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

в сети с компенсированной нейтралью 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 (диапазон изменения угла теоретически составляет 180 эл. градусов);

в сети с резистором в нейтрали не зависит от полноты замыкания (переходного сопротивления в точке замыкания) и для реальных параметров изоляции сети относительно земли и рекомендуемого значения RН = (1¸2) XС этот угол составляет примерно 225¸240 эл. градусов.

. 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

. По результатам исследований параметров нулевой последовательности при замыкания на землю в распределительных сетях с различными режимами нейтрали сформулированы основные причины отказов и дана оценка работоспособности существующих средств защиты.

4. Разработка технических решений по ограничению внутренних перенапряжений и рекомендаций по выбору параметров защит от замыканий на землю для сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

.1 Рекомендации по оптимизации режимов работы нейтрали распределительных сетей напряжением 6 кВ ЗЖРК

Эффективность любого вида режима работы нейтрали электрической сети определяется целесообразным технико-экономическим соответствием бесперебойности электроснабжения потребителей, величины капиталовложений и эксплуатационных расходов. При этом учитывается, что всякого рода аварийные отключения линий электропередачи и подстанций, как правило, приводят либо к полному обесточиванию потребителей, либо к ограничениям потребления электроэнергии. Перебои в электроснабжении наносят тем больший ущерб, чем выше энергоемкость потребителей и чем больше потребителей, у которых прекращение подачи электроэнергии недопустимо по условиям непрерывности технологического процесса. В связи с этим для обеспечения надежности электроснабжения и для снижения возможных негативных последствий, помимо широко применяемой системной автоматики, конфигурация сетей делается такой, чтобы питание основных или ответственных потребителей осуществлялось по нескольким путям, в том числе и по линиям сетей низшего напряжения.

Эффективностью компенсации емкостного тока замыкания на землю (компенсированная нейтраль) называется способность дугогасящих аппаратов ограничивать токи через место повреждения, перенапряжения и скорости восстанавливающихся напряжений после гашения заземляющей дуги. Показателем эффективности компенсации является отношение количества замыканий на землю не развившихся в короткие замыкания, к общему количеству замыкания.

Эк = 1 - nк.з/nобщ.

При сравнении показателей эффективности работы электрических сетей с различными способами заземления нейтрали, кроме удовлетворения требования по обеспечению надежности электроснабжения потребителей, серьезное внимание обращается на основные параметры сетей, влияющие на эксплуатационные характеристики систем электроснабжения, к которым можно отнести:

. Уровни изоляции и защита от перенапряжений (устойчивость к перенапряжениям).

. Селективность действия релейной защиты и простота ее выполнения.

. Отключение коротких замыканий и возможность нарушения устойчивости параллельной работы (в мощных энергосистемах).

. Влияние на линии связи, каналы телемеханики и средства промышленной автоматики.

. Заземляющие устройства линий и подстанций и безопасность напряжении прикосновения и шаговых напряжений.

В отношении электрических сетей и оборудования напряжением 6-35 кВ, работающих с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, следует отметить, что при резонансных настройках или при незначительных расстройках компенсации в сетях запасы электрической прочности изоляции по отношению к воздействующим перенапряжениям увеличиваются до 30%. Такие запасы обеспечивают высокую надежность работы систем электроснабжения.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является бесконтактным средством дугогашения. В сравнении с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с сетями работающими с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, сети с индуктивностью в нейтрали, настроенной в резонанс с емкостью сети относительно земли, обладают следующими выгодными для эксплуатации качествами:

уменьшается ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник);

обеспечивается надежное дугогашение (предотвращается длительное воздействие заземляющей дуги);

улучшаются условия безопасности при растекании аварийных токов в земле;

облегчаются требования к заземляющим устройствам;

ограничиваются перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2,5-2,6 фазного напряжения сети (при степени расстройки до 5%) - безопасных для изоляции оборудования и линий;

значительно снижаются скорости восстановления напряжений на поврежденной фазе, что способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

предотвращаются набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, что способствует сохранению качества электроэнергии у потребителей (при резонансной настройке):

резко уменьшается вероятность развития в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали).

