Статьи и аналитикаБиблиотекаОбразованиеМероприятия  
Каталог

Повышение надежности эксплуатации электрооборудования распределительной кабельной сети 6 кВ

Автор: Екимуков СС, инженер, НГТУ, 
научный руководитель Кадомская К.П. , д.т.н. профессор НГТУ

1. Постановка исследований

Поставленная задача рассматривалась применительно к одному из сетевых районов Петродворцовой электросети 6 кВ.

В последнее время из-за изношенности сети в ней участились технологические нарушения, в том числе связанные с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ) и однофазными дуговыми замыканиями (ОДЗ), приводящими к перенапряжениям и к нарушению электрической прочности изоляции электрооборудования.

Целью настоящей работыявляется разработка мер, повышающих эксплуатационную надежность рассматриваемой сети 6 кВ, как с точки зрения обеспечения приемлемого уровня перенапряжений и возможности оснащения сети селективной релейной защитой, так и с точки зрения обеспечения тепловой стойкости электрооборудования в аномальных режимах. Поскольку в настоящее время во многих электрических сетях намечается расширенная замена маломасляных выключателей на вакуумные, то в докладе затрагивается и этот вопрос.

Для достижения поставленной целив работе проанализирована эффективность оснащения нейтрали сети 6 кВ резисторами, а также сформированы требования к характеристикам вакуумных выключателей, обладающих весьма высоким эксплуатационным ресурсом.

2. Токи при О3З в сети с изолированной нейтралью

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью 6-35 кВ – основная причина большинства аварий, увеличения вероятности высоких кратностей внутренних перенапряжений, преждевременного выхода из строя электрооборудования высокого напряжения и нарушения электроснабжения потребителей.

В докладе представлены исследования процессов в  кабельной распределительной сеть 6 кВ, питаемой от ПС 6 кВ.

Шины 6 кВ рассматриваемрй ПС с указанием питаемых от этих шин распределительных пунктов (РП) представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Шины 6 кВ питающей ПС

Подстанция 6 кВ питается от понижающего трансформатора ТДНС–10000/35/6. На распределительных подстанциях (пунктах) установлены понижающие трансформаторы ТМ-100-630/6 кВА, обмотки низшего напряжения которых соединены в треугольник, следовательно, нагрузка ТМ при расчетах процессов, происходящих в схеме для нулевой последовательности фаз, не учитывается. Входные емкости этих трансформаторов существенно меньше емкостей кабелей их присоединения и, следовательно, могут не учитываться в эквивалентной емкости сети, примыкающей к шинам 6 кВ рассматриваемой ПС (рисунок 1). В настоящее время в рассматриваемой электрической сети проложены кабели одного типа – АСБ – трехфазного исполнения, сечением 240 мм2. Протяженность кабельных линий составляет 34,5 км. Суммарные фазная и междуфазная емкости присоединений составили Сф= 13.2 мкФ, Сфф=4.2 мкФ соответственно.

Ток однофазного замыкания на землю в случае изолированной нейтрали (ИН) составил 45,4 А. Поскольку ток ОЗЗ при ИН превысил предельно допустимое значение для класса напряжения 6 кВ – 30 А, а при резистивном заземлении нейтрали его значение еще более возрастет, целесообразно предусмотреть подключение в нейтраль сети параллельного соединения резистора и дугогасящего реактора (ДГР)

3. Выбор сопротивления резистора и индуктивности ДГР в нейтрали сети [1]

Выбор сопротивления резистора производится, исходя из его равенства по модулю суммарному сопротивлению емкости трех фаз сети на промышленной частоте.

,  (1)

Значения сопротивления резистора для различных значений коэффициента KRсведены в таблицу 1.

Таблица 1

Сопротивления резисторов в нейтрали сети при различных значениях KR

KR

0.2

0.5

0.8

1.0

RN, Ом

400

160

100

80

 

Индуктивность реактора при параллельном соединении в нейтрали резистора и ДГР целесообразно настраивать в резонанс с емкостью сети.

, (2)

Полученное значение индуктивности ДГР составило LN=250 мГн. При таком значении индуктивности ток ОЗЗ в месте замыкания на землю будет содержать лишь активную составляющую. В качестве ДГР в рассматриваемой схеме рационально использовать управляемые реакторы, автоматически настраиваемые на полную компенсацию емкостной составляющей тока однофазного замыкания при изменении в эксплуатации схемы сети.

