ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ В СРАВНЕНИИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Грабовецкая К.А.¹, Троценко В.М.², Темников Е.А.³, Лесков И.А.⁴

^1,2,3,4Студент, Омский Государственный Технический Университет

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ В СРАВНЕНИИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Аннотация

Как показывает практика, в настоящее время перенапряжение в сети на предприятиях с регулярной пиковой нагрузкой, довольно частое явление. А также обрывы фаз на землю или замыкания одной жилы кабеля из-за обледенения проводов. Как следствие, возникают однофазные замыкания на землю в линиях электропередач.  Одно из решений данной проблемы, применения компенсированной нейтрали в данных сетях, т. е. установка дугогасительного реактора. В статье рассмотрено целесообразность применения компенсированной нейтрали в сравнении с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю в линиях электропередач.

Ключевые слова: компенсированная нейтраль, изолированная нейтраль, реактор, перенапряжение.

Grabovetskaya K.A.¹, Trotsenko V.M.², Temnikov E.A.³, Leskov I.A.⁴

^1,2,3,4Student, Omsk State Technical University

FEASIBILITY OF THE COMPENSATED NEUTRAL APPLICATION IN COMPARISON WITH ISOLATED NEUTRAL IN ELECTRIC TRANSMISSION LINES

Abstract

Experience has proven that at present overvoltage in the network at enterprises with a regular peak load is quite frequent as well as phase breaks on the ground or the circuit of one cable core due to icing wires. As a consequence, single-phase ground circuits occur in power lines. One of the solutions to this problem is the use of compensated neutral in these networks, i.e. the installation of an arc-suppression reactor. The article considers the expediency of using a compensated neutral in comparison with an isolated neutral with a single-phase circuit to the ground in power lines.

Keywords: compensated neutral, isolated neutral, reactor, overvoltage.

Электрические сети 6-35кВ работают с изолированной нейтралью, они достаточно широко распространены. Как показывает практика, металлические или дуговые однофазные замыкания на землю – самые распространенные повреждения в этих сетях. Данные замыкания сопровождаются перенапряжениями, феррорезонансными процессами, переходом ОЗЗ в междуфазные короткие замыкания, что приводит к повреждению трансформаторов напряжения и неселективным отключениям потребителей релейной защитой. С целью снижения уровня перенапряжений и иных негативных последствий, повышению качества и надежности защит от замыканий на землю, разработан и внедряется в практику эксплуатации метод заземления нейтрали с использованием токоограничивающего резистора, устанавливаемого в нейтрали специального трансформатора.

Цель работы: математический расчет целесообразности использования компенсированной нейтрали в сравнении с изолированной при однофазном замыкании на землю.

Задачи исследования

1. Определение параметров оборудования.
2. Расчет токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.
3. Модель для расчета перенапряжения.
4. Исследование перенапряжений при замыкании фазы.

 

Рис. 1 – Однолинейная электрическая схема сети

Таблица 1 – Параметры линий электропередач

Марка	Длина, км
ААШв 3х120	17,7
АС-120	5,7
АВБбШв 3х120	7,2
АВБбШв3х120	13,8
АСБГ3х120	13,5
АС-95	17
ВБбШв3х70	8
СБГ 3х70	15,9
ААБлГ3х120	16,6
ААШв3х240	6,5

 

Таблица 2 – Параметры силового трансформатора

Тип трансформатора	Номи-нальная мощность, кВА	Номи-нальное напряжение, кВ		Потери, кВт		Напря-жение КЗ, %	Ток холостого хода,%
		ВН	НН	Х.Х.	К.З.
ТРДН-25000/110/6	25 000	115	6,6	22	120	10,5	0,5

 

Таблица 3 – Рассчитанные параметры силового трансформатора

 

Определение параметров отходящих линий

Задана трехфазная линия с длинными проводами, расположенными параллельно проводящей плоскости (над землей). Радиусы проводов R₁, R₂, R₃, высоты подвесок h₁, h₂, h₃, межосевое расстояние r₁₂, r₂₃, r₃₁ при этом r>>R, h>>R. (рис. 1.2) [1, С. 125]. Для трехфазных воздушных линий (ВЛ) применяются различные варианты расположения проводов в пространстве. На рис. 1.2. приведен наиболее распространенный вариант расположения проводов. Провода размещают по вершинам равностороннего треугольника (метод зеркальных изображений) [2, С. 125].

Рис. 2 – Система проводов над поверхностью земли

 

Определение емкости

Для расчета выберем наиболее часто используемые в ВЛ классом напряжение 6-10 кВ опоры марки СМ110-6 [3, С. 15], [4, С. 24]. Расположение проводов в таких линиях выполнено в треугольнике межосевым расстоянием между проводами r₁₃= 2,2 м. Высота опоры от земли до крайнего провода, расположенного в вершине треугольника, составляет h₂ = 12 м. Высота подвеса двух других проводов составляет h₁ = h₃ = 9,8 м относительно земли.

Определим межосевое расстояние между проводами

Определим радиус провода воздушной линии (ВЛ2)

При расположении проводов согласно схеме, рисунок 1.2 имеем Следовательно, Остальные ВЛ рассчитаны по аналогии, результаты сведены в таблицу 1.4.  

