Новости Электротехники №6(78) | ОЗЗ В СЕТЯХ 6–10 кВ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №6 (78) 2012 год

Релейная защита

Ранее в нашем журнале («Новости ЭлектроТехники» № 4(76) 2012, www.news.elteh.ru) украинские авторы предлагали способ определения поврежденного участка сетей 6–10 кВ при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) и его автоматического отделения при КЗ.
Сегодня они рассматривают способ заземления нейтрали с использованием двух последовательно соединенных резисторов, создающих благоприятные условия для ограничения перенапряжений при ОЗЗ. При этом обеспечивается чувствительность ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности благодаря низкоомному заземлению нейтрали и возможность ее действия на сигнал с последующим переводом сети в режим с высокоомным сопротивлением нейтрали.


Альфред Манилов, главный инженер-проектировщик	Андрей Барна, ведущий инженер-проектировщик
ПАО «ПТИ «Киеворгстрой», г. Киев, Украина

ОЗЗ В СЕТЯХ 6–10 кВ
С КОМБИНИРОВАННЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ
Способ обеспечения чувствительности защит

Наиболее распространенным видом повреждения в электрических сетях напряжением 6–10 кВ являются однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), которые составляют около 60–80% от общего числа всех повреждений. При длительной работе сети в режиме ОЗЗ возрастает вероятность ОЗЗ во второй точке в другой фазе, что приводит к режиму двойного замыкания на землю (ДЗЗ) и возможному отключению обеих линий при повреждениях в фазах A и C при равных выдержках времени токовых защит (в фазе В в сетях 6–35 кВ трансформаторы не устанавливаются). Возможны также многоместные (МЗЗ) и междуфазное (МКЗ) короткие замыкания с замыканием на землю.

Длительная работа сети с ОЗЗ нежелательна, а во многих случаях недопустима. При ОЗЗ возможно появление значительных дуговых перенапряжений. Эти перенапряжения возникают при изменении тока через канал дуги в процессе ее горения и перезаряда емкости сети. Они могут достигать четырех–пятикратных величин. Теоретические исследования и опыт эксплуатации сетей показывают, что уменьшить величину дуговых перенапряжений и ограничить ток ОЗЗ можно путем включения в нейтраль трансформатора заземления нейтрали (ТЗН) высокоомного резистора и дугогасящего реактора (ДГР).

Компенсация емкостных токов в сети с комбинированным заземлением нейтрали, уменьшая ток ОЗЗ, создает проблему выполнения защиты от этого вида повреждений. Выполнение ненаправленных токовых защит от ОЗЗ, реагирующих на установившиеся токи, не представляется возможным, т. к. при полной компенсации емкостного тока невозможно отличить поврежденное присоединение от неповрежденных ни по модулям токов, ни по фазовым сдвигам.

На отходящих линиях часто отсутствует защита от ОЗЗ. Поиск поврежденного присоединения осуществляется ненадежным способом – путем поочередного отключения присоединений, что вызывает коммутационные перенапряжения в сети. Внезапное отключение присоединения при отсутствии резервирования во многих случаях не представляется возможным из-за нарушения электроснабжения отдельных районов и предприятий, расстройства технологического процесса даже при наличии устройства автоматического включения резервного источника питания (АВР).

Действие защиты от ОЗЗ на сигнал предопределяет необходимость ограничения перенапряжений для исключения, в частности, перехода ОЗЗ в ДЗЗ, МЗЗ, МКЗ.

В настоящее время нет достаточно надежных схем защиты от ОЗЗ в сетях с нейтралью трансформатора, присоединенного к заземляющему устройству через высокоомный резистор и/или ДГР. Для обеспечения чувствительности защиты от ОЗЗ необходимо увеличить ток в месте ОЗЗ. Увеличение тока в месте ОЗЗ осуществляется, например, путем кратковременного подключения низкоомного резистора к вторичной обмотке ДГР. Такой способ увеличения тока в месте повреждения при ОЗЗ применяется во многих странах Европы [1]. Но при этом не решается проблема ограничения перенапряжений. В случае если схема, обеспечивающая подключение резистора, откажет в действии, поврежденное присоединение, которое требуется отключить по условиям электробезопасности, а также двигатели и генераторы не отключатся.

