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

3.1 Амплитудные и фазовые характеристики аварийных токов при однофазных замыканиях на землю

Для исследования характеристик напряжения и токов нулевой последовательности воспользуемся схемой замещения показанной на рис. 3.1, которая представлена в виде двух присоединений, подключенных к одному силовому трансформатору. При этом проводимости изоляции соответствующих фаз сети относительно земли контролируемого присоединения () и всей оставшейся части распределительной сети () связаны соотношением:

.

Однофазное замыкание на землю может произойти в контролируемой линии () или во внешней сети ().

Для этой схемы в общем случае для режима однофазного замыкания на землю в контролируемом присоединении или во внешней сети мы можем записать выражения:

для напряжения нулевой последовательности

 или

Рисунок 3.1 - Схема замещения распределительной сети для исследования напряжения и токов нулевой последовательности

для тока нулевой последовательности при повреждении в контролируемой линии

для собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю)

где YН - проводимость нейтральной точки сети относительно земли.

Выполненные исследования представленных зависимостей по оценке влияния на значения напряжения и токов нулевой последовательности параметров изоляции и характера режима нейтрали сети и их анализ позволяют констатировать:

Сеть с полностью изолированной нейтралью

- напряжение нулевой последовательности определяется (кроме значения фазного напряжения сети) параметрами изоляции сети относительно земли и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения.

Сеть с компенсированной нейтралью

напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, проводимостью компенсирующего устройства (степенью расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима) и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

при металлических (глухих) замыканиях одной фазы на землю режим настройки компенсирующего устройства не влияет на значение напряжения нулевой последовательности, которое при этом равно фазному напряжению сети;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности, параметрами изоляции внешней сети относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли (включая и параметры компенсирующего устройства) за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

ток в компенсирующем устройстве при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами компенсирующего устройства.

Сеть с резистором в нейтрали

напряжение нулевой последовательности определяется параметрами изоляции сети относительно земли, значением сопротивления резистора в нейтрали и значением переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю;

ток нулевой последовательности в поврежденной линии определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции внешней сети и нейтрали относительно земли, то есть, параметрами изоляции всей сети относительно земли за вычетом параметров изоляции поврежденного присоединения и значением сопротивления резистора в нейтрали;

собственный ток контролируемого присоединения (ток нулевой последовательности в контролируемой линии при внешних повреждениях) определяется напряжением нулевой последовательности и параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения;

ток в нейтрали сети (ток в резисторе в нейтрали) при замыкании на землю определяется напряжением нулевой последовательности и непосредственно параметрами самого резистора.

Общий вывод - собственный ток контролируемого присоединения, выраженный через напряжение нулевой последовательности, определяется только параметрами изоляции контролируемой линии и не зависит от режима работы нейтрали электрической сети.

Фазовые характеристики аварийных токов при замыканиях на землю

Устройства защиты от замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося аварийного режима, используют в основном токи и напряжения нулевой последовательности. Для направленных устройств защиты от замыканий на землю кроме значений требуется также знать фазу или взаимное положение сравниваемых величин, т.е. положение векторов напряжения и токов нулевой последовательности для защит, реагирующих на мощность нулевой последовательности. С точки зрения создания новых методов и средств направленных устройств защиты или сигнализации от замыканий на землю представляют интерес также амплитудные и фазовые характеристики собственного тока защищаемой линии и тока в нейтрали сети.

Пользуясь выражениями (3.1) … (3.3) с учетом значений проводимостей изоляции сети и контролируемого присоединения дадим оценку фазовым характеристикам напряжения, токов нулевой последовательности с учетом режима нейтрали сети.

Сеть с полностью изолированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с полностью изолированной нейтралью определится из выражения

и изменяется в пределах от 1800 до 900 при изменении переходного сопротивления в точке замыкания от нуля до бесконечности.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

Анализ выражений (3.5) и (3.6) показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов, или минус 90 эл. градусов;

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

Сеть с компенсированной нейтралью

Угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы в сети с компенсированной нейтралью зависит от параметров изоляции сети, параметров компенсирующего устройства и величины переходного сопротивления в месте замыкания, и определяется выражением

где - степень расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима.

