Содержание к диссертации
Введение
1. Эффективность резистивного заземления нейтрали в воздушных сетях 14
1.1. Постановка исследований 14
1.2. Математическая модель сети среднего класса напряжения, содержащей двухцепные воздушные линии, при учете несимметрии емкостей сети по фазам
1.2.1. Типовая структура сети 18
1.2.2. Математическая модель стационарных режимов эксплуатации сети, содержащей двухцепные ВЛ 20
1.3. Некоторые методические вопросы 25
1.3.1. Влияние несимметрии емкостных параметров ВЛ на режимные параметры 25
1.3.2. Влияние переходного сопротивления в месте замыкания на токораспределение 29
1.3.3. Неполнофазные режимы в сеты с изолированной нейтралью и нейтралью, оснащенной резисторами 36
1.4. Дуговые и феррорезонансные процессы в воздушных сетях 38
1.4.1. Дуговые перенапряжения 38
1.4.2. Феррорезонансные перенапряжения
1.5. Требования к величине сопротивления резисторов 57
1.6. Энергетические характеристики резисторов 63
1.7. Некоторые соображения по принципам построения релейной защиты сетей, содержащих одноцепные и двухцепные ВЛ при резистивном заземлении нейтрали
1.8. Методика оценки чувствительности защит от ОЗНЗ 76
1.9. Выводы по первому разделу
2. Эффективность резистивного заземления нейтрали в кабельных сетях ... 90
2.1. Постановка исследований 90
2.2. Электрическая прочность оборудования сетей 6, 10 кВ 97
2.3. Характерные параметры оборудования кабельных сетей 6, 10 кВ 101
2.4. Особенности дуговых замыканий в кабельных сетях и защита от них...
2.4.1. Постановка задачи. Процессы при ОДЗ 106
2.4.2. Процессы при ОДЗ в сетях собственных нужд электрических станций
2.4.2.1. Математическая модель процессов при ОДЗ в сетях собственных нужд электрических станций 14
2.4.2.2. Перенапряжения при изолированной нейтрали сети собственных 118 нужд электрических станций
2.4.2.3. Ограничение перенапряжений в сетях собственных нужд электрических станций с помощью ОПН 121
2.4.2.4. Ограничение перенапряжений в сетях собственных нужд электрических станций при оснащении нейтралей сети резисторами 129
2.5. Феррорезонансные процессы в кабельных сетях 132
2.5.1. Математическая модель npoifeccoe 132
2.5.2. Феррорезонансные явления в кабельных сетях с изолированной нейтралью 135
2.5.3. Феррорезонансные процессы в сетях, оснащенных ДГР 141
2.5.4. Феррорезонансные процессы при оснащении нейтрали сети резисторами 146
2.5.5. Феррорезонансные процессы при оснащении сетей антирезонансными трансформаторами напряжения типа НАМИ 149
2.6. Требования к характеристикам резисторов в нейтралях кабельных сетей 152
2.6.1. Требования к величине сопротивления резисторов 152
2.6.2. Требования к энергетическим характеристикам резисторов 154
2.7. Об организации релейной защиты в кабельных етях 157
2.8. Выводы по второму разделу 157
3. Эффективность резистивного заземления нейтрали в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций 160
3.1. Заземление нейтрали генераторов блоков и уровни изоляции электрооборудования 160
3.2. Схемы эксплуатации блоков электрических станций и их параметры... 162
3.3. Перенапряжения, возникающие в процессе ОДЗ
3.3.1. Математическая модель исследуемых процессов 164
3.3.2. Некоторые методические вопросы 167
3.3.3 Исследование перенапряжений в схеме с изолированной нейтралью генератора при повторном зажигании дуги 172
3.3.4. Исследование перенапряжений в схеме с резистивным заземлением нейтрали 181
3.4. Исследования перенапряжений при установке ОПН 183
3.5. Энергетические характеристики резисторов
3.5.1. Оценка энергии, поглощаемой резистором в процессе ОДЗ 188
3.5.2. Оценка энергии, поглощаемой резистором в процессе ОЗНЗ 190
3.6. Выводы по третьему разделу 191
Заключение 194
Список использованных источников
- Математическая модель стационарных режимов эксплуатации сети, содержащей двухцепные ВЛ
- Постановка задачи. Процессы при ОДЗ
- Феррорезонансные процессы в сетях, оснащенных ДГР
- Исследование перенапряжений в схеме с резистивным заземлением нейтрали
Введение к работе
Актуальность проблемы. До настоящего времени достаточно актуальной остается проблема зашиты сетей 6-35 кВ от однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ), которые оказывают существенное влияние на показатели надежности и электробезопасности этих сетей.
