автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование эффективности резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения

На правах рукописи

РГб од

ВИШТИБЕЕВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРО

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6-35 кВ РАЗЛИЧНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ И НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность - 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

Работа выполнена в Новосибирском Государственном Техническом Университете.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Кадомская К.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Дмитриев Е.В.

кандидат технических наук, с.н.с. Хорошев М.И.

Ведущая организация Сибирский

научно-исследовательский институт энергетики, г. Новосибирск

Защита состоится 30 мая 2000г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 063.34.05 в Новосибирском государственном техническом университете, 630092, Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, НГТУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан <4й» апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Кандидат технических наук, доцент

зюг.юоо

Глазырин В.Е.

? \ — счц - т п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. До настоящего времени достаточно актуальной остается проблема зашиты сетей 6-35 кВ от однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ), которые оказывают существенное влияние на показатели надежности и электробезопасности этих сетей.

Однофазное замыкание на землю I! сетях с изолированной нейтралью является серьезной аварией, которая в большинстве случаев (до 80%) развивается в многофазные короткие замыкания и, в необеспеченные защитным отключением, двойные замыкания.

Несмотря на большое количество работ по защите сетей 6-35 кВ от ОЗНЗ, в основном разработанных для сетей, эксплуатируемых с изолированной нейтралью, в настоящее время практически пет защит, которые могли бы надежно диагностировать фидер, на котором произошло ОЗНЗ.

Одним из способов повышения надежности эксплуатации сетей средних классов напряжения является заземление нейтрали сети через дугогасящий реактор (ДГР). Главное преимущество эксплуатации сети с ДГР - возможность существования ОЗНЗ без отключения потребителей. Следует отметить, что для эффективного использования ДГР необходимо обеспечить, по крайней мере, два условия:

- идеально симметрировать сеть;

- автоматизировать подстройку индуктивности ДГР к изменяющимся в широких пределах параметрам сети.

Обеспечить строгое выполнение этих условий на практике в сетях 6-35 кВ весьма затруднительно, а в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, эффективное использование ДГР практически невозможно. Кроме того, даже при их обеспечении применение ДГР не решает задачи о селективном определении поврежденного фидера (построение селективной защиты при установке ДГР еще более затруднительно, чем в сетях с изолированной нейтралью) и не исключает вероятности возникновения дуговых и феррорезонансных перенапряжений.

Наконец, по своей сути, компенсация емкостных токов ОЗНЗ является средством, позволяющим продлить время эксплуатации сети в аварийном режиме.

Весьма перспективной альтернативой компенсации емкостного тока ОЗНЗ является резистивное заземление нейтрали.

Заземление нейтралей сетей средних классов напряжения через высокоомные (или низкоомные) активные сопротивления дает следующие преимущества, позволяющие повысить надежность и электробезопасность этих сетей и снизить на несколько порядков вероятности поражения человека электрическим током при ОЗНЗ:

- снижение кратности дуговых перенапряжений до уровня (2.0-2.5)£/ф,„, что гарантирует локализацию однофазных замыканий, т.е. предотвращает развитие ОЗНЗ в более серьезные аварии, а также

практически исключает возможность возникновения опасных феррорезонансных колебаний и не обеспеченных защитным заземлением двойных замыканий па землю;

- возможность создания простой и надежной селективной защиты от однофазных замыканий на землю, за счет протекания активного тока в поврежденном фидере.

Кроме того, резистивное заземление нейтрали при правильном выборе величин сопротивлений резисторов, их энергетических характеристик, а также средств релейной защиты и автоматики позволяет сохранить преимущества сетей с изолированной нейтралью, обусловленные относительно небольшими значениями токов замыкания на землю.

Несмотря на бесспорные преимущества резистивного заземления по сравнению с режимами изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через ДГР, а также большое количество исследований, посвященных этому вопросу, в практике эксплуатации сетей средних классов напряжения резистивное заземление широкого применения не нашло. Это обусловлено, на наш взгляд, отсутствием общей методики, позволяющей определять необходимые параметры резисторов, выбирать схемы их подключения, принципы функционирования и необходимые технические средства для РЗ сетей 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения.

В настоящей работе решается задача по разработке упомянутой выше методики системного подхода к выбору величин сопротивлений и энергетических характеристик резисторов, способов организации РЗ от ОЗНЗ для сетей различного конструктивного исполнения (воздушные, кабельные, воздушно-кабельные) и назначения (распределительные, собственных нужд, генераторного напряжения электрических станций).

Основная цель настоящей работы — ускорить процесс практического внедрения резистивного заземления нейтралей в сетях 6-35 кВ, и тем самым, повысить их надежность и электробезопасность.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

• проанализированы перенапряжения, возникающие в сетях 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения при однофазных дуговых замыканиях на землю и при сопровождающих эти замыкания феррорезонансных процессах;

• разработана методика выбора величин сопротивлений резисторов и их энергетических характеристик;

• предложены принципы организации релейной защиты от ОЗНЗ для сетей с резистивным заземлением нейтрали.

Научная новизна основных положений и результатов работы состоит в следующем:

1. Разработаны математические модели, реализованные на ПЭВМ, позволяющие производить расчеты стационарных режимов ОЗНЗ, переходных процессов, сопровождающих однофазные дуговые замыкания

на землю, феррорезонаисных явлений и неполнофазных режимов в электрических сетях, содерзкащих двухцепные ВЛ, при учете песиммегрии их параметров и переходного сопротивления на землю в месте ОЗНЗ.

2. Проведен комплексный анализ внутренних перенапряжений при различных способах ¡аземления нейтралей электрических сетей различного назначения, подтверждающий эффективность резистивного заземления нейтрали и целесообразность его практического применения.

3. Предложена методика, позволяющая определить величины сопротивлений и энергетические характеристики резисторов в нейтралях сетей различного конструктивного исполнения и назначения. Достоверность результатов работы обусловлена применением

достаточно полных математических моделей исследуемых процессов, а также хорошим согласием результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными при внедрении резистивного заземления нейтрали в сетях промышленного Севера Западной Сибири, а также с результатами, полученными другими исследователями.

Практическая значимость результатов работы:

• разработанные программы для расчета стационарных и переходных процессов в сетях средних классов напряжения могут быть использованы как при расчетах нормальных и аварийных режимов в действующих сетях, так и при проектировании системы заземления нейтрали в сооружаемых сетях;

• требования к величинам сопротивлений и энергетическим характеристикам резисторов, устанавливаемых в нейтралях электрических сетей, а также к принципам организации релейных защит могут быть использованы как при модернизации системы заземления нейтрали в действующих сетях, так и при проектировании новых сетей с резистивным заземлением нейтралей.

Апробация работы и публикации.

Отдельные результаты работы и работа в целом докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр «Электрические станции», «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета и на Третьем Корейско-Российском Международном Научно-Техническом Симпозиуме К01Ш8'99 (Новосибирск, 22-25 июня, 1999).

По теме диссертации в периодической научно-технической литературе опубликовано 9 научных статей. Методические разработки и результаты ряда проведенных исследований изложены в отчете о научно-исследовательской работе, зарегистрированном во ВНТИЦ.

На защиту выносятся:

• математические модели стационарных и переходных процессов в сетях средних классов напряжения различного конструктивного исполнения и назначения, позволяющие производить сравнительную оценку эффективности различных способов заземления нейтрали;

• треоования к величинам сопротивлений и энергетическим характеристикам резисторов в воздушных, кабельных сетях и в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций;'

• принципы организации релейной защиты сетей с резистивным заземлением нейтрали от ОЗНЗ.

Структура н объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников из 41 наименований и приложения; содержит 141 страницу основного текста, 85 рисунков и 74 таблицы.

Во введении проанализировано состояние проблемы, обоснована актуальность предпринятого исследования, сформулированы его цель и задачи, а также выносимые на защиту положения.

В первой, второй и третьей главах изложены результаты исследования эффективности резистивного заземления нейтрали в воздушных, кабельных сетях, а также в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций.

В заключении сформулированы основные выводы по работе. В приложении приводится сравнение результатов расчета режима однофазного замыкания на землю в сети, содержащей двухцепные ВЛ, с результатами экспериментальных исследований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

В первой главе для разработки системного подхода к выбору характеристик резисторов, включаемых в нейтрали трансформаторов воздушных сетей средних классов напряжения, были рассмотрены следующие режимы и процессы:

- нормальные эксплуатационные режимы при учете несимметрии параметров сетей;

- режимы однофазного замыкания на землю;

- неполнофазные режимы;

- процессы, сопровождающие дуговые замыкания на землю;

- феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения.

Стационарные режимы в сетях 6-35 кВ, содержащих двухцепные ВЛ, и рекомендации по принципам организации релейной защите Воздушные сети, содержащие двухцепные ВЛ, могут эксплуатироваться в режиме совместной и раздельной эксплуатации цепей ВЛ. При исследовании режима однофазного замыкания на землю под раздельной эксплуатацией цепей следует понимать режим, при котором отключен не только выключатель В на рис. 1, но и и разъединитель Р2.

Рис. 1. Схема питания воздушной сети, содержащей двухцепные ВЛ

Анализу эффективности резистивного заземления нейтралей в воздушных сетях, содержащих двухцепные ВЛ, предшествовало решение ряда методических вопросов, связанных с разработкой упрощенных и более полных математических моделей. Показано, в частности, что погрешности при определении параметров режима ОЗНЗ, вызванные усреднением частичных емкостей сети не превышают 7%, что свидетельствует о возможности использования усредненных емкостей при расчете этого режима.

Влияние переходного сопротивления в месте однофазного замыкания на землю на режимные параметры проиллюстрировано на рис. 2.

Результаты расчетов, приведенные на рис. 2 убедительно показывают, что величина переходного сопротивления в месте замыкания на землю весьма существенно влияет на чувствительность защит, связанных с обнаружением ОЗНЗ. При этом оснащение сети резисторами приводит к снижению чувствительности защиты, основанной на регистрации напряжения нулевой последовательности, по сравнению с режимом изолированной нейтрали. Поэтому в сети с резистивным заземлением нейтрали более предпочтительны защиты, реагирующие на стационарные токи нулевой последовательности.

Рис. 2. Зависимость 1/щ и С/щ от в сети 35 кВ 1 - одноцепные линии, изолированная нейтраль; 2 - одноцепные линии, резистивно-заземленная нейтраль; 3 - двухцепные линии, изолированная нейтраль; 4 - двухцепные линии, резистивно-заземленная нейтраль.

Приведенные результаты позволяют также заключить, что при расчете стационарных режимов ОЗНЗ необходимо учитывать реальные величины переходных сопротивлений в месте ОЗНЗ.

Стационарный режим ОЗНЗ определяет нижний предел величины сопротивления резистора, который необходимо выбирать исходя из условия селективного срабатывания ненаправленной токовой защиты. Иными словами нижняя граница сопротивления резистора определяется максимальным рабочим током и током небаланса. Такой подход гарантирует отстройку от ложных срабатываний защиты при ОЗНЗ.

