Однофазные замыкания на землю. Компенсация емкостных токов замыкания на землю. ДГР

1. Основные характеристики ОЗЗ

Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) — это вид повреждения, при котором одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. ОЗЗ является наиболее распространенным видом повреждения, на него приходится порядка 70-90 % всех повреждений в электроэнергетических системах. Протекание физических процессов, вызванных этим повреждением, в значительной мере зависит от режима работы нейтрали данной сети.

В сетях, где используется заземленная нейтраль, замыкание фазы на землю приводит к короткому замыканию. В данном случае ток КЗ протекает через замкнутую цепь, образованную заземлением нейтрали первичного оборудования. Такое повреждение приводит к значительному скачку тока и, как правило, незамедлительно отключается действием РЗ, путем отключения поврежденного участка.

Электрические сети классов напряжения 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое добавочное сопротивление. В этом случае замыкание фазы на землю не приводит к образованию замкнутого контура и возникновению КЗ, а ОЗЗ замыкается через емкости неповрежденных фаз.

Величина этого тока незначительна (достигает порядка 10-30 А) и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз. На рис. 1 показаны схемы 3-х фазной сети в режимах до и после возникновения ОЗЗ.

Рисунок 1 – Схема сети с изолированной нейтралью а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ
Такое повреждение не требует немедленного отключения, однако, его длительное воздействие может привести к развитию аварийной ситуации. Однако при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом.

На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений.

Рисунок 2 – Векторные диаграммы напряжений а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ

При ОЗЗ происходит нарушение симметрии линейных фазных напряжений, напряжение поврежденной фазы снижается практически до 0, а двух “здоровых” фаз поднимаются до уровня линейных. При этом линейные напряжения остаются неизменными.

Феррорезонанс и способы защиты от него

Феррорезонансный контур в сети с изолированной нейтралью — это контур нулевой последовательности с нелинейной характеристикой намагничивания. Трехфазный заземляемый трансформатор напряжения, по конструктиву, это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда/звезда, с обособленной магнитной системой. При перенапряжениях в сети индукция в магнитопроводе увеличивается, как минимум в 1,73 раза. В таких режимах возможно насыщение магнитопровода и, как следствие, возникновение феррорезонанса в сети. По данным служб энергоснабжения, ежегодно в эксплуатации повреждается 7–9% трансформаторов напряжения по причине феррорезонанса.

Существует множество способов защиты ТН от резонансных явлений в сети:

• изготовление ТН с максимально уменьшенной рабочей индукцией;
• включение в цепь ВН и НН дополнительных демпфирующих сопротивлений;
• изготовление трехфазных трансформаторов напряжения с единой магнитной системой в пятистержневом исполнении;
• применение специальных устройств, включаемых в цепь разомкнутого треугольника;
• заземление нейтрали трехфазного трансформатора напряжения через токоограничивающий реактор;
• применение специальных компенсационных обмоток и т.д.;
• применение специальных релейных схем, для защиты обмотки ВН от сверхтоков.

Все эти меры в той или иной степени защищают измерительный трансформатор напряжения, но не решают проблему в корне.

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

1. В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
2. В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
3. В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.

Принцип работы защиты

Для четырехполюсных автоматических выключателей и трехполюсных автоматических выключателей с дополнительным трансформатором тока в цепи N-проводника защита от замыкания на землю (G) рассчитывает векторную сумму токов трех фаз и нейтрального проводника. В замкнутой схеме данная сумма, называемая током утечки, равна нулю.

Id =IL1 + IL2 + IL3 + IN = 0.

При замыкании фазы на землю часть тока, в зависимости от пути его возврата к источнику питания, не замыкается через нулевой проводник, и сумма фазных и нулевого тока не равна нулю.

Id =IL1 + IL2 + IL3 + IN ≠ 0

КЗ на землю в системе TN-S четырехполюсный автомат

Для трехполюсных автоматических выключателей, когда отсутствует необходимость в N-проводнике (например, для симметричной трехфазной нагрузки, такой как трехфазные двигатели) защита от замыкания на землю (G) рассчитывает векторную сумму токов трех фаз. При отсутствии замыкания на землю сумма токов трех фаз в такой системе равна нулю

Id =IL1 + IL2 + IL3 = 0.

