ДонНТУ   Портал магистров

Халявинская Анастасия Дмитриевна

Электротехнический факультет

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий и городов

Специальность «Электротехнические системы электропотребления»

Экспериментальный анализ токов замыкания на землю в сети 6 кВ

Научный руководитель: д.т.н., проф. Куренный Эдуард Григорьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Замыкание на землю в трёхпроводных сетях 6–10 кВ
• 1.1 Последствия металлического замыкания на землю
• 1.2 Последствия дугового замыкания на землю
• 1.3 Компенсация токов замыкания на землю
• 1.4 Релейная защита от замыканий на землю
• 2. Расчёт и измерение токов замыкания на землю
• 2.1 Расчет токов замыкания
• 2.2 Измерение токов замыкания
• 2.3 Осциллографирование токов замыкания
• Выводы
• Список источников

Введение

На промышленных предприятиях сети 6–10 кВ выполняются с изолированной нейтралью. В этих сетях замыкания на землю не являются короткими, потому при таком повреждении можно некоторое время продолжать работу. Однако, при замыканиях повышается напряжение на изоляции неповрежденных фаз и импульсные перенапряжения при замыкании через дугу. Перенапряжения могут вызвать пробой изоляции на другой фазе, что приводит к протеканию больших токов двойного замыкания на землю. Дуга может вызвать выгорание кабелей и железа двигателей. Для оценки воздействий токов замыкания на землю, необходимости их компенсации нужно знать величины токов замыкания. Этим обусловлена практическая актуальность работы.

В проектировании токи замыкания определяются расчётом без учёта переходных процессов, вызывающих импульсные перенапряжения. Научная актуальность работы обуславливается необходимостью разработки методов экспериментального анализа токов замыкания. В связи с этим необходимо решить следующие задачи:

• выполнить оцифровку осциллограмм токов и напряжений металлического и дугового замыканий;
• разработать динамическую модель осциллографического гальванометра (ОГ), который был использован при осциллографировании;
• выполнить коррекцию динамической погрешности осциллографирования;
• разработать математическую модель тока металлического замыкания на землю.

Результаты исследований будут использованы в учебном процессе и переданы ПАО «Концерн Стирол» (г. Горловка), где было выполнено осциллографирование.

1. Замыкание на землю в трёхпроводных сетях 6–10 кВ

1.1 Последствия металлического замыкания на землю

Система электроснабжения 6 кВ является системой IT с изолированной нейтралью. Для наглядности рассмотрим соединение вторичных обмоток силовых трансформаторов на заводских подстанциях (ПС) в звезду (рис. 1.1).

Каждая жила кабеля (или фаза двигателя) имеет емкость C_и изоляции относительно земли – заземленной оболочки (или заземленного корпуса). В нормальном режиме емкости соединены в звезду. Напряжения фаз относительно земли зависят от величины емкостей. Если они одинаковы, то напряжение каждой фазы равно фазному: U_ф = 6 / √3 = 3,46 кВ. Если изоляция одной фазы уменьшается, то ее напряжение относительно земли будет меньше фазного, а напряжения других фаз превышают фазное.

При металлическом замыкании на землю в первый момент протекает переходный процесс, который длится примерно четверть периода, т.е. 5 мс, а затем наступает установившийся режим.

В переходном режиме наблюдаются большие броски тока и импульсные перенапряжения. Так как длительность переходного режима очень мала, то броски тока не вызывают перегрева поврежденного кабеля. Однако перенапряжения могут вызвать пробой изоляции в любой другой точке сети. Такое двойное замыкание является близким к двухфазному короткому замыканию (КЗ) и, если не будет отключено релейной защитой, вызовет недопустимый перегрев в точках замыкания.

В установившемся режиме вследствие большого сопротивления изоляции ток замыкания I_C очень мал по сравнению с рабочими токами. Земля приобретает потенциал замкнувшейся фазы, поэтому напряжение на емкости этой фазы равно нулю, а на емкостях изоляции других фаз возрастает до линейного. Соответственно ток к обмоткам трансформатора протекает через изоляцию неповрежденных фаз, землю, точку замыкания (см. рис. 1.1). Ток, в основном, является емкостным.

Небольшая величина тока не приводит к перегреву поврежденного кабеля, поэтому можно продолжать работу без его отключения. Однако повышение напряжения в √3 раза на изоляции неповрежденных фаз также может вызвать двойное КЗ.

1.2 Последствия дугового замыкания на землю

В практике эксплуатации обычно происходят дуговые замыкания на землю. Здесь переходные процессы протекают при каждом загорании или погасании дуги. При этом возникают броски тока и импульсные перенапряжения. Дуги вызывают перегрев, а перенапряжения могут вызвать двойное замыкание на землю.