При раздельной эксплуатации цепей ВЛ в схеме нулевой последовательности при ОЗНЗ на какой-либо цепи ВЛ должна отключаться только эта цепь. Следовательно, если в случае одноцепных ВЛ защита, реагирующая на токи нулевой последовательности ВЛ, должна быть надежно отстроена от токов, протекающих по неповрежденным ВЛ, то в случае двухцепных ВЛ она должна быть отстроена от токов, протекающих как по неповрежденным ВЛ, так и по неповрежденной цепи поврежденной двухцепной ВЛ. Токораспределение в стационарном режиме ОЗНЗ в сети 35 кВ, содержащей двухцепные ВЛ, при раздельной эксплуатации цепей ВЛ, проиллюстрировано в табл. 1.

Таблица I.

Режим замыкания на землю одной ш цепей ВЛ при учете несимметрии частичных емкостей; /т~95 км, /дц=8.3 км; (mod - в kB, arg - в град)

режим заземления и /V/ uN1 ЗАщш 3/orim 3i 02

mod arg mod arg mod arg mod arg mod arg

2ц i~>00 ZN2—>со 20.2 180 7.2 186 9.3 87 8.3 87 3.1 267

2500 Ом 20.2 180 5.5 224 12.6 44 3.3 264 0.74 44

Примечание. Цщ, Un2~ напряжение на нейтралях трансформаторов 1-ой и 2-ой секции шин, соответственно; 3/0/пв> 3/WHn> З/02 - токи нулевой последовательности, протекающие по поврежденной (3/о/пв) и неповрежденной (3//Wm) цепям ВЛ, питаемых от первой секции шин, а также по цепям ВЛ, примыкающим ко второй секции шин (3

Из табл. 1, в частности, следует, что при изолированной нейтрали сети токи в поврежденной и неповрежденной цепи, находящейся с поврежденной на одной опоре, практически совпадают. При оснащении же нейтралей резисторами токи в поврежденной цепи существенно превышают токи во всех неповрежденных цепях, как расположенных на той же опоре, что и поврежденная, так и на других опорах.

Таким образом, оснащение нейтралей резисторами приведет как к увеличению токов нулевой последовательности в поврежденной цепи (повышение чувствительности зашиты от ОЗНЗ, реагирующей на стационарные токи нулевой последовательности), гак и к обеспечению ее селективности: отношение токов нулевой последовательности в поврежденной и неповрежденной цепях ВЛ, примыкающих к поврежденной секции, увеличилось более, чем в полтора раза. В работе показано, что если увеличение переходного сопротивления в месте замыкания на землю приводит к снижению чувствительности защиты, то на селективность защиты от ОЗНЗ, это увеличение практически не сказывается. Направление токов в поврежденной и неповрежденной цепях при любых значениях R3 остается практически противоположным, что при использовании направленных защит позволит обеспечивать их требуемую чувствительность, ограничиваемую величиной тока небаланса, протекающего через реле в нормальном эксплуатационном режиме.

Таким образом, с точки зрения чувствительности и селективности РЗ от замыканий на землю резистивное заземление нейтрали более предпочтительно, чем режим изолированной нейтрали.

Проведенные исследования показали, что в большинстве случаев надежного функционирования РЗ можно добиться, применяя ненаправленную токовую защиту, реагирующую на стационарные токи нулевой последовательности. Для повышения надежности и обеспечения

9

селективности РЗ, определяемых конкретными условиями функционирования защищаемого объекта, может бьпь применена также и направленная токовая защита.

При совместной эксплуатации цепей ВЛ в схеме нулевой последовательности (разъединитель Р2 и (или) выключатель В на рис. I включены) при ОЗНЗ на какой-либо цепи ВЛ так же, как и при раздельной эксплуатации, должна отключаться только эта поврежденная цепь. Никаких дополнительных требований к РЗ или к энергетическим характеристикам резисторов режим совместной эксплуатации цепей ВЛ при установке резисторов в нейтралях обеих секций, по сравнению с режимом раздельной эксплуатации сетей не привносит. Необходимо подчеркнуть, что если один из трансформаторов выводится в ремонт, то для обеспечения параллельного соединения резисторов Ят разъединитель Р1 или РЗ необходимо отключить, а разъединитель Р2 - включить.

Чувствительность токовых защит от ОЗНЗ существенно зависит от тока небаланса в нормальном режиме, т.е. зависит от типа трансформаторов тока, используемых для выделения нулевой составляющей тока.

Подход к выбору направленной или ненаправленной защиты может измениться как при внедрении оптико—электронных ТТ, так и при проектировании новых сетей с резистивным заземлением нейтрали. В этом случае должны быть предусмотрены такие схемы выделения пулевых составляющих тока, которые будут обеспечивать минимальные токи небаланса.

Для оценки чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю при резистивном заземлении нейтрали целесообразно использовать методику, основанную на определении величины переходного сопротивления в месте замыкания, при котором защита ещё может «чувствовать» ОЗНЗ. В работе предложен способ определения величины этого переходного сопротивления, заключающийся в следующем.

За базисную в конкретном регионе принимается подстанция, к которой примыкает наиболее протяженная сеть. Далее возможны два подхода:

• задаться величиной переходного сопротивления /?зт„„ при которой защита еще реагирует на ОЗНЗ;

• при известном уровне срабатывания устройств сигнализации, реагирующих на появление напряжения нулевой последовательности в режиме изолированной нейтрали сети (IIцС), определяется предельное значение переходного сопротивления в месте ОЗНЗ - Л3„„„.

При таком подходе коэффициент чувствительности защиты определяется как

где Я-узащ - переходное сопротивление, при котором срабатывает защита, установленная на конкретной подстанции в рассматриваемом регионе.

Если к\ ] > Кто защита удовлетворяет необходимым требованиям.

Предложенная методика определения величины переходного сопротивления ч месте замыкания на землю, оценивающая чувствительность зашиты от однофазных замыканий, позволяь. выполнить качественный анализ различных вариантов защиты н выбрать наиболее приемлемый.

Таким образом, с точки зрения функционирования РЗ в воздушной сети с рсзистивным заземлением нейтрали можно сформулировать следующие выводы:

• надежная диагностика поврежденной ВЛ (цепи) в системах с резнстнвным заземлением нейтрали может быть достигнута путем применения ненаправленной токовой защиты;

• в случае необходимости в ряде схем сета надежная диагностика может быть осуществлена с помощью направленной токовой защиты; тип защиты .может быть выбран лишь при проектировании РЗ для конкретной сети, при этом может быть использована разработанная математическая модель для расчетов стационарных режимов в электрических сетях, в том числе, содержащих двухцепные ВЛ;

• для окончательного расчета и настройки устройств РЗ в ряде случаев необходимо проведение специальных полевых опытов для уточнения тех характеристик сети и ее трасс, которые влияют на режимные параметры ОЗНЗ.

Процессы при ОДЗ

Как известно, в воздушных сетях, эксплуатируемых в режиме изолированной нейтрали, весьма вероятно появление высоких кратностей перенапряжений, обусловленных процессами, возникающими при дуговых замыканиях на землю. В этих сетях могут возникнуть многоместные повреждения, при которых изоляция электрооборудования сети перекрывается в различных ее точках, а также возможны случаи перехода ОДЗ в двухфазные КЗ. Перенапряжения, возникающие в воздушных сетях при ОДЗ, приводят, как правило, к перекрытию или пробою дефектной или ослабленной (загрязненной или увлажненной) изоляции. В ряде случаев возникающие перенапряжения вызывают развитие дефектов, что в конечном итоге может привести к существенному снижению электрической прочности изоляции и повысить вероятность ее повреждения.

Обычно наблюдаемые кратности перенапряжений при эскалации ОДЗ не превышают уровня 3.5...4.5£/,|„„. Возникновение перемежающейся заземляющей дуги в месте повреждения наиболее вероятно в начальной стадии развития однофазного дугового замыкания, то есть при временах, не превышающих 0.04 секунды. Следовательно, с помощью существующих средств релейной защиты предотвратить появление опасных перенапряжений невозможно.

При оснащении нейтралей трансформаторов сети ДГР напряжение на нейтрали сети после погасания дуги носит колебательный характер, причем частота колебаний близка к 50 Гц. Поэтому напряжение на аварийной фазе после погасания дуги возрастает медленно и повторное зажигание дуги

оказывается возможным лишь при неточной настройке ДГР (существенная недокомпенсация или перскомпенсация емкостного тока замыкания на землю).

При заземлении нейтралей сети через активные сопротивления после погасания дуги емкости сети разряжаются через резисторы в нейтралях и к моменту возможного повторного замыкания напряжение на аварийной фазе, как правило, не превышает напряжения при первичном зажигании дуги.

Основное внимание в работе было уделено анализу процессов, сопровождающих ОДЗ в сетях, содержащих двухцеиные ВЛ (этот вопрос в технической литературе практически не освещен).

В табл. 2 проиллюстрировано влияние межцепных и междуфазных емкостей на кратности перенапряжений, возникающих при первичном и вторичном зажиганиях дуги в режиме изолированной нейтрали сети.

Таблица 2.

Влияние междуфазных и межцепных емкостей на кратности перенапряжений в процессе ОДЗ на двухцепных ВЛ (нейтраль сети изолирована)

Условия протекания процесса . ип/Щш Сфф - 0 С„и= 0 Сфф^О смц= 0 Сфф- 0 с„„*0 Сфф * о

Первое зажигание дуги. Гашение дуги не происходит ив,1,1 2.04 2.03 2.05 2.04

Ист! 2.58 2.40 2.60 2.42

Ик1т! 1.64 1.61 1.62 1.60

0.22 0.22 0.48 0.48 2.33

Первое и второе зажигания дуги. Гашение происходит при первом прохождении тока в дуге через нулевое значение ив,п! 2.15 2.01 3.47

4.27 3.32 3.02 2.95

ис„„ 3.16 2.98 3.22 3.25

' 5.1! . ■•■'. •4.04 .. •• '3.75 .-."•

иЮя, 1.95 1.90 1.94 3.41

ит,„2 3.80 3.24 2.67 2.58

Иц2,„1 0.22 0.22 0.48 0.48

иыъп1 0.07 0.07 0.83 0.83

Примечание. Цифры 1 и 2 в индексной части переменных отвечают максимумам напряжений на фазах при первом и втором зажиганиях дуги, соответственно.

В табл. 2 выделена строка, отвечающим максимальным перенапряжениям на одной из неповрежденных фаз при вторичном зажигании дуги. Из этой таблицы видно, что при учете межцепных емкостей максимумы перенапряжений уменьшаются на 8%, при учете междуфазных емкостей - на ~28%, при учете межцепных и междуфазных емкостей - на ~36%. Следовательно, для достоверног о моделирования процессов при ОДЗ в воздушных сетях, содержащих двухцепные ВЛ необходимо учитывать как межцепные, так и междуфазные емкости.

Интересно отметить, что кратности перенапряжений при первом зажигании дуги оказались меньше кратностей при ее погасании. Это обстоятельство связано с тем, что замыкание на землю моделировалось в конце двухцепной ВЛ длиной 32 км (а не на шинах ОРУ 35 кВ, как часто

принимается при исследовании процессов, сопровождающих ОДЗ, то есть учитывались волновые процессы на участке цепи шины-место замыкания на землю).

