Отыскание места замыкания на землю. Отыскание земли в сети с изолированной нейтралью
Суть процесса электроснабжения заключается в доставке электроэнергии от места, где она производится (электрические станции) до места ее потребления (электроприемники). Транспорт электроэнергии осуществляется по электрическим сетям , включающим в себя линии электропередачи, силовые трансформаторы, распределительные устройства и другое вспомогательное оборудование. Сама по себе передача электроэнергии производится по специальным трехфазным электрическим цепям высокого напряжения, чем выше уровень напряжения, тем с меньшими потерями мощности происходит доставка электроэнергии по цепи, но при этом повышение напряжения увеличивает стоимость самой электроустановки, таким образом, выбор оптимального уровня напряжения электроустановки – это сложная технико-экономическая задача . Как правило, распределение электроэнергии к потребителям осуществляется на классе напряжения 6-35 кВ, но иногда можно встретить подстанции глубокого ввода, когда распределение электроэнергии к очень мощным электроприемникам осуществляется на напряжении 110-220 кВ.
Одна из особенностей транспорта электроэнергии заключается в наличии нейтрального провода в схеме, который представляет из себя общую точку источников питания трехфазной электрической системы, также называемой нейтралью .
Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю - это вид повреждения, когда одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. Процессы, протекающие в сети при возникновении такого замыкания, значительным образом зависят от режима работы нейтрали данной сети.
В сетях с изолированной нейтралью ток однофазного замыкания на землю замыкается через емкости неповрежденных фаз. Его значение невелико и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз. Соотношения линейных напряжений при возникновении однофазного замыкания на землю не изменяются, что позволяет эксплуатировать сеть, не отключая повреждения данного вида незамедлительно. Однако, однофазное замыкание на землю представляет значительную опасность для оборудования, вследствие того, что уравнивание потенциала поврежденной фазы и земли приводит к увеличению напряжения между неповрежденными фазами и землей до значения порядка номинального линейного напряжения сети. Изоляция неповрежденных фаз в результате воздействия повышенного напряжения подвержена ускоренному старению, что в конечном счете может привести к замыканию на землю других фаз и возникновению двойного замыкания на землю, являющегося коротким замыканием и требующего немедленного отключения поврежденного участка сети.
Кроме того, ток однофазного замыкания, растекаясь по земле вблизи места замыкания на землю, представляет опасность для жизни людей и животных.
В сетях с заземленной нейтралью однофазное замыкание на землю является коротким замыканием. Ток повреждения в данном случае замыкается через заземленные нейтрали первичного оборудования и имеет значительную величину. Такое повреждение требует немедленного обесточивания поврежденного участка.
Учитывая данную особенность, а также сложность реализации изоляции между фазными проводами и землей для различных классов напряжения (чем выше класс напряжения, тем сложнее эту изоляцию выполнить), то выбор оптимального типа нейтрали также является сложной технико-экономической задачей.
70-90% электричеcких повреждений
приходится на ОЗЗ 1
Причины однофазных замыканий на землю могут быть весьма различны, но все они возникают из-за нарушения изоляции оборудования электроустановок, особенно на кабельных или воздушных линиях электропередачи. Нарушение изоляции может быть по причине ее старения, а также вследствие механических воздействий на электроустановку, чаще это повреждение кабеля при проведении земляных работ или падение ветки дерева на провод воздушной линии и т.д.
В России данная задача нашла решение в таком виде, что распределительные сети уровнем 6-35 кВ эксплуатируются в изолированном от земли режиме нейтрали источников питания, а сети более высокого уровня напряжения эксплуатируются в режиме, когда нейтраль напрямую связана с землей – глухозаземленный и эффективный режим нейтрали.
1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.:НТФ «Энергопрогресс». //Приложение к журналу, «Энергетик», выпуск 11(35) 2001, 102 с.
Страница 21 из 26
9. КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ
Воздушные распределительные сети 6-35 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Значения токов замыкания на землю в этих сетях относительно невелики и во многих случаях на один или даже два порядка меньше токов нагрузки.
Для воздушной сети 6-35 кВ с изолированной нейтралью значение тока замыкания на землю при замыкании без переходного сопротивления может быть ориентировочно определено по эмпирической формуле
Где h - ток замыкания. А; ил - линейное напряжение, кВ; /с-суммарная длина линий сети, км.
В компенсированных сетях ток замыкания на землю зависит, кроме того, от степени компенсации емкостного тока. Для этих сетей характерна также сложная древовидная конфигурация линий.