Однофазное замыкание на землю is сетях с изолированной нейтралью является серьезной аварией, которая в большинстве случаев (до 80%) развивается в многофазные короткие замыкания и, в необеспеченные защитным отключением, двойные замыкания.
Несмотря на большое количество работ по защите сетей 6-35 кВ от ОЗНЗ, в основном разработанных для сетей, эксплуатируемых с изолированной нейтралью, в настоящее время практически нет защит, которые могли бы надежно диагностировать фидер, на котором произошло ОЗНЗ.
Одним из способов повышения надежности эксплуатации сетей средних классов напряжения является заземление нейтрали сети через дугогасящий реактор (ДГР). Главное преимущество эксплуатации сети с ДГР - возможность существования ОЗНЗ без отключения потребителей. Следует отметить, что для эффективного использования ДГР необходимо обеспечить, по крайней мере, два условия:
идеально симметрировать сеть;
автоматизировать подстройку индуктивности ДГР к изменяющимся в широких пределах параметрам сети.
Обеспечить строгое выполнение этих условий на практике в сетях 6-35 кВ весьма затруднительно, а в сетях, содерокащих двухцепные ВЛ, эффективное использование ДГР практически невозможно. Кроме того, далее при их обеспечении применение ДГР не решает задачи о селективном определении поврежденного фидера (построение селективной защиты при установке ДГР еще более затруднительно, чем в сетях с изолированной нейтралью) и не исключает вероятности возникновения дуговых и феррорезонансных перенапряжений.
Наконец, по своей сути, компенсация емкостных токов ОЗНЗ является средством, позволяющим продлить время эксплуатации сети в аварийном режиме.
Весьма перспективной альтернативой компенсации емкостного тока ОЗНЗ является резистивное заземление нейтрали.
Заземление нейтралей сетей средних классов напряжения через высокоомные (или низкоомные) активные сопротивления дает следующие преимущества, позволяющие повысить надежность и электробезопасность этих сетей и снизить на несколько порядков вероятности поражения человека электрическим током при ОЗНЗ:
- снижение кратности дуговых перенапряжений до уровня (2.0-
2.5)с/ф,„, что гарантирует локализацию однофазных замыканий, т.е.
предотвращает развитие ОЗНЗ в более серьезные аварии, а также
практически исключает возможность возникновения опасных феррорезонансных колебаний и не обеспеченных защитным заземлением двойных замыканий па землю;
- возможность создания простой и надежной селективной защиты от однофазных замыканий на землю, за счет протекания активного тока в поврежденном фидере.
Кроме того, резистивное заземление нейтрали при правильном выборе величин сопротивлений резистороа, их энергетических характеристик, а также средств релейной защиты и автоматики позволяет сохранить преимущества сетей с изолированной нейтралью, обусловленные относительно небольшими значениями токов замыкании на землю.
Несмотря на бесспорные преимущества резистивного заземления по сравнению с режимами изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через ДГР, а также большое количество исследований, посвященных этому вопросу, в практике эксплуатации сетей средних классов напряжения резистивное заземление широкого применения не нашло. Это обусловлено, на наш взгляд, отсутствием общей методики, позволяющей определять необходимые параметры резисторов, выбирать схемы их подключения, принципы функционирования и необходимые технические средства для РЗ сетей 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения.
В настоящей работе решается задача по разработке упомянутой выше методики системного подхода к выбору величин сопротивлений и энергетических характеристик резисторов, способов организации РЗ от ОЗНЗ для сетей различного конструктивного исполнения (воздушные, кабельные, воздушно-кабельные) и назначения (распределительные, собственных нужд, генераторного напряжения электрических станций).
Основная цель настоящей работы — ускорить процесс практического внедрения резистивного заземления нейтралей в сетях 6-35 кВ, и тем самым, повысить их надежность и электробезопасность.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
проанализированы перенапряжения, возникающие в сетях 6-35 кВ различного конструктивного исполнения и назначения при однофазных дуговых замыканиях на землю и при сопровождающих эти замыкания феррорезонансных процессах;
разработана методика выбора величин сопротивлений резисторов и их энергетических характеристик;
предложены принципы организации релейной защиты от ОЗНЗ для сетей с резистивным заземлением нейтрали.