Вычислительные осциллограммы, иллюстрирующие это обстоятельство, приведены на рис. 3.

С006 0008 С 01 001?

С 004 0 000 0 006 001 О 012

(а)

(б)

Рис. 3. Напряжения на шинах (а) и в месте ОДЗ: в конце двухцепной ВЛ

длиной 32 км (б)

В табл. 3 приведены результаты сравнительных расчетов напряжений на шинах и в месте замыкания на землю.

Таблица 3.

Напряжения на шинах ОРУ 35 кВ и в конце ВЛ длиной 32 км (в точке ОДЗ);

(и„/щт)

Точка наблюдения УЛт1 иАя! и в« ,1 ицт2 ис„„ ист!

Шины 2.59' 1.61 2.59 2.84 2.74 3.28 1.90 2.58

Место ОДЗ ЯхШ 1.00 1.94 2.95 3.25 ; 3>75 1.90 2.58

Из таблицы видно, что максимумы напряжения на шинах при ОДЗ в конце ВЛ меньше, чем в точке ОДЗ. Следовательно, при мониторинге перенапряжений регистраторы, установленные на шинах, регистрируют меньшие значения перенапряжений, чем в месте ОДЗ.

Требования к резисторам

Величина верхнего предела сопротивления резистора в нейтрали определяется условиями ограничения перенапряжений при ОДЗ: /?„< 1 /3 аСФ( 1 +2?/), пНСщ/Сф).

Нижний предел сопротивления резистора необходимо выбирать таким образом, чтобы селективно срабатывала токовая ненаправленная защита.

1сз 1~Кзлп{1с+1нб), &т1=Д1нк,1с),

где КЗАП - коэффициент запаса, включающий в себя коэффициент надежности и коэффициент возврата применяемого в защите реле;

/с - установившийся емкосшый ток 03113 защищаемого присоединения;

////; - установившийся первичный ток небаланса, определяемый максимальным рабочим током.

Таким образом, величину сопротивления резистора в воздушных распределительных сетях целесообразно выбирать в диапазоне: fil ni,. ¡с) S Ял < 1 /3 oCd 1 +2;/), ц - (Смц/Сф). Расчеты энергии, поглощаемой резисторами в стационарном режиме ОЗНЗ и в процессе, сопровождающел! ОДЗ, показали, что определяющим для выбора энергетических характеристик резистора является стационарный режим ОЗНЗ.

Мощности и энергия, поглощаемые резистором в процессе ОЗНЗ, при изменении емкости трех фаз сети в диапазоне 0.02...0.12 мкФ составляют:

• на напряжении 6 кВ - 0.1-0.5 кВт и 0.2-1.5 кДж;

• на напряжении 10 кВ - 0.2-1.2 кВт и 0.6-3.5 кДж;

• на напряжении 35 кВ - 6-100 кВт и 20-305 кДж.

В процессе ОДЗ часто повреждаются трансформаторы напряжения для контроля изоляции (ТНКИ), за счет возникающих при гашении дуги феррорезонансных колебаний, обусловленных насыщением магнитепроводов ТНКИ при значительных повышениях напряжения на нем. Феррорезонансные колебания зачастую сопровождаются появлением токов в обмотках высокого напряжения ТН, значительно превышающих допустимые по их тепловой устойчивости. Так, для НТМИ-6 и НТМИ-iO опасными являются длительные токи, превышающие 0.2...0.3 Л; допустимый ток для 3HOM-35 составляет -0.13 А.

В табл. 4 и 5 приведены результаты расчетов феррорезонаисных явлений для одноцепных BJI 6-10 кВ.

Таблица 4.

Максимальные токи в обмотке высшего напряжения ТН типа НТМИ в сетях 6... 10 кВ; в А; изолированная и резистивно-заземденмал нейтраль

1вл, 1кл С-у-ЗСф, Rn —>оо Rn ->сс Rn^l/аСэ RN->l/aC0

км км мкФ г„т,г.->250м гтпеу,,->250м

8 0.1 0.1 1.51 , 0.25 0.33 0.04

24 0.3 0.3 . 2.86 1.62 0.51 0.20

40 0.5 0.5 3.66 2.60 0.58 0.32

80 1.0 1.0 4.28 3.93 0.66 0.46

240 3.0 3.0 5.07 4.78 0.96 0.85

400 5.0 5.0 5.29 5.18 1.11 1.01

800 10.0 10.0 6.73 "1 6.62 1.25 1.17

2400 30.0 30.0 8.03 7.96 1.37 1.30

Примечание. Выделены расчетные случаи, отвечающие устойчивому феррорезонансу.

Таблица 5.

Максимальные токи в обмогке высшею напря:кення II) в сетях 6... К) кВ в Л; ней фал ь зачем л сна через ДГР (А.- 1)

~ол5 ; 1 ""[ 1.5 I

1.1! "У" !188 __0^43_____

_____2:0]_____Т 2.0 5 ______0.83________"__|

5 видно, что устойчивый феррорезонанс наблюдается только в режиме изолированной нейтрали, если к шинам примыкает воздушная сеть 6-10 кВ протяженностью не более 25 км, пли кабельная -протяженностью не более 300 м. Условия существования фсррорезонапспых колебаний расстраиваются при включении в рассечку открытого треугольника ТИКИ сопротивления порядка 25 Ом.

Таким образом, при оснащении нейтрален силовых трансформаторов понижающих подстанций воздушных сетей 6...35 кВ высокоомными резисторами, величина сопротивления которых выбрана исходя из требования разряда емкости сети за время порядка 0.01 с (/{/■,■< 1 /3аХ7ф(1 +2г/)), опасных установившихся фсррорезонапспых явлений, в том числе приводящих к нарушению теплового баланса ТН, не наблюдается. Перенапряжения не превзойдут уровня, отвечающего уровню при первом зажигании дуги, то есть ~2.5Щ,„. Увеличение эквивалентной фазной емкости в сетях, содержащих, в основном, двухцепные линии, является с точки зрения опасности феррсрезонансных явлений, благоприятным фактором.

При оснащении нейтралей этих сетей резисторами токи в обмотке ВН ТН в течение «переходного» феррорезонаиса не превышают 0.3-3 Л.

Во второй главе анализируется эффективность резистивпого заземления нейтралей в кабельных городских электрических сетях и в сетях собственных нужд электрических станций.

Систематизированный анализ аварийности кабельных сетей позволил отметить следующие основные причини их ненадежной эксплуатации:

• уровни изоляции кабелей и промежуточных муфт в настоящее время ниже нормированных, так как срок их службы превышает гарантированный (25...30 лет). Это в значительной степени связано как с естественным старением изоляции, так и с большим количеством муфт, существенно превышающим их число, нормируемое при сооружении кабельной сети;

• отсутствие согласованного взаимодействия между персоналами городских и центральных кабельных сетей при настройке дугогасящих реакторов;

• снижение эксплуатационным персоналом нормированного испытательного напряжения при профилактических испытаниях кабелей или отказ от таких испытаний, обусловленные изношенностью кабельной сети;

С') ./( о, мкФ 0.1 10

Из табл. 4 и

• недостаточная оснащенность кабельных сетей средствами надежной диагностики повреждений и мониторингом эксплуатационного состояния сети;

• постепенное разрушение защитных покрытий КЛ и нарушение коррозионной стойкости металлической оболочки и брони кабелей, приводящие к появлению в изоляции кабелей водных трииигов и постепенному выходу ее из строя; недостаточность использования мероприятий по борьбе с коррозией;

Эксплуатация кабельных сетей б кВ при оснащении их нейтралей дугогасящими реакторами может быть оправдана лишь при автоматическом регулировании степени компенсации емкостного тока ОЗНЗ. При отсутствии такого регулирования неминуемо будет наблюдаться высокая аварийность кабельных сетей в основном из-за многоместных повреждений при ОДЗ.

Оснащение нейтрали сети резисторами позволяет ограничить перенапряжения лри ОДЗ до уровня, отвечающего первичному зажиганию дуги (=2.3-2.5 С/фго).

Для кабельных сетей не характерно возникновение устойчивых опасных феррорезонансных колебаний. Повышенные токи в первичной обмотке трансформаторов типов НТМИ, ЗНОМ или ЗНОЛ возникают в стационарном режиме только при емкости сети Сэф=0.1-0.4 мкФ (/каб=0. 1-0.5 км). При больших протяженностях сети наблюдается так называемый переходный феррорезонанс. При этом с увеличением емкости сети токи в обмотке ВН ТН увеличиваются (табл. 6).

Таблица 6.

Токи в обмотке высокого напряжения ТН в А

Ядтн> Ом С„ мкФ

0.1 2 4.7 30

оо 00 1.5 4.8 5.3 8.0

25 0.001 4.0 5.0 8.0

Длг=1/3 соСэ ОО 0.33 0.8 1.05 1.36

1^=1/3 о?Сэ к,=1 ОО 0.69 1.7 1.9 2.05

25 0.004 1.05 1.45 1.89

Из таблицы видно, что при Сэ>2 мкФ сопротивление в разомкнутом треугольнике ТН, равное 25 Ом, практически не влияет на-уровень токов в обмотке ВН. «Срыв» установившегося феррорезонанса в случае разомкнутого треугольника ТН происходит при суммарной емкости сети, примерно равной 0.4 мкФ. Это отвечает протяженности кабельной сети порядка 500 м. Сопротивление 25 Ом расстраивает условия возникновения феррорезонансных колебаний в установившемся режиме и в этом случае.

Переходный феррорезонанс наблюдается при всех емкостях сети, причем, пик тока в обмотке ВН ТН возрастает с увеличением емкости (при протяженности сети порядка 60 км пик тока в обмотке ВН ТН достигает величины порядка 8 А). Оснащение нейтрали сети резистором приводит к

уменьшению этих токов примерно в 5 раз до значений 0.3-1.5 А, при длительности импульсов тока, не превышающей 0.0! с.

При оснащении сетей антирезонансными трансформаторами напряжения типа НАМИ феррорезонансные процессы, обусловленные насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения, могут не учитываться при выборе характеристик резисторов r нейтрали сети.

Сети собственных нужд (CCII) б кВ ТЭЦ отличаются от распределительных городских сетей существенно меньшей протяженностью и, следовательно, меньшими токами замыкания на землю(2...5)А. В 1986 «Атомтеплоэлектропроект» выпустил директивное указание об эксплуатации всех блочных ТЭС и АЭС с частично заземленной через низкоомные резисторы нейтралью. Величина резистора предусматривается равной 100 Ом. Защита от ОЗНЗ базируется на токовых реле типа РТЗ-51 и действует на отключение поврежденного присоединения.

