замыкание на землю
Надежность техники изолированная нейтраль
Казахстан
ВЭС "Бадамша"
07.03.2020
07:01
90% и более повреждений распределительных сетей среднего напряжения по характеру относятся к замыканиям фазы на землю. В этой связи техника изолированной нейтрали предполагает бесперебойное электроснабжение потребителей в режиме однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) ввиду того, что линейные напряжения (треугольник линейных напряжений) у потребителя остаются неизменными, симметричными. С другой стороны в режиме ОЗЗ в результате неравенства фазных напряжений относительно земли в поврежденной линии электропередачи протекают токи перезаряда емкостей неповрежденных фаз сети, образующие емкостный ток однофазного замыкания на землю сети 3Io. В свою очередь возрастание напряжения на здоровых фазах до линейного увеличивает вероятность пробоя фазной изляции последних. В этом случае допустимый в эксплуатации определенное время режим ОЗЗ переходит в режим междуфазного замыкания через землю с аварийным отключением потребителей токовыми защитами линий электропередачи, нанесением ущерба поребителю. Следовательно своевременное селективное определение и оперативное отключение, локализация ОЗЗ играют неоценимую роль в повышении надежности электроснабжения потребителей.
Ниже приводится осциллограмма процесса аварийного отключения потребителя, которое вполне можно было предотвратить, воспользовавшись сигналом селективного устройства ОПФ своевременно определившего ОЗЗ. Процесс развивался в течении 12сут.
Цитата: «Понимая, что в случае возникновения замыкания на землю целесообразно его оперативное отключение, следует признать, что в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью до сих пор пока нет устройств релейной защиты, позволяющих искать замыкание на землю и отключать его с достаточной селективностью». (М. ДМИТРИЕВ. Заземление нейтрали в кабельных сетях 6–35 кВ // II Всероссийская конференция «ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 20 кВ)
С той поры мало что изменилось. Из существующего уровня техники защит от замыканий на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью известно многообразие способов определение поврежденного фидера (ОПФ). Вероятнее всего многообразие продиктовано недостаточной селективностью последних, приведем основные:
1. Контроль емкостного тока промышленной частоты установившегося режима ОЗЗ.
2. Контроль активного тока промышленной частоты высоковольтного или подключаемого низковольтного резисторов.
3. Контроль наложенного тока.
4. Контроль направления мощности высокочастотной составляющей переходного процесса разряда емкости (далее-ВЧС) поврежденной фазы всей сети.
По п.1: в режиме компенсированной сети (компенсация емкостного тока ОЗЗ) ток промчастоты отсутствует, зашита неработоспособна
По п.1,2,3: при перемежающемся дуговом ОЗЗ токи промышленной частоты отсутствуют, защиты неработоспособны.
По п.4: при ОЗЗ ВЧС не зависят ни от режима нейтрали сети, ни от питающих трансформаторов, ни от нагрузки сети.
Практически (подтверждается более 1К записанных электрических параметров режимов ОЗЗ в различных сетях) все ОЗЗ начинаются с пробоя фазной изоляции на землю в максимуме фазного напряжения. С недавних пор возможность контроля ВЧС стала доступна в результате внедрения микропроцессорных технологий, обладающих высоким быстродействием, способных регистрировать электрические параметры ВЧС с необходимой частотой дискретизации. Опыт разработки, отладки, наладки и эксплуатации устройств различных производителей показал наиболее высокую селективность ОПФ способа ВЧС но не стопроцентную - наблюдаются ложные срабатывания при прохождении в сети высокочастотных помех с параметрами сходными с параметрами ОЗЗ.
В недавней неформальной беседе со специалистом РЗА Межрегиональной распределительной сетевой компании было замечено, что в основном все установившиеся ОЗЗ переходят в междуфазные короткие замыкания с погашением потребителя.
Последнее объясняется тем, что ОЗЗ возникает в результате постепенного снижения электрической прочности изоляции, вызванного локальным ускоренным старением. В режиме установившегося ОЗЗ на здоровых фазах устанавливаятся потенциал относительно заземленных частей сети равный амплитуде линейного напряжения. Принимая во внимание факт пробоя под воздействием фазного напряжения, многогократно возрастает степень вероятности пробоя изоляции следующего участка сети при напряжении в 1,73 раза большем, так же подверженного процессу ускоренного старения изоляции. Режим установившегося ОЗЗ переходит в режим междуфазного КЗ
МПК
H02H 3/16
Настоящее изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение заключается в расширении арсенала технических средств в области релейной защиты и автоматики систем электроснабжения, повышении селективности устройств определения поврежденного фидера (далее-ОПФ), повышение надёжности электроснабжения потребителей.
