Режимы заземления нейтрали
СОДЕРЖАНИЕ
1. Режимы заземления нейтрали.………………………………………….2
1.1. Режим изолированной нейтрали ……………………….6
1.2. Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через дугогосящий реактор.……………………………..………..9
- Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через резистор (резестивное заземление нейтрали).…….….14
2. Разработка физических и математических моделей сетей 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями……………………….
2.1 Физическая модель кабельной сети 6-10кВ…………
2.2 Математическая модель кабельной сети 6-10кВ……
3. Разработка защиты от
замыканий на землю в сетях
6-10кВ с воздушными и
ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………
1.Режимы заземления нейтрали.
Выбор режима заземления нейтрали в сети 6-35 кВ (или, по-другому, способа заземления нейтрали) - исключительно важный вопрос при проектировании и эксплуатации (реконструкции). Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ определяет:
- ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании;
- схему построения релейной защиты от замыканий на землю;
- уровень изоляции электрооборудования;
- выбор ОПН для защиты от перенапряжений;
- бесперебойность электроснабжения;
- допустимое сопротивление контура заземления подстанции;
- безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.
Таким образом, очевидно, что режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ влияет на значительное число технических решений, которые реализуются в конкретной сети.
В сетях среднего напряжения (с номинальным напряжением до 69 кВ по зарубежной классификации) применяются 4 режима заземления нейтрали (рис. 1.1).
То есть всего в мире в сетях среднего напряжения (до 69 кВ), в отличие от сетей высокого напряжения (110 кВ и выше), используются четыре возможных варианта заземления нейтральной точки сети:
Рис.1.1 Режимы заземления нейтрали сетей среднего напряжения.
-изолированная (незаземленная);
-заземленная через дугогасящий реактор;
-заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный);
- глухозаземленная (в России не применяется).
Кроме указанных четырех режимов заземления нейтрали в мире применяется также комбинация (параллельное включение) дугогасящего реактора и резистора. Например, такая комбинация встречается в воздушных сетях 20 кВ Германии, где дугогасящий реактор обеспечивает гашение кратковременных однофазных перекрытий изоляции на землю, а низкоомный резистор подключается к нейтрали сети параллельно реактору только кратковременно специальным однофазным силовым выключателем. Резистор в такой схеме служит для селективного определения фидера с устойчивым однофазным замыканием на землю.
Если посмотреть на мировую практику эксплуатации сетей среднего напряжения (см. табл. 1.1), то хорошо видно, что в отличие от России, где используется режим изолированной нейтрали (примерно 80 % сетей 6-35 кВ) и режим заземления через дугогасящий реактор (примерно 20 % сетей 6-35 кВ), в других странах чаще всего применяется заземление нейтрали через резистор или дугогасящий реактор. Режим заземления нейтрали через
Таблица 1.1 Режим заземления нейтрали в сетях 3-69 кВ в различных странах мира
Страна |
Способ заземления нейтрали | |||
Изолированная |
Заземленная через реактор |
Заземленная через резистор |
Глухозазем-ленная | |
Россия |
+ |
+ |
- |
- |
Австралия |
- |
- |
+ |
+ |
Канада |
- |
- |
+ |
+ |
США |
- |
- |
+ |
+ |
Испания |
- |
+ |
+ |
+ |
Португалия |
- |
- |
+ |
- |
Франция |
- |
+ |
+ |
- |
Япония |
- |
- |
+ |
- |
Германия |
- |
+ |
+ |
- |
Австрия |
- |
+ |
+ |
- |
Бельгия |
- |
- |
+ |
- |
Великобритания |
- |
- |
+ |
+ |
Швейцария |
- |
+ |
+ |
- |
Финляндия |
+ |
+ |
+ |
- |
Италия |
- |
+ |
+ |
- |
Чехия |
- |
+ |
+ |
- |
Словакия |
- |
+ |
+ |
- |
Швеция |
- |
+ |
+ |
- |
Норвегия |
- |
+ |
+ |
- |
резистор сравнительно новый и используется в России в ограниченном числе сетей 6-35 кВ. Впервые режим резистивного заземления нейтрали использовался в России в карьерных сетях 6 кВ в 1978-1983 г. [1, 2] и сетях 6 кВ собственных нужд блочных электростанций примерно в 1987 г. [3]. Однако, несмотря на полученный положительный опыт, развития использования резистивного заземления нейтрали в СССР не произошло. Вероятно, это было связано с отсутствием в основном нормативном документе - «Правилах устройства электроустановок» разрешения на использование режима резистивного заземления нейтрали.