Это указание, однако, не касается ТЭЦ и ГЭС. Поэтому, как правило, эта сети эксплуатируются в режиме изолированной нейтрали. Трансформатор собственных нужд содержит две обмотки низшего напряжения, соединенные в треугольник, т.е. не имеет выделенной нулевой точки на стороне секций CH. Следовательно, для оснащения нейтрали ССН резисторами необходимо какое-либо дополнительное устройство, создающее нейтральную точку. Этим устройством может быть специальный трансформатор или какой-либо фильтр, конструкция которого должна обеспечивать относительно малую величину индуктивности нулевой последовательности (L0<2.5 Гн).

На рис. 4 приведены процессы на нейтрали после погасания дуги при Сфэ=1 мкФ и трех значениях индуктивности, для которых при JiN< 1 /3аСо процесс является апериодическим.

Р 1

Q8 £ 0,6 Q4 Q2 0

0 QCCE Q0M 0,006 QC0B 0,01 t,C

Рис. 4. Напряжения на нейтрали сети после погасания дуги при установке на секциях устройства для создания нейтральной точки сети

Приведенным требованиям удовлетворяют, в частности, фильтры типа ФМЗО 10 кВ мощностью 32 и 63 кВА, изготавливаемые в настоящее время в АО «Энергия» (г. Раменское Московской области).

Требования к резисторам

Верхний предел величины сопротивления резистора в нейтрали зависит от протяженности кабельной сети и выбирается, исходя из требования практического исключения повторных зажиганий дуги при ОДЗ. Нижний предел величины сопрошвления резистора необходимо выбирать таким образом, чтобы при ОЗНЗ не срабатывала защита от междуфазных замыканий.

Следовательно, величину сопротивления резистора в кабельных сетях целесообразно выбирать в диапазоне:

Мез,и*) <Ям< 1/(3...5)соСф.

Мощность и энергия, поглощаемые резистором в процессе ОЗНЗ при изменении эквивалентной емкости сети в диапазоне 0.1...30 мкФ, составляют:

• на напряжении 6 кВ - 0.35-110 кВт и 1.1-325 кДж;

• на напряжении 10 кВ - 1-300 кВт и 3-900 кДж.

В случае установки резистора в нейтрали сети собственных нужд электрических станций облегчаются требования к энергетическим характеристикам ОПН и резисторов в Л С-цепочках, устанавливаемых на присоединениях для защиты изоляции двигателей от перенапряжений. Энергия, поглощаемая в варисторах ОПН, устанавливаемых на присоединениях, при оснащении нейтрали сети резистором уменьшается примерно в 2 раза.

Из-за относительно высоких уровней токов, протекающих по КЛ в режиме ОЗНЗ даже в случае изолированной нейтрали сети, резистивное заземление нейтралей этих сетей не привносит дополнительных требований к релейной защите, реагирующей па стационарные токи нулевой последовательности.

В третьей главе приведены результаты исследования эффективности резистивного заземления нейтрали в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций.

На основе вероятностной оценки перенапряжений, возникающих на неповрежденных фазах при первичном и повторном зажиганиях дуги при изолированной и резистивно-заземленпой нейтрали генератора установлено, что опасные для статорной изоляции блоков перенапряжения в процессе, сопровождающем ОДЗ, возникают лишь при эксплуатации блока с изолированной нейтралью. При повторном зажигании дуги в таких сетях кратность перенапряжений, вероятность превышения которых равна 0.05, составляет величину порядка (3...3.2)[/фП1(допустимые кратности перенапряжений для статорной изоляции генераторов составляют

(2.6...2.9)^,,,).

Показано, что при математическом моделировании процессов при ОДЗ можно не учитывать потери в меди обмоток генератора и трансформатора, а также потери в магнитопроводе трансформатора (5<1.5%). Потери в стали генератора сказываются на затухании высокочастотной составляющей процесса при зажиганиях дуги, что приводит к снижению максимума перенапряжений на 6.. .7%.

Функции распределения кратностей перенапряжений при ОДЗ приведены на рис. 5.

I

0.8 0.6 0,4

0,2 о

2\ /

У

)

1111 1 ' 1 1

2,15

2,35

2,55

2,75

2,95

3,15

Рис. 5. Функции распределения кратностей перенапряжений в процессе ОДЗ при изолированной (кривая 1) и резистивно-заземленной (кривая 2) нейтрали

генератора

Установка резистора в нейтрали, величина сопротивления которого определяется как К^<!/(3 ...5)соСк1!, (кц>1), практически исключает возможность появления многоместных повреждений изоляции при ОДЗ, так как перенапряжения при возможных повторных зажиганиях дуги не превышают уровня при первом зажигании дуги порядка 2.4(/фт, не опасного для статорной изоляции генератора (кривая 2 на рис. 5).

Оснащение нейтрали резистором облегчает также требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на стороне низшего напряжения силового трансформатора блока.

В табл. 7 приведены максимальные перенапряжения и энергия, поглощаемая резистором и ОПН при различных системах защиты блока от перенапряжений.

Таблица 7.

Кратности перенапряжений и энергия, поглощаемая в ОПН и резисторе

Устройство защиты ^ тах^ ^ф тих ИЧИч), кДж »'(ОПН), кДж

ОПН 2.62 0 0.74

Резистор 2.21 1.09 0

ОПН и резистор 2.2 1.07 0.33

Из таблицы видно, что в случае защиты блока с помощью ОПН при отсутствии резистора в нейтрали энергия, поглощаемая в варисторах ОПН при одном повторном зажигании дуги составляет 0.74 кДж. Если принять с запасом, что повторные зажигания будут наблюдаться в течение времени срабатывания быстродействующей защиты блока (порядка 0.5 с), то суммарная поглощаемая энергия составит 0.74-50=37 кДж. Удельная поглощаемая энергия при этом будет 37/15.75=2.35 кДж/кВ(Ус (11с -длительно допустимое напряжение на аппарате). В случае же оснащения нейтрали генераторов резистором энергия, поглощаемая в варисторах ОПН, уменьшается примерно в 2.5 раза.

Энергия, поглощаемая резистором в процессе ОДЗ, составляет ~1 кДж, максимальные перенапряжения на неповрежденной фазе снижаются (по сравнению с защитой блока генератор-трансформатор с помощью ОПН) в -1.2 раза.

Таким образом, оснащение нейтрали резистором приводит к существенному облегчению требований к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на стороне низшего напряжения силового трансформатора блока. При изолированной нейтрали варисторы ОПН должны быть рассчитаны на поглощение энергии при длительном процессе повторных зажиганий дуги при ОДЗ. При установке в нейтрали генератора резистора определяющими при выборе энергетических характеристик ОПН будут служить кратковременные перенапряжения относительно небольшой кратности, возникающие при коммутациях генераторными выключателями блока, а также в случае связи трансформаторов блока с ОРУ с помощью воздушной перемычки - грозовые перенапряжения.

Энергия, поглощаемая резистором, включенным в нейтраль генератора, в процессе ОДЗ, при изменении эквивалентной емкости сети генераторного напряжения в пределах 0.2...1.6 мкФ (/?Л-=5300...665 Ом) лежит в диапазоне 1.5- 17кДж.

Мощность и энергия, поглощаемые резистором в процессе ОЗНЗ при изменении эквивалентной емкости блока генератор-трансформатор в диапазоне 0.2-1.6 мкФ, составляет: 5—40 кВт и 15-120 кДж.

Оснащение нейтрали генераторов резисторами не требует коренной перестройки релейной защиты, реагирующей на появление в открытом треугольнике ТНКИ напряжения 3 и0. Поскольку токи ОЗНЗ при резистивном заземлении нейтрали увеличиваются, то эта защита должна, как правило, срабатывать на отключение блока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По результатам проведенных исследований могут быть сделаны выводы как методического характера, так и но существу рассматриваемой проблемы - эффективности резистивного заземления нейтрали в электрических сетях средних классов напряжения различного конструктивного исполнения и назначения.

К основным методическим результатам можно отнести следующие:

1. Разработанные математические модели позволяют исследовать стационарные режимы и переходные процессы в сетях средних классов напряжения при однофазном замыкании на землю и при нелолнофазных режимах, при учете несимметрии параметров сети по фазам и переходного сопротивления на землю в месте ОЗНЗ. Все указанные режимы и процессы могут быть исследованы при любом способе заземления нейтрали: изолированной, заземленной через ДГР или через резистор, в сетях, содержащих как воздушные (одноцепные и двухцепные), так и кабельные линии.

2. Погрешности при определении параметров стационарного режима ОЗНЗ, обусловленные усреднением частичных емкостей сети не превышают -7%, что позволяет пользоваться при проведении соответствующих расчетов упрощенными расчетными схемами.

3. Межцепные емкости в двухцепных /111 35 кВ приводят к уменьшению максимумов перенапряжений при ОДЗ примерно'на 8%; междуфазные -на -28%. При одновременном учете межцепных и междуфазных емкостей максимумы перенапряжений при ОДЗ уменьшаются примерно на 36%. Следовательно, для достоверного моделирования процессов при ОДЗ, в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, необходимо учитывать не только междуфазные но и межцепные емкости.

4. Определяющими при оценке перенапряжений, возникающих в процессе ОДЗ являются ОДЗ не на шинах, а в конце достаточно протяженных участков линий. При этом максимальные перенапряжения в месте ОДЗ, за счет волновых процессов в линиях, возникают не при зажиганиях, а при погасаниях дуги.

5. При математическом моделировании процессов при ОДЗ в сетях генераторного напряжения можно не учитывать потери в меди обмоток генератора и трансформатора, а также потери в стали магнитопровода трансформатора (погрешность при неучете этих потерь не превышает -1.5%). Потери в стали генератора сказываются на затухании высокочастотной составляющей процесса при зажиганиях дуги, что приводит к снижению максимумов перенапряжений ~ на 6...7%.

Практические результаты можно сформулировать следующим

образом:

1. При значительной доле в воздушных сетях двухцепных В Л при реальных значениях напряжения несимметрии не удается настроить ДГР таким образом, чтобы одновременно избежать резонансных условий в нормальном эксплуатационном режиме и режиме однофазного замыкания на землю. Поэтому эксплуатация ДГР в таких сетях может привести к их повышенной аварийности.

В кабельных сетях, оснащенных ДГР, надежная их эксплуатация может быть достигнута лишь при автоматическом регулировании степени компенсации емкостного тока ОЗНЗ. При отсутствии такого регулирования будет наблюдаться высокая аварийность сетей в основном из-за многоместных повреждений при однофазных дуговых замыканиях на землю.

2. Величина верхнего предела сопротивления резистора в нейтрали сетей средних классов напряжения определяется условиями ограничения перенапряжений при ОДЗ и составляет- соСф(\+21]), ц =Смц/Сф.

Нижний предел сопротивления резистора в нейтрали необходимо

выбирать:

- в воздушных сетях - исходя из условия селективного срабатывания ненаправленной токовой защиты (соотношением между максимальным рабочим током и током небаланса в трансформаторах тока). Такой подход гарантирует отстройку от ложных срабатываний защиты;

- в кабельных сетях и в сетях генераторного напряжения электрических стсищий - исходя из условия отстройки защиты от междуфазных замыканий.

