Материал: Повышение надежности распределительных сетей напряжением 6кВ Запорожского железорудного комбината на основе ограничения внутренних перенапряжений

Повышение надежности распределительных сетей напряжением 6кВ Запорожского железорудного комбината на основе ограничения внутренних перенапряжений

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

НАПРЯЖЕНИЕМ 6 кВ ЗАПОРОЖСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОМБИНАТА НА ОСНОВЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Начальник НИЧ  канд. техн. наук, доц. О.Е. Хоменко

Зав. каф. электрических машин

рук. НИР, д-р техн. наук, проф. Ф.П. Шкрабец

Главный энергетик ЗЖРК Ю.Н. Безручко

РЕФЕРАТ

Отчет о НИР.

Объект исследования: электрические сети напряжением 6 кВ системы электроснабжения Запорожскогой железорудногой комбината.

Целью работы является повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением 6 кВ за счет оптимизации режимов нейтрали.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследований:

. Исследовать влияние заземления нейтрали на параметры аварийного режима и эксплуатационные показатели распределительных сетей.

. Разработать рекомендации по выбору оптимального, по условиям эксплуатационной надежности и электробезопасности, режима нейтрали распределительных сетей.

. Разработать рекомендации по улучшению работы устройств защиты от замыканий на землю

Идея работы заключается в использовании характера протекания переходных и установившихся процессов и законов изменения аварийных токов при замыканиях на землю в электрических сетях с разными режимами нейтрале для разработки рекомендаций по их оптимизации.

В прикладном плане результаты работы будут оказывать содействие повышению надежности и электробезопасности распределительных электрических сетей, увеличению сроков работы электрооборудования, улучшению работоспособности устройств защиты от несимметричных повреждений.

Ключевые слова: система электроснабжения; параметры изоляции сети относительно земли; внутренние перенапряжения; аварийный ток; защита от замыканий на землю.

Введение

Интенсификация электроэнергетики и увеличение количественных показателей распределительных сетей и оборудования приводят к росту интенсивности и вероятности повреждений, к ухудшению условий электробезопасности. По данным энергослужб предприятий однофазные замыкания на землю токоведущих частей электрических установок в распределительных сетях 6 кВ составляют более половины всех повреждений электроустановок и поэтому во многом определяют уровень надежности и электробезопасности систем электроснабжения.

Повышение уровня надежности, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обоснование методов и средств улучшения функциональной надежности средств релейной защиты для распределительных сетей указанного класса напряжения.

В работе решается важная научно - практическая задача, заключающаяся в разработке принципов и технических решений, направленных на повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности распределительных сетей напряжением за счет ограничения и подавления переходных процессов при несимметричных повреждениях.

Идея работы заключается в использовании законов протекания переходных и установившихся процессов при замыканиях на землю в электрических сетях с различными режимами нейтрали для разработки рекомендаций по режимам работы нейтрали и реализации средств защиты сетей от замыканий на землю.

1 Анализ структуры построения схемы электроснабжения и расчет аварийных емкостных токов для распределительных сетей ЗЖРК

.1 Электроснабжение потребителей ЗЖРК

На первой ступени распределения энергии в схеме электроснабжения ЗЖРК применяется напряжение 154 кВ. Преобразование энергии и питание электроприемников осуществляется при помощи главной понизительной подстанции (ГПП). ГПП сооружена непосредственно на территории предприятия с трехобмоточными трансформаторами мощностью 63 МВА и выполнена по упрощенной схеме на стороне высшего напряжения (с отделителями и короткозамыкателями). На стороне 6 кВ осуществляется питание ЗРУ КРМ поверхностных и подземных потребителей и РУ БПМ. На стороне 35 кВ подключены 4 подстанции 35/6 кВ (ЮВС, СВС, ДВС, ЗК). Для РУ напряжением 35 кВ таких подстанций при числе присоединений до двенадцати включительно применяют одиночную секционированную систему шин (ЗК). При большем числе присоединений используется схема с двумя системами сборных шин (ЮВС, СВС, ДВС). В ЗРУ КРМ выполнено разделение поверхностных и подземных потребителей.