В настоящее время в России в сетях 6-35 кВ нормативными документами («Правилами устройства электроустановок») разрешены к применению только три режима заземления нейтрали. Пункт 1.2.16 ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г. гласит:
«...работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор».
Таким образом, в сетях 6-35 кВ в России разрешены все режимы заземления нейтрали, кроме глухого заземления.
Четкого определения и рекомендаций, в каких случаях в сетях 6-35 кВ должен использоваться тот или иной режим заземления нейтрали, в ПУЭ, к сожалению, нет. В том же пункте 1.2.16 только указаны граничные емкостные токи, начиная с которых должна применяться компенсация емкостного тока.
Отсутствие рекомендаций по использованию режима нейтрали в сетях 6-35 кВ в ПУЭ, скорее всего, связано со сложностью формирования таких рекомендаций для большого разнообразия сетей 6-35 кВ (сельских, городских, сетей промышленных предприятий и др.) и необходимости учета при этом многих условий.
Из других нормативных документов, касающихся режима заземления
нейтрали, можно отметить также РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ». Это документ, касающийся исключительно компенсации емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов
(катушек). Другие режимы заземления нейтрали в нем не рассматриваются.
В части существующих нормативных документов следует отметить отдельный пункт 5.11.8 в последней редакции «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей», посвященный режиму заземления нейтрали, который гласит: «...В сетях собственных нужд 6 кВ блочных электростанций допускается режим работы с заземлением нейтрали сети через резистор».
1.1. Режимы изолированной нейтрали
Режим изолированной нейтрали используется в России достаточно давно, и подавляющее большинство сетей 6-35 кВ (примерно 80 %) работает именно с этим режимом заземления нейтрали.
На рис. 2 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ.
Как видно из рис. 1.2, в этом случае нейтральная точка в сети 6-10 кВ физически отсутствует, так как обмотки силовых трансформаторов на стороне 6-10 кВ соединены в треугольник. В сетях 35 кВ с изолированной нейтралью нейтральная точка физически присутствует, так как обмотки трансформаторов 35 кВ в большинстве случаев соединены в звезду с выводом нейтральной точки через отдельный проходной изолятор на крышку бака трансформатора.
Рис. 1.2. Понижающая подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ
Многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтралью, накопленный не только в России, но и во всем мире, позволяет говорить о существенных недостатках режима изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ, таких как:
■ дуговые перенапряжения и пробои изоляции на первоначально неповрежденных фидерах при однофазных замыканиях на землю в сети;
■ возможность возникновения многоместных повреждений изоляции (одновременное повреждение изоляции нескольких фидеров) при однофазных замыканиях на землю;
- повреждения трансформаторов напряжения (НТМИ, ЗНОЛ, ЗНОМ) при замыканиях на землю;
- сложность обнаружения места повреждения (места замыкания);
■ неправильная работа релейных защит от однофазных замыканий на землю;
- опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети.
В связи с наличием такого количества недостатков режим изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ был исключен в подавляющем большинстве стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии и других странах еще в 40-50-х годах прошлого века.
В сетях среднего напряжения 3-69 кВ стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии режим изолированной нейтрали применяется крайне редко (в исключительных случаях). В основном сети среднего напряжения 3-69 кВ этих стран работают с нейтралью, заземленной через резистор или дугогасящий реактор.
Одна из стран, в которых имеется значительное число сетей с изолированной нейтралью, - Финляндия. Там указанный режим используется исключительно в воздушных сетях 20 кВ и его применение существенно отличается от отечественной практики эксплуатации. В частности, при наличии режима изолированной нейтрали в сети 20 кВ защиты от замыканий на землю действуют на мгновенное отключение поврежденной воздушной линии. При отказе в отключении выключателя отходящей линии с выдержкой времени 0,5 секунды отключается выключатель ввода на секцию. Режим изолированной нейтрали в воздушных сетях 20 кВ Финляндии применяется исключительно для повышения чувствительности защит от замыканий на землю, так как сопротивление грунта на большей части территории этой страны в 20-50 раз выше, чем среднеевропейское. При таком высоком удельном сопротивлении грунта заземление нейтрали (глухое или через резистор) не увеличивает ток в поврежденном фидере, так как он в основном определяется сопротивлением грунта. Применение изолированной нейтрали в данном случае является вынужденной мерой и причина такого технического решения не обеспечение надежности электроснабжения, а повышение чувствительности защит от замыканий на землю и безопасности людей.
1.2. Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через дугогосящий реактор.
Компенсация емкостного тока замыкания на землю в сетях 6-35 кВ применяется для уменьшения тока замыкания на землю, снижения скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения заземляющей дуги, уменьшения перенапряжений при повторных зажиганиях дуги и создания условий для ее самопогасания.
Компенсация должна применяться
при следующих значениях
-в воздушных сетях 6-20 кВ на железобетонных или металлических опорах и во всех сетях 35 кВ - при токе более 10 А;
-в воздушных сетях, не имеющих железобетонных или металлических опор: при напряжении 6 кВ - при токе более 30 А, при напряжении 10 кВ - более 20 А, при напряжении 15-20 кВ - более 15 А.
Компенсацию допускается применять также в воздушных сетях 6-10 кВ при емкостном токе менее 10 А.
Для компенсации емкостного тока замыкания на землю применяются дугогасящие заземляющие реакторы с плавным или ступенчатым регулированием индуктивности.
В электрических сетях, где в процессе эксплуатации емкостный ток замыкания на землю изменяется не более чем на ±10%, рекомендуется применять дугогасящие реакторы со ступенчатым регулированием индуктивности.
Если же емкостный ток замыкания на землю изменяется более чем на ±10%, рекомендуется применять реакторы с плавным регулированием индуктивности, настраиваемые вручную или автоматически.
Автоматическая настройка компенсации рекомендуется в сетях 35 кВ при емкостном токе замыкания на землю более 10 А и в сетях 6-10 кВ при емкостном токе более 50 А.
На рис. 1.3 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через дугогасящий реактор.
Рис. 1.3. Понижающая подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через дугогасящий реактор
В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0) и дугогасящий реактор.
При однофазном замыкании на землю в сети дугогасящий реактор создает в месте повреждения индуктивную составляющую тока, равную емкостной. При этом суммарный ток в месте повреждения становится равным практически нулю и первое возникшее в сети однофазное замыкание на землю можно не отключать.
Режим с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (катушку) также достаточно давно используется в России в сетях с большими емкостными токами (городских сетях, сетях промышленных предприятий).
В сетях среднего напряжения 3-69 кВ европейских стран (Германия, Чехия, Швейцария, Австрия, Франция, Италия, Румыния, Польша, Финляндия, Швеция, Норвегия и др.) широко используется заземление нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором (рис. 1.3). Низковольтный шунтирующий резистор напряжением 500 В подключается через специальный контактор во вторичную силовую обмотку 500 В дугогасящего реактора. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:
- отсутствие необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания на землю и, соответственно, потребителя;
- малый остаточный ток в месте повреждения (не более 1-2 А);
- самоликвидация однофазных замыканий (особенно на воздушных линиях);
- возможность организации селективной автоматически действующей релейной защиты от однофазных замыканий на землю;
- исключение повреждений измерительных ТН из-за феррорезонансных процессов.
Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором приведена на рис. 1.4.
В существующих российских сетях 6-35 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы старой конструкции с ручным регулированием и реакторы с подмагничиванием, но без шунтирующего резистора существует проблема организации селективной защиты от однофазных замыканий на землю. В этих сетях не могут использоваться как простые токовые защиты от замыканий на землю, так и направленные защиты. Первые в связи с тем, что дугогасящий реактор компенсирует ток однофазного замыкания (ток 3I0) в
Рис. 1.4. Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор
поврежденном присоединении практически до нуля. Вторые в связи с совпадением направления тока 3I0 в поврежденном и неповрежденных фидерах по направлению. В поврежденном фидере в направлении «от шин» течет индуктивный ток 3I0, по величине равный собственному емкостному току фидера, а в неповрежденных фидерах собственные емкостные токи в направлении «к шинам».
Режим заземления нейтрали
через дугогасящий реактор с
шунтирующим низковольтным
При наличии шунтирующего низковольтного (500 В) резистора логика использования дугогасящих реакторов следующая. До момента возникновения однофазного замыкания дугогасящий реактор настроен в резонанс, а шунтирующий резистор отключен. В начальной стадии замыкания дуга обычно неустойчива, и возникают повторные зажигания и гашения. При этом реактор действует как дугогасящее устройство и позволяет не отключать поврежденный фидер.