3. Диапазоны сопротивлений резисторов, отвечающих условиям пункта 2, составляют:

- в воздушных сетях 6-35 кВ, содержащих одноцепные ВЛ, протяженностью /=5...100 км, Лл=5500...2000 Ом;

- в воздушных сетях 6-35 кВ, содержащих, в основном, двухцепные ВЛ, при протяженности одной цепи /=5. ..100 км, /^-=4000... 1400 Ом;

- в кабельных сетях 6-10 кВ протяженностью /=0.3...100 км, ЛЛ>-33000...30 Ом;

- в сетях генераторного, напряжения электрических станций при изменении эквивалентной емкости сети в пределах СЭф=0.2...1.6 мкФ, Лл^5300...665 Ом.

Энергия и мощность, поглощаемые резистором в течение действия релейной защиты от ОЗНЗ составляют:

- в воздушных сетях - 0.1-100 кВт и 0.2-305 кДж (/»3 с);

- в кабельных сетях - 0.35-300 кВт и 1.1-900 кДж (г^З с);

- в сетях генераторного напряжения электрических станций - 5—40 кВт и 2.5-20 кДж (/«0.5 с).

4. В случае установки резистора в нейтрали сети собственных нужд электрических сташ/ий облегчаются требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемых на присоединениях для защиты изоляции двигателей от перенапряжений и к сопротивлениям Л С-цепочек. Энергия, поглощаемая в варисторах ОПН, устанавливаемых на присоединениях уменьшается примерно в 2 раза.

5. Оснащение нейтрали сети генераторного напряжения блоков электрических станций резистором облегчает требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на стороне низшего напряжения силового трансформатора блока. При этом,

определяющими энергетическими воздействиями на ОГ1Н будут служить кратковременные перенапряжения относительно небольшой кратности, возникающие при коммутациях блока генераторными выключателями, а также в случае связи блока с ОРУ с помощью воздушных перемычек -грозовые перенапряжения.

Оба эти воздействия характеризуются малым энергетическим потенциалом по сравнению с длительными воздействиями на ОПН при ОДЗ в режиме изолированной нейтрали генератора блока.

6. Резистивное заземление нейтрали позволяет избежать опасных феррорезонансных явлений, возникающих в сетях небольшой протяженности при их оснащении трансформаторами напряжения типов ЗНОМ, 3HOJ1, НТМИ. Установившихся феррорезонансных колебаний в этом случае не наблюдается. Переходный феррорезонанс характеризуется относительно небольшими токами в обмотке ВН ТН типов ЗНОМ, ЗНОЛ, НТМИ - ~0.3...1.5 А при длительности импульсов, не превышающих 0.01с.

7. В воздушных сетях при оснащении нейтрали сети резисторами понижается чувствительность защит от ОЗНЗ, основанных на регистрации напряжения нейтрали. Поэтому более предпочтительными являются защиты, реагирующие на стационарные токи нулевой последовательности. Диагностика BJJ (цепи), на которой произошло ОЗНЗ, может быть осуществлена с помощью защиты, реагирующей на ток нулевой последовательности, протекающей по поврежденной ВЛ (цепи). Для достижения необходимой селективности в ряде схем сетей защиту целесообразно выполнять направленной. Отношение токов, протекающих по поврежденной ВЛ (цепи) и неповрежденной ВЛ (цепи) составляет 3.5...15.

Существенное влияние на надежность диагностики поврежденной ВЛ (цепи) оказывает переходное сопротивление в месте замыкания на землю. Поэтому при разработке и настройке защит от ОЗНЗ в сетях с резистивным заземлением нейтрали необходимо учитывать величины переходных сопротивлений в месте замыканий на землю, характерные для региона расположения сети. В случае двухцепных ВЛ в области значений переходного сопротивления Rs в которой удается достаточно надежно распознать наличие ОЗНЗ, ориентируясь на напряжение нейтрали, напряжение на нейтрали поврежденной секции более, чем вдвое превышает соответствующее напряжение на неповрежденной секции.

8. Предложенная методика определения величины переходного сопротивления в месте замыкания на землю, оценивающая чувствительность защиты от однофазных замыканий на землю, позволяет выполнить качественный анализ различных вариантов защиты и выбрать наиболее приемлемый.

9. Наиболее слабым звеном при достижении необходимой чувствительности защиты от ОЗНЗ в воздушных сетях является фильтр нулевой последовательности в случае, если этот фильтр организован на основе

трансформаторов тока электромагнитного типа и характеризуется высокими значениями тока небаланса в нормальном эксплуатационном режиме. Повышения чувствительности, можно добиться либо путем монтажа кабельных вставок, либо путем применения оптико-электронных трансформаторов тока. 10. Резистивное заземление нейтрали в кабельных сетях и сетях генераторного напряжения электрических станций не привносит дополнительных требований к организации их релейной защиты от замыканий на землю и не требует ее коренной перестройки. Как и в настоящее время в кабельных сетях защита может быть организована на основе регистрации стационарных токов нулевой последовательности, а в сетях генераторного напряжения - на регистрации напряжения 3L'q. В связи с увеличением тока замыкания на землю при оснащении сетей резисторами целесообразно действие защиты на отключение поврежденного фидера или генератора.

Общее заключение по работе

Заземление нейтрали сетей средних классов напряжения через резисторы при правильном выборе их характеристик и средств релейной защиты и автоматики обеспечивает надежную эксплуатацию изоляции оборудования сетей и локализацию однофазных замыканий на землю с последующим отключением поврежденного фидера. При внедрении резистивного заземления нейтрали повышается надежность и электробезопасность эксплуатации сетей, и практически исключаются не обеспеченные защитным заземлением двойные замыкания на землю.

Вместе с тем, высокоолшое резистивное заземление нейтралей сетей средних классов напряжения, при правильном выборе характеристик резисторов и средств релейной защиты и автоматики, позволяет сохранить все преимущества сетей с изолированной нейтралью, обусловленные относительно малыми значениями токов замыкания на землю.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ

1. Виштибеев A.B. Влияние величины переходного сопротивления в месте ОЗНЗ на режимные параметры. - Сб. научн. тр. НГТУ. - Новосибирск, № 4(9), 1997.-С. 89-97.

2. Виштибеев A.B., Кадомская К.П. Методика расчета режимов эксплуатации сетей средних классов напряжения, содержащих двухцепные линии, при учете несимметрии емкости сети. - Сб. научн. тр. НГТУ,-Новосибирск,№ 1(10), 1998.-С. 37-46.

3. Виштибеев A.B., Кадомская К.П., Максимов Б.К. Влияние резистивного заземления нейтрали на параметры режима замыкания на землю в сетях 35

kB, содержащих двухцениые линии электропередачи // Электрические станции, № 3, 1999. - С. 49-53.

4. Виштибеев A.B. Феррорезонансные процессы в кабельных электрических сетях. - Сб. научи, тр. НГТУ. - Новосибирск, № 1(14), 1999. - С. 81-88.

5. А/ехеу V. Wishtibeev, Kira P. Kadomskaja On Resistive Grounding of the Neutral in the Networks from 6 to 35 kV // Proceedings The Third Russian-Korean International Symposium of Science and Technology KORUS'99. -1999.-Vol. 2.-P. 738-740.

6. Виштибеев A.B., Кадомская К.П., Челазнов A.A. Повышение надежности эксплуатации электрических сетей при резистивном заземлении нейтрали. Часть I. - Сб. научн. тр. НГТУ. - Новосибирск, №3(16), 1999.-С. 81-85.

7. Виштибеев A.B., Кадомская К.П., Челазнов A.A. Повышение надежности эксплуатации электрических сетей при резистивном заземлении нейтрали. Часть II. - Сб. научн. тр. НГТУ. - Новосибирск, №4(17), 1999.-С. 95-100.

8. Виштибеев A.B. Влияние способа заземления нейтрали генераторов на внутренние перенапряжения. - Сб. научн. тр. НГТУ. - Новосибирск, № 3(16), 1999.-С. 104-110.

9. Виштибеев A.B. О резистивном заземлении нейтрали в кабельных сетях 6 кВ. - Сб. научн. тр. НГТУ. - Новосибирск, № 1(18), 200. - С. 105-112.

10. Повышение надежности эксплуатации распределительных и генераторных сетей 6-35 кВ // Отчет о НИР (заключительный) Научн. руков. К.П. Кадомская, ответ, исп. А.В.Виштибеев, Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 1997, № гос. per. 01.9.80 001711, Инв. № 02.9.80 001107.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

НЕЙТРАЛИ В ВОЗДУШНЫХ СЕТЯХ.

1.1. Постановка исследований.

1.2. Математическая модель сети среднего класса напряжения, содержащей двухцепные воздушные линии, при учете несимметрии емкостей сети по фазам.

1.2.1. Типовая структура сети.

1.2.2. Математическая модель стационарных режимов эксплуатации сети, содержащей двухцепные ВЛ.

1.3. Некоторые методические вопросы.

1.3.1. Влияние несимметрии емкостных параметров ВЛ на режимные параметры.

1.3.2. Влияние переходного сопротивления в месте замыкания на токораспределение.

1.3.3. Неполнофазные режимы в сеты с изолированной нейтралью и нейтралью, оснащенной резисторами.

1.4. Дуговые и феррорезонансные процессы в воздушных сетях.

1.4.1. Дуговые перенапряжения.

1.4.2. Феррорезонансные перенапряжения.

1.5. Требования к величине сопротивления резисторов.

1.6. Энергетические характеристики резисторов.

1.7. Некоторые соображения по принципам построения релейной защиты сетей, содержащих одноцепные и двухцепные ВЛ при резистивном заземлении нейтрали.

1.8. Методика оценки чувствительности защит от ОЗНЗ.

1.9. Выводы по первому разделу.

2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

НЕЙТРАЛИ В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ.

2.1. Постановка исследований.

2.2. Электрическая прочность оборудования сетей 6, 10 кВ.

2.3. Характерные параметры оборудования кабельных сетей 6, 10 кВ.

2.4. Особенности дуговых замыканий в кабельных сетях и защита от них.

2.4.1. Постановка задачи. Процессы при ОДЗ.

2.4.2. Процессы при ОДЗ в сетях собственных нужд электрических станций.

2.4.2.1. Математическая модель процессов при ОДЗ в сетях собственных нужд электрических станций.

2.4.2.2. Перенапряжения при изолированной нейтрали сети собственных 118 нужд электрических станций.

2.4.2.3. Ограничение перенапряжений в сетях собственных нужд электрических станций с помощью ОПН.

2.4.2.4. Ограничение перенапряжений в сетях собственных нужд электрических станций при оснащении нейтралей сети резисторами.

2.5. Феррорезонансные процессы в кабельных сетях.

2.5.1. Математическая модель процессов.

2.5.2. Феррорезонансные явления в кабельных сетях с изолированной нейтралью.

2.5.3. Феррорезонансные процессы в сетях, оснащенных ДГР.

2.5.4. Феррорезонансные процессы при оснащении нейтрали сети резисторами.

2.5.5. Феррорезонансные процессы при оснащении сетей антирезонансными трансформаторами напряжения типа НАМИ.

2.6. Требования к характеристикам резисторов в нейтралях кабельных сетей.

