ДонНТУ   Портал магістрів

Халявінська Анастасія Дмитрівна

Електротехнічний факультет

Кафедра електропостачання промислових підприємств та міст

Спеціальність Електротехнічні системи електроспоживання

Експериментальний аналіз струмів замикання на землю в мережі 6 кВ

Науковий керівник: д.т.н., проф. Курінний Едуард Григорович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Замикання на землю в трипровідних мережах 6–10 кВ
• 1.1 Наслідки металевого замикання на землю
• 1.2 Наслідки дугового замикання на землю
• 1.3 Компенсація струмів замикання на землю
• 1.4 Релейний захист від замикань на землю
• 2. Розрахунок і вимір струмів замикання на землю
• 2.1 Розрахунок струмів замикання
• 2.2 Вимірювання струмів замикання
• 2.3 Осцилографування струмів замикання
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

На промислових підприємствах мережі 6–10 кВ виконуються з ізольованою нейтраллю. У цих мережах замикання на землю не є короткими, тому при такому пошкодженні можна якийсь час продовжувати роботу. Однак, при замиканнях підвищується напруга на ізоляції непошкоджених фаз і імпульсні перенапруги при замиканні через дугу. Перенапруги можуть викликати пробій ізоляції на іншій фазі, що призводить до протікання великих струмів подвійного замикання на землю. Дуга може викликати вигорання кабелів і заліза двигунів. Для оцінки впливів струмів замикання на землю, необхідності їх компенсації потрібно знати величини струмів замикання. Цим обумовлена практична актуальність роботи.

У проектуванні струми замикання визначаються розрахунком без урахування перехідних процесів, що викликають імпульсні перенапруги. Наукова актуальність роботи обумовлюється необхідністю розробки методів експериментального аналізу струмів замикання. У зв'язку з цим необхідно вирішити такі завдання:

• виконати оцифровку осцилограм струмів і напруг металевого і дугового замикань;
• розробити динамічну модель осцилографічного гальванометра (ОГ), який був використаний при осцилографуванні;
• виконати корекцію динамічної похибки осцилографування;
• розробити математичну модель струму металевого замикання на землю.

Результати досліджень будуть використані в навчальному процесі та передані ПАТ Концерн Стирол (м. Горлівка), де було виконано осцилографування.

1. Замикання на землю в трипровідних мережах 6–10 кВ

1.1 Наслідки металевого замикання на землю

Система електропостачання 6 кВ є системою IT з ізольованою нейтраллю. Для наочності розглянемо з'єднання вторинних обмоток силових трансформаторів на заводських підстанціях (ПС) у зірку (рис. 1.1).

Кожна жила кабелю (або фаза двигуна) має ємність C_і ізоляції відносно землі – заземленої оболонки (або заземленого корпусу). У нормальному режимі ємності з'єднані в зірку. Напруги фаз щодо землі залежать від величини ємностей. Якщо вони однакові, то напруга кожної фази дорівнює фазній: U_ф = 6 / √3 = 3,46 кВ. Якщо ізоляція однієї фази зменшується, то її напруга щодо землі буде менше фазної, а напруги інших фаз перевищують фазну.

При металевому замиканні на землю в перший момент протікає перехідний процес, який триває приблизно чверть періоду, тобто 5 мс, а потім настає усталений режим.

У перехідному режимі спостерігаються великі кидки струму та імпульсні перенапруги. Так як тривалість перехідного режиму дуже мала, то кидки струму не викликають перегрівання пошкодженого кабелю. Однак перенапруги можуть викликати пробій ізоляції в будь-який інший точці мережі. Таке подвійне замикання є близьким до двофазного короткого замикання (КЗ) і, якщо не буде відключено релейним захистом, викличе неприпустимий перегрів у точках замикання.

В усталеному режимі внаслідок великого опору ізоляції струм замикання I_C дуже малий у порівнянні з робочими струмами. Земля набуває потенціалу фази, що замкнулась, тому напруга на ємності цієї фази дорівнює нулю, а на ємностях ізоляції інших фаз зростає до лінійної. Відповідно струм до обмоток трансформатора протікає через ізоляцію непошкоджених фаз, землю, точку замикання (див. рис. 1.1). Струм, в основному, є ємнісним.

Невелика величина струму не призводить до перегріву пошкодженого кабелю, тому можна продовжувати роботу без його відключення. Однак підвищення напруги в √3 рази на ізоляції непошкоджених фаз також може викликати подвійне КЗ.

