Як працює мережа трифазного струму із ізольованою нейтраллю

У тому, що завдяки котушці індуктивності, включеної між нейтраллю N і заземлювачем (рис. 1), у місці замикання на землю, крім струму I З.З, проходить індуктивний струм I L .

Рис. 1. Принцип компенсації ємнісного струму замикання на землю

Зазначені струми зсунуті по фазі один щодо одного на 180 °. Тому вони віднімаються один з одного; в результаті сумарний (залишковий) струм у місці замикання на землю I ОСТ.З<< I З.З, т. е. во много раз меньше емкостного тока I З.З.

На рис. 2 наведена векторна діаграма напруг (рис. 2, а) та струмів (рис. 2, б) у мережі з компенсацією струму I З.З. Напрямки струмів показано на рис. 1.

Пояснення до побудови векторних діаграм.

Вектор напруги U АВ виходить як різниця векторів ЕРС: ? АВ =? А -? B. Напрямок вектора? АВ – від кінця вектора? B до кінця вектора? А. Це пояснюється тим, що вираз для? АВ можна записати у вигляді? А =? B +? АВ. Для знаходження суми двох векторів необхідно до кінця одного вектора (?B) додати інший вектор (?АВ). Сумарний вектор (? А) виходить, якщо поєднати початок вектора? B (точка N) із кінцем вектора? АВ. Напрямок вектора – від точки N до кінця вектора? АВ. Ці правила стосуються побудови вектора? АС. Для побудови векторної діаграми струмів схему, зображену на рис. 1, зручно подати у вигляді, показаному на рис. 3.

Рис. 2. Векторні діаграми:а-напруг; б-струмів

Рис. 3. Струми та напруги при замиканні фази А на землю

Через місце замикання на землю проходить сума струмів? B .З, ? C .З, ? L - Перші два струми мають ємнісний характер та випереджають по фазі вектори відповідних ЕРС? АВ та? АС на 90 °. Вектор струму в котушці індуктивності L відстає по фазі на 90 ° від вектора ЕРС, що викликала цей струм? А.

Сума струмів? B З і? С.З побудована за правилом паралелограма (можна було б, як показано на рис. 2, б, прилаштувати до кінця вектора? B .З вектор? С.З). Сума цих векторів, тобто. вектор ємнісного струму замикання на землю, позначена як? З.З.

Вектор залишкового струму замикання землі побудований як сума векторів? L і? З.З. Його напрямок від точки 0 до кінця прибудованого до вектора? L вектор? З.З.

Ідеальною є резонансна настройка котушки, т. е. I ост = 0. Однак у реальності це досягається, т. до. число включених ліній у мережі непостійно.

Залишковий струм повинен мати індуктивний характер, тобто I L > I З.З. Це необхідно для збереження у всіх режимах мережі напряму потужності нульової послідовності. Невиконання цього положення, передбаченого ПТЕ, може призвести до неправильних дій спрямованих захистів та сигналізації про замикання на землю.

Котушку індуктивності L прийнято називати заземлюючим дугогасним реактором (реактор - від слова реактивний, тобто його опір має реактивний характер).

Заземлювальні дугогасні реактори (ДГР) зазвичай встановлюють не на міських, а на мережевих підстанціях, щоб довжина зв'язків до будь-якого місця замикання на землю була мінімальною. При цьому підстанція повинна бути пов'язана з мережею живлення не менше ніж двома лініями (виходячи з міркувань надійності збереження живлення на ній). Потужність ДГР визначається за ємнісним струмом замикання на землю. Оскільки ця потужність реактивна, то

Q ДГР = nI З.З · U Ф.НОМ

де n = 1,25 - коефіцієнт, що враховує розвиток мережі; U Ф.НОМ - номінальна фазна напруга мережі.

Оскільки струм ДГР I L є потрійним струмом нульової послідовності, то опір нульової послідовності трансформатора, до нейтралі якого підключена ДГР, має бути мінімальним. Можна показати, що ця вимога задовольняє трансформатор зі схемою з'єднання?/Δ. На введенні ДГР, призначеному для заземлення, встановлюють трансформатор струму ТА (рис. 1), необхідний контролю струму при налагодженні і випробуваннях системи компенсації I З.З. Для підключення ДГР використовують окремі силові трансформатори, тому що обмотки ПН основних силових трансформаторів центрів живлення не мають нейтралі (вони з'єднані у трикутник).

При експлуатації мережі змінюються її параметри: через комутацію (увімкнення або відключення) ліній змінюється ємність фаз щодо землі. Це призводить до розладу системи компенсації. Допустима міра розладу дорівнює 5%. Щоб задовольнити даною вимогою, найкраще застосовувати ДГР із плавним автоматичним регулюванням індуктивності.

Відключення (обрив) однієї з фаз трансформатора, до нейтралі якого підключено ДГР, призводить до підвищення напруги на нейтралі. Ця напруга становить 0,5U Ф.НОМ), що тривало не допускається (за ПТЕ тривало допускається напруга на нейтралі трансформатора не більше 15% і протягом 1 години не більше 30% номінального фазної напруги). Норми напруги на нейтралі обумовлені тим, що ізоляція обмоток трансформаторів області нейтралі ослаблена і напруга на нейтралі може призвести до її пробою.

Теоретичний аналіз показує, що з повної компенсації струму замикання землі можна виключити поява повторних пробоїв ізоляції після першого пробою, й мережа може надійно працювати. Тому ведуться розробки спеціальних регульованих дугогасних реакторів та пристроїв для їх автоматичного регулювання. Зокрема, добрих результатів у цьому напрямі досягнуто професором В. К. Обабковим. У цих розробках здійснюється компенсація не тільки ємнісної складової струму замикання на землю, але і його активної складової, що необхідно для виключення виникнення електричної дуги, що перемежується.

Розміщено 05.07.2011 (актуально до 18.07.2013)

Як зазначають багато наших читачів, особливо фахівці проектних організацій, у існуючої російської технічної літературі немає конкретних рекомендацій щодо вибору захисту від замикань на грішну землю (ОЗЗ) і відсутні сучасні методики розрахунку уставок. Тому матеріали з цієї теми викликають великий інтерес.