Указанные особенности сетей 6-35 кВ практически исключают возможность применения для них методов и средств определения мест однофазных замыканий на землю, используемых в сетях более высокого напряжения. В связи с этим в воздушных сетях 6-35 кВ получили распространение переносные приборы, которые позволяют путем ряда последовательных измерений в разных точках сети определить место повреждения.
Известные методы и приборы для отыскания места однофазного замыкания на землю в воздушных распределительных сетях основаны на использовании процессов и явлений, происходящих в сети при этом виде повреждения. При замыкании на землю как в поврежденной, так и неповрежденных линиях сети протекают токи нулевой последовательности. Значение этих токов в неповрежденных линиях определяется при прочих одинаковых условиях емкостью проводов каждой линии по отношению к земле. В поврежденной линии от шин подстанции к месту замыкания протекает суммарный ток нулевой последовательности неповрежденных линий. Направление тока в поврежденной линии противоположно направлению токов в неповрежденной линии. Замыкание на землю вызывает искажение системы фазных напряжений. Токи пулевой последовательности, кроме основной составляющей 50 Гц, содержат составляющие высших гармоник. Основными источниками высших гармоник являются генераторы, ЭДС которых не чисто синусоидальна, а также силовые трансформаторы и токоприемники, имеющие нелинейную характеристику.
При замыкании на землю в сети гармонический состав тока нулевой последовательности неповрежденной линии определяется гармоническим составом напряжения нулевой последовательности и параметрами данной линии. Гармонический состав тока поврежденной линии представляет собой сумму гармонических составляющих токов неповрежденных линий. В компенсированной сети к высшим гармоникам тока нулевой последовательности поврежденного присоединения добавляются высшие гармонические составляющие тока дугогасящей катушки.
Контроль тока нулевой последовательности в линиях сети осуществляется переносными приборами путем измерения магнитного поля вблизи линии с помощью встроенных в прибор магнитных датчиков, представляющих собой индуктивную катушку с разомкнутым ферромагнитным сердечником. Контроль напряжения сети осуществляется путем измерения электрического поля линии с помощью штыревой антенны.
По измеряемым составляющим тока и напряжения переносные приборы делятся на две группы: приборы, работающие на частоте 50 Гц, и приборы, работающие на высших гармонических составляющих. Каждая группа в свою очередь включает как токовые, так и направленные приборы. Токовые приборы используются для сравнительной оценки токов нулевой последовательности в линиях и участках сети при замыкании на землю. Направленные приборы дают возможность определить направление протекания этих токов.
При применении токовых приборов в результате сравнительной оценки уровня соответствующих составляющих токов нулевой последовательности определяется поврежденная линия, показания прибора для которой максимальны; затем по максимальным показаниям прибора на поврежденной линии определяются поврежденное ответвление и место повреждения, за которым показания прибора резко снижаются.
Направленные приборы позволяют по показаниям индикатора определить направление к месту повреждения в точке сети, если значение соответствующей составляющей тока нулевой последовательности в данной точке сети достаточно для работы прибора. Это условие не выполняется обычно на сравнительно коротких ответвлениях и концевых участках линий.
Применение приборов, использующих составляющие основной частоты, встречает трудности из-за влияния магнитного поля токов нагрузки, напряженность которого сравнима с напряженностью магнитного поля тока замыкания на землю. Наличие вблизи линии нескомпенсированного магнитного поля токов нагрузки объясняется несимметричным расположением проводов линии по отношению к точке расположения переносного прибора. Влияние магнитного поля токов нагрузки резко ограничивает область применения наиболее простых приборов на основной частоте. При токах замыкания на землю, составляющих менее 20% тока нагрузки, применение таких приборов практически невозможно.
Использование высших гармонических составляющих имеет то преимущество, что Их относительный уровень в токе замыкания на землю по сравнению с уровнем в токе нагрузки тем выше, чем выше номер гармоники. Это объясняется емкостным характером сопротивления в контуре протекания тока замыкания на землю и в значительной степени индуктивным характером сопротивления в контуре протекания тока нагрузки. Поэтому при использовании высших гармонических составляющих влияние магнитного поля токов нагрузки существенно меньше. Замыкания на землю в большинстве случаев происходят через переходное сопротивление. В процессе протекания тока замыка- ния на землю значение этого сопротивления, как правило, не остается неизменным. Изменения переходного сопротивления, часто значительные, вызывают изменения уровня гармонических составляющих тока. Так как емкостное сопротивление в контуре прохождения тока замыкания на землю тем меньше, чем выше номер гармоники, влияние изменений переходного сопротивления на изменение уровня высших гармоник тем больше, чем выше номер гармоники.