1.2 Наслідки дугового замикання на землю

У практиці експлуатації зазвичай відбуваються дугові замикання на землю. Тут перехідні процеси протікають при кожному загоранні або згасанні дуги. При цьому виникають кидки струму і імпульсні перенапруги. Дуги викликають перегрів, а перенапруги можуть викликати подвійне замикання на землю.

Негативні наслідки залежать від величини струму замикання. При великому струмі перегрів більше, але перенапруги менше. Це пояснюється тим, що в цьому випадку майже не відбувається деіонізації, дуга горить стійко, тому кидки струму при появі та обриві дуги відбуваються з малою швидкістю. При малих струмах перегрів менше, але перенапруги більше.

Дугові замикання небезпечніші ніж металеві, так як імпульсні перенапруги виникають не тільки в початковий період часу, а весь час. Крім того, дуга може призвести до вигорання кабелю і заліза двигуна.

Дугові замикання негативно позначаються й на обмежувачах перенапруги (ОПН). При металевому замиканні ОПН обмежує імпульсні перенапруги тільки один раз – у початковий період. При дугових замиканнях ОПН спрацьовує весь час, тому він перегрівається. Були випадки виходу ОПН з ладу при дугових замиканнях на землю.

1.3 Компенсація струмів замикання на землю

Для зменшення ймовірності вигорання кабелів і двигунів здійснюють компенсацію струмів замикання на землю за допомогою дугогасильного реактора (ДГР), який включається між нейтраллю трансформатора та землею (рис. 1.2, а). При з'єднанні обмоток трансформатора в трикутник реактор приєднується до штучно створеної нульової точки, в якості якої використовується нейтраль обмотки допоміжного трансформатора ДТ, з'єднаної в зірку з нулем (рис. 1.2,б).

Індуктивний струм I_L через ДГР протікає під дією фазної напруги фази С через точку замикання З (пунктирні стрілки). На ділянці 0З він спрямований назустріч струму I_C, тому на цій ділянці відбувається компенсація ємнісного струму. Результуючий струм замикання I_з = I_C – I_L.

Необхідність компенсації регламентується п.1.2.16 ПУЕ [2,3]: в мережах 6 кВ, що мають залізобетонні та металеві опори на повітряних лініях (ПЛ), при струмах більше 10 А; якщо таких опор немає, то більше 30 А. Це формулювання невдале, оскільки створюється враження, що вимога компенсації нібито відноситься до ПЛ. Насправді таку норму слід відносити і до кабельних ліній, а саме [1]: за відсутності вставки з ПЛ компенсація необхідна при струмах більше 30 А, а за наявності вставки з ПЛ – залежно від виду опор (10 або 30 А).

Якщо струми замикання не перевищують допустимі значення, то компенсація все ж може знадобитися, в першу чергу, якщо кабелі давно знаходяться в експлуатації.

Компенсація до рівня 5 % від 30 А, тобто до 1,5 А, запобігає теплове руйнування кабелів або двигунів, а також зменшує імпульсні перенапруги до 2,75U_ф, що вважається безпечним для ізоляції [4]. Однак при таких струмах важко забезпечити захист від замикань на землю.

Можливі три режими: недо-, пере- та повна компенсація. У першому випадку індуктивний струм менше ємнісного, і струм замикання залишається ємнісним, у другому – струм через ДГР більше ємнісного, а струм замикання буде індуктивним; в третьому випадку реактивний струм дорівнює нулю. Активну складову і вищі гармоніки струму замикання ДГР не компенсує.

Дуга загорається як при недо-, так і при перекомпенсації. В [4] рекомендується перекомпенсація, так як в цьому режимі перенапруги будуть меншими. На користь перекомпенсації слід додати те, що за відсутності автоматичного регулювання індуктивного струму ДГР замикання може статися тоді, коли одна (або кілька) кабельних ліній відключена. У цьому випадку ємнісний струм буде менше, а тому рівень перекомпенсації збільшується. Збільшиться і струм замикання, що підвищує чутливість релейного захисту. Навпаки, при недокомпенсації її рівень зменшується, зменшується і струм замикання.

Величину індуктивного струму можна регулювати різними способами. Найменш економічним є зміна повітряного зазору осердя ДГР. Чим більше зазор, тим менше індуктивний струм. Регулювання – плавне.

Регулювання зміною числа витків є дискретним. При зменшенні кількості витків зменшується індуктивний опір, а струм збільшується.

Одним з ефективних способів є підмагнічування осердя. Для цього в допоміжну обмотку ДГР подається постійний струм, магнітне поле якого зменшує індуктивний опір, а отже збільшує індуктивний струм. Регулювання – плавне.

