Вынос потенциала в сеть напряжением до 1 кВ при замыканиях на землю в сети напряжением выше 1 кВ

Электроника, электрика / Электромонтаж / Строительство электростанций
Administrator
3 725
14-03-2017, 21:42
0

До 90 % от общего числа нарушений нормальной работы в существующих линиях электропередачи напряжением 6-10 кВ составляют однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). При возникновении коротких замыканий (КЗ) на землю в сетях напряжением 110 кВ или двойных замыканий на землю в сетях 10 кВ может иметь место вынос потенциала в сеть 0,4 кВ. В эксплуатации этому вопросу уделяется недостаточное внимание, так как считается, что заземлитель подстанции 110/10 кВ имеет небольшое сопротивление, и значение потенциала на нем при КЗ, связанных с землей, невелико. Однако, так как заземлитель подстанции обычно соединен с сетью напряжением 6-10 кВ, через оболочки кабелей имеется возможность попадания на проводники PEN сети напряжением до 1 кВ напряжения, превышающего допустимые значения.

Исследование выноса потенциала в сеть до 1 кВ проведено с применением имитационных моделей сетей 110, 10, 0,4 кВ в системе моделирования MatLab. Имитационные модели состояли из подстанции, распределительного пункта, трансформаторных пунктов, воздушных линий, кабельной линии (КЛ) с оболочкой, заземленной по концам, и КЛ с оболочкой, хорошо заземленной по всей длине. При моделировании ОЗЗ учитывались переходные сопротивления в диапазоне 0 - 2000 Ом. Проанализированы различные режимы заземления нейтрали: сеть с изолированной нейтралью, сеть с компенсацией емкостных токов, низкоомное и высокоомное резистивные заземления нейтрали, кратковременное низкоомное индуктивное заземление нейтрали.

На основе исследования выноса потенциала установлено, что напряжения на нулевом проводе в сети напряжением до 1 кВ при двойных замыканиях на землю могут достигать опасных значений. Для обеспечения электробезопасности в сети напряжением до 1 кВ нужно принимать меры по защите от выноса потенциала.

I. Введение

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) являются распространенным видом повреждения в воздушных и кабельных линиях (КЛ) среднего напряжения (6 - 35 кВ). По данным авторов, этот вид нарушения нормальной работы составляет 90 % всех видов повреждения КЛ сети напряжением 6-10 кВ. При этом возникает возможность попадания опасного потенциала в сети до 1 кВ через оболочки кабельных линий и заземляющие устройства трансформаторных пунктов (ТП) 6 - 10/0,4 кВ.

В зависимости от режима нейтрали сети, указанный потенциал имеет разные уровни. В Российской Федерации используются следующие виды заземления нейтрали в сетях среднего напряжения: изолированная нейтраль, сеть с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, резистивное заземление нейтрали (высокоомное и низкоомное заземления), низкоомное индуктивное заземление нейтрали с ограниченным током замыкания на землю, комбинированное заземление нейтрали (высокоомный резистор и дугогасящий реактор). Вопросу выноса потенциала в сеть напряжением до 1 кВ посвящено относительно малое число работ, в которых практически отсутствуют количественные данные, позволяющие найти связь уровня напряжения на нулевых проводах в зависимости от режима нейтрали сети среднего напряжения.

Работа выполнена под руководством д-ра техн. наук, профессора С.Л. Кужекова.

II. Метод исследования

Для оценки уровней выноса потенциала в сети с различными режимами заземления нейтрали целесообразно создание модели сети. В настоящее время для моделирования электроэнергетических процессов широко применяется программа Ма1ЬаЬ^тиИпк. Она позволяет создать имитационную модель сети, что особенно ценно в условиях ограниченных возможностей проведения экспериментов в действующих электрических сетях 6-10 кВ.

За основу модели была взята подстанция (ПС) напряжением 110/35/10 кВ. На подстанции установлены: трехобмоточные трансформаторы типа ТДТН-115/38,5/11 со схемой соединения обмоток Yн/Y/Д и двухобмоточные трансформаторы собственных нужд типа ТМ-250/10 со схемой соединения обмоток Y/Yн. К распределительному пункту (РП) 10 кВ в модели подключены три кабельные и две воздушные линии (ВЛ) суммарными длинами 7,5 и 2 км соответственно. При составлении модели КЛ были использованы два предельных случая : а) оболочка кабеля по всей длине имеет столь хорошее заземление, что сопротивлением последнего практически можно пренебречь; б) весь ток возвращается только по оболочке. Сопротивление оболочки кабеля 2,836 Ом, кабели одинаковой длины. Трансформаторы ТП 10/0,4 кВ с двухобмоточными трансформаторами типа ТМ-250/10 и схемами соединения обмоток Y/Yн связаны с РП линиями электропередачи. В статье используются следующие обозначения для ТП: ТП1 - соединение РП с ТП по КЛ с оболочкой, заземленной по концам; ТП2 - соединение РП с ТП по КЛ с оболочкой, хорошо заземленной по всей длине; ТП3 - соединение РП с ТП по ВЛ. В соответствии с Правилами устройств электроустановок (ПУЭ), контуры заземления имеют следующие значения соответственно: для ПС - 0,5 Ом,

для РП - 10 Ом, для ТП - 4 Ом. ВЛ 0,4 кВ подключены к ТП. Влиянием нагрузки на результаты опытов можно пренебречь.

