Однофазные замыкания на землю. Компенсация емкостных токов замыкания на землю. ДГР

Сети напряжением 6-35 кВ работают преимущественно в режиме с изолированной нейтралью. В нормальном режиме по фазным проводам такой сети протекают токи нагрузки, а также емкостные токи и токи утечки.

Емкостные токи обусловлены емкостью фаз относительно земли, а токи утечки – активной проводимостью изоляции. По сравнению с емкостными токами, токи утечки малы и составляют 2-6% емкостных, поэтому при расчетах ими можно пренебречь.

При замыкании на землю одной фазы, например фазы “С”, напряжение нейтрали Un становится равным напряжению поврежденной фазы. Соответсвенно меняется картина распределения токов.

Так как в результате повреждения емкость фазы “С” становится зашунтированной, напряжение Ucn=0 (если пренебречь падением напряжения на продольном сопротивлении ЛЭП), емкостной ток, обусловленный емкостью С0с становится равным нулю.

При этом по поврежденной фазе «С» будет протекать емкостной ток замыкания на землю, равный емкостному току неповрежденных фаз

Iз = -(IсА + IсВ).

Знак “-“ говорит от том, что ток направлен в противоположную сторону, то есть к источнику питания, а не от него.

Для определения уставок срабатывания токовой защиты от замыкания на землю, необходимости компенсации емкостных токов замыкания на землю, необходимо уметь определять ток замыкания на землю линии.

1. Основные характеристики ОЗЗ

Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) — это вид повреждения, при котором одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. ОЗЗ является наиболее распространенным видом повреждения, на него приходится порядка 70-90 % всех повреждений в электроэнергетических системах. Протекание физических процессов, вызванных этим повреждением, в значительной мере зависит от режима работы нейтрали данной сети.

В сетях, где используется заземленная нейтраль, замыкание фазы на землю приводит к короткому замыканию. В данном случае ток КЗ протекает через замкнутую цепь, образованную заземлением нейтрали первичного оборудования. Такое повреждение приводит к значительному скачку тока и, как правило, незамедлительно отключается действием РЗ, путем отключения поврежденного участка.

Электрические сети классов напряжения 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое добавочное сопротивление. В этом случае замыкание фазы на землю не приводит к образованию замкнутого контура и возникновению КЗ, а ОЗЗ замыкается через емкости неповрежденных фаз.

Величина этого тока незначительна (достигает порядка 10-30 А) и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз. На рис. 1 показаны схемы 3-х фазной сети в режимах до и после возникновения ОЗЗ.

Рисунок 1 – Схема сети с изолированной нейтралью а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ
Такое повреждение не требует немедленного отключения, однако, его длительное воздействие может привести к развитию аварийной ситуации. Однако при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом.

На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений.

При ОЗЗ происходит нарушение симметрии линейных фазных напряжений, напряжение поврежденной фазы снижается практически до 0, а двух “здоровых” фаз поднимаются до уровня линейных. При этом линейные напряжения остаются неизменными.

Общий контроль изоляции в распределительных сетях 6 – 35 кВ

Для выявления нарушения изоляции фаз относительно земли в электроустановках предусматривается так называемый общий контроль изоляции. Для этих целей применяется специальный трехфазный пятистержневой трансформатор напряжения, одна из вторичных обмоток которого соединяется в «разомкнутый треугольник» и является фильтром напряжения нулевой последовательности (ФННП) (Рис.7). К выходу этого фильтра присоединяется реле напряжения KV. При замыкании фазы на землю на выходе фильтра появляется напряжение нулевой последовательности 3U

, под действием которого реле срабатывает и действует на сигнал. Поврежденная фаза определяется, как правило, по трем вольтметрам включенных в другую вторичную обмотку трансформатора напряжения. В этом случае показания вольтметра в поврежденной фазе будут равны нулю при металлическом замыкании и меньше фазного напряжения, если в точке замыкания имеется переходное сопротивление. Электрическая схема контроля изоляции в сетях 6 – 35 кВ представлена на Рис.7.