При замыкании фазы на землю часть тока, в зависимости от пути тока, замыкается через землю или PE-проводник, в результате чего сумма фазных токов не равна нулю.

Id =IL1 + IL2 + IL3 ≠ 0

КЗ на землю в системе TN-S трехполюсный автомат

Если среднеквадратичное значение векторной суммы токов превышает установленное значение отключения Ig за время установленной задержки tg, защита срабатывает.

Id ≥ Ig.

Расчет суммарного тока ОЗЗ

При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.

Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.

Выражение для определения тока ОЗЗ:

,

где С∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С∑ = Суд l; Суд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км; l – общая длина проводника одной фазы сети.

Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:

,

где UНОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ; li – длина кабельной линии, км; qi – сечение жилы кабеля, мм2.

Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.

Расчет тока однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

В данном примере рассмотрим расчет тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) для подстанции 10 кВ (Схема подстанции представлена на Рис.1). Релейная защита и автоматика всех фидеров выполнена на микропроцессорных терминалах SEPAM S40 (фирмы Schneider Electric).

Рис.1 — Схема подстанции 10 кВ

1. Чтобы повысить точность наших расчетов при определении ОЗЗ используем метод, основанный на определении удельного емкостного тока замыкания на землю. (Также значения удельного емкостного тока замыкания на землю, можно использовать из справочных данных из таблицы 1, либо же взять из технических характеристик кабеля, которые предоставляет Завод-изготовитель)

где:

• Uф — фазное напряжение сети, кВ;
• ω = 2Пf = 314(рад/с);
• Со — емкость одной фазы сети относительно земли (мкФ/км);

2. После того как мы определили удельный емкостной ток замыкания на землю, рассчитываем собственный емкостной ток кабельной линии:

Таблица 1 — Удельное значения емкостных токов в кабельных сетях (А/км)

Результаты расчетов заносим в таблицу 2. Таблица 2 — Результаты расчетов

3. Рассчитываем ток срабатывания защит, при этом отстраиваемся от собственного емкостного тока по формуле (данное условие обеспечивает несрабатывание защиты при внешнем однофазном замыкании на землю):

где:

• Кн – коэффициент надежности (принимаем равным 1,2);
• Кбр – коэффициент «броска», который учитывает бросок емкостного тока в тот момент, когда возникает ОЗЗ;
• Ic.фид.макс– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.

Для электромеханических реле рекомендуется принимать Кбр= 2–3. При этом защита выполняется без выдержки времени. При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, можно принимать значения Кбр=1–1,5 (обращаю Ваше внимание, что данный коэффициент лучше уточнить у фирмы-изготовителя). Для SEPAM S40 рекомендуется принимать Кбр= 1-1,5. Первичный ток срабатывания защит составляет:

• КЛ-10 кВ №1 Iсз = 1,134 А;
• КЛ-10 кВ №2 Iсз = 0,62 А;
• КЛ-10 кВ №3 Iсз = 1,3 А;
• КЛ-10 кВ №4 Iсз = 0,62 А;
• КЛ-10 кВ №5 Iсз = 0,37 А;
• КЛ-10 кВ №6 Iсз = 1,23 А

4. Проверяем чувствительность защит, с учетом, что будет включено минимальное количество включенных линий, в нашем случае это все присоединения, которые находятся на секции.

Обращаю Ваше внимание, что коэффициент чувствительности согласно ПУЭ пункт 3.2.21 равен: для кабельных линий — 1,25, для воздушных линий — 1,5. В книге «Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г» приводиться Кч=1,5-2,0. В данном расчете, я принимаю коэффициент чувствительности по ПУЭ. Какой коэффициент чувствительности принять, выбирайте уже сами.

где: IсΣmin — наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока.