Негативные последствия зависят от величины тока замыкания. При большом токе перегрев больше, но перенапряжения меньше. Это объясняется тем, что в этом случае почти не происходит деионизации, дуга горит устойчиво, поэтому броски тока при появлении и обрыве дуги происходят с малой скоростью. При малых токах перегрев меньше, но перенапряжения больше.

Дуговые замыкания опаснее металлических, так как импульсные перенапряжения возникают не только в начальный период времени, а все время. Кроме того, дуга может привести к выгоранию кабеля и железа двигателя.

Дуговые замыкания отрицательно сказываются и на ограничителях перенапряжения (ОПН). При металлическом замыкании ОПН ограничивает импульсные перенапряжения только один раз – в начальный период. При дуговых же замыканиях ОПН срабатывает все время, поэтому он перегревается. Имелись случаи выхода ОПН из строя при дуговых замыканиях на землю.

1.3 Компенсация токов замыкания на землю

Для уменьшения вероятности выгорания кабелей и двигателей производят компенсацию токов замыкания на землю с помощью дугогасящего реактора (ДГР), который включается между нейтралью трансформатора и землей (рис. 1.2,а). При соединении обмоток трансформатора в треугольник реактор присоединяется к искусственно созданной нулевой точке, в качестве которой используется нейтраль обмотки вспомогательного трансформатора ВТ, соединенной в звезду с нулем (рис. 1.2,б).

Индуктивный ток I_L через ДГР протекает под действием фазного напряжения фазы С через точку замыкания З (пунктирные стрелки). На участке 0З он направлен навстречу току I_C, поэтому на этом участке происходит компенсация емкостного тока. Результирующий ток замыкания I_з = I_C – I_L.

Необходимость компенсации регламентируется п.1.2.16 ПУЭ [2,3]: в сетях 6 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях (ВЛ), при токах более 10 А; если таких опор нет, то более 30 А. Эта формулировка неудачная, так как создается впечатление, что требование компенсации якобы относится к ВЛ. На самом деле такую норму следует относить и к кабельным линиям, а именно [1]: при отсутствии вставки с ВЛ компенсация необходима при токах более 30 А, а при наличии вставки с ВЛ – в зависимости от вида опор (10 или 30 А).

Если токи замыкания не превышают допустимые значения, то компенсация все же может потребоваться, в первую очередь, если кабели давно находятся в эксплуатации.

Компенсация до уровня 5 % от 30 А, т.е. до 1,5 А, предотвращает тепловое разрушение кабелей или двигателей, а также уменьшает импульсные перенапряжения до 2,75U_ф, что считается неопасным для изоляции [4]. Однако при таких токах трудно обеспечить защиту от замыканий на землю.

Возможны три режима: недо-, пере- и полная компенсация. В первом случае индуктивный ток меньше емкостного, и ток замыкания остается емкостным; во втором – ток через ДГР больше емкостного, а ток замыкания будет индуктивным; в третьем случае реактивный ток равен нулю. Активную составляющую и высшие гармоники тока замыкания ДГР не компенсирует.

Дуга загорается как при недо-, так и при перекомпенсации. В [4] рекомендуется перекомпенсация, так как в этом режиме перенапряжения будут меньше. В пользу перекомпенсации следует добавить то, что при отсутствии автоматического регулирования индуктивного тока ДГР замыкание может произойти тогда, когда одна (или несколько) кабельных линий отключена. В этом случае емкостный ток будет меньше, а потому уровень перекомпенсации увеличивается. Увеличится и ток замыкания, что повышает чувствительность релейной защиты. Напротив, при недокомпенсации ее уровень уменьшается, уменьшается и ток замыкания.

Величину индуктивного тока можно регулировать разными способами. Наименее экономичным является изменение воздушного зазора сердечника ДГР. Чем больше зазор, тем меньше индуктивный ток. Регулирование – плавное.

Регулирование изменением числа витков является дискретным. При уменьшении количества витков уменьшается индуктивное сопротивление, а ток увеличивается.

Одним из эффективных способов является подмагничивание сердечника. Для этого во вспомогательную обмотку ДГР подается постоянный ток, магнитное поле которого уменьшает индуктивное сопротивление, а следовательно увеличивает индуктивный ток. Регулирование – плавное.

Ток можно плавно регулировать тиристорами, включенными в цепь ДГР. При этом изменяется напряжение на ДГР и ток, который является несинусоидальным. Влияние высших гармоник на эффективность компенсации изучено недостаточно.