Струм можна плавно регулювати тиристорами, включеними у коло ДГР. При цьому змінюється напруга на ДГР і струм, який є несинусоїдальними. Вплив вищих гармонік на ефективність компенсації вивчено недостатньо.

В експлуатації частина приєднань може відключатися, що призводить до зміни ємнісного струму. Цей струм змінюється і у міру старіння ізоляції. Тому потрібно підстроювання ДГР для забезпечення встановленого рівня струму замикання. Воно може здійснюватися вручну при відключенні приєднань з великими ємнісними струмами і періодично. Для автоматичного підстроювання необхідно знати можливий струм замикання на землю при відсутності замикання. Для цієї мети створюється штучна несиметрія шляхом підключення до однієї фази конденсатора (див. п. 2.2).

1.4 Релейний захист від замикань на землю

Розглянемо захист з використанням вимірювального трансформатора напруги НТМІ.

Ємності ізоляції жил кабелю відносно землі з'єднані в зірку (рис. 1.1). Якщо вони однакові, то земля має нульовий потенціал. Тому між нейтраллю живильного трансформатора (рис. 1.2,а) або допоміжного трансформатора, що створює штучний нуль (рис. 1.2,б), немає різниці потенціалів, тобто немає зсуву нейтралі.

Якщо ємності різні, то потенціал землі буде відрізнятися від нуля, внаслідок чого відбудеться зміщення нейтралі: між нейтраллю і землею з'явиться напруга зсуву. В результаті і напруги фаз щодо землі будуть різними: на фазах з меншими ємностями – менше 6,3/√3 кВ, а з більшими – більше. Наприклад, при металевому замиканні на землю ємність фази, що замкнулась дорівнює нулю, тому напруга між цією фазою і землею зменшується від фазного значення 6,3/√3 кВ до нуля, а між іншими фазами – зростає до лінійного 6,3 кВ.

Для зручності аналізу несиметричну систему представляють у вигляді трьох систем: прямої, зворотної та нульової послідовностей. Напруги U₁ прямої послідовності однакові за величиною, зрушені по фазах на 120^° з чергуванням фаз А–В–С (рис. 1.3,а). Напруги U₂ зворотної послідовності також утворюють симетричну систему трифазних векторів, але з чергуванням фаз А–С–В (рис. 1.3,б). Вектори напруг нульової послідовності збігаються за величиною U₀ і за напрямом (рис. 1.3,в).

У разі, коли між нейтраллю трансформатора і землею є електричний зв'язок, під дією напруги U₀ протікають струми I₀ нульової послідовності. Обмотка вищої напруги НТМІ з'єднана в зірку з заземленим нулем, тому коло для протікання струмів I₀ є.

Для виконання релейного захисту [7] використовується вторинна обмотка НТМІ, поєднана в розімкнений трикутник (рис. 1.4). При замиканні на землю в кожній обмотці вищої напруги, які на рисунку не показані, протікають однакові за величиною і напрямком струми I₀. Вони створюють магнітні потоки нульової послідовності, які наводять на вторинних обмотках напруги U₀. Ці напруги сумуються арифметично, тому на реле напруги РН буде напруга 3U₀.

Такий захист є неселективним, так як лише фіксує замикання на землю, але не визначає місце замикання. Тому він працює на сигнал, але не відключення.

Якщо після сигналу шляхом огляду не вдається знайти місце замикання, то для його виявлення буде потрібно почергове відключення кабельних ліній – до тих пір, поки не зникне 3U₀. Таке відключення непошкоджених ліній порушує основну вимогу до системи електропостачання – безперебійність живлення, тому крім описаного захисту необхідно передбачити селективний захист на приєднаннях.

2. Розрахунок і вимір струмів замикання на землю

2.1 Розрахунок струмів замикання

У проектуванні розраховується [1] струм металевого замикання на землю в усталеному режимі (п. 1.1).

Для орієнтовних розрахунків у [1] рекомендується формула для ємнісного струму в А

де U – лінійна напруга в кВ, l_∑ – сумарна довжина кабелів в км. Підставивши сюди значення 6 кВ, отримаємо

де коефіцієнт 0,6 має розмірність А/км.

Дослідження ДПІ, виконані к.т.н. Л.Є. Дударєвим, показали, що ця формула дає занижені результати. Їм була запропонована формула

яка при напрузі 6 кВ набуває простий вигляд:

Вихідними для точних розрахунків є питомі ємнісні струми I_п кабелів в амперах на одиницю довжини кабелю, які залежать від перерізу F кабелів (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 – Питомі ємнісні струми кабелів [1]

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

Незалежно від того, як сполучені кабелі (послідовно або паралельно), ємнісні струми від усіх кабелів сумуються, так як ємності ізоляції стосовно землі завжди з'єднані паралельно.

