Автор: Fedor Shkrabets, Maryna Kyrychenko
Перевод с английского: Ермолаев Е.Ю.
Источник: http://ena.lp.edu.ua:8080/bitstream/ntb/26854/1/024-072-075.pdf
Реферат – Рассмотрены причины повреждения распределительных сетей и основные методы контроля изоляции, а также обнаружения повреждений.
Ключевые слова – распределительная сеть, изоляция, замыкания на землю, системы электроснабжения, надежность.
В настоящее время возрастают требования к надежности и бесперебойности электроснабжения промышленных предприятий. Надежность систем электроснабжения во многом определяется безотказной работой линий электропередач, значительную часть которых составляют распределительные сети 6-35 кВ. Известно, что большинство неисправностей, возникающих в системах электроснабжения (около 80%) приходится именно на распределительные сети. Анализ неисправностей показывает, что причиной 60-90% всех отказов в распределительных сетях являются замыкания на землю.
Основными причинами повреждаемости и недостаточного уровня безопасности систем электроснабжения, как для обслуживающего персонала, так и для людей и животных, контактирующих с ними являются [1]:
Однофазные замыкания на землю являются наиболее распространенным видом повреждения в распределительных сетях. Они представляют большую опасность для электрического оборудования и персонала из-за особенностей сети и эксплуатации электрооборудования.
Замыкания на землю является асимметричным типом повреждений, и это характеризуется появлением составляющих нулевой последовательности в сети. Параметры напряжения и тока нулевой последовательности в переходных и установившихся режимах зависят от многих факторов, главным из которых является характер замыкания на землю и режим заземления нейтрали.
Опасность однофазных замыканий связана с влиянием высокого напряжения фазную изоляцию, в том числе с появлением значительных перенапряжений, которые могут достигать до 1,73 от величины фазного напряжения. На векторной диаграмме (рис.1) наглядно показано распределение фазных напряжений при замыкании на землю.
По характеру повреждений замыкания на землю делятся на металлические (нулевое сопротивление) и дуги (через перемежающуюся дугу и через переходное сопротивление в месте повреждения).
Рисунок 1 - Векторная диаграмма напряжений при однофазном коротком замыкании на землю
Однофазное замыкание на землю или корпус является результатом старения, механических повреждений или электрического пробоя изоляции одной из фаз сети. Поэтому задача обеспечения эффективного контроля за состоянием изоляции, а также своевременное выявление и устранение ее дефектов остается актуальной до сих пор.
Большинство устройств контроля изоляции сигнализируют о том, что в электрической сети происходит снижение сопротивления и они не в состоянии выборочно обнаружить место повреждения. Иногда проблема обнаружения места повреждения в изоляции решается за счет последовательного электрического разъединения элементов системы с последующим контролем сопротивления изоляции отключенного элемента. При использовании этого способа выявления поврежденного элемента возникает опасность для релейной защиты и автоматики, а также это требует больших затрат времени и высококвалифицированного персонала.
В зависимости от типа линий (кабельные или воздушные) используются различные методы обнаружения мест повреждения. В литературе предлагается несколько классификаций этих методов. Наиболее распространенные методы обнаружения мест повреждения для подземных кабелей приведены в следующей схеме (рис.2).
Рисунок 2 - Наиболее распространенные методы обнаружения повреждений подземных кабелей
Дистанционные методы могут быть использованы для решения следующих задач:
Импульсный метод основан на теории распространения импульсных сигналов в линии. При его использовании в подземный кабелей посылается так называемый пробный электрический импульс и измеряется время от момента его отправки до момента, когда он вернется отразясь от места повреждения. Скорость распространения сигнала зависит от изоляции между проводниками. Если линия однородная и не содержит каких-либо повреждений, импульсный сигнал плавно движется от начала линии к ее концу. Если есть неоднородности на пути (например, пробой изоляции между проводниками), часть энергии импульса проходит через эту неоднородность, а другая часть отражается и начинает распространяться в обратном направлении - к началу линии. В случае, когда линия закорочена или разорвана, вся энергия импульса отражается и возвращается к началу линии. Путем измерения времени задержки импульса, отправленного и принятого из линии, можно определить расстояние до места повреждения.
Метод моста Уитстона, основанный на постоянном или переменном токе частотой от нескольких единиц до нескольких сотен герц, используется для измерения сопротивления изоляции кабеля, сопротивления петли (двух проводников, закороченных на конце), емкости кабеля, расстояния до места повреждения изоляции на линии.
Топографический методы используются для обнаружения места изменения сопротивления изоляции на трассе, то есть, топографических точек локализации повреждений.
Индукционный метод основан на принципе записи звука от поверхности земли, который создается с помощью электромагнитных колебаний, когда ток звуковой частоты (800–1200 Гц) проходит через проводники кабеля.
Акустический метод основан на регистрации звуковых колебаний места локализации повреждения, которые происходят в результате искры от электрических импульсов, посылаемых в кабельную линию.