Научная новизна основных положений и результатов работы состоит
в следующем:
1. Разработаны математические модели, реализованные на ПЭВМ, позволяющие производить расчеты стационарных режимов ОЗНЗ, переходных процессов, сопровождающих однофазные дуговые замыкания
на землю, феррорезонаисных явлений п неполнофазных режимов в электрических сетях, содерзісшцих двухцепные ВЛ, при учете несиммегрии их параметров и переходного сопротивления на землю в месте ОЗНЗ.
-
Проведен комплексный анализ внутренних перенапряжений при различных способах іаземления нейтралей электрических сетей различного назначения, подтверждающий эффективность резистивного заземления нейтрали и целесообразность его практического применения.
-
Предложена методика, позволяющая определить величины сопротивлений и энергетические характеристики резисторов в нейтралях сетей различного конструктивного исполнения и назначения. Достоверность результатов работы обусловлена применением
достаточно полных математических моделей исследуемых процессов, а также хорошим согласием результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными при внедрении резистивного заземления нейтрали в сетях промышленного Севера Западной Сибири, а также с результатами, полученными другими исследователями.
Практическая значимость результатов работы:
разработанные программы для расчета стационарных и переходных процессов в сетях средних классов напряжения могут быть использованы как при расчетах нормальных и аварийных режимов в действующих сетях, так и при проектировании системы заземления нейтрали в сооружаемых сетях;
требования к величинам сопротивлений и энергетическим характеристикам резисторов, устанавливаемых в нейтралях электрических сетей, а также к принципам организации релейных защит могут быть использованы как при модернизации системы заземления нейтрали в действующих сетях, так и при проектировании новых сетей с резистивным заземлением нейтралей.
Апробация работы и публикации.
Отдельные результаты работы и работа в целом докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр «Электрические станции», «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета и на Третьем Корейско-Российском Международном Научно-Техническом Симпозиуме KORUS'99 (Новосибирск, 22-25 июня, 1999).
По теме диссертации в периодической научно-технической литературе опубликовано 9 научных статей. Методические разработки и результаты ряда проведенных исследований изложены в отчете о научно-исследовательской работе, зарегистрированном во ВНТИЦ.
На защиту выносятся:
математические модели стационарных и переходных процессов в сетях
средних классов напряжения различного конструктивного исполнения и
назначения, позволяющие производить сравнительную оценку
эффективности различных способов заземления нейтрали;
требования к величинам сопротивлений и энергетическим характеристикам резисторов в воздушных, кабельных сетях и в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций;'
принципы организации релейной защиты сетей с резистивным заземлением нейтрали от ОЗНЗ.
Структура н объем работы:
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников из 41 наименований и приложения; содержит 141 страницу основного текста, 85 рисунков и 74 таблицы.
Во введении проанализировано состояние проблемы, обоснована актуальность предпринятого исследования, сформулированы его цель и задачи, а также выносимые на защиту положения.
В первой, второй и третьей главах изложены результаты исследования эффективности резистивного заземления нейтрали в воздушных, кабельных сетях, а также в сетях генераторного напряжения блоков электрических станций.
В заключении сформулированы основные выводы по работе.
В приложении приводится сравнение результатов расчета режима однофазного замыкания на землю в сети, содержащей двухцепные ВЛ, с результатами экспериментальных исследований
Математическая модель стационарных режимов эксплуатации сети, содержащей двухцепные ВЛ
В настоящее время воздушные сети средних классов напряжения 6-35 кВ эксплуатируются, в основном, либо с изолированной нейтралью, либо с компенсацией токов замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов.
Релейная защита в таких сетях при ОЗНЗ срабатывает не на отключение поврежденного фидера, а на сигнал. Сложность построения РЗ заключается в обеспечении одного из основных требований к ней -селективности, так как токи ОЗНЗ малы и сопоставимы с токами небаланса. В связи с быстротечностью дуговых и феррорезонансных процессов, которые невозможно предотвратить при изолированной нейтрали сети, возникает комплексная задача защиты сетей от ОЗНЗ: - с одной стороны - предотвращение опасных дуговых и феррорезонансных перенапряжений; - с другой, - селективное выявление поврежденного фидера; Основные недостатки эксплуатации сетей с изолированной нейтралью были отражены во введении к настоящей работе.