Таким образом, хотя более высокие гармоники дают возможность лучшей отстройки от влияния токов нагрузки, нестабильность их уровня вследствие изменения переходного сопротивления затрудняет работу с прибором, использующим более высокие гармоники.
Наибольшее распространение в энергосистемах получили серийно выпускаемые приборы «Поиск-1», «Волна» и «ЗОНД».
Серийный выпуск первого переносного прибора «Поиск-1» был освоен Мытищинским электромеханическим заводом в 1969 г. Прибор «Поиск-1» разработан Союзтехэнерго как универсальный прибор. Он имеет фиксированную настройку на 5, 7, 11 и 13-ю гармоники и возможность работы в полосе частот. Рекомендуется преимущественное использование 5-й гармоники. Основным недостатком прибора «Поиск-1» являются относительно большие размеры и масса.
С 1981 г. Мытищинским электромеханическим заводом освоен выпуск нового, более совершенного прибора серии «Волна», разработанного заводом совместно с Союзтехэнерго и Украинской сельскохозяйственной академией. По сравнению с прибором «Поиск-1» прибор «Волна» имеет лучшую селективность, более высокую чувствительность, меньшие габариты и вес. В 1990 г. завод предполагает освоить выпуск приборов «Волна-М» на новой элементной базе с более стабильными характеристиками.
Рижским опытным заводом «Энергоавтоматика» в 1981 г. освоен выпуск направленного прибора «ЗОНД», разработанного Украинским отделением Сельэнергопроекта совместно с заводом. Прибор основан на сравнении фаз тока и напряжения 11-й гармоники.
Кроме серийно выпускаемых переносных приборов в энергосистемах нашли некоторое применение и имеют положительный опыт эксплуатации прибор «Гармоника», разработанный Украинской сельскохозяйственной академией, прибор Мосэнерго УМП-7 и др.
Общими ко всем переносным приборам для определения места замыкания в сети являются следующие требования.
Прибор должен иметь достаточно высокую чувствительность, обеспечивать определение места замыкания в сетях малой протяженности (не более 20 км), позволять производить контроль наличия замыкания в сети в процессе поиска повреждения. Прибор должен обеспечивать надежное определение поврежденной линии на подстанции, поврежденного ответвления и места повреждения на линии при значительных токах нагрузки (до 80- 100 А).
Прибор должен быть универсальным, применяем как в сетях с изолированной, так и в сетях с компенсированной нейтралью при любой конструкции, линий, в широком диапазоне температур, от -40 до +40° С. Прибор должен быть легким и малогабаритным, надежным в работе и простым в употреблении, чтобы прибором мог пользоваться без труда любой электромонтер.
Наиболее перспективными переносными приборами, в большей степени удовлетворяющими перечисленным требованиям, являются приборы, основанные на использовании высших гармонических составляющих.
В данной работе рассмотрены меры принимаемые для контроля изоляци, а также действия оперативного персонала электроустановки по отысканию места замыкания на «землю».
В электроустановках рабочим напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью, при повреждении или нарушении изоляции, падении провода и т.д. возникает замыкание на землю. Режим однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью аварийным не является. Следовательно, автоматического отключения поврежденного участка электрической сети не будет.
Данный режим работы является опасным для изоляции оборудования, так как фазные напряжения при этом значительно увеличиваются. Это в свою очередь приводит к пробою изоляции и переходу из однофазного в двухфазное замыкание на землю.
Кроме того, замыкание на землю очень опасно для людей, в частности для обслуживающего персонала (при возникновении повреждения на территории ОРУ или ЗРУ). При этом высока вероятность поражения электрическим током в результате растекания токов на землю (шаговое напряжение). Следовательно, оперативному персоналу, который осуществляет обслуживание электроустановки, необходимо в кратчайший срок устранить возникшее повреждение, то есть определить место повреждения.
Замыкание на землю бывает нескольких видов: металлическое замыкание, неполное замыкание через электрическую дугу и замыкание на землю через поврежденную изоляцию токоведущих частей.
Контроль изоляции в электроустановках 6-35кВ осуществляется при помощи:
Реле минимального напряжения, которые включены на фазные напряжения ТН;
Реле напряжения, которые включены в обмотку разомкнутого треугольника;
Токовых реле, которые включены к выходу фильтра токов нулевой последовательности;
Вольтметров контроля изоляции.
