 |
ЗАЩИТЫ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
В СЕТЯХ 6–35 кВ
НЕБАЛАНСЫ
Алексей Шалин,
д.т.н., профессор кафедры электрических станций | 
Андрей Хабаров,
инженер | В предыдущем номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(39) 2006) новосибирские ученые рассмотрели некоторые аспекты, связанные с применением направленных защит, а именно небалансы. Под этим термином в защите от однофазных замыканий на землю понимается рабочий сигнал (ток или напряжение нулевой последовательности), «ощущаемый» защитой при отсутствии ОЗЗ на защищаемом присоединении или искажающий её поведение при ОЗЗ на защищаемом присоединении.
Сегодня авторы продолжают рассказ о методах расчета небалансов в защитах от ОЗЗ. | | Новосибирский государственный технический университет |
НЕБАЛАНСЫ, ВЫЗВАННЫЕ ВЛИЯНИЕМ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Эта составляющая небаланса может появиться в сети из-за смещения потенциала нейтрали, связанного с взаимовлиянием параллельных линий [1]. В сетях 35 кВ часто встречаются подстанции (ПС) с двумя секциями сборных шин и отключенным в нормальном режиме секционным выключателем (рис. 1).
Рис. 1. Схема питающей подстанции сети с резистивно-заземленной нейтралью
К каждой из секций таких ПС бывает присоединено по несколько линий, большинство из которых – двухцепные (например, ЛЭП1 и ЛЭП4, ЛЭП2 и ЛЭП5, ЛЭП3 и ЛЭП6). На противоположной от ПС стороне линии обычно работают раздельно, но между ними существует связь через межцепные емкости. При ОЗЗ на одной из ЛЭП напряжение нулевой последовательности возникает на обеих секциях сборных шин и токи нулевой последовательности протекают через линии, присоединенные как к первой секции сборных шин подстанции, так и ко второй. Если не учесть эту особенность при разработке и проектировании защиты, то возможны неселективные отключения неповрежденных линий при ОЗЗ в сети.
На рис. 2 показана расчетная схема нулевой последовательности для рассматриваемой сети. На схеме условно показаны комплекты защит нулевой по-следовательности, установленные на ЛЭП1, ЛЭП2 и ЛЭП4. По ней легко получить схему замещения сети, изображенную на рис. 3.
Рис. 2. Расчетная схема сети
ЕФ – фазная ЭДС (напряжение нулевой последовательности в месте повреждения);
Rпер – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;
Сi0 – емкость трех фаз i-й ЛЭП относительно земли;
Смцi – суммарная межцепная емкость всех фаз соответствующей двухцепной ЛЭП;
RN1, RN2 – сопротивления заземляющих резисторов
Рис. 3. Схема замещения сети
C1 = SCi0 – для 1-й секции сборных шин;
C2 = SCмцi; C3 = SCi0 – для 2-й секции сборных шин.
Можно записать:
причем
Ток в аварийной ЛЭП (ЛЭП1) равен:
Ток в ЛЭП2 равен:
Ток в ЛЭП4:
Отметим, что в рассматриваемом случае, при одинаковых конструкциях всех трех пар ЛЭП, угол между током каждой из ЛЭП4, ЛЭП5, ЛЭП6 и напряжением на нейтрали питающего трансформатора второй секции  N1 – один и тот же (и равен углу тока через заземляющий резистор  N1 относительно напряжения N1).
Отсюда следует, что угол тока 3 0 в каждой из этих ЛЭП относительно напряжения N1 равен нулю, т.е. токи 3I–0 относительно напряжения N1 – активные. Если ток в защите ЛЭП4 попадает в зону срабатывания (это возможно при резистивном заземлении нейтрали и соответствующей фазовой характеристике защиты), то ЛЭП4 (а также ЛЭП5 и ЛЭП6) будут в этом случае отключены неселективно.
