УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ НЕЙТРАЛИ 6 кВ ПРИ ЗАМЫКАНИИ ФАЗЫ НА ЗЕМЛЮ

Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва

Источник: Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вестник /Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 127. - Харьков: ХГПУ. 2000. С. 91-96. /

Предлагается техническое решение по увеличению надёжности и функционирования электрооборудования сетей 6-10кВ при дуговых замиканиях фазы на землю. Сущность технического решения заключается в автоматическом шунтировании повреждённой фазы и перевод сети в режим искуственного глухого замыкания на землю. Предлагается схема реализации этого технического решения.

В сложившихся условиях постоянно ухудшающегося технического состояния электрических сетей собственных нужд тепловых и атомных электростанций из-за хронического отсутствия средств на своевременную замену и качественный ремонт электрооборудования с длительным сроком эксплуатации, на передний план выдвигается проблема поддержания на достаточном эксплуатационном уровне надежности энергоснабжения потребителей. По данным опыта эксплуатации за последние годы удельная повреждаемость электрооборудования возросла в несколько раз и для ряда электростанций она составляет 120-140 единиц на каждые 100 км кабельной сети. Однофазные замыкания на землю составляют 75-90% от общего числа нарушений нормальной работы сети.

В настоящее время электрические сети 6-10 кВ работают с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Как известно, в таких сетях замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и не требует немедленного отключения и, поэтому, не вызывает затруднений в питании потребителей. Достоинством такого режима нейтрали перед сетями высших напряжений является их работоспособность при длительных замыканиях на землю. Это свойство должно поддерживаться всеми существующими мерами и средствами, поскольку позволяет эксплуатационному персоналу определить, выделить и оградить место повреждения изоляции, а также создать временную схему электропитания без их обесточивания. Преимуществом полностью изолированной нейтрали сети является также простота реализации такого режима, поскольку при этом отпадает необходимость в специальных устройствах для заземления нейтрали. Однако опыт эксплуатации показывает, что при однофазных дуговых замыканиях на землю, являющихся наиболее распространенным видом повреждений в сетях с изолированной нейтралью, возникают значительные перенапряжения, приводящие к пробоям изоляции кабелей и электродвигателей в других точках сети, т.е. возникновению многоместных повреждений, переходящих в многофазные короткие замыкания. Сети собственных нужд 6 кВ тепловых и атомных электростанций Украины также работают в режиме с изолированной нейтралью и появление однофазных замыканий здесь всегда таит в себе опасность с непредсказуемыми последствиями.

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. Поэтому в последние годы были разработаны ведомственные циркуляры, предписывающие перевод сетей собственных нужд АЭС из режима с изолированной нейтралью в режим с частичным заземлением через токоограничивающий резистор, устанавливаемый в нейтрали специального присоединительного трансформатора. При возникновении дугового замыкания в сети с изолированной нейтралью и погасании дуги в момент перехода через "ноль" высокочастотной составляющей тока замыкания на землю заряженные емкости сети не имеют пути разряда, что и является причиной возникновения перенапряжений величиной до (3,5-4) Uф при повторных зажиганиях дуги. Включение же резистора в нейтраль разряжает емкость сети, что предотвращает процесс накопления зарядов на ней и возможность появления больших перенапряжений. По замыслам разработчиков циркуляра, заземление нейтрали сети через резистор величиной 100 Ом должно было бы улучшить условия работы электрооборудования собственных нужд АЭС и снизить вероятность возникновения дуговых замыканий на землю, во первых, за счет глубокого ограничения (в пределах 2,2-2,4 Uф) дуговых перенапряжений, во-вторых - путем повышения надежности и селективности срабатывания релейной защиты от замыканий на землю, выполненной на реле РТЗ-51 (РТЗ-50, РТ-40/0,2), обеспечивающей быстрое отключение поврежденного присоединения.

