Исследование и разработка защиты от замыканий на землю в электрических сетях с комбинированным заземлением нейтрали

Актуальность темы

В настоящее время подавляющее большинство распределительных электрических кабельных сетей 6−10 кВ городов и промышленных предприятий России имеют большие емкостные токи замыкания на землю и поэтому работают в режиме компенсации емкостного тока. Опыт эксплуатации таких сетей, обобщенный в ряде работ, показывает, что выполнение селективной защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока сопряжено с рядом принципиальных затруднений.

В настоящее время предложен и применяется новый режим заземления нейтрали — комбинированное заземление нейтрали, заключающийся в том, что параллельно дугогасящему реактору подключается резистор, создающий дополнительную активную составляющую тока, равную 10−20% от суммарного емкостного тока однофазного замыкания сети. При этом имеет место эффект снижения перенапряжений возможных при отклонении настройки компенсации емкостного тока от резонансной.

Целесообразность применения того или иного режима заземления нейтрали определяется рядом факторов, среди которых важным является возможность выполнения селективной защиты от замыканий на землю. Принципиальная возможность выполнения защиты с использованием повышенной активной составляющей при устойчивых замыканиях не вызывает сомнений. Однако работоспособность такой защиты при дуговых перемежающихся замыканиях не очевидна.

В связи с этим, актуальным является проведение исследований электрических процессов при дуговых перемежающихся замыканиях в сетях с комбинированным заземлением нейтрали с целью выявления возможных признаков для выполнения селективной защиты.

Актуальность задачи усовершенствования защиты от замыканий на землю определяется также тем, что, как показали известные исследования последних лет, повышенный износ изоляционной системы распределительных кабельных сетей вызывается не только кратностью перенапряжений, но и особенно длительностью их воздействия. Это обстоятельство особенно важно, когда в одной сети эксплуатируются кабели с бумажно-масляной изоляцией и с изоляций из сшитого полиэтилена. В связи с этим, выполнение защиты от замыканий на землю с действием не на сигнал, как принято в настоящее время, а на отключение в случае, если это допустимо по условию потребителей, может стать реальным резервом повышения надежности распределительных кабельных сетей.

При переводе защиты от замыканий на землю с действием на отключение к ней должны предъявляться более высокие требования в части чувствительности и селективности. С учетом того, что защита от замыканий на землю является массовым устройством, она должна также быть достаточно простой по техническому исполнению и по требованиям к ее эксплуатации.

Эти задачи в определенной степени могут быть решены на базе использования для выполнения защиты повышенной активной составляющей и проведения исследований электрических процессов направленных на обеспечение правильной работы такой защиты как при устойчивых, так и при перемежающихся замыканиях на землю.

При выполнении работы автор использовал известные результаты исследований в области режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю, выполненных Ф. А. Лихачевым, К. П. Кадомской, Г. А. Евдокуни-ным, Л. И. Сариным, Ю. В. Целебровским, И. М. Сиротой, В. А. Шуиным, А. И. Левиушем, В. Г. Алексеевым, В. М. Кискачи, А. И. Шалиным и др.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является выявление признаков, позволяющих выполнить селективную защиту от замыканий на землю в сети скомбинированным заземлением нейтрали, на основе исследования электрических процессов при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

6 .

1. Анализ существующих методов и средств выполнения защиты от однофазных замыканий на землю в условиях применения комбинированного заземления нейтрали.

2. Исследование закономерностей изменения электрических величин нулевой последовательности при дуговых перемежающихся замыканиях для целей разработки защиты от замыканий на землю.

3. Разработка математической модели электрических процессов при дуговых перемежающихся замыканиях в электрической сети с комбинированным заземлением нейтрали, включая модели трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности.

4. Разработка алгоритмов выполнения защит от однофазных замыканий на землю, при которых может обеспечиваться правильная работа защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях.

5. Исследование предложенных алгоритмов построения защит для сети с комбинированным заземлением нейтрали с учетом вероятностного характера процессов при дуговом перемежающемся замыкании.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования на базе теории электрических цепей, спектрального анализа, теории вероятности и математической статистики с применением возможностей современных компьютерных технологий.

Достоверность результатов. Модели и методы, используемые автором, основаны на элементах теории электрических цепей. Полученные результаты согласуются с известными теориями электрических процессов при дуговых замыканиях и данными, полученными непосредственно при замыканиях в существующих электрических сетях.

Научная новизна. В работе содержаться следующие новые научные результаты:

1. Установлено, что в сетях с компенсацией емкостного тока и сетях с комбинированным заземлением нейтрали при дуговых перемежающихся замыканиях в токе нулевой последовательности поврежденной линии, амплитуды гармоник с частотой ниже промышленной больше амплитуд гармоник с частотой выше промышленной, а в неповрежденной линии наоборот.

2. Выявлено, что при переходе к комбинированному заземлению нейтрали при перемежающихся дуговых замыканиях амплитуды низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности неповрежденной линии, при прочих равных условиях снижаются, благодаря более полному стеканию избыточных зарядов за время между двумя соседними пробоями изоляции.

3. Выявлены области частот, в которых совмещаются условия работы защиты, использующей повышенную активную составляющую тока, при устойчивых и перемежающихся замыканиях.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Полученные в работе результаты исследования электрических процессов при перемежающихся дуговых замыканиях и предложенные способы обработки токов и напряжений нулевой последовательности могут быть основой для выполнения защиты от замыканий на землю в сетях с комбинированным заземлением нейтрали.

Математическая модель электрической сети среднего напряжения, дополненная моделью дугового перемежающегося замыкания и моделями измерительных трансформаторов тока и напряжения нулевой последовательности, может быть использована для дальнейших исследований, направленных на усовершенствование устройств защиты от замыканий на землю.

Результаты исследований переданы на предприятие «ПНП БОЛИД» для их использования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях с комбинированным заземлением нейтрали при дуговых перемежающихся замыканиях в токе нулевой последовательности поврежденной линии амплитуды гармоник с частотой ниже промышленной больше амплитуд гармоник с частотой выше промышленной, а в неповрежденной линии наоборот.

2. При перемежающихся дуговых замыканиях переход к комбинированному заземлению нейтрали приводит к снижению амплитуд низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности неповрежденной линии благодаря более полному стеканию избыточных зарядов за время между двумя соседними пробоями изоляции.

3. Возможность выявления поврежденной линии при дуговых перемежающихся замыканиях, основанная на формировании среднего значения произведения мгновенных значений напряжения и тока нулевой последовательности в полосе частот, близкой к промышленной частоте.

4. Возможность выявления поврежденной линии при дуговых перемежающихся замыканиях, основанная на сравнении суммы квадратов амплитуд гармоник с частотами ниже и выше промышленной.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции», научно-техническом совете Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2007, 2008, 2009 гг.) — на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2007 и 2008 г. г.) — на пятой всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6−35 кВ» (г. Новосибирск, 2008 г.).

Публикации. По направлению диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 3 работы в рецензируемых изданиях по перечню ВАК- 1 работа в сборнике научных трудов, 5 работ — материалы всероссийских и международных конференций- 1 работа депонирована.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 106 наименований и приложений. Общий объем диссертации — 208 страниц, в том числе: рисунков — 113, таб-лиц-75.