В моем случае наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока, является суммарный емкостной ток по секциям:

• I секция — IсΣmin = 2,543 (А);
• II секция — IсΣmin = 1,849 (А);

5. Определяем время срабатывания защит от ОЗЗ: Для всех отходящих кабельных линий 10 кВ время срабатывания защит принимаем равным 0,1 сек. Таблица 3 — Результаты расчетов срабатывания защит от ОЗЗ

Для присоединений КЛ-10 кВ №3 и №6 чувствительности защиты недостаточно, поэтому мы должны применить вместо терминала Sepam S40 → терминал Sepam S41 или S42, который позволит выполнить направленную защиту нулевой последовательности.

Для того что бы не тратить много времени на расчет вручную, была сделана: «Программа по расчету уставок защиты от замыканий на землю.

Литература:

1. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г.
2. РД 34.20.179 Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ — 1993 г.
3. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит. Шалин А.И. // Новости ЭлектроТехники. – 2005 г.

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

4. Компенсационные меры защиты

Из-за распределённой по воздушным и кабельным линиям электропередач ёмкости, при ОЗЗ в месте повреждения протекает ёмкостный ток. В наиболее тяжелых случаях, возможно возникновение электрической дуги, горение которой может приводить к переходу ОЗЗ в двух- или трёхфазное замыкание и отключению линии релейной защитой. Вследствие этого потребитель электроэнергии может временно лишиться электроснабжения.

В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю. Для предотвращения возникновения дуги и уменьшения емкостных токов применяют компенсацию емкостных токов. Значения емкостных токов, при превышении которых требуется компенсация согласно ПУЭ и ПТЭ, приведены табл. 1.

Таблица 1 – Значения токов требующие компенсации

При более низких уровнях токов считается, что дуга не загорается, или гаснет самостоятельно, применение компенсации в этом случае не обязательно.

Дугогасящий реактор

Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (рис. 3).

Рисунок 3 – Дугогасящий реактор

Этот способ является наиболее эффективным средством защиты электрооборудования от замыканий на землю и компенсации емкостного тока. С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.

Незаземляемые ТН

Для решения всех вопросов, связанных с эксплуатацией заземляемых трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью, на нашем предприятии разработана новая трехфазная группа. Трехфазная 3хНОЛ.08-6(10)М группа, состоящая из трех незаземляемых трансформаторов, соединенных по схеме треугольник/треугольник. Основное преимущество 3хНОЛ.08-6(10)М — отсутствие заземляемого вывода с ослабленной изоляцией. Это значит, что трансформатор не подвержен влиянию феррорезонанса и не требует дополнительных защит от его воздействия. Также изоляцию этого трансформатора возможно испытать приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты в условиях эксплуатации, так как в этом случае нет необходимости в источнике повышенной частоты.

Трансформатор напряжения НОЛ.08-6(10)М

У незаземляемых трансформаторов нет высоковольтных выводов с ослабленной изоляцией, что так-же позволит избежать нарушений, которые зачастую случаются в эксплуатации, при определении сопротивления изоляции вывода «Х», так как есть разночтения в нормативной документации. На сегодняшний день большое количество пунктов коммерческого учета (ПКУ) имеют в своем составе заземляемые трансформаторы напряжения со встроенными предохранителями (ЗНОЛП). При однофазных замыканиях на землю, а они как указывалось выше, случаются достаточно часто в воздушных распределительных сетях, срабатывает встроенное защитное предохранительное устройство (ЗПУ). Встраиваемое ЗПУ, прежде всего, предназначено для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий во вторичных цепях.

Так как ток срабатывания предохранителя достаточно мал, то при различных перенапряжениях, вызванных, в том числе, и однофазными замыканиями на землю, — происходит отключение ТН. ЗПУ защищает обмотку ВН от сверхтоков, которые возможны при различных технологических нарушениях в электрических сетях. При срабатывании предохранителя учет электроэнергии будет отсутствовать. Для восстановления учета, необходимо заменить плавкую вставку ЗПУ.

6. Основные характеристики ДГР

Дугогасящий реактор (ДГР) – это электрический аппарат, предназначенный для компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным нормативным документом регламентирующим работу, установку и надстройку ДГР является Р 34.20.179.

Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов, генераторов или синхронных компенсаторов через разъединители. В цепи заземления реакторов должен быть установлен трансформатор тока. Рекомендуемые схемы подключения ДГР представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема подключения ДГР: а) подключение ДГР к трансформаторам СН; б) подключение ДГР к нейтрале силового трансформатора

Индуктивность ДГР подбирается из условия равенства емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. Таким образом, происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (как правило, не превышают 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией.

Современные ДГР имеют различные конструктивные особенности и производятся для огромного диапазона мощностей. В таблице 2 приведен ряд параметров дугогасящих реакторов разных производителей.

Таблица 2 – Параметры ДГР

При выборе дугогасящего реактора рекомендуется следующий порядок; определяется максимальный емкостный ток замыкания на Землю; определяется суммарная мощность реакторов из условия полной компенсации емкостного тока (резонансная настройка); определяется число реакторов (если IС > 50 А, рекомендуется применять не менее двух реакторов);

Заземляемые ТН

Заземляемые трансформаторы напряжения применяются в сетях с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали ТН позволяет осуществлять контроль изоляции сети с помощью дополнительных вторичных обмоток, соединенных по схеме звезда/треугольник. На наш взгляд, это основная функция заземляемых трансформаторов, функция измерения и учета — дополнительная. Зачастую, в электрических сетях эксплуатируются заземляемые трансформаторы напряжения, у которых защитные обмотки не используются. Применение заземляемых трансформаторов без использования функции контроля изоляции сети — неоправданный риск.

Это связано с тем, что:

• заземляемые трансформаторы напряжения подвержены влиянию феррорезонансных явлений;
• изоляцию обмотки ВН невозможно испытать в условиях эксплуатации приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты.

Конструкция ДГР

Конструктивно ДГР близка к масляным трансформаторам: бак, заполненный трансформаторным маслом, в который помещена магнитная система с обмоткой. Сама магнитная система представляет собой регулируемую катушку индуктивности.

В настоящее время эксплуатируются различные виды ДГР, которые могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек или изготавливаться с возможностью регулировки. В связи с этим различаются следующие конструкции магнитопровода:

• с распределенным воздушным зазором;
• плунжерного типа;
• с подмагничиванием.

В ДГР имеющих магнитопровод с распределенным воздушным зазором, регулирование может отсутствовать вовсе или осуществляется за счет переключения ответвления для ступенчатого регулирования сопротивления.

В ДГР плунжерного типа имеет магнитную систему с перемещающимися стержнями, которые плавно регулируют воздушный зазор внутри обмотки. Стержни перемещаются с помощью электропривода, что обеспечивает плавное регулирование сопротивления реактора. ДГР с подмагничиванием магнитопровода постоянным током работает по принципу магнитного усилителя. При подмагничивании магнитопровода изменяются его магнитное сопротивление и, соответственно, индуктивное сопротивление реактора.

Для отстройки индуктивности ДГР оснащаются системами управления. По конструкции систем регулирования их можно разделить на:

1. ДГР с ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;
2. ДГР с приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;
3. ДГР не имеющие возможности регулирования индуктивности системой управления не оснащаются.

Современные конструкции дугогасящих реакторов в управлении используют микропроцессорные технологии, облегчающие возможности эксплуатации предоставлением обслуживающему персоналу расширенной информации по статистике замыканий, поиску повреждений и другим полезным функциям.

Пример выбора ДГР

Требуется выбрать мощность и тип дугогасящего реактора в сети Uном=10 кВ. Суммарный емкостной ток замыкания на землю составляет Iс=24,2 А. Поскольку емкостный ток ОЗЗ превышает допустимый 20 А для сети 10 кВ, требуется его компенсация. Мощность ДГР, согласно РД 34.20.179, определяется по формуле

.

Поскольку данные о развитии сети отсутствуют, полученную расчетную мощность ДГР необходимо умножить на 1,25.

На основании полученного результата и исходных данных к установке принимается ДГР со ступенчатым регулированием типа РЗДСОМ-190/10Т1.