Позначимо через j номер кабелю при їх кількості n. При замиканні на землю кабель створює ємнісний струм

Ємнісний струм від n кабелів

Дані про ємнісні струми від високовольтних електродвигунів в літературі відсутні. В [5] приведені значення ємностей на три фази синхронних генераторів: 0,15 мкФ при активній потужності 6 МВт, 0,27 мкФ при 12 МВт. Будемо вважати, що такі ж ємності мають синхронні і асинхронні двигуни. За сенсом при нульовій потужності і ємність дорівнює нулю. По трьох парах значень потужності і ємності отримаємо апроксимуючий вираз

для ємності C_д в мкФ трьох фаз двигунів 6 кВ з сумарною номінальною потужністю Р_н∑ в МВт.

Ємнісний струм від двигунів 6 кВ

де ω = 100π – кутова частота в рад/с. При U = 6 кВ

Сумарний ємнісний струм

Розрахунок перехідних процесів у початковий період часу і при горінні дуги практично неможливий.

2.2 Вимірювання струмів замикання

Спосіб створення штучної ємнісної несиметрії [1] полягає в підключенні однофазного конденсатора ємністю C_дод між однією з фаз і землею. Величина цієї ємності в мкФ

Вимірюється напруга U_дод в кВ між фазою з додатковою ємністю і землею, що дозволяє визначити струм замикання на землю

Цей спосіб застосовується в мережах з ДГР і без нього. Інші способи використовуються в мережах з ДГР. Спосіб зсуву нейтралі полягає в тому, що послідовно з ДГР включається трансформатор зсуву нейтралі потужністю 2 кВА, 220/400, який живиться від мережі напругою 220 В. Вимірюється напруга нульової послідовності U₀ (на нейтрали) і струм I₀, що протікає через ДГР. Налаштування ДГР повинно бути якомога ближчим до резонансного. Ємнісний струм замикання на землю

Спосіб підключення сторонньої ЕРС [1] полягає в тому, що в допоміжну обмотку ДГР встановлюється малопотужний трансформатор з вторинною напругою 36 В. Напруга на обмотці підтримується незмінною в межах 4–24 В. На кожній отпайці I_к ДГР вимірюється струм I₀ в допоміжній обмотці, що дозволяє побудувати залежність I_к від I₀. Вона має резонансний мінімум I_кmin, якому відповідає шуканий струм I_C. Для отримання надійних результатів криву знімають при різних напругах.

У мережі завжди є несиметрія ємностей ізоляції фаз відносно землі. Вона призводить до появи ЕРС на ДГР за відсутності замикань [1]. На рис. 2.1 показана схема вимірювань, на якій ДТ – допоміжний трансформатор, до якого підключається ДГР. Напруга U₁ на допоміжній обмотці ДО вимірюється вольтметром зі шкалою до 15 В, а напруга U₂ на реакторі – вольтметром зі шкалою 100 В. Вимірювання проводять на кожній отпайці ДГР зі струмом I_к. Отримані залежності U₁(I_к) та U₂(I_к) мають резонансні мінімуми, яким відповідають кілька відмінних значень I_C. Для розрахунків береться більше з них. Відзначимо, що можна вимірювати тільки одну напругу, якщо її залежність від I_к має чітко виражений резонансний максимум.

Найбільш точні результати можна отримати тільки дослідним шляхом. Потрібно лише мати на увазі, що під час проведення досліду є ймовірність появи другого замикання на землю. Тому дослід доцільно проводити при плановій зупинці технологічного процесу. У цьому випадку появу подвійного замикання на землю можна вважати позитивним фактором, оскільки при цьому виявляється слабке місце, а відключення пошкодженого приєднання не приведе до технологічного збитку.

Для вимірювань виділяється чарунка 6 кВ з вимикачем В, в якій монтується тимчасова схема (рис. 2.2,а). Захист на вимикачі налаштовується на струм не вище 800 А з нульовою витримкою часу. Використовується фаза, на якій є трансформатор струму. Для дослідів краще всього використовувати відрізок кабелю, хоча для металевого замикання можна з'єднати одну шину з землею переносним заземленням перетином не менше 25 мм².