В эксплуатации часть присоединений может отключаться, что приводит к изменению емкостного тока. Этот ток изменяется и по мере старения изоляции. Поэтому требуется подстройка ДГР для обеспечения установленного уровня тока замыкания. Она может производиться вручную при отключении присоединений с большими емкостными токами и периодически. Для автоматической подстройки необходимо знать возможный ток замыкания на землю при отсутствии замыкания. Для этой цели создается искусственная несимметрия путем подключения к одной фазе конденсатора (см. п. 2.2).

1.4 Релейная защита от замыканий на землю

Рассмотрим защиту с использованием измерительного трансформатора напряжения НТМИ.

Емкости изоляции жил кабеля относительно земли соединены в звезду (рис. 1.1). Если они одинаковы, то земля имеет нулевой потенциал. Поэтому между нейтралью питающего трансформатора (рис. 1.2,а) или вспомогательного трансформатора, создающего искусственный нуль (рис. 1.2,б), нет разности потенциалов, т.е. нет смещения нейтрали.

Если емкости разные, то потенциал земли будет отличаться от нуля, вследствие чего произойдет смещение нейтрали: между нейтралью и землей появится напряжение смещения. В результате и напряжения фаз относительно земли будут разными: на фазах с меньшими емкостями – меньше 6,3/√3 кВ, а с большими – больше. Например, при металлическом замыкании на землю емкость замкнувшейся фазы равна нулю, поэтому напряжение между этой фазой и землей уменьшается от фазного значения 6,3/√3 кВ до нуля, а между остальными фазами – возрастает до линейного 6,3 кВ.

Для удобства анализа несимметричную систему представляют в виде трех систем: прямой, обратной и нулевой последовательностей. Напряжения U₁ прямой последовательности одинаковы по величине, сдвинуты по фазам на 120^° с чередованием фаз А–В–С (рис. 1.3,а). Напряжения U₂ обратной последовательности также образуют симметричную систему трехфазных векторов, но с чередованием фаз А–С–В (рис. 1.3,б). Векторы напряжений нулевой последовательности совпадают по величине U₀ и по направлению (рис. 1.3,в).

В случае, когда между нейтралью какого-либо трансформатора и землей есть электрическая связь, под действием напряжения U₀ протекают токи I₀ нулевой последовательности. Обмотка высшего напряжения НТМИ соединена в звезду с заземленным нулем, поэтому цепь для протекания токов I₀ имеется.

Для выполнения релейной защиты [7] используется вторичная обмотка НТМИ, соединенная в разомкнутый треугольник (рис. 1.4). При замыкании на землю в каждой обмотке высшего напряжения, которые на рисунке не показаны, протекают одинаковые по величине и направлению токи I₀. Они создают магнитные потоки нулевой последовательности, которые наводят на вторичных обмотках напряжения U₀. Эти напряжения суммируются арифметически, поэтому на реле напряжения РН будет напряжение 3U₀.

Такая защита является неселективной, так как лишь фиксирует замыкание на землю, но не определяет место замыкания. Поэтому она работает на сигнал, но не отключение.

Если после сигнала путем осмотра не удается найти место замыкания, то для его обнаружения потребуется поочередное отключение кабельных линий – до тех пор, пока не исчезнет 3U₀. Такое отключение неповрежденных линий нарушает основное требование к системе электроснабжения – бесперебойность питания, поэтому помимо описанной защиты необходимо предусмотреть селективные защиты на присоединениях.

2. Расчёт и измерение токов замыкания на землю

2.1 Расчет токов замыкания

В проектировании рассчитывается [1] ток металлического замыкания на землю в установившемся режиме (п. 1.1).

Для ориентировочных расчетов в [1] рекомендуется формула для емкостного тока в А

где U – линейное напряжение в кВ, l_∑ – суммарная длина кабелей в км. Подставив сюда значение 6 кВ, получим

где коэффициент 0,6 имеет размерность А/км.

Исследования ДПИ, выполненные к.т.н. Л.Е. Дударевым, показали, что эта формула дает заниженные результаты. Им была предложена формула

которая при напряжении 6 кВ приобретает простой вид:

Исходными для точных расчетов являются удельные емкостные токи I_у кабелей в амперах на единицу длины кабеля, которые зависят от сечения F кабелей (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Удельные емкостные токи кабелей [1]

F, мм2	25	35	50	70	95	120	150	185	240
Iу, А/км	0,47	0,54	0,63	0,73	0,85	0,95	1,07	1,18	1,31

Независимо от того, как соединены кабели (последовательно или параллельно), емкостные токи от всех кабелей суммируются, так как емкости изоляции по отношению к земле всегда соединены параллельно.

