 |
1. Резистивное заземление нейтрали в сети напряжением 6 – 35 кв
|
|
|
|
1. РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 – 35 кВ
1. 1. Общие сведения
Системы с незаземленными нейтралями, как показали научные исследования и опыт эксплуатации, не могут считаться надежными, обеспечивающими меньший ущерб от перерыва питания потребителей в силу допустимости длительной работы с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ) линий электропередачи систем электроснабжения. Высокая вероятность аварий при многократных повторных замыканиях электрических дуг вследствие однофазных замыканий в сети или деградации изоляции в месте замыкания, переход однофазных в многофазные замыкания, приводящие к большим повреждениям оборудования, – все это обусловливает отказ от применения изолированной нейтрали для промышленных систем электроснабжения (за исключением специальных случаев, оговоренных в ПУЭ). Как альтернатива могут быть предложены системы резистивного заземления нейтрали: низкоомное и высокоомное заземление.
1. 2. Низкоомное и высокоомное заземление нейтрали
Система с низкоомным заземлением нейтрали использует резистор, который ограничивает ток в месте повреждения относительно невысоким значением (по сравнению с многофазным замыканием) 50–1000 А. Обладает следующими преимуществами:
– обеспечивает более долгую ожидаемую жизнь изоляции для электродвигателей, трансформаторов и другого оборудования сети за счет снижения амплитуды перенапряжений, длительности и частоты воздействия перенапряжений;
– обеспечивает улучшение защитных свойств релейных защит путем быстрого и селективного отключения повреждений на землю при относительно низких токах в месте повреждения;
|
|
|
– обеспечивает защиту от повреждения стали вращающихся электрических машин, предотвращая длительное горение дуги между обмоткой и корпусом;
– обеспечивает сниженный риск поражения электрическим током обслуживающего персонала.
Система с высокоомным заземлением нейтрали использует резистор, ограничивающий ток замыкания на землю на низком уровне 1–7 А, и создает активный ток в месте повреждения приблизительно равный емкостному току. Обладает следующими преимуществами:
– сохраняет основное и единственное преимущество сети с изолированной нейтралью (при малом токе замыкания на землю): позволяет не отключать мгновенно первое замыкание на землю, и если не будет второго замыкания, поврежденная цепь может оставаться в работе;
– обеспечивает снижение амплитуды, длительности и частоты воздействия дуговых (примерно до уровней 2, 5 Uф) и феррорезонансных перенапряжений на изоляцию оборудования сети;
– создает ток в месте повреждения, удовлетворяющий по чувствительности требованиям релейной защиты.
Опыт эксплуатации дугогасительных реакторов показал, что достаточно незначительной расстройки реактора относительно резонанса и при возникновении ОЗЗ перенапряжения возможны даже большие, чем при его отсутствии. Поскольку для электрической сети отключения и включения распределительных линий являются нормальной ситуацией, реакторы должны менять свою настройку.
Использование резисторов в нейтрали трансформаторов позволяет обеспечить более надежное электроснабжение потребителей. На рис. 1. 1 представлена принципиальная схема выполнения резистивного заземления нейтрали в сетях 6–10 кВ.
Заземление нейтрали можно выполнить как с помощью низковольтного резистора 
, включаемого в разомкнутый треугольник обмотки низшего напряжения специального заземляющего трансформатора Т, рис. 1. 1а, так и с помощью высоковольтного резистора 
в нейтрали обмотки высшего напряжения, рис. 1. 1б. На рис. 1. 2 представлен вариант подключения низковольтных резисторов.
|
|
|
 | |||
 | |||
а) б)
Рис. 1. 1. Принципиальная схема подключения резисторов
Рис. 1. 2. Вариант подключения резисторов на стороне 0, 4 кВ заземляющего трансформатора
Для реализации возможности использования низковольтных резисторов на стороне 0, 4 кВ трансформатора может потребоваться схема их подключения согласно рис. 1. 2. Она должна применяться в том случае, если напряжение нулевой последовательности на выводах обмотки низшего напряжения трансформатора превышает 1 кВ при ОЗЗ.
Достоинством схемы, представленной на рис. 1. 2, является простота выполнения резистивного заземления, т. к. используются низковольтные резисторы. Но сами резисторы должны выдерживать сотни ампер.
Заземляющий резистор 
( 
) трансформатора Т, рис. 1. 2, выбирается исходя из режима длительного протекания тока, если предполагается действие защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) на сигнал. При действие защиты от ОЗЗ на отключение заземляющий резистор выбирается по режиму кратковременного протекания тока. Соответственно и мощность трансформатора Т также может быть выбрана исходя из режима допустимой кратковременной перегрузки.
При высокоомном заземлении нейтрали величина резистора не зависит от режима его работы и выбирается исходя из условия гашения дуги за половину периода промышленной частоты.
Рассмотрим участок электрической сети, на котором произошло ОЗЗ через активное сопротивление 
, рис. 1. 3, где показаны емкости С между фазными проводами и землей, а также резистивное заземление нейтрали 
.
Рис. 1. 3. Схема замещения электропередачи с ОЗЗ
Запишем дифференциальное уравнения баланса напряжений через емкость С для одной из фаз:
.
