В условиях постоянного ухудшения технического состояния распределительных сетей из-за отсутствия необходимых средств на своевременную замену и качественный ремонт поврежденного электрооборудования все острее становится проблема поддержания на достаточно необходимом уровне надежности работы систем электроснабжения потребителей электрической энергии. Являясь наиболее протяженными, распределительные сети зачастую работают в весьма тяжелых условиях загрязнения, увлажнения, частых динамических и термических перегрузок, при этом средняя продолжительность эксплуатации большей части основного электрооборудования этих сетей значительно превышает нормативные сроки службы.

       Все это приводит к заметному увеличению повреждаемости электрооборудования сетей по причинам различных дефектов, в том числе развивающихся под действием эксплуатационного напряжения.

       Наибольшую опасность представляют дуговые перенапряжения, возникающие в сети при перемежающемся (неустойчивом) характере горения дуги в месте пробоя фазной изоляции на землю. Таким образом, основным направлением мероприятий по повышению надежности работы сетей среднего напряжения является предотвращение коммутационных и, особенно, дуговых перенапряжений.

       В сложившихся условиях эффективное решение задачи существенного повышения уровня надежности работы распределительных сетей может быть найдено только в комплексном подходе к решению этой проблемы.

       С одной стороны, необходимо идти по пути постепенной замены электрооборудования с изношенной изоляцией на новое, для которого большинство внутренних перенапряжений не будут опасны в такой степени, а с другой - принять меры по предельному снижению всех электрических воздействий на ослабленную изоляцию, создав условия для продления срока эксплуатации состарившегося электрооборудования.

       Повышение надежности работы распределительных сетей может быть достигнуто путем существенного ограничения внутренних перенапряжений за счет оптимизации режима заземления нейтрали. Режим нейтрали электрической сети высокого напряжения является важнейшим фактором, определяющим характер эксплуатации электрооборудования, влияющим на выбор изоляции и организацию релейной защиты. Этот режим определяет переходные электромагнитные процессы и связанные с ними перенапряжения, условия электробезопасности при замыканиях на землю и требования к заземляющим устройствам электроустановок.

       Основным достоинством сетей с изолированной нейтралью является высокая степень надежности электроснабжения потребителей электрической энергии при относительно малых расходах на резервирование, поскольку при однофазных замыканиях на землю (наиболее частый вид повреждения) сеть может оставаться в работе длительное время (до четырех часов), достаточное для отыскания и устранения места повреждения. Однако при работе сети с изолированной нейтралью однофазные замыкания на землю неизбежно сопровождаются возникновением специфических для этого режима перенапряжений, к основным из которых относят дуговые перенапряжения. Такие перенапряжения существуют в виде переходных процессов при перемежающейся дуге и опасны для электрооборудования высокими кратностями и своей продолжительностью.

       Возникновение перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю происходит за счет смещения нейтрали сети, что приводит к возрастанию напряжений на здоровых фазах до линейных. Наложенная на установившееся значение напряжения высокочастотная составляющая переходного процесса существенно повышает кратность дуговых перенапряжений. Это можно увидеть на рис.1. При замыкании фазы С на землю появляется напряжение на нейтрали U₀, рост которого в процессе многократного зажигания и гашения дуги тока замыкания приводит к постепенному нарастанию (эскалации) перенапряжений в сети.

       Поскольку в настоящее время отсутствуют надежные средства защиты электрооборудования сетей собственных нужд от последствий однофазных замыканий на землю, то одно из успешных решений данной проблемы может быть найдено путем оптимизации управления режимом нейтрали, обеспечивающим максимальное ограничение амплитуды и длительности всех возможных повышений напряжения и снижение до минимума тепловых потерь в месте пробоя изоляции.