2.6.1. Требования к величине сопротивления резисторов.

2.6.2. Требования к энергетическим характеристикам резисторов.

2.7. Об организации релейной защиты в кабельных етях.

2.8. Выводы по второму разделу

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗИСТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ ГЕНЕРАТОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

БЛОКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ.

3.1. Заземление нейтрали генераторов блоков и уровни изоляции электрооборудования.

3.2. Схемы эксплуатации блоков электрических станций и их параметры.

3.3. Перенапряжения, возникающие в процессе ОДЗ.

3.3.1. Математическая модель исследуемых процессов.

3.3.2. Некоторые методические вопросы.

3.3.3 Исследование перенапряжений в схеме с изолированной нейтралью генератора при повторном зажигании дуги.

3.3.4. Исследование перенапряжений в схеме с резистивным заземлением нейтрали.

3.4. Исследования перенапряжений при установке ОПН.

3.5. Энергетические характеристики резисторов.

3.5.1. Оценка энергии, поглощаемой резистором в процессе ОДЗ.

3.5.2. Оценка энергии, поглощаемой резистором в процессе ОЗНЗ.

3.6. Выводы по третьему разделу.

Сети средних классов напряжения занимают ведущее место в электроэнергетике любой страны. От надежной эксплуатации этих сетей зависит бесперебойная работа промышленности, аграрного комплекса и, наконец, нормальная организация быта населения.

В настоящее время в России общая протяженность этих сетей превышает 4 млн км, а количество трансформаторных подстанций в них -около миллиона [1, 2]. Сети средних классов напряжения, в основном, эксплуатируются с изолированной нейтралью, или с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР).

К основным недостаткам таких режимов эксплуатации сетей можно отнести:

1. Значительные кратности внутренних перенапряжений и высокая вероятность возникновения двойных замыканий на землю и повреждений электротехнического оборудования.

2. Невысокая эффективность компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю.

3. Недостаточная безопасность эксплуатации сети, не удовлетворяющая современным требованиям (возможность длительного существования опасных напряжений прикосновения (до 2 часов), возникновения однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ) через железобетонные опоры со спекшимся грунтом у основания, возможность перекрытия изоляции коммутационных устройств при оперативных переключениях, обрывах и падениях проводов воздушных линий).

4. Неудовлетворительные селективность и помехоустойчивость устройств релейной защиты и автоматики, их недостаточные чувствительность и быстродействие. В большинстве сетей поиск повреждений присоединений осуществляется путем их поочередного отключения, или, в лучшем случае, путем использования устройств сигнализации ОЗНЗ типа УСЗ-З. Однако, последние не применимы при кратковременных ОЗНЗ и однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу (ОДЗ). Применяемые в некоторых сетях с компенсацией емкостных токов 6-10 кВ устройства сигнализации, установленные на отдельных присоединениях, далеко не всегда срабатывают и, следовательно, мало влияют на повышение эксплуатационной надежности рассматриваемых сетей.

Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью может быть серьезной аварией, которая в большинстве случаев (до 80%) [3, 4] развивается в многофазные короткие замыкания и в необеспеченные защитным заземлением, двойные замыкания. Доля ОЗНЗ от всех видов повреждений составляет от 30 до 80 % (не фиксируемые устройством контроля изоляции отключаемые повреждения - это, в своем большинстве, -аварии, развившиеся из однофазных замыканий на землю [3, 4, 5]). Отметим, что эксплуатационный персонал не проводит тщательного анализа причин повреждений. Поэтому приведенную выше долю ОЗНЗ можно считать заниженной.

Вместе с тем повышение надежности эксплуатации сети без сомнения связано с более четким распознаванием причин аварий.

ОЗНЗ являются причиной существенных перенапряжений в сетях 6-35 кВ. Статистика аварий от внутренних перенапряжений подробно проанализирована в [1, 2, 6]. Эти данные позволяют сделать следующие выводы:

• в сетях с изолированной нейтралью без компенсации емкостных токов при ОЗНЗ существует большая вероятность возникновения перемежающейся дуги. По некоторым данным, около 60% всех замыканий на землю в этих электрических сетях носит именно такой характер [7]; в сетях с преобладанием воздушных линий (ВЛ) доля отключений из-за прехода ОЗНЗ в междуфазное замыкание не превышает 5%. В кабельных же сетях они имеет преобладающий характер и достигают 60%. Двойное замыкание на землю чаще встречается в сетях с малыми токами ОЗНЗ (510 А), что свидетельствует о высоких кратностях перенапряжений, возникающих при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ). С ростом тока ОЗНЗ увеличивается процент их перехода в междуфазное замыкание в месте горения дуги; перенапряжения от перемежающейся дуги вызывают повреждения ослабленной изоляции в других точках сети (многоместные повреждения). В воздушных сетях доля таких повреждений во много раз выше, чем в кабельных; значительную часть повреждений составляют случаи отключения линий, при которых изоляция восстанавливается и линия включается под нагрузку (до 18%). Такие отключения обычно происходят при неблагоприятных погодных условиях. Поиск и устранение мест с ослабленной изоляцией довольно затруднительны и возможны многократные отключения одних и тех же элементов сети; наиболее уязвимым элементом сети при воздействии внутренних перенапряжений являются кабели, места их соединения друг с другом и с другими элементами сети; значительна повреждаемость электродвигателей сетей собственных нужд; повреждаемость оборудования от феррорезонансных перенапряжений значительно ниже, чем от дуговых. Однако, дуговые процессы могут инициировать феррорезонансные явления, в результате которых, повреждаются силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы напряжения (ТН) типов ЗНОМ, ЗНОЛ, НТМИ. Согласно данным, приведенным в [3, 8], трансформатор напряжения типа НТМИ при возникновении устойчивого феррорезонанса повреждается в течение 3-10 минут;

• наблюдаются ложные срабатывания защиты, реагирующей на появление напряжения нулевой последовательности. Так, в работе [9], описаны случаи, когда в сетях напряжением 6-35 кВ при небольшой емкости фаз и наличии ТН фазные напряжения без каких-либо видимых причин искажались; напряжение на одной из фаз становилось равным нулю, как при металлическом замыкании на землю. Это явление истолковывались как замыкание на землю, тогда как в действительности оно было следствием самопроизвольного смещения нейтрали в результате возникновения феррорезонансных колебаний.

Таким образом, сети средних классов напряжения имеют крайне низкую эксплуатационную надежность, приводящую к электротравматизму.

Одним из способов повышения надежности эксплуатации сетей этих классов напряжения является заземление нейтрали сети через дугогасящий реактор.

Главным преимуществом эксплуатации сети с ДГР является длительная работа с ОЗНЗ без отключения потребителей. Для эффективного использования ДГР необходимо обеспечить два условия:

- по-возможности идеально симметрировать сеть;

- автоматизировать подстройку ДГР к изменяющимся в процессе эксплуатации в достаточно широких пределах параметрам сети;

Необходимо отметить, что установка ДГР не позволяет компенсировать высшие гармонические составляющие токов ОЗНЗ.

Обеспечить строгое выполнение этих условий на практике в сетях 6-35 кВ весьма затруднительно (до настоящего времени до конца не решена задача построения универсальных автоматических регуляторов настройки компенсации [10]), а в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, эффективное использование ДГР практически невозможно [11]. Кроме того, даже при их обеспечении применение ДГР не решает задачи о селективном определении поврежденного фидера - построение селективной защиты от ОЗНЗ при установке ДГР еще более затруднительно, чем в сетях с изолированной нейтралью, и не исключает вероятности возникновения дуговых и феррорезонансных перенапряжений.

Наконец, по своей сути, компенсация емкостных токов ОЗНЗ является средством, позволяющим продлить время работы сети в аварийном режиме.

Детальный анализ современного состояния проблемы защиты сетей средних классов напряжения от ОЗНЗ проведен в работе [12]. Все предлагаемые способы защиты сетей от ОЗНЗ разработаны для сетей с изолированной нейтралью, либо с нейтралью заземленной через ДГР [4, 12]. Ни одно из предложенных устройств не нашло широкого технического применения и не выпускается серийно [4, 5].

В работах отечественных [3, 4, 8, 12, 13] и зарубежных [14, 15] авторов как весьма перспективная альтернатива режиму изолированной нейтрали рассматривается резистивное заземление, идея которого была впервые предложена еще в 1916 году В. Петерсеном одновременно с идеей использования ДГР [16]. Однако, в начальный период своего развития распределительные сети эксплуатировались преимущественно с изолированной нейтралью и простыми устройствами сигнализации о возникновении однофазных повреждений. С начала 20-х годов за рубежом и с начала 30-х годов в России в сетях напряжением до 35 кВ включительно широкое распространение получили дугогасящие реакторы, компенсирующие емкостный ток однофазного замыкания на землю. Были начаты работы по повышению надежности сетей с изолированной нейтралью. Применялись, хотя и крайне редко, устройства защиты от ОЗНЗ в сетях с заземлением нейтрали через активное сопротивление. Но на том этапе развития электрических сетей они были малоразвиты, многие потребители не имели резервных линий питания и поэтому более эффективным оказалось использование ДГР. В результате в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [17] появилась запись о том, что работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ должна предусматриваться с изолированной или заземленной через ДГР нейтралью. Использование компенсации емкостных токов позволило решить задачу гашения дуг неустойчивых ОЗНЗ и существенно ограничить число переходов однофазных в между фазные короткие замыкания.

Вместе с тем, в ряде зарубежных стран 50-60-е годы были периодом отказа от использования ДГР. Это было связано с рядом серьезных недостатков компенсации емкостных токов как метода повышения надежности и электробезопасности сетей средних классов напряжения.

На современном этапе развития электрических сетей при постоянно расширяющейся конфигурации сети, строительстве двухцепных линий, резервировании большинства потребителей, имеются все необходимые предпосылки для успешного внедрения резистивного заземления нейтрали.

Заземление нейтралей сетей средних классов напряжения через высокоомные (или низкоомные) активные сопротивления дает следующие преимущества, позволяющие повысить надежность и электробезопасность этих сетей и снизить на несколько порядков вероятности поражения человека электрическим током при ОЗНЗ:

- снижение кратности дуговых перенапряжений до уровня (2.0-2.5)иФт, что гарантирует локализацию однофазных замыканий, т.е. предотвращает развитие ОЗНЗ в более серьезные аварии, а также практически исключает возможность возникновения опасных феррорезонансных колебаний и не обеспеченных защитным заземлением двойных замыканий на землю [5];

- возможность создания простой и надежной селективной защиты от однофазных замыканий на землю, за счет протекания активного тока в поврежденном фидере.

Кроме того, высокоомное резистивное заземление, при правильном выборе величин сопротивлений и энергетических характеристик резисторов и средств релейной защиты и автоматики, позволяет сохранить преимущества сетей с изолированной нейтралью обусловленные относительно небольшими токами замыкания на землю.

Несмотря на бесспорные преимущества резистивного заземления нейтрали по сравнению с режимами изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через ДГР, а также на большое количество исследований, посвященных этому вопросу, в практике эксплуатации сетей средних классов напряжения резистивное заземление до настоящего времени широкого применения не нашло.