К поверхностным подстанциям относятся: ДСФ, ТП-6, 7, 8, 9. К подземным подстанциям в порядке расположения по горизонтам относятся:

гор. 340 - ЦРП 3;

гор. 400 - ЦРП 2;

гор. 480 - ЦРП 1; ЦПП-ЦГС;

гор. 640 - ПДК, ЦПП-ЦСС, ЦРП, УПП «Ю», УПП «С»;

гор. 740 - ЦРП-ЦГС, ЦРП, УПП 13;

гор. 840 - ЦПП, ЦРП, УПП 12;

гор. 940 - ЦПП - ЦГС.

К подстанциям 35/6 кВ принадлежат следующие РП 6 кВ:

ЮВС - насосная ГТС, ЦПП - ЮВС и ЦПП - ЦГС (гор. 400 м);

СВС - ЦПП - СВС (гор. 400 м);

ЗК - СВС 2.

Для Запорожского ЖРК характерна следующая схема электроснабжения подземных потребителей. Питание от ГПП шахты через ствол осуществляется прокладкой кабелей 6 кВ к центральной подземной подстанции (ЦПП). К каждой ЦПП проложено не менее двух кабелей. Сечение кабеля выбрано таким образом, что при выходе из строя одного из них, оставшиеся в работе кабели обеспечили электроэнергией подземные электроприемники. При этом в случае применения КРУВ сечение кабеля не должно превышать 240 мм2. Для повышения надежности электроснабжения в ЦПП применяют секционированную систему шин с устройствами АВР. Секционные выключатели в нормальном режиме выключены. От ЦПП по кабельным линиям электроэнергия передается к стационарным участковым понизительным подстанциям (УПП). Согласно требованиям правил безопасности при разработке двух и более горизонтов на каждом горизонте сооружается ЦПП. Питание каждой ЦПП осуществляется либо по раздельной схеме непосредственно от шин 6 кВ ГПП, либо при небольшой нагрузке от шин ГПП и ЦПП вышележащего горизонта. Часть подземных распределительных подстанции имеют резервные вводы для обеспечения бесперебойности питания потребителей в аварийном режиме. ЦПП установлено вблизи ствола и собрано из комплектных распределительных устройств (типа КРУВ и КРУРН). Комплектные распределительные устройства типа КРУВ - 6 представлены в модификациях: для отходящих присоединений (КРУВ-6-ОТ, КРУВ-6-ОТ с встроенным трансформатором тока нулевой последовательности); водные (КРУВ-6-В) и секционные (КРУВ-6-С).

Повышение уровня надежности электроснабжения и распределительных сетей, улучшение условий электробезопасности зависит от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопросы оптимизации режимов работы нейтрали электрических сетей напряжением 6 кВ; обеспечение улучшения функциональной надежности устройств защиты от замыканий на землю.

Основная масса повреждений в распределительных сетях связана с нарушением изоляции фаз сети относительно земли, т.е. появлением несимметричных повреждений, которые можно разделить на два основных вида:

) замыкания одной фазы распределительной сети на землю;

) двойные замыкания на землю (замыкания на землю в разных точках распределительной сети) - как развитие однофазных замыканий.

По характеру повреждений следует различать металлические (глухие) замыкания на землю, дуговые (через перемежающуюся дугу) и через переходные сопротивления в точках повреждения.

Однофазные замыкания на землю или на корпус появляются вследствие механического повреждения или электрического пробоя изоляции одной из фаз сети относительно земли или корпуса. Такие повреждения в установившемся режиме практически не представляют опасности для работы электроприемников, т.к. симметрия междуфазных напряжений не нарушается, а значения тока замыкания во много раз меньше тока нагрузки. С точки зрения обеспечения электробезопасности такие повреждения представляют значительную опасность за счет появления на корпусах электрооборудования опасных потенциалов (особенно при дуговых замыканиях), кроме того, резко возрастает вероятность появления наиболее опасных двойных замыканий на землю. Исходя из этого ПУЭ и отраслевые ПБ в подземных сетях и в сетях с передвижными электроустановками предусматривают действие защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени. Последнее обстоятельство является весьма негативным фактором с точки зрения обеспечения продольной селективности действия защиты при многоступенчатой схеме электроснабжения, что имеет место в системе электроснабжения ЗЖРК.