Олексій Шалін, д.т.н., професор кафедри електричних станцій Новосибірського державного технічного університету

У попередньому номері журналу («Новини ЕлектроТехніки» № 4(34) 2005) була опублікована стаття Олексія Івановича Шаліна, в якій було наведено приклад розрахунку уставок захисту від замикань на землю, що реагує на напругу нульової послідовності.

Про значення коефіцієнта кидка

Було наведено рекомендації авторів щодо розрахунку уставок ненаправлених струмових захистів нульової послідовності від ОЗЗ. З цих рекомендацій видно, що фахівці суттєво розходяться в думках щодо таких основоположних для розрахунку величин, як коефіцієнт кидка, нормований коефіцієнт чутливості тощо.

У коментарі до Сергія Титенкова стверджує, що використовуваний у розрахунках коефіцієнт кидка, що залежить в основному від високочастотного струму нульової послідовності, що виникає в процесі розряду ємності пошкодженої фази ланцюга та заряду ємностей непошкоджених фаз, не зменшується при резистивному заземленні нейтралі мережі. Це визначається, зокрема, тим, що цей резистор у мережах 6-10 кВ включається до ланцюга малопотужного нейтралеутворюючого трансформатора.

Як це часто буває насправді, будь-яке конкретне висловлювання має свої межі істинності. Якщо мова йде про резистори, що встановлюються в нейтралі нейтралерів (нейтралер - трифазна дросельна котушка зі з'єднанням зигзагом) відповідно, то така думка в більшості випадків абсолютно справедлива. За першою гармонікою індуктивний опір нейтралера потужністю 63 кВА на напрузі 10 кВ становить 96 Ом. По 10-20 гармонікам, які присутні в процесі перезаряду ємностей при ОЗЗ, цей опір зросте до 960-1920 Ом і при опорі резистора порядку 100-150 Ом сумарний опір ланцюжка «нейтралер - резистор заземлення» буде практично повністю. В результаті, у повній відповідності з думкою Сергія Титенкова, резистор, що заземлює, практично не вплине на струми перезаряду ємностей і, таким чином, не вплине на коефіцієнт кидка.

На напрузі 35 кВ триобмотувальні силові трансформатори мають виведену нейтраль. Заземлюючий резистор включають ланцюг цієї нейтралі. У цьому випадку говорити, що цей резистор не впливає на струми перезаряду, було б неправильно.

Про витримку часу

Розглянемо це питання з прикладу схеми, наведеної в . Тут живлення трансформатор напругою 35 кВ має потужність 10 МВА. Від нього запитана одна повітряна ЛЕП, яка потім поділяється на два ланцюги, кожен з яких живить свій трансформатор потужністю 4 МВА зі схемою з'єднання первинної обмотки до зірки з виведеною нейтраллю. Для зниження рівня перенапруг у нейтралі трансформаторів включені заземлюючі резистори. Використання в мережі заземлювальних резисторів дозволяє підвищити ефективність захисту, але при цьому має бути переглянуто методику вибору її уставок.

Відповідно до струму спрацьовування захисту від ОЗЗ ІСЗ в мережі з ізольованою нейтраллюза наявності кабельного трансформатора струму нульової послідовності вибирається з наступної умови:

де k н = 1,2 (коефіцієнт надійності);

k бр - коефіцієнт кидка, що враховує кидок ємнісного струму в момент виникнення ОЗЗ, а також здатність реле реагувати на нього;

I с.фід.макс - максимальний ємнісний струм фідера, що захищається.

Відповідно до для миттєво діючих захистів від ОЗЗ у розрахунках слід набувати значення твору k н k бр = 4…5. Для захисту з витримкою часу за можливості виникнення перемежується дуги kн kбр = 2,5. Очевидно, ці значення рекомендовані автором для традиційних вітчизняних реле захисту, включаючи РТЗ-51.

У пропонується вважати k н = 1,2, k бр = 3 ... 5 (стосовно реле старих типів). Реле РТЗ-51 рекомендується приймати k бр = 2…3. При цьому пропонується виконувати захист без витримки часу. «При використанні захисту від ОЗЗ сучасних цифрових реле, наприклад, серії SPACOM, зокрема SPAC-800 …, можна набувати значення k бр = 1…1,5 (необхідно уточнити у фирмы–изготовителя)» .

На мою думку, там, де це можливо, краще використовувати захист від ОЗЗ із витримкою часу. Це дає можливість забезпечити селективність при двох і більше послідовно включених ЛЕП, використовувати в розрахунках менше значення коефіцієнта кидка, запобігає помилковим відключенням непошкоджених ліній після того, як відключається пошкоджена лінія (через ферорезонансні явища, пов'язані з вимірювальними трансформаторами напруги), і т.д. д.

У деяких галузях (шахти, кар'єри тощо) є нормативні документи, що потребують негайного відключення ОЗЗ. Там необхідно використовувати миттєво чинні захисту від ОЗЗ.

Визначення ємнісних струмів

Величину I с.фид.макс = I CS для мереж із ізольованою нейтраллю в рекомендується, наприклад, визначати так:

для кабельних мереж

для мереж з повітряними ЛЕП

де U – Номінальну напругумережі (кВ);

S – сумарна довжина ліній (км).

Сумарний ємнісний струм мережі визначається як сума описаних вище складових всіх гальванічно пов'язаних ліній мережі.

Більш точно величину ємнісного струму I с.фид.макс ЛЕП можна підрахувати, використовуючи, наприклад, дані по питомих ємнісних струмів повітряних і кабельних ЛЕП, наведені в . Проте там відзначається, що величина ємнісного струму, визначена по (2), (3), може давати похибку близько 40-80% порівняно з реальним, заміряним при ОЗЗ в мережі, струмом. Одна з причин – необлік ємностей щодо землі споживачів електроенергії, наприклад двигунів, а також конструкції повітряних ЛЕП (тип опори, із заземлюючим тросом або без нього) тощо.

(4)

де U ф - фазна напруга (кВ);

w = 2pf = 314 (рад/с);

C S – ємність однієї фази мережі щодо землі (Ф).

(5)

де c i - Питома ємність на фазу i-ої лінії (Ф/км);

l i - Довжина i-ої лінії (км);

m - число ліній (кабельних, повітряних із заземлюючим тросом і без нього);

c j - ємність на фазу j-го елемента мережі (Ф);

q j – число елементів мережі, що враховуються, крім ЛЕП (наприклад, двигунів);

n – загальне числотаких елементів.