В модели учтено наличие специальных трансформаторов (ТЗН) в качестве устройства для заземления нейтрали. Для низкоомного индуктивного заземления нейтрали был выбран ТЗН ТМ-16/10 со схемой соединения обмоток Y^A, а для остальных режимов нейтрали ТМ-250/10 с такой же схемой соединения обмоток. Индуктивность катушки при компенсации емкостных токов была рассчитана для 5 %-й пере- компенсации. Переходное сопротивление в месте замыкания имело значения: 0, 10, 100, 2000 Ом.

Имитационная модель, представленная на рис. 1, выполнена для половины сети, питающейся от секции шин 10 кВ ПС. Модель состоит из источника Three-Phase Source с синусоидальным напряжением 115 кВ; воздушных линий электропередачи Three-Phase PI Section Line; кабельных линий, показанных в виде блоков Three- Phase Mutual Inductance, Three-Phase Cp Branch, Series Cg Branch, Ground, и блока активного сопротивления оболочки Ro6. Силовые трансформаторы представлены блоками Three-Phase Transformer (Three Windings) и Three-Phase Transformer (Two Windings). С помощью измерительных блоков Voltage Measurement и Current Measurement совместно с блоком пользователя powergui определялись модуль и фаза соответственно напряжения и тока на заземлителях ПС, РП и ТП и тока ТЗН. Сопротивления заземлителей представлены блоками активного сопротивления Яз.

Моделирование различных режимов работы нейтрали производилось с помощью выключателей переменного тока Three-Phase Breaker и Breaker. В режиме изолированной нейтрали все выключатели были отключены. В сети с компенсацией емкостного тока были включены Three-Phase Breaker и Breaker], чтобы подать напряжение на блок LR. Для сетей высокоомного и низкоомного резистивного заземления нейтрали использовался выключатель Three-Phase Breaker и выключатели Breaker2 и Breaker3, чтобы подать напряжение соответственно на блоки Яв и Ян. К низкоомному индуктивному режиму нейтрали с ограниченным током относились выключатели переменного тока Three-Phase Breaker] и Breaker4. Правильность работы модели была подтверждена ручными расчетами.

III. Анализ полученных результатов

При исследовании режимов нейтрали в модели сети создавались электрические соединения разных токоведущих частей, имитирующие короткие или простые замыкания с переходными сопротивлениями. Рассматривались следующие виды повреждений: однофазное замыкание в сети 110 кВ на землю или на заземлитель ПС; однофазное замыкание в сети 10 кВ на заземлители ПС, РП или ТП; ОЗЗ на ВЛ или оболочку КЛ; двухфазное замыкание на землю на одной ВЛ или оболочку КЛ; на двух смежных ВЛ или на двух смежных КЛ; на ВЛ и оболочку КЛ; замыкание двух фаз на заземлитель ПС; двухфазное замыкание, при котором одна фаза соединялась с заземлителем какой-либо ТП, а вторая - с землей на ВЛ или оболочкой КЛ. При этом после каждого замыкания фиксировались: напряжение на зазем- лителях ПС, РП и всех ТП; ток проходящий по заземлителю; ток в месте замыкания и ток ТЗН (кроме режима изолированной нейтрали).

Из всего многообразия полученных данных после моделирования следует выделить самые основные, которые дадут ответ на вопрос: какой режим нейтрали наименее предпочтителен по критерию выноса опасного потенциала. По ПУЭ в электроустановках выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью напряжение на заземляющем устройстве при прохождении тока замыкания на землю в любое время года должно быть не более 250 В для РП 10 кВ и 125 В для ТП 10/0,4 кВ. При ОЗЗ в сети 110 кВ наблюдался вынос потенциала на заземлите ли ПС, РП и ТП1, но лишь на ТП1 с нулевым переходным сопротивлением он превысил допустимое значение и составил 135 В. Режим заземления нейтрали сети 10 кВ незначительно влиял на вынесенный потенциал, так как ток замыкания на землю не проходил по ТЗН. Аналогичная картина наблюдалась и при однофазном замыкании в сети 110 кВ на заземляющее устройство подстанции. В этом случае опасный потенциал был не только на ТП1, но и на РП, его снижение до допустимых значений происходило при изменении переходного сопротивления от 10 до 100 Ом. На РП снижение происходило соответственно с 547 до 127 В, а на ТП1 - с 321 до 74 В.

