Кадомская К.П. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них
Подождите немного. Документ загружается.
В схеме рис.3.3 использованы следующие обозначения:
С
I
=(C
11
+ C
22
+C
33
) l , С
II
=(C
44
+ C
55
+C
66
) l ,
С
I -II
=(C
14
+C
15
+C
16
+С
24
+C
25
+C
26
+ +C
34
+C
35
+ C
36
) , l
где - протяженность каждой цепи ВЛ.
l
В случае изолированной нейтрали сети (
∞
→
=
21 NN
ZZ ) и при
III
CC
=
фэ
UCjI
ω
=
з
, (3.1)
где
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
η+
η
+=
+
+=
1
1
I
IIII-I
IIII-I
Iэ
C
CC
CC
CC
,
I
II-I
C
C
=η
. (3.2)
Из выражений (3.1) и (3.2) видно, что емкостный ток за счет второй цепи
несколько увеличивается по сравнению с током при ОЗЗ на одноцепных ВЛ.
Так, для одной из сетей 35 кВ с двухцепными ВЛ коэффициент
η=0,57 и ток
замыкания на землю превышает ток, определяемый емкостью лишь одной
цепи, в 1,37 раза.
Из схемы рис.3.3 следует, что напряжение на нейтрали секции шин, к
которой примыкает фидер с замыканием на землю, равно номинальному
фазному напряжению, и, следовательно на изоляции фаз
В и С фидеров,
примыкающих к этой секции, напряжение равно номинальному линейному
напряжению. На второй секции шин напряжение на нейтрали оказывается
равным:
η+
η
=
+
=
1
ф
IIII-I
II-I
ф2
U
CC
C
UU
N
. (3.3)
Из (3.3) следует , что напряжение на нейтрали второй секции шин
меньше номинального фазного, а следовательно, напряжение на изоляции фаз
В и С оборудования, примыкающего к этой секции, в режиме ОЗЗ меньше
линейного.
При оснащении нейтралей секций дугогасящими реакторами (ДГР)
и ток замыкания на землю в схеме рис.3.3. определится как:
NN
LjZ ω=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
−
+−ω=
ΙΙΙΙ−Ι
ΙΙΙΙ−Ι
Ι
Ι
)1(
)1(
)1(
2
2
1
ф
з
L
L
L
kCC
kCC
kCjUI
, (3.4)
где
, .
Ι
ω= CLk
L 1p
2
1
/1
ΙΙ
ω= CLk
L 2p
2
2
/1
Из выражения (3.4) и рис.3.3 следует, что при перекомпенсации емкостей
цепей в режиме ОЗЗ возможен резонанс напряжений, что приводит как к
большим значениям токов замыкания на землю, так и к недопустимым
напряжениям на нейтралях секций. Условия резонанса записываются как:
;1
1
Ι
ΙΙ−Ι
+=
C
C
k
L
.1
II
2
C
C
k
L
ΙΙ−Ι
+= (3.5)
При и выражение (3.4) запишется в виде:
III
CC =
IIII
/ CC
−
=η
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−η+
η
+−ω=
L
L
k
kCjUI
1(1
1)1(
Iф1з
. (3.6)
При этом условием резонанса является
η
+
=
1
L
k . (3.7)
Напряжение на нейтрали второй секции при этом определится как:
)1(
ф
2
L
N
k
U
U
−+η
η
= . (3.8)
Следовательно при выполнении условия (3.7) на нейтрали второй цепи
напряжение стремится к бесконечности. Так, для уже рассмотренной выше
сети 35 кВ (
η=0,57) условиям резонанса отвечает k
L
=1,57.
Из выражений (3.4) и (3.6) следует, что избежать резонансных условий и
добиться существенного снижения тока замыкания на землю на любой из
раздельно работающих цепей можно лишь при оснащении каждой цепи ДГР,
эксплуатируемых при резонансной настройке (
k
L1
=k
L2
=1). Вместе с тем такая
настройка при установке неуправляемых ДГР недопустима из-за
возможности возникновения резонансных условий в нормальном
эксплуатационном режиме, обусловленных естественной несимметрией
параметров сети по фазам. В табл.3.1. приведены токи замыкания на землю и
напряжения на нейтрали второй секции, в зависимости от степени
компенсации емкостного тока на каждой секции с помощью ДГР.