Опыт эксплуатации и специальные исследования указывают на существование замыканий фазы на землю через перемежающуюся дугу в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Анализ выполненных по этому вопросу исследований показывает, что в начальной стадии процесса замыкания имеют место пробои по одному или более в каждом полупериоде напряжения поврежденной фазы, причем, число пробоев возрастает с увеличением емкости сети, т.е. с увеличением установившегося тока замыкания. В этой стадии ток дуги обрывается при первом переходе через ноль, поэтому он представляет собой чередующиеся импульсы разных полярностей длительностью порядка 0,05 мс. Интервалы между импульсами и максимальные амплитуды существенно различны, т.е. имеет место нарушение периодичности (пробой изоляции не каждый полупериод) и симметрии по отношению к оси времени. Учитывая, что амплитуды импульсов могут достигать многократных значений по отношению к установившемуся значению, соответственно можно ожидать высокие уровни высших гармонических составляющих / 7, 16/.

Из исследований дуговых замыканий на землю следует, что характерными, а следовательно и отличительными особенностями таких повреждений являются:

ток поврежденного и неповрежденного присоединений представляет собой высокочастотные импульсы с амплитудой в десятки раз большей амплитуды установившегося тока замыкания;

в токе замыкания на землю и в токах поврежденного и неповрежденных элементов содержатся высшие гармоники, уровень которых минимум на порядок превышает уровень высших гармоник установившегося металлического замыкания фазы на землю;

действующее значение тока замыкания из-за больших свободных составляющих переходного процесса в 3-5 раз превышает установившийся ток металлического замыкания, что необходимо учитывать при выборе уставок релейной защиты.

Возникновение замыкания на землю сопровождается перенапряжениями, охватывающими все элементы распределительной сети, которые, как следствие, приводят к многоместным замыканиям за счет пробоя ослабленной изоляции. При однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы, появляются токи замыкания на землю, изменяются напряжения фаз относительно земли. Для предупреждения отрицательных последствий от подобных нарушений нормальной работы системы необходимо принимать соответствующие защитные меры. При этом в первую очередь необходимо учитывать повышение напряжения относительно земли, которое может существенно влиять на уровень безопасности и вызвать развитие аварии с боле тяжелыми последствиями. Такие повреждения являются наиболее опасными как для обслуживающего персонала, так и для электрооборудования и следует стремиться к снижению вероятности их появления.

1.2 Режимы нейтрали распределительных сетей

Действующие нормативные документы предписывают изолированный режим работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ /12, 14/. При этом понимают, что нейтраль полностью изолирована от земли или соединена с землей через большое индуктивное (компенсированная нейтраль) или активное (сеть с резистором в нейтрали) сопротивление. Основным преимуществом сетей с изолированной нейтралью является то, что в таких сетях однофазные замыкания на землю не связаны с нарушением нормальной работы электроприемников.

К недостаткам сетей с изолированной нейтралью можно отнести нестабильность напряжения нейтрали, благоприятные условия для возникновения дуговых замыканий, феррорезонансных явлений, повышенные напряжения прикосновения и шага при дуговых замыканиях на землю, повышенные кратности внутренних перенапряжений и др /15, 18/. Отмеченные явления приводят к появлению многоместных замыканий на землю и к снижению уровня надежности и электробезопасности.

