ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА УРОВЕНЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

Ощепков В.А.¹, Владимиров Л.В.², Плотников Д.И.³, Шакенов Е.Е.⁴, Мельников С.А.⁵, Паламарчук Д.В.⁶

¹ORCID: 0000-0002-2350-6130, кандидат технических наук, доцент,

²ORCID: 0000-0002-7208-0893, кандидат технических наук, доцент,

³ORCID: 0000-0002-4566-4885, студент, ⁴ORCID: 0000-0001-5086-071Х, студент,

⁵ORCID: 0000-0001-9226-297Х, студент, ⁶ORCID: 0000-0002-0498-2991, студент,

Омский Государственный Технический Университет.

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА УРОВЕНЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

Аннотация

В статье рассматривается влияние режима работы нейтрали распределительных электрических сетей на уровень перенапряжений, возникающих при однофазном замыкании на землю. Выполнен расчет параметров электрической сети и математическое моделирование режима однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Определен максимальный уровень перенапряжений на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю. Доказано снижение кратности перенапряжений в сети при переходе от изолированной нейтрали к компенсации емкостных токов.

Ключевые слова: изолированная нейтраль, компенсация емкостных токов, дугогасящий реактор, однофазное замыкание на землю.

Oschepkov V.A.¹, Vladimirov L.V.², Plotnikov D.I.³, Shakenov E.E.⁴, Melnikov S.A.⁵, Palamarchuk D.V.⁶

¹ORCID: 0000-0002-2350-6130, PhD in Engineering, Associate professor,

²ORCID: 0000-0002-7208-0893, PhD in Engineering, Associate professor

³ORCID: 0000-0002-4566-4885, Student, ⁴ORCID: 0000-0001-5086-071Х, Student,;

⁵ORCID: 0000-0001-9226-297Х, Student, ⁶ORCID: 0000-0002-0498-2991, Student,

Omsk State Technical University.

INFLUENCE OF OPERATION MODE OF NEUTRAL OF POWER NETWORKS ON OVERVOLTAGE LEVEL AT SINGLE LINE-TO-GROUND FAULT

Abstract

The influence of the operation mode of the neutral of power network on the overvoltage level arising during single line-to-ground fault is considered in the paper. The calculation of the power network parameters and mathematical modeling of a single line-to-ground fault mode in a network with an isolated neutral and with a neutral grounded through an arc-suppression coil were performed. The maximum overvoltages level in undamaged phases with a single line-to-ground fault is determined. The reduction in the number of overvoltages in the network during the transition from isolated neutral to compensation of capacitive currents has been proven.

Keywords: isolated neutral, compensation of capacitive currents, arc-suppression coil, single line-to-ground fault.

В электрических сетях среднего класса напряжения нейтраль обычно либо изолируется, либо заземляется через дугогасящий реактор (ДГР). Сети данных классов напряжения в основном имеют большую разветвленность, то есть от шин одной подстанции может получать питание большое число отходящих присоединений, иногда это число переваливает за десяток.

Согласно статистике, значительная часть всех повреждений, возникающих в электрических сетях указанных классов напряжений, приходится на однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Для повышения уровня надежности электроснабжения потребителей электроэнергии требуется оперативное определение поврежденных участков отходящих присоединений и своевременное, по возможности с минимальным промежутком времени, устранение этих самых повреждений, поскольку ОЗЗ в сети, помимо того, что может перерасти в двухфазное или даже в трехфазное короткое замыкание, что значительно усугубит последствия, в свою очередь также может привести к значительным перенапряжениям и к возникновению различных феррорезонансных явлений.

Режим работы нейтрали определяет многие технические показатели [1, С. 123]. Прежде всего, это можно отнести к распределительным электрическим сетям при возникновении однофазного замыкания на землю. Для нейтрали с резистивным заземлением или заземлением через ДГР и изолированной нейтрали, данный режим не является аварийным, поскольку не требует быстродействия со стороны защиты поврежденного места. Но следует брать во внимание тот факт, что, если такой режим работы окажется устойчивым, образуются нежелательные явления, несущие за собой различного рода последствия, такие как, например, несвоевременный выход из строя оборудования или же значительное снижение срока его эксплуатации.

