Руководство по защитам Компания Schneider Electric приступила к выпуску Технической коллекции Schneider Electric
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Сводная таблица характеристик и режимов работы нейтрали Характеристики Режимы работы нейтрали Изолированная нейтраль Компенсированная нейтраль Активное сопротивление Нейтраль, зазем? ленная через реактивное сопротивление Глухозаземленная нейтраль Амортизация переходных перенапряжений – + – + + – + + Ограничение перенапряжений 50 Гц – – + + + Ограничение тока повреждения + + + + + – – Бесперебойность работы (разрешение неотключения при первом повреждении) + + – – – Простота организации селективной защиты – – – + + + Отсутствие необходимости в квалифицированном персонале – – + + + Условные обозначения: + хороший – посредственный Выпуск № 1 Schneider Electric 7 Режимы работы нейтрали Изолированная нейтраль 0 Принципиальная схема Нет никакого специального электрического соединения между нейтралью и землей, за исключением измерительных приборов или устройств защиты. Технология использования В такой сети в результате замыкания фазы на землю возникает всего лишь слабый ток, проходящий через емкости между фазой и землей неповрежденных фаз (см. рис. 1). Можно показать, что Ik1 = 3 • C • ω • V, где: b V – фазное напряжение; b С – емкость фазы относительно земли; b ω ? пульсация сети при ω = 2 • π • f В принципе, ток повреждения Ik1 может присутствовать в течение длительного времени, не вызывая каких?либо повреждений, поскольку его значение не превышает нескольких ампер (около 2 А на километр для одножильного кабеля на 6 кВ сечением 150 мм2 с изоляцией из сшитого полиэтилена (PRC) и емкостью 0,63 мкФ/км). Таким образом, нет необходимости в устранении этого первого повреждения, и это обстоятельство составляет основное преимущество данной методики при обеспечении бесперебойной работы. Но при этом возникают следующие задачи: b необходимо осуществлять постоянный контроль за состоянием изоляции, и должен выдаваться сигнал о неустраненном повреждении или с помощью прибора постоянного контроля изоляции (CPI), или функцией защиты по максимальному напряжению нулевой последовательности (ANSI 59N) (см. рис. 2); b для дальнейшего поиска повреждений требуется, с одной стороны, более сложная автоматика, чтобы обеспечить быстрое обнаружение поврежденного фидера, и, с другой стороны, квалифицированный персонал для обслуживания и эксплуатации этой аппаратуры; b в случае если первое повреждение не устранено, второе повреждение, которое происходит в другой фазе, вызывает настоящее двухфазное замыкание на землю, которое устраняется с помощью функций защиты в фазах. Преимущества метода Основное преимущество данного метода состоит в сохранении бесперебойной работы поврежденного отходящего фидера, поскольку при очень слабом токе повреждения нет необходимости производить автоматическое отключение по первому повреждению; отключение производится при втором повреждении. Недостатки метода b Невозможность устранить переходные перенапряжения путем отвода на землю является основным недостатком метода, если значение перенапряжений является высоким. b Кроме того, в случае заземления одной фазы напряжение в других фазах достигает значения линейного напряжения промышленной частоты (U = 3 • V ) относительно земли, в результате чего возрастает вероятность возникновения второго повреждения. Изоляция становится более дорогостоящей, поскольку, из?за того что не происходит автоматическое отключение, линейное напряжение в течение продолжительного промежутка времени может сохраняться "приложенным" между фазой и землей. b Должен осуществляться обязательный контроль состояния изоляции с сигнализацией о первом повреждении. b Потребность в надлежащем техническом обслуживании оборудования для быстрого поиска места первого повреждения изоляции. b Сложность селективных защит при первом повреждении. b Риск возникновения перенапряжений в результате феррорезонанса. Защита Обнаружение поврежденного фидера осуществляется с помощью максимальной направленной токовой защиты от замыканий на землю ANSI 67N (см. рис. 3). На схеме показано, что выделение производится путем сравнения угла сдвига фаз между напряжением нулевой последовательности и токами нулевой последовательности, с одной стороны, для поврежденного фидера, а с другой стороны, для каждого исправного фидера. Измерение значения тока производится с помощью тора, и уставка отключения регулируется: – чтобы избежать несвоевременное отключение; – чтобы иметь возможность отрегулировать уставку на значение меньше суммы емкостных токов всех остальных отходящих фидеров. В связи с подобной организацией защиты возникает сложность выявления поврежденного фидера в слабо разветвленных сетях, например, в сетях с протяженностью кабеля около нескольких сотен метров. Применение Данный способ заземления нейтрали часто используется в промышленных сетях ( ≤ 15 кВ), для которых требуется обеспечить бесперебойную работу. Для коммунального электроснабжения такой режим работы нейтрали применяется в Испании, Италии и Японии. DE 552 02 Рис. 1. Емкостный ток повреждения в изолированной энергосистеме V Ic C C C Ik1 DE 5 52 03 Рис. 2. Прибор для постоянного контроля состояния изоляции C P I A 67N IrsdA IrsdB B 67N Ik1 V0 IrsdA V0 IrsdB V0 Рис. 3. Обнаружение повреждения с помощью максимальной направленной токовой защиты от замыканий на землю 8 Schneider Electric Выпуск № 1 Режимы работы нейтрали Заземление через активное сопротивление 0 Принципиальная схема Резистор (сопротивление) подсоединяется произвольно между нейтралью и землей. Технология использования В такой схеме полное сопротивление резистора ограничивает ток замыкания на землю Ik1, обеспечивая хорошие подавления перенапряжений. Но в этом случае защита должна включаться автоматически для устранения первого повреждения. Для сетей питания вращающихся машин определяется