Приведем основные недостатки эксплуатации воздушных сетей, при оснащении их нейтралей дугогасящими реакторами.
1. Поскольку уменьшение емкостного тока замыкания на землю в этих сетях связано с его компенсацией индуктивным током, протекающим через ДГР, то возможны режимы эксплуатации сети, при которых возникают резонансные условия в контурах, содержащих емкости сети и индуктивность ДГР, приводящие к перенапряжениям и перекрытию изоляции электрооборудования.
К таким режимам можно отнести: нормальный эксплуатационный режим в сети, где напряжение несимметрии достаточно высоко (под напряжением несимметрии понимается напряжение на нейтрали сети при отключенном ДГР); разного рода неполнофазные режимы, возникающие в процессе эксплуатации.
С точки зрения максимально возможного уменьшения тока ОЗНЗ целесообразно выбирать степень компенсации емкостного тока, близкой к единице. С точки зрение более надежной эксплуатации сети с ДГР в нормальном режиме разумно эксплуатировать сеть при некоторой перекомпенсации емкостного тока.
2. В настоящее время в воздушных распределительных сетях широко применяются двухцепные линии электропередачи (в основном, в сетях 35кВ).
В таких сетях, при их оснащении ДГР, возникают дополнительные резонансные зоны, обусловленные наличием межцепных емкостей у двухцепных линий. Эти вопросы рассмотрены, в частности, в [11]. В этой статье показано: раздельная эксплуатация цепей (в схеме нулевой последовательности) возможна лишь при тщательном симметрировании сети и обязательном выполнении требований ПТЭ (напряжение несимметрии сети не должно превышать 0.0075 U &). При этом параметры сети при ОЗНЗ должны быть достаточно далеки от резонансных; поскольку на В Л 35 кВ не предусматривается, как правило, транспозиция фаз, для надежной эксплуатации такой сети с ДГР необходимо проводить транспозицию сети на шинах основной распределительной подстанции, что как правило, в реальных сетях не предусмотрено;
Перечисленные выше обстоятельства не позволяют в реальных воздушных сетях, содержащих двухцепные линии 35 кВ, рекомендовать оснащение понижающих трансформаторов основных подстанций 110(220)/35 кВ дугогасящими реакторами. Отказ от ДГР в таких сетях и оснащение их нейтралей резисторами потребует быстродействующего отключения фидера, на котором возникло ОЗНЗ. Такое отключение экономически целесообразно лишь в резервированной сети. Кроме того, отказ от ДГР и эксплуатация сети в режиме изолированной нейтрали потребует ввести быстродействующее отключение фидера, однако, осуществление надежного отключения проблематично из-за трудностей диагностирования ОЗНЗ, обусловленных весьма небольшими значениями тока ОЗНЗ, соизмеримыми с токами небаланса в схемах с трансформаторами тока традиционного электромагнитного типа. Оснащение же нейтрали резисторами позволяет осуществить достаточно надежное отключение фидера, на котором произошло замыкание на землю.
Нельзя не отметить, что оснащение нейтрали распределительной сети резисторами повысит надежность эксплуатации изоляции при ОДЗ, так как практически обеспечит отсутствие опасных повторных зажиганий дуги и многоместных повреждений. Также существенно уменьшается вероятность появления перенапряжений и сверхтоков в обмотках трансформаторов напряжения при феррорезонансных явлениях, обусловленных насыщением стали трансформаторов напряжения.
При оснащении нейтралей трансформаторов резисторами в воздушных распределительных сетях необходима некоторая модернизация РЗ. Поэтому вопрос о целесообразности оснащения резисторами нейтралей сетей должен решаться в каждом конкретном случае. Должны учитываться схема и класс напряжения сети, степень резервирования питания ее потребителей, статистика аварийности с указанием причин аварийных отключений фидеров, тип трансформаторов напряжения и т. д.