(6)

де S ном – номінальна повна потужністьдвигуна (МВ·А);

U ном – номінальна напруга двигуна (кВ).

Для інших типів електричних двигунів

(7)

де n ном - Номінальна частота обертання ротора (об/хв).

Як зазначалося вище, розрахункові ємнісні струми мережі зазвичай відрізняються від реальних, які можна визначити лише заміром на об'єкті. Однак процес виміру ємнісного струму, крім технічних труднощів, пов'язаний ще й із деякою методичною невизначеністю. Досвід показує, що на багатьох об'єктах у складі ємнісного струму мережі навіть при металевому ОЗЗ присутні не лише складові промислової частоти, а й значні струми найвищих гармонік.

Вимір сумарного значення струму, наприклад, за допомогою традиційних приладів, призначених для вимірювання струмів промислової частоти, пов'язаний із суттєвими похибками. Реально відзначалися похибки близько 30% (зокрема у бік зменшення вимірюваних струмів щодо розрахункового). Більш точно ємнісний струм мережі можна виміряти шляхом осцилографування з подальшим розкладанням на гармонійні складові.

Струми нульової послідовності в резистивно-заземлених мережах

За наявності в мережі кількох заземлюючих резисторів при зовнішньому ОЗЗ захисту може протікати також активний струм I IR. При цьому замість I с.фід.макс (1) треба підставляти

Чутливість перевіряється за величиною коефіцієнта k год:

(9)

де k ч. норм - нормований коефіцієнт чутливості;

I ЗАЩ – струм у захисті пошкодженої ЛЕП.

У резистивно-заземлених мережах та установках

де I" CS - сумарний ємнісний струм мережі за вирахуванням ємнісного струму фідера, що захищається;

I R – струм заземлювального резистора, що протікає із захисту пошкодженого приєднання. Було показано, що при захисті від ОЗЗ повітряних ліній користуватися рекомендованими значеннями нормативного коефіцієнтачутливість небезпечна через можливість утворення в місці ОЗЗ великого перехідного опору та відмови захисту з цієї причини. Там же були наведені рекомендації щодо перевірки чутливості захисту у цьому випадку.

Струми в перехідних режимах ОЗЗ

Нині слабко вивчений питання, яким має бути значення коефіцієнта k бр під час встановлення в нейтралі мережі заземляющего резистора. Є дві думки щодо цього:

Значення k бр має бути таким самим, як у мережах без заземлюючих резисторів;

Значення k бр має прийнято меншим, ніж у попередньому випадку.

Відомо, що k бр залежить, зокрема, від відношення максимального струму перезаряду ємностей мережі (струмів розряду ємності пошкодженої фази і дозаряду ємностей «здорових» фаз) і значення ємнісного струму приєднання, що захищається в встановленому режимі зовнішнього ОЗЗ. На рис. 1 показана осцилограма струму нульової послідовності 3I0 в перехідному процесі ОЗЗ в одному з приєднань електричної мережі, описаної в сумарний струм ОЗЗ в якій дорівнює19 А. Осцилограма відповідає повторному загорянню переривчастої дуги в мережі, де заземлювальні резистори відсутні. Максимальне значення струму перехідного процесу становило 138 А, амплітудне значеннявстановився струму 3I0 дорівнює 16 А. Позначивши відношення максимального струму до амплітуди встановився як k max , отримуємо випадку k max = 8,62.

Встановивши в нейтраль живлячого трансформатора заземлюючий резистор опором 2 кОм (струм резистора при ОЗЗ дорівнює 10 А, тобто 0,53 від повного ємнісного струму мережі), отримуємо для того ж приєднання k max = 1,3, тобто. k max знизився більш ніж 6,5 разу. Збільшення опору резистора призводить до зростання k max (в межах у даному випадку до 8,62). Якщо в мережі встановлено кілька заземлювальних резисторів і по приєднанню, що розглядається, при зовнішньому ОЗЗ протікає активний струм одного з них, то це призводить до деякого зниження значення k max , оскільки встановився струм 3I0 в розглянутому приєднанні зростає.

З описаного ясно, що значення k бр у даному випадку може бути прийнято нижче, ніж за відсутності заземлюючих резисторів, причому ступінь зниження k бр залежить від опору резистора. В описаний ще один спосіб заземлення, призначений для забезпечення ефективної роботи селективного захистувід замикань на землю у мережах 6–10 кВ (рис. 2). У цьому випадку нейтралеобразующий трансформатор не встановлюється.

З появою в мережі напруги нульової послідовності, що свідчить про те, що сталося замикання на землю, спеціальним вимикачем між кожною фазою та землею вмикається свій заземлюючий резистор. При цьому утворюються активні струмизамикання на землю, придатні для селективного виявлення пошкодженого приєднання.

Для обмеження перенапруг, які можуть виникнути в мережі до включення заземлювальних резисторів, передбачається встановлення на шини ГНН. Їхня термічна стійкість повинна бути забезпечена на час до включення заземлювальних резисторів та виявлення релейним захистом пошкодженого приєднання. Спрацювавши, релейний захист відключає пошкоджене приєднання, після чого заземлювальні резистори відключаються. Заземлювальні резистори виконуються малопотужними, теплопоглинаючими, з часом термічної стійкості близько 10-20 секунд.

Приклад розподілу струмів

На рис. 3 показано розподіл струмів у ланцюгах схеми.

При побудові малюнка було прийнято припущення у тому, что:

- ємності фаз ЛЕП щодо землі багаторазово перевищують ємності інших елементів схеми;

Витоками через трансформатори напруги можна знехтувати;

Активний струм з ізоляції фаз щодо землі дуже малий;

Опори ЛЕП і обмоток трансформатора дуже малі.

На схемі рис. 3 не показані комутаційні апаратита обмежувачі перенапруг. Тут Тр - живильний трансформатор; ЛЕП1 – ЛЕП, де сталося замикання фази на землю; ЛЕП2 - неушкоджена ЛЕП (або група таких ліній); R1 – заземлювальні резистори.

З малюнка видно, що активні струми заземлювальних резисторів замикаються через трансформатор Тр живлення і пошкоджену фазу лінії ЛЕП1. В результаті захисту пошкодженої ЛЕП протікає сума активних струмів резисторів непошкоджених фаз і ємнісного струму непошкодженої ЛЕП. За захистом неушкодженої ЛЕП протікає лише ємнісний струм цієї ЛЕП.