Емкостный ток замыкания на землю в модели сети 10 кВ составил 15,51 А. Вынесенный потенциал при ОЗЗ на ВЛ 10 кВ имел небольшие значения и менялся в зависимости от режима нейтрали. На рис. 2 видно, что напряжение на заземлителе РП находилось в пределах от 12,4 до 17,7 В, а на ТП1 - в пределах от 16,3 до 19,7 В. Это связано с тем, что ток ОЗЗ возвращался в электрическую сеть, в том числе и через заземлители ПС, РП и ТП1. Ток ТЗН при его включении практически весь проходил по заземляющему устройству ПС, имеющему наименьшее сопротивление из всех. Поэтому режим заземления нейтрали мало влиял на значение вынесенного потенциала на заземляющие устройства РП и ТП1. Незначительный вынос потенциала был и при однофазном замыкании в сети 10 кВ на заземлитель ПС. Для ТП он составил 17 В, а для РП - 12 В. Режим заземления

нейтрали также мало влиял на уровни напряжения на заземляющих устройствах, так как ток ТЗН при его включении не проходил через заземлители, а сразу возвращался в место замыкания.

Несколько большее значение вынесенного потенциала получалось при однофазном замыкании на оболочку кабельной линии рядом с ТП1. Ток повреждения проходил как по земле, так и по оболочкам. В режиме низкоомного индуктивного заземления нейтрали напряжение на ТП1 было наибольшим и составляло 104,7 В, что ниже допустимого, но в два раза больше следующего по величине режима нейтрали. Превышение допустимого напряжения произошло только при однофазном замыкании на заземляющее устойство ТП3 в режиме низкоомного индуктивного заземления нейтрали. При этом весь ток однофазного замыкания проходил по заземлителю ТП3, что и вызвало вынос потенциала до 185 В. На рис. 3 показано, как изменялось напряжение на заземлителе в разных режимах нейтрали при увеличении переходного сопротивления в месте замыкания. Снижение напряжения до допустимых значений происходило при изменении переходного сопротивления с 10 до 100 Ом, соответствено со 173 до 108 В.

Двойные замыкания на землю в сети напряжением 10 кВ, как правило, характеризуются большими токами повреждений. Весь ток замыкания идет от одной поврежденной фазы к другой, при этом незначительная его часть все же распределяется по емкостям сети. Величина тока замыкания зависит от электрической удаленности поврежденных фаз от источника. Если произошло металлическое двухфазное замыкание в одном месте или на землю, то вынесенный потенциал будет небольшим, так, при замыкании фаз на заземляющее устройство ПС напряжения на заземлителях РП и ТП1 были соответственно 6,3 и 8,5 В. Одно из самых вероятных повреждений - это замыкание одной фазы на ВЛ на землю, а другой, на КЛ, - на оболочку. Ток замыкания проходит по заземляющим устройствам и возникает вынос потенциала, порядка 1400 и 2980 В для РП и ТП1 соответственно, который во много раз превышает допустимые значения. Аналогичные уровни напряжений получаются при двухфазном замыкании на двух смежных КЛ, на КЛ в начале линии и ТП1, на КЛ и ТП2. Но самый большой вынос потенциала получился при замыкании одной фазы на землю, а другой - на

заземляющий контур ТП, не связанной с остальной сетью кабельной оболочкой, то есть при двухфазном замыкании на ВЛ на землю и на заземляющее устройство ТП3. Напряжение на заземлителе ТП3 в режиме низкоомного резистивного заземления нейтрали достигло 5607,5 В. Режим заземления нейтрали влиял на вынесенный потенциал на ТП3 всего лишь в пределах 54,1 В.

Подводя итог всей работе, можно сказать, что при низкоомном индуктивном заземлении нейтрали с ограниченным током замыкания вынесенный потенциал на заземляющее устройство при некоторых видах повреждений превышает допустимое напряжение на заземлителе в сравнении с другими режимами нейтрали. Это объясняется несколько большим током ТЗН в этом режиме нейтрали. Выбор трансформатора с заземленной нейтралью происходил по условию, что его ток будет в три раза превышать емкостный ток сети. ТЗН, используемый в модели, создавал ток 55,99 А. В качестве мер по снижению напряжения на заземлителе предлагается использовать ТЗН меньшей мощности, так, например, через трансформатор ТМ-10/10 будет уже проходить ток 39,4 А, что снизит напряжение на заземлителе со 185 до 117,4 В при однофазном замыкании на контур ТП3.

Источник: не определен

Обсудить на форуме