Однако, как показал опыт эксплуатации, внедрения этого мероприятия, с одной стороны, не привело к заметному повышению надежности работы сетей 6кВ собственных нужд АЭС, а с другой - потребовало установки дополнительного оборудования и выполнения различного рода связей и блокировок, что усложнило эксплуатацию. На основании опыта эксплуатации сетей собственных нужд энергоблоков АЭС, где положения циркуляра уже реализованы было установлено, что предлагаемые циркуляром мероприятия не имели должного научного обоснования и для технической реализации не были до конца продуманы. В частности, по данным в сетях с небольшим током замыкания (в пределах до 3 А) рекомендуемая схема присоединения заземляющего резистора не обеспечивает требуемого уровня ограничения перенапряжений из-за резкого возрастания величины внутреннего сопротивления присоединительного трансформатора при столь высоких частотах переходных процессов в подзарядных и разрядных контурах указанных сетей в режиме дуговых замыканий фазы на землю. Проведенные исследования показали, что в зависимости от конкретных условий (емкости сети, сопротивление дуги, величины пробивного напряжения) могут иметь место многократные пробои, так называемые клевки, дугового промежутка (от 2 до 15) в течение одного периода промышленной частоты. В этих условиях обычно применяемые для защиты от замыканий на землю электромеханические реле могут не успевать срабатывать и находятся в таком состоянии в течении нескольких секунд даже при относительно больших токах замыкания на землю. При этом длительно действующие, хотя и небольшие перенапряжения, могут привести, в условиях ослабленной изоляции, к переходу однофазных замыканий в многофазные короткие замыкания. Кроме того, на АЭС по условиям безопасности запрещается отключение присоединений обеспечивающих систем реактора с однофазными замыканиями на землю. При однофазных замыканиях на этих присоединениях с выдержкой времени порядка 0,5с должен отключаться присоединительный трансформатор с заземляющим резистором (из-за низкой термостойкости бэтеловых резисторов) и сеть переводится в режим с изолированной нейтралью. При этом место замыкания сохраняется, где может длительное время гореть перемежающаяся дуга с вытекающими последствиями. Устранение этого недостатка при реализации положений циркуляра на АЭС требует выполнения сложных блокировок и дополнительных связей между секциями, что сильно затрудняет его внедрение. Поэтому вместо циркуляра был разработан и введен циркуляр указания, которого менее категоричны в отношении своих требований. Так они разрешают каждой электростанции с учетом конкретных параметров схемы проводить дополнительные исследования и на этой основе принимать решения, предварительно согласованные с проектными организациями по защите сетей 6 кВ собственных нужд энерготоков от последствий дуговых замыканий на землю. В этой связи в данной работе рассматривается принципиально новый способ, направленный на повышение надежности работы сетей 6 кВ в режимах дуговых замыканий на землю. Основная идея предлагаемого способа заключается в автоматическом шунтировании поврежденной фазы однополюсными пофазно управляемыми вакуумными выключателями и переводе, таким образом, сети в режим искусственного глухого замыкания на землю, с достаточно продолжительным временем работы, допускаемым ПУЭ, что позволяет обслуживающему персоналу принять необходимые меры. При выполнении поисковых переключений однофазный замыкатель поврежденной фазы остается включенным, что исключает возможность появления опасных перенапряжений при коммутациях.

Рисунок 1 — Схема ограничения перенапряжений

При наличии выключателей автоматического шунтирования поврежденной фазы (АШПФ) в случае возникновения однофазного замыкания на трансформаторах ответственных установок, где защита действует только на сигнал, или же при отказе защиты на остальных присоединениях, устройство выбора поврежденной фазы (УВПФ) подает команду на включение однополостного шунтирующего выключателя поврежденной фазы. Это происходит с выдержкой времени, порядка 0,25с, достаточно отстроенной от времени действия защит отходящих присоединений. За это время в сети могут возникать перенапряжения, связанные с горением дуги. Подавление этих перенапряжений можно осуществлять за счет использования оксидно-цинковых нелинейных ограничителей перенапряжений типа ОПН. Такие ограничители резко снижают свое сопротивление при увеличении приложенного к нему напряжения выше порового значения. Благодаря этому они обладают хорошими защитными характеристиками. Однако из-за малой термической стойкости они не нашли широкого применения в сетях собственных нужд электростанций. Поэтому в данной работе предложено для ограничения перенапряжений применение указанных ОПН на время, не превышающие время срабатывания устройства АШПФ. Это достигается за счет того, что подключенные параллельно однофазным замыкателям, ОПН собраны в звезду, а ее нулевая точка подсоединена к земле через однополюсный замыкатель такого же типа, как и замыкатель АШПФ. В нормальном режиме этот замыкатель, в отличие от замыкателей АШПФ, находится всегда во включенном положении и, следовательно, ОПН находятся в рабочем состоянии и способны ограничить перенапряжения сразу с момента возникновения однофазного дугового замыкания на землю. После включения АШПФ и создания глухого замыкания на землю замыкатель цепи ОПН отключается и переводит два последовательно соединенных ОПН на подключение к линейному напряжению.

Схема, реализующая данное техническое решение приведена на рис.1.В состав схемы входят: выключатель Q, три нелинейных ограничителя напряжений ОПН, схема автоматического шунтирования поврежденной фазы АШПФ, однополюсный заземлитель КМО, устройство выбора поврежденной фазы УВПФ, трансформатор ТСЗК с заземляющим резистором R.