Проектирование же новых сетей, предусматривающее высокую степень резервирования, целесообразно для повышения надежности, как эксплуатации сети, так и питания потребителей, осуществлять, используя резистивное заземление ее нейтрали. Поскольку методика определения токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, а также нейтралью, заземленной через ДГР или высокоомный резистор, достаточно отработана, то основное внимание в работе уделено анализу режимов ОЗНЗ в сетях, содержащих двухцепные ВЛ, в меньшей степени занимавшей внимание электриков и приобретающей существенный вес при проектировании РЗ таких сетей, призванной распознавать фидер, на котором произошло замыкание на землю (токи в режиме ОЗНЗ текут по всем фидерам, в том числе и по фидерам неповрежденной цепи, расположенной на тех же опорах, что и поврежденная).
Оснащение нейтрали сети резисторами приводит к появлению в токе замыкания активной составляющей тока, величина которой зависит от величины сопротивления в нейтрали. Для того, чтобы сохранить свойство сети, заключающееся в малых токах ОЗНЗ, сопротивление в нейтрали должно быть достаточно высокоомным. Верхний предел величины сопротивления целесообразно выбирать исходя из следующих соображений: введение сопротивления в нейтраль при ОДЗ должно исключить многоместные повреждения (или по крайне мере существенно уменьшить их вероятность), обусловленные повторными зажиганиями дуги при ее неустойчивом горении; исключить возникновение опасных феррорезонансных колебаний, обусловленных насыщением стали магнитопроводов трансформаторов напряжения; режимные параметры при ОЗНЗ должны обеспечить надежное срабатывание пусковых органов РЗ и селективное отключение фидера, на котором произошло замыкание на землю;
Постановка задачи. Процессы при ОДЗ
В схеме на рис. 1.2 приняты следующие обозначения: Сі=(Сц+С22+СззУь С2КС44+С55С66У1, Сі2=(Сі4+Сі5+Сіб+С24+С25+С26+Сз4+Сз5+С3б)/і: После определения на основе схемы на рис. 1.2 напряжений на нейтралях UNI И UN2 И тока замыкания на землю токи, протекающие по поврежденной цепи (Іоіпв), неповрежденным цепям, примыкающим к поврежденной секции шин (1о1нп)3 а также к неповрежденной секции шин (Іог) определяются следующим образом: Іоіпв +ЗикисоССф+СщУпв-Зи юСщ/пв, Іо і нп=(!о шв - ІзУшт/шв, (1-Ю) Io2=_UN2(gN2 - j/C0LN2)/Hn//b Сф=( Сіі+С22+Сзз+С44+С55+С66)/6, Сщ=( С14+С15+С16+С24+С25+С26+С34+С35+С36УЗ. Очевидно, что напряжение несимметрии (напряжение на изолированной нейтрали) в нормальном эксплуатационном режиме должно определяться с учетом несимметрии всех емкостных параметров в схеме на рис. 1.1 при gN gNz"00? LN1=LN2=oo и R3=co. В рассматриваемой схеме это напряжение составило 1.4 кВ (при допустимой согласно ПУЭ величине 0.0075x35/3=0.15 кВ при условии оснащения сети ДГР). При известном значении напряжения несимметрии напряжение на нейтралях при оснащении их резисторами также можно рассчитать по простейшей схеме рис 1.3, составленной при усреднении емкостных параметров и использовании теоремы об эквивалентном генераторе напряжения. Схема приведена при gN1=gN2=gN. Погрешность в определении напряжений на нейтралях в нормальном эксплуатационном режиме при использовании упрощенной схемы рис. 1.3 проиллюстрирована данными табл. 1.4. Из этой таблицы видно, что в этой схеме погрешность (в сторону увеличения) составляет 11.4%, то есть, превышает погрешность при определении напряжений на нейтралях в упрощенной схеме для расчета режима ОЗНЗ (рис. 1.2).
Из табл. 1.4, в частности следует, что при изолированной нейтрали токи в поврежденной и неповрежденной цепи, находящейся с поврежденной на одной опоре практически совпадают. При оснащении же нейтрали резисторами токи в поврежденной цепи существенно превышают токи во всех неповрежденных цепях, как расположенных на тех же опорах, что и поврежденная, так и на других опорах. Это обстоятельство позволяет выдвинуть предположение, что для распознавания поврежденной цепи может не потребоваться направленная защита.