Это обусловлено, на наш взгляд, отсутствием общей методики, позволяющей определять необходимые параметры резисторов, выбирать схемы их подключения, принципы функционирования и необходимые технические средства РЗ сетей 6-35 кВ различного исполнения и назначения.

В настоящей работе предпринята попытка разработки упомянутой выше методики системного подхода к выбору величин сопротивлений и энергетических характеристик резисторов и способов организации РЗ от ОЗНЗ для сетей различного конструктивного исполнения (воздушные, кабельные, воздушно-кабельные) и назначения (распределительные, собственных нужд, генераторного напряжения электрических станций).

Суть, постановка и последовательность решения вопросов, составляющих содержание настоящей работы, определились следующим образом:

• анализ перенапряжений, возникающих в сетях 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения при однофазных дуговых замыканиях на землю и сопровождающих эти замыкания феррорезонансных процессах;

• разработка методики выбора величины сопротивления резисторов и их энергетических характеристик;

• разработка принципов функционирования схем релейной защиты от ОЗНЗ и требований к их технической реализации при оснащении нейтралей сетей резисторами.

Развиваемый в настоящей работе системный подход к выбору величин сопротивлений резисторов и к их энергетическим характеристикам основывается на одновременном удовлетворении двух условий: ограничения перенапряжений до безопасного уровня и селективного отключения поврежденного фидера.

Научная новизна основных положений и результатов работы состоит в следующем:

• разработаны математические модели, реализованные на ПЭВМ, позволяющие производить расчеты в стационарных режимах и переходных процессах, сопровождающих однофазные дуговые замыкания на землю и феррорезонансные явления в электрических сетях, содержащих двухцепные ВЛ, при учете несимметрии их параметров и переходного сопротивления на землю в месте ОЗНЗ;

• проведен комплексный анализ внутренних перенапряжений при различных способах заземления нейтралей электрических сетей различного назначения, подтверждающий эффективность резистивного заземления нейтрали;

• предложена методика, позволяющая определить величины сопротивлений и энергетические характеристики резисторов в нейтралях сетей различного конструктивного исполнения и назначения.

Достоверность результатов работы обоснована применением достаточно полных математических моделей исследуемых процессов, а также хорошим согласием результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при внедрении резистивного заземления нейтрали в сетях промышленного Севера Западной Сибири, а также с результатами, полученными другими исследователями.

Практическая значимость результатов работы:

• разработанные программы для расчета стационарных и переходных процессов в сетях средних классов напряжения могут быть использованы как при расчетах нормальных режимов, и анализе аварийных эксплуатационных ситуаций в действующих сетях, так и при проектировании системы заземления нейтрали в сооружаемых сетях;

• требования к величинам сопротивления и энергетическим характеристикам резисторов, устанавливаемых в нейтралях электрических сетей и к принципам функционирования релейных защит, могут быть использованы как при модернизации системы заземления нейтрали в действующих сетях, так и при проектировании новых сетей с резистивным заземлением нейтралей.

Апробация работы и публикации.

Отдельные результаты работы и работа в целом докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции», «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета и на Третьем Корейско-Российском Международном Научно-Техническом Симпозиуме КОЬШ8'99 (Новосибирск, 22-25 июня, 1999).

По теме диссертации в периодической научно-технической литературе опубликовано 9 научных статей. Методические разработки и результаты проведенных исследований изложены в отчете о научно-исследовательской работе, зарегистрированном во ВНТИЦ.

На защиту выносятся:

• математические модели стационарных и переходных процессов в сетях средних классов напряжения различного конструктивного исполнения и назначения, позволяющие производить сравнительную оценку эффективности различных способов заземления нейтрали;

• требования к величинам сопротивлений и энергетическим характеристикам резисторов в воздушных, кабельных сетях и в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций;

• принципы организации релейной защиты сетей с резистивным заземлением нейтрали от ОЗНЗ.

3.6. Выводы по третьему разделу

1. При математическом моделировании процессов при ОДЗ можно не учитывать потери в меди обмоток генератора и трансформатора, а также потери в стали магнитопровода трансформатора (3=1.2%). Потери в стали генератора сказываются на затухании высокочастотной составляющей процесса при зажиганиях дуги, что приводит к снижению максимума перенапряжений на 6.7%.

2. Опасные для статорной изоляции блоков перенапряжения в процессе, сопровождающем ОДЗ, возникают лишь при эксплуатации блока с изолированной нейтралью. При повторном зажигании дуги кратность перенапряжений, вероятность превышения которых равна 0.05, составляет величину порядка (3.3.2)£/фт. Допустимые кратности перенапряжений статорной изоляции генераторов - (2.6. .2.9)С/фт .

3. Установка резистора в нейтрали, величина сопротивления которого определяется как Я^<1/(3 .5)соСкц, (кК>1), практически исключает возможность появления многоместных повреждений изоляции при ОДЗ, так как перенапряжения при возможных повторных зажиганиях дуги не превышают уровня при первом зажигании дуги порядка 2.4Щт, не опасного для статорной изоляции генератора

4. Оснащение нейтрали резистором облегчает требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на стороне низшего напряжения силового трансформатора блока. При изолированной нейтрали блока необходимо обеспечивать поглощение варисторами ОПН энергии при длительном процессе повторных зажиганий дуги при ОДЗ. При установке же в нейтрали резистора определяющими при выборе характеристик ОПН будут служить кратковременные перенапряжения относительно небольшой кратности, возникающие при коммутациях генераторными выключателями блока. Следует отметить, что при любом способе заземления нейтрали блока, трансформаторы которого связаны с ОРУ воздушньши перемычками, ОПН должны обеспечивать также надежную защиту изоляции электрооборудования от грозовых волн, возникающих на генераторном напряжении за счет перехода волн через емкостные и магнитные связи между обмотками ВН и НН силового трансформатора.

5. Энергия, поглощаемая резистором, включенного в нейтраль генератора, в процессе ОДЗ, при изменении эквивалентной емкости сети генераторного напряжения в пределах 0.2. 1.6 мкФ (Ям=5300.665 Ом) лежит в диапазоне 1.5-17 кДж

Мощность, поглощаемая резистором, включенного в нейтраль генератора, в процессе ОЗНЗ, при изменении эквивалентной емкости сети генераторного напряжения в пределах 0.2. 1.6 мкФ (Луу=5300.665

194

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований могут быть сделаны выводы как методического характера, так и по существу рассматриваемой проблемы - эффективности резистивного заземления нейтрали в электрических сетях средних классов напряжения различного конструктивного исполнения и назначения.

К основным методическим результатам можно отнести следующие:

1. Разработанные математические модели позволяют исследовать стационарные режимы и переходные процессы в сетях средних классов напряжения при однофазном замыкании на землю и при неполнофазных режимах, при учете несимметрии параметров сети по фазам и переходного сопротивления на землю в месте ОЗНЗ. Все указанные режимы и процессы могут быть исследованы при любом способе заземления нейтрали: изолированной, заземленной через ДГР или через резистор, в сетях, содержащих как воздушные (одноцепные и двухцепные), так и кабельные линии.

2. Погрешности при определении параметров стационарного режима ОЗНЗ, обусловленные усреднением частичных емкостей сети не превышают ~7%, что позволяет пользоваться при проведении соответствующих расчетов упрощенными расчетными схемами.

3. Межцепные емкости в двухцепных ВЛ 35 кВ приводят к уменьшению максимумов перенапряжений при ОДЗ примерно на 8%; междуфазные -на -28%. При одновременном учете межцепных и междуфазных емкостей максимумы перенапряжений при ОДЗ уменьшаются примерно на 36%. Следовательно, для достоверного моделирования процессов при ОДЗ, в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, необходимо учитывать не только между фазные, но и межцепные емкости.

4. Определяющими при оценке перенапряжений, возникающих в процессе ОДЗ, являются ОДЗ не на шинах, а в конце достаточно протяженных участков линий. При этом максимальные перенапряжения в месте ОДЗ, за счет волновых процессов в линиях, возникают не при зажиганиях, а при погасаниях дуги.

5. При математическом моделировании процессов при ОДЗ в сетях генераторного напряжения можно не учитывать потери в меди обмоток генератора и трансформатора, а также потери в стали магнитопровода трансформатора (погрешность при неучете этих потерь не превышает -1.5%). Потери в стали генератора сказываются на затухании высокочастотной составляющей процесса при зажиганиях дуги, что приводит к снижению максимумов перенапряжений ~ на 6. .7%.

Практические результаты можно сформулировать следующим образом:

1. При значительной доле в воздушных сетях двухцепных ВЛ при реальных значениях напряжения несимметрии не удается настроить ДГР таким образом, чтобы одновременно избежать резонансных условий в нормальном эксплуатационном режиме и режиме однофазного замыкания на землю. Поэтому эксплуатация ДГР в таких сетях может привести к их повышенной аварийности.

В кабельных сетях, оснащенных ДГР, надежная их эксплуатация может быть достигнута лишь при автоматическом регулировании степени компенсации емкостного тока ОЗНЗ. При отсутствии такого регулирования будет наблюдаться высокая аварийность сетей в основном из-за многоместных повреждений при однофазных дуговых замыканиях на землю.

2. Величина верхнего предела сопротивления резистора в нейтрали сетей средних классов напряжения определяется условиями ограничения перенапряжений при ОДЗ и составляет- 11м< 1/3 соСф( 1 +2г\), г} =Смц/Сф.

Нижний предел сопротивления резистора в нейтрали необходимо выбирать:

- в воздушных сетях - исходя из условия селективного срабатывания ненаправленной токовой защиты (соотношением между максимальным рабочим током и током небаланса в трансформаторах тока). Такой подход гарантирует отстройку от ложных срабатываний защиты;

- в кабельных сетях и в сетях генераторного напряжения электрических станций - исходя из условия отстройки защиты от междуфазных замыканий.

3. Диапазоны сопротивлений резисторов, отвечающих условиям пункта 2, составляют:

- в воздушных сетях 6-35 кВ, содержащих одноцепные ВЛ, протяженностью /=5. 100 км, Ям=5500.2000 Ом;

- в воздушных сетях 6-35 кВ, содержащих, в основном, двухцепные ВЛ, при протяженности одной цепи 1=5. .100 км, ^^4000. 1400 Ом;

- в кабельных сетях 6-10 кВ протяженностью /=0.3.100 км, 3000.30 Ом;

- в сетях генераторного напряэ/сения электрических станций при изменении эквивалентной емкости сети в пределах СЭф=0.2.1.6 мкФ, ДлГ5300.665 Ом.

Энергия и мощность, поглощаемые резистором в течение действия релейной защиты от ОЗНЗ составляют:

- в воздушных сетях - 0.1-100 кВт и 0.2-305 кДж (/«3 с);

- в кабельных сетях - 0.35-300 кВт и 1.1-900 кДж (¿«3 с);

- в сетях генераторного напряжения электрических станций - 5-40 кВт и 2.5-20 кДж (/«0.5 с).

