Преза 6

1.

Влияние уровней емкостных токов на
надежность работы сетей 20 кВ.
Компенсация емкостных токов 20 кВ

2.

На начальных этапах внедрения резистивного заземления нейтрали
предполагалось не применять специальные меры по уменьшению
емкостных токов, поскольку величина емкостных токов по сравнению с
активным током резистора была незначительна, влияние их на
суммарный ток ОЗЗ минимально и длительность воздействия
ограничена.
Особенностью сети 20 кВ является большие значения емкостных
токов ОЗЗ. В последнее время развитие городской кабельной сети 20 кВ
достигло таких объемов, что суммарные емкостные токи ОЗЗ достигли
величин Ic=1000-1300 А и приблизились и даже превысили значение
тока резистора, определяемое условием селективного отключения ОЗЗ
присоединений.
При значительных суммарных токах ОЗЗ электробезопасность
оценивается по величине напряжения повреждения, возникающего на
корпусе электрооборудования при повреждении в сети высокого
напряжения.
2

3.

ЗАВИСИМОСТЬ СУММАРНОГО ЕМКОСТНОГО ТОКА ОЗЗ И СУММАРНОГО ТОКА
АВАРИЙНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ ОТ СУММАРНОЙ ДЛИНЫ КЛ 20 КВ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К
НЕЙТРАЛИ РЕЗИСТОРА С ТОКОМ 1000 А
3

4.

ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ ОЗЗ
Наибольшие величины напряжения повреждения на ЗУ ТП
формируются при ОЗ вблизи шин 20 кВ ТП. Напряжение на ЗУ ТП
достигает
Uзутп=196 В. Для таких величин напряжений
повреждения допустимое время отключения замыкания по нормам
ГОСТ Р 50571-4-44-2019 должно быть не более tоткл = 0,6 с.
Место ОЗЗ
ОЗЗ на экран в начале КЛ1
UЗУ ПС, В
UЗУ РП, В
UЗУ ТП, В
110
7
3
ОЗЗ на экран в конце КЛ1
34
129
51
ОЗЗ на экран конце КЛ2
31
46
196
4

5.

ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ В РЕМОНТНОМ РЕЖИМЕ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ
ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ ОЗЗ
Развитие сети 20 кВ приводит к увеличению тока ОЗЗ на шинах
питающей подстанции. В таблице представлены результаты расчета
напряжений повреждения на заземляющих устройствах Uзу при
объединенной работе 1-2 и 3-4 СШ и полном развитии сети 20 кВ
ПС Цимлянская.
Место ОЗЗ
ОЗЗ на экран в начале КЛ1
ОЗЗ на экран в конце КЛ1
ОЗЗ на экран конце КЛ2
Iоз, А
2604
2549
2320
UЗУ ПС, В
216
44
41
UЗУ РП, В
11
208
74
UЗУ ТП, В
4
82
314
Объединение секций шин в ремонтном режиме приводит к росту
тока ОЗЗ и увеличению напряжения на ЗУ до величин Uзупс=216 В.
На ЗУ РП и ЗУ ТП напряжения возрастают до величин Uзурп=208 и
Uзутп=314 В.
5

6.

ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
Увеличение значений напряжения повреждения при развитии
сети обусловлено возрастанием уровня емкостных токов. Очевидным
способом уменьшения величин напряжения является компенсация
емкостных токов путем подключения компенсационных реакторов ДГР.
Рассмотрены 3 варианта подключения реакторов:
- дугогасящего реактора (ДГР) в нейтраль силового трансформатора
параллельно резистору;
- ДГР в нейтраль специального нейтралеобразующего трансформатора
20/0.4 к каждой секции шин 20 кВ;
- подключение шунтирующих реакторов 20 кВ к фазам каждой секции
шин.
6

7.

КОМПЕНСАЦИЯ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
Компенсация осуществляется путем установки шунтирующих ШР
или дугогасящих ДГР реакторов.
Индуктивное сопротивление
реакторов определяется исходя из величины компенсируемого
емкостного тока.
Емкостной ток ОЗЗ определяется по соотношению:
Iс=3 Uф Cк,
где: - 314;
Uф – фазное напряжение;
Cк – емкость оборудования сети на землю.
По условию равенства индуктивного и емкостного тока:
ХL=3Uф/Iс
7

8.

ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
Мощность реакторов, планируемых для подключения к каждой секции
шин, определяется исходя из максимального значения емкостного тока Iмсш,
которое током реактора должно быть снижено до значения, принятого за
допустимое. Расчеты напряжения повреждения показывают, что за
допустимое значение емкостного тока может быть принято Iдп=100 А.
Ниже представлены расчетные значения максимального емкостного
тока Iмсш, определяемого суммой достигнутого тока ОЗЗ Iсш на СШ ПС и
дополнительного значения тока Iдоп за счет подключения КЛ при
перспективном развитии сети. Доля тока для компенсации Iком определяется
как Iком= Iмсш-100, где за допустимое значение тока ОЗЗ на шинам принято
100 А.
СШ
1 СШ
2 СШ
3 СШ
4 СШ
Кол-во
Дополн
Существ
свободн
ток от
сум ем
ых
подключа
ток одной
вводов
емых яч
СШ Iсш
на СШ
Iдоп
6
7
1
10
311,33
204,99
512,17
44,03
196,21
228,91
32,70
327,02
Сумм ток
секции
шин и
дополнит
Iмсш
Доля тока
для
компенсац
ии Iком
Требуемая
мощность
реактора,
Sр кВАр
Инд
сопр
реак,
Ом
507,54
433,90
544,87
371,05
407,54
333,90
444,87
271,05
4711,17
3859,92
5142,72
3133,32
28,37
34,62
25,99
42,65
8

9.

ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
В таблице представлены результаты расчета напряжений повреждения на
заземляющих устройствах Uзу при объединенной работе 1-2 и 3-4 СШ и полном
развитии сети 20 кВ ПС Цимлянская. На секции шин через нейтралеобразующие
трансформаторы подключены 4 ДГР мощностью по 5000 кВАр.
Место ОЗЗ
ОЗЗ на экран в начале КЛ1
ОЗЗ на экран в конце КЛ1
ОЗЗ на экран конце КЛ2
Iоз, А
2604
2549
2320
UЗУ ПС, В
106
35
34
UЗУ РП, В
20,8
145
40
UЗУ ТП, В
2
44
171
Полная компенсация емкостных токов обеспечивает уменьшение
напряжений повреждения на ЗУ ПС до допустимых значений. На ЗУ РП
напряжения уменьшаются до Uзурп=145 В , что превышает допустимое
значение Uзудоп=110В и требует применения дополнительных мероприятий
сетевого характера (подключение к шинам КЛ 20 кВ), или уменьшения
выдержки времени ТЗНП на питающей подстанции до tтзнп=0.08с.
9

10. Неселективная работа ЛЗШ

Одним из нежелательных эффектов увеличения суммарных токов
ОЗЗ на секциях шин 20 кВ, наряду с другими опасными воздействиями,
является возможность неселективной работы логической защиты шин
(ЛЗШ), которая возникает при питании двух секций шин от одной
обмотки силового трансформатора.
Неселективная работа ЛЗШ обусловлена возможным превышением
значением тока нулевой последовательности, протекающего через
выключатель ввода соседней секции шин, уставки ЛЗШ. Блокирующий
сигнал от аварийного присоединения исключает неселективную работу
выключателей ввода аварийной секции шин, однако не блокирует
выключатель ввода соседней секции.
Для обеспечения селективности действия ЛЗШ достаточно снизить
(скомпенсировать) емкостной ток ОЗЗ одной секции шин до значения,
меньшего тока уставки срабатывания защиты.
10

11. Неселективная работа ЛЗШ

11

12.

Схемы подключения компенсирующих реакторов
В исходном режиме сети при ОЗЗ на СШ2 через ТОР1 протекает ток
Iлзш=471 А, определяемый емкостью КЛ, подключенных к СШ1.
Подключение ДГР в нейтраль сети параллельно резистору приводит к
компенсации тока в месте ОЗ, однако в ветви ТОР1 ток 3Iо=471 А не
снижается и превышает уставку ЛЗШ. То есть подключение ДГР в
нейтраль питающего трансформатора не исключает возможность
неселективной работы ЛЗШ.
12

13.

Подключение ДГР в
нейтраль сети
параллельно резистору
приводит к компенсации
тока в месте ОЗ, однако
в ветви ТОР3 ток
3Iо=450 А не снижается
и превышает уставку
ЛЗШ. То есть
подключение ДГР в
нейтраль питающего
трансформатора не
исключает возможность
неселективной работы
ЛЗШ.
13

14.