Влияние переходного сопротивления е месте замыкания на токораспределение Результаты расчетов, приведенных в предыдущем подразделе, относились в основном, к идеализированному случаю - R3=0. Вместе с тем надежность эксплуатации сети, связанная с надежностью и селективностью функционирования РЗ, в большой мере зависит от правильного учета сопротивления заземления в месте ОЗНЗ. Следует также отметить, что величина этого сопротивления зависит от целого ряда факторов, меняющихся в течение года, а следовательно и сама является переменной. Поэтому, при проектировании РЗ необходимо, вероятно, ориентироваться на наиболее неблагоприятные условия с точки зрения величины сопротивления заземления. При выборе величины сопротивления резистора в нейтрали также необходимо учитывать величины сопротивления заземления, характерные для того региона, где расположена эксплуатируемая или проектируемая сеть.
Напряжения на нейтралях сети, эксплуатируемых при раздельном питании двухцепных В Л в схеме нулевой последовательности, в случаях изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через ДГР, согласно математической модели, приведенной в 1.2.2, запишутся следующим образом: т &К +g +Гщ)+(& + Х?ц+ +Ы+ Й +gNj (1Л 1} U Y -1 иИ2 = jvr МЦ J НС у 4-у + р- (1Л2) где УЕ=)ю/у(Сіі+С22+Сзз), IHC=J(O/S(EACII+EBC22+ECC33), УМЦ=)СО/ІСМЦ, g3=l/R3. В случае одноцепных линий в (1.11) и (1.12) необходимо положить YMy=0; при изолированной нейтрали - gN=0.
Анализ влияния переходного сопротивления R3=l/g3 на величины напряжений нейтралей UNi и UN2 был произведен для сети 35 кВ. При проведении исследования переходное сопротивление изменялось в диапазоне 30-со Ом, суммарная длина ВЛ принималась равной 10, 50 и 100 км. Расчеты были проведены для четырех случаев: к районной подстанции, нейтрали которой либо изолированы, либо заземлены через резисторы, примыкают либо одноцепные, либо двухцепные ВЛ.
Величины сопротивлений резисторов были выбраны исходя из требования практического разряда емкостей цепей после погасания дуги за время порядка половины периода промышленной частоты при ОЗНЗ (RN=1/3G C).
Феррорезонансные процессы в сетях, оснащенных ДГР
В процессе ОДЗ часто повреждаются трансформаторы напряжения для контроля изоляции (ТНКИ). Именно процессы при ОДЗ могут инициировать феррорезонансные колебания (ФК), обусловленные насыщением магнитопроводов ТНКИ при значительных повышениях напряжения на нем. Впервые природу ФК в сетях с изолированной нейтралью открыли Шотт и Петерсен [19]. Многие исследователи занимались этой проблемой [8, 20-23]. Их работы обобщены, в частности, в [24].
Эквивалентная простейшая схема, позволяющая понять физику феррорезонансных колебаний, обусловленных насыщением стали магнитопровода трансформатора, приведена на рис. 1.10.
В нормальном эксплуатационном режиме индуктивность намагничивания ТН представляет собой большую величину и результирующая проводимость Y носит емкостный характер. Если в каком-либо переходном режиме повышается напряжение на одной фазе, то проводимость этой фазы может носить уже индуктивный характер и, поскольку за счет изолированной нейтрали все фазы связаны между собой, то может возникнуть явление, которое иногда называют «неустойчивостью нейтрали».
Отметим также, что ФК зачастую сопровождаются появлением токов в обмотках высокого напряжения ТН, значительно превышающих допустимые по тепловой устойчивости обмоток. Это связано с тем, что в системе с изолированной нейтралью процессы, происходящие в отдельных фазах, оказываются взаимосвязанными, что приводит к возникновению колебаний широкого спектра частот: Зсо, 2со, со/2, со/3. Именно субгармонические колебания и обуславливают появление сверхтоков в обмотках ВН ТН. Так, для НТМИ-6 и НТМИ-10 опасными являются длительные токи, превышающие 0.2...0.3 А. Допустимый ток для ЗНОМ-35 оценивается в интервале 0.12...0.13 А. Условия возникновения опасных феррорезонансных колебаний чаще соблюдаются в сетях, имеющих небольшую протяженность, так как суммарная емкость такой сети невелика и с большей вероятностью соблюдаются условия резонанса в цепи емкость сети - индуктивности намагничивания ТН. Предельная емкость сети 35 кВ, при которой могут возникнуть опасные ФК, составляет примерно 20 нФ на фазу. При оценке опасности возникновения ФК целесообразно пользоваться такой характеристикой сети, как ток замыкания на землю, отнесенный к одному ТН. Так согласно [24] при 13уд=1.5 А вероятность превышения током в обмотке ВН ТН при ФК составляет примерно 0.5. А при І3уд=1.5 А -примерно 0.7.
