель трансформатора более сложной. Упрощенная модель трансформатора полезна для вычисления токов и напряжений на полюсах трансформатора и в сети необходимых при возникновении повреждений. Но она не будет эффективна для вычислений распределения напряжения и тока вдоль обмоток трансформатора.
Модель, взятая при рассмотрении процессов, основывается на модели включенной в программе EMTP (процедура BCTRAN [1]). Параметры вычислены используя результаты опыта возбуждения и опыта короткого замыкания обтекания трансформатора напряжением прямой и нулевой последовательности. Также возможно применить характеристики насыщения.
Эта модель дает менее подробные результаты во время возмущений с переходными процессами высокой частоты по сравнению с измерениями тока и напряжений. Она не описывает достаточно зависимости потерь в меди, и стали от часты и паразитном эффекте емкости. Терминальная модель, использованная при вычислениях, формируется соединением емкостей на терминалы модели BCTRAN таким образом, чтобы переходные процессы в сети соединенной с трансформатором будут реальными.
Внешние емкости трансформаторов могут определяться прямым измерением или вычислениями согласно формулам доступным в литературных публикациях. Вычисление емкостей на основе номинальных параметров трансформатора – будет менее точным, но легче выполняемым. Емкости Nodal могут вычисляться по формулам:
C=e 
где: e
=0.01× 10-9
0.02× 10-9 Ф /А –на низкой стороне
напряжения,
e =0.004×
10-90.01× 10-9
Sn
[кВ А] – номинальная мощность трансформатора,Un
[кВ] – номинальное напряжение трансформатора.С учетом [6] емкости могут вычисляться по формулам:
C12=
× 10-9
C1=0.07
× 10-9
C2=1.3
× 10-9
где C
12 – междувитковая ёмкость, C1 , C2 ёмкости обмоток близкие к сердечнику и удаленных от сердечника, Pn [ кВт] – номинальная активная мощность трансформатора, Un1, Un2 [кВ] – номинальные напряжения обмоток.Ошибка при вычислениях касающихся измерений не превышает 15% [6]. При вычислениях представленных дальше в статье используется формула (1).
Модель однофазного короткого замыкания на землю
Однофазное короткое замыкание на землю с прерванной дугой самый распространенный вид повреждения в сетях среднего уровня напряжения с изолированной нейтралью. Механизмы горения дуги описаны:
-согласно теории Петерсена,
-согласно теории Петерса-Слепяна.
Первая модель предполагает, что зажигание дуги начинается, когда напряжение сети достигает максимальной величины и продолжает гореть, пока ток переходного процесса не достигнет нулевой величины. Вторая модель предполагает тот же момент зажигания но, что дуга горит, пока первая гармоника тока не достигнет нулевой величины. К тому же допускается, что сопротивление дуги имеет величину: R
1 - сопротивления горение дуги или величина Rк -сопротивление после горения дуги. Изменения между этими величинами происходят скачкообразно. Обе модели были использованы при вычислениях.Дуга при возникновении фазного короткого замыкания на землю была смоделирована в программе EMTP, используя ключ управления гашением дуги со следующими параметрами: Tзадержки - время после гашения дуги до повторного её возгорания, Vвозгорания – напряжение, при превышении которого ключ должен закрыться, IЕ - ток поля, который используется, чтобы определить возможность открытия ключа, R
1, Rк - описаны выше.Ограничитель перенапряжений
Ограничители перенапряжения характеризуются такими основными параметрами: максимальное напряжение системы (Uм), номинальный ток заряда (Iн), номинальное напряжение (Uн), действующее значение напряжения (Uд), энергетическая способность (E) и возможность короткого замыкания.
Вольтамперная характеристика оксида цинка ограничителя перенапряжения может моделироваться отношением (5):
(5)
Коэффициенты p и q, вычислены используя специальную процедуры для ZnO на основе данных каталога [1].
Характеристика ограничителя перенапряжения типа GXR 5 представлена на рисунке 3.
Рисунок 3-Характеристика ограничителя напряжения GXR 05
По техническим причинам описание измерений перенапряжений при коротких замыканиях на землю были сокращены, то есть, рассмотрены для одной конфигурации сети и одного места повреждения. Таким образом, чтобы исследовать влияние длины кабельной линии и места повреждения на величину перенапряжения, были проделаны вычисления с использованием программы EMTP.
На рисунке 4 представлена смоделированная сеть. Вычисления - полезны для соответствующего выбора типа и места установки ограничителей перенапряжения.
Рисунок 4 – Смоделированная сеть
Параметры модели замыкания на землю были подготовлены таким образом, чтобы получить форму напряжения и тока подобными измеренными.
На Рисунке 5 представлены напряжения и ток на станциях PR3 и P04 при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, а на Рисунке 6 в сети с нейтралью заземлённой через резистор. Сравнивая формы величин
измеренных и вычисленных (рисунок 5 с рисунком 1 и рисунок 6 с рисунком 2) вы можете увидеть хорошее соответствие смоделированной сети с реальной.
Рисунок 5 – Значения переходных величин напряжений и тока на станциях PR3 и PO4 при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью (обозначения как на рисунке 1)
Рисунок 6 - Значения переходных величин напряжений и тока на станциях PR3 и PO4 при замыкании на землю в сети с нейтралью заземлённой через резистор (обозначения как на Рисунке 1)
Влияние типа смоделированной линии на величину перенапряжения
Были проделаны вычисления перенапряжений при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью на станции PR3, используя различные модели кабельной линии. Модели с распределенным и с фиксированными параметры были использованы.