       Определение основных факторов, которые влияют на характер переходных процессов и величину перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, производилось с использованием математической модели, разработанной на кафедре "Электрические станции" Донецкого национального технического университета. Она позволяет моделировать глухое замыкание фазы на землю и через перемежающуюся дугу, с погасанием ее при переходе через нуль высокочастотной составляющей (теория Петерсена) или составляющей тока промышленной частоты (теория Петерса и Слепяна), а также многократный пробой изоляции при различных значениях параметров кабельной сети, трансформаторов, двигательной нагрузки и режима работы нейтрали сети. Пользуясь методом контурных токов, для схемы замещения собственных нужд получена система дифференциальных уравнений 50-го порядка, которая численно интегрируется неявным методом Эйлера, обладающим повышенной численной устойчивостью, общее выражение которого на каждом i-ом шаге расчета h выглядит следующим образом:

где          - вектор искомых переменных;

             - вектор начальных приближений;

                 - текущее время расчета;

                 - количество решаемых уравнений.

       Полученная система линейных алгебраических уравнений, записанная относительно вектора искомых переменных решается на каждом шаге методом Гаусса:

где A - матрица текущих коэффициентов размером   ;

       B - вектор-столбец начальных приближений и свободных членов системы уравнений.

       Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что наличие особенностей в характере переходных процессов в сети с резистивно заземленной нейтралью, где частотные параметры тока и напряжения могут меняться в широких пределах, может быть причиной того, что широко распространенные в настоящее время в сетях собственных нужд электростанций реле РТЗ-51 (РТЗ-50, РТ-40/0,2) в условиях часто повторяющихся пробоев, так называемых клевков, не успевают успешно сработать, и могут находиться в таком состоянии длительное время даже при больших токах замыкания на землю. Хотя и небольшие по величине, но длительно действующие в этом случае перенапряжения могут вызвать повреждение электрооборудования сети. Исходя из изложенного, можно заключить, что резистивное заземление нейтрали сети собственных нужд электростанций не исключает возможности повреждения электрооборудования в условиях неустойчивого горения дуги, что и подтверждается в эксплуатации.

       К числу недостатков резисторного заземления нейтрали сети 6 кВ следует также отнести низкую термическую стойкость бэтелового резистора при его величине 100-400 Ом, так как допустимая длительность замыкания при этом не превышает 1,2 минуты. По истечении этого времени присоединительный трансформатор, в нейтраль которого включен резистор, должен быть отключен и сеть переводится в режим с изолированной нейтралью со всеми присущими ей недостатками.

       Самым распространенным в настоящее время методом предотвращения аварийных последствий от однофазных замыканий в рассматриваемых сетях является заземление нейтрали сетей через настроенные индуктивности (ДГК), которые, сохраняя преимущества сетей с изолированной нейтралью, призваны улучшить условия работы электрооборудования при однофазных замыканиях на землю. Такое улучшение предполагается за счет существенного снижения скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги и уменьшения тока в месте замыкания на землю до уровня активной составляющей и высших гармоник. Вследствие этого, происходит самопроизвольное погасание дуги, а, следовательно, сокращение объемов разрушений, связанных с термическим действием заземляющей дуги, а также снижением кратности перенапряжений до безопасной величины, так как появляются пути для истекания на землю статических зарядов с емкости элементов сети здоровых фаз. Однако для достижения таких результатов степень расстройки катушки не должна превышать пределов .

       При установке в сетях 6-35 кВ катушки снижается скорость восстановления напряжения на больной фазе после погасания дуги. При точной настройке катушки в резонанс время восстановления напряжения до номинального составляет несколько секунд. За это время прочность изоляции в месте повреждения успевает восстановиться. Но этот процесс имеет и отрицательные стороны, потому что все это время на здоровых фазах держится напряжение порядка (1,9-2,3)Uф. Относительная длительность существования таких перенапряжений может привести к пробою изоляции в этих фазах, особенно в старых сетях с плохой изоляцией.

       В реальных сетях настроить катушку точно в резонанс невозможно, так как индуктивность катушки регулируется дискретно. Допускается расстройка катушки v<5% . При расстройке в 5% восстанавливающееся напряжение на поврежденной фазе имеет характер биений. Огибающая напряжения достигает максимума, составляющего 1,78Uф. В дальнейшем огибающая напряжения стремится к Uф. Прочность изоляции к моменту максимума биений может восстановиться, но напряжение 1,78Uф на больной фазе может вызвать повторный пробой изоляции с последующей кратностью перенапряжений 2,89Uф. При расстройке более 25% кратность перенапряжений такая же, как в сетях без установки дугогасящей катушки. При этом кратность перенапряжений при перекомпенсации немного меньше, чем при недокомпенсации.