Рис. 7. Схема общего контроля изоляции в сети 6-10кВ

Причиной появления напряжения нулевых последовательностей 3Uявляется нарушение симметрии фазных напряжений ЛЭП относительно земли (рис. 8 г, д).

Векторные диаграммы напряжения и емкостных токов для нормального режима показано на рис. 8 а, б.

Рис. 8. Схемы замещения сети с изолированной нейтралью: а, б — нормальный режим сети и векторные диаграммы напряжений емкостных токов; в, г, д, е – при замыкании фазы А на землю и векторные диаграммы.

Векторные диаграммы напряжения и ёмкостных токов при замыкании фазы «А» на землю представлены на рис.8 в, г.

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

1. В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
2. В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
3. В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.

Расчет суммарного тока ОЗЗ

При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.

Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.

Выражение для определения тока ОЗЗ:

,

где С∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С∑ = Суд l; Суд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км; l – общая длина проводника одной фазы сети.

Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:

,

где UНОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ; li – длина кабельной линии, км; qi – сечение жилы кабеля, мм2.

Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.

Защита двигателя от замыканий на землю в обмотке статора

Двигатель подключается к сети через кабельную линию. Трансформаторы тока нулевой последовательности, к которым подключается защита, распола­гаются в распределительном устройстве (см. рисунок 23). В зону действия защиты попадают линия и электродвигатель.
Рисунок 23 – Схема подключения ТТПН

Ток срабатывания защиты от замыканий на землю выбирается из условия отстройки от собственного тока

защищаемого присоединения при дуговых перемежающихся ОЗЗ:,

где

– коэффициент надежности срабатывания защиты,– коэффициент броска тока.

Собственный емкостный ток защищаемого присоединения равен:

,

где

, А – собственный емкостный ток двигателя,, А – собственный емкостный ток кабельной линии, соединяющей двигатель со сборными шинами РП.

Собственный ёмкостный ток двигателя Iс.д определяется по формуле

,

где Сд — емкость фазы статора электродвигателя относительно земли, принимается по справочным данным, Ф; Uн.ф – номинальное фазное напряжение сети;

ω = 2 ∙ π ∙ f – круговая частота.

Емкость фазы статора относительно земли, Ф, определяется по выражению

где Sд.н — номинальная мощность двигателя, МВА

SД.Н = РН / cosφ = 2/0,88 = 2.273 МВА;

Uд.н.л — номинальное линейное напряжение двигателя, В;

nд.н=500, об/мин — номинальная частота вращения ротора [7, табл. 27.15].

Собственный ёмкостный ток двигателя:

Собственный ёмкостный ток линии, входящей в зону защиты, можно определить по удельному емкостному току кабельной или воздушной линии и ее длине [4, раздел 18]

Iс.л = Iуд.л ∙ Lл,

где Iуд.л=0,65 А/км– удельный емкостный ток для кабеля АС-3×35 с полиэтиленовой изоляцией, А/км [4, табл. 18.1]; Lл=0,06 км – длина линии, питающей электродвигатель.

Iс.л = 0,65 ∙ 0,06=0,039 А.

А.А.

Выяснила, что ток однофазного замыкания на землю в обмотке статора равен 0,173 А. Согласно ПУЭ [1, п.5.3.48] для двигателей более 2 МВт ток замыкания на землю 5 А, значит, эту защиту можно не ставить.

4. Компенсационные меры защиты

Из-за распределённой по воздушным и кабельным линиям электропередач ёмкости, при ОЗЗ в месте повреждения протекает ёмкостный ток. В наиболее тяжелых случаях, возможно возникновение электрической дуги, горение которой может приводить к переходу ОЗЗ в двух- или трёхфазное замыкание и отключению линии релейной защитой. Вследствие этого потребитель электроэнергии может временно лишиться электроснабжения.

В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю. Для предотвращения возникновения дуги и уменьшения емкостных токов применяют компенсацию емкостных токов. Значения емкостных токов, при превышении которых требуется компенсация согласно ПУЭ и ПТЭ, приведены табл. 1.