В зависимости от параметров сети, режима настройки дугогасящей катушки и значения переходного сопротивлений в точке замыкания, угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы может принимать значения в интервале от 90 до 270 эл. градусов, т.е. теоретически может изменяться в пределах 180 эл. градусов. При настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли указанный угол практически равен 180 эл. градусов и не зависит от параметров сети и значения переходного сопротивления в точке замыкания.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

- вектора собственного тока контролируемой линии

вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли всей сети и отдельного присоединения, а также принимая во внимание реальное взаимное соотношение емкостного и активного сопротивлений изоляции, а также учитывая реальные значения параметров дугогасящего реактора, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и определяется в значительной степени значением расстройки компенсирующего устройства от резонансного режима и для резонансной настройки составляет практически 180 эл. градусов; при расстройке компенсирующего устройства от резонансного режима, как в сторону перекомпенсации, так и в сторону недокомпенсации, вектор тока отклоняется на угол соответственно до плюс 90 эл. градусов и минус 90 эл. градусов, таким образом диапазон изменения угла между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности теоретически составляет 180 эл. градусов;

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет 90 эл. градусов;

угол между вектором тока в дугогасящем реакторе и вектором напряжения нулевой последовательности определяется только параметрами непосредственно дугогасящего реактора и для реальных их значений составляет 90 эл. градусов.

Сеть с резистором в нейтрали

Для сети с резистором в нейтрали угол между вектором напряжения нулевой последовательности и вектором напряжения поврежденной фазы

Влияние значения активного сопротивления в нейтрали сети на значение и фазу напряжения нулевой последовательности по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью можно оценить как существенное снижение активного сопротивления изоляции фаз сети относительно земли.

Фазы по отношению к вектору напряжения нулевой последовательности:

вектора тока нулевой последовательности

вектора собственного тока контролируемой линии

вектора тока дугогасящего реактора (компенсирующего устройства)

Анализ показывает, что с учетом реальных значений параметров изоляции относительно земли значения сопротивления резистора в нейтрали, можно сделать следующие выводы:

угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и, в отличие от сетей с полностью изолированной нейтралью, равен значению в пределах от 180 до 270 эл. градусов; для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (1¸2) XС этот угол составляет примерно 225¸240 эл. градусов.

угол между вектором собственного тока контролируемой линии (тока нулевой последовательности в контролируемой линии при внешнем замыкании одной фазы на землю) и вектором напряжения нулевой последовательности определяется параметрами изоляции относительно земли только контролируемого присоединения и составляет практически 90 эл. градусов.

угол между вектором тока в резисторе, включенном в нейтрали сети и вектором напряжения нулевой последовательности не зависит от параметров изоляции сети, резистора и режима замыкания и совпадает по направлению с вектором напряжения нулевой последовательности ( угол равен 0 эл. градусов).

Важно отметить, что фаза собственного тока контролируемого присоединения не зависит от режима работы нейтрали, определяется только параметрами непосредственно контролируемого присоединения и практически жестко привязана к напряжению нулевой последовательности.

3.2 Исследование влияния режима нейтрали сети на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Значительное преобладание однофазных замыканий на землю в рассматриваемых сетях над другими видами повреждений, не явно выраженный аварийный характер работы сети при таком повреждении, а также значительный диапазон изменения параметров нулевой последовательности, привели к разработке большого количества весьма разнообразных устройств защиты от однофазных замыканий на землю, которые можно классифицировать по принципу их действия на четыре основные группы:

) защитные устройства, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания;

) защитные устройства, реагирующие на параметры переходного процесса при замыканиях на землю;

) защитные устройства, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты;

) комбинированные устройства защиты.

Следует отметить, что ни одно из защитных устройств не может гарантировать благополучного исхода при прикосновении человека к токоведущим частям в сетях с любым режимом нейтрали при напряжении 6 кВ и выше. Поэтому основным назначением устройств защиты от замыканий на землю следует считать обеспечение электробезопасности при действии напряжения прикосновения, надежности электроснабжения и недопущение дальнейшего развития аварий. Исходя из этого, основными требованиями, предъявляемыми к устройствам защиты распределительных сетей от несимметричных повреждений являются:) чувствительность к параметрам контролируемых величин;