Наибольшая эффективность может быть достигнута путем совместного использования дистанционных и топографических методов.
При решении проблемы защиты сети от однофазных коротких замыканий одной из основных задач является оптимизация режима нейтрали, так как способ заземления нейтрали не только определяет условия эксплуатации сетевой изоляции, но и влияет на функционирование устройств автоматики и релейной защиты, а также принципы их построения, на основе которых, в свою очередь, создаются схемы устройств защиты от замыкания на землю. Самый низкий уровень эксплуатационной надежности соответствует сети с изолированной нейтралью.
Кроме того, в целях повышения надежности электрических сетей 6-10 кВ широко используется компенсация емкостных токов однофазного замыкания на землю, что позволяет снизить ток в месте повреждения до уровня активной составляющей и высших гармоник, и таким образом создать условия для самопроизвольной ликвидации аварии сети.
Опыт эксплуатации электрических сетей с компенсацией емкостных токов показывает, что при однофазных замыканиях на землю (ОЗНЗ) с токами до 100 А, процент замыканий, переходящих в междуфазные короткие замыкания, не превышает 3-5%. При ОЗНЗ с токами более 100 А, этот процент увеличивается и при 300-400 А и более почти каждое второе однофазное замыкание на землю переходит в междуфазное. Поэтому для надежной работы электрических сетей с высокой вероятностью однофазных замыканий на землю только одной компенсации емкостных токов не достаточно. По данным исследования среднее значение однофазного тока короткого замыкания на землю в отдельных электрических сетях 6-10 кВ - 125 А (около 5% от общего числа сетей) достигает 400-500 А. Следует отметить, что в связи с развитием кабельных сетей, это, в конечном итоге, приводит к увеличению среднего значения токов ОЗНЗ. Поэтому, для повышения надежности электрических сетей, необходимо предусмотреть компенсации активной составляющей и высших гармоник остаточных токов ОЗНЗ. При значительной величине тока однофазного короткого замыкания (порядка 200 А и более) некомпенсированное текущее значение тока увеличивается и сохраняется опасность перехода однофазного замыкания на землю в двухфазное или междуфазное.
Как показывает практика, значения некомпенсированного тока достаточно для горения перемежающейся дуги и для развития дальнейшего обвала. Если учесть, что наиболее значимым источником высших гармоник являются потребители с нелинейной нагрузкой и их мощность постоянно растет, возникает необходимость разработки системы автоматической компенсации высших гармоник тока короткого замыкания.
Сегодня, существует два основных принципа компенсации активной составляющей однофазного тока замыкания на землю. Один из них основан на создании искусственной несимметрии в сети и еще один – на введении дополнительных источников напряжения в сеть. Для их реализации известно ряд статистических устройств, подключенных к элементам сети:
Преимущество пассивного компенсационного метода заключается в том, что он может быть сравнительно легко реализован в электрических сетях около 1000 В. Однако его использование в сетях напряжением 6, 10 и 35 кВ очень проблематично.
Метод, основанный на включении дополнительного источника в нейтраль компенсационной сети, лишен этого недостатка; его преимущество заключается в простоте контроля значения напряжения на входе. Его недостаток состоит во влиянии устройства компенсации активной составляющей на настройку дугогасящего реактора.
Необходимо реализовать компенсацию активной составляющей при высоких значениях общего тока замыкания на землю. Рассмотрим схему замещения трехфазной электрической сети, показывая только процесс компенсации активной составляющей в режиме однофазных замыканий на землю (рис.3).
При однофазном замыкании на землю в нейтрали сети появляется напряжение U0, обусловленное фазными напряжениями UA, UB, UC и индуцированного напряжения UPF. Замыкание на землю эквивалентно включению в место повреждения источника, напряжение которого равно напряжению поврежденной фазы UPF и противоположно по фазе.
После этого в месте повреждения появляется активная составляющая тока замыкания на землю IA, для компенсации которой используется значение (-IA).
Рисунок 3 - Схема процесса компенсации активной составляющей в трехфазной сети
Условием точной настройки режима компенсации является равенство напряжения нейтрали U0, и напряжения поврежденной фазы UPF. В этом случае только ток, который будет протекать через цепь сопротивления RТ , будет иметь ток, характеризующийся наличием высших гармоник. Для восстановления нормального режима работы компенсированной сети после аварийного отключения или самопроизвольной ликвидации замыкания на землю необходимо уменьшить значение входного напряжения UAD до нуля. Это уменьшит напряжение нейтрали U0 и напряжения относительно земли на поврежденной и неповрежденных фазах будут восстановлены.
В дополнение к основной частоте, в поврежденной сети появляются дополнительные составляющие токов высших гармоник.
При замыкании на землю сопротивления проводов неповрежденных фаз относительно земли включаются на линейное напряжение. Это гарантирует высокий уровень гармоник в землю, так как потенциал для них намного ниже, чем для тока основной частоты.