Таблица 3.1
Напряжения на нейтрали секции и токи ОЗЗ
в сети 35 кВ, оснащенной ДГР
K
L
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
U
N2
/U
ф
0,85 1 1,21 1,54 2,11 3,35 8,14
з
I , А
1,65 0,52 0,81 2,49 4,90 8,99 18
Таким образом, эксплуатация сети, содержащей двухцепные ВЛ, с
установкой в нейтралях сети ДГР требует их тщательной настройки во всех
эксплуатационных режимах. Такая настройка при использовании ДГР с
дискретными отпайками без автоматической компенсации емкостного тока
(например, типа ЗРОМ) практически невозможна. Поэтому в таких сетях при
необходимости снижения тока замыкания на землю следует использовать
управляемые ДГР. Допустимые токи замыкания на землю в
распределительных сетях разных классов напряжения приведены в табл.3.2.
Таблица 3.2
Допустимые токи замыкания на землю
U
ном
, кВ
6 10 15-20 35 и выше
I
з
, А
30 20 15 10
При оснащении нейтралей сети резисторами Z
N
=R
N
и модуль тока
замыкания на землю в схеме рис.3.3 определится как:
[]
22
222
фI
з
)1(
)1()1(()12(
R
RRR
k
kkk
UCI
++η
η−++η+−+η
ω=
, (3.9)
где .
NR
RCk
I
/1 ω=
При 1=
R
k
1)1(
1
2
2
2
фI
з
++η
+η
ω= UCI
. (3.10)
В сети, содержащей одноцепные ВЛ (η=0), при k
R
=1
2
ф
з
UCI
I
ω= ,
т.е. ток ОЗЗ увеличивается по сравнению с током при изолированной
нейтрали сети в √2 раз. В двухцепной ВЛ при приведенных выше параметрах
(η=0,594) ток ОЗЗ при k
R
=1 увеличился по сравнению с током при
изолированной нейтрали сети в 1,13 раза.
Таким образом, при оснащении нейтралей секций, к которым примыкают
цепи двухцепных ВЛ, резисторами ток замыкания на землю по сравнению с
током в сети с изолированной нейтралью увеличивается в меньшей степени,
чем в сетях, содержащих одноцепные ВЛ.
3.2.1.3 НАПРЯЖЕНИЕ НА НЕЙТРАЛИ СЕТИ В НОРМАЛЬНОМ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ РЕЖИМЕ
Напряжение на изолированной нейтрали сети обычно называют
напряжением несимметрии, так как оно связано как с несимметрией
параметров сети по фазам, так и с несимметрией фазных напряжений на
шинах питающей секции. Простейшая схема для определения напряжения на
нейтрали в сети с односторонним питанием приведена на рис.3.4.
Y
A
E
A
I
A
U
A
E
B
E
C
Y
B
Y
C
U
B
U
C
I
B
I
C
U
N
н.с.
Рис.3.4. Схема для определения напряжения несимметрии на нейтрали сети
Уравнения стационарного режима в схеме рис.3.4. запишутся в виде:
,
AN
A
UUE =−
,
BN
B
UUE
=
−
,
CN
C
UUE =
−
(3.9)
0
=
+
+
CBA
III , (3.10)
A
A
A
UYI = ,
B
B
B
UYI
=
,
C
C
C
UYI
=
. (3.11)
Решая уравнения (3.9)-(3.11) относительно напряжения на нейтрали,
получим:
CBA
C
C
B
B
A
A
N
YYY
YEYEYE
U
++
+
+
=
.н.с
. (3.12)
Положим в (3.12) и учтем возможную несимметрию емкостей
сети по фазам ( ,
jj
CjY ω=
ABB
CCk /=
ACC
CCk /
=
), а также неуравновешенную
систему э.д.с. ( ,
ABB
EE /=η
ACC
EE /
=
η , ,0
=
ϕ
ABB
ψ+
π
−
=
ϕ
3/2,
CC
ψ+π=ϕ 3/2 ). Тогда
[]
)3/2(exp()3/2(exp(1
1
н.с.
CCCBBB
CB
A
N
jkjk
kk
E
U ψ+πη+ψ+π−η+
++
=
(3.13)
Если в (3.13) принять уравновешенную систему э.д.с., то модуль
напряжения на нейтрали запишется как:
2
2
н.с.
)(
4
3
(
2
1
1
1
BCCB
CB
A
N
kkkk
kk
E
U −+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−
++
=
. (3.14)
Согласно ПУЭ в сетях с изолированной нейтралью напряжение
несимметрии не должно превышать 0,15U
ном ф.
Как правило, при естественной
несимметрии сети по фазам напряжение на нейтрали не превышает этого
значения. Вместе с тем в ПУЭ указано, что если сеть оснащена ДГР, то
напряжение несимметрии на нейтрали не должно превосходить 0,075 U
ном ф
.