4. В случае установки резистора в нейтрали сети собственных нужд электрических станций облегчаются требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемых на присоединениях для защиты изоляции двигателей от перенапряжений и к сопротивлениям Л*С-цепочек. Энергия, поглощаемая в варисторах ОПН, устанавливаемых на присоединениях уменьшается примерно в 2 раза.

5. Оснащение нейтрали сети генераторного напряжения блоков электрических cmaHifuu резистором облегчает требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на стороне низшего напряжения силового трансформатора блока. При этом, определяющими энергетическими воздействиями на ОПН будут служить кратковременные перенапряжения относительно небольшой кратности, возникающие при коммутациях блока генераторными выключателями, а также в случае связи блока с ОРУ с помощью воздушных перемычек -грозовые перенапряжения.

Оба эти воздействия характеризуются малым энергетическим потенциалом по сравнению с длительными воздействиями на ОПН при ОДЗ в режиме изолированной нейтрали генератора блока.

6. Резистивное заземление нейтрали позволяет избежать опасных феррорезонансных явлений, возникающих в сетях небольшой протяженности при их оснащении трансформаторами напряжения типов ЗНОМ, 3HOJT, НТМИ. Установившихся феррорезонансных колебаний в этом случае не наблюдается. Переходный феррорезонанс характеризуется относительно небольшими токами в обмотке ВН ТН типов ЗНОМ, ЗНОЛ, НТМИ - ~0.3.1.5 А при длительности импульсов, не превышающих 0.01с.

7. В воздушных сетях при оснащении нейтрали сети резисторами понижается чувствительность защит от ОЗНЗ, основанных на регистрации напряжения нейтрали. Поэтому более предпочтительными являются защиты, реагирующие на стационарные токи нулевой последовательности. Диагностика ВЛ (цепи), на которой произошло ОЗНЗ, может быть осуществлена с помощью защиты, реагирующей на ток нулевой последовательности, протекающей по поврежденной В Л (цепи). Для достижения необходимой селективности в ряде схем сетей защиту целесообразно выполнять направленной. Отношение токов, протекающих по поврежденной В Л (цепи) и неповрежденной ВЛ (цепи), составляет 3.5.15.

Существенное влияние на надежность диагностики поврежденной ВЛ (цепи) оказывает переходное сопротивление в месте замыкания на землю. Поэтому при разработке и настройке защит от ОЗНЗ в сетях с резистивным заземлением нейтрали необходимо учитывать величины переходных сопротивлений в месте замыканий на землю, характерные для региона расположения сети. В случае двухцепных ВЛ в области значений переходного сопротивления Я^ в которой удается достаточно надежно распознать наличие ОЗНЗ, ориентируясь на напряжение нейтрали, напряжение на нейтрали поврежденной секции более, чем вдвое превышает соответствующее напряжение на неповрежденной секции.

8. Предложенная методика определения величины переходного сопротивления в месте замыкания на землю, оценивающая чувствительность защиты от однофазных замыканий на землю, позволяет выполнить качественный анализ различных вариантов защиты и выбрать наиболее приемлемый.

9. Наиболее слабым звеном при достижении необходимой чувствительности защиты от ОЗНЗ в воздушных сетях является фильтр нулевой последовательности в случае, если этот фильтр организован на основе трансформаторов тока электромагнитного типа и характеризуется высокими значениями тока небаланса в нормальном эксплуатационном режиме. Повышения чувствительности, можно добиться либо путем монтажа кабельных вставок, либо путем применения оптико-электронных трансформаторов тока.

10. Резистивное заземление нейтрали в кабельных сетях и сетях генераторного напряжения электрических станций не привносит дополнительных требований к организации их релейной защиты от замыканий на землю и не требует ее коренной перестройки. Как и в настоящее время в кабельных сетях защита может быть организована на основе регистрации стационарных токов нулевой последовательности, а в

199 сетях генераторного напряжения - на регистрации напряжения 3£/о. В связи с увеличением тока замыкания на землю при оснащении сетей резисторами целесообразно действие защиты на отключение поврежденного фидера или генератора.

Общее заключение по работе

Заземление нейтрали сетей средних классов напряжения через резисторы при правильном выборе их характеристик и средств релейной защиты и автоматики обеспечивает надежную эксплуатацию изоляции оборудования сетей и локализацию однофазных замыканий на землю с последующим отключением поврежденного фидера. При внедрении резистивного заземления нейтрали повышается надежность и электробезопасность эксплуатации сетей, и практически исключаются не обеспеченные защитным заземлением двойные замыкания на землю.

Вместе с тем, высокоомное резистивное заземление нейтралей сетей средних классов напряжения, при правильном выборе характеристик резисторов и средств релейной защиты и автоматики, позволяет сохранить все преимущества сетей с изолированной нейтралью, обусловленные относительно малыми значениями токов замыкания на землю.

1. Рыбаков U.M., Халилов Ф.Х. Вопросы ограничения перенапряжений в сетях 6-35 кВ: Монография. Изд-во Краснояр. ун-та, 1991. 152 с.

2. Зархи И.М., Мешков В.Н., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапаряжения в сетях 6-35 кВ. Л.: Наука, 1986. - 128 с.

3. Сирота И. М., Кисленко С. Н., Михайлов А. М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев: Наукова думка, 1985. 264 с.

4. Назаров В.В. Защита электрических сетей от однофазных замыканий. Киев: Лыбщь, 1992. 124 с.

5. Целебровский Ю.В. Режим нейтрали 6-35 кВ // ОЭС Сибири: современное состояние и перспективы развития: Материалы научно-практической конференции, посвященной 40-летию Единой энергетической системы России. Часть 2. Новосибирск, 1996, С. 87-96.

6. Гиндуллин Ф.А, Гольдштейн В.Г., Дульзон A.A., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.

7. Вилъгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. Л.: Госэнергоиздат, 1959. -415 с.

8. Зихерман М. X. Повреждения трансформаторов напряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ // Электрические станции, 1978, №11, С. 65-67.

9. Лихачев Ф.А. Аварии, возникшие по причине самопроизвольного смещения нейтрали // Электрические станции, 1958, № 3, С. 18-21.

10. Обабков В.К. Синтез адаптивных систем управления резонансными объектами. Киев: Наукова думка, 1993. - 225 с.

11. Кадомская К.П., Тихонов A.A. Режимы замыкания на землю в сети, содержащей двухцепные воздушные линии // Промышленная энергетика — 1991.-№12, С. 15-18.

12. Бухтояров В.Ф., Маврицын A.M. Защита от замыканий на землю электорустановок карьеров. М.: Недра. 183 с.

13. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество, 1998, №12, С. 8-22.

14. Delblanko L. Unutrasnji prenaponi u otporno uzemljenim 10(20) kV mresama // Elektrotehnika. 1989. 32, № 3-4. S. 193-203.

15. Lazar I. System grounding In Industrial power systems // Specif. Eng. 1978. 40, №5. P. 131-136.

16. Petersen W. Erdschlusstrome in Hoshspannungsnetzen. Elektrotech. Z. -1916, n. 37, H. 37, S. 493-512.

17. Правила устройства электроустановок. Разд. 1. Общие правила/СССР. М-во энергетики и электрификации. М.: Энергоиздат, 1982. - 88 с.

18. ГОСТ 1516.1-76. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500кВ. Требования к электрической прочности изоляции. -Госкомстандарт СМ ССР. М. 1977. - 57 с.

19. Shott H.S., Petersen Н.А. Criteria for Neutral Stability of Wye-Grounded-Primary Briken-Delta Secondary Transformers Circuit // Trans. А1ЕЕ/ 1941. P. 997-1002.

20. Алексеев В.Г., Думайцев С.Г., Зихерман M.X. Исследование режимов работы трансформаторов напряжения контроля изоляции в сетях 6-10 кВ. // Электрические станции. 1981. -№1. - С.56.

21. Шаргородский В.А. Автоколебательный процесс причина повреждения трансформаторов напряжения // Электрические станции. - 1963, .№5. - С.59.

22. Поляков B.C. О защите оборудования электрических сетей от феррорезонансных перенапряжений // Из опыта работы Высоковольтной сети Ленэнерго. Л.: Энергоатомиздат. - 1986. - С.76.

23. Лихачев Ф.А. Схемы подключения дополнительного сопротивления к ТНКИ // Электрические станции. 1978. - № 12.

24. Заболотников А.П., Кадомская К.П., Тихонов А.А. Математическое моделирование и перенапряжения в электрических сетях 6.35 кВ: монография/Новосиб.гос.техн.ун-т. Новосибирск, 1993.- 158с.

25. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 12: Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. М.: Энергия, 1990.

26. Королев Е. П., Либерзон Э. М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты.- М.: Энергия, 1980.

27. Вайнштейн Р.А., Головко С.И., Коломиец Н.В. Режимы работы нейтрали в электрических системах. Томск: Том. политехи, ин-т, 1981.-79 с.

28. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. И.А. Баумштейна и М.В. Хомякова. Изд-ние второе, переработанное и дополненное. - М.: Энергоатомиздат. - 1981. - 655 с.

29. Ларина Э.Т. Силовые кабели и кабельные линии.-М.: Энергоатомиздат. -1984.-367 с.

30. Шаргородский В.А. и др. Релейная защита двигателей выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 248 с.

31. Хаммарлунд П. Восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя. М.-Л.:Госэнергоиздат, 1956. - 296 с.

32. HARRIS Semiconductor. AS Sériés. High Energy Metal-Oxide Arrestor Blocks. File Number 2492.3. Copyright HARRIS Corporation, 1995.

33. Кадомская К.П. Коммутационные перенапряжения в цепях блоков генератор-трансформатор и в сетях собственных нужд электрических станций. Учебн. пособие. - Новосибирск. - НЭТИ, 1983. - 83 с.

34. Зихерман М.Х., Несвижский Е.И., Рассолова И.Б., Федотов С.П. Трансформатор напряжения повышенной надежности для сетей 6-10 кВ // Электрические станции. 1990. - №6. - С. 64-71.203

35. Левковский А.И. Исследование переходных процессов при дуговых замыканиях на землю в электрической сети 10 кВ с трансформатором напряжения НАМИ-10 // Электрические станции. 1990. - № 10. -С. 79-81.

36. Богдан A.B., Калмыков В.В., Сафарбаков A.A. Переходные процессы в электрической сети 10 кВ с трансформатором напряжения НАМИ-10 // Электрические станции. 1993. - № 10. - С. 46-49.

37. Зихерман М.Х., Левковский А.И. Резонансные процессы в сетях 35 кВ с трансформаторами напряжения // Электрические станции. 1996. - № 5. - С. 54-56.

38. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. М-во энергетики и электрификации СССР. М.: Энергоатомиздат, 1986.

39. Налимов В.В., Голикова Т.П. Логические основы планирования эксперимента М.: Металлургия, 1976.

40. Карпюк Б.В., Козачок А.Г. Планирование и организация измерительного эксперимента. Учебн. пособие для ст. старших курсов всех факультетов всех форм обучения. - НЭТИ, 1980.