Таблица 4 – Расчет емкости воздушных линий электропередач

№ п/п	Марка воздушной линии	Длина, км	Емкость, нФ
ВЛ2	АС-120	5,7	53,333
ВЛ6	АС-95	17	155,999

 

Емкость кабельной линии

Жилы кабеля находятся в непосредственной близости, как между собой, так и заземленным металлическим оболочкам. Как следствие, рабочая ёмкость кабельных линий значительно превышает аналогичный показатель ВЛ. Диэлектрическая проницаемость кабельной изоляции также превосходит диэлектрическую проницаемость воздуха.  На практике, определение рабочей емкости достаточно проблематично, так как кабели не имеют геометрических размеров, к тому же их конструкции многообразны. С учетом данных факторов чаще всего прибегают к проведению заводских или эксплуатационных измерений.

Рис. 3 – Поперечный разрез кабельной линии

 

Для кабеля сечением 120 мм² параметры с = 10 мм, а = 20 мм [5, С. 56],

Для кабеля сечением 70 мм² параметры с = 6 мм, а = 12 мм,

Для кабеля сечением 240 мм² параметры с = 20 мм, а = 40 мм.

Произведенный расчет емкости кабельных линии сведен в таблицу 1.5.

 

Таблица 5 – Расчет емкости кабельных линий электропередачи

№ п/п	Марка кабельной линии	Длинаl, км			Емкость, Ф.
КЛ1	ААШв 3х120	17,7	4,349·105	2,907·105	6,94·10-6
КЛ3	АВБбШв 3х120	7,2	10,691·105	7,148·105	2,82·10-6
КЛ4	АВБбШв 3х120	13,8	5,578·105	3,729·105	5,41·10-6
КЛ5	АСБГ 3х120	13,5	5,702·105	3,812·105	5,29·10-6
КЛ7	ВБбШв 3х70	8	10,789·105	6,433·105	2,3·10-6
КЛ8	СБГ 3х70	15,9	5,429·105	3,237·105	4,56·10-6
КЛ9	ААБлГ 3х120	16,6	4,637·105	3,1·105	6,51·10-6
КЛ10	ААШв 3х240	6,5	9,443·105	7,917·105	6,553·10-6

  Суммарная емкость всех отходящих линий составит:  

Таблица 6 – Рассчитанные параметры сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю

Рис. 4 – Векторная диаграмма ёмкостных токов при однофазном замыкании на землю

Рис. 5 – схемы замещения трехфазной линии электропередачи с изолированной нейтралью: a – при однофазном замыкании на землю; б – в нормальном режиме работы

 

Исходя из схемы замещения (рис. 1.5 а) составляются уравнения согласно первому и второму закону Кирхгофа, которые приводятся к нормальной форме Коши [6, С. 120].

(1)

Далее, чтобы определить начальные условия для системы уравнений, приведенной выше, решается схема замещения ЛЭП в нормальном режиме (рис. 1.5 б), используя метод узловых потенциалов [7, С. 131].

Соответственно система уравнений

  (2)

Решим полученную систему уравнений (2) Токи и напряжения на емкостях

Мгновенные значения токов и напряжений в установившемся режиме сведены в таблицу 1.7, эти значения являются начальными условиями для решения системы (1). Решая систему (1) найдем перенапряжение на емкостях в неустановившемся режиме,  .

 

Таблица 7 – Мгновенные значения токов и напряжений

Решая систему уравнений (1), используя метод Рунге-Кутты получаем следующий график перенапряжения на емкости фазы В в начальный момент времени (t=0).

Рис. 6 – Перенапряжение, возникающее при замыкании фазы В на землю

  В соответствии с таблицей 1.7, получены графики перенапряжения на емкостя­х.  

Рис. 7 – Графики перенапряжения на емкостях

 

Выбор дугогасительного реактора

При определении мощности реакторов по значению ёмкостного тока сети важно оценивать возможность расширения сети на ближайшее десятилетие. В случае, если информация о перспективе формирования сети отсутствует, для исчисления мощности реакторов используется значение ёмкостного тока сети, с ростом на 25% [8, С. 119].

Расчётная мощность реакторов Q_р (кВар)

Исходя из полученных выше значений выбираем плунжерный ДГР марки ZTC-800 со следующими характеристиками [9, С. 200].  

Таблица 8 – Характеристики реактора ZTC-800

Тип реактора	Мощность, кВ×А	Номинальное напряжение, кВ	Предельное значение тока компенсации, А
ZTC-800	800		22-220

 

Вывод: в данной статье исследовали сеть с изолированной нейтралью на перенапряжение при однофазном замыкании на землю, тем самым доказали, что компенсированная нейтраль более целесообразна к применению. Произвели выбор реактора по РД 34.20.179 [10, С. 15].

