Перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на землю в сетях 6…35 кВ

Лабораторная работа № 8

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ДУГОВЫХ

ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6…35 кВ

Цель работы

       Изучение переходных процессов в сетях средних классов напряжений 6…35 кВ, возникающих при горении перемежающейся дуги в различных режимах эксплуатации нейтрали сети.

Программа работы

По заданным характеристикам исследуемой сети определить параметры схемы замещения сети для исследования дуговых перенапряжений. Проанализировать переходные процессы и оценить кратности перенапряжений в исследуемой схеме при изолированной нейтрали сети для следующих расчетных случаев:

процессы на фазах и нейтрали в первый и последующие моменты (повторные)  зажиганий дуги по гипотезе Петерсена; то же, но при гашении дуги через 1…2 мс после зажигания дуги; оценить влияние трансформаторов напряжения контроля изоляции (ТНКИ) на процессы в нейтрали и на фазах;

Исследовать процессы в нейтрали и на фазах после погасания дуги при заземлении нейтрали сети через резистор. Предварительно оценить необходимую величину сопротивления резистора по требуемой постоянной времени разряда емкости сети. Оценить кратности перенапряжений при выбранной величине сопротивления резистора. Исследовать процессы  при заземлении нейтрали сети через дугогасящий реактор (ДГР):

рассчитать значение индуктивности дугогасящего реактора, отвечающего заданной степени компенсации (КL=1,0…1,2); исследовать процессы после гашения дуги на фазах и нейтрали и оценить кратности перенапряжений при заданной степени компенсации емкостных токов замыкания на землю.

Результаты расчетов занести в таблицу 3. Оценить эффективность применения нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) с различными характеристиками с точки зрения ограничения перенапряжений и энергоемкости ОПН. Результаты расчетов занести в таблицу 4. По каждому разделу работы сделать вывод.

Пояснения к работе

       Замыкания на землю в распределительных сетях 6…35 кВ являются преобладающим видом повреждения. Их доля от всех видов аварий составляет от 30 до 80 %. Степень опасности замыканий зависит от величины тока замыкания и способа заземления нейтрали. Поскольку замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, как правило, не сопровождаются немедленным отключением потребителей и сети могут достаточно долго (до нескольких часов) эксплуатироваться в режиме однофазного замыкания на землю, перенапряжения, возникающие вследствие таких замыканий, являются не только наиболее распространенным видом перенапряжений, но и наиболее длительно существующим.

       Все однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) можно условно разделить на две группы: бездуговые (металлические или через сопротивление) и дуговые. Дуговые ОЗЗ (ОДЗ) наблюдаются при пробоях и перекрытиях фазной изоляции и протекании тока замыкания через электрическую дугу и также подразделяются на две группы. Во-первых, это длинные свободно горящие на открытом воздухе дуги, возникающие в результате перекрытия внешней изоляции, например, вследствие грозовых перенапряжений. Второй вид – короткие закрытые дуги внутри твердой, жидкой или комбинированной изоляции, причиной возникновения которых являются пробои внутренней изоляции кабелей, машин, трансформаторов и т. д.

       При токах до 5 А открытые дуги горят неустойчиво и в большинстве случаев самоустраняются. Увеличение тока до 10 А и более снижает вероятность самоустранения дуги, и перемежающаяся дуга может гореть длительно.

       Процесс перемежающегося горения дуги сопровождается появлением перенапряжений, которые исследованы в работах Петерсена, Петерса и Слепяна, , . Уровни перенапряжений при ОДЗ по данным теоретических и экспериментальных исследований лежат в диапазоне 2,5…4,1 Uфm (Uфm – амплитудное значение фазного напряжения сети) и представляют наибольшую опасность для ослабленной изоляции по причине своей продолжительности, многократной повторяемости и распространенности на все элементы сети. Наибольшие перенапряжения возникают в сетях с токами замыкания на землю порядка 5…15 А, так как при больших токах растет вероятность перехода ОДЗ в двухфазное короткое замыкание (КЗ) в точке горения дуги, что приводит к отключению сети. Поскольку емкостной ток замыкания на землю зависит от протяженности распределительной сети, в режиме с изолированной нейтралью эксплуатируются в основном сети небольшой протяженности.

       Рассмотрим переходные процессы при ОДЗ в сети, принципиальная схема которой изображена на рис.1. Поскольку рассматриваются короткие участки линий, их собственной индуктивностью можно пренебречь, а емкости считать сосредоточенными в одной точке, источники энергии преобразованы к эквивалентному генератору.

