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

замыкание изоляция режим схема

Рисунок 2.1 - Зависимости максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации в режиме: 1 - перекомпенсации; 2 - недокомпенсации

Одним из факторов, оказывающих влияние на выбор режима настройки дугогасящих реакторов является возможность нарушения нормальной работы сети за счет резонансных явлений в компенсированных сетях. В реальных распределительных сетях наблюдается постоянная или временная несимметрия изоляции фаз сети относительно земли. Учитывая, что в кабельных сетях емкостное сопротивление изоляции значительно меньше активного, можно считать, что несимметрия создается емкостью фаз сети. В результате, при нормальной работе сети напряжение нейтрали системы относительно земли отличается от нуля (напряжение не симметрии).

Максимальное напряжение смещения нейтрали  в компенсированных сетях в соответствии с /7/ в режиме резонансной настройки от емкостной несимметрии может быть определено из соотношения суммарного емкостного тока замыкания на землю  и активной составляющей остаточного тока :

Из выражения (2.5) следует, что для уменьшения напряжения смещения нейтрали следует принимать меры, приводящие к уменьшению напряжения несимметрии или увеличению остаточного активного тока замыкания.

На рис. 2.2 показаны кривые изменения напряжения смещения нейтрали от степени расстройки компенсирующего устройства плунжерного типа (кривая I) и дугогасящего реактора с подмагничиванием (кривая 2). Максимальное значение напряжения смещения следует учитывать при выборе напряжения срабатывания первой и второй ступени защиты сигнализации от замыкания на землю.

С экономической точки зрения распределительные сети с компенсацией емкостного тока замыкания на землю требуют дополнительных капитальных затрат на дугогасящие реакторы и устройства для их подключения. Что касается эксплуатационных расходов, то они значительно меньше, чем в сетях с полностью изолированной нейтралью за счет меньшей повреждаемости элементов системы. При резонансной настройке компенсирующего устройства и при незначительных расстройках компенсации в электрических сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30% /11, 17/.

Необходимо напомнить, что эффективность компенсации емкостных токов замыкания на землю наблюдается при резонансном и близких к нему режимах настройки компенсирующих устройств. Учитывая возможное изменение параметров распределительных сетей (оперативные и аварийные переключения, наращивание ЛЭП и т.п.), необходимо ориентироваться на применение устройств автоматической настройки дугогасящих реакторов.

Рисунок 2.2 - Зависимость напряжения смещения нейтрали от степени расстройки дугогасящего реактора 1) плунжерного типа, 2) с подмагничиванием

2.1.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Основной причиной ложных срабатываний защит (сигнализаций) от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью следует считать возникновение в сети после отключения поврежденного присоединения (или после самоликвидации повреждения) колебательного процесса с частотой близкой к частоте 50 Гц.

Естественно, что для устранения ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю, вызванных указанными колебаниями, необходимо исключить или резко сократить длительность переходных процессов. Одним из эффективных методов устранения колебания является уменьшение добротности колебательного контура, что достигается уменьшением значения активного сопротивления изоляции сети относительно земли, которое включено параллельно реактивным сопротивлением изоляции. В результате появляется активная составляющая тока, которая накладывается на электрическую сеть и увеличивает активную составляющую тока однофазного замыкания на землю. Эффективность метода подавления переходного процесса существенно проявляется при значении создаваемого активного тока замыкания на землю на уровне не менее 40 % от емкостного, то есть

Электрические сети с резистором в нейтрали, обладают, по сравнению с сетями с полностью изолированной или компенсированной нейтралью, более высокой надежностью за счет улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю, исключения феррорезонансных процессов и уменьшения повреждаемости элементов системы электроснабжения. Последнее обусловлено значительным снижением внутренних перенапряжений, сопровождающих однофазные замыкания на землю.

Величина перенапряжений в трехфазной сети с активным сопротивлением в нейтрали определяется выражением /2, 5, 9/

где  - фаза напряжения поврежденной фазы в момент зажигания, рад.;

 - фаза напряжения поврежденной фазы в момент гашения дуги, при которой напряжение смещения достигает максимума.

На рис. 2.3 показана зависимость максимальной кратности внутренних перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от соотношения активной и емкостной составляющих тока однофазного замыкания на землю, полученная с учетом самых неблагоприятных условий по выражению (2.7).

Рисунок 2.3 - Зависимость максимальной кратности перенапряжений в сети с резистором в нейтрали от отношения активной и емкостной составляющих тока замыкания

По мере роста активной составляющей тока замыкания по отношению к емкостной составляющей, кратность перенапряжений уменьшается до значения 2,4, при равенстве активного и емкостного тока замыкания. Из рисунка видно, что дальнейшее увеличение активной составляющей практически не приводит к существенному уменьшению кратности перенапряжений.

Сравнительно ощутимые дополнительные капитальные затраты на выполнение сетей с резистором в нейтрали по сравнению с полностью изолированной нейтралью сети будут при токах замыкания на землю более 5...10 А. В этом случае требуется включение в нейтраль сети высоковольтного резистора и устройств для его подключения, в состав которых кроме коммутационных аппаратов могут входить специальные трансформаторы, необходимые для подключения резисторов. В сетях с током замыкания на землю до 5 А дополнительные капитальные затраты уменьшаются практически до нуля, так как в этом случае представляется возможным обойтись имеющимися в сети измерительными трансформаторами НТМИ и низковольтными резисторами.