Список литературы / References

1. Вычегжанин А. В. Исследование режимов работы нелинейных ограничителей перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью: дис. … канд. тех. наук: 05.14.02 / Вычегжанин Андрей Владиславович – Киров: ВГТУ., 2000.– 125 с.
2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – 8-е изд., перераб. и доп. / Л. А. Бессонов. – М.: Высш. шк., 1986. – 263 с.
3. СНиП-11-01-95, Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. – Минстрой России, 1995. – 15-16 с.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), изд. 7, 2001 - 2004 г.г. – 25 с.
5. ТКП 181-2009 (02230) «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей». – Минэнерго, 2009. – 56-65 с.
6. Лебедев В. К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций / В. К. Лебедев, В. Ф. Сивокобыленко // РВА ДонНТУ, Донецк – 2002. – 136 с.
7. Олейник С. И. Разработка защиты от однофазных замыканий, селективной в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью: дис. … канд. тех. наук: 05.14.02 / Олейник Сергей Иванович – Омск: ОмГТУ., 2004. – 260 с.
8. Лукьянов Т. П., и др., Техническая эксплуатация электроустановок пром. предприятий / Т. П. Лукьянов. - Энергоатомиздат (ЭАИ), М., 1986. - 120 с.
9. Хассан С. Х. Моделирование и анализ режимов раздельной и параллельной работы вводов на различных уровнях системы электроснабжения: дис. … канд. тех. наук: 05.09.03 / Хассан Салман Хамад – Москва: МЭИ., 2003. – 262 с.
10. РД 34.20.179 «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ». – 1987. – 15 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vychegzhanin A. V. Issledovanie rezhimov raboty nelineinykh ogranichitelei perenaprazhenii pri dugovykh zamykaniyakh na zemliu v setiakh s izolirovannoi neitraliu: dis. … kand. tekh. nauk: 05.14.02 [Study of Operating Modes of Nonlinear Overvoltage Limiters in Arc Circuits on Ground in Networks with Isolated Neutral: Thesis of PhD in Engineering: 05.14.02] / Vychegzhanin Andrei Vladislavovich – Kirov: VSTU., 2000. – 125 p.
2. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Elektromagnitnoe pole: Uchebnik dlia elektrotekhn., energ., priborostroit. spets. vuzov. – 8-e izd., pererab. i dop. [Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Electromagnetic Field: Textbook for Electrical, Power, Instrument Engineering of Universities. – 8^th ed., Revised and Edited] / L. A. Bessonov. – M.: Vysshaya shkola., 1986. – 263 p.
3. SNiP-11-01-95, Instruktsiya o poriadke razrabotki, soglasovaniya, utverzhdeniya i sostave proektnoi dokumentatsii na stroitelstvo predpriyatii, zdanii i sooruzhenii. [Instruction on the Procedure for the Development, Approval and Composition of Project Documentation for the Construction of Enterprises, Buildings and Structures] – Ministry of Construction of Russia, 1995. – 15-16 p.
4. Pravila ustroistva elektroustanovok (PUE) [Rules for the Installation of Electrical Installations (RIE)], issue 7, 2001 - 2004. – 25 p.
5. TKP 181-2009 (02230) «Pravila tehnicheskoi ekspluatatsii elektroustanovok potrebitelei» [Rules of Technical Operation of Electrical Installations of Consumers]. – Minenergo, 2009. – 56-65 p.
6. Lebedev V. K. Perekhodnye protsessy v sistemakh elektrosnabzheniya sobstvennykh nuzhd elektrostantsii [Transient Processes in Power Supply Systems of Power Plants Needs] / V.K. Lebedev, V.F. Sivokobylenko // RVA DonNTU, Donetsk – 2002. – 136 p.
7. Oleinik S. I. Razrabotka zashchity ot odnofaznykh zamykanii, selektivnoi v setiakh s izolirovannoi i kompensirovannoi nitraliu: dis. … kand. tekh. nauk: 05.14.02 [Development of Protection against Single-Phase Circuit, Selective in Networks with Isolated and Ccompensated Neutral: Thesis of PhD in Engineering: 05.14.02] / Oleinik Sergey Ivanovich - Omsk: Omsk State Technical University., 2004. – 260 p.
8. Lukianov T. P., i dr., Tekhnicheskaia ekspluatatsiya elektroustanovok prom. Predpriyatii [Technical Operation of Electrical Installations at Industrial Enterprises] / T.P. Lukyanov. - Energoatomizdat (EAI), M., 1986. - 120 p.
9. Hassan S. H. Modelirovanie i analiz rezhimov razdelnoi i parallelnoi raboty vvodov na razlichnykh urovniakh sistemy elektrosnabzheniya: dis. … kand. tekh. nauk: 05.09.03 [Modeling and Analysis of Modes of Separate and Parallel Operation of Insertions at Various Levels of the Power Supply System: Thesis of PhD in Engineering: 05.09.03] / Hassan Salman Hamad - Moscow: MEI., 2003. – 262 p.
10. RD 34.20.179 «Tipovaya instruktsiya po kompensatsii emkostnogo toka zamykaniya na zemliu v elektricheskikh setiah 6-35 kV» [Typical Instruction for Compensation of the Capacitive Ground Circuit Current in 6-35 kV Electric Networks]. – 1987. – 15 p.