Идентификация поврежденного фидера при однофазном замыкании на землю в распределительных сетях 6-10 кВ c изолированной нейтралью

О.А. Аношин, И.И. Никулов, «ЭлектроТехника», 2005, №10

1. Актуальность проблемы.

Исторически сложилось так, что изолированная нейтраль была принята за основу при построении распределительных сетей среднего напряжения в России [1]. Эксплуатация сети с изолированной нейтралью позволяет не отключать потребителей, при возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), так как треугольник линейных напряжений не искажается. Изолированная нейтраль делает сеть более безопасной с точки зрения работы эксплуатационного персонала, поскольку токи замыкания на землю не большие. Дополнительным преимуществом изолированной нейтрали является емкостной характер тока замыкания на землю, а следовательно неустойчивый характер горения дуги при дуговых замыканиях, это ведет к повышению успешности работы автоматики повторного включения или самопроизвольному устранению аварийных режимов.

С другой стороны изолированная нейтраль накладывает повышенные требования на изоляцию электрооборудования. При возникновении ОЗЗ напряжение на неповрежденных фазах длительно повышается до линейного, а соответственно изоляция оборудования должна выдерживать данные режимы без повреждений. При горении перемежающейся дуги кратность перенапряжений может достигать значительных величин, что зачастую приводит к переходу однофазного замыкания в двух и даже трехфазное и, как следствие, к отключению потребителя. Наиболее актуальной проблемой для сетей, в которых не допустимо длительное существование ОЗЗ, является сложность построения селективных защит, причиной этого являются маленькие значения токов замыкания на землю, зачастую не превышающие 1А.

Большинство существующих на сегодняшний день защит не в состоянии эффективно решать  проблему селективности при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью [2]. В настоящей публикации рассмотрена возможность идентификации поврежденного фидера при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях 6-10 кВ c изолированной  нейтралью с помощью ее кратковременного заземления через реактор. Реактор в совокупности с коммутационным модулем получил название шкаф заземления нейтрали (ШЗН). Возникновение ОЗЗ идентифицируется по напряжению нулевой последовательности, после выдержки времени, необходимой для обеспечения возможности самопогасания дуги, производится включения выключателя S. При этом, ШЗН который, в первом приближении, можно считать реактором с заземленной нейтральной точкой попадает в несимметричный режим, при котором в нейтрали формируется ток, достаточный для идентификации ОЗЗ защитой поврежденного фидера. Спустя некоторое время, достаточное для идентификации ОЗЗ выключатель S отключается.

Целью данной публикации является анализ различных режимов работы ШЗН и возможных вариантов его установки. Обозначим задачи, которые авторы постарались решить в этой статье:

1. определение диапазона емкостных токов сети, при котором целесообразно применение ШЗН;

2. выявление степени влияния переходного сопротивления в месте замыкания на ток нулевой последовательности в поврежденном фидере;

3. оценка энергии, выделяющейся в ШЗН, и скорости нагрева реактора;

4. рассмотрение случаев установки аппарата на секции шин понизительной подстанции и на секции шин распределительного пункта (РП) в сети с изолированной нейтралью;

5. определение влияния раскомпенсации на возможность селективного определения поврежденной линии в сети с компенсацией емкостного тока;

6. анализ возможности применения ШЗН для идентификации поврежденного фидера при горении перемежающейся дуги.

2. Расчетная модель распределительной сети с ШЗН и исходные данные.

Для решения поставленных задач была разработана расчетная модель распределительной сети 10 кВ и модель ШЗН.

Энергосистема моделировалась трехфазным источником напряжения с нулевым внутренним сопротивлением. Понижающий трансформатор ТМН-2500/110 моделировался  Т-образной схемой замещения, параметры которой были определены по стандартной методике [3]. Каждая фаза трехфазной линии электропередачи моделируется несколькими ячейками, представляющими П-образные схемы замещения. Погонные параметры линий, определены для алюминиевого кабеля сечением 120  мм2 [4]. Линия 2 и линия 3 в расчете приняты ненагруженными, так как характер нагрузки и ее величина не влияют на токи нулевой последовательности, а именно они представляют интерес с точки зрения надежной идентификации поврежденного фидера при ОЗЗ. Однофазное короткое замыкание моделировалось ключом с управляемым моментом коммутации и включенным последовательно с ним сопротивлением. Коммутационный модуль ШЗН моделировался трехфазным ключом. Реактор в модели представлен трехфазной RL-цепью, расчетное активное и индуктивное сопротивление фазы составляют соответственно 105 и 456 Ом.

3. Анализ режимов работы ШЗН и различных вариантов его установки.

3.1. Для определения зависимости тока нулевой последовательности в начале поврежденного фидера от общего емкостного тока сети использовалась модель распределительной сети. Однофазное короткое замыкание моделировалось в середине линии 3. Длина линий 1 и 2 варьировалась таким образом, чтобы их суммарный емкостной ток изменялся в диапазоне от 0.5 до 20 Ампер. Длина линии 3 была задана постоянной и равной 1 км, так как было установлено, что ток нулевой последовательности в начале линии 3 после включения ШЗН не зависит от емкостного тока этой линии. Момент короткого замыкания 0,1 с от начала расчета, ШЗН подключается в через 0,15 с после возникновения короткого замыкания.Результаты расчетов сведены в Табл.1.

Таблица 1 - Зависимость тока нулевой последовательности в начале поврежденного фидера от емкостного тока остальных фидеров

Примечание: I_c - суммарный емкостной ток линий 1 и 2 (ток нулевой последовательности в начале поврежденного фидера до подключения ШЗН); I₀ – ток нулевой последовательности в начале поврежденного фидера после подключения ШЗН

Как видно из осциллограмм, в сетях с изолированной нейтралью при небольшом значении емкостного тока подключение ШЗН обеспечивает значительное увеличение тока нулевой последовательности  в поврежденном фидере. В сетях с изолированной нейтралью при уровне емкостных токов около 20 А и более подключение ШЗН напротив даже уменьшает значение тока нулевой последовательности в поврежденном фидере, что препятствует его идентификации. Таким образом, применение ШЗН в сетях с изолированной нейтралью целесообразно при емкостных токах сети до 10-15 А.

3.2. Для определения степени влияния сопротивления замыкания на землю на ток через нейтраль ШЗН были проведены расчеты при двух значениях сопротивления 1 и 100 Ом. Длины всех линий приняты одинаковыми, общий емкостной ток сети 12А. Полученные в результате расчетов значения токов через нейтраль ШЗН составили 36.5 А для R_дуги=1Ом и 34.8А для R_дуги=100Ом, что говорит о слабом влиянии сопротивления замыкания на землю на ток через нейтраль ШЗН, а следовательно и на ток нулевой последовательности в поврежденном фидере.

3.3. Подключение ШЗН к сети при горении перемежающейся дуги и возможность идентификации поврежденного фидера в этом режиме также интересны с практической точки зрения, так как этот режим сопровождается существенным повышением напряжения и длительное его существование в сети зачастую приводит к выходу из строя оборудования. При моделировании режима перемежающейся дуги использовалась теория Петерсона, согласно которой дуга гаснет при переходе через ноль тока высокочастотных колебаний и вновь зажигается через полпериода промышленной частоты. Результаты расчетов показали, что ток через нейтраль ШЗН зависит от множества влияющих факторов: сопротивление дуги, общая  емкость сети, место повреждения, момент включения ШЗН. Это объясняется тем, что ток через нейтраль ШЗН полностью определяется фазными напряжениями и характером их изменения при горении перемежающейся дуги, а они очень сильно зависят от всех перечисленных выше факторов. Параметры расчета следующие: емкостной ток сети 4 А, перемежающаяся дуга загорается в конце линии 1 в фазе С в момент времени 0,1 с от начала расчета, ШЗН подключается к сети в момент времени 0,2 с от начала расчета, через 0,1 с после подключения ШЗН дуга переходит в устойчивую.

Нецелесообразно подключать ШЗН при горении перемежающейся дуги, так как в этом режиме нельзя гарантировать селективное отключение поврежденного фидера.

3.4. Энергия выделяющаяся в ШЗН при стационарном однофазном КЗ не зависит от конфигурации сети , так как определяется фазными напряжениями сети. Расчетная энергия, выделяющаяся в ШЗН в сети 10 кВ за 1 секунду, составляет 61 кДж.

Такая скорость нагрева позволяет подключать ШЗН на время достаточное для идентификации поврежденного фидера.

3.5. Рассмотрим возможные варианты установки ШЗН в распределительной сети с изолированной нейтралью и определим расчетные токи нулевой последовательности в линиях в зависимости от  места замыкания и места установки ШЗН. В расчете емкостные токи всех линий приняты одинаковыми и равными 4 А. ОЗЗ моделировалось в середине линии.