Помимо этого, способ заземления нейтрали влияет на максимально возможную кратность перенапряжений, возникающих при, все том же, ОЗЗ. Следует помнить и о возможности возникновения резонансных и феррорезонансных воздействий, которые, как уже было отмечено выше, негативно сказываются на дорогостоящем электрооборудовании [2, С. 111].

Режим изолированной нейтрали является основным способом заземления, применяемым в странах СНГ. В этом случае нейтральная точка источника, не присоединяется к контуру общего заземления. Если брать во внимание сети, напряжением 6-10 кВ, где обмотки силовых трансформаторов, обычно, соединяют в треугольник, то нейтральная точка и вовсе отсутствует.

Заземление нейтрали через ДГР, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий. В данном случае, нейтральная точка сети появляется при условии применения специального нейтралеобразующего трансформатора (ФЗМО).

В Российской Федерации режим заземления нейтрали через ДГР применяется в основном в разветвленных кабельных сетях, при значительных емкостных токах. Кабельная изоляция, в отличие от воздушной изоляции, не является самовосстанавливающейся. Т.е. при возникновении повреждения, оно не может самоустраниться, даже несмотря на практически полную компенсацию тока в поврежденном месте. Отсюда следует, что для кабельных сетей самоликвидация ОЗЗ, как положительное свойство режима заземления нейтрали через ДГР, не имеет место быть [3, С. 198].

Моделирование переходных процессов в распределительных сетях позволяет получить представление о том, как происходит изменение тока и напряжения при различных начальных условиях. В режиме ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью возникает недопустимый уровень перенапряжений. Во время переходного процесса, который длится более 1 с, на высоковольтных обмотках трансформатора напряжения происходят, так называемые, биения напряжения. Следовательно, аналогичные биения будут наблюдаться на секциях шин подстанций и на высоковольтных обмотках трансформатора собственных нужд подстанции. В ряде случаев это может привести к негативным последствиям, таким как: ложное срабатывание защиты, необоснованное отключение цепей управления на самой подстанции [4, С. 236].

Моделирование режима ОЗЗ выполнено на примере электрической сети, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема электрической сети

Рассмотрим два способа заземления системы электроснабжения (СЭС), получающей питание через силовой трансформатор типа ТДТН-10000 110/35/10.

В первом случае будем считать, что нейтраль трансформатора изолирована, во втором – заземлена через ДГР плунжерного типа [5, С. 23].

Индуктивность реактора принимаем равной L=0.06 Гн. Его внутреннее сопротивление R=10000 Ом [6, С. 26].

Параметры силового трансформатора:

• Потери активной мощности при х.х.:=17 кВт;
• Потери активной мощности при к.з.:=76 кВт;
• Напряжение короткого замыкания:=10.5% ;
• Ток х.х.: =1%.

Расчет был проведен на примере режима работы сети при ОЗЗ фазы «С» с последующим определением значений перенапряжений на неповрежденных фазах. Схемы замещения сетей представлены на рис. 2

Рис. 2 – Схема замещения для сети:  а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Для начала необходимо определить следующие параметры схем замещения:

Номинальный ток силового трансформатора:

 А.

Полное сопротивление при ОЗЗ:

Ом.

Активное сопротивление при ОЗЗ:

Ом.

Реактивное сопротивление при ОЗЗ:

Ом.

Индуктивность при ОЗЗ:

Гн,

где f – частота сети, Гц [7, С. 3].

Емкость линии при ОЗЗ (в данном случае используется провод марки АС 95/16) была определена по методу зеркальных изображений [8, С. 60] и составила:

Составим уравнения по законам Кирхгофа для представленных схем замещения.

Для схемы замещения сети с изолированной нейтралью:

Для схемы замещения сети с компенсированной нейтралью:

После проведения математических преобразований, полученные системы уравнений были записаны в нормальной форме Коши.

Для сети с изолированной нейтралью:

Для сети с компенсированной нейтралью:

Затем, данные системы дифференциальных уравнений были проинтегрированы методом Рунге-Кутта.