Чтобы этого не произошло, необходимо либо отстроить ток срабатывания защиты ЛЭП4 IСЗ.ЛЭП4 по величине от значения, рассчитанного по (7), либо выполнить эту отстройку аппаратным путем так, как это описано в [1]. То же самое надо сделать для защит остальных линий «неповрежденной» секции. При расчете тока 30ЛЭП4 в соответствии с (3)…(7), в выражении (3) следует принять Rпер = 0, т.е. рассмотреть самый худший случай, как это и принято при расчете уставок.
Если для части линий, присоединенных ко второй секции сборных шин, Смц = 0, т.е. эти линии – одноцепные, а оставшаяся часть ЛЭП – двухцепные, то ток в k-й одноцепной ЛЭП будет равен:
Этот ток имеет емкостный характер. Величина, подведенная к токовым входам направленного реле нулевой последовательности рассматриваемой одноцепной ЛЭП, на 90 электрических градусов отстает от подведенного к реле напряжения нулевой последовательности и выходит за пределы зоны срабатывания. Зато углы токов двухцепных ЛЭП, присоединенных к «здоровой» секции, сместятся относительно напряжения в сторону зоны срабатывания и для обеспечения селективного действия защиты от этих токов необходимо отстроиться. Рассмотренный пример относился к наиболее распространенному случаю, когда обе цепи двухцепных ЛЭП принадлежали сетям с одинаковым напряжением. Однако иногда бывает иначе, например, одна цепь принадлежит сети 35 кВ, а другая – 10 кВ. Такой случай был описан в [2]. Тогда ОЗЗ в сети одного напряжения может вызвать смещение нейтрали в обеих сетях. При этом расчет ведется так же, как это описано выше.
Очевидно, что, например, влияние сети 35 кВ на сеть 10 кВ оказывается более заметным: при ОЗЗ в сети 35 кВ напряжение смещения нейтрали в сети 10 кВ больше, чем аналогичное смещение нейтрали сети 35 кВ при ОЗЗ в сети 10 кВ. Однако в принципе через параллельные ЛЭП обе сети влияют друг на друга.
НЕБАЛАНС, ВЫЗВАННЫЙ ВЛИЯНИЕМ СЕТЕЙ СМЕЖНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ЧЕРЕЗ СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Эта составляющая небаланса возникает за счет того, что, допустим, при КЗ на землю или ОЗЗ в сети смежного напряжения (например, со стороны обмотки высшего напряжения понижающего трансформатора, от обмотки низшего напряжения которого питается рассматриваемая сеть) напряжение нулевой последовательности через межобмоточную емкость этого трансформатора поступает в сеть. Это может иметь место в том случае, если сеть низшего напряжения работает с изолированной нейтралью или подключена со стороны обмотки силового трансформатора, соединенной в треугольник (рис. 4, а). Величину возникающего при этом напряжения нулевой последовательности можно определить по схеме замещения, приведенной на рис. 4, б. Предполагаем, что в рассматриваемом случае в сети установлен дугогасящий реактор и заземляющий резистор.
Рис. 4. Возникновение напряжения нулевой последовательности в сети низшего напряжения при КЗ на землю (для сетей 110 кВ и выше)
или ОЗЗ (для сетей 35 кВ) в сети высшего напряжения за счет емкостной связи между обмотками силового трансформатора
а) упрощенная схема сети
б) схема замещения нулевой последовательности
На рис. 5 приведены расчетные зависимости для определения межобмоточной емкости двухобмоточных силовых трансформаторов, заимствованные из [3]. По горизонтальной оси откладывается мощность двухобмоточного силового трансформатора, выбирается кривая, соответствующая высшему напряжению, и по вертикальной оси определяется искомое значение фазной емкости CТ(МО).