Показания вольтметров контроля изоляции:
При металлическом замыкании на землю: на поврежденной фазе прибор показывает «ноль», при этом напряжение на двух других фазах увеличивается в 1,73 раза, то есть равно линейному напряжению сети;
При замыкании на землю через дугу: на поврежденной фазе «ноль», на других фазах напряжение увеличивается в 3,5-4,5 раз;
При замыкании на землю через сниженное сопротивление изоляции показания вольтметра контроля изоляции несимметричны. Происходит так называемый «перекос» фаз сети.
В зависимости от выполненной схемы контроля изоляции, осуществляется сигнализация «замыкания на землю» с указанием конкретной поврежденной фазы, так и без определения фазы. В последнем случае поврежденная фаза определяется по показаниям киловольтметров контроля изоляции того или иного участка сети. Фиксировать показания вольтметров контроля изоляции необходимо в обоих случаях. Кроме того, существуют ложное срабатывание сигнала земля.
Перечислим основные причины ложного срабатывания сигнала «земля» в сети 6-35кВ:
Значительное отличие емкостей фаз относительно земли;
Неполнофазное отключение трансформатора;
Подключение к участку сети другого некомпенсированного участка сети, в том числе автоматическое (работа АВР);
Обрыв фазы (перегорание предохранителя) по стороне ВН или НН силового трансформатора. При этом будет незначительный перекос напряжений;
Обрыв фазы (перегорание предохранителей, отключение автоматического выключателя или другая причина) трансформатора напряжения, который предназначен для контроля изоляции данного участка сети. При обрыве фазы по стороне НН одна фаза будет показывать ноль, а две другие фазное напряжение. При обрыве фазы по высокой стороне (ВН) показания приборов контроля изоляции будут несимметричные. При этом определить, сгорел предохранитель или нет по показаниям приборов сложно, так как перекос незначительный.
Рассмотрим случай незначительного перекоса фаз (ложное срабатывание сигнала замыкания на землю). Когда перегорает предохранитель по высокой стороне ТН, кратковременно появляется сигнал «земля», затем наблюдается незначительный перекос фазных и линейных напряжений. Причиной такого перекоса может быть отличные емкости фаз по отношению к земле. В данном случае можно попробовать поочередно отключить присоединения, которые питаются от данного участка сети (секции или системы шин). Если показания приборов контроля изоляции не изменяются, то высока вероятность того, что причиной такого перекоса напряжений является перегорание предохранителя по стороне ВН трансформатора напряжения.
Отыскание однофазного замыкания осуществляется при помощи специального прибора или методом поочередных отключений. В данном случае производится поочередное отключение присоединений, запитанных от секции (системы) шин, где ТН показывает наличие повреждения, а также присоединения участков электрической сети, которая электрически связана с этой секцией (системой) шин.
Если после отключения линии сигнал «земля» пропал, то это свидетельствует о том, что замыкание на «землю» было на данной линии. Данное присоединение можно ввести в работу только после выяснения причины возникновения однофазного замыкания.
Если методом поочередных отключений отходящих присоединений поврежденный участок найти не удалось, то следует отключить все присоединения участка сети, где появилась «земля», убедиться в том, что сигнал о однофазном замыкании устранился. Затем необходимо поочередно включить отходящие присоединения. Если включение одной из отходящих линий совпало с появлением сигнала «земля», то данное присоединение необходимо отключить и не вводить в работу до выяснения причины срабатывания сигнала «земля». Соответственно, если при включении в работу предварительно выведенного в ремонт присоединения появилась «земля» данное присоединение должно быть немедленно отключено. Бывают также ситуации, когда при отключении всех отходящих линий сигнал «земля» не устраняется. Это свидетельствует о том, что возникло повреждение на оборудовании подстанции, например, на участке от силового трансформатора до секции шин включительно. Прежде всего, необходимо определить, повреждение находится на секции шин или на другом оборудовании (вводной выключатель, ошиновка от силового трансформатора до вводного выключателя). Для этого отключаем вводной выключатель данной секции, включаем секционный выключатель. Если по секции, к которой присоединен этот участок сети, появился сигнал «земля», то повреждение находится на секции шин. Поврежденная секция должна быть выведена в ремонт для устранения повреждения.
Если сигнал «земля» отсутствует, то повреждение находится на участке от силового трансформатора до вводного выключателя секции включительно. В данном случае необходимо произвести осмотр оборудования данного участка распределительного устройства на предмет наличия повреждений. Если причиной возникновения «земли» является пробой изоляции, то, скорее всего, визуально повреждение найти не удастся.
Для отыскания повреждения необходимо вывести данный участок распределительного устройства в ремонт. Отыскание дефекта изоляции производится электролабораторными испытаниями оборудования.