Решение данной задачи достигается за счет того, что заявляемый способ определения однофазного замыкания на землю (далее-ОЗЗ) в линии электропередачи трехфазной сети с изолированной нейтралью характеризующийся тем, что при пробое фазной изоляции на землю контролируют ток Io и напряжение Uo процесса разряда электрической емкости образованной токоведущими частями повреждаемой фазы и заземленными частями сети, регистрируют фазы Io и Uo в начале процесса пробоя фазной изоляции на землю, регистрируют фазы Io и Uo по окончании процесса пробоя фазной изоляции на землю. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение максимальной селективности определения однофазного замыкания на землю в линии электропередачи трехфазной сети с изолированной нейтралью. Селективное и своевременное, в пределах регламентированного времени, определение поврежденного фидера позволяет оперативно локализовать ОЗЗ, сохранить непрерывное электроснабжение потребителя, предотвратить переход ОЗЗ в междуфазное с отключением от максимальной токовой защиты или отсечки с аварийным обесточиванием потребителя и повреждением оборудования.
Способ поясняется чертежом, на котором изображены осциллограммы тока Io и напряжения Uo процесса пробоя фазной изоляции на землю. Сигналы тока и напряжения записаны регистратором событий в режиме ОЗЗ линии электропередачи трехфазной сети с изолированной нейтралью.
Способ работает следующим образом. В результате старения постепенно снижается уровень электрической прочности изоляции [1, с.49] [2, c.117]. Уровень электрической прочности изоляции характеризуется пробивным напряжением Uпр. При снижении Uпр ниже фазного напряжения сети происходит пробой фазной изоляции на землю. При этом коротко замыкаются токоведущие части повреждаемой фазы всей сети с заземленными частями линии электропередачи. Токоведущие части повреждаемой фазы сети и заземленные части образуют емкость, заряженную в момент пробоя фазной изоляции на землю до максимального амплитудного значения напряжения фазы относительно земли. Критерий 1 - регистрируют фазы Io и Uo в начале (1) процесса пробоя фазной изоляции на землю, критерий 2 - регистрируют фазы Io и Uo по окончании (2) процесса пробоя фазной изоляции на землю. Если в начальный момент (1) пробоя фиксируют одновременность возникновения и противоположное по знаку направление тока Io и напряжения Uo, фиксируют максимум напряжения Uo в момент времени (2) окончания протекания тока разряда емкости, то констатируют ОЗЗ в контролируемой линии электропередачи. Электрические параметры разряда емкости фазы сети на землю никаким образом не зависят от способа заземления нейтрали сети, от параметров питающего трансформатора, от нагрузки и других параметров сети, также не отождествляются с электрическими параметрами коммутационных и прочих высокочастотных помех в сети. Критерии заявляемого способа однозначны, не содержат переменных параметров, не требуют расчета и ввода уставок. Существенной особенностью критериев является распределение последних во времени. Признаки изобретения уникальны, неизвестны существующему уровню техники устройств ОПФ.
Рис 1.
Список литературы:
Техника высоких напряжений: курс лекций / В. Ф. Важов, В. А. Лавринович. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 150 с.
Техника высоких напряжений. Учебник. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976. 488 с.
Способ предотвращение режима установившегося ОЗЗ (далее - способ) работает следующим образом. В результате ускоренного, по многим причинам локального старения изоляции постепенно снижается уровень электрической прочности изоляции [1, с.49] [2, c.117]. Уровень электрической прочности изоляции характеризуется пробивным напряжением Uпр. При снижении Uпр ниже фазного напряжения сети происходит пробой изоляции на землю. Существующие системы регистрации аварийных событий не фиксируют частичные разряды в изоляции, однократные пробои изоляции на землю «клевки», самоустранившиеся ОЗЗ длительностью менее уставки времени срабатывания защит от ОЗЗ. Частичные разряды в изоляции [3. c.10] [4.с.63], однократные пробои изоляции на землю «клевки», самоустранившиеся ОЗЗ [5. c.5] длительностью менее уставки времени срабатывания защит от ОЗЗ обусловлены снижением электрической прочности изоляции в результате локального ускоренного старения и предшествуют возникновению установившегося ОЗЗ с временным лагом до десяти и более суток. Заявляемый способ контролирует постоянно действующим автоматическим, неразрушающим способом уровень электрической прочности изоляции в нормальном режиме сети. Констатируя критичное снижение электрической прочности изоляции, заявляемый способ предотвращения однофазного замыкания на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью позволяет оперативно, без отключения потребителя, вывести в текущий ремонт поврежденный участок, реставрировать поврежденный участок, включить потребителя по нормальной схеме электроснабжения, предотвратить режим установившегося ОЗЗ.
Внедрение способа в сети с изолированной нейтралью предполагает стопроцентную надежность электроснабжения потребителей в режиме установившегося ОЗЗ.