Таблица 1 – Значения токов требующие компенсации

При более низких уровнях токов считается, что дуга не загорается, или гаснет самостоятельно, применение компенсации в этом случае не обязательно.

Дугогасящий реактор

Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (рис. 3).

Этот способ является наиболее эффективным средством защиты электрооборудования от замыканий на землю и компенсации емкостного тока. С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.

6. Основные характеристики ДГР

Дугогасящий реактор (ДГР) – это электрический аппарат, предназначенный для компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным нормативным документом регламентирующим работу, установку и надстройку ДГР является Р 34.20.179.

Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов, генераторов или синхронных компенсаторов через разъединители. В цепи заземления реакторов должен быть установлен трансформатор тока. Рекомендуемые схемы подключения ДГР представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема подключения ДГР: а) подключение ДГР к трансформаторам СН; б) подключение ДГР к нейтрале силового трансформатора

Индуктивность ДГР подбирается из условия равенства емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. Таким образом, происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (как правило, не превышают 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией.

Современные ДГР имеют различные конструктивные особенности и производятся для огромного диапазона мощностей. В таблице 2 приведен ряд параметров дугогасящих реакторов разных производителей.

Таблица 2 – Параметры ДГР

При выборе дугогасящего реактора рекомендуется следующий порядок; определяется максимальный емкостный ток замыкания на Землю; определяется суммарная мощность реакторов из условия полной компенсации емкостного тока (резонансная настройка); определяется число реакторов (если IС > 50 А, рекомендуется применять не менее двух реакторов);

Расчет емкостного тока замыкания на землю воздушной линии

Емкостной ток ВЛ может быть приближенно определен по формуле [3]:

Iс.вл = (2,7 ÷ 3,3) · U · l · 10-3, А,

где: U – напряжение сети, кВ (6, 10 или 35 кВ); l – длина линии, км.

Для линий 6-10 кВ, а также линий 35 кВ без тросов принимается коэффициент 2,7; для линий 35 кВ на деревянных опорах с тросами – 3,3; на металлических опорах с тросами – 3,0.

Емкостный ток двухцепной линии может быть определен по формуле:

Iс.2ц.вл = (1,6 ÷ 1,3) · Iс.вл, А,

где: Iс.вл – емкостный ток одноцепной ВЛ, А

Увеличение емкостного тока сети за счет емкости оборудования подстанций может ориентировочно оцениваться для воздушных и кабельных сетей 6-10 кВ – на 10%, для воздушных сетей 35 кВ – на 12%.

Для кабельных сетей 35 кВ увеличение емкостного тока за счет оборудования подстанций учитывать не следует.

Недостаточная точность аналитического метода определения емкостных токов замыкания на землю и напряжений несимметрии реальных воздушных линий электропередачи определяет применение расчетов только для предварительной оценки параметров проектируемых сетей, а также перед прямыми их измерениями.

Справочные данные по емкостным токам однофазного замыкания на землю кабельных линий

Ниже приведены некоторые данные с каталогов заводов-изготовителей кабельной продукции и различной литературы.

Завод Южкабель, кабели из сшитого полиэтилена [4]

Кабели из сшитого полиэтилена Nexans [5]

Емкостные токи кабельных линий согласно СТП 09110.20.187-09. Методические указания по заземлению нейтрали сетей 6-35 кВ через резистор [3]

Таблица Г.1 – Емкостные токи замыкания на землю кабелей с секторными жилами и поясной изоляцией

Таблица Г.2 – Емкостные токи замыкания на землю кабелей с бумажной пропитанной изоляцией

Таблица Г.3 – Емкостные токи замыкания на землю кабелей с пластмассовой изоляцией

Таблица Г.4 – Емкость кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Литература:

1. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения/ Под ред. И.А. Баумштейна, С.А. Бажанова. – 3-е изд., перераб. И доп. –М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. РД 34.20.179. Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ.
3. СТП 09110.20.187-09. Методические указания по заземлению нейтрали сетей 6-35 кВ через резистор.
4. ЗАО “Завод “Южкабель”. Силовые кабели среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена.
5. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6–35 кВ Nexans.
6. Библиотечка электротехника, вып. 11(35). Шуин В.А, Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. –М.: НТФ «Энергопрогресс».