Рис.1. Расчетная схема

       В схеме приняты следующие обозначения:

ea, eb, ec  – ЭДС эквивалентного источника;

Cф  – эквивалентные емкости фаз на землю,

Сфф  – междуфазные емкости;

Lи  – индуктивность источника питания;

L0, R0  – индуктивность и активное сопротивление  дугогасящего реактора;

RN  – сопротивление резистора в нейтрали;

Lвн и Rвн  – индуктивность и активное сопротивление обмотки ВН ТНКИ;

Lнн  – индуктивность обмотки НН ТНКИ;

RΔ  – сопротивление обмотки НН ТНКИ, соединенной в треугольник.

       В процессах, сопровождающих горение перемежающейся дуги, можно выделить три основных этапа. С помощью осциллограмм, приведенных на рис.2, рассмотрим каждый из них в отдельности при ОДЗ на фазе "А".

       Первый этап. Непосредственно после замыкания на землю фазы "А" емкость относительно земли фазы "В", заряженная до напряжения Ub(t1), соединяется параллельно с междуфазной емкостью, находящейся под линейным напряжением Uab(t1). Напряжения на двух параллельно соединенных емкостях практически мгновенно уравниваются, и они приобретают одинаковое напряжение Uнач, которое определяется из баланса зарядов:

       

где .

       Обычно Сфф = (0,25–0,3) Сф и k = (0,2–0,25). При первом зажигании дуги на фазе "А" в момент, близкий к максимуму напряжения на поврежденной фазе, напряжения на здоровых фазах "В" и "С" равны между собой. Например, при На фазах "В" и "С" на данном этапе процессы происходят аналогично. Таким образом, непосредственно после замыкания на землю напряжения на неповрежденных фазах изменяются скачком. Далее происходит перезаряд фазных и междуфазных емкостей неповрежденных фаз через индуктивность источника. На этом этапе свободные колебания происходят вокруг вынужденного линейного напряжения Uab или Uac с частотой и амплитудой . Напряжение на неповрежденных фазах достигает своего максимального значения через полпериода свободных колебаний к моменту времени (см. рис.2).

       С момента замыкания на землю в канале дуги протекает ток, который включает в себя вынужденную составляющую (ток промышленной частоты) и свободную высокочастотную составляющую (рис.2). Так как частота свободных колебаний ω1 много больше промышленной частоты ω, то амплитуда свободной составляющей тока намного больше вынужденной и суммарный ток проходит через нуль приблизительно в момент максимума напряжения на неповрежденных фазах . По гипотезе Петерсена, в этот момент происходит гашение дуги, и начинается второй этап процесса горения перемежающейся дуги.

       Отметим, что начальная стадия процесса не зависит от способа соединения нейтрали с землей. Дальнейший же характер процессов зависит как от условий гашения дуги, так и от способа заземления нейтрали сети.

       Второй этап. Если при переходе через нуль тока происходит гашение дуги, то в дальнейшем во время бестоковой паузы осуществляется деионизация дугового столба, в результате которого восстанавливается электрическая прочность дугового промежутка. В результате процесса восстановления нормальной схемы также происходит перезаряд емкостей. На неповрежденных фазах остаются заряды и соответственно. На емкости поврежденной фазы заряд равен нулю. Суммарный заряд распределяется поровну между емкостями трех фаз, которые приобретают одинаковое дополнительное напряжение по отношению к земле (смещение нейтрали), накладывающееся на напряжение источника: .

а)

б)

в)

Рис.2 Напряжение на аварийной фазе (а), на здоровых фазах (б) и ток в месте замыкания (в) при горении дуга на фазе "А"

  В рассматриваемом случае при погасании дуги  в момент максимума напряжения на неповрежденных фазах () . Процесс восстановления симметричной схемы происходит с частотой , которая определяется как .

       Эти колебания приводят к характерному всплеску напряжения, носящему название пика гашения Uп. г. После затухания свободных колебаний, обусловленных восстановлением симметричной схемы, происходит более плавный подъем напряжения с частотой источника. Дальнейшие процессы зависят от скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке и от скорости восстановления электрической прочности данного промежутка.