Существуют также схемы, в которых искусственно создается второе однофазное КЗ [2, 3, 4] или МКЗ [5, 6].

СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗИСТОРА И ТОКИ ОЗЗ

При комбинированном заземлении нейтрали сопротивление высокоомного резистора определяется из выражения [7]:

, (1)

где U_ф – фазное напряжение;
ΔI – допустимый ток расстройки компенсации (ΔI = 5A).

Выбор высокоомного резистора R_N в соответствии с (1) приводит к полному устранению биений напряжения на фазах после погасания дуги и к снижению перенапряжений при повторных пробоях до уровня U_max = 2,41 U_фmax [8]. При выборе сопротивления в соответствии с (1) ток через трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП) может оказаться недостаточным для обеспечения чувствительности ненаправленной токовой защиты.

Активный ток, создаваемый сопротивлением резистора, определяется из выражения:

, (2)

где R_Nпр – сопротивление резистора.

Минимальный ток ОЗЗ в сети промышленной частоты через ТТНП при точной компенсации определяется из выражения:

(3)

где I_L – индуктивный ток ДГР;
I_CΣ – суммарный емкостный ток ОЗЗ всей электрически соединенной сети;
I_Cmin – минимальный собственный емкостный ток поврежденного присоединения;
I_R1 – активный ток резистора;
I_R2 – активная составляющая тока ОЗЗ.

Минимальный ток ОЗЗ в сети промышленной частоты через ТТНП при расстройке компенсации определяется из выражения:

. (4)

Максимальный ток срабатывания защит определяется из выражения:

I_CЗmax = К_Н · К_б · I_Сmax , (5)

где K_Н – коэффициент надежности, принимается равным 1,2;
K_б – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока, величина которого зависит от типа реле и времени действия защиты;
I_Cmax – максимальный собственный емкостный ток поврежденного присоединения.

Коэффициент чувствительности определяется из выражения:

. (6)

Например, при В; I_Cmax = 5 А; ΔI = 5 А; K_б = 1,2; расчетные значения параметров, определенных в соответствии с (1)–(6), составляют: R_N = 1156 Ом (принимаем R_Nпр = 1000 Ом); I_R1 = 5,78 А; I_1ТТНП = 5,78 А; I_2ТТНП = 7,64 А; I_СЗmax = 7,2 А; K_Ч1 = = 0,8; K_Ч2 = 1,06.

При расчете по (3), (4), активной составляющей тока I_R2 и минимальным собственным емкостным током I_Cmin ввиду их неопределенности при проектировании пренебрегаем.

Таким образом, при принятых исходных данных требуемая чувствительность защиты от ОЗЗ (K_Чmin = 1,25 – для кабельных линий; K_Чmin = 1,5 – для воздушных линий согласно [9]) не обеспечивается.

ДВА РЕЗИСТОРА ВМЕСТО ОДНОГО

Предлагаемый способ заземления нейтрали отличается от известного способа комбинированного заземления нейтрали включением вместо одного высокоомного резистора R_N двух последовательно соединенных резисторов, причем один из них (R_N1) создает кратковременный активный ток для обеспечения чувствительности ненаправленной токовой защиты от ОЗЗ и ограничения перенапряжений, а второй – R_N2, зашунтированный до возникновения ОЗЗ, дешунтируется через время 0,2–0,5 с, необходимое для срабатывания токовой защиты с действием на сигнал или на отключение (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема заземления нейтрали и принципиальная схема автоматики дешунтирования

Сопротивление R_N2 необходимо для уменьшения тока ОЗЗ до величины не более 10 А [1].