Частным случаем способа будет надежность функционирования технологических процессов характеризующаяся тем, что существует дилемма при ОЗЗ в обмотке электродвигателя агрегата или в кабеле питающем электродвигатель - отключить электродвигатель и нарушить технологический процесс со всеми вытекающими последствиями, или не отключать и подвергнуть воздействию тока ОЗЗ на железо статора электродигателя с вытекющими, в свою очередь, последствиями, такими как капитальный ремонт железа статора в случае протекания тока ОЗЗ величиной более 5А. С большой степенью вероятности заявленный способ справится с этой проблемой.
В своё время проведен мониторинг однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью посредством цифрового высокочастотного регистратора. Интервал времени около 6 месяцев. Количество отходящих кабельных линий (фидеров) – 27.
Результаты мониторинга:
Фидер 1:
1. 12.09.09_06:31 Частичные разряды
2. 12.11.08_19:37:22 по 12.11.08_19:37:35 ОЗЗ 13 секунд→ Отключение от междуфазного
Фидер 2: ОЗЗ 0,5 с.→ междуфазное
Фидер 3: ОЗЗ 0,5с. → междуфазное
Фидер 4: ОЗЗ 0,5с. → междуфазное
Фидер 5:
1. Клевок
2. Клевок → ОЗЗ→ междуфазное
3. Клевок → ОЗЗ→ междуфазное
4. ОЗЗ длительностью 0,5с
5. ОЗЗ → междуфазное
6. 12.09.16 06:24* - клевок
7. С 12.0.916 06:35 по 12.09.16 06:59 - 3 клевка
8. С 12.09.16 06:59 по 12.09.16 07:51 - 24 клевка
9. 12.09.16 10:08 - Клевок
10. С 12.10.09 04:40 по 12.10.09 05:28 – ОЗЗ
11. С 12.10.12 01:09 по 12.10.12 01:36 - ОЗЗ
Фидер 6: ОЗЗ→ междуфазное
Фидер 7:
1. С 12.09.06 по 12.09.12 – 12 клевков
2. С 12.09.12 07:01 по 12.09.12 08:09 - 19 клевков
3. 12.09.12 11:25 - Клевок
4. С 12.09.12 12:27 по 12.09.12 14:05 – 30 клевков
5. С 12.09.12 18:27 по 12.09.12 18:32 – 7 клевков
6. 12.09.12 20:50 - ОЗЗ → междуфазное
(*) год. месяц. день часы: минуты
Фидер 7. В течении более 6 суток зарегистрировано 69 клевков, далее установившееся ОЗЗ перешедшее в междуфазное с аварийным обесточиванием потребителя.
Список литературы:
1. Техника высоких напряжений: курс лекций / В. Ф. Важов, В. А. Лавринович. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 150 с.
2. Техника высоких напряжений. Учебник. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976. 488 с.
3. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. В.А. Русов Издательство УрГУПС, г. Екатеринбург, 2011. 367с.
4. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. Лихачев Ф. А. М., «Энергия», 1971.152 с. с илл.
5. Шуин В. А., Гусенков А. В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6 - 10 кВ. — М.: НТФ “Энергопрогресс” 104 с.; ил. [Библиотечка электротехника; Вып. 11(35)]
Аннотация
Автоматический, постоянно действующий, неразрушающий контроль уровня электрической прочности изоляции электрооборудования сети.
Стопроцентная селективность способа ОПФ.
Контроль ОЗЗ в кабельной разделке.
Предотвращение установившегося ОЗЗ.
Предотвращение межфазного через землю КЗ, аварийного отключения потребителей, недоотпуска электроэнергии.
Реабилитация изоляции из СПЭ.
Согласно статистическим данным, наиболее распространённый вид повреждения в трехфазных сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью - однофазное замыкание на землю (далее-ОЗЗ).
Вариативность характеристик и электрических параметров разновидностей ОЗЗ существенно осложняют задачу определения как самого процесса замыкания на землю в контролируемой сети, так и идентификацию определенного поврежденного присоединения. [1. c.5].
Существующему в настоящее время уровню техники защит от ОЗЗ неизвестны способы 100% селективного определения процесса однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью. Последнее обстоятельство обуславливает наличие многих предлагаемых способов определения процесса однофазного замыкания на землю.
ОЗЗ предваряется электрическим пробоем фазной изоляции, сопровождающимся разрядом емкости заряженной до фазного напряжения, образованной с одной стороны гальванически связанными токоведущими частями повреждаемой фазы, с другой – заземленными частями сети. Контролируя (Рис.1) направления и фазы тока разряда емкости Io и напряжения Uo, а именно: И одновременность, И диаметрально противоположные направления векторов (1), И абсолютный минимум тока Io в момент абсолютного максимума напряжения Uo (2) представляется возможным достоверно, 100% селективно, конструктивно констатировать режим ОЗЗ и повреждённый участок сети.