       Третий этап. Если скорость восстановления напряжения на промежутке превышает скорость восстановления электрической прочности данного промежутка (кривая 1 на рис.2,а), то происходит повторное зажигание дуги. Значение напряжения, при котором вновь зажигается дуга, называется напряжением повторного пробоя Uр. Повторное зажигание дуги также сопровождается колебательным процессом, причем наибольшие перенапряжения возникают в случае, если оно происходит приблизительно через полпериода после первого гашения. Увеличение напряжения в переходном режиме по сравнению с первым зажиганием обусловлено смещением нейтрали . На рис.2 видно, как изменяется напряжение на неповрежденной фазе при смещении нейтрали на величину и увеличивается разность между установившимся напряжением и напряжением неповрежденной фазы в момент, предшествующий зажиганию дуги. Как было показано при рассмотрении первого этапа процесса, это ведет к увеличению амплитуды свободных колебаний. Если же скорость восстановления электрической прочности достаточно велика (кривая 2 на рис.2,а), то повторного зажигания дуги не происходит, при этом кратности перенапряжений на здоровых фазах ограничиваются значением порядка 2,5Uфm (напряжение после первого зажигания дуги)

       Таким образом, по гипотезе Петерсена дуга гаснет при первом переходе полного тока замыкания на землю (с учетом высокочастотной составляющей) через нулевое значение (момент t2 на рис.2,в) и вновь зажигается через полпериода в момент максимума напряжения на поврежденной фазе. Такой режим, основанный на идеализации поведения дуги, маловероятен, но его рассмотрение позволяет получить предельные значения перенапряжений, т. е. с запасом оценить их опасность для изоляции. Если же дуга гаснет не при первом, а при последующих прохождениях тока высокой частоты через нулевое значение или в момент перехода через ноль тока промышленной частоты (момент t3 на рис.2,в), то перенапряжения на здоровых фазах при повторных пробоях существенно снижаются вследствие затухания переходного процесса с течением времени за счет активных сопротивлений элементов сети.

       Приведем расчет максимально возможных перенапряжений на здоровых фазах при ОДЗ на фазе "А" в момент максимума напряжения на ней при пренебрежении значениями междуфазных емкостей (С2 = 0, k = 0).

       В момент времени t1

               

               .

       В момент времени t2 напряжение на здоровых фазах достигает своего максимального значения

               .

       После погасания дуги происходит смещение нейтрали сети на величину

               .

       Допустим, что прочность воздушного промежутка такова, что повторное зажигание дуги произойдет в момент максимума напряжения на фазе "А" (момент времени t3 на рис.2). Значение напряжения, при котором вновь зажигается дуга, называется напряжением повторного пробоя.

               ,

               ,

               ,

               .

       Максимальные перенапряжения и смещение нейтрали растут от полупериода к полупериоду, но темп роста постепенно замедляется. Это объясняется тем, что параллельно с накоплением зарядов на емкостях после каждого погасания дуги происходит стекание зарядов в землю за время горения дуги. Эти два противоположных процесса приводят к тому, что рост перенапряжений прекращается.

       Одним из наиболее распространенных средств уменьшения перенапряжений при ОДЗ являются включение в нейтраль сети дугогасящего реактора (сеть с компенсацией емкостного тока замыкания на землю) или активного сопротивления (резистивное заземление нейтрали). В этих случаях процессы на аварийной фазе являются результатом наложения ЭДС фаз на напряжение в нейтрали, которое в данных случаях не является постоянным в период времени между зажиганиями дуги. При заземлении нейтрали через резистор подбором величины активного сопротивления RN можно добиться снижения напряжения на нейтрали к моменту повторного зажигания дуги и, следовательно, ограничения перенапряжений на здоровых фазах.

       При заземлении нейтрали сети с помощью ДГР через место замыкания проходят емкостной ток замыкания на землю и ток катушки индуктивности, которые компенсируют друг друга. При настройках ДГР, близких к резонансным, уменьшаются как перенапряжения на здоровых фазах, так и вероятности повторных зажиганий дуги.

Наиболее радикальное мерой защиты от дуговых перенапряжений является оснащение нейтрали сети резисторами. В этом случае за счет разряда емкости сети через сопротивление резистора к моменту последующего повторного зажигания дуги (через 0,5 периода промышленной частоты, т. е. 10 мс) напряжение в нейтрали практически равно нулю, а на фазах – напряжение, отвечающее нормальному режиму работы сети. Следовательно, при возникновении повторных зажиганий перенапряжения на здоровых фазах не превысят уровня, отвечающего первому зажиганию дуги (2,5Uфm), т. е. не опасного для изоляции любого оборудования сети, даже имеющего наиболее низкий уровень (двигатели, генераторы).

       Как показали эксперименты в реальных сетях, напряжение на изолированной нейтрали сети существенно зависит от наличия трансформаторов напряжения контроля изоляции (ТНКИ), обмотки высокого напряжения которых соединены в звезду с нулем. В этом случае цепь тока замыкания дополняется нелинейной индуктивностью трансформатора напряжения, что также ограничивает емкостной ток замыкания и уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги.

Методические указания

       Исследование переходных процессов при ОДЗ в сетях 6…35 кВ осуществляется с помощью программы Duga, реализованной в системе Matlab 6.5.

