ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ 6 … 35 кВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ, КОМПЕНСИРОВАННОЙ И ЗАЗЕМЛЕННОЙ ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР НЕЙТРАЛЯМИ
М.А.Короткевич, А.М.Протас
Учреждение «Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций» МЧС Республики Беларусь
В Республике Беларусь в электрических сетях напряжением 6…35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или компенсацией емкостных токов, главное преимущество которых наиболее эффективно реализуется в воздушных сетях и состоит в возможности обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей в течение определенного времени при однофазных замыканиях на землю, постепенно внедряется заземление нейтрали через резистор и немедленное отключение линий с возникшими на них однофазными замыканиями на землю.
Рассмотрим уровни перенапряжений, имеющие место при металлических и дуговых замыканиях на землю в сети с различными способами заземления нейтрали.
Сеть с изолированной нейтралью . При металлическом замыкании фазы на землю, напряжение замкнувшейся фазы считается равным нулю, а напряжение смещения нейтрали UN достигает фазного значения. Тогда напряжение поврежденных фаз относительно земли становятся равными линейным значениям и остаются такими до прекращения однофазного замыкания на землю.
Относительно протекания процесса повторных дуговых зажиганий на землю в литературе существуют различные мнения, связанные с продолжительностью горения дуги (половина периода промышленной или собственной частоты), возникающих уровнях перенапряжений на поврежденных и здоровых фазах, а также значений напряжений смещения нейтрали в момент первого и повторного зажиганий заземляющей дуги.
Укажем наиболее часто встречающиеся оценки отмеченных параметров. (табл. 1). При этом объяснения процесса горения дуги по всем указанным в таб. 1 теориям, начинается с того, что первое зажигание дуги происходит при максимальном отрицательном значении напряжения поврежденной фазы. Повторные же зажигания дуги представляются в виде металлических замыканий. Так как высокочастотный ток в переходном процессе больше емкостного тока частотой 50 Гц, то обрыв дуги совершается в момент перехода через нуль высокочастотного тока, т.е. в момент максимума напряжения высокочастотных колебаний.
По теории У. Петерена [1], частота собственных колебаний при зажигании дуги f1 определяется суммарной индуктивностью цепи замыкания на землю (1,5L) и емкостями неповрежденных фаз 2С.
Таблица 1 – Изменение напряжений смещения нейтрали, поврежденных и неповрежденных фаз дуговых замыканий в сетях с изолированной нейтралью
Напряжения фаз UА, UВ, UС и нейтрали UN |
Напряжение фаз по отношению к номинальному фазному напряжению в момент времени |
Продолжительность горения заземляющей дуги, с |
Периодичность повторных зажиганий дуги, с |
Примечание |
|||||
Предшествующе-го замыкания |
Замыкания фазы на землю |
Погасания заземляющей дуги |
Предшествующий повторному зажиганию дуги |
Повторного зажигания дуги |
Повторного погасания дуги |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
UА |
0,5 |
2,5 |
2,17 |
1,17 |
-0,5 |
-4,17 |
1/2f1 |
0,01 |
Теория Петерсена [1] |
UВ |
0,5 |
2,5 |
2,17 |
1,17 |
-0,5 |
-4,17 |
|||
UС |
-1,0 |
0 |
0,67 |
2,67 |
0 |
-3,6 |
|||
UN |
0 |
1,67 |
1,67 |
1,67 |
-0,3 |
-2,78 |
|||
UА |
0,5 |
2,5 |
-1,5 |
-0,5 |
-0,5 |
3,5 |
0,01 |
0,02 |
Теория Д. Петерса, Х. Слепяна [1] |
UВ |
0,5 |
2,5 |
-1,5 |
-0,5 |
-0,5 |
3,5 |
|||
UС |
-1,0 |
0 |
0 |
0 |
-2,0 |
0 |
|||
UN |
0 |
0 |
-1,0 |
-1,0 |
-1,0 |
-1,0 |
|||
UА |
1,0 |
0 |
0 |
1,0 |
0 |
0 |
1/2f1 |
0,01 |
По данным [2] |
UВ |
0,5 |
1,5 |
2,3 |
-0,5 |
-1,5 |
-3,5 |
|||
UС |
0,5 |
1,5 |
2,3 |
-0,5 |
-1,5 |
-3,5 |
|||
UN |
0 |
1,0 |
1,5 |
0 |
-1,0 |
-2,3 |
При учете затухания в контуре с сопротивлением r и междуфазных емкостей См, предельные значения перенапряжений достигают 3,9Uфм, а наибольшее напряжение на поврежденной фазе равно 3,6Uфм.
Представление повторных зажиганий дуги в виде металлических замыканий освобождает от необходимости учета у дуги вольт-амперной зависимости и позволяет рассматривать напряжение на дуге с четко выраженными пиками гашения и зажигания.
Из табл. 1 видно, что после каждого гашения дуги по теории У. Петерсена имеет место постоянное нарастание напряжения смещения нейтрали. Восстановление напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги имеет колебательный характер с высокочастотным пиком, превышающим величину фазного напряжения. После полупериода перенапряжения изменяют свой знак.
Так как электрическая прочность промежутка в месте повреждения ограничена, то ограничены колебания напряжений на емкостях неповрежденных фаз и напряжения смещения нейтрали. Следовательно, значения дуговых перенапряжений тоже имеют свой предел.
По теории Дж. Петерса и Х. Слепяна, максимальное перенапряжения на здоровых фазах достигают 3,5Uфм; на поврежденной (-2Uфм); напряжение смещения нейтрали после каждого гашения дуги (-Uфм). Перенапряжения знака не изменяют.
С учетом затуханий свободных колебаний, максимальные перенапряжения не превышают (3,0-3,1Uфм).
В соответствии с [2] максимальные значения напряжения поврежденных фаз при первом зажигании дуги составляет 2,3Uфм, при повторном значении -3,5U фм.
Данные табл. 1 указывают на различные в оценках изменения напряжения в переходных процессах при дуговых замыканиях на поврежденных фазах (от 0 до (-3,6U ф)), неповрежденных фазах (от 0,5Uф до
(-4,1Uф)), нейтрали (от 0 до (-2,78Uф)).
Для нормальной изоляции перенапряжения большой опасности не представляют, но они охватывают всю сеть и продолжаются до тех пор, пока не ликвидируется дуговое замыкание перемежающего характера. При наличии элементов сети с ослабленной изоляцией, дуговые перенапряжения могут приводить к междуфазным перекрытиям, вызывающим их аварийное отключение.
Сеть с компенсированной нейтралью.
Рациональным режимом работы дугогасящих реакторов считается режим их резонансной настройки, т.е. когда имеет место резонанс (равенство) емкостных токов линии и сдвинутого по отношению к нему на 180о индукционного тока, создаваемого катушкой реактора.
Максимальная длительность работы реактора при наибольшем токе и номинальном напряжении не должна превышать 6 часов.
Считается, что резонансная настройка дугогасящего реактора обеспечит минимальный ток в месте замыкания, минимальную скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги и минимальный уровень дуговых перенапряжений.
Однако в практике эксплуатации электрических сетей обеспечить режим резонансной настройки дугогасящих аппаратов не представляется возможным. Это связано с тем, что емкость сети, подключенная к данной секции шин напряжением 10 или 35 кВ центров питания или подстанций непрерывно изменяется за счет отключения отдельных линий для плановых и аварийных ремонтов, а также подключения новых линий или включения линий после выполнения на них работ технического обслуживания и ремонта. В условиях непрерывного изменения емкости сети и отсутствия системы плавной автоматической настройки компенсации, резонанс емкостных токов линий и индукционного тока реактора не может быть оперативно обеспечен в каждый момент времени.
Расстройка полной компенсации приводит к увеличению тока в месте повреждения и опасности появления значительных перенапряжений. Так, в электрической сети одного города за три года было зафиксировано 36 случаев одновременного повреждения нескольких (от 2 до 14 участков) питающих или распределительных линий напряжением 10 кВ, отходящих от одной и той же секции шин центра питания из-за перенапряжений на шинах 10 кВ центра питания и на шинах 10 кВ распределительных пунктов, возникших при однофазном замыканиях на кабельных линиях в условиях расстройки компенсации емкостных токов дугогасящими реакторами. Особенно вероятны такие перенапряжения при несимметрии емкостных проводимостей линий или появления фазных режимов (например, недовключения или неодновременного включения в цепи заземляющих трансформаторов контактов фаз выключателей, обрыве токоведущего проводника. Ток расстройки на практике в ряде случаев, оказывается достаточным и для поддержания горения заземляющей дуги.