Полученные результаты проанализируем на основе максимальных значений возникающих перенапряжений (рис. 3) и емкостных токов (рис. 4) на фазе B.

Рис. 3 – Уровень перенапряжений в сети:  а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Рис. 4 – Уровень емкостных токов в сети:  а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Приведенные графические изображения доказывают зависимость уровней перенапряжений и емкостных токов от способа заземления нейтрали.

Согласно данным, полученным в результате проведенного расчета, можно сделать вывод, что уровень перенапряжений, возникающих при ОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью оказался более высоким, по сравнению с тем, каким он получился при заземлении нейтрали через ДГР. Так, максимальное значение перенапряжений, полученное в режиме работы сети с изолированной нейтралью, составляет 110,7 кВ (5,47 U_ф), тогда как предельный уровень перенапряжений в сети с компенсированной нейтралью не превышает 81,14 кВ (4,01 U_ф).

То же касается и уровня емкостных токов, максимальное значение которых в сети с изолированной нейтралью составляет 458,681 А, а в сети с компенсированной нейтралью – 332,9 А.

В сетях высоких и сверхвысоких классов напряжений замыкание любой из фаз линии сопровождается сверхтоками и проводит к мгновенному отключению [9, С. 33]. В сетях средних классов напряжений возникновение ОЗЗ пусть и не приводит к ухудшению условий электроснабжения потребителя, но тем не менее существующий дефект требует своевременного устранения, поскольку неповрежденные фазы сети также находятся под повышенным напряжением, особенно, в случае неустойчивого дугового замыкания, когда возникающие перенапряжения длительные по времени, высокие по величине и, тем самым, негативно воздействуют на, и без того, ослабленную изоляцию [10, С. 135].