Такой способ заземления нейтрали является соединением положительных сторон низкоомного и высокоомного заземления нейтрали. Подключение резистора R_N1 создает только в поврежденном фидере активный ток 3I₀, величина которого определяется сопротивлением этого резистора.

Сопротивление резистора R_N1 определяется из условия обеспечения чувствительности защиты от ОЗЗ:

, (7)

K_Чmin – минимальный коэффициент чувствительности защиты;
K_З – коэффициент запаса (К_З = 1,1).

При принятых исходных данных и при К_Чmin = 1,25 расчетные значения параметров, определенных в соответствии с (7), (2)–(6), составляют: R_N1 = 583,9 Ом (принимаем R_N1пр = = 500 Ом); I_R1 = 11,6 А; I_1ТТНП = 11,6 А; I_2ТТНП = 12,6; K_Ч1 = 1,6; K_Ч2 = 1,76. Сопротивление R_N2 определяется из выражения:
R_N2 = R_Nпр – R_N1пр . (8)

В соответствии с (8) R_N2 = 500 Ом.

Установка сопротивления R_N1 при ОЗЗ ускоряет превращение колебательного процесса в контуре нулевой последовательности в апериодический процесс разряда емкости за время менее периода промышленной частоты, снижая дуговые перенапряжения. Дуга при этом носит более спокойный характер.

При ОЗЗ, например, в точке К1 срабатывает реле тока КА1 защиты от ОЗЗ присоединения с действием на сигнал с выдержкой времени реле КТ2, или на отключение присоединения от реле KL с последующим АВР на приемной подстанции, или на включение секционного выключателя приемной подстанции с последующим отключением вводного выключателя и присоединения [10]. Через время 0,2–0,5 с реле времени КТ3 отключает коммутационный аппарат Q. Сеть переходит в режим заземления нейтрали через высокоомное сопротивление R_N, состоящее из двух последовательных резисторов R_N1 и R_N2.

Возврат схемы в нормальный режим после устранения ОЗЗ осуществляется дежурным персоналом. В случае если дешунтирование не произошло по причине отказа автоматики, предусматривается отключение поврежденного присоединения с выдержкой времени реле КТ1.

В отличие от существующего применения низкоомного заземления нейтрали, предназначенного для создания активного тока в месте повреждения, необходимого для обеспечения чувствительности защиты от ОЗЗ, действующей на отключение, предлагаемый способ дает возможность выполнения токовой защиты с действием на сигнал.

Защита при применении данного способа может действовать не только на сигнал, но и на отключение поврежденного присоединения в зависимости от требований надежности электроснабжения и условий электробезопасности, в соответствии с требованиями [9] и других нормативных документов.

Кратковременное увеличение тока для обеспечения чувствительности защиты от ОЗЗ и улучшения условий ограничения перенапряжений может применяться в комбинированных сетях 6, 10 кВ различного состава (воздушные, кабельные, смешанные сети) и назначения (городские, сельскохозяйственные, сети промышленных предприятий и др.).

Применение вместо ненаправленных токовых защит от ОЗЗ других, более чувствительных, исключающих необходимость выполнения заземления нейтрали предложенным способом, может оказаться более затратным мероприятием.

Сопротивление ЗУ подстанции должно удовлетворять требованиям к допустимому току и напряжению прикосновения, которое состоит из максимально допустимого напряжения на теле человека и напряжения на сопротивлении от поверхности земли к стопам ног человека [11].

ВЫВОД

Для обеспечения чувствительности защит от ОЗЗ представляется целесообразным вместо одного высокоомного резистора установить два последовательно соединенных резистора, один из которых создает в поврежденном присоединении кратковременный активный ток, достаточный для обеспечения чувствительности и ограничения перенапряжений, а второй, который нормально зашунтирован, переводит после дешунтирования при ОЗЗ сеть в режим с высокоомным сопротивлением нейтрали.

ЛИТЕРАТУРА