Уменьшения значения тока
3Iо в ветви ТОР можно достигнуть
только подключением ШР к шинам
20 кВ или подключением ДГР через
ТЗН к каждой секции шин.
При
установке
ШР
непосредственно на шины 20 кВ
происходит
компенсация
емкостных токов прямой и нулевой
последовательности до Io=39 А.
Степень уменьшения токов в фазах
ТОР
определяется
выбраной
мощностью ШР.
При
подключении
ДГР
непосредственно на шины 20 кВ
через трансформаторы заземления
нейтрали
ТЗН,
ток
нулевой
последовательности в реакторе
ТОР3 уменьшается до Io=30 А.
14

15. Обеспечение селективной работы ЛЗШ введением зависимой уставки

Применение цифровых терминалов РЗ позволяет использовать токовую защиту
с зависимой от тока уставкой по времени. В этом случае при протекании по
выключателю ввода тока нулевой последовательности, превышающего значение
уставки ЛЗШ и меньшего тока резистора, уставку по времени необходимо принимать
больше уставки ТЗНП фидера. При токе ввода большем тока резистора необходимо
принимать уставку tс.з.=0.4с.
Использование значений фаз токов нулевой последовательности позволяет
определить секцию шин, на которой произошло однофазное замыкание. Если
фаза тока нулевой последовательности, протекающего через выключатель ввода,
имеет значение, превышающее 90 град, это означает, что ОЗЗ произошло на
соседней секции шин или на линии, отходящей от соседней секции шин.
Использование
соотношения
между
токами
отдельных
последовательностей, протекающими через ввод секции шин, работающей в
нормальном
режиме,
и
аварийной
секции
шин.
Ток
обратной
последовательности, протекающий через ввод 2-й секции шин при
возникновении ОЗЗ на 4-й секции шин, значительно меньше по своей величине
токов прямой и нулевой последовательности.
15

16. Термическая стойкость оборудования при протекании увеличенных токов по аварийному присоединению

Увеличение значений емкостных токов кабелей при развитии сети 20 кВ
приводит к соответствующему возрастанию токов ОЗ и токов, протекающих
в экранах кабелей. Оценка термической стойкости экранов осуществляется
в двух режимах I(1) и I(3).
При возникновении однофазного повреждения изоляции кабеля
суммарный ток замыкания (геометрическая сумма тока резистора и
емкостного тока сети), протекающий через медный экран кабеля в
аварийном
присоединении,
приводит
к
его
нагреву.
Ввиду
относительного большого значения тока ОЗЗ в месте замыкания и
существенному увеличению суммарного тока, возникает необходимость
оценки термической стойкости экранов СПЭ-кабелей, используемых в
распределительной кабельной сети 20 кВ.
16

17.

В таблице представлена термическая стойкость медных экранов при
различном времени протекания токов.
сечение
медного допустимый
экрана,мм2
замыкания,
tз=1,0 с
16
3,1
25
4,8
35
6,7
50
9,6
ток допустимый ток
кА замыкания,
кА
tз=1,7 с
2,4
3,68
5,14
7,36
При увеличении суммарного ёмкостного тока присоединений до 1500
А нарушения термической стойкости экранов при ОЗЗ не возникает, так
как все значения токов в экранах кабелей не превосходят значения 3,1 кА,
нормированного для наименьшего сечения экрана 16 мм2 при
длительности замыкания 1,0 с.
17

18.

При рассмотрении термической стойкости экранов силовых кабелей
при трехфазных замыкания в конце линий нарушения термической
стойкости экранов не возникает, так как для замыкания длительностью
1,7 с расчетные значения токов в экранах кабелей не превосходят
значения 2,4 кА.
При выдержках времени на отключение однофазного повреждения
со стороны РП или питающей подстанции tОЗЗ = 1,0 – 1,7 с,
характерных для сетей 20 кВ в Москве, проверка термической стойкости
экранов выполняется по току двухфазного КЗ на землю I(1,1), поскольку
вероятность возникновения второго ОЗЗ хотя и остается невысокой, но
пренебрегать ей нельзя. Токи I(1,1) достигают значений 5-10 кА, что
обусловливает применение экранов повышенного сечения.
Если сечение экрана не соответствует величине тока для
длительности его протекания, то возможно термическое разрушение
экрана на значительном по длине отрезке кабеля.
18

19.