При применении дугогасящих реакторов основные недостатки сети с изолированной нейтралью те только не устраняются, но и дополняются специфическими недостатками, а именно увеличением в (20…100) раз напряжения смещения нейтрали при несимметрии фазных проводимостей, большей опасностью для изоляции неполнофазных режимов, более сложной релейной защитой и ограниченной продолжительностью работы реактора (до 6 часов).
Сеть с заземленной через резистор нейтралью.
Так как в настоящее время сети напряжением (6-10) кВ и 35 кВ достаточно надежны (имеется резервирование как на данном, так и на более высоком или более низком напряжениях, средства автоматического ввода резерва и т.п.), то будем рассматривать лишь возможность немедленного автоматического отключения однофазных замыканий.
Следовательно значение электрического сопротивления резистора должно выбираться исходя из необходимости гашения дуги, возникшей в месте повреждения, путем отключения места повреждения и дальнейшего восстановления диэлектрических свойств изоляции за время бестоковой паузы системы автоматического повторного включения.
Включение резистора в изолированную нейтраль сети приводит к появлению активного тока замыкания и увеличению в (1,2…2,0) раза тока замыкания на землю, а также к снижению напряжения смещения нейтрали, имеющее место из-за несимметрии емкостей фаз сети.
Однако при учете индуктивного сопротивления заземляющего трансформатора и большого активного сопротивления в месте однофазного замыкания, соответствующего обрыву провода с касанием его земли, ток замыкания на землю снижается более чем в два раза по сравнению с током замыкания в случае металлического соединения фазного провода с землей.
До отключения однофазного замыкания на землю (расчетной продолжительностью до 10 с) в сети с нейтралью, заземленной через резистор, также как и в сети с изолированной нейтралью, будет происходить горение дуги и перенапряжения по значению такие же как при первом зажигании дуги, будут также воздействовать на изоляцию.
Нами показано [3], что апериодическое затухание высокочастотных колебаний на поврежденных фазах реальной сети достигается при сопротивлении резистора в нейтрали не менее 100 и 400 Ом (соответственно в сети с кабельными и воздушными линиями напряжением 10 кВ) и 200 Ом (в сети с воздушными линиями напряжением 35 кВ).
Подключенный к сети резистор разрядит ее емкость за время, меньшее полупериода промышленной частоты, что указывает также на отсутствие возможности возникновения феррорезонансных явлений в цепи измерительных трансформаторов напряжения.
Тем не менее, в сети с резистором в нейтрали не обеспечивается эффективное заземление нейтрали. Поэтому фазную изоляцию следует выполнять также как и в сети с изолированной или компенсированной нейтралью, на линейное напряжение. Однако применение резисторов для заземления нейтрали сети не требует модернизации системы заземления и не приводит к утяжелению условий работы коммутационных аппаратов. Количество отключений линий из-за однофазных и междуфазных замыканий в случае заземления нейтрали через резистор возрастает примерно в 2,5 раза по сравнению с работой сети и изолированной нейтралью при одновременном снижении в большее число раз продолжительности воздействия на изоляцию перенапряжений в случае однофазных замыканий на землю.
На трехфазной модели-тренажере городской кабельной электрической сети напряжением 10 кВ для каждого из указанных видов рабочего заземления нейтрали нами фиксировались с помощью электронного осциллографа и персонального компьютера параметры электрического режима при однофазных замыканиях на землю (фазные и междуфазные значения напряжения, тока замыкания на землю и ток в нейтрали сети). При этом оказалось, что значения перенапряжений в сети с изолированной и компенсированной нейтралями не превышали указанных [1] в соответствии с теорией Дж. Петерса и Х. Слепяна. В сети с заземлением нейтрали через резистор перенапряжения не происходили 2,3Uфм, т.е. были такими же, как и при первом зажигании дуги.
Литература
1. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. –М.: Энергия, 1974. – 152 с.
2. Защита сетей 6…35 кВ от перенакпряжений: Под ред. Ф.Х. Халилова, Г,А, Евдокунина, А.И. Таджибаева. –СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2002. -272 с.
3.Короткевич М.А. Эксплуатация электрических сетей /М.А. Короткевич. –Минск: Вышэйшая школа, 2005. – 364 с.