Феррорезонансы при ОДЗ возникают после погасания дуги из-за высоких уровней перенапряжений в схеме относительно земли, а, следовательно, и на высокой стороне трансформатора напряжения. Для ликвидации условий возникновения феррорезонансных колебаний в цепь нулевой последовательности необходимо включить резисторы. Резисторы можно включать в рассечку открытого треугольника ТН (рекомендуемое сопротивление 25 Ом зачастую является недостаточным для ликвидации условий возникновения феррорезонансных явлений), в нейтраль обмотки ВН ТН, а также в нейтраль силового трансформатора, питающего рассматриваемую сеть с изолированной нейтралью.
Покажем эффективность резистивного заземления нейтрали силового трансформатора при анализе процессов при ОДЗ, являющихся основной причиной возникновения ФК.
Поскольку наиболее опасные повторные зажигания дуги происходят через половину периода промышленной частоты (0.01 с), потребуем, чтобы к этому времени емкость сети практически разрядилась: T=(CA+CB+Cc)x3R, T=9(CA+CB+Cc)xR=9C0xR=O.Ol с. (1.14) Из (1.14) следует: R=O.Ol/9C0=O.Olco/ 9соСф=1/ЗсоСФ. Это же выражение получено в [16] В. Петерсеном. Феррорезонансные процессы в двухцепных ВЛ Сети, содержащие двухцепные В Л 35 кВ, характеризуются относительно большей протяженностью и, следовательно, большой емкостью сети на фазу. Наличие второй цепи приводит при раздельной эксплуатации цепей ВЛ в схеме нулевой последовательности к дополнительному увеличению эквивалентной емкости на землю. Вместе с тем, как известно, устойчивые феррорезонансные колебания наблюдаются при относительно малых фазных емкостях сети (согласно [24] при напряжениях 6...35 кВ -3...40 нФ на один трансформатор напряжения). В табл. 1.17 приведены результаты расчетов процессов, сопровождающих ОДЗ в сети 35 кВ различной протяженности, содержащей двухцепные ВЛ и оснащенной резистором в нейтрали повышающего трансформатора, при неучете и учете насыщения магнитопровода трансформатора типа ЗНОМ-35. Рассматривалось одно повторное зажигание, происходящее через половину периода промышленной частоты. Расчеты производились в схеме рис. 1.11.
Наиболее уязвимым местом модели является моделирование кривой намагничивания ТН. Во-первых, это связано с экспериментальным определением этих кривых: как правило, они определяются на промышленной частоте и поэтому в них неминуемо учитывается падение напряжения на индуктивности рассеивания трансформатора от тока намагничивания. При значениях потока, незначительно превышающих номинальное значение, токи намагничивания малы и ошибка в определении потокосцепления в напряжении на выводах трансформатора не превышает 1.5...3%. При потоках, превышающих более чем в два раза номинальные значения, динамическая индуктивность намагничивания приближается к её насыщенному значению (1.3... 1.5) LS(LS -значение индуктивности рассеивания при номинальном потоке). Таким образом, использование экспериментальных характеристик, снятых на промышленной частоте, приводит к двойному учету индуктивности рассеивания. Поэтому при исследовании феррорезонансных явлений была исключена индуктивность рассеивания ТН.
Во-вторых, характеристики холостого хода ТН достаточно существенно зависят от типа стали, года выпуска ТН и ряда других факторов. Кривые намагничивания у однотипных ТН могут отличаться на 20...30%. Эти отличия могут существенно сказаться на результатах расчетов. Поэтому при проведении расчетов разумно варьировать характеристики намагничивания трансформаторов в некоторых пределах.
Исследование перенапряжений в схеме с резистивным заземлением нейтрали
Минусом первого варианта является необходимость достаточно тонкой координации ВАХ ОПН на шинах и на присоединениях. Необходимо, чтобы при замыкании на шинах именно аппараты, установленные на шинах, «срабатывали», а аппараты на присоединениях подвергались бы легким воздействиям.