В трехфазной КЛ, выполненной из однофазных
экранированных
кабелей
с
заземленными
экранами,
возникновение двух- либо трехфазного КЗ без «земли»
невозможно.
Это позволяет утверждать, что расчетным случаем,
определяющим сечение экрана кабеля, в сети с резистивно
заземленной нейтралью является однофазное замыкание на
землю.
Опыты, проведённые в сети 20 кВ на КЛ с изоляцией из
сшитого полиэтилена, показали, что дуга, возникающая при
однофазном замыкании фазы на экран, за время действия защиты
tОЗЗ = 1,0 – 1,7 с не приводит к повреждению изоляции рядом
расположенных фаз КЛ.
19

20.

Гусев Ю.П. утверждает: «Для пофазно-экранированных кабелей,
проложенных треугольником без просвета, отсутствуют условия для
самопогасания дуги. Всякое однофазное замыкание на землю в КЛ с
пофазно-экранированными кабелями переходит в междуфазное КЗ. При
токах однофазного замыкания 100 А и более время процесса составляет
менее 1 с. Для предотвращения перехода однофазного замыкания в
междуфазное КЗ следует одножильные пофазно-экранированные кабели
6 – 35 кВ применять только в сетях с низкоомным резистивным
заземлением нейтрали и быстродействующим отключением однофазных
замыканий на землю».
При достоверности этого утверждения все однофазные замыкания в
сети 20 кВ должны переходить в многофазные и термическую стойкость
экранов необходимо проводить по междуфазным замыканиям.
Однако в последней редакции Технической политики МОЭСК в
сказано: Выбор сечений экранов однофазных кабелей с изоляцией из
сшитого полиэтилена 6-20 кВ определяется из термической устойчивости
по току однофазного замыкания «на землю».
20

21.

В существующей электрической сети 20 кВ ток ОЗЗ на порядок
выше указанного значения в 100А, а выдержки времени защит от ОЗЗ
равны 1,0 с.
Поэтому для уточнения, какой порядок выбора сечения экрана
кабеля в сети 20 кВ следует применять, было принято решение провести
натурные эксперименты для определения возможности перехода ОЗЗ в
многофазные КЗ.
При этом преследовались две цели. Первая – уточнение расчетных
условий обоснования и выбора экранов пофазно-экранированных кабелей
в сети 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением экранов. Вторая
цель – подтвердить или опровергнуть граничные условия перехода ОЗЗ в
многофазные КЗ, полученные теоретически.
21

22.

Схема испытуемой сети
В первом опыте уставка по
времени защиты от ОЗЗ на КЛ,
отходящей от РП, была увеличена
с 0,25 до 1,5 с. Для обеспечения
селективности защит от ОЗЗ, все
вышестоящие защиты в опыте
были соответствующим образом
отстроены по времени.
Механический пробой был сделан
так, чтобы созданное отверстие
между жилой и экраном было
направлено строго внутрь
треугольника из трех пофазноэкранированных кабелей.
22

23.

Фаза, подвергнутая механическому пробою, после замыкания была
прожжена насквозь. Обе «здоровые» фазы получили незначительные
повреждения. Расплавились на участке 1,5 – 2,0 см наружные защитные
оболочки кабелей и проволоки экранов. Проведенные высоковольтные
испытания «здоровых» фаз показали, что их рабочая изоляция
выдерживает требуемое испытательное напряжения.
Показано, что при
возникновении пробоя
изоляции пофазноэкранированного кабеля
внутрь (наиболее тяжелое
расчетное условие)
трехфазной группы из
однофазных кабелей при силе
тока 860 А и длительности 1,5
с энергии дуги оказалось
недостаточно, чтобы ОЗЗ
перешло в междуфазное КЗ.
23

24.

Во втором опыте №1 кабель присыпался слоем 15 – 20 см
песка. Выдержка времени защиты от ОЗЗ была снижена до 1,0 с,
Пробой создавался не проколом кабеля, а вворачиванием в него
самореза, обеспечивающего электрическую связь жилы и экрана
Данный эксперимент преследовал уже локальную цель. Выявить,
влияет ли характер нарушения целостности изоляции между жилой и
экраном (воздушный промежуток или металлический проводник) на
сам дуговой разряд и его воздействие на «здоровые» фазы при
закрытой дуге.
Дуговой разряд пробил слой песка. Характер повреждений
«здоровых» изменился незначительно. От горения закрытой дуги
«здоровые» фазы также получили внешние повреждения оболочки
кабелей и экранов. Высоковольтные испытания, как и ранее,
подтвердили целостность рабочей изоляции.
24

25.

