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

) селективность (избирательность) действий;

) высокая функциональная и аппаратная надежность;

) работоспособность в широком диапазоне изменения входных сигналов.

С точки зрения оптимизации режима нейтрали распределительных сетей и обеспечения качества работы защитных устройств, научный и практический интерес представляют исследования работоспособности известных средств защиты при всех возможных видах режима работы нейтрали распределительных сетей.

К устройствам защиты, реагирующих на параметры установившегося режима однофазного замыкания на землю в распределительных сетях напряжением выше 1000 В следует отнести:

устройства, реагирующие на ток нулевой последовательности (максимальные токовые защиты нулевой последовательности);

устройства, реагирующие на напряжение нулевой последовательности;

устройства, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности и угол между этими величинами (направленные устройства защиты).

Широкое применение токовых защит ограничивается относительно низкой чувствительностью, которая связана с необходимостью выбора тока срабатывания, исходя из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения и , как правило, с учетом переходного процесса. В общем случае ток срабатывания простой токовой защиты определяется выражением:

где  - коэффициент надежности, вводимый для отстройки от бросков собственного емкостного тока при переходном процессе, принимается  = 4¸5; - собственный емкостной ток защищаемого присоединения.

Рекомендуемый коэффициент чувствительности простой токовой защиты должен быть:

,

Выражение для коэффициента чувствительности можно записать в иной форме

где  и  - соответственно полный емкостной ток сети и собственный емкостной ток эащищаемой линии при металлическом замыкании на землю, определяемый без учета активной составляющей проводимости изоляции сети.

Из выражения (3.16) с учетом  можно получить:

Последнее выражение является условием применимости токовой защиты, то есть применение простой токовой защиты оправдано по условиям чувствительности при емкости защищаемой линии меньше в 5¸7,5 раз емкости всей электрически связанной сети. При несоблюдении указанного условия селективность работы нарушается. Необходимость выполнения условия (3.16) значительно ограничивает область применения токовых защит, тем более, если учитывать, что в процессе эксплуатации емкость всей сети, а также отдельных линий значительно меняется.

Принцип обеспечения селективности действия токовых защит, а также соотношение значений токов нулевой последовательности при внутренних и внешних однофазных замыканиях на землю, не способствует применению их в сетях с компенсированной нейтралью. В таких сетях в установившемся режиме замыкания на землю при настройке компенсирующего устройства в резонанс с емкостью сети относительно земли, а также при незначительных расстройках от резонансного режима (на 10 - 20 %), ток нулевой последовательности защищаемого присоединения (собственный ток присоединения) оказывается, как правило, больше тока нулевой последовательности при повреждении в защищаемом присоединении. Это обстоятельство практически исключает возможность применения токовых защит в сетях с компенсированной нейтралью. Однако при больших расстройках компенсирующего устройства от резонансного режима (более 40%) применение токовых защит становится возможным, хотя и ограниченным за счет необходимости отстраивать защиту от бросков собственного тока в начальный период повреждения.

Достоинством простых токовых защит, реагирующих на ток нулевой последовательности, следует считать то, что такие защиты в отличии от направленных устройств, реагируют на сравнительно более опасные двойные замыкания на землю. Одним из видов токовых защит от замыканий на землю, получивших применение в сетях с компенсированной нейтралью, являются устройства, реагирующие на высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности. Наличие высших гармонических составляющих в токе замыкания обусловлено нелинейным характером нагрузок (главным образом вентильно-преобразовательных установок и силовых трансформаторов). Состав и уровень гармоник в сетях изменяется в широких пределах. Гармонические составляющие в разных точках сети существенно отличаются в каждый момент времени и резко изменяются с течением времени в зависимости от включенного оборудования, графика нагрузки и т.д. Гармонические составляющие установившегося остаточного тока замыкания на землю могут быть использованы для действия защиты при условии, что в сети имеется достаточно стабильный состав и уровень гармоник. Необходимая чувствительность защиты может быть обеспечена лишь при небольшом (несколько Ом) переходном сопротивлении в точке замыкания, так как в противном случае уровень гармоник резко снижается. Кроме того, для защиты, использующей естественные гармоники установившегося тока замыкания на землю, трудно согласовать селективность действия и чувствительность.