Список литературы / References

1. Бурчевский В.А. Обзор режимов заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ / В.А. Бурчевский, Л.В. Владимиров, В.А. Ощепков и др. // Омский научный вестник. Серия 77, Приборы, машины и технологии. – 2009. – № 1. – С. 122–126.
2. Вайнштейн Р.А. Режимы заземления нейтрали в электрических системах / Р.А. Вайнштейн, Н.В. Коломиец, В.В. Шестакова. – Томск: Изд. ТПУ, 2006. – 120 с.
3. Владимиров Л.В. Моделирование режима однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью / Л.В. Владимиров, А.А. Вырва, В.А. Ощепков и др. // Омский научный вестник. Серия 107, Приборы, машины и технологии. – 2012. – № 1. – С. 197–201.
4. Никитин К.И. Токовый принцип определения повреждения присоединения и места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / К.И. Никитин, Л.В. Владимиров, Е.Н. Еремин и др. // Омский научный вестник. Серия 107, Приборы, машины и технологии. – 2012. – № 1. – С. 234–236.
5. Миронов И.А. Особенности применения дугогасящих реакторов / И.А. Миронов, В.А. Кричко // Новости Электротехники. Серия 43. – 2007. – № 1. – С. 21–24.
6. Gernot Druml. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Повышение точности настройки / Druml Gernot, Kugi Andreas, Parr Bodo // Новости Электротехники. Серия 43. – 2007. – № 1. – С. 25–28.
7. ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. 2014–07–01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 62 с.
8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – 11-е изд., перераб. и доп. / Л.А. Бессонов. – М.: «Гардарики», 2006. – 701 с.
9. Миронов И.А. Проблемы выбора режимов заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ / И.А. Миронов // ЭЛЕКТРО-ИНФО. Серия 46, Эксплуатация. – 2006. – №5. – С. 32–36.
10. Сирота И.М. Режимы нейтрали электрических сетей / И.М. Сирота, С.Н. Кисленко, С.Н. Михайлов. – Киев: Изд. Наукова думка, 1985. – 265 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Burchevskij V.A. Obzor rezhimov zazemlenija nejtrali v jelektricheskih setjah 6-35 kV [The review of the modes of neutral grounding in electrical networks 6-35 kV] / V.A. Burchevskij, L.V. Vladimirov, V.A. Oshhepkov and others // Omskij nauchnyj vestnik. Serija 77, Pribory, mashiny i tehnologii [Omsk scientific Bulletin. Series 1. Appliances, machines and technology]. – 2009. – № 1. – P. 122–126. [in Russian]
2. Vajnshtejn R.A. Rezhimy zazemlenija nejtrali v jelektricheskih sistemah [The modes of neutral grounding in electrical systems] / R.A. Vajnshtejn, N.V. Kolomiec, V.V. Shestakova. – Tomsk: Izd. TPU, 2006. – 120 p. [in Russian]
3. Vladimirov L.V. Modelirovanie rezhima odnofaznogo zamykanija na zemlju v raspredelitel'noj jelektricheskoj seti s izolirovannoj nejtral'ju [Model operation of the mode of uniphase short circuit on the earth in a distributive electrical network with the isolated neutral] / L. V. Vladimirov, A. A. Vyrva, V. A. Oshhepkov and other // Omskij nauchnyj vestnik. Serija 107, Pribory, mashiny i tehnologii [Omsk scientific Bulletin. Series 107. Appliances, machines and technology]. – 2012. – № 1. – P. 197-201. [in Russian]
4. Nikitin K.I. Tokovyj princip opredelenija povrezhdenija prisoedinenija i mesta odnofaznogo zamykanija v seti s izolirovannoj nejtral'ju [The current principle of definition of damage on accession and the place of uniphase short circuit in network with the isolated neutral] / K.I. Nikitin, L.V. Vladimirov, E.N. Eremin and other // Omskij nauchnyj vestnik. Serija 107, Pribory, mashiny i tehnologii [Omsk scientific Bulletin. Series 107. Appliances, machines and technology]. – 2012. – № 1. – P. 234-236. [in Russian]
5. Mironov I.A. Osobennosti primenenija dugogasjashhih reaktorov [The features of application of arc-suppression coil] / I.A. Mironov, V.A. Krichko // Novosti Jelektrotehniki. Serija 43 [Electrical engineering news. Series 43]. – 2007. – № 1. – P. 21–24 [in Russian]
6. Gernot Druml. Dugogasyashchiye reaktory 6–35 kV. Povyshenie tochnosti nastrojki [Arc-suppression coils. The improving of adjustment accuracy] / Druml Gernot, Kugi Andreas, Parr Bodo // Novosti Jelektrotekhniki. Serija 43 [Electrical engineering news. Series 43]. – 2007. – № 1. – P. 25–28 [in Russian]
7. GOST 32144-2013. Jelektricheskaja jenergija. Sovmestimost' tehnicheskih sredstv jelektromagnitnaja. Normy kachestva jelektricheskoj jenergii v sistemah jelektrosnabzhenija obshhego naznachenija. [The electrical energy. The electromagnetic compatibility of technical equipment. The standards of quality of electric energy in the systems of power supply of general purpose] – Vved. 2014–07–01. – M.: Standartinform, 2013. – 62 p. [in Russian]
8. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Jelektricheskie cepi: Uchebnik dlja jelektrotehn., jenerg., priborostroit. spec. vuzov. – 11-e izd., pererab. i dop. [Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Electric circuits: Textbook for Electrical, Power, Instrument Engineering of Universities. – 11 th ed., Revised and Edited] / L. A. Bessonov. – M.: «Gardariki», 2006. – 701 p. [in Russian]
9. Mironov I.A. Problemy vybora rezhimov zazemlenija nejtrali v setjah 6-35 kV [Problems of the choice of the modes of grounding of a neutral in networks of 6-35 kV] / I.A. Mironov // JELEKTRO-INFO. Serija 46, Jekspluatacija [Series 46, Exploitation]. – 2006. – № 5. – P. 32-36. [in Russian]
10. Sirota I.M. Rezhimy nejtrali jelektricheskih setej [The neutral modes of electrical networks] / I.M. Sirota, S.N. Kislenko, S.N. Mihajlov. – Kiev: Izd. Naukova dumka, 1985. – 265 p. [in Russian]