       При наличии несимметрии настройка установленной в сети ДГК в резонанс ведет к резкому увеличению напряжения смещения нейтрали в нормальном режиме работы сети. Причем несимметрия емкостей фаз относительно земли сильнее влияет на величину смещения нейтрали, чем несимметрия активных сопротивлений изоляции.

       На основе проведенных исследований кафедрой "Электрические станции" Донецкого национального технического университета было предложено для устранения выявленных недостатков, вызванных смещением нейтрали сети и длительным существованием повышенных напряжений в режимах замыкания фазы на землю, параллельно ДГК подключить через контактор резистор. Сопротивление резистора выбирается таким, чтобы напряжение несимметрии не превышало допустимого, а величина и длительность перенапряжений были минимальными. Для того чтобы резистор не перегревался большими токами при устойчивом однофазном замыкании он отключается с помощью контактора с выдержкой времени 0,5 с при превышении напряжения нулевой последовательности 20% от номинального.

       Из всего разнообразия направлений работы по совершенствованию системы компенсации емкостных токов на землю к практической реализации оказались приемлемыми и получили широкое распространение ДГК типа ЗРОМ со ступенчатым регулированием индуктивности катушки и плунжерные ДГК с плавным регулированием индуктивности. В первом случае регулирование осуществляется путем переключения ответвлений на рабочей обмотке ДГР. Шаг регулирования по току для таких аппаратов составляет не менее 10% от полного тока катушки. Переключение отпаек производится только вручную при полностью снятом напряжении. Следовательно, в современных условиях дефицита мощности и наличия графика аварийного отключения электроприемников при использовании таких ступенчато регулируемых дугогасящих аппаратов возникновение значительных расстроек компенсации является неизбежным.

       Во втором случае регулирование ДГК осуществляется за счет плавного изменения величины воздушного зазора между подвижными частями магнитопровода (плунжерами). Такие катушки обладают линейной намагничивающей характеристикой во всех режимах работы сети. Эксплуатируются, как правило, в блоке с устройствами автоматической регулировки компенсации и обеспечивают скорость регулирования по току в пределах 0,25-2 А/с.

       В качестве регуляторов используют беспоисковые, изготовленные, как правило, кустарным способом устройства, основанные на принципе фазовой автоподстройки частоты контура нулевой последовательности и рабочего напряжения сети. Регуляторы не имеют системы контроля выхода объекта регулирования в область резонанса и не имеют обратной связи по степени настройки катушки. Если учесть, что точность настройки в значительной мере зависит от суммарной емкости всей сети, длительных и случайных изменений состояния изоляции электрооборудования, большого количества возможных параметрических возмущающих факторов и т. д., которые требуют периодического вмешательства обслуживающего персонала в систему регулирования, то становится очевидным, что в условиях эксплуатации контроль степени настройки катушки значительно затруднен, а высокая точность настройки мало вероятна.

       Предлагается также повышение надежности работы сетей собственных нужд 6 кВ электростанций за счет перевода всех возникающих в системе собственных нужд однофазных замыканий на землю в глухие замыкания. Для этой цели следует подключить между сборными шинами 6 кВ и землей три однополюсных выключателя с индивидуальным приводом и управлением (рис.2).

       При возникновении любого вида однофазного замыкания на землю с помощью устройства выбора поврежденной фазы (УВПФ) происходит автоматическое включение соответствующего шунтирующего однофазного выключателя (КМ1-КМ3), соединенного с землей, и тем самым шунтирующего поврежденную фазу. Устройство выбора поврежденной фазы срабатывает с выдержкой времени порядка 0,5 с, отстроенной от времени действия защит на отходящих присоединениях. Пусковой орган УВПФ срабатывает при условии возникновения на трансформаторе TV напряжения 3Uо, превышающего заданную уставку, и при снижении одного из фазных напряжений до заданного уровня подает команду на включение соответствующего шунтирующего выключателя (КМ1-КМ3).