Описаний вище спосіб резистивного заземлення був реалізований на трьох підстанціях Ханти-Мансійських РЕМ Нафтоюганських електричних мереж. Існуючий до сьогоднішньому днюдосвід експлуатації підтверджує високу ефективністьтакого технічного рішення. У разі застосування цієї схеми, як показують наші дослідження, заземлювальні резистори також знижують значення kmax, а значить і k бр. При цьому задля досягнення однакового ефекту опору резисторів у схемах рис. 2, 3 слід приймати в 3 рази більшими, ніж при включенні заземлювального резистора, наприклад, нейтраль силового трансформатора.

Рис. 1. Осцилограма струму нульової послідовності у перехідному процесі однофазного замикання на землю у мережі 35 кВ

Рис. 2. Включення заземлювальних резисторів між фазами та землею у разі виникнення замикання на землю

Рис. 3. Розподіл струмів у ланцюгах схеми

Проведені дослідження дозволяють зробити наступний висновок: використання заземлювальних резисторів без нейтралерів призводить до зменшення значення k бр. Застосування нейтралерів помітно знижує цей ефект, здебільшого практично зводячи його нанівець.

В результаті при включенні заземлювальних резисторів через нейтралери значення коефіцієнта кидка k бр слід брати, як і для мережі ізольованої нейтраллю, відповідно до рекомендацій .

При включенні заземлювальних резисторів за наведеними вище схемами без використання нейтралерів розрахункові значення k бр можуть бути знижені. Якщо струм заземлювального резистора приблизно дорівнює сумарному ємнісному струму мережі (як це рекомендується для оптимального обмеження перенапруг), значення коефіцієнтів кидка відповідно до можуть бути прийняті на рівні 1,2-1,3.

Якщо опори заземлювальних резисторів істотно більші за ємнісний опір трьох фазмережі (як це часто буває при великих значеннях ємнісного струму), значення k бр може бути взято таким же, як для мереж із ізольованою нейтраллю, або визначено після додаткових розрахунків струмів перехідного процесу ОЗЗ.

Була описана одна з особливостей горіння дуги у вітчизняних кабелях з паперово-масляною ізоляцією. Йшлося про те, що на початковій стадії ОЗЗ загоряння дуги в такому кабелі призводить до розкладання олійно-каніфольного просочення і виділення значної кількості газів, які гасять дугу, що виникла. Поки гази, що утворилися, не «пішли» в різні боки від місця дуги між шарами паперу, дуга не горить. При цьому через «паузу» в струмі нульової послідовності захист від ОЗЗ, що має витримку часу, може відмовити в спрацьовуванні. Причина в тому, що під час безструмової паузи струмовий орган повертається у вихідний стан та орган витримки часу, так і «не відрахувавши» встановлену витримку часу, також повертається у вихідний стан.

Для запобігання таким відмовам захисту від ОЗЗ у деяких імпортних захистах (а також у захисті УЗЛ спільного виробництва Новосибірського державного технічного університету та ТОВ «ПНП БОЛІД») є опція запам'ятовування факту запуску захисту. Якщо був «клювань» струмового органу, то цей факт запам'ятовується на якийсь час до 0,3 с і при повторному «клюванні» захист працює на відключення. Для таких захистів навіть за наявності в мережі заземлювального резистора рекомендується приймати підвищене значення k бр, наприклад 1,5.

Область застосування ненаправлених захистів

В цілому ненаправлені струмові захисту від ОЗЗ можуть бути ефективні лише в установках з великою кількістю підключених до секції приєднань, кожне з яких має невеликий ємнісний струм. Тоді відбудова від цього струму відповідно (1) не призведе до неприпустимого зниження чутливості. Цей випадок є характерним, наприклад, для цехів підприємств з великою кількістю малопотужних електродвигунів, включених через короткі кабелі.

Якщо в такій мережі встановлено реактор, що дугогасить, то для забезпечення ефективної дії захисту від ОЗЗ доцільно паралельно цьому реактору включити заземлювальний резистор, причому струм, що протікає по резистору при ОЗЗ, повинен перевищувати уставку самої «грубою» захисту в 1,5–2 рази. У цьому випадку ненаправлені струмові захисту можуть забезпечити необхідну селективність та високу чутливість при ОЗЗ.

Значного підвищення ефективності вдалося досягти при використанні струмових захистів нульової послідовності з відносним виміром. Наприклад, існує мікропроцесорний термінал захисту, принцип дії якого заснований на порівнянні значень струмів нульової послідовності у всіх приєднаннях секції збірних шин, що захищається. Відбудовувати струм спрацьовування від ємнісних струмів приєднань не потрібно. За відсутності в мережі реактора, що дугогасить, такий захист дозволяє ефективно виявити пошкоджене приєднання при ОЗЗ.

Література

1. Шалін А.І. Захист від замикань на землю в мережах 6–35 кВ. Приклад розрахунку уставок // Новини електротехніки. - 2005. - № 4 (34).

2. Шалін А.І. Замикання на землю у мережах 6–35 кВ. Переваги та недоліки різних захистів // Новини ЕлектроТехніки. - 2005. - № 3 (33).

3. Шабад М.А. Розрахунки релейного захисту та автоматики розподільних мереж. - СПб.: ПЕІПК, 2003. - 350 с.

4. Андрєєв В.А. Релейний захист та автоматика систем електропостачання. - М.: Вища школа, 1991. - 496 с.

5. Александров А.М. Вибір уставок спрацьовування захисту асинхронних електродвигунів напругою вище 1 кВ. СПб.: ПЕІПК, 2001.

6. Челазнов А.А. Розробка технічних регламентів і стандартів у галузі енергетики ВАТ «Газпром» // Праці третьої всеросійської науково-технічної конференції «Обмеження перенапруг і режими заземлення нейтралі сетей6–35 кВ» / Новосибірськ, 2004. – С.12–25.

7. Про підвищення надійності мереж 6 кВ потреб енергоблоків АЕС. Циркуляр Ц-01-97 (Е). - М.: Росенергоатом, 1997.

8. Лур'є А.І., Панібратець О.М., Зенова В.П. та ін. Серія нейтралерів типу ФМЗО для роботи з керованими підмагнічуванням дугогасними реакторами серії РУОМ у розподільних мережах із ізольованою нейтраллю // Електротехніка. - 2003. - №1.

9. Електротехнічний довідник. Том 3. Виробництво, передача та розподіл електричної енергії/ За загальною редакцією професорів МЕІ В.Г. Герасимова та ін. (Гл. редактор А.І. Попов) - 8-е вид. - М.: Видавництво МЕІ, 2002. - 964 с.

10. Бухтояров В.Ф., Мавріцин А.М. Захист від замикань на землю електроустановок кар'єрів. - М.: Надра, 1986. - 184 с.

11. Корогодський В.І., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейний захист електродвигунів напругою понад 1 кВ. - М.: Вища школа, 1987. - 248 с.

12. Патент на винахід РФ № 2157038. Пристрій для виявлення приєднання із замиканням на землю в мережі із ізольованою нейтраллю / Шалін А.І. Бюлетень винаходів № 27, 2000

13. Шалін А.І. Замикання на землю у мережах 6–35 кВ. Випадки неправильних дій захисту // Електротехніки. - 2005. - № 2 (32).

Обговорити на форумі

Зміст:

У електротехніці існує таке поняття як ємнісний струм, більш відомий як ємнісний струм замикання на землю в електричних мережах. Дане явище виникає при пошкодженні фази, внаслідок чого виникає так звана дуга, що заземлює. Щоб уникнути серйозних негативних наслідків, необхідно своєчасно і правильно виконувати розрахунок ємнісного струму мережі. Це дозволить зменшити перенапругу у разі повторного запалення дуги та створить умови для її самостійного згасання.

Що таке ємнісний струм

Ємнісний струм виникає, як правило, на лініях з великою протяжністю. У цьому випадку земля та провідники працюють аналогічно до обкладок конденсатора, сприяючи появі певної ємності. Оскільки має змінні характеристики, це може послужити поштовхом до його появи. У кабельних лініях, напругою 6-10 кіловольт, його значення може становити 8-10 ампер на 1 км протяжності.

У разі відключення лінії, що знаходиться в ненавантаженому стані, величина ємнісного струму може досягти кількох десятків і навіть сотень ампер. У процесі відключення, коли настає момент переходу струму через нульове значення, напруга на контактах, що розходяться, буде відсутня. Однак, у наступний моментцілком можливе утворення електричної дуги.

Якщо значення ємнісного струму не перевищує 30 ампер, це не призводить до серйозних пошкоджень обладнання в зоні небезпечних перенапруг і замикань на землю. Електрична дуга, що з'являється на місці пошкодження, досить швидко гасне з одночасною появою сталого замикання на землю. Всі зміни ємнісного струму відбуваються вздовж електричної лінії, у напрямку від кінця до початку. Розмір цих змін буде пропорційна довжині лінії.

Для того щоб зменшити струм замикання на землю, в мережах, напругою від 6 до 35 кіловольт здійснюється компенсація ємнісного струму. Це дозволяє знизити швидкість відновлення напруги на пошкодженій фазі після гасіння дуги. Крім того, знижуються перенапруги у разі повторних запалень дуги. Компенсація виконується із застосуванням дугогасних заземлювальних реакторів, що мають плавне або ступінчасте регулювання індуктивності.

Налаштування дугогасних реакторів виконується відповідно до струму компенсації, величина якого дорівнює ємнісному струму замикання на землю. При налаштуванні допускається використання параметрів зайвої компенсації, коли індуктивна складова струму не більше 5 ампер, а ступінь відхилення від основного налаштування - 5%.

Виконання налаштування з недостатньою компенсацією допустимо лише в тому випадку, коли потужність реактора, що дугогасить, є недостатньою. Ступінь розладу в цьому випадку не повинен перевищувати 5%. Головною умовою такої настройки є відсутність напруги усунення нейтралі, яка може виникнути при несиметричних ємностях фаз електричної мережі – при обриві проводів, розтяжці жил кабелю тощо.

Для того, щоб заздалегідь попередити виникнення аварійних ситуаційта вжити відповідних заходів, необхідно розрахувати ємнісний струм на певній ділянці. Існують спеціальні методики, що дозволяють отримати точні результати.

Приклад розрахунку ємнісного струму мережі

Значення ємнісного струму, що у процесі замикання фази землю, визначається лише величиною ємнісного опору мережі. У порівнянні з індуктивними та активними опорами, ємнісний опір має більш високі показники. Тому перші два види опорів під час розрахунків не враховуються.

Утворення ємнісного струму найзручніше розглядати з прикладу трифазної мережі, де у фазі А сталося звичайне замикання В цьому випадку величина струмів в інших фазах і С розраховується за допомогою наступних формул:

Модулі струмів у цих фазах I в і I с, враховуючи певні припущення С = С А = С В = С С і U = U А = U В = U С можна обчислити за допомогою ще однієї формули: Значення струму в землі складається з геометричної суми струмів фаз В і С. Формула буде виглядати наступним чином: При проведенні практичних розрахунків величина струму замикання на землю може бути визначена приблизно за формулою: , де U порівн. - є фазною середньономінальною напругою ступеня, N - коефіцієнт, а l є сумарною довжиною , що мають електричний зв'язок з точкою замикання на землю (км). Оцінка, одержана за допомогою такого розрахунку, вказує на незалежність величини струму від місця замикання. Ця величина визначається загальною довжиною всіх ліній мережі.

Як компенсувати ємнісні струми замикання на землю

Робота електричних мереж, напругою від 6 до 10 кіловольт, здійснюється із ізольованою або заземленою нейтраллю, залежно від сили струму замикання на землю. У всіх випадках у схему включаються дугогасні котушки. Нейтраль заземляється за допомогою котушок, що дугогасять, для того щоб компенсувати струми замикання на землю. Коли виникає однофазне замикання на землю, робота всіх електроприймачів продовжується в нормальному режимі, а електропостачання споживачів не переривається.

Значна довжина міських кабельних мереж призводить до утворення у них великої ємності, оскільки кожен кабель є своєрідним конденсатором. В результаті однофазне замикання в подібних мережах може призвести до збільшення струму на місці пошкодження до декількох десятків, а в деяких випадках - і сотень ампер. Дія цих струмів призводить до швидкого руйнування ізоляції кабелю. Через це, надалі, однофазне замикання стає дво- або трифазним, викликаючи відключення ділянки та перериваючи електропостачання споживачів. На самому початку виникає нестійка дуга, що поступово перетворюється на постійне замикання на землю.