3.5.1.  Таблица 1 - Расчетные токи нулевой последовательности в линиях при КЗ на питающем фидере (ШЗН на шинах питающего центра)

Примечание: В таблицах 1-7  3I0 КЗ – ток нулевой последовательности в линиях после возникновения устойчивого замыкания. 3I0 ШЗН – ток нулевой последовательности в линиях после подключения ШЗН.

3.5.2.

Таким образом, при установке ШЗН на секции шин понизительной подстанции обеспечивается увеличение тока нулевой последовательности в поврежденном фидере. На токи неповрежденной отходящей линии включение ШЗН не оказывает никакого влияния. При условии отстройки по времени защит питающего фидера от защит отходящих фидеров идентификация поврежденного фидера легко осуществима.

3.5.3.

3.5.4. Таблица 4 Расчетные токи нулевой последовательности в линиях при КЗ на отходящем фидере (ШЗН на секции отходящих фидеров )

Из табл. 3 и табл.4 следует, что при установке ШЗН на секции шин РП, возможно селективное отключение только тех ОЗЗ, которые произошли на отходящих фидерах.

3.5.5. Рассмотрим также случай, когда ШЗН установлен и на шинах питающего центра, и на шинах отходящих линий. После возникновения ОЗЗ сначала подключается ШЗН1, а потом ШЗН2.

Таблица 5 - Расчетные токи нулевой последовательности в линиях при установке двух ШЗН

Из сравнения табл.5 с табл.2 и табл.4 следует, что при установке двух ШЗН их действие подчиняется принципу суперпозиции.

4. Исследуем влияние ШЗН на токи нулевой последовательности при ОЗЗ в сети с компенсированной нейтралью.

Параметры трансформатора, в нейтраль которого включена дугогасящая катушка, определяем по стандартной методике, мощность его принимаем равной 63 кВА. Емкостной ток сети 30А (линия 1–Ic=20А; линия 2–Ic=4А и линия 3–Ic=6А) смоделированы режимы полной компенсации емкостного тока, а также режимы 10% раскомпенсации.

3.6.1. Таблица 6 - Расчетные токи нулевой последовательности в линиях при КЗ на отходящем фидере в сети с компенсированной нейтралью

3.6.2.  Таблица 7 - Расчетные токи нулевой последовательности в линиях при КЗ на питающем фидере в сети с компенсированной нейтралью

Из табл.6 и табл.7 следует, что использование ШЗН в сетях с компенсированной нейтралью позволяет определить поврежденный фидер в режимах полной компенсации и перекомпенсации. В сетях с большими значениями емкостного тока при недокомпенсации возможно уменьшение тока нулевой последовательности после включения ШЗН, что может помешать селективному отключению фидера с ОЗЗ.

Выводы

1. В сети с изолированной нейтралью и небольшими значениями емкостного тока ШЗН обеспечивает значительное увеличение тока нулевой последовательности в поврежденном фидере, что позволяет его идентифицировать. При достаточно больших значениях емкостного тока (более 15 А) ШЗН в сети с изолированной нейтралью не эффективен.
2. При устойчивой дуге ток через нейтраль ШЗН мало зависит от сопротивления дуги.
3. Энергия, выделяющаяся в ШЗН в режиме устойчивого горения дуги, позволяет подключать его к сети на время достаточное для идентификации поврежденного фидера.
4. При установке ШЗН на шинах понизительной подстанции обеспечивается селективное отключение ОЗЗ на любом фидере, в случае установки на секции шин распределительного пункта ШЗН позволяет идентифицировать ОЗЗ только на отходящих фидерах.
5. В сетях с компенсацией емкостного тока ШЗН позволяет селективно отключать поврежденный фидер в режимах полной компенсации емкостного тока и перекомпенсации. При сильной степени недокомпенсации и больших значениях емкостного тока сети возможно даже уменьшение тока нулевой последовательности в поврежденном фидере при подключении ШЗН, что не позволит его идентифицировать.
6. При перемежающейся дуге значение тока через ШЗН сильно зависит от множества влияющих факторов и нельзя гарантировать селективное отключение поврежденного фидера, поэтому необходимо отстраиваться от этого режима.

1. Аношин О.А., Воротницкий В.В., Сорокин П.Н. Проблемы выбора режима заземления нейтрали //Тез. доклада на 3-й всероссийской конференции ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ. Новосибирск, 2004.
2. Бухтояров В.Ф. Маврицин А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров.- М.: Недра, 1986, - 128 с.
3. Вольдек О.И. Электрические машины - М.: Энергоатомиздат, 1974, - 840 с.
4. Электротехнический справочник Т.2 – М.: Издательство МЭИ, 2001, – 517 с.

Вернуться в библиотеку