Рисунок 7 – Коэффициенты перенапряжения для питающей станции (PR3), за реактором (P04) и в конце кабельной линии (P014) используя “Bergeron” и “Pi” модели линии. Длины линий: a) 3.5 км, b) 7 км, c) 10.5 км.
На рисунке 7 коэффициенты перенапряжения для питающей станции (PR3), за реактором (P04) и в конце кабельной строки (P014) представлены используя распределенные параметры модели “Bergeron” и фиксированные параметры модели “Pi” моделируются для 500 м длины секций. Были смоделированы кабельные линии длиной 3.5 км, 7 км и 10.5 км.
Вычисления указывают, что модель “Pi” дает более высокие значения перенапряжения, чем модель “Bergeron”. Увеличение перенапряжений для последовательных элементов сети зависят в небольшой степени от длины линии (для рассмотренных линий). Для дальнейших вычислений была использована только модель линий “Bergeron”.
Влияние длины линии на величину перенапряжения
Для того чтобы проверить влияние длины линии на величину перенапряжения были проделаны вычисления перенапряжений в сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю на станции PR3 для длины линии в диапазоне от 100 м до 9 км.
На рисунке 8 представлена величина коэффициента перенапряжения k для станции P014 (в конце линии) в зависимости от длины линии. Вычисления показали, что величины перенапряжения зависят от длины линии и предельные значения перенапряжения в конце линии появляются в случае длины линии 500 м.
Рисунок 8 - Величина коэффициента перенапряжения k на станции P014 (в конце линии) в зависимости от длины линии
Влияние места возникновения замыкания на землю на величину перенапряжения
Величина перенапряжение вычисляется на станции PR3, P04 и P014 при замыкании на землю в этих местах соответственно. Случаи с длиной линии 3км, 7км и 15км были сымитированы. На рисунке 9 представлены величины коэффициенты перенапряжения в сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю, появляющиеся на станциях PR3, P04 и P014 для длины линии 3.5 км, 7 км и 10.5 км. Вычисления показывают, что перенапряжения - более высокие, когда замыкание на землю появляется в сети по сравнению с замыканием на землю на питающих шинах станции PR3 и достигает предельных величин на определенном расстоянии от места повреждения. При возникновении замыканий на землю в сети, самые низкие перенапряжения появляются на питающей станции. Это указывает, что ограничители перенапряжения должны располагаться в сети (за реактором или в конце линии).
Рисунок 9 – Величина коэффициентов перенапряжения при коротких замыканиях (кз) на станциях PR3, P04 и P014 для длины линии: a) 3 км, b) 7 км, c) 10.5км
Влияние места расположения ограничителей перенапряжения на величину перенапряжения
В сети с изолированной нейтралью с длиной линии 3.5 км рассматривается влияние расположения ограничителей перенапряжения на величину перенапряжения и рассеянную в них энергию.
Рисунок 10 – Величина перенапряжений при замыкании на землю на питающей станции (PR3) когда ограничители перенапряжения устанавливаются на питающей станции (PR3), за реактором (на P04) и в конце линии (на P014)
Рисунок 11 – Токи на ограничителях перенапряжения установленных на питающей станции (PR3)
Рисунок 12 – Энергия на ограничителях перенапряжения установленных на питающей станции (PR3)
На рисунке 10 представлены величины перенапряжения при замыкании на землю на питающей станции (PR3) когда ограничители перенапряжения устанавливаются на станции (PR3), за реактором (на PO4) и в конце линии (PO14). Вы можете убедиться в том, что наибольшая эффективность применения ограничителей перенапряжения наблюдается, когда они располагаются в конце линии. На Рисунке 11 и 12 представлены ток и энергия ограничителей перенапряжения установленных на питающей станции (PR3). Энергия на ограничителе перенапряжения достигает величины 8кДж после продолжительности короткого замыкания 100 мс.
Вычисления перенапряжений при замыкании на землю в сети, заземленной через резистор нейтралью
Были вычислены величина перенапряжения в сети с нейтралью заземлённой через резистор без ограничителей перенапряжения. На рисунке 13 представлены величины коэффициентов перенапряжения на питающей станции (PR3), за реактором (P04) и в конце линии (P014) при дуговом замыкании на землю на станции PR3. Коэффициенты перенапряжения значительно ниже, чем когда сеть с изолированной нейтралью, но связь величины перенапряжения с длиной линии и местом возникновения короткого замыкания - аналогична по сравнению с сетью с изолированной нейтралью.
Рисунок 13 – Величина коэффициента перенапряжения на питающей станции (PR3), за реактором (P04) и в конце линии (P014) при дуговом коротком замыкании на землю на станции PR3 в сети с нейтралью заземлённой через резистор
5 ВЫВОДЫ- Пределы измеренных величин коэффициентов перенапряжения в исследуемой сети с изолированной нейтральной точкой при коротком замыкании на землю достигают 2.56, а в сети с нейтралью заземлённой через резистор - 2.36. Величина перенапряжения увеличивается в направлении конца линии.
- Соответствующий выбор параметров и места установки в сети ограничителей перенапряжений требует использование специальной программы для расчёта переходных процессов.
- Величины перенапряжения зависят от длины линий, и предельная величина перенапряжений в конце линии для рассчитанной сети появляется в случае её длины 500 м.
- Перенапряжения имеют более высокую величину, когда замыкание на землю появляется в сети по сравнению с замыканиями на станции PR3.
- Эффективность использования ограничителей перенапряжения зависит от их места установки.
- Резистор в нейтральной точке сети значительно уменьшает величины перенапряжения.