       Примерные параметры электрических сетей, эксплуатируемых с изолированной или неэффективно заземленной нейтралью, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики сетей с изолированной нейтралью

Тип сети	Uном, кВ	Токи замыка-ния на землю, А	Sтр, МВА	Uk, %	Тип ТНКИ
Распределительная сеть 6…35 кВ	6…35	5…15	10…40	11…14	НТМИ-6 НТМИ-10 ЗНОМ-35
Сеть собственных нужд электрических станций	6	5…30	6,3…63	11…14	НТМИ-6
Сеть генераторного напряжения блоков электрических станций	15,75…24	5…10	100…500	11…14	ЗНОМ-15 ЗНОЛ-15

Таблица 2

Основные характеристики ОПН для установки

в сетях с изолированной нейтралью

Uном, кВ	Тип ОПН	Uост (при токе 500 А)	Uc, кВ	Класс энергоемкости
6	ОПН-6/5,5 – 10(1)	13,5	5,5	1
ОПН-6/7,2 – 10(1)	17,5	7,2
ОПН-6/6,6 – 10(2)	16,5	6,6	2
ОПН-6/7,2 – 10(2)	18,1	7,2
10	ОПН-10/10,5 – 10(1)	26,6	10,5	1
ОПН-10/12,7 – 10(1)	32,0	12,7
ОПН-10/10,5 – 10(2)	26,3	10,5	2
ОПН-10/12 – 10(2)	29,9	12
35	ОПН-35/40,5 – 10(1)	102	40,5	1
ОПН-35/38,5 – 10(2)	96,6	38,5	2

       В качестве входных используются параметры, предварительно вычисленные по следующим формулам:

        – индуктивность источника;

        – емкость фазы;

        – междуфазная емкость.

       Результаты проведенных вычислительных экспериментов при наличии повторных зажиганий дуги заносятся в таблицу 3. В таблице приведены следующие обозначения:

       Um1 – максимальное напряжение на здоровых фазах после первого зажигания дуги;

       Um2 – максимальное напряжение на здоровых фазах после второго зажигания дуги;

UN – максимальное напряжение на нейтрали;

       Uр – напряжение повторного пробоя, при котором возможно повторное зажигание дуги

       R и L – параметры ДГК при соответствующем коэффициенте компенсации KL.

       RN – сопротивление резистора в нейтрали при KR = 1

При наличии защитных аппаратов типа ОПН необходимо провести расчеты для двух типов ОПН на соответствующий класс напряжения и оценить уровень ограничения перенапряжений и энергетические воздействия на данные защитные аппараты при горении перемежающейся дуги для наиболее тяжелого случая (при изолированной нейтрали сети). Результаты вычислений занести в таблицу 4.

Таблица 3

Результаты расчетов кратностей перенапряжений при ОДЗ

Гипотеза	Uр	UN	Um1	Um2
Петерсена	2,6
5-й переход тока дуги через "0"
С учетом ТН
Резистивное заземление (RN  =  )
KL = 1 R= L=
KL=1,1 R= L=
KL=1,2 R= L=

       Примечание: 1-й вариант – Rд = 0,1 Ом, С2 = 0;

  2–7 варианты – Rд = 1 Ом, С2 = 0,25С1.

       Таблица 4

Результаты расчетов кратностей перенапряжений при ОДЗ

и энергетических воздействий на ОПН (нейтраль изолирована)

Характеристики ОПН	Um, о. е.	iОПН, А	WОПН, кДж/кВ
Uc, кВ	Uост (500 А)	Класс энергоемкости

Контрольные вопросы

За счет чего возникают высокие кратности перенапряжений при ОДЗ? Почему при наличии ТН перенапряжения при ОДЗ несколько снижаются? В чем проявляется защитное действие ДГР? Какова его эффективность при варьировании степени компенсации? Какова зависимость перенапряжений при ОДЗ от напряжения повторного пробоя дугового промежутка? Почему при наличии резистора в нейтрали сети повторных зажиганий дуги не возникает? Почему при выборе ОПН в сетях 6…35 кВ необходимо оценивать энергетические воздействия на данный защитный аппарат? Какие требования необходимо предъявлять к защитным аппаратам при различных способах заземления нейтрали? Перечислите достоинства и недостатки различных режимов заземления нейтрали в распределительных сетях 10…35 кВ.

Литература

Техника высоких напряжений /Под ред. . –С-Пб, 1998. – 700 с. Техника высоких напряжений / . – М.: Энергия, 1976. – 488 с. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов /. – М.: Энергия, 1971. – 152 с.