Коли струм переходить через нульове значення, дуга спочатку зникає, а потім знову з'являється. Одночасно на непошкоджених фазах виникає підвищення напруги, що може призвести до порушення ізоляції інших ділянках. Для погашення дуги у пошкодженому місці, необхідно виконати спеціальні заходи щодо компенсації ємнісного струму. З цією метою до нульової точки мережі підключається індуктивна заземлююча дугогасна котушка.

Схема включення дугогасної котушки, зображена на малюнку, складається із заземлюючого трансформатора (1), вимикача (2), сигнальної обмотки напруги з вольтметром (3), котушки дугогасної (4), трансформатора струму (5), (6), струмового реле ( 7), звукової та світлової сигналізації (8).

Конструкція котушки складається з обмотки із залізним сердечником, поміщеною в кожух, наповнений олією. На головній обмотці є відгалуження, що відповідають п'яти значення струму для можливості регулювання індуктивного струму. Один з висновків включається до нульової точки обмотки трансформатора, з'єднаної зіркою. У деяких випадках може використовуватися спеціальний трансформатор заземлення, а з'єднання виведення головної обмотки здійснюється із землею.

Таким чином, для забезпечення безпеки виконується не тільки розрахунок ємнісного струму, але і проводяться за допомогою спеціальних пристроїв. В цілому це дає хороші результати та забезпечує безпечну експлуатаціюелектричних мереж.

Електричні мережі можуть працювати із заземленою або ізольованою нейтраллю трансформаторів та генераторів. Мережі 6, 10 та 35 кВ працюють із ізольованою нейтраллю трансформаторів. Мережі 660, 380 і 220 можуть працювати як із ізольованою, так і із заземленою нейтраллю. Найбільш поширені чотирипровідні мережі 380/220, які відповідно до вимог повинні мати заземлену нейтраль.

Розглянемо мережі із ізольованою нейтраллю. На малюнку 1,а зображено схему такої мережі трифазного струму. Обмотка зображена з'єднаною в зірку, проте все сказане нижче відноситься також до випадку з'єднання вторинної обмоткиу трикутник.

Рис. 1. Схема мережі трифазного струму із ізольованою нейтраллю (а). Замикання на землю в мережі ізольованою нейтраллю (б).

Якою б гарною не була в цілому ізоляція струмопровідних частин мережі від землі, все ж таки провідники мережі мають завжди зв'язок із землею. Зв'язок цей двоякого роду.

1. Ізоляція струмовідних частин має певний опір (або провідність) по відношенню до землі, що зазвичай виражається у мегомах.Це означає, що через ізоляцію провідників і землю проходить струм не якоїсь величини. При хорошій ізоляції цей струм дуже малий.

Допустимо, наприклад, що між провідником однієї фази мережі та землею напруга дорівнює 220 В, а виміряне мегомметром опір ізоляції цього дроту дорівнює 0,5 МОм. Це означає, що струм на землю 220 цієї фази дорівнює 220/(0,5 х 1000000) = 0,00044 А або 0,44 мА. Цей струм називається струмом витоку.

Умовно для наочності на схемі опору ізоляції трьох фаз r1 r2 r3 зображуються у вигляді опорів, приєднаних кожне до однієї точки проводу. Насправді струми витоку в справній мережі розподіляються рівномірно по всій довжині проводів, у кожному ділянці мережі вони замикаються через землю та його сума (геометрична, т. е. з урахуванням зсуву фаз) дорівнює нулю.

2. Зв'язок другого роду утворюється ємністю проводників мережі по відношенню до землі.Як це розуміти?

Кожен провідник мережі та землю можна уявити собі як дві. В повітряних лініяхпровідник і земля – це як би обкладки конденсатора, а повітря між ними – діелектрик. У кабельних лініях обкладками конденсатора є жила кабелю та металева оболонка, з'єднана із землею, а діелектриком – ізоляція.

При змінній напрузізміна зарядів конденсаторів викликає виникнення та проходження через конденсатори змінних струмів. Ці так звані ємнісні струми у справній мережі рівномірно розподілені по довжині проводів і в кожній окремій ділянці також замикаються через землю. На рис. 1,а опору ємностей трьох фаз на землю х1, х2, х3 умовно показані приєднаними кожне до однієї точки мережі. Чим більша довжина мережі, тим велику величинумають струми витоку та ємнісні струми.

Подивимося, що станеться у зображеній малюнку 1,а мережі, якщо у однієї з фаз (наприклад, А) відбудеться замикання на землю, Т. е. Провід цієї фази буде з'єднаний із землею через відносно мале опір. Такий випадок зображено малюнку 1,б. Оскільки опір між проводом фази А і землею мало, опору витоку та ємності на землю цієї фази шунтуються опором замикання на землю. Тепер під впливом лінійної напруги мережі UB через місце замикання і землю проходитимуть струми витоку та ємнісні струми двох справних фаз. Шляхи проходження струму показані стрілками малюнку.

Замикання, показане на малюнку 1,б, називається однофазним замиканням на землю, а аварійний струм, що виникає при цьому - струмом однофазного замикання.

Уявімо собі тепер, що однофазне замикання внаслідок пошкодження ізоляції сталося не безпосередньо на землю, а на корпус якогось електроприймача - електродвигуна, електричного апарату, або на металеву конструкцію, за якою прокладені електричні дроти(Рис. 2). Таке замикання називається замиканням на корпус.Якщо при цьому корпус електроприймача або конструкція не мають зв'язку із землею, тоді вони набувають потенціалу фази мережі або близький до нього.

Рис. 2.

Дотик до корпусу рівносильний дотику до фази. Через тіло людини, її взуття, підлогу, землю, опору витоку та ємнісні опори справних фаз утворюється замкнутий ланцюг (для простоти на рис. 2 ємнісні опори не показані).

Струм у цьому ланцюгу замикання залежить від його опору і може завдати людині важкої поразки або виявитися для неї смертельною.