4. Процессы при ОДЗ

Математическая модель и результаты исследований.Рассматриваемая сеть для исследования процессов при ОЗЗ и ОДЗ может быть приведена к виду, показанному на рисунке 2. Поскольку рассматриваются короткие участки линий, то их собственной индуктивностью можно пренебречь, а емкости считать сосредоточенными в одной точке. Для анализа дуговых ПН и получения их незаниженных уровней используется гипотеза Петерсена, которая содержит комплекс самых неблагоприятных факторов.

Рисунок 2. Простейшая эквивалентная схема при исследовании процессов, сопровождающих ОДЗ

На рисунке 3 представлена модель трансформатора напряжения (ТН) с учетом кривой намагничивания его магнитопровода. В модели не учтена обмотка, соединенная в звезду, предназначенная для питания устройств релейной защиты, имеющих высокие значения входных сопротивлений и практически не влияющих на исследуемые процессы.

                            

Рисунок 3. Модель ТН типа НТМИ – 6 кВ

Процессы, протекающие в схеме при ОДЗ в случае изолированной нейтрали (ИН) представлены на рисунке 4,а. Из осциллограммы видно, что в сети с ИН возникают опасные кратности ПН (Ucmax/Uфm=3,71 о.е), которые могут привести к перекрытию изоляции в ослабленных местах и, следовательно, к многоместным повреждениям в рассматриваемой изношенной кабельной сети.

а) при изолированной нейтрали сети

б) при резистивном заземлении нейтрали

 

Рисунок 4. Эскалация перенапряжений при ОДЗ

В качестве примера на рисунке 4,б представлена осциллограмма напряжений при резистивном заземлении нейтрали (при KR=1), иллюстрирующая эффективность этой меры ограничения перенапряжений (ПН), поскольку все повторные зажигания происходят при практически нулевом напряжении на нейтрали сети (емкость сети разряжается через резистор к моменту последующего повторного зажигания дуги). Кратности перенапряжений и токи ОЗЗ при различных значениях сопротивления резистора приведены в таблице 2..

Таблица 2

Влияние величины сопротивления резистора в нейтрали на основные характеристики процесса ОДЗ

Характеристики

процесса

KR

0

0.2

0.5

0.8

1.0

RN, Ом

µ

400

160

100

80

Iз, А

45.4

46.3

50.7

58.1

64.2

Umax/Uфm

3.70

2.88

2.47

2.36

2.32

На основе проведенных расчетов оптимальное сопротивление резистора составляет 120-140 Ом. Для оценки кратностей перенапряжений при комбинированном заземлении нейтрали номинал резистора примем равным 130 Ом. На рисунке 5,б приведены процессы при ОДЗ в случае оснащения нейтрали параллельным соединением резистора и ДГР. Для сравнения на рис.5,а приведены осциллограммы напряжений при установке в нейтрали только резистора.

а) в нейтрали  сети только резистор

б) в нейтрали сети  резистор и ДГР

 

Рисунок 5. Компьютерные осциллограммы перенапряжений в сети при ОДЗ

Как видно, установка в нейтрали сети ДГР приводит к некоторому снижению величин кратностей перенапряжений, но основным положительным эффектом от установки реактора является все же снижение стационарных токов однофазного замыкания на землю (при выбранных параметрах устройств – в 1,8 раза).

Кратности перенапряжений при ОДЗ на фазах и на нейтрали при KR=практически не зависят от степени компенсации емкостного тока и не превышают уровня 2.4UФMAX,который не опасен для изоляции любого электрооборудования сети. На поврежденной фазе напряжение не превышает фазного максимального значения, что весьма существенно снижает вероятность возникновения повторных зажиганий дуги.

5. Феррорезонансные явления

На шинах ПС установлен один трансформатор напряжения (ТН) типа НТМИ. Процесс, сопровождающийся несколькими повторными зажиганиями при кратковременных бросках тока в первичной обмотке ТН, не приводит, как правило, к нарушению его тепловой стойкости. Более опасными для ТН являются процессы при отсутствии повторных зажиганий дуги, но при выполнении в схеме условий существования феррорезонанса. Однократное зажигание дуги нередко наблюдается в кабелях с бумажно-пропитанной изоляцией.

Рассмотрим возможность феррорезонанса, если повторного пробоя не будет. Компьютерная осциллограмма токов в обмотке ВН ТН в этом случае приведена на рисунке 6

Рисунок 6. Компьютерная осциллограмма токов в фазах ТН при отсутствии повторного пробоя.