Такое требование обусловлено возможным повышением напряжения на
нейтрали сети, оснащенной дугогасящим реактором, в нормальном
эксплуатационном режиме. Расчетная схема при оснащении сети ДГР
приведена на рис.3.5.
Рис.3.5. Расчетная схема для определения напряжения
смещения нейтрали в сети, оснащенной ДГР
В схеме рис.3.5 учтены активное сопротивление ДГР и системы
заземления. Расчетная схема для определения напряжения смещения
нейтрали, составленная на основе теоремы об эквивалентном генераторе
напряжения, приведена на рис.3.6.
U
N
н.с.
Y
Σ
U
N
см
L
N
R
N
Рис.3.6. Расчетная схема для определения напряжения
смещения нейтрали в сети с ДГР
Модуль напряжения смещения нейтрали в схеме с ДГР (рис.3.6) при
)(
CBACBA
CCCjYYYY
+
+
ω
=
+
+
=
∑
запишется в виде:
1)1(
1
22
2
н.с.см
+−
+
=
Qk
Q
UU
L
NN
, (3.15)
где
- коэффициент компенсации емкостного тока
сети с помощью ДГР,
)(/1
2
CBANL
CCCLk ++ω=
NN
RLQ /
ω
=
- добротность контура ДГР.
При R
N
=0 (Q
→∝
)
1
1
н.с.см
−
=
L
NN
k
UU
. (3.16)
Следовательно, в этом идеальном случае напряжение смещения
нейтрали при k
L
=1 стремится к ∞. Если принять Q=20 и k
L
=1, то
. При даже небольшой расстройке компенсации, например, при
k
н.с.см
20
NN
UU ≅
L
=1,1 напряжение смещения существенно снижается - .
.н.ссм
8
NN
UU ≅
Приведенные результаты показывают, что настройка неуправляемых
реакторов в резонанс с емкостью сети на частоте 50 Гц (k
L
=1) недопустима. В
этой связи следует упомянуть о регулируемых реакторах, например, типа
РУОМ (реактор управляемый однофазный масляный)
. Реакторы типа РУОМ
в комплекте с электронной системой управления САНК автоматически
выполняют следующие функции [16]:
•
распознавание нормального режима работы сети и режима
замыкания на землю;
•
измерение емкости сети в нормальном режиме;
•
безинерционный выход на режим компенсации емкостного тока
при возникновении замыкания на землю;
•
сохранение собственной проводимости, равной проводимости сети
во время восстановления режима нормальной работы после
самоликвидации замыкания;
•
измерение и поддержание собственной проводимости сети во
время замыкания на землю;
•
самодиагностика функционирования в режиме измерения емкости
сети и режиме компенсации тока замыкания на землю.
Таким образом, ток через реактор типа РУОМ в нормальном
эксплуатационном режиме практически не протекает, т.е. в этом режиме
нейтраль сети практически изолирована. При возникновении же замыкания
на землю ток через реактор равен по модулю суммарному емкостному току
сети в режиме, предшествующем ОЗЗ, т.е. осуществляется полная
компенсации емкостного тока. Следовательно, при применении управляемого
реактора типа РУОМ снимается проблема возникновения резонансных
условий в нормальном эксплуатационном режиме и реактор может
настраиваться на точную компенсацию емкостного тока.
В случае оснащения нейтрали сети резистором в расчетной схеме рис.3.6.
следует положить L
N
=0. Тогда модуль напряжения на нейтрали определится
как:
2
н.с.
1
1
R
NN
k
UU
+
=
. (3.17)
При k
R
=1 напряжение на нейтрали в √2 раз меньше напряжения
несимметрии.
Схема для определения напряжения на нейтралях сети, содержащей
двухцепные ВЛ, цепи которых эксплуатируются раздельно, приведена на
рис.3.7.
C
I
C
II
C
I-II
z
N
1
z
N
2
U
N1
н.с.
U
N2
н.с.
U
N1
см
U
N2
см
Рис
.3.7. Расчетная схема для определения напряжения на нейтралях
секций сети, содержащей двухцепные ВЛ
() ()
[]
()
[]
1/1/1/1/
112
2
н.с.
2
1
н.с.
1
1
+η−⋅−δ−
+
δ−+−
=
ΙΙ LL
L
N
IL
N
N
kQjk
kU
kQj
U
U
, (3.18)
()()
[]
()
[]
1/1/1/1/
221
1
н.с.
1
2
н.с.
2
2
+η−⋅−δ−
+
δ−+−
=
Ι LL
L
N
IIL
N
N
kQjk
kU
kQj
U
U
, (3.19)
где
()
22
21
1
)1(
1
η+−
−η
+=δ
Ι
L
L
k
k
,
()
11
12
1
)1(
1
η+−
−
η
+=δ
ΙΙ
L
L
k
k
.