Как отмечалось ранее, расстройка режима компенсации более 5% от резонансного приводит к резкому снижению эффективности в части кратности перенапряжений, развития феррорезонансных процессов т.п. В этих условиях требуемая надежность и, в определенной мере, электробезопасность достигается включением параллельно дугогасящему реактору дополнительного реактора.

Анализ выполненных и изложенных в предыдущих разделах отчета результатов исследований влияния заземления нейтрали электрических сетей на надежность и условия электробезопасности систем электроснабжения в целом, на повреждаемость распределительных сетей и электрооборудования, а также на функциональные характеристики релейной защиты в частности, позволяет дать оценку каждому конкретному режиму работы нейтрали и разработать рекомендации, направленные на усиление позитивных показателей соответствующих режимов.

Исследования показали, что самый низкий уровень эксплуатационной надежности соответствует сетям с полностью изолированной нейтралью, а также сетям с компенсированной нейтралью при расстройках компенсации на 20% и более от резонансной. Это обусловлено высокой повреждаемостью элементов систем электроснабжения от действия внутренних перенапряжений и феррорезонансных явлений /15, 17/.

Следует отметить, что наиболее высокая эксплуатационная надежность обеспечивается в распределительных сетях с наложением дополнительной активной составляющей на ток замыкания на землю (сети с резистором в нейтрали). В таких сетях при определенных условиях резко ограничиваются уровня внутренних перенапряжений сопровождающих несимметричные повреждения, практически исключается развитие феррорезонансных процессов, что, соответственно, способствует уменьшению повреждаемости элементов сети. Кроме того, при этом практически исключается ложной работа устройств защиты от замыканий на землю за счет резкого подавления (практически устранения) переходных процессов при появлении и отключении повреждений.

По условиям обеспечения электробезопасности электрических сетей при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям ни один из возможных режимов нейтрали нельзя признать благоприятным. Независимо от режима нейтрали с учетом реальных параметров изоляции относительно земли распределительных сетей и времени действия устройств защиты, а также времени действия применяемой в таких сетях коммутационной аппаратуры, значения тока через тело человека будут значительно превышают безопасные уровни.

Следует однако отметить, что степень косвенной опасности электрической сети, например от действия напряжения прикосновения (при прикосновении человека к корпусам электрооборудования и машин, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз), в значительной степени зависит от режима нейтрали. Для установившегося режима однофазного замыкания в этом случае предпочтение следует отдать электрическим сетям с компенсированной нейтралью при резонансной (или близкой к резонансной) настройке компенсирующего устройства. Если учитывать переходные процессы, сопровождающие металлические и дуговые однофазные замыкания на землю, то наиболее благоприятным следует считать электрическую сеть с активным резистором в нейтрали.

Как отмечалось ранее, в сетях напряжением 6 кВ, работающих с нейтралью полностью изолированной от земли, предлагается режим работы с резистором в нейтрали, т.е. наложение в аварийном режиме на емкостный ток замыкания активной составляющей, значение которой выбирается из условия

Реализация в электрических сетях напряжением 6 кВ системы электроснабжения ЗЖРК режима нейтрали с созданием дополнительной активной составляющей тока замыкания на землю (режим работы сети с резистором в нейтрали) может быть осуществлена наиболее просто одним из методов, показанных на рис.4.1, или их комбинаций.

Для создания дополнительного искусственного активного тока замыкания могут использоваться резисторы, включаемые между нейтральной точкой сети и землей. В этом случае высоковольтный резистор может включаться:

в нейтраль силового трансформатора при включении его обмоток в звезду и выведенной нулевой точкой (рис. 4.1.а);

в нейтраль первичной обмотки специального заземляющего трансформатора);

между каждой фазой и землей трех сопротивлений, соединенных в звезду с искусственной нулевой точкой (рис. 4.1.б).