В случае однофазного замыкания на землю ток зависит от ЭДС эквивалентного генератора, равной фазному напряжения в месте повреждения в предыдущем режиме. Эквивалентная схема распределительной сети показана на рис.4.
Рисунок 4 - Схема распределительной сети при однофазных коротких замыканий на землю с компенсированной через переходное сопротивление нейтралью
Естественным гармоническим источником тока замыкания на землю, который должен быть учтен, является фаза напряжения искажения нулевой последовательности в точке повреждения разомкнутой цепи, генерируемая потребителями с нагрузкой с нелинейными характеристиками. Естественный ток каждой гармоники v-го порядка:
где U'pv1 – набор возможных гармоник напряжения;
I'C - рабочая частота составляющей емкостного тока линии при отсутствии повреждений (в выражении XC = 1/3Cω).
Во всех случаях, когда высшие гармоники напряжения или тока складываются друг с другом, они складываются с помощью составляющей основной гармоники в квадрате, то есть, результирующее значение, полученное в результате сложения, равно квадратному корню из суммы квадратов всех составляющих разных частот.
Отсюда следует, что даже относительно малые значения гармонических напряжений могут привести к существенному значению составляющей тока короткого замыкания на землю. Если, например, фазное напряжение содержит девятою гармонику, которая равна 2% от общего напряжения, то соответствующая гармоника тока будет равна 17,8% емкостного тока основной частоты. Помимо рассмотренных методов, существуют и другие способы определения уровня высших гармоник токов КЗ на землю.
Важным составным элементом безопасности и надежности электрических систем является знание состояния изоляции сетей и электроустановок. Все известные в настоящее время методы определения параметров изоляции электроустановок и сетей могут быть классифицированы следующим образом:
На практике, для контроля изоляции используются косвенные методы, то есть общее сопротивление изоляции определенной сети, связанной с землей, вычисляется по величине однофазного тока короткого замыкания. Различные методы измерения токов однофазных замыканий на землю могут быть разделены на прямые и косвенные и рекомендуется более широко применять косвенные методы измерения токов короткого замыкания.
Характеристики изоляции электрических сетей непосредственно связаны со значениями токов КЗ и режимом переходных процессов при наиболее распространенных повреждениях – однофазных замыканиях на землю. В этой связи, можно констатировать, что контроль параметров изоляции связан с процессами:
Непрерывный и автоматический контроль значений электрической изоляции сетевых компонентов (активного и емкостного сопротивления изоляции основных фаз, индуктивности компенсирующего устройства) позволяет спрогнозировать возникновение опасных режимов в распределительной сети. Системы непрерывного контроля изоляции являются необходимыми для реализации этих задач.
Суть метода непрерывного и оперативного контроля за состоянием изоляции электрической сети и ее элементов состоит в том, что два оперативных синусоидальных сигнала, частоты которых не равны и они отличаются от используемых, накладываются в электрической сети относительно земли. На контролируемой зоне (линии или присоединении), а также в месте оперативного источника подключения устанавливается устройство, целью которого является получение и обработка соответствующих сигналов. После расчета на основе заранее заданной программы сигналы, соответствующие значению изоляции, отправляются для управления системой питания.
Благодаря микрокомпьютеру, этот способ может быть использован:
Многие устройства релейной защиты и автоматики используют метод симметричных составляющих. Принцип работы трансформатора тока нулевой последовательности основан на сложении значений тока во всех трех фазах защищаемого участка. В нормальном (симметричном) режиме сумма фазных токов равна нулю.
При возникновении однофазного короткого замыкания в сети появляются токи нулевой последовательности и сумма токов в трех фазах будет отлична от нуля. Это будет зафиксировано измерительным прибором (например, амперметром), подключенным ко вторичной обмотке трансформатора нулевой последовательности.
Составляющие обратной последовательности возникают при появлении любой несимметрии в сети: однофазного или двухфазного короткого замыкания, разрыве фазы, асимметрии нагрузки. Составляющие нулевой последовательности появляются в местах разрыва или пробоя одной или двух фаз. В случае повреждения фаза-фаза составляющие нулевой последовательности (токи и напряжения) равны нулю.
Каждый из рассмотренных методов имеет свои преимущества и недостатки.
Совершенствование существующих методов, а также развитие новых методов и инструментов для контроля состояния изоляции, а также для обнаружения и ликвидации повреждений в распределительных сетях будет способствовать повышению надежности электроснабжения и улучшению энергетической безопасности в распределительных сетях 6-35 кВ.
1. F.P. Shkrabets, M.S. Kyrychenko, “Metody opredeleniia mest povrezhdeniia v raspredelitelnych setiakh” [“Methods of fault location definition in distribution networks”], Girnycha Elektromechanika ta avtomatyka: nauk-techn. zbirnyk - Mining Electrical Engineering and Automation: sc.-tech. coll., vol. 79, pp. 8-13, 2007.