Благодаря большой протяженности сети и, как следствие, ее большой емкости (Сф=13,2 мкФ, Сфф=4,2 мкФ), опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением магнитопровода единственного ТН, установленного на шинах 6 кВ, не возникает (емкостное сопротивление сети существенно меньше переменного индуктивного сопротивления магнитопрвода ТН как на промышленной частоте, так и на третьей субгармонической).

4. Анализ селективности и чувствительности ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности при комбинированном способе заземления нейтрали сети

Для организации селективной чувствительной релейной защиты на каждом фидере 6 кВ целесообразно установит токовые реле нулевой последовательности, с помощью которых можно легко организовать селективную токовую ненаправленную защиту нулевой последовательности. Её селективность основывается на том, что только в поврежденном фидере течет ток, определяемый геометрической суммой нескомпенсированного сумарного емкостного тока сети и активного тока в резисторе. По остальным фидерам текут лишь емкостные токи, определяемые при данной конструкции кабеля лишь его протяженностью.

Токовая защита нулевой последовательности должна распознать именно поврежденный фидер. Для надежного распознавания уставка защиты должна быть в 1.25 раза меньше тока протекающего по поврежденному фидеру.

Распределение токов замыкания на землю может быть пояснено на основе простейшей схемы рисунок 7.

Рисунок 7. Схема распределения токов замыкания на землю

Схема составлена на основе теоремы об эквивалентном генераторе напряжения. Место замыкания размыкается и в рассечку включается источник ЭДС, по величине и по форме совпадающей с напряжением в этой точке до замыкания, но противоположно ему направленной. При этом все остальные источники ЭДС в рассматриваемой схеме замыкаются накоротко.

Из рисунка 7 следует, что по поврежденному фидеру протекает полный ток нулевой последовательности, равный сумме емкостных токов всей сети и току через резистор и ДГР. По остальным же фидерам текут лишь емкостные токи. При замыкании на фазе А емкости всех фаз А фидеров, примыкающих к секции шин оказываются шунтированными сопротивлением дуги, которое очень мало. Следовательно ток нулевой последовательности в каждом фидере (неповрежденном) равен

                              (3)

Поскольку при замыкании на фазе А , то

.                                                      (4)

Учитывая, что

,                                                  (5)

ток в поврежденном фидере равен:

.                                        (6)

По остальным же фидерам (по каждому i-му фидеру) текут только емкостные токи, определяемые емкостью i-го фидера:

.                                                   (7)

Полученные значения емкостных токов приведены в таблице 3:

Таблица 3.  

Емкостные токи фидеров    

№ присоединения

11

12

13

15

19

21

1

4

5

6

8

20

22

27

Емкостный ток присоединения, А

3,92

3,92

2,68

4,87

2,44

4,62

4,42

0,66

0,66

3,92

2,68

4,87

1,12

4,62

 

При однофазном замыкании на присоединении 4 или 5, обладающих наименьшей протяженностью, и настройке ДГР в резонанс (полной компенсации емкостного тока), ток в поврежденном фидере, с учетом активной составляющей резистора (RN=130 Ом), равен 28 А. Следовательно, уставка реле типа РТЗ будет порядка 22 А. Максимальный ток в неповрежденном фидере, носящий емкостной характер, не превышает 5 А, что существенно ниже, и с высокой степенью надежности с помощью ненаправленной токовой защиты будет идентифицирован лишь поврежденный фидер.

Определение поврежденного фидера позволяет оперативно ликвидировать технологическое нарушение, как при срабатывании защиты на отключение, так и на сигнал. Порядок подключения резервного питания и отключения поврежденного фидера должен производиться с учетом технологических особенностей потребителя и организации резервного питания.

6. Требования к вакуумным выключателям [1,2,3]

В настоящее время повсеместно осуществляется замена маломасляных выключателей на вакуумные (ВВ), обладающие существенно большим коммутационным ресурсом и не требующие специального обслуживания в течение примерно 15 лет.

В качестве примера для разработки требований к характеристикам ВВ выбрано присоединение к шинам 6 кВ с минимальной протяженностью(длина кабеля составляет L = 500 м.).