Выключатель Q, служит для оперативного ввода-вывода схемы из работы и для защиты от коротких междуфазных замыканий, которые могут возникнуть как в нормальном режиме так и при однофазных замыканиях на землю. Три нелинейных оксидно-цинковых огриничителя перенапряжений ОПН, подключены к соответствующим фазам сети с.н. и собранны по схеме звезды. Нулевая точка звезды ОПН заземлена через однополюсный выключатель КМо. В нормальном режиме работы сети этот выключатель находится во включенном положении. Параллельно ОПН к полюсам выключателя Q может быть подключен специальный трансформатор ТСЗК с заземляющим резистором R в нейтрали, если возникает необходимость увеличить ток для повышения чувствительности релейной защиты. К выводам выключателя Q подключены также три пофазно - управляемых шунтирующих выключателя КМ1-КМ3, являющихся исполнительными элементами схемы автоматического шунтирования поврежденной фазы на землю АШПФ. Выключатели КМ1-КМ3, как и ОПН, включены в звезду, а их нулевая точка напрямую соединена с землей. Управление выключателями осуществляет схема (устройство) выбора поврежденной фазы УВПФ. В состав УВПФ входят: трансформатор напряжения TV, контролирующий напряжение на шинах РУСН 6кВ, 3 реле напряжения KV1-KV3, включенные на фазные напряжения, 3 реле напряжения KV4-KV6 включенные на междуфазные напряжения, реле напряжения KVо, включенное на напряжение 3Uo, а также реле времени КТ и промежуточные реле KL1-KL4. Реле KVо реагирует на появление напряжения 3Uo при однофазных замыканиях на землю и является пусковым органом УВПФ. Реле KV4-KV6 предназначены для блокирования действия схемы при двойных замыканиях на землю и при отключении трансформатора TV. Реле KV1-KV3 служат для выбора поврежденной фазы. Реле времени КТ обеспечивает отстройку АШПФ от быстродействующей токовой защиты нулевой последовательности присоединений собственных нужд. Исполнительными элементами УВПФ являются промежуточные реле KL1-KL4.

Работает схема следующим образом. При появлении замыкания на землю на одном из присоединений 6кВ системы с.н. должна сработать его токовая защита нулевой последовательности и без выдержки времени отключить это присоединение. Возможные при этом перенапряжения будут ограничены с помощью ОПН.

Если замыкание, напрмер, в фазе А, произошло на неотключаемом присоединении (транформаторы 6/0,4кВ), то срабатывает реле KVо и KV1. Поскольку междуфазные напряжения в этом случае соответствуют нормальному режиму, то реле KV1-KV4 находятся в сработанном состоянии и разрешают запуск схемы. В результате этого запускается реле времени КТ, срабатывает промежуточное реле KL1 и через свой первый замыкающий контакт становится на самоудержание, а своими размыкающими контактами разрывает цепи обмоток реле KL2, KL3, предотвращая их срабатывание. Вторым замыкающим контактом реле KL1 подготавливает цепь на включение выключателя КМ1. По истечении заданной выдержки времени 0,25с реле времени КТ срабатывает и подает питание на обмотку реле KL4. Срабатывая, реле KL4 своим замыкающим контактом замыкает цепь на включение выключателя КМ1, шунтирующего поврежденную фазу А. После включения КМ1, последний своим размыкающим контактом дает команду на отключение выключателей КМо.

Таким образом, в случае возникновения резонансных перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, они будут ограничены в первый момент с помощью ОПН, а затем, после шунтирования поврежденной фазы, исчезнут, в связи с переводом дугового замыкания в металлическое. Благодаря отключению от земли нулевой точки звезды ОПН с помощью КМо, они переводятся в облегченный режим, т.к. один из них зашунтирован, а два других будут соединены последовательно и включены на линейное напряжение. Это обеспечивает сохранение термической стойкости ОПН и предотвращает переход однофазных замыканий в междуфазные короткие замыкания. Режим сети 6кВ с металлическим замыканием фазы через шунтирующий выключатель АШПВ допустим по ПУЭ в течении нескольких часов, достаточных для принятия решений оперативным персоналом.

После устранения замыкания на землю в сети 6 кВ необходимо схему шунтирования поврежденной фазы вернуть в исходное положение. Для этого ключом управления надо сначала отключить выключатель КМ повреждавшейся фазы, а затем включить выключатель КМо, заземляющий нулевую точку ОПН.

Работоспособность схемы (рис.1) подтверждена экспериментами, проведенными на физической модели сети 6кВ.

Выводы:
Резистивное заземление нейтрали и применяемая релейная защита не исключают возможность повреждения электрооборудования в условиях неустойчивого горения дуги.
Предложено техническое решение по повышению надежности функционирования электрооборудования сетей 6-10кВ при дуговых замыканиях на землю не имеющее недостатков, присущих директивным материалам и другим известным способам. Сущность технического решения заключается в автоматическом шунтировании поврежденной фазы и перевода сети в режим искусственного глухого замыкания на землю.
Разработана схема устройства выбора поврежденной фазы на основе серийно выпускаемых реле напряжения и промежуточных реле. В качестве пускового органа устройства УВПФ принято реле напряжения, реагирующее на напряжение нулевой последовательности. Последнее даже при изолированной нейтрали и замыканиях имеет достаточно большую величину среднего значения за период. Работоспособность схемы экспериментально проверена на физической модели 6 кВ, как при глухих, так и дуговых замыканиях фазы на землю.

Список литературы:
Циркуляр Ц-01-88. О повышения надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС. - М., 1988.
Циркуляр Ц-01-97. О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.- М., 1997.
Дударев Л.Е., Волошек И.В. Особенности дуговых замыканий на землю в сетях с нейтралью, заземленной через резистор.- Электричество, 1993, №8.
Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6-10кВ.- Сб.научных трудов Дон.ГТУ. Серия: электротехника и энергетика, вып.4:-Донецк: ДонГТУ, 1999г., с.221-226.