За счет снижения повреждаемости элементов сети и улучшения качества работы устройств защиты от однофазных замыканий на землю значительно уменьшается и эксплуатационные расходы.

2.2 Аварийные токи при однофазных замыканиях на землю в установившемся режиме

Для оценки характера процессов в сетях с различными режимами нейтрали и влияния их на условия электробезопасности и работоспособность применяемых и создаваемых средств защиты от замыканий на землю, необходимо изучить характер изменения амплитудных и фазовых значений напряжения и токов нулевой последовательности в установившемся и переходном режимах однофазного замыкания.

Наиболее распространенным и доступным методом исследования аварийных режимов в системах электроснабжения является метод математического моделирования, основанный на формализации изучаемых процессов и построения частных математических моделей. Использование для этой цели активного эксперимента в условиях действующей системы электроснабжения сопряжена с организационными трудностями и, кроме того, связано с созданием условий повышенной опасности поражения электрическим током и с созданием опасных для оборудования аварийных режимов. В общем случае математическую модель как совокупность математических выражений, связывающих параметры объекта с характеристиками изучаемого процесса, получают в результате формализации изучаемого процесса и построения его формализованной схемы с требуемой степенью приближения к действительности /9, 11/.

В симметричной трехфазной системе линейные (междуфазные) напряжения представляют равносторонний треугольник. При отсутствии нагрузки векторы фазных напряжений , ,,при строгом равенстве проводимостей изоляции фаз сети относительно земли образуют симметричную трехлучевую звезду фазных напряжений, а нейтраль сети имеет потенциал, равный потенциалу земли. При нарушении равенства проводимостей изоляции фаз сети относительно земли точка нулевого потенциала системы сместится, и нейтраль системы получит потенциал  относительно земли, а симметрия фазных напряжений относительно земли нарушится.

На основании общепринятых допущений схема замещения распределительной сети для исследования аварийных токов будет иметь вид представленной на рис. 2.4. Полученная схема учитывает в своей структуре лишь те элементы и связи, которые оказывают ощутимое влияние на исследуемые аварийные токи при замыканиях одной фазы на землю. На рисунке приняты следующие обозначения:  - проводимость нейтральной точки сети относительно земли;  - проводимости соответственно фаз А, В и С относительно земли; y - проводимость переходного сопротивления в точке замыкания;  - напряжение смещения нейтрали сети или напряжение нулевой последовательности;  - фазные напряжения питающего трансформатора (напряжения фаз сети относительно нейтрали системы); - ток через проводимость нейтральной точки сети относительно земли;  - токи через проводимости относительно земли соответствующих фаз;  - ток однофазного замыкания на землю.

Рисунок 2.4 - Схема замещения распределительной сети

2.2.1 Сеть с полностью изолированной нейтралью С учетом того, что

и принимая во внимание, что система является симметричной, для которой справедливо соотношение

,

после соответствующих подстановок и преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с полностью изолированной нейтралью

где  и ,  - напряжения фаз сети относительно земли R и C - соответственные активное сопротивление изоляции и емкость всей электрически связанной сети относительно земли; r - переходное сопротивление в точке замыкания фазы на землю.

Действующее значение тока однофазного замыкания на землю, учитывающее все составляющие изоляции относительно земли сети с полностью изолированной нейтралью:

В реальных сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения шахт активная составляющая сопротивления изоляции относительно земли более чем на порядок превышает емкостную составляющую и, естественно, оказывает незначительное влияние на значение тока замыкания на землю. Можно, без учета названного сопротивления, получить упрощенную формулу для тока замыкания

2.2.2 Сеть с компенсированной нейтралью

Приняв на схеме замещения, представленной на рис. 2.4 проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости компенсирующего устройства , и считая выключатель Q, находящимся во включенном положении, проведя необходимые преобразования получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью:

где - проводимость компенсирующего устройства.

Для случая полной компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю, т.е. резонансной настройки дугогасящего реактора с емкостью сети относительно земли ( или ), ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме будет

Из выражения (2.12) видно, что в резонансном режиме настройки дугогасящего реактора ток однофазного замыкания на землю в установившемся режиме является чисто активным и определяется практически только активными сопротивлениями изоляции сети относительно земли и компенсирующего устройства. Если пренебречь активными потерями в сердечнике компенсирующего устройства (), получим

Общее выражения для тока однофазного замыкания на землю электрической сети с компенсированной нейтралью (2.12) можно записать по другому

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих:

1)  - ток обусловленный проводимостью изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;

)  - ток обусловленный проводимостью компенсирующего устройства.

2.2.3 Сеть с резистором в нейтрали

Приняв на схеме замещения проводимость нейтральной точки сети относительно земли равной проводимости резистора включенного в нейтраль , после преобразований получим в общем виде выражение для тока однофазного замыкания на землю для сети с резистором в нейтрали:

   (2.14)

или

Из последнего выражения видно, что ток однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали в общем случае при прочих равных условиях состоит из двух составляющих: