Однофазные замыкания на землю в распределительных сетях 6-35 кВ – что это?

Суть процесса электроснабжения заключается в доставке электроэнергии от места, где она производится (электрические станции) до места ее потребления (электроприемники). Транспорт электроэнергии осуществляется по электрическим сетям, включающим в себя линии электропередачи, силовые трансформаторы, распределительные устройства и другое вспомогательное оборудование. Сама по себе передача электроэнергии производится по специальным трехфазным электрическим цепям высокого напряжения, чем выше уровень напряжения, тем с меньшими потерями мощности происходит доставка электроэнергии по цепи, но при этом повышение напряжения увеличивает стоимость самой электроустановки, таким образом, выбор оптимального уровня напряжения электроустановки – это сложная технико-экономическая задача. Как правило, распределение электроэнергии к потребителям осуществляется на классе напряжения 6-35 кВ, но иногда можно встретить подстанции глубокого ввода, когда распределение электроэнергии к очень мощным электроприемникам осуществляется на напряжении 110-220 кВ.

Одна из особенностей транспорта электроэнергии заключается в наличии нейтрального провода в схеме, который представляет из себя общую точку источников питания трехфазной электрической системы, также называемой нейтралью.

Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю — это вид повреждения, когда одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. Процессы, протекающие в сети при возникновении такого замыкания, значительным образом зависят от режима работы нейтрали данной сети.

В сетях с изолированной нейтралью ток однофазного замыкания на землю замыкается через емкости неповрежденных фаз. Его значение невелико и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз. Соотношения линейных напряжений при возникновении однофазного замыкания на землю не изменяются, что позволяет эксплуатировать сеть, не отключая повреждения данного вида незамедлительно. Однако, однофазное замыкание на землю представляет значительную опасность для оборудования, вследствие того, что уравнивание потенциала поврежденной фазы и земли приводит к увеличению напряжения между неповрежденными фазами и землей до значения порядка номинального линейного напряжения сети. Изоляция неповрежденных фаз в результате воздействия повышенного напряжения подвержена ускоренному старению, что в конечном счете может привести к замыканию на землю других фаз и возникновению двойного замыкания на землю, являющегося коротким замыканием и требующего немедленного отключения поврежденного участка сети.

Кроме того, ток однофазного замыкания, растекаясь по земле вблизи места замыкания на землю, представляет опасность для жизни людей и животных.

В сетях с заземленной нейтралью однофазное замыкание на землю является коротким замыканием. Ток повреждения в данном случае замыкается через заземленные нейтрали первичного оборудования и имеет значительную величину. Такое повреждение требует немедленного обесточивания поврежденного участка.

Учитывая данную особенность, а также сложность реализации изоляции между фазными проводами и землей для различных классов напряжения (чем выше класс напряжения, тем сложнее эту изоляцию выполнить), то выбор оптимального типа нейтрали также является сложной технико-экономической задачей.

70-90% электричеcких повреждений

приходится на ОЗЗ 1

Причины однофазных замыканий на землю могут быть весьма различны, но все они возникают из-за нарушения изоляции оборудования электроустановок, особенно на кабельных или воздушных линиях электропередачи. Нарушение изоляции может быть по причине ее старения, а также вследствие механических воздействий на электроустановку, чаще это повреждение кабеля при проведении земляных работ или падение ветки дерева на провод воздушной линии и т.д.

В России данная задача нашла решение в таком виде, что распределительные сети уровнем 6-35 кВ эксплуатируются в изолированном от земли режиме нейтрали источников питания, а сети более высокого уровня напряжения эксплуатируются в режиме, когда нейтраль напрямую связана с землей – глухозаземленный и эффективный режим нейтрали.

1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.:НТФ «Энергопрогресс». //Приложение к журналу, «Энергетик», выпуск 11(35) 2001, 102 с.

Источник

Понятие и расчет тока замыкания на землю

Такое явление, как растекание тока при замыкании на землю одного из фазных проводников, возникает вследствие его случайного соприкосновения с грунтом. К этому же типу внештатных ситуаций следует отнести и снижение изоляционных характеристик защитной оболочки кабеля, проложенного в земле.

Явление растекания

В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.

При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.

Одновременно с этим суммарный магнитный поток (индукция) в двух других обмотках НТМИ увеличится в √3 раз, а соответствующими вольтметрами вместо фазного измеряется линейное напряжение.

В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.

Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.

Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:

С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:

Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.

Последствия замыкания

Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.

Стекание тока

Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.

В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.

Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.

Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.

Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.

Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.

В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.

Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).

Возникновение дуги

Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.

Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.

Компенсационные меры защиты

В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.

Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (смотрите рисунок 1, б). С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.

Практически установлено, что при наличии компенсатора воздушные и кабельные линии могут работать в критическом аварийном режиме довольно продолжительное время и вот почему.

Как только протекающий в реакторе индуктивный ток Ip сравнивается по своей величине с противофазной емкостной составляющей Ic – наблюдается эффект компенсации, при котором Iр + Iс = 0 (явление резонанса токов).