Кроме того, создание искусственного дополнительного активного тока однофазного замыкания на землю может быть обеспечено включением низковольтного резистора одним из следующих способов:

в качестве нагрузочного резистора вторичной обмотки специального однофазного трансформатора, первичная обмотка которого включается между нейтральной точкой сети и землей (рис. 4.1.в);

в качестве нагрузочного резистора, подключенного ко вторичным обмоткам трех однофазных трансформаторов, включенных по схеме разомкнутого треугольника (первичные обмотки включаются при этом в звезду с заземленной нулевой точкой) (рис. 4.1.г).

Рисунок 4.1 - Варианты реализации режима нейтрали сети заземленной через активное сопротивление

.2 Обоснование комбинированного режима заземления нейтрали распределительных сетей напряжением 6 - 10 кВ

При превышении токов замыкания на землю допустимых значений, устанавливаются дугогасящие реакторы, которые как правило не оборудованы устройствами автоматической настройки индуктивности в резонанс с емкостью сети (что имеет место на ГПП системы электроснабжения ЗЖРК). Кроме того, зачастую эксплуатационная динамика указанных сетей может превышать 20 - процентное изменение параметров изоляции сетей относительно земли.

Для указанных сетей нами, с целью оптимизации заземления нейтрали, предлагается использовать так называемый комбинированный режим работы нейтрали. Суть комбинированного режима заземления нейтрали состоит в том, что кроме создания индуктивной составляющей тока однофазного замыкания на землю, предлагается также одновременно накладывать на ток замыкания и активную составляющую. То есть, комбинированный режим заземления нейтрали, это компенсированная сеть с наложением в аварийном режиме дополнительной активной составляющей. Значение накладываемой на сеть активной составляющей тока замыкания на землю должно быть на уровне 30 - 50 % от емкостной составляющей, что обеспечивает эксплуатационные показатели адекватные сетям с резистором в нейтрали даже при расстройках дугогасящего реактора до 50%.

На рис. 4.2 представлена схема, поясняющая принцип реализации комбинированного режима заземления нейтрали сети. Полный аварийный ток при однофазном замыкании на землю складывается из емкостного, индуктивного, активного обусловленного активным сопротивлением изоляции сети и активным через резистор в нейтрали. Векторная диаграмма составляющих токов замыкания на землю для этого случая показана на рис. 4.3а. На рис 4.3б для сравнения показаны зоны максимальной кратности перенапряжений от степени расстройки компенсации от резонансного режима в сети с компенсированной нейтралью (зона 1) и в сети с комбинированным режимом работы нейтрали (зона 2). Верхняя и нижняя границы зон соответствуют значениям коэффициента γ равном соответственно 1 и 0,8, который учитывает физические характеристики сети, относительное место повреждения и прочее.

Рисунок 4.2 - Поясняющая схема комбинированного режима заземления нейтрали

Рисунок 4.3 - Векторная диаграмма (а) и зависимость кратности перенапряжений от степени расстройки реактора (б) при комбинированном режиме заземления нейтрали

4.3 Параметры и варианты реализации рекомендуемого режима нейтрали

Для системы электроснабжения ЗЖРК с целью ограничения негативных последствий от однофазных замыканий на землю предложено накладывать на аварийный ток, который в данном случае имеет практически чисто емкостный характер, активную составляющую тока.

Для реализации этого процесса нами рассмотрены два приемлемых и наиболее просто реализуемых в условиях системы электроснабжения ЗЖРК варианта (таблица 4.1):

включение в нейтраль сети однофазного трансформатора, вторичная обмотка (230 В) которого нагружена активным сопротивлением соответствующего значения;

включение в нейтраль сети высоковольтного резистора.

Таблица 4.1 - Сравнительный анализ двух способов заземления нейтрали