       Ограничение перенапряжений в системе собственных нужд осуществляется за счет подключения к сборным шинам нелинейных оксидно-цинковых активных сопротивлений типа ОПН-КС-6/47. Последние обеспечивают глубокое ограничение перенапряжений до уровня 2Uф. Однако их недостатком является низкая термическая стойкость, так как допустимое время работы составляет порядка 2 с в режиме однофазного замыкания на землю в сети 6 кВ. В связи с этим предложено в цепи нейтрали фазных ОПН, соединенных в звезду (рис.1), подключить однополюсный выключатель, через который происходит соединение нейтрали ОПН с землей. При этом между шунтирующими выключателями КМ1-КМ3 и выключателем нейтрали ОПН КМ0 выполняется блокировка, которая при включении любого из шунтирующих выключателей автоматически отключает выключатель нейтрали КМ0 и переводит два последовательно соединенных ОПН на подключение к линейному напряжению, чем ограничивается их время работы при однофазном замыкании на землю.

       Подавление перенапряжений в сети с момента начала горения дуги до момента шунтирования поврежденной фазы однополюсным контактором (КМ1-КМ3) успешно можно осуществлять ограничителями перенапряжений типа ОПН, включенными по предлагаемой схеме (рис.1) для осуществления термостабильности. Это позволяет отказаться от установки в сети дополнительного оборудования (присоединительного трансформатора и бэтеловых резисторов) и, кроме того, реализация такого технического решения ограничивает длительность существования дуговых замыканий и сопутствующих им перенапряжений временем порядка 0,5 с до момента включения шунтирующего контактора.

       В условиях отсутствия в настоящее время надежных средств защиты сетей 6кВ собственных нужд электростанций от последствий однофазных замыканий на землю, ведется поиск эффективного решения проблемы повышения надежности работы электрооборудования, заключающегося в оптимизации и управлении режимом нейтрали сети для обеспечения максимального ограничения амплитуды и длительности всех возможных в эксплуатации повышений напряжения и снижения тепловых потерь в месте пробоя изоляции. Для решения поставленной задачи наиболее рациональным является использование математической модели, которая позволяет оценить возможный уровень перенапряжений в сети с учетом ее реальных параметров, а также эффективность применения того или иного технического решения.

       Особенностью модели является возможность анализа однофазных глухих и дуговых замыканий на землю не только вблизи сборных шин, но и в индуктивных обмотках двигателей, трансформаторов, а также замыканий при наличии смещения нейтрали, вызванного несимметрией нагрузки. На рис.3 приведена схема замещения сети собственных нужд электростанции и стрелками показаны пути протекания токов в нормальном режиме. Рассматриваемая сеть представлена сосредоточенными параметрами: фазными и междуфазными емкостями и активными сопротивлениями, взаимоиндукцией между фазами. Источник питания и специальный присоединительный трансформатор включены в схему соответствующими фазными индуктивностями рассеяния и активными сопротивлениями. Высоковольтные двигатели введены в схему замещения фазными сверхпереходными индуктивностями рассеяния и активными сопротивлениями. В нейтраль присоединительного трансформатора включены токоограничивающий резистор и реактор. Цепь замыкания фазы на землю в обмотке двигателя имитируется емкостью и активным сопротивлением дуги. Схема описывается системой дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов и напряжений в узлах. В операторной форме эта система имеет вид:

       , где р - оператор дифференцирования.

       К этим уравнениям необходимо добавить также дифференциальные уравнения, записанные для напряжений на емкостях. Эти уравнения имеют вид:

       Анализ подобных режимов с помощью описанной модели позволит оценить работоспособность различных видов защит от замыканий на землю, выбрать такой режим работы нейтрали, при котором перенапряжения будут минимальными, а также определить предельную длительность существования дугового замыкания из условия термической стойкости разрядников типа ОПН.

       В случае резистивного заземления нейтрали эта математическая модель позволяет не только оценить ожидаемую кратность перенапряжений, но и, исходя из поставленных условий, выбрать значение номинала заземляющего резистора, что в свою очередь является весьма непростой задачей.