Рис. 3. Дотик людини до провідника в мережі із ізольованою нейтраллю за наявності в мережі замикання на землю

Зі сказаного випливає, що для проходження струму через землю необхідна наявність замкнутого ланцюга (іноді уявляють, що струм «іде в землю» - це неправильно). У мережах із ізольованою нейтраллю напругою до 1000 В струми витоку та ємнісні струми зазвичай невеликі.Вони залежать від стану ізоляції та довжини мережі. Навіть у розгалуженій мережі вони знаходяться в межах кількох ампер та нижче. Тому ці струми, як правило, недостатні для розплавлення плавких вставок або відключення.

При напругах вище 1000 основне значення мають ємнісні струми, вони можуть досягати декількох десятків ампер (якщо не передбачена їх компенсація). Однак у цих мережах відключення пошкоджених ділянок при однофазних замикання зазвичай не застосовується, щоб не створювати перерв в електропостачанні.

Таким чином, в мережі із ізольованою нейтраллю за наявності однофазного замикання (про що сигналізують прилади контролю ізоляції) продовжують працювати електроприймачі.Це можливо, тому що при однофазних замиканнях лінійна (міжфазна) напруга не змінюється і всі електроприймачі отримують енергію безперебійно. Але при кожному однофазному замиканні в мережі з ізольованою нейтраллю напруги непошкоджених фаз по відношенню до землі зростають до лінійних, а це сприяє виникненню другого замикання на землю в іншій фазі.Подвійне замикання на землю, що утворилося, створює серйозну небезпеку для людей. Отже, будь-яка мережа з наявністю в ній однофазного замикання повинна розглядатися як така, що перебуває в аварійному стані, оскільки загальні умови безпеки за такого стану мережі різко погіршуються.

Так, наявність «землі» збільшує небезпеку при дотику до частин, що знаходяться під напругою. Це видно, наприклад, з рисунку 3, де показано проходження струму ураження при випадковому дотику до струмоведучого дроту фази А і неусуненої «землі» у фазі С. Людина при цьому опиняється під впливом лінійної напруги мережі. Тому однофазні замикання на землю або на корпус повинні бути усунені в найкоротший термін.

Пояснювальна записка.

Компенсація ємнісних струмів замикання землю в мережах 6-35кВ.

Вступ.Найчастішим видом ушкодження (до 95%) у мережах 6, 10, 35 кВ є однофазні замикання на землю (ОЗЗ), що супроводжуються протіканням через місце замикання ємнісного струму та перенапругами високої кратності на елементах мережі (двигунах, трансформаторах) у вигляді високочастотного перехідного процесу . Такі на мережу призводять у разі до спрацьовування земляних захистів. Відшукання пошкодженого приєднання є трудомістким та тривалим організаційним завданням – почергове відключення приєднань затягується на тривалий час та супроводжується комплексом оперативних перемикань для резервування споживачів. І, як правило, більшість міжфазних замикань починається із ОЗЗ. Розвиток однофазних замиканьна землю супроводжується розігрівом місця замикання, розсіювання великої кількості енергії у місці ОЗЗ та закінчується відключенням споживача вже захистом МТЗ при переході ОЗЗ у коротке замикання. Змінити ситуацію можна за допомогою резонансного заземлення нейтралі.

Струми замикання.При ОЗЗ на землю через місце ушкодження протікає ємнісний струм, зумовлений наявністю електричної ємності між фазами мережі та землею. Ємність сконцентрована, переважно, у кабельних лініях, довжина яких і визначає загальний ємнісний струм ОЗЗ (орієнтовно на 1 А ємнісного струму припадає 1 км кабелю).

Види ОЗЗ.Усі ОЗЗ поділяються на глухі (металеві) та дугові. Найчастішим (95% всіх ОЗЗ) та найбільш небезпечним виглядомОЗЗ є дугові ОЗЗ. Опишемо кожен вид ОЗЗ окремо.

1) з точки зору рівнів перенапруг на елементах мережі найбезпечніші металеві замикання на землю (наприклад, падіння дроту повітряної ЛЕП на землю). У цьому випадку через місце пробою протікає ємнісний струм, що не супроводжується великими перенапругами через специфіку такого роду ОЗЗ.

2) особливість дугових ОЗЗ – наявність електричної дуги у місці ОЗЗ, яка є джерелом високочастотних коливань, що супроводжують кожне ОЗЗ.

Методи придушення струмів ОЗЗ.Існує два способи придушення струмів ОЗЗ.

1) відключення пошкодженого приєднання – цей метод спрямовано ручне чи автоматичне (з допомогою коштів РЗА) отключение. При цьому споживач відповідно до категорії переводиться на резервне харчування або залишається без харчування. Немає напруги на пошкодженій фазі – немає струму через місце пробою.

2) компенсація ємнісного струму в місці замикання встановленим у нейтралі мережі реактором, що має індуктивні властивості.

Суть компенсації ємнісних струмів ОЗ.Як було відмічено, при замиканні фази на землю (пробої) через місце ОЗЗ протікає ємнісний струм. Цей струм при найближчому розгляді обумовлений ємностями двох (неушкоджених) фаз, що залишилися, заряджених до лінійної напруги. Струми цих фаз, зсунуті один щодо одного на 60 електричних градусів, підсумовуються в точці пошкодження і мають по величині потрійне значення фазного ємнісного струму. Звідси визначається величина струму ОЗЗ через місце ушкодження: . Цей ємнісний струм можна компенсувати індуктивним струмом дугогасного реактора (ДГР), встановленого в нейтраль мережі. При ОЗЗ в мережі на нейтралі будь-якого приєднаного до неї трансформатора, обмотки якого з'єднані в зірку, з'являється фазна напруга, яка, якщо є висновок нейтралі, приєднаний до високовольтної обмотки реактора L, ініціює індуктивний струм реактора через місце пробою. Цей струм спрямований зустрічно ємнісному струму ОЗЗ і може його компенсувати за відповідного настроювання реактора (рис. 1)

Рис. 1 Шляхи проходження струмів ОЗЗ через елементи мережі

Необхідність автоматичного налаштування в резонансі.Для досягнення максимальної ефективностіДГР контур, утворений ємністю всієї мережі та індуктивністю реактора – контур нульової послідовності мережі (КНПС) – має бути налаштований у резонанс на частоті мережі 50 Гц. В умовах постійних перемикань у мережі (включень/відключень споживачів) ємність мережі змінюється, що призводить до необхідності застосування плавнорегульованих ДГР та автоматичної системикомпенсації ємнісних струмів ОЗЗ (АСКЕТ) До речі, застосовувані в даний час ступінчасті реактори типу ЗРОМ та ін. налаштовуються вручну, виходячи з розрахункових даних про ємнісні струми мережі, і тому не забезпечують резонансного налаштування.