Реакторы с индуктивным импедансом достаточно просто настраиваются на работу с переменным значением компенсационного потока и могут эксплуатироваться в режимах недо- и перекомпенсации.

В резонансном режиме такое рассогласование приводит к искажению нормальной картины распределения потенциалов даже в отсутствии однофазного замыкания (ОЗЗ).

Искусственное предупреждение резонансных явлений может быть достигнуто путём преднамеренного рассогласования соответствующих цепей, в результате чего удаётся снизить Ucм и выровнять показания контрольных приборов.

Дополнительное замечание. Варьировать величину компенсационных токов допускается в пределах, при которых образовавшееся в случае аварии рассогласование не приводило бы к появлению Ucм более чем 0,7 Uф.

Порядок расчёта параметров однофазного замыкания

Расчет емкостного тока замыкания предлагаем рассмотреть на примере типовых электрических подстанций с действующим напряжением 10 киловольт.

Для повышения точности проводимых при этом выкладок советуем воспользоваться методом, при котором за основу берётся показатель удельного ёмкостного тока. (С его рабочими значениями можно будет ознакомиться в одной из таблиц, приведённых в приложении). Формула, в соответствии с которой рассчитывается этот показатель, выглядит следующим образом:

Uф – эта фазное напряжение 3-х фидерной электросети, киловольты,

Со – величины ёмкости каждой отдельной фазы по отношению к земле (микрофарады/километры).

Сразу же вслед за этим можно будет приступать к определению величины ёмкостной составляющей тока в самой фидерной линии:

По завершении основного расчёта переходим к определению параметров срабатывания защиты от перенапряжений (компенсационных токов).

При их проведении следует исходить из показателя емкостного тока защиты, определяемого по формуле:

где:
Кн – показатель надежности работы защиты (обычно он принимается равным 1,2),

Кбр – показатель так называемого «броска», учитывающий скачок тока в момент возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ),

Ic фидера макс. – емкостный ток подлежащего защите фидера.

Соблюдение неравенства, обозначенного в приведённой выше формуле, позволяет обеспечить условия, при которых даже при возникновении однофазного замыкания на землю защита не будет срабатывать.

Для реле ЭМ типа рекомендуемый показатель надёжности срабатывания защиты, как правило, выбирается равным 2 или 3 единицам. При этом в защитной схеме не предусматривается специальная временная задержка. При установке в этих цепях цифровых реле рабочее значение показателя Кбр = 1-1,5.

В заключение отметим, что для различных промышленных устройств фидерной защиты указанные параметры могут иметь значения, несколько отличающиеся от тех, что приведены в расчётах.

Источник

Отыскание земли в сети с изолированной нейтралью

В электроустановках рабочим напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью, при повреждении или нарушении изоляции, падении провода и т.д. возникает замыкание на землю. Режим однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью аварийным не является. Следовательно, автоматического отключения поврежденного участка электрической сети не будет.

Данный режим работы является опасным для изоляции оборудования, так как фазные напряжения при этом значительно увеличиваются. Это в свою очередь приводит к пробою изоляции и переходу из однофазного в двухфазное замыкание на землю.

Кроме того, замыкание на землю очень опасно для людей, в частности для обслуживающего персонала (при возникновении повреждения на территории ОРУ или ЗРУ). При этом высока вероятность поражения электрическим током в результате растекания токов на землю (шагового напряжения).

Следовательно, оперативному персоналу, который осуществляет обслуживание электроустановки, необходимо в кратчайший срок устранить возникшее повреждение, то есть определить место повреждения.

Замыкание на землю бывает нескольких видов: металлическое замыкание, неполное замыкание через электрическую дугу и замыкание на землю через поврежденную изоляцию токоведущих частей.

Контроль изоляции в электроустановках 6-35кВ осуществляется при помощи:

— реле минимального напряжения, которые включены на фазные напряжения ТН;

— реле напряжения, которые включены в обмотку разомкнутого треугольника;

— токовых реле, которые включены к выходу фильтра токов нулевой последовательности;

— вольтметров контроля изоляции.

Показания вольтметров контроля изоляции:

— при металлическом замыкании на землю: на поврежденной фазе прибор показывает «ноль», при этом напряжение на двух других фазах увеличивается в 1,73 раза, то есть равно линейному напряжению сети;

— при замыкании на землю через дугу: на поврежденной фазе «ноль», на других фазах напряжение увеличивается в 3,5-4,5 раз;

— при замыкании на землю через сниженное сопротивление изоляции показания вольтметра контроля изоляции несимметричны. Происходит так называемый «перекос» фаз сети.

В зависимости от выполненной схемы контроля изоляции, осуществляется сигнализация «замыкания на землю» с указанием конкретной поврежденной фазы, так и без определения фазы. В последнем случае поврежденная фаза определяется по показаниям киловольтметров контроля изоляции того или иного участка сети. Фиксировать показания вольтметров контроля изоляции необходимо в обоих случаях.