Применение дугогасящих реакторов обусловлено тем обстоятельством, что в системе с изолированной нейтралью при дуговом замыкании на землю одной из фаз переход от нормального режима работы к режиму с заземленной фазой совершается путем затухания колебаний с частотой, зависящей от значений индуктивности и емкости системы. Прохождение тока дуги через нулевое значение может приводить к обрыву дуги с последующим ее зажиганием при повышенном напряжении. Этот процесс сопровождается возникновением на неповрежденных фазах перенапряжений. Опасность для изоляции этих перенапряжений усугубляется тем, что они могут быть длительными и охватывать всю электрически связанную сеть. В результате в местах с ослабленной изоляцией могут возникать новые замыкания на землю, которые, в свою очередь, будут способствовать дальнейшему развитию аварии. При заземлении нейтрали через дугогасящий реактор (настроенную индуктивность) перенапряжения дуговых замыканий меньше и, что особенно важно для изоляции, длятся сравнительно небольшой промежуток времени (обычно не более полупериода). Однако это преимущество минимизируется при расстройке режима компенсации от резонансного значения более чем на 5 %, а при расстройке на 20% и более преимущества компенсированных сетей в части ограничения перенапряжений практически исключаются. Также недостатком системы заземления нейтрали через дугогасящий реактор является сложность обеспечения резонансной настройки и нарушение работоспособности средств защиты от замыканий на землю реагирующих на параметры установившегося аварийного режима. Поэтому при токах меньше рекомендуемых ПУЭ применение данного вида заземления экономически не целесообразно.

В настоящие время для сетей с небольшими токами замыкания на землю все большую популярность приобретает метод заземления нейтрали через высокоомный резистор (сеть с резистором в нейтрали).

Достоинством данного способа является простота осуществления, дешевизна и возможность надежного отключения (контроля) поврежденного присоединения простыми средствами релейной защиты. При этом однофазное замыкание, как правило, не переходит в более опасное двойное или двухфазное замыкание на землю.

1.3 Расчет значений емкостных токов однофазного замыкания на землю для системы электроснабжения ЗЖРК

Для достижения ранее поставленной цели и решения сформулированных задач по оптимизации режима работы нейтрали распределительных сетей ЗЖРК, и разработки рекомендаций по выбору параметров защит от однофазных замыканий на землю, в первую очередь необходимо знать значения токов однофазного замыкания на землю в каждой системе гальванически связанных электрических сетей и значения собственных емкостных токов присоединений. В общем случае в сети с полностью изолированной нейтралью ток однофазного замыкания на землю состоит из двух составляющих - емкостной и активной. Последняя в кабельных электрических сетях напряжением 6 кВ составляет не более 2% от емкостной. В связи с этим для рассматриваемых сетей будем считать ток замыкания на землю чисто емкостным.

Значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для установившегося режима замыкания могут быть рассчитаны с достаточной точностью по удельным емкостям фаз относительно земли основного электрооборудования и ЛЭП. В общем случае расчетная формула имеет вид :

где UФ - фазное напряжение сети, кВ; СBi, CKi - емкости на фазу по отношению к земле токоведущих жил (мкф/км) соответственно 1 км воздушной и кабельной линии определенного сечения; lBi, lKi - суммарные длины воздушной и кабельной линий заданного сечения, км; Cдi, CTPi - емкости на фазу соответственно электродвигателей и силовых трансформаторов по отношению к корпусу оборудования, мкф; Nдi, NTPi - соответственно число электродвигателей и трансформаторов заданной мощности, подключенных к сети.

Для анализа состояния распределительной сети ЗЖРК и работоспособности устройств защиты (сигнализации) от однофазных замыканий на землю собран фактический материал о длине, типе и сечении кабелей и шин, соединяющих РУ с потребителями, а также ГПП с РУ и с потребителями, подключенными непосредственно к ним. При сборе информации учитывалась суммарная длина кабеля между двумя точками (независимо от физического расстояния между этими объектами). По справочным данным для конкретного типа кабеля устанавливалась удельная емкость на фазу, мкФ/м и с учетом длины кабеля рассчитывался емкостной ток по секциям по формуле (1.1) для конкретного РУ (приложение А) и суммарные значения емкостных токов однофазного замыкания на землю для ГПП и п/ст 35/6 кВ (табл. 1.1-1.6). При расчете этих токов принимался во внимание обычный режим работы ГПП, т.е. не учитывался режим работы при аварии на каком-либо РУ, когда все его потребители подключаются к другой секции ГПП.