В том случае, если замыкание перешло в устойчивое, с определенной выдержкой времени, задаваемой в регуляторе REG-DPA реактора, подключается шунтирующий резистор (на время от 1 до 3 секунд). Цифровой регулятор REG-DPA реактора дает команду на включение контактора шунтирующего резистора напряжением 500 В, который подключается к вторичной силовой обмотке реактора 500 В (рис. 1.5). Подключение шунтирующего резистора на 1-3 секунды создает только в поврежденном фидере активный ток 3I0, величина которого определяется сопротивлением резистора и может составлять от 5 до 50 А. Этого тока достаточно для селективного срабатывания даже обычной токовой защиты от замыканий на землю поврежденного присоединения. Уставка простых токовых защит от замыканий на землю по току 3I0 на фидерах выбирается, исходя из собственного емкостного тока присоединения (или суммарного тока присоединения и питаемого им РП). Для современных цифровых защит с фильтрацией входного сигнала можно рекомендовать уставку на уровне 1,5 собственных емкостных тока присоединения. Уставка по времени защит от замыканий на землю при действии на сигнал может приниматься в диапазоне от 0 до 0,5 с в зависимости от необходимости отстройки от переходных процессов.
В нормальном режиме низковольтный шунтирующий резистор SR ду- гогасящего реактора отключен и не влияет на точность настройки компенсации. Резистор подключается только на время, требуемое для срабатывания защит от замыканий на землю (1-3 с). Термическая стойкость
резистора, как правило, от 6 до 60 секунд. Подключение шунтирующего резистора регулятор REG- DPA реактора может выполнять как по факту перехода замыкания в устойчивое, так и просто через определенную выдержку времени (например, через 5 с после возникновения перемежающегося замыкания). Если замыкание в течение выдержки времени не перешло в устойчивое, то подключение шунтирующего резистора увеличивает активную составляющую в месте повреждения, тем самым способствуя стабилизации дуги (переходу замыкания в устойчивое). Если замыкание самоустранилось за время менее 5 с, резистор не подключается и сеть продолжает работать в нормальном режиме.
В проектной практике и эксплуатации мощность дугогасящего реактора выбирается исходя из емкостного тока сети и перспектив развития сети. В РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) мощность дугогасящих реакторов рекомендуется выбирать по формуле:
где 1,25 - коэффициент, учитывающий возможное развитие сети; UH0U - номинальное напряжение сети; IС - суммарный емкостный ток сети (включая емкостные токи РП, при их питании от подстанции, где устанавливаются дугогасящие реакторы).
Мощность трансформатора для подключения дугогасящего реактора выбирается равной или большей мощности реактора.
- . Режим заземления нейтрали в се
ти 6-35 кВ через резистор (резестивное заземление нейтра ли).
На рис. 6 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через высоковольтный резистор.
В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0), в нейтраль которого включается резистор.
На рис. 1.6 приведены возможные варианты включения резистора в сеть. Как правило, для реализации резистивного заземления нейтрали используют варианты 7а и 7в. Вариант 76 достаточно редкий и требует для своей реализации специального трансформатора.
Рис. 1.6. Варианты включения резистора в сеть
Все режимы заземления нейтрали через резистор (или, по-другому, резистивное заземление нейтрали) можно разделить на две большие группы с позиции создаваемого активного тока:
- высокоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) не превышает 10 А. Как правило, однофазное замыкание на землю при таком режиме заземления нейтрали можно не отключать, и защиты от замыканий на землю действуют на сигнал;
- низкоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) превышает 10 А. Как правило, суммарный ток однофазного замыкания при этом режиме заземления нейтрали существенно превышает 10 А, а именно, достигает десятков и сотен ампер, что требует действия защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени (или малой выдержкой).
Указанное деление на высокоомное и низкоомное резистивное заземление в отечественных документах не выполнено. Четкая граница между этими двумя подвидами резистивного заземления нейтрали дана в зарубежных нормативных документах, в частности, в IEEE Std 142-1991 «Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems».
Высокоомное резистивное заземление нейтрали может выполняться только в сетях с емкостным током Iс не более 5-7 А, при этом активный ток IR создаваемый резистором, должен быть больше емкостного тока сети:
IC≤5÷7 A
IC≤ IR
При высокоомном резистивном заземлении нейтрали суммарный ток в месте повреждения складывается из емкостного тока сети и активного тока, создаваемого резистором заземления нейтрали:
Указанные активный и емкостный ток суммируются векторно и сдвинуты друг относительно друга на 90° (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании в сети с резистивным заземлением нейтрали
При равенстве активного тока, создаваемого резистором, и емкостного тока сети суммарный ток в месте повреждения увеличивается всего в раз. Так при емкостном токе сети величиной 5 А и активном токе 5 А, создаваемом резистором, суммарный ток в месте повреждения составит всего 7 А.