Обозначим через j номер кабеля при их количестве n. При замыкании на землю кабель создает емкостный ток

Емкостный ток от n кабелей

Данные о емкостных токах от высоковольтных электродвигателей в литературе отсутствуют. В [5] даны значения емкостей на три фазы синхронных генераторов: 0,15 мкФ при активной мощности 6 МВт, 0,27 мкФ при 12 МВт. Будем считать, что такие же емкости имеют синхронные и асинхронные двигатели. По смыслу при нулевой мощности и емкость равна нулю. По трем парам значений мощности и емкости получим аппроксимирующее выражение

для емкости C_д в мкФ трех фаз двигателей 6 кВ с суммарной номинальной мощностью Р_н∑ в МВт.

Емкостный ток от двигателей 6 кВ

где ω = 100π – угловая частота в рад/с. При U = 6 кВ

Суммарный емкостный ток

Расчет переходных процессов в начальный период времени и при горении дуги практически невозможен.

2.2 Измерение токов замыкания

Способ создания искусственной емкостной несимметрии [1] заключается в подключении однофазного конденсатора емкостью C_доб между одной из фаз и землей. Величина этой емкости в мкФ

Измеряется напряжение U_доб в кВ между фазой с добавочной емкостью и землей, что позволяет определить ток замыкания на землю

Этот способ применим в сетях с ДГР и без него. Другие способы используются в сетях с ДГР. Способ смещения нейтрали заключается в том, что последовательно с ДГР включается трансформатор смещения нейтрали мощностью 2 кВА, 220/400, который питается от сети напряжением 220 В. Измеряется напряжение нулевой последовательности U₀ (на нейтрали) и ток I₀, протекающий через ДГР. Настройка ДГР должна быть как можно более близкой к резонансной. Емкостный ток замыкания на землю

Способ подключения сторонней ЭДС [1] заключается в том, что во вспомогательную обмотку ДГР включается маломощный трансформатор со вторичным напряжением 36 В. Напряжение на обмотке поддерживается неизменным в пределах 4–24 В. На каждой отпайке I_к ДГР измеряется ток I₀ во вспомогательной обмотке, что позволяет построить зависимость I_к от I₀. Она имеет резонансный минимум I_кmin, которому соответствует искомый ток I_C. Для получения надежных результатов кривую снимают при разных напряжениях.

В сети всегда имеется несимметрия емкостей изоляции фаз относительно земли. Она приводит к появлению ЭДС на ДГР при отсутствии замыканий [1]. На рис. 2.1 показана схема измерений, на которой ВТ – вспомогательный трансформатор, к которому подключается ДГР. Напряжение U₁ на вспомогательной обмотке ВО измеряется вольтметром со шкалой до 15 В, а напряжение U₂ на реакторе – вольтметром со шкалой 100 В. Измерения производят на каждой отпайке ДГР с током I_к. Полученные зависимости U₁(I_к) и U₂(I_к) имеют резонансные минимумы, которым соответствуют несколько отличающихся значений I_C. Для расчетов берется большее из них. Отметим, что можно измерять только одно напряжение, если его зависимость от I_к имеет четко выраженный резонансный максимум.

Наиболее точные результаты можно получить только опытным путем. Нужно лишь иметь в виду, что во время проведения опыта есть вероятность появления второго замыкания на землю. Поэтому опыт целесообразно производить при плановой остановке технологического процесса. В этом случае появление двойного замыкания на землю можно считать положительным фактором, так как при этом обнаруживается слабое место, а отключение поврежденного присоединения не приведет к технологическому ущербу.

Для измерений выделяется ячейка 6 кВ с выключателем В, в которой монтируется временная схема (рис. 2.2,а). Защита на выключателе настраивается на ток не выше 800 А с нулевой выдержкой времени. Используется фаза, на которой есть трансформатор тока. Для опытов лучше всего использовать отрезок кабеля, хотя для металлического замыкания можно соединить одну шину с землей переносным заземлением сечением не менее 25 мм².

В опыте металлического замыкания одна жила 1 кабеля присоединяется к шине ячейки, а вторая – к заземленной оболочке 2 кабеля (рис. 2.2,б) с помощью заземляющего проводника 3. Для опыта дугового замыкания в кабеле просверливается отверстие 4 небольшого диаметра (2–3 мм) – от оболочки до жилы 1. Отверстие заполняется водой для создания пути току в первый момент замыкания. Потом вода испаряется. Во время горения дуги над отверстием горит факел. Перемежающаяся дуга сопровождается сильными звуками.

Во время опыта записываются показания I_з амперметра и 3U₀ вольтметра. При необходимости для измерения активной составляющей тока замыкания подключается ваттметр.