Минусом второго варианта является возможное утяжеление аппаратов на присоединениях, которые в первом варианте могли не рассчитываться на столь длительные процессы, которые могут сопровождать ОДЗ на шинах.
В случае установки аппаратов на шинах и на ответственных присоединениях (в частности, на присоединениях, коммутируемых вакуумными выключателями) можно предложить такую координацию ВАХ этих аппаратов. В аппаратах, устанавливаемых на шинах, предусмотреть более глубокое ограничение перенапряжений. Так, например, опорную точку ВАХ этих аппаратов принять иогрш = 2.8C/ m и иогрдв = 3.0У т при токе А. В этом случае перенапряжения на двигателях при ОДЗ на шинах не превысят уровня 2.611фт при токе в ОПН порядка 116 А даже при отсутствии ОПН на присоединениях. Энергия, поглощаемая в варисторах ОПН на шинах, не превысит величины порядка 20-30 кДж (3.5...5) кДж/кВ/с. В случае же установки ОПН с приведенной ВАХ на присоединениях условия эксплуатации ОПН на шинах облегчаются, причем тем больше, чем большее количество присоединений оснащено ОПН. Однако выбор характеристик ОПН на шинах следует производить в предположении отсутствия ОПН на присоединениях.
Условия эксплуатации ОПН на присоединениях оказываются существенно легче, чем условия эксплуатации ОПН на шинах. Так, например, при установке ОПН на двух присоединениях поглощаемая энергия в каждом аппарате не превысит величины порядка 4 кДж. Однако, в связи с тем, что какие-то двигатели в процессе эксплуатации могут быть отключены, выбор характеристик ОПН на присоединениях следует производить в предположении, что лишь одно присоединение оснащено ОПН. В этом случае ОПН на двигателях следует выбирать, исходя из поглощаемой энергии порядка 5 кДж.
Защита от перенапряжений, возникающих при ОДЗ, может быть возложена на аппараты, установленные на присоединениях. В этом случае, при ВАХ, указанной выше, при установке лишь одного аппарата уровень перенапряжений будет снижен до величины порядка 2.&Щт. При этом энергия, поглощаемая в процессе ОДЗ, составит порядка 20 кДж. Такой «тяжелый» аппарат вряд ли можно признать целесообразным. Поэтому такой вариант защиты можно предусмотреть лишь при условии, что ОПН установлены, по крайней мере на 4-х присоединениях, причем ВАХ этих аппаратов совершенно идентичны (что вряд ли осуществимо). В этом случае перенапряжения при ОДЗ на шинах будут снижены до уровня порядка 2.6U$m при требуемой поглощаемой энергии порядка 6 кДж.
Более надежным вариантом защиты ССН от перенапряжений представляется установка ОПН на шинах и установка ОПН на ответственных присоединениях (в частности оснащенных вакуумными выключателями). При этом аппараты, установленные на шинах, характеризуются более глубоким ограничением перенапряжений, чем аппараты, установленные на присоединениях. В этом случае энергетические характеристики ОПН на присоединениях будут существенно ниже соответствующих характеристик аппаратов на шинах.
Из 2.4.2.3. следует, что при оснащении ОПН шин секций и присоединений возникает проблема координации ВАХ этих аппаратов и требуемых энергетических характеристик ОПН, устанавливаемых на присоединениях. Этой проблемы можно было бы избежать, если оснастить нейтраль сети достаточно высокоомными резисторами. Осложнением, возникающим при практической реализации этой идеи, является отсутствие на напряжении 6 кВ выведенной нулевой точки, так как обмотки низшего напряжения трансформатора собственных нужд соединены в треугольник. Однако, как уже отмечалось в 2.3.1, в настоящее время предприятием АО «Энергия» (Раменский электротехнический завод) изготавливаются аппараты типа ФМЗО, предназначенные для вывода нейтральной точки системы. Эти аппараты обладают относительно небольшой индуктивностью нулевой последовательности, что позволяет их использовать для организации нулевой точки системы.
Следует отметить, что оснащение нейтрали сети резистором позволит облегчить требования к энергетическим характеристикам ОПН, устанавливаемым на присоединениях, так как эти требования будут определяться коммутационными перенапряжениями. В настоящем разделе рассматриваются также условия эксплуатации ОПН на присоединениях в ССН, оснащенной резистором в её нейтрали