Основным недостатком защитных устройств, реагирующих только на напряжение нулевой последовательности, является невозможность обеспечения селективности работы. В сетях с компенсированной нейтралью применение таких защит практически невозможно также и по причине существенного значения напряжения смещения нейтрали при резонансной (или близкой к резонансной) настройке дугогасящего реактора.

Устройства направленной защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на параметры установившегося режима замыкания, работают на основе сравнения по фазе тока и напряжения нулевой последовательности. Указанные устройства рекомендованы только для сетей с полностью изолированной нейтралью. В сетях с компенсированной нейтралью указанный принцип выполнения защит не нашел применения, так как в этих сетях углы между токами и напряжением нулевой последовательности определяются в основном режимом компенсации, а также зависят от параметров изоляции сети и переходного сопротивления в точке замыкания.

Основными причинами неудовлетворительной работы направленных устройств защиты в сетях с изолированной нейтралью следует считать наличие переходных процессов, сопровождающих как возникновение замыкания фазы на землю, так и отключение поврежденного присоединения. К причинам, вызывающим ложную работу существующих устройств направленной защиты, следует отнести также несовершенство схемных решений. Из этой группы причин следует выделить следующие:

недостаточную отстройку устройств по каналам тока и напряжения нулевой последовательности от высших гармонических составляющих, уровень которых может быть значительным, особенно при замыканиях через перемежающуюся дугу ;

широкая угловая зона срабатывания, которая составляет примерно 180¸210°, что приводит к совпадению во времени сравниваемых сигналов за счет их фазовых искажений, (рис. 3.2) обусловленных угловыми погрешностями трансформаторов тока и напряжения, фазовыми сдвигами сигналов непосредственно в схеме устройства и т.п.

Рисунок 3.2 - К пояснению неселективного действия направленных устройств защиты на неповрежденных присоединениях при появлении фазовой погрешности jП между сигналами тока и напряжения нулевой последовательности (ІР - ток в исполнительном реле)

Дуговые замыкания на землю появляются вследствие нескольких импульсных перекрытий в течение периода и сопровождаются также переходными процессами с последующим установлением тока дугового замыкания промышленной частоты. Длительность горения электрической дуги и интервалы, через которые она повторяется, определяются быстродействием и режимом настройки дугогасящего реактора в компенсированных сетях, а также временными характеристиками процессов ионизации и деионизации поврежденной изоляции.

Устройства защиты, реагирующие на параметры переходного процесса, находят применение в сетях с компенсированной нейтралью, так как компенсация емкостного тока замыкания на землю не позволяет, как правило, использовать для действия защиты токов или напряжений промышленной частоты.

Переходный процесс при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях характеризуется появлением следующих этапов:

формирование начального фронта в месте повреждения, т.е. появление падающих разрядных волн;

распространение разрядных волн в пределах однородной поврежденной линии;

распространение волн в сети с отражениями и преломлениями в точках нарушения однородности волновых сопротивлений;

дополнительный заряд емкостей поврежденных фаз, формирование и распространение зарядных волн;

установление нового режима с промышленной частотой изменения токов и напряжений.

Информация, получаемая при контроле электрических величин переходного процесса при замыкании на землю имеет следующие особенности:

) независимость рабочих режимов системы;

) кратковременное действие, характеризующее появление повреждений, но не характеризующее состояние системы после появления повреждения;

) возможность определения не только устойчивых, но и кратковременных, исчезающих однофазных повреждений.

К недостатком устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на амплитудные и волновые характеристики переходного процесса, в значительной степени ограничивающих их распространение в распределительных сетях, следует отнести следующее:

. Броски начального емкостного тока, а также токи и напряжения волн разрядной стадии переходного процесса в значительной степени определяются значениями напряжения и его фазы в момент замыкания на землю. В тоже время электрические сети характеризуются высокой вероятностью механического повреждении изоляции, что может происходить в моменты, соответствующие не максимуму напряжения поврежденной фазы, когда переходный процесс практически не возникает.

. Наличие переходного сопротивления в точке замыкания фазы на землю приводит к уменьшению амплитудных и временных характеристик переходного процесса. Опыт эксплуатации распределительных сетей показывает, что при значении переходного сопротивления порядка нескольких сотен Ом переходный процесс практически не возникает.