Анализируются две основные характеристики ВВ – отключающая способность (характеризуемая величиной отключаемого тока КЗ) и коммутационная способность (характеризуемая параметрами кривой восстановления электрической прочности в вакуумной дугогасительной камере (ВДК), при которых не будет наблюдаться повторных зажиганий дуги в ВДК в процессе отключения выключателя). Это требование обусловлено тем, что в конце фидера 6 кВ включен ТСН, т.е. элемент, характеризующийся не только изоляцией относительно корпуса (земли), но и витковой изоляцией, весьма чувствительной к градиентным перенапряжениям, которые при повторных зажиганиях дуги в ВДК достигают весьма высоких уровней. Это также относится и к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые приходят на смену кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией.

Основными параметрами ВДК являются ток среза при отключении тока промышленной частоты и начальная скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка, описываемая выражением:

,                                                   (8)

где t0– время между началом расхождения контактов и моментом прохождения тока промышленной частоты в выключателе через нулевое значение.

Для получения незаниженных требований к процессу восстановления электрической прочности t0 в расчетах принималось равным 0…50 мкс.

Анализ токов среза промышленной частоты для реальных вакуумных выключателей 6 кВ, выпускаемых отечественными предприятиями, показал, что с вероятностью не менее 0.95 ток среза в современных ВДК может быть принят равным 5 А.

Расчетная схема для анализа исследуемых переходных восстанавливающихся напряжений (ПВН) на контактах выключателя приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Расчетная схема при отключении первого полюса ВВ

Наибольшие ПН на контактах ВВ возникают при отключении первого полюса выключателя, так как при этой коммутации напряжение на нейтрали сети достигает наибольшего значения.

Процессы при отключении носят высокочастотный характер, следовательно способ соединения нейтрали сети с землей (через ДГР или резистор) не оказывает влияния на исследуемые процессы.

Ниже представлена осциллограмма процесса отключения ВВ при параметрах ВДК, исключающих возникновение повторных зажиганий дуги при t0=0.

Рисунок 9. Компьютерная осциллограмма процессов, сопровождающих отключение ВВ кабеля от ПС 6.3 кВ до РП 174 (длина кабеля 500 м, t0=0, k=40 кВ/мс)

Требуемые скорости восстановления электрической прочности, определенные для различных значений времени t0, при которых не будет наблюдаться повторных зажиганий дуги в ВДК при отключении трехфазного КЗ первым полюсом выключателя, сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Требуемые минимальные начальные скорости восстановления электрической прочности между контактами вакуумного выключателя

t0, мкс

0

10

20

30

40

50

60

k, кВ/мс

40

37

36

35

34

33

32

 

Проведенное исследование позволяет наметить следующие требования к параметрам ВВ 6 кВ ПС «Петродворец».

  • Отключающая способность – »12 кАэфф,
  • Коммутационная способность – при iср

5 А иt0=0 -  .

 

Заключение.

1. Проведенное исследование позволяет рекомендовать для установки в нейтрали сети резистора с сопротивлением порядка 120…140 Ом, существенно уменьшающего кратности перенапряжений при ОДЗ и обеспечивающего тепловую стойкость ТН за счет исключения возникновения феррорезонанса при любом количестве ТН, установленных на секции 6 кВ. Рекомендуется также параллельно резистору установить дугогасящий реактор с номинальным значением индуктивности LN= 0.25 Гн, что позволит снизить стационарные токи замыкания на землю, обеспечивая, таким образом, тепловую стойкость электрооборудования сети при ОЗЗ. Оснащение нейтрали сети резистором обеспечивает возможность организации чувствительной и селективной релейной защиты. Такой режим эксплуатации нейтрали является наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения надежной и безопасной эксплуатации электрооборудования рассмотренной сети 6 кВ.

2. Возможность коммутации кабельных присоединений 6 кВ вакуумными выключателями без повторных зажиганий дуги в ВДК обеспечивается выпускаемыми в настоящее время коммутационными аппаратами: требуемая начальная скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК не должна быть менее 40 кВ/мс.

Использованная литература: 

1. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А.Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.- 368 с.- («Учебники НГТУ»).

2. Таврида Электрик. Вакуумная коммутационная техника нового поколения.-М.:Россия.-1999.-37 с.

3. Greenwood A., Glinkowski M.Voltage Escalation in Vacuum Switching Operation// IEEE Trans.on Power Delivery.-vol.3,No.4, October 1988.

 

Источник: http://portalenergetika.com/

Категории статьи:
Рынок электроэнергетики | Распределительные сети
Проектирование объектов энергетики | Распределительные сети
Эксплуатация и ремонт электрооборудования | Распределительные сети
Эту страницу просмотрели 6244 раза