Рис. 5. Расчетные зависимости для определения межобмоточной емкости силовых трансформаторов
Если нейтраль сети низшего напряжения заземлена через высокоомный резистор и дугогасящий реактор (как на рис. 4, б), то можно получить выражение (9) для определения значения напряжения смещения нейтрали сети низшего напряжения 0H. Если какой-то из элементов (дугогасящий реактор или заземляющий резистор) в сети отсутствует, то его исключают из рис. 4, б и соответствующие параметры в выражении (9) приравнивают к бесконечности.
где U0В– напряжение нулевой последовательности со стороны высшего напряжения при КЗ на землю (для сетей 110 кВ и выше) или ОЗЗ (для сетей 35 кВ);
k – коэффициент, учитывающий распределение напряжения U0В по обмотке высшего напряжения трансформатора (приближенно k = 1 при изолированной нейтрали со стороны высшего напряжения силового трансформатора, k = 0,5 при эффективно заземленной нейтрали [3]. При заземлении нейтрали через дугогасящий реактор и (или) высокоомный резистор необходимо принимать 0,5 k1 в зависимости от суммарного значения сопротивления в цепи нейтрали [4]);
CФ – суммарная емкость нулевой последовательности в сети низшего напряжения (для одной фазы);
CТ.МО – емкость между обмотками высшего и низшего напряжения силового трансформатора (для одной фазы);
LДГР – индуктивность ДГР;
RN – сопротивление заземляющего резистора в нейтрали сети низшего напряжения.
Обычно суммарная емкость нулевой последовательности в сети низшего напряжения СФ во много раз больше межобмоточной емкости СТ.МО силового трансформатора и напряжение U0Н не превышает нескольких процентов от фазного напряжения. Ситуация усложняется при появлении в сети низшего напряжения дугогасящих реакторов. При этом суммарное сопротивление фаз сети низшего напряжения относительно земли возрастает и напряжение на нейтрали может существенно увеличиться.
При действии защиты от ОЗЗ в сети низшего напряжения с выдержкой времени и согласовании её с временем срабатывания резервных защит от КЗ на землю линий со стороны высшего напряжения, рассматриваемую составляющую небаланса можно не учитывать при расчете уставок защиты от ОЗЗ. Если же защита от ОЗЗ в сети низшего напряжения не имеет выдержки времени, то при наличии в этой сети дугогасящего реактора отстройка от рассматриваемой составляющей небаланса может представить серьезные трудности.
Не только сеть высшего напряжения может влиять на смещение нейтрали в сети низшего напряжения, но и наоборот – ОЗЗ в сети низшего напряжения (например 10 кВ) может привести к смещению нейтрали сети более высокого напряжения (например 35 кВ). В принципе расчет в этом случае ведется так же, как это описано выше.
Ещё один случай появления напряжения нулевой последовательности возможен при заземлении питающего силового трансформатора с двух сторон. Практически это может иметь место, например, при питании сети 35 кВ, работающей с высокоомным заземлением нейтрали, от сети 110–220 кВ, нейтраль которой эффективно заземлена. В этом случае главной причиной возникновения напряжения нулевой последовательности в сети среднего напряжения при КЗ на землю в сети высшего напряжения является трансформация напряжений и токов нулевой последовательности (рис. 6) [4]. Величину напряжения 0С смещения нейтрали сети среднего напряжения в этом случае можно определить из схемы замещения нулевой последовательности, приведенной на рис. 6, б. В схеме предполагается, что все сопротивления и токи приведены к одному напряжению.
Рис. 6. Возникновение напряжения нулевой последовательности в сети низшего напряжения при КЗ на землю в сети высшего напряжения при двухстороннем заземлении нейтралей
силового трансформатора
а) упрощенная схема сети
б) схема замещения нулевой последовательности
Выражение для определения напряжения нулевой последовательности со стороны системы среднего напряжения [4] выглядит следующим образом:
где Z'Т.НН, Z'Т.ВН – сопротивления обмоток трансформатора соответственно со стороны низшего и высшего напряжений, приведенные к одному напряжению.