. При распространении волн по линиям с реальными параметрами их фронты сглаживаются за счет потерь в активных сопротивлениях проводов и земли даже при глухих замыканиях на землю. Кроме того, распределительные сети, обладают неоднородностью, что также приводит к затруднению использования в таких сетях переходных процессов для определения поврежденных присоединений.

. Отсутствие повторности действия защитных устройств при квитировании сигнала в условиях устойчивого замыкания на землю.

Защитные устройства от замыканий на землю, реагирующие на наложенные на сеть токи непромышленной частоты, возможны в сетях с любым режимом нейтрали.

Недостатками устройств защиты от замыканий на землю, реагирующих на постоянный оперативный ток, являются отсутствие селективности действия (отключается, как правило, питающий трансформатор), а также ограниченная зона применения (ограничение по суммарной емкости сети относительно земли и по максимальной длине отходящих присоединений, которые определяются опасностью для человека зарядов в распределенных емкостях сети).

Для устройств, реагирующих на наложенный переменный ток непромышленной частоты, величина наложенного тока складывается из составляющих, определяемых, кроме уровня напряжения источника, значением переходного сопротивления в месте замыкания и суммой фазных емкостей сети относительно земли:

где z - величина полного сопротивления обмоток трансформатора, линии и грунта для тока накладываемой частоты;  - емкостное сопротивление одной фазы всей сети относительно земли (для накладываемой частоты).

Вторая составляющая наложенного тока существует независимо от величины переходного сопротивления и возрастает с увеличением емкости сети и частоты оперативного напряжения. Эта составляющая распределяется по всем линиям сети пропорционально их емкостям.

Общим недостатком для защит, реагирующих на наложенный ток как пониженной, так и повышенной частоты, является невозможность создания высокочувствительных устройств, так как необходимо отстраиваться от утечек оперативного тока через емкость защищаемой линии. Кроме того, следует отметить возможность ложной работы устройств защиты при переходных процессах, так как в точках переходного процесса возможно наличие составляющих оперативной частоты.

Принцип наложения на защищаемую сеть оперативного напряжения непромышленной частоты является наиболее предпочтительным для сетей с компенсированной нейтралью как по реализации самого устройства защиты, так и по простоте реализации оперативного источника.

3.3 Влияния структуры системы электроснабжения на работоспособность средств защиты от замыканий на землю

Одно из основных требований к устройствам защиты от однофазных замыканий на землю - селективность действия. При этом для указанной защиты следует различать поперечную и продольную селективность. Поперечная селективность обеспечивается выбором тока срабатывания защиты из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

Продольная селективность в общем случае обеспечивается введением выдержки времени для последовательно включенных защит с нарастанием по мере приближения к источнику питания. Однако ПУЭ и отраслевые Правила безопасности горнодобывающих предприятий предписывают действие первой ступени защиты от замыканий на землю без выдержки времени. Выдержка времени 0,5 с допускается только для второй ступени указанной защиты.

Анализ построения схемы электроснабжения ЗЖРК показал, что проблема продольной селективности существует только для части системы электроснабжения, получающей питание от ГПП, так как только здесь потребители получают питание через одну и более промежуточную распределительную подстанцию, а защиты должны действовать на отключение. Другие трансформаторные подстанции комбината (п/ст 35/6 кВ ЮВС, СВС, ДВС, ЗК) питают потребители поверхности, защита от замыканий на землю действует (за исключением нескольких ответственных потребителей) на сигнал и вопросы продольной селективности не являются критическими.

Обеспечение продольной селективности защиты от замыканий на землю для ГПП может быть обеспечено одним из следующих путей:

установкой на каждом РП, где имеется защита от замыканий на землю, устройств АПВ с функцией опережающего автоматического контроля изоляции отключенного присоединения (участка);

доукомплектация ячеек рудничных распределительных устройств оборудованных блокировочными устройствами утечки (БРУ), устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Выводы по главе 3

. Установлено, что угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором напряжения нулевой последовательности:

- в сети с полностью изолированной нейтралью не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и составляет практически 270 эл. градусов;