       Низкоомное резистивное заземление нейтрали призвано создать ток при однофазном замыкании в десятки и даже сотни ампер и, естественно, сочетается с устройством релейной защиты, действующей на немедленное отключение поврежденного присоединения. Величина тока в месте замыкания выбирается исходя из требуемой чувствительности работы устройств релейной защиты. Проведенные исследования показывают, что такой режим заземления нейтрали обоспечивает достаточно глубокое (до 2,2-2,4 Uф) ограничение перенапряжений и сокращает до минимума время их воздействия.

       Ограничение перенапряжений происходит за счет создания пути стекания зарядов емкостей здоровых фаз на землю через активное сопротивление, включенное в нейтраль специального присоединительного трансформатора.

       В работе предполагается дополнить схему замещения для более точного моделирования процессов, протекающих при однофазных замыканиях на землю. Это в свою очередь повлечет увеличение количества дифференциальных уравнений, но при этом появится возможность учитывать токи от двигателей собственных нужд в месте замыкания. Учет влияния двигателей позволит более выбрать уставки срабатывания релейной защиты для ее надежного и селективного действия при возникновении повреждения.

       Кроме этого наличие в схеме нелинейных элементов, например, оксидно-цинковых активных сопротивлений (ОПН) и измерительного трансформатора напряжения с нелинейной характеристикой, приводит к необходимости учета их параметров, которые являются функциями от величин, зависящих от режима работы системы. В программе эти нелинейные характеристики задаются с помощью условных операторов, реализующих таким образом кусочно-линейную аппроксимацию. Это не может не привести к некоторой погрешности при проведении исследований. Поэтому в работе также ставится задача аппроксимации нелинейных характеристик с помощью метода наименьших квадратов, что в большей мере отвечает физике протекающих в схеме процессов.

       Однако на этом перечень нерешенных вопросов не исчерпывается, так как при выборе режима нейтрали для каждой конкретной сети должны учитываться ее специфические особенности, в частности: ее параметры, состояние изоляции, категория потребителей, наличия средств защиты от замыканий на землю, требования к электробезопасности и т.д. Именно поэтому появляются новые перспективы исследования в работе.

       ВЫВОДЫ

       1. Основной причиной высокой повреждаемости электрооборудования в сетях среднего класса напряжения являются дуговые перенапряжения, возникающие при перемежающемся характере горения дуги в месте пробоя фазной изоляции на землю.

       2. Проблема повышения надежности работы распределительных сетей напряжением 6-10 кВ складывается из целого комплекса задач, эффективное решение которых может быть найдено для каждой конкретной сети индивидуально с учетом характерных ее особенностей на основе комбинированного использования средств релейной защиты, совершенствования режима заземления нейтрали, применения ограничителей серии ОПН с разными порогами ограничения и системы быстрого и автоматического шунтирования поврежденной фазы.

       3. Эффективное решение проблемы повышения надежности работы распределительных сетей напряжением 6-10 кВ может быть найдено на основе проведения большого объема научных и экспериментальных исследований.

       ЛИТЕРАТУРА

       1.Циркуляр Ц-01-88. О повышении надежности сетей 6кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.-М., 1988.

       2.Циркуляр Ц-01-97. О повышении надежности сетей 6кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.-М., 1997.

       3.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва . Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС.-Сб.научн.трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып.17:-Донецк: ДонГТУ, 2000,с.129-133.

       4.Подъячев В.Н., Плессер М.А., Беляков Н.Н., Кузьмичева К.И. Глубокое ограничение перенапряжений при замыканиях на землю в сети собственных нужд ТЭС.-Энергетик, 1999, №2, с.20-21.

       5.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва . Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6-10 кВ. -Сб.научн.трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып.4:-Донецк: ДонГТУ,1999, с.221-226.

       6.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС. -Сб. научных трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 17: -Донецк: ДонГТУ, 2000. С. 129-133.

       7.Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Управление режимом нейтрали 6 кВ при замыкании фазы на землю. Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 127. - Харьков: ХГПУ. 2000. С. 91-96.

       8. Зильберман В.А., Эпштейн И.М. и др. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВ на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество. - 1987. — №12. — С.52—56.

       9. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях собственных нужд // Электрические станции. — 1983. — №10.— С.37—41.