У досліді металевого замикання одна жила 1 кабелю приєднується до шини чарунки, а друга – до заземленої оболонки 2 кабелю (рис. 2.2,б) за допомогою заземлювального провідника 3. Для досліду дугового замикання в кабелі просверлюється отвір 4 невеликого діаметра (2–3 мм) – від оболонки до жили 1. Отвір заповнюється водою для створення шляху струму в перший момент замикання. Потім вода випаровується. Під час горіння дуги над отвором горить факел. Переміжна дуга супроводжується сильними звуками.

Під час досліду записуються показання I_з амперметра і 3U₀ вольтметра. При необхідності для вимірювання активної складової струму замикання підключається ватметр.

2.3 Осцилографування струмів замикання

Описані в п. 2.2 способи дають інформацію про діючі значеннях струмів і напруг. Для отримання даних про перехідні режими і точних значень струму замикання в дослідах доцільно виконувати осцилографування миттєвих значень i_з струму замикання, u₀ напруги нульової послідовності і хоча б однієї напруги неушкодженої фази щодо землі.

Осцилографування бажано виконувати цифровим осцилографом. Якщо використовується гальванічний осцилограф, то осцилограми будуть записані з великою динамічною похибкою, яку слід скорегувати способом, описаним у статті [6]. Якщо при цифровому осцилографуванні використовуються інерційні датчики струму і напруги (включаючи і вимірювальні трансформатори), то динамічна похибка коригується з використанням виразу (6) з [6].

В якості вихідних даних взяті деякі результати досліду замикання на землю фази С на ПС 123 при включеному ДГР. Осцилографувався струм металевого замикання.

На рис. 2.3 представлена осцилограма без корекції динамічної похибки. Вона дозволяє виконати якісний аналіз початкового періоду замикання і кількісний аналіз усталеного процесу замикання, в якому похибка мала.

Перше завдання – знайти аналітичний вираз для струмів металевого замикання на землю. На осцилограмі можна виділити три області протікання процесу i(t). У першій області – від 0 до ≈ 15 мс – спостерігається яскраво виражена високочастотна складова. Друга область – від 15 до ≈ 160 мс – яскраво виражена експонента, на яку накладається несинусоїдальна складова, за зовнішнім виглядом періодична. Понад – усталений періодичний несинусоїдальний процес з тривалістю циклу 0,02 с.

Відповідно до цього запропоновано наступний метод обробки. Спочатку усталена складова представляється у вигляді суми гармонік. Наступний етап – підбір експоненти для другої області протікання процесу (рис. 2.4), де R² – величина достовірності апроксимації.

Аналіз показує, що різниця між i_з(t) та експонентою дає i_у(t). Останній етап – рахуємо високочастотну складову i_вч(t).

На рис. 2.5 пунктирними лініями показані записані графіки струму, а суцільними – скориговані. Як видно, інерційність ОГ зменшує амплітуди струму і викликає запізнювання по фазі. Найбільші похибки виникають на початку: перший максимум після корекції склав 171,8 А, що в 3,2 рази більше записаного, перший мінімум дорівнює −65,5 А, в той час як був записаний невід'ємний мінімум, а не від'ємний. Величина мінімуму занижена в 2,74 рази. Наступні екстремуми реєструвалися з похибками, що зменшувались, а в усталеному режимі похибка невелика.

У перехідному режимі (рис. 2.5,б) синусоїдальна складова 50 Гц (перша гармоніка) практично не видна, а в усталеному режимі (рис. 2.5,а) вона візуально виявляється, хоча й істотно викривлена вищими гармоніками.

У роботі також планується виконати аналіз осцилограми при досліді дугового замикання на землю.

Висновки

1. Метод прогнозування ємнісних струмів в мережах 6–10 кВ, що використовується у проектуванні, не дає об'єктивної інформації про величину струмів і особливо про перехідні процеси.
2. Для обгрунтування необхідності та оцінки ефективності компенсації струмів замикання на землю необхідно виконання дослідів металевого і дугового замикань.
3. Осцилографічні гальванометри вносять динамічну похибку в результати осцилографування. Для її компенсації необхідно виконати корекцію вимірювань, вважаючи гальванометр апериодичною ланкою першого порядку.
4. Математичний опис процесу металевого замикання на землю пропонується виконати поетапно. В усталеному режимі процес зміни струму представляється у вигляді ряду Фур'є. Після вирахування цього процесу із скоригованої осцилограми струму замикання перехідний процес доцільно апроксимувати сумою експонент і експоненциальносинусоїдальною функціями.
5. Математичний опис (п. 4) дозволяє розробити динамічну модель мережі у вигляді елементарних ланок, а також виконати їх параметричну ідентифікацію.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

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.