Кроме того, существуют ложное срабатывание сигнала земля.

Перечислим основные причины ложного срабатывания сигнала «земля» в сети 6-35кВ:

— значительное отличие емкостей фаз относительно земли;

— неполнофазное отключение трансформатора;

— подключение к участку сети другого некомпенсированного участка сети, в том числе автоматическое (работа АВР);

— обрыв фазы (перегорание предохранителя) по стороне ВН или НН силового трансформатора. При этом будет незначительный перекос напряжений;

— обрыв фазы (перегорание предохранителей, отключение автоматического выключателя или другая причина) трансформатора напряжения, который предназначен для контроля изоляции данного участка сети. При обрыве фазы по стороне НН одна фаза будет показывать ноль, а две другие фазное напряжение. При обрыве фазы по высокой стороне (ВН) показания приборов контроля изоляции будут несимметричные. При этом определить, сгорел предохранитель или нет по показаниям приборов сложно, так как перекос незначительный.

Рассмотрим случай незначительного перекоса фаз (ложное срабатывание сигнала замыкания на землю). Когда перегорает предохранитель по высокой стороне ТН, кратковременно появляется сигнал «земля», затем наблюдается незначительный перекос фазных и линейных напряжений. Причиной такого перекоса может быть отличные емкости фаз по отношению к земле, несимметричная нагрузка потребителя.

В данном случае можно попробовать поочередно отключить присоединения, которые питаются от данного участка сети (секции или системы шин). Если показания приборов контроля изоляции не изменяются, то высока вероятность того, что причиной такого перекоса напряжений является перегорание предохранителя по стороне ВН трансформатора напряжения.

Действия оперативного персонала электроустановки по отысканию места замыкания на «землю».

Отыскание однофазного замыкания осуществляется при помощи специального прибора или методом поочередных отключений. В данном случае производится поочередное отключение присоединений, запитанных от секции (системы) шин, где ТН показывает наличие повреждения, а также присоединения участков электрической сети, которая электрически связана с этой секцией (системой) шин.

Если после отключения линии сигнал «земля» пропал, то это свидетельствует о том, что замыкание на «землю» было на данной линии. Данное присоединение можно ввести в работу только после выяснения причины возникновения однофазного замыкания.

Если методом поочередных отключений отходящих присоединений поврежденный участок найти не удалось, то следует отключить все присоединения участка сети, где появилась «земля», убедиться в том, что сигнал о однофазном замыкании устранился. Затем необходимо поочередно включить отходящие присоединения. Если включение одной из отходящих линий совпало с появлением сигнала «земля», то данное присоединение необходимо отключить и не вводить в работу до выяснения причины срабатывания сигнала «земля».

Соответственно, если при включении в работу предварительно выведенного в ремонт присоединения появилась «земля» данное присоединение должно быть немедленно отключено.

Бывают также ситуации, когда при отключении всех отходящих линий сигнал «земля» не устраняется. Это свидетельствует о том, что возникло повреждение на оборудовании подстанции, например, на участке от силового трансформатора до секции шин включительно. Прежде всего, необходимо определить, повреждение находится на секции шин или на другом оборудовании (вводной выключатель, ошиновка от силового трансформатора до вводного выключателя).

Для этого отключаем вводной выключатель данной секции, включаем секционный выключатель. Если по секции, к которой присоединен этот участок сети, появился сигнал «земля», то повреждение находится на секции шин. Поврежденная секция должна быть выведена в ремонт для устранения повреждения.

Если сигнал «земля» отсутствует, то повреждение находится на участке от силового трансформатора до вводного выключателя секции включительно. В данном случае необходимо произвести осмотр оборудования данного участка распределительного устройства на предмет наличия повреждений. Если причиной возникновения «земли» является пробой изоляции, то, скорее всего, визуально повреждение найти не удастся.

Для отыскания повреждения необходимо вывести данный участок распределительного устройства в ремонт. Отыскание дефекта изоляции производится электролабораторными испытаниями оборудования.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

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

1. Основные характеристики ОЗЗ

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

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

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

Рисунок 1 – Схема сети с изолированной нейтралью а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ

Такое повреждение не требует немедленного отключения, однако, его длительное воздействие может привести к развитию аварийной ситуации. Однако при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом.

На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений.

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

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

2. Последствия ОЗЗ

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

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

3. Расчет суммарного тока ОЗЗ

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

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

Выражение для определения тока ОЗЗ:

,

где С_∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С_∑ = С_{уд l};
С_уд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км;
l – общая длина проводника одной фазы сети.

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

,

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

4. Компенсационные меры защиты

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

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

Таблица 1 – Значения токов требующие компенсации

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

5. Дугогасящий реактор

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

Рисунок 3 – Дугогасящий реактор

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

6. Основные характеристики ДГР

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

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

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

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

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

Источник