Следует отметить, что в рассматриваемом случае в схеме замещения индуктивность дугогасящего реактора и емкость сети включены последовательно. При отсутствии заземляющего резистора и настройке ДГР в режим полной компенсации, в сети среднего напряжения может возникнуть резонанс напряжений, в результате чего напряжение в сети СН может недопустимо повыситься. Заземляющий резистор «срывает» резонанс и снижает напряжение в сети СН.
При действии защиты с выдержкой времени и согласовании ее с временем срабатывания резервных защит от КЗ на землю линий со стороны высшего напряжения, рассматриваемую составляющую небаланса можно не учитывать при расчете уставок защиты. В этом случае необходимо учитывать лишь длительно существующие ОЗЗ со стороны смежной сети с малыми токами замыкания на землю, так как КЗ на землю в сети с эффективно заземленной нейтралью отключаются защитой от данного вида повреждений быстрее, чем успеет сработать защита от ОЗЗ.
НЕБАЛАНСЫ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ, ВЫЗВАННЫЕ НЕСИММЕТРИЕЙ ФАЗНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СЕТИ,
ИМЕЮЩЕЙСЯ В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ
В любой системе имеются включенные между каждым из фазных проводов и землей, как это показано на рис. 7, индуктивность Li, емкость Ci и активное сопротивление утечки по изоляции Ri.
Рис. 7. Элементы расчетной схемы сети
Индуктивности можно считать сосредоточенными в трансформаторах напряжения, нейтралеобразующих трансформаторах и так далее. Емкости и активные сопротивления утечки по изоляции имеются практически во всех силовых элементах схемы, но наибольшие емкостные токи сосредоточены в линиях (кабельных и воздушных) и двигателях.
Не во всех режимах работы сети соответствующие параметры схемы рис. 7 одинаковы во всех фазах. Причины появления несимметрии и соответствующих небалансов по току и напряжению Iнеб.нес и Uнеб.нес:
сгорание предохранителя в одной фазе трансформатора напряжения приводит к исчезновению из расчетной схемы индуктивности его фазы. «Недовключение» контактов в одной фазе вы-ключателя, установленного в цепи нейтралеобразующего трансформатора, приводит к исключению из схемы индуктивности соответствующей обмотки;
к нарушению симметрии фазных емкостей приводят:
- нарушение цикла транспозиции фазных проводов воздушной ЛЭП;
- обрыв шлейфа на воздушной ЛЭП, не приводящий к соприкосновению провода с заземленной конструкцией;
- обрыв фазного изолированного провода, которым в последнее время монтируются некоторые воздушные ЛЭП;
- недовключение контактов в одной фазе выключателя;
- увлажнение слоистой фазной изоляции кабелей и других элементов силовой схемы;
- несимметричная схема подключения конденсаторов связи высокочастотных каналов (такие иногда встречаются на практике, например на линиях 35 кВ) и так далее;
к нарушению симметрии активных сопротивлений фазных утечек по изоляции Ri приводят, например, прикосновения веток деревьев к фазным проводам, увлажнение изоляции кабелей, неравномерное загрязнение изоляторов на воздушных ЛЭП и так далее.
В следующем номере журнала авторы расскажут о составлении необходимых расчетных схем нулевой последовательности и рассмотрят случаи небаланса, вызванного несимметрией фазных нагрузок.
Литература
1. Шалин А.И., Щеглов А.И. Централизованная защита от замыканий на землю в сетях 35 кВ // Известия Академии наук РФ. Энергетика. – 2002. – № 2. – С. 104–116.
2. Шалин А.И. Защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчета уставок // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).
3. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 5. Защита блоков генератор-трансформатор и генератор-автотрансформатор. – М.-Л.: Энергия, 1963. – 112 с.
4. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ. (Библиотечка электротехника). – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. – Вып. 11(35) . – 104 с.
| 
|