2.3 Осциллографирование токов замыкания

Описанные в п. 2.2 способы дают информацию о действующих значениях токов и напряжений. Для получения данных о переходных режимах и точных значений тока замыкания в опытах целесообразно выполнять осциллографирование мгновенных значений i_з тока замыкания, u₀ напряжения нулевой последовательности и хотя бы одного напряжения неповрежденной фазы относительно земли.

Осциллографирование желательно выполнять цифровым осциллографом. Если используется гальванический осциллограф, то осциллограммы будут записаны с большой динамической погрешностью, которую следует скорректировать способом, описанным в статье [6]. Если при цифровом осциллографировании используются инерционные датчики тока и напряжения (включая и измерительные трансформаторы), то динамическая погрешность корректируется с использованием выражения (6) из [6].

В качестве исходных данных взяты некоторые результаты опыта замыкания на землю фазы С на ПС 123 при включенном ДГР. Осциллографировался ток металлического замыкания.

На рис. 2.3 представлена осциллограмма без коррекции динамической погрешности. Она позволяет выполнить качественный анализ начального периода замыкания и количественный анализ установившегося процесса замыкания, в котором погрешность мала.

Первая задача – найти аналитическое выражение для токов металлического замыкания на землю. На осциллограмме можно выделить три области протекания процесса i(t). В первой области – от 0 до ≈ 15 мс – наблюдается ярко выраженная высокочастотная составляющая. Вторая область – от 15 до ≈ 160 мс – ярко выраженная экспонента, на которую накладывается несинусоидальная составляющая, по внешнему виду периодическая. Свыше – установившийся периодический несинусоидальный процесс с длительностью цикла 0,02 с.

В соответствии с этим предложен следующий метод обработки. Вначале установившаяся составляющая представляется в виде суммы гармоник. Следующий этап – подбор экспоненты для второй области протекания процесса (рис. 2.4), где R² – величина достоверности аппроксимации.

Анализ показывает, что разность между i_з(t) и экспонентой дает i_у(t). Последний этап – считаем высокочастотную составляющую i_вч(t).

На рис. 2.5 пунктирными линиями показаны записанные графики тока, а сплошными – скорректированные. Как видно, инерционность ОГ уменьшает амплитуды тока и вызывает запаздывание по фазе. Наибольшие погрешности возникают в начале: первый максимум после коррекции составил 171,8 А, что в 3,2 раза больше записанного, первый минимум равен −65,5 А, в то время как был записан положительный минимум, а не отрицательный. Величина минимума занижена в 2,74 раза. Последующие экстремумы регистрировались с уменьшающимися погрешностями, а в установившемся режиме погрешность невелика.

В переходном режиме (рис. 2.5,б) синусоидальная составляющая 50 Гц (первая гармоника) практически не видна, а в установившемся режиме (рис. 2.5,а) она визуально обнаруживается, хотя и существенно искажена высшими гармониками.

В работе также планируется выполнить анализ осциллограммы при опыте дугового замыкания на землю.

Выводы

1. Используемый в проектировании метод прогнозирования емкостных токов в сетях 6–10 кВ не дает объективной информации о величине токов и особенно о переходных процессах.
2. Для обоснования необходимости и оценки эффективности компенсации токов замыкания на землю необходимо выполнение опытов металлического и дугового замыканий.
3. Осциллографические гальванометры вносят динамическую погрешность в результаты осциллографирования. Для её компенсации необходимо выполнить коррекцию измерений, считая гальванометр апериодическим звеном первого порядка.
4. Математическое описание процесса металлического замыкания на землю предлагается выполнить поэтапно. В установившемся режиме процесс изменения тока представляется в виде ряда Фурье. После вычитания этого процесса из скорректированной осциллограммы тока замыкания переходный процесс целесообразно аппроксимировать суммой экспонент и экспоненциальносинусоидальной функциями.
5. Математическое описание (п. 4) позволяет разработать динамическую модель сети в виде элементарных звеньев, а также выполнить их параметрическую идентификацию.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Справочник по электроустановкам высокого напряжения / Под ред. И.А. Баумштейна и В.М. Хомякова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 656 с.
2. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.
3. Правила устройства электроустановок. – Х.: «Форт», 2009. – 704 с.
4. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия, 1971. – 152 с.
5. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.
6. Куренный Э.Г., Дмитриева Е.Н., Вальков Н.Г. Динамические погрешности осциллографирования электроэнергетических процессов и их коррекция // Энергетика и электрификация. – 1997. – №3. – С. 33-36.
7. Чернобровов Н.В. Релейная защита. – М.: Энергия, 1971. – 624 с.