ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6–35 КВ

Надёжность электроснабжения потребителей в значительной степени определяется устойчивостью распределительных сетей среднего напряжения 6–35 кВ. Статистика показывает, что 70–90 % аварий в этих сетях вызваны однофазными замыканиями на землю [1, 2]. ОЗЗ сопровождаются дуговыми перенапряжениями, которые могут достигать 3–3,5 Uф, ускоренным старением изоляции, а в ряде случаев – переходом в междуфазное короткое замыкание.

В сетях с изолированной нейтралью токи ОЗЗ относительно невелики, однако высокие кратности перенапряжений создают угрозу для изоляции. Эффективность релейной защиты при этом во многом зависит от правильного выбора уставок и способа определения повреждённого присоединения. Цель работы – исследование характеристик ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью и разработка метода повышения селективности защит.

Для исследования электромагнитных процессов при ОЗЗ использован программный комплекс PSCAD/EMTDC. Для создания имитационной модели представлена схема распределительного устройства на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема распределительного устройства 10 кВИсходные данные для моделирования представлены в таблице 1 и 2.

Таблица 1.

Исходные данные воздушных линий электропередачи

Таблица 2.

Исходные данные кабельных линий электропередачи

Воздушные линии выполнены из провода марки АС120/19. Кабельные линии выполнены из кабеля марки АПвПг 3х150/50-10.

Для исследования была разработана имитационная модель воздушной и кабельной линии электропередачи, которая показана на рисунках 2 и 3. Рисунок 2. Имитационная модель с изолированной нейтралью воздушной линии электропередачиРисунок 3. Имитационная модель с изолированной нейтралью кабельной линии электропередачи

Результаты моделирования для изолированной нейтрали

При ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью наблюдаются характерные перенапряжения. Для ВЛ действующее значение линейного напряжения на секции шин достигало 21 кВ (кратность 2,1), напряжение нулевой последовательности – 79 В. Ток повреждённого фидера (фидер 2) составил 16,71 А, что превышает токи неповреждённых присоединений в 3–4 раза.

Аналогичные результаты получены для КЛ. Из-за большей погонной ёмкости кабелей токи ОЗЗ выше, но распределение токов по фидерам сохраняет ту же структуру.

Таким образом, в сети с изолированной нейтралью:

• возникают опасные перенапряжения (кратность до 2,1);
• токи ОЗЗ ограничены значениями, позволяющими кратковременную работу без отключения;
• имеется достаточная разница между токами повреждённого и неповреждённых фидеров для применения простых токовых защит.

Однако при перемежающейся дуге или большом переходном сопротивлении эта разница может уменьшаться, что затрудняет селективное отключение.

Для улучшения селективности при малых токах ОЗЗ предложен способ краткосрочного перехода из режима изолированной нейтрали в глухозаземленный. Для этого в нейтраль трансформатора через ячейку КРУ с вакуумным выключателем подключается заземляющий резистор малого сопротивления. При возникновении ОЗЗ устройство защиты инициирует кратковременное замыкание нейтрали на землю, создавая искусственное однофазное короткое замыкание.

В качестве коммутационного аппарата выбран вакуумный выключатель Shell FT2 (рис. 6.1 диссертации) с параметрами: 10 кВ, 2500 А, 31,5 кА, полное время отключения 22 мс. Время переходного процесса составило:

t_c=2⋅(t_ИО+t_в)=2⋅(30+22)=104 мс,

где t_ИО​ – время срабатывания исполнительного органа релейной защиты (например, БЭ2502Б), t_в​ – полное время отключения выключателя.

На следующих рисунках 4-6 представлены результаты проведенного эксперимента.

Рисунок 4. Мгновенное значение токов при краткосрочном переходе с изолированной нейтрали на глухозаземленный

Рисунок 5. Действующее значение тока на поврежденной линии при краткосрочном переходе с изолированной нейтрали на глухозаземленныйРисунок 6. Действующее значение тока на трансформаторе заземления нейтрали при краткосрочном переходе с изолированной нейтрали на глухозаземленный

Результаты моделирования показывают, что при переходе на глухозаземленный режим бросок тока однофазного КЗ достигает 1,67 кА, а установившееся значение – около 1,5 кА, что достаточно для уверенного срабатывания токовой отсечки. Длительность процесса 104 мс при типовых токах КЗ до 10 кА допустима для оборудования, однако метод рекомендуется для сетей с ограниченными токами короткого замыкания.

В результате выполненного исследования:

• Создана имитационная модель сети 10 кВ с изолированной нейтралью в PSCAD, позволяющая исследовать токи и напряжения при ОЗЗ.
• Получены количественные характеристики: перенапряжения до 21 кВ, токи повреждённого фидера до 16,7 А, что создаёт условия для селективной работы защит, но при усложнённых режимах чувствительность может снижаться.
• Предложен метод краткосрочного перехода в глухозаземленный режим, обеспечивающий принудительное увеличение тока повреждённого присоединения до значений, надёжно фиксируемых токовой отсечкой.

Метод может быть реализован с минимальными аппаратными затратами и рекомендован для сетей с малыми токами однофазного КЗ.