Из выражений (3.18) и (3.19) следует, что при пренебрежении активным
сопротивлением контура ДГР (Q→∞) и k
L
=1 напряжения на нейтралях секций
также стремятся к бесконечности. При Q=20 и k
L
=1 напряжение смещения
нейтрали в 20 раз превышает напряжение несимметрии. Поскольку
допустимое напряжение на нейтрали составляет 0,15U
ф
, то следовательно,
напряжение несимметрии в такой сети не должно превышать 0,03U
ф
, т.е.
значения, которого, очевидно, трудно добиться при реальной эксплуатации
распределительных воздушных сетей. Расчеты по выражениям (3.18) и (3.19)
в сети, содержащей двухцепные ВЛ (η
≠
0), показывают, что при
=(0,03…0,07)U
н.с.
N
U
ф
необходимо, чтобы степень компенсации емкостных
токов находилась бы в диапазоне k
L
=1,2…1,5. Этот диапазон, как это следует
из приведенного выше анализа режима ОЗЗ в сети с двухцепными ВЛ,
отвечает резонансным условиям, приводящим к повышенным значениям тока
замыкания на землю и напряжений на фидерах, питаемых от второй секции
шин. Таким образом, использование в сетях, содержащих двухцепные ВЛ,
неуправляемых дугогасящих реакторов типа ЗРОМ, недопустимо. В таких
сетях могут устанавливаться лишь управляемые реакторы, например, типа
РУОМ.
В случае установки в рассматриваемых сетях в нейтралях секций
резисторов напряжения на нейтралях так же, как и в случае одноцепных ВЛ,
оказываются меньше напряжений несимметрии.
3.2.2. СЕТИ СРЕДНЕГО КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ
С ДВУХСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ
К сетям с двухсторонним питанием относятся, например, сети
генераторного напряжения блоков электрических станций. Схема блока
приведена на рис.3.8.
Г
Ток.1 Ток.2
В
Т
ВЛ или КЛ
С
доп
z
N
ОРУ ВН
Рис.3.8 Принципиальная схема блока электрической станции
Напряжение статора блочных генераторов лежит обычно в диапазоне
13,8…24 кВ, т.е сети генераторного напряжения относятся к сетям среднего
напряжения, эксплуатируемых либо с изолированной нейтралью, либо с
нейтралью, заземленной через ДГР или резистор. Поскольку обмотка низшего
напряжения силового трансформатора, как правило, соединена в треугольник,
то схема для определения тока замыкания на землю в сети генераторного
напряжения ничем не отличается от рассмотренной в предыдущем
подразделе (рис.3.9).
E
A
E
B
E
C
z
N
C
C
C
Рис.3.9. Схема для расчета режима ОЗЗ в блоке
Емкости в схеме рис.3.9 определяются как:
2.ток1ток.ТГ
ССССС
+
+
+
=
, (3.20)
где С
Г
- емкость статорной обмотки генератора, С
Т
– входная емкость
трансформатора со стороны обмотки низшего напряжения, С
ток.1
и С
ток.2
–
емкости токопроводов от генератора до выключателя и от выключателя до
трансформатора, соответственно. Токопроводы выполняются либо в виде
кабелей (в блоках относительно малой мощности), либо в виде
экранированных токопроводов типа ТЭКН. Токи замыкания определяются
по выражениям (3.1),(3.6) и (3.9), в которых надо положить С
I
=3C и η=0:
- в случае изолированной нейтрали
г
з
3 CEjI
ω
=
,
-
в случае нейтрали, заземленной через ДГР:
г
з
)1(3 EkCjI
L
−
ω
=
,
-
в случае нейтрали, заземленной через резистор:
)1(3
г
з
R
jkCEjI
−
ω
=
,
где , CLk
NL
3/1
2
ω= CRk
NR
3/1
ω
=
.
Если блок оснащен быстродействующей релейной защитой с временем
действия 0,5 с, то согласно [17] ДГР в нейтрали не устанавливается.
Целесообразность оснащения нейтрали генератора резистором будет
рассмотрена в разделе, посвященном анализу перенапряжений при
однофазных дуговых замыканиях на землю.
Поскольку схема сети генераторного напряжения блока пофазно
симметрична, то напряжение несимметрии на нейтрали в нормальном
эксплуатационном режиме при любых способах соединения нейтрали с
землей будет практически нулевым.
Несомненный интерес в схеме блока представляет
анализ неполнофазных
режимов.
Расчетные схемы при включении двух фаз и одной фазы приведены
на рис.3.10.