Низкоомное заземление нейтрали может выполняться в .сетях с любым емкостным током, при этом активный ток Iя, создаваемый резистором, также должен быть больше емкостного тока сети. Как правило, активный ток, создаваемый резистором, превышает емкостный ток сети не менее чем в 2 раза.
Обычно ток, создаваемый резистором при низкоомном резистивном заземлении нейтрали, лежит в пределах от 20 до 2000 А.
Выбор тока, создаваемого резистором, при низкоомном заземлении нейтрали является разумным компромиссом между двумя противопо-ложными задачами: повышением чувствительности защит от замыканий на землю за счет увеличения тока однофазного замыкания и ограничением тока в месте повреждения (однофазного замыкания) для снижения объема разрушения оборудования.
Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор, представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор:
Преимущества |
Недостатки |
1.Отсутствие необходимости в немедлен-ном отключении однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали). 2.Отсутствие дуговых перенапряжений. 3.Простая реализация релейной защиты. 4.Исключение повреждений измери-тельных TH из-за феррорезонансных процессов. 5.Уменьшение
вероятности поражения |
1.Увеличение тока в месте повреждения (только для низкоомного заземления нейтрали).
2.Необходимость отключения однофазных замыканий (только для низкоомного заземления нейтрали). |
Такие существенные преимущества
сетей с резистивным
Присущие режиму резистивного заземления нейтрали недостатки (увеличение тока в месте повреждения и необходимость отключения замыканий) преодолеваются за счет быстрого отключения поврежденного фидера и организации резервного питания потребителей.
Организация релейной защиты от замыканий на землю в сетях с высо- коомным и низкоомным заземлением нейтрали может отличаться.
Как правило, в сетях с
высокоомным заземлением
В сетях с низкоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю должны действовать на отключение поврежденного фидера с минимально возможной выдержкой времени. Однофазное замыкание при низкоомном резистивном заземлении нейтрали должно отключаться так же быстро, как и двухфазное или трехфазное КЗ.
Основываясь на изложенном выше, можно сделать вывод о том, что в сетях 6-35 кВ наиболее благоприятными с точки зрения эксплуатации являются режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с низковольтным шунтирующим резистором и режим заземления через резистор (высокоомный или низкоомный). Режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен из практики эксплуатации.
2. Разработка физических и математических моделей сетей 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями.
2.1 Физическая модель кабельной сети 6-10кВ.
Экспериментальная установка для физического моделирования процессов при замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью разработана на кафедре ,,Электрические станции” ЮРГТУ(НПИ) для исследования процессов и сравнительного испытания различных устройств защиты и сигнализации в установившихся и переходных режимах.
С целью упрощения установки в модели используются только факторы, определяющие основу процесса повреждения, пренебрегая при этом нагрузкой сети, заменяя распределенные емкости фаз элементов сети относительно земли эквивалентными расчетными емкостями Coj, не учитываются активные и индуктивные сопротивления линий, а также междуфазные емкости присоединений. Указанные и допустимые ограничения, как показывает большинство исследований и практический опыт, не влияют на степень достоверности результатов экспериментов. В целях безопасности применяется трехфазная электрическая сеть переменного тока напряжения 220/127 В.

- Режимы залежей нефти и газа
- Режимы месторождений природных газов и особенности их проявления
- Режимы Муссолини и Гитлера; появление термина «тоталитаризм
- Режимы Муссолини и Гитлера; появление термина «тоталитаризм»
- Режимы обкатки и оборудование для двигателей КамАЗ после капитального ремонта
- Режимы работы нефтяных залежей
- Режимы работы транзистора
- Режим труда и отдыха и лечебно-профилактические мероприятия при использовании персональных ЭВМ
- Режим труда и отдыха, медико-профилактические и оздоровительные мероприятия при работе с ПК
- Режим труда и отдыха студентов
- Режим труда и отдыха. Умственная и физическая работоспособность
- Режим чрезвычайного положения в Республике Казахстан
- Режим чрезвычайного положения и функции органов внутренних дел
- Режимы валютного курса