Электрические параметры разряда емкости поврежденной фазы никоим образом не зависят от режима заземления нейтрали, источников питания, нагрузки сети. Устройства защиты от ОЗЗ на основе регистрации электрического пробоя изоляции (далее-Способ) не требуют предварительного расчета уставок и ввода уставок в устройства. Обеспечивают контроль образования электрических триингов, частичных пробоев, что позволяет осуществлять автоматический, постоянно действующий, неразрушающий контроль уровня электрической прочности изоляции сети а так же подключенного к сети электрооборудования. Предоставляют возможным вывести в текущий, без прекращения электроснабжения потребителей, ремонт поврежденный участок сети, предотвратить на поврежденном участке установившееся «глухое» ОЗЗ. В случае установившегося ОЗЗ здоровые фазы сети встают под линейное напряжение, далее по известному сценарию – ОЗЗ на здоровой фазе контролируемого или соседнего присоединения, межфазное через землю, аварийное отключение потребителя, недоотпуск электроэнергии.
Электрический пробой изоляции из СПЭ неизменно приводит к установившемуся ОЗЗ. В этой связи [2] цитата: «6.5.1 Для защиты кабелей с изоляцией из СПЭ напряжением 10-35 кВ в сетях с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю следует применять устройства релейной защиты на отключение поврежденных линий», последнее по сути денонсирует технику Изолированная нейтраль трехфазной сети. Контролируя образование электрических триингов, частичных пробоев, однократных пробоев (клевков), самоустранившихся ОЗЗ, Способ позволит констатировать критический уровень электрической прочности изоляции, вывести в текущий ремонт контролируемый участок, предупредить установившееся ОЗЗ.
Существующие защиты от ОЗЗ не контролируют ток замыкания в кабельной разделке. Разделка кабеля является наиболее нагруженной частью кабельной системы. Именно в разделке наблюдаются высокие значения напряженности электрического поля. В этой связи более 20% от всей массы ОЗЗ приходится на кабельные разделки. Конструкция устройства Способ предусматривает от трех и более входов тока Io. На один из входов подается сигнал фильтра токов нулевой последовательности (далее-ФТНП) трансформаторов тока ячейки. В случае ОЗЗ в разделке амплитуда тока разряда емкости поврежденной фазы всей сети ограничивается только сопротивлением электрической дуги, лежащим в пределах единиц Ом. В этом случае ток разряда емкости соизмерим с токами нагрузки. На следующий вход подаётся сигнал ТТНП линии. На следующий вход подается сигнал ФТНП трансформаторов тока подключённого электрооборудования.
Согласно ПУЭ, РЗ от замыканий на землю в обмотке статора с действием на отключение устанавливается на электродвигателях мощностью 2000 кВт и более при токах замыкания на землю более 5 А, а на электродвигателях меньшей мощности – при токах замыкания на землю более 10 А. (В эксплуатации, тем не менее, при токах замыкания на землю более 5 А, РЗ от замыканий на землю часто устанавливают на питающих электродвигателях любой мощности, что способствует ограничению их повреждений при замыканиях на землю.) Защиту следует выполнять без выдержки времени (за исключением электродвигателей, для которых требуется замедление защиты по условию отстройки от переходных процессов) с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности, установленных, как правило, в РУ. В случае ОЗЗ в кабеле РЗ отключает электродвигатель, прерывая аварийно технологический процесс. Контролируя токи ОЗЗ как непосредственно в электродвигателе, так и в разделке кабеля и в кабеле при отсутствии ОЗЗ в электродвигателе Способ позволит оперативно ввести резерв или остановить технологический процесс, вывести в текущий ремонт поврежденное присоединение.
Из мониторинга ОЗЗ в действующей сети:
Установившееся ОЗЗ с предварительными частичными побоями.
Амплитуды частичных пробоев Io соизмеримы с амплитудой Io полного пробоя в отличии от малых амплитуд Uo, что подтверждает достоверность регистрации процессов частичного пробоя. Частичные пробои записаны рандомно в предыстории процесса ОЗЗ.
Регистрация неконтролируемых в настоящее время процессов в трёхфазной сети с изолированной нейтралью расширит диапазон контролируемых процессов; реабилитирует изоляцию из СПЭ в свете регламента СТО 56947007-29.060.20.020-2009; аннулирует необходимость действий оперативного персонала по «поиск земли» способом поочередного отключения/включения присоединений сети при неселективной работе РЗ от замыканий на землю; позволит отказаться от периодических испытаний изоляции или, по крайне мере, увеличить их интервал.