Для того, чтобы избавиться от интеграла, возьмем производную от левой и правой части данного уравнения. Используя это прием для остальных двух фаз, а также записывая уравнение баланса напряжений для цепи сопротивления ОЗЗ , получаем:
|
|
|
(1. 1)
Сложим левые и правые части первых трех уравнений системы (1. 1). Примем во внимание, что 
. С учетом последнего уравнения системы (1. 1) получаем новую систему из двух уравнений
(1. 2)
где 
.
Запишем характеристическое уравнение системы (1. 2):
.
Отсюда имеем
.
Т. е. ток ОЗЗ содержит апериодическую составляющую
, (1. 3)
где
. (1. 4)
Постоянная времени 
, как это следует из выражения (1. 4), тем меньше, чем меньше сопротивление дугового замыкания на землю . Поэтому полагают, что 
, что повышает постоянную времени до максимального значения и соответственно ухудшает условия гашения дуги. Именно этот случай должен рассматриваться как расчетный. Тогда
. (1. 5)
Если в выражении (1. 3) положить 
, то за время t ток 
снизиться менее чем на 5 % от начального значения, что гарантирует гашение дуги. При этом выдвигается требование, чтобы такое гашение произошло в течение первого полупериода промышленной частоты, т. е. при первом переходе тока через ноль. Это означает, что 
с. Таким образом, имеем:
с.
В результате из формулы (1. 5) получаем расчетное выражение для определения необходимой величины резистора заземления:
. (1. 6)
Важно, что в формуле (1. 6) С – емкость фазы линий сети по отношению к земле, а не полная емкость фазы. Рис. 1. 4 дает необходимые пояснения.
Рис. 1. 4. Емкостные проводимости линии электропередачи
На рис. 1. 4 показаны емкостные проводимости между проводами и землей (С) и между фазными проводами ( 
). Последние, соединенные в треугольник, преобразуем в звезду, рис. 1. 5.
|
|
|
Рис. 1. 5. преобразованные емкостные проводимости линии электропередачи
Очевидно, что в режиме симметричной нагрузки нейтральные точки звезды емкостей С и звезды емкостей 
, рис. 1. 5, имеют одинаковый потенциал и в результате линия обладает полной фазной емкостью 
, которая и приводится в справочной литературе как погонная емкость (или как погонная проводимость) С0 на 1 км или 100 км длины линии. В режиме ОЗЗ звезда емкостей не влияет на уровень токов замыкания, т. к. ее нейтраль изолирована от земли. Следовательно, междуфазные емкости не должны учитываться в расчетах.
Однако справочная литература не предоставляет необходимых данных о величине емкости проводов по отношению к земле. Определенные возможности предоставляет программный продукт Simulink, где по задаваемым геометрическим размерам опор и проводов можно вычислить погонные параметры воздушной линии, в том числе и погонную емкость проводов по отношению к земле. Приближенные значения можно рассчитать, если воспользоваться рекомендациям ОРГРЭС, предложенными Ф. А. Лихачевым, который предложил использовать следующие соотношения между емкостями относительно земли и между фазами:
для кабелей – 
, для ВЛ – 
. (1. 7)
При преобразовании треугольника к звезде имеем: 
. Тогда погонная общая емкость линии равна
.
Отсюда получаем с учетом соотношений (1. 7):
для кабелей 
;
для ВЛ 
.
Теперь, используя справочные значения погонной емкости 
, можем определить искомые емкости фазных проводов по отношению к земле:
для кабелей 
; (1. 8)
для ВЛ 
. (1. 9)
Соотношения (1. 8) и (1. 9) чрезвычайно важны, т. к. они наглядно показывают, насколько отличается емкость линии относительно земли от полной ее емкости. Эти же выражения должны служить основой для расчета тока замыкания на землю 
при проверке проектируемой электрической сети по допустимому уровню тока замыкания на землю. Для сети напряжением 6 кВ этот ток не должен превышать 30 А, для 10 кВ – 20 А, для 35 кВ – 5 А. Рассчитываться ток замыкания на землю должен с учетом значений емкостей формул (1. 8) и (1. 9):
,
где N – количество линий, питающихся от общих шин; 
– длина n-й линии; 
– погонная емкость фазы относительно земли n-й линии.
|
|
|
При установке резистивного заземления ток замыкания на землю в установившемся режиме определяется суммарной емкостью сети на землю С, параметрами трансформатора 
и резистора 
и находится по формуле
. (1. 10)
При использовании низковольтного резистора 
в формулу (1. 10) вместо 3 следует подставить приведенное к высшей стороне трансформатора Т активное сопротивление 
/3. Действительная величина данного сопротивления определяется как
,
где К – коэффициент трансформации, равный отношению линейных напряжений сторон трансформатора:
.
Ток в резисторе обусловлен трансформацией токов нулевой последовательности со стороны высшего напряжения трансформатора и равен
.
Если пренебречь в формуле (1. 7) сопротивлениями трансформатора, то
. (1. 11)
Воспользовавшись формулой (1. 11), получаем
. (1. 12)
Таким образом, из выражения (1. 12) получаем, что
. (1. 13)
Векторная диаграмма токов представлена на рис. 1. 6.
Рис. 1. 6. Векторная диаграмма токов замыкания на землю
Таким образом, как видно из векторной диаграммы рис. 1. 6, высокоомное резистивное заземление увеличивает ток замыкания на землю, согласно формуле (1. 13), примерно в 
раз.
|
|
|