Принцип дії АСКЕТ.КНПС налаштовується у резонанс пристроєм автоматичного регулювання компенсації типу УАРК.101М, що працює на фазовому принципі. На вхід УАРК.101М подаються опорний сигнал ( лінійна напруга) та сигнал 3Uo з вимірювального трансформатора (наприклад, НТМІ). Для правильної та стійкої роботи АСКЕТ необхідно створити штучну несиметрію в мережі, що робиться джерелом збудження нейтралі (ІВН) - або включенням високовольтної конденсаторної батареї в одну з фаз мережі, або установкою спеціального несиметричного трансформатора типу ТМПС із вбудованим ІВН (з можливістю регулювання коефіцієнта трансформації з дискретністю 1,25% фазної напруги). В останньому випадку величина напруги 3Uo в режимі резонансу та стійкість роботи АСКЕТ залишаються незмінними при зміні конфігурації мережі (див. формули нижче). У нейтраль цього трансформатора встановлюється ДГР (наприклад, типу РДМР). Отже, АСКЕТ представляється як системи ТМПС+РДМР+УАРК.101М.

Про співвідношення величин природної та штучної несиметрії.У мережі із ізольованою нейтраллю напруга на розімкнутому трикутнику НТМІ з урахуванням коефіцієнта трансформації відповідає напрузі природної несиметрії.Величина і кут цієї напруги нестабільні і залежить від різних чинників (погодних,…..і т. буд.), для правильної роботи АСКЕТ необхідно створити більш стабільний сигнал як у величині, і по фазі. Для цього в КНПС вводиться джерело порушення нейтралі ( джерело штучної несиметрії). Якщо використовувати термінологію теорії автоматичного управління, штучна несиметрія є корисним сигналом, що використовується для управління КНПС, а природна – перешкода, від якої необхідно відбудуватися шляхом вибору величини штучної несиметрії. У мережах з наявністю кабельних лінійз ємнісним струмом 10 і більше ампер величина природної несиметрії, як правило, дуже мала. П.5.11.11. ПТЕЭСиС обмежує величину напруги несиметрії (природної + штучної) в мережах, які працюють із компенсацією ємнісного струму, лише на рівні 0,75% фазного напруги, а максимальну ступінь зміщення нейтралі лише на рівні не вище 15% фазного напруги. На розімкнутому трикутнику НТМІ ці рівні відповідатимуть значенням 3Uo= 0,75В та 15В. Максимальний ступінь усунення нейтралі можливий у режимі резонансу (рис.2).

Наведемо нижче формули для розрахунку напруги 3Uo в режимі резонансу для двох способів створення штучної несиметрії:

1) у разі застосування конденсатора Co

,

де - кутова частота мережі, 314,16 с-1,

http://pandia.ru/text/79/550/images/image006_44.gif" width="24" height="23 src=">- фазна ЕРС, В,

http://pandia.ru/text/79/550/images/image008_37.gif" width="29" height="27">- коефіцієнт трансформації по 3Uo вимірювального трансформатора, в мережі 6 кВ - 60/, в мережі 10 кВ - 100/http://pandia.ru/text/79/550/images/image010_32.gif" width="97" height="51">,

де Ксм - перемикач коефіцієнт зсуву фази У спеціального трансформатора.

З формул видно, що у разі застосування конденсатора Co величина 3Uo у точці резонансу залежить від ємнісного струму мережі (), а у разі застосування спеціального несиметричного трансформатора не залежить.

Мінімальне значення 3Uo вибирається, виходячи з умови надійної роботи пристрою УАРК.101М, і становить 5В.

У вищенаведених формулах не враховується величина напруги природної несиметрії мережі через її невеликі значення. jpg

Рис. 3 Вектори напруги в резонансно-заземленій мережі

Висновки:

Точна автоматична компенсація ємнісного струму ОЗЗ є безконтактним засобом дугогасіння та в порівнянні з мережами, що працюють із ізольованою нейтраллю, з резистивно-заземленою, з частково компенсованою, а також із комбіновано заземленою нейтраллю має наступні переваги:

зменшує струм через місце пошкодження до мінімальних значень (у межі до активних складових та вищих гармонік), забезпечує надійне дугогасіння (запобігає тривалому впливу заземлюючої дуги) та безпеку при розтіканні струмів у землі;

полегшує вимоги до заземлюючих пристроїв;

обмежує перенапруження, що виникають при дугових ОЗЗ, до значень 2,5-2,6 Uф (при ступені розладу компенсації 0-5%), безпечних для ізоляції експлуатованого обладнання та ліній;

значно знижує швидкості напруг, що відновлюються, на пошкодженій фазі, сприяє відновленню діелектричних властивостей місця пошкодження в мережі після кожного згасання заземлюючої дуги, що перемежується;

запобігає начеркам реактивної потужностіна джерела живлення за дугових ОЗЗ, чим зберігається якість електроенергії у споживачів;

запобігає розвитку в мережі ферорезонансних процесів (зокрема, мимовільних зсувів нейтралі), якщо виконуються обмеження щодо застосування плавких запобіжників на лініях електропередачі;

виключає обмеження статичної стійкості при передачі потужності по лініях електропередачі.

При компенсації ємнісних струмів повітряні і кабельні мережі можуть довго працювати з фазою, що замкнулася на землю.

Література:

1. Лихачов на землю в мережах із ізольованою нейтраллю та з компенсацією ємнісних струмів. М.: Енергія, 1971. - 152 с.

2. Обабків адаптивних систем керування резонансними об'єктами. Київ: Наукова думка, 1993. - 254 с.

3. Фішман В. Способи заземлення нейтралі у мережах 6-35 кВ. Погляд проектувальника. Новини Електротехніки, №2, 2008

4. Правила технічної експлуатаціїелектричних станцій та мереж Російської Федерації. РД 34.20.501-видання. Москва, 1996.

Головний інженер

Рис. 2 Приклади резонансних показників КНПС

Рис. 4 Реакція резонансно-заземленої мережі на дуговий пробій