В обоих опытах оставалось не известным, до какой степени дуга
ухудшила свойства рабочей изоляции «здоровых» фаз. Поэтому места
повреждений оболочек и экранов были заменены новыми кабельными
вставками, хотя рабочая изоляция и выдержала штатные высоковольтные
испытания.
Вывод
В электрических сетях 20 кВ с низкоомным резистивным
заземлением
нейтрали
выбор
сечений
экранов
пофазноэкранированных кабелей следует проводить по току однофазного
замыкания на землю, а не двухместному КЗ. Это принципиально и
важно с позиций снижения стоимости кабельной продукции и потерь
мощности и энергии в сетях.
25

26. Вопросы к компенсации емкостных токов

1. Существующие методы снижения уровней емкостных токов
2. Схемы подключения компенсирующих устройств
3. За счет чего возникает неселективная работа логической защиты
шин
4. По какому режиму выбирается сечение экранов в кабельной сети с
резистивным заземлением нейтрали
Тел. 916 519 59 07 Telegram
WhatsApp
МАХ
26

27.

Задание
Определить параметры (мощность, сопротивление) ДГР для
компенсации тока ОЗЗ с целью:
1. Исключения неселективной работы ЛЗШ.
2. Снижения напряжения повреждения до значения 100 В.
Неселективная работа ЛЗШ исключается снижением
емкостных токов КЛ 20 кВ до величины Iозз =400 А.
Снижение напряжения повреждения до значения 100 В
достигается путем компенсации ёмкостных токов в схеме сети 20
кВ.
Элемент сети
Rзупс, Ом
Rжэ, Ом
Rэз, Ом
Lк , км
RN, Ом
1
0,1
1
0,25
400
12
Варианты
2
3
0,1
0,1
0,8
0,6
0,2
0,3
250
300
10
8
4
0,1
0,7
0,2
350
9
27

28.

Неселективная работа ЛЗШ исключается снижением
суммарных емкостных токов секции шин Iсш до допустимой
величины Iсшд=400 А.
Ic=Icш-400
К секциям шин должен быть подключен реактор
ХL=3Uф/ Iс ,
где Iс – доля компенсируемого емкостного тока.
Сопротивление и мощность реактора
XL=3Uф / Iс SL=Uф Uф /XL
28

29.

Определение тока в ЗУ ПС с учетом сопротивления дуги
Iозз= ( IR2+Iс 2)
IR = Uф/RN
Iс =3 Uф * Cжэ
29

30.

Мощность
реакторов
для
снижения
напряжения
повреждения до Uдоп=100 В рассчитывается по упрощенным
соотношениям.
1. Расчет тока ОЗЗ как Iозз= ( IR 2+Iс 2).
где
I’озз=IR = Uф/RN
I”озз=Iс =3 Uф Cжэ
2. Определение активного тока в расчетном сопротивлении ЗУ ПС Rзуэ:
I’зуR= Rжэ/(Rзу+Rэз+ Rжэ)* I’озз =1/(0,17+0,25+1)* 954=674 А
3. Определение емкостного тока в расчетном сопротивлении ЗУ ПС Rзуэ:
I”зуC= Rжэ/(Rзу+Rэз+ Rжэ)* I”озз =1/(0,17+0,25+1)* 1333=939 А
4. Суммарный ток ЗУ определится геометрической суммой токов:
Iзу= (I’зуR 2+I”зуC 2)= (674 2 + 939 2)=1156
30

31.

Расчет мощности реакторов
5. Допустимый суммарный ток в ЗУ ПС определяется по соотношению:
Iзудоп=Uдоп/Rзу = 100/0,1=1000 А
6. Допустимый емкостной ток в ЗУ ПС определяется по соотношению:
IзуСдоп= (Iзудоп 2-I’зуR 2)= (1000 2 -674 2)=739 А
7. Компенсируемый емкостной ток в ЗУ ПС:
Icзупс= I”зуC – IзуСдоп =939–739 = 200 А
8. Компенсируемый емкостной ток в сети 20 кВ ПС:
I”озз= Iсзупс/( Rжэ/(Rзу+Rэз+ Rжэ))=200/(1/(0,17+0,25+1))=284А
9. Сопротивление и мощность реактора:
XL=3Uф / I”озз SL=Uф Uф /XL
31