Алексей Бобков

Автор статьи, инженер-проектировщик систем релейной защиты станций и подстанций

Конструкция ДГР

Конструктивно ДГР близка к масляным трансформаторам: бак, заполненный трансформаторным маслом, в который помещена магнитная система с обмоткой. Сама магнитная система представляет собой регулируемую катушку индуктивности.

В настоящее время эксплуатируются различные виды ДГР, которые могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек или изготавливаться с возможностью регулировки. В связи с этим различаются следующие конструкции магнитопровода:

• с распределенным воздушным зазором;
• плунжерного типа;
• с подмагничиванием.

В ДГР имеющих магнитопровод с распределенным воздушным зазором, регулирование может отсутствовать вовсе или осуществляется за счет переключения ответвления для ступенчатого регулирования сопротивления.

В ДГР плунжерного типа имеет магнитную систему с перемещающимися стержнями, которые плавно регулируют воздушный зазор внутри обмотки. Стержни перемещаются с помощью электропривода, что обеспечивает плавное регулирование сопротивления реактора. ДГР с подмагничиванием магнитопровода постоянным током работает по принципу магнитного усилителя. При подмагничивании магнитопровода изменяются его магнитное сопротивление и, соответственно, индуктивное сопротивление реактора.

Для отстройки индуктивности ДГР оснащаются системами управления. По конструкции систем регулирования их можно разделить на:

1. ДГР с ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;
2. ДГР с приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;
3. ДГР не имеющие возможности регулирования индуктивности системой управления не оснащаются.

Современные конструкции дугогасящих реакторов в управлении используют микропроцессорные технологии, облегчающие возможности эксплуатации предоставлением обслуживающему персоналу расширенной информации по статистике замыканий, поиску повреждений и другим полезным функциям.

Пример выбора ДГР

Требуется выбрать мощность и тип дугогасящего реактора в сети Uном=10 кВ. Суммарный емкостной ток замыкания на землю составляет Iс=24,2 А. Поскольку емкостный ток ОЗЗ превышает допустимый 20 А для сети 10 кВ, требуется его компенсация. Мощность ДГР, согласно РД 34.20.179, определяется по формуле

.

Поскольку данные о развитии сети отсутствуют, полученную расчетную мощность ДГР необходимо умножить на 1,25.

На основании полученного результата и исходных данных к установке принимается ДГР со ступенчатым регулированием типа РЗДСОМ-190/10Т1.

3.6.1 Защита двигателя от замыканий на землю в обмотке статора

Защита должна действовать на отключение двигателя при токе замыкания на землю более 5А.

Двигатель включен непосредственно к РУ подстанции, через кабельную линию.

Токовое реле защиты РТЗ-51 подключается к трансформатору тока нулевой последовательности ТНП.

Ток срабатывания защиты с реле типа РТЗ-51 определяется из условия надёжной отстройки от броска собственного ёмкостного тока.

Ёмкость фазы статора электродвигателя:

Ёмкостный ток двигателя:

где f — частота питаемой сети;

Собственный емкостной ток линии:

где xкаб — удельное сопротивления кабельной линии;

m — число кабельных жил;

значение ёмкостного тока в относительных единицах, принимается равным

Суммарный емкостной ток защищаемого присоединения:

Первичный ток срабатывания защиты:

Так как полученное значение оказывается несколько меньшим Iсз мин=1,08 А, то защиту приходится округлить, приняв Iсз=Iсз мин=1,08А

Выбираем реле РТЗ-51 с уставкой по первичному току 1,08 А.

Защита обладает достаточной чувствительностью.

Делись добром