значение сопротивления, чтобы получить ток Ik1 от 15 до 50 А. Но при этом необходимо, тем не менее, чтобы этот слабый ток составлял IRN u 2 Ic (где Ic – полный емкостной ток сети) с целью сокращения коммутационных перенапряжений и облегчения определения значений тока. Для распределительных сетей принимаются более высокие значения тока (100 – 300 А), которые легче определять и которые обеспечивают подавления импульсов грозового перенапряжения. Преимущества метода b Данная схема представляет собой удачный вариант компромиссного решения между возможностью обеспечить слабый ток повреждения и хорошие подавления перенапряжений. b При использовании данного метода не требуется применение оборудования с уровнем изоляции между фазой и землей, рассчитанным на линейное напряжение. b Применяется простая организация селективной защиты и ограничение по току. Недостатки метода b Бесперебойность работы поврежденного отходящего фидера нарушается, поскольку в случае замыкания на землю это повреждение должно быть незамедлительно устранено (отключение при первом повреждении). b Стоимость затрат на установку резистора заземления возрастает в зависимости от величины напряжения и ограничений по току. Методика заземления нейтрали b Если есть доступ к нейтрали сети (обмотки соединены "звездой" и имеют выведенную нейтраль), резистор заземления подсоединяется либо между нейтралью и землей (см. рис. 1), либо через однофазный трансформатор, соединенный с вторичной обмоткой через эквивалентное сопротивление (см. рис. 2). b Если нет доступа к нейтрали (обмотка, соединенная треугольником) или в случае когда это требуется в соответствии со схемой организации защиты, создается искусственная нейтраль с помощью генератора напряжения нулевой последовательности, подключаемого к сборным шинам; нейтраль подсоединяется через специальный трансформатор с очень слабым реактивным сопротивлением нулевой последовательности: v трансформатор с соединением "звезда?треугольник", у которого нейтраль первичной обмотки глухо заземлена, а "треугольник" замкнут на ограничительный резистор (требуется изоляция по низкому напряжению при наименьших затратах на ее обеспечение) (см. рис. 3); v трансформатор с соединением "звезда?треугольник" с ограничительным резистором (изоляция по высокому напряжению), установленным между нейтралью первичной обмотки и землей, и с замкнутым на себя "треугольником"; этот вариант используется реже (см. рис. 4). Защита Для обнаружения слабого тока повреждения Ik1 требуется использование защит, отличных от функций защиты по току перегрузки в фазах (см. рис. 5). С помощью этих защит от замыканий на землю обеспечивается обнаружение тока повреждения: b либо непосредственно в соединении нейтрали с землей 1 , b либо в сети путем измерения векторной суммы трех токов: v с помощью трех датчиков фазного тока, подсоединенных к защитам 2 , v или с помощью тора 3 : предпочтительно использование этого варианта: более точное измерение. Регулировка уставки защиты производится в соответствии с расчетным значением тока повреждения Ik1 без учета полного сопротивления нулевой последовательности источника и соединения относительно полного сопротивления RN и с учетом двух следующих регулировок: b регулировка: > 1,3 раза емкостного тока сети со стороны защиты; b регулировка: порядка 10?20 % от максимального тока замыкания на землю. Кроме того, при определении тока повреждения с помощью трех трансформаторов тока (ТТ) диапазон регулировок находится, при использовании настоящей методики, в пределах от 5 до 30 % номинального тока ТТ, с учетом погрешности, связанной: b с асимметрией переходных токов; b с насыщением ТТ; b с разбросом значений параметров. Применение Данный способ заземления нейтрали применяется в сетях среднего напряжения коммунального и промышленного электроснабжения. DE 552 05 Рис. 1. Заземление нейтрали, к которой имеется доступ: резистор устанавливается между нейтралью и землей DE 5520 0 Рис. 2. Заземление нейтрали, к которой имеется доступ: резистор подсоединяется к вторичной обмотке однофазного трансформатора DE 5520 6 Заземление нейтрали, к которой нет доступа: Рис. 3 Ограничительный резистор подсоединяется к вторичной обмотке Рис. 4. Ограничительный резистор подсоединяется к первичной обмотке DE 552 08 Рис. 5. Схема организации защиты от замыканий на землю Ic Ik1 RN IRN RN RN RN 51N 51G 51G 1 2 3 RN Выпуск № 1 Schneider Electric 9 Режимы работы нейтрали Заземление через низкое реактивное сопротивление 0 Принципиальная схема Реактивное сопротивление устанавливается произвольно между нейтралью и землей. Для сетей напряжением больше 40 кВ предпочтительно использовать реактивное сопротивление вместо резистора в связи с трудностями при выполнении заземления, обусловленными выделением тепла в случае возникновения повреждения (см. рис. 1). Технология использования В такой схеме индуктивное полное сопротивление ограничивает ток замыкания на землю Ik1, обеспечивая хорошие подавления перенапряжений. Но в этом случае защита должна срабатывать автоматически по первому повреждению. Для сокращения коммутационных перенапряжений и облегчения определения значений тока необходимо, чтобы ток IL был значительно больше полного емкостного тока сети Ic. Для распределительных сетей принимаются высокие значения тока (300 – 1000 А), которые легко определить и которые обеспечивают подавление импульсов грозового перенапряжения. Преимущества метода b Данная схема позволяет ограничить по амплитуде ток повреждения. b Обеспечивается срабатывание простой селективной защиты, если ток ограничения значительно превышает значение емкостного тока сети. b Катушка имеет низкое электрическое сопротивление и не рассчитана на рассеивание повышенной тепловой мощности, что позволяет сократить ее размеры. b Для сетей высокого напряжения это решение более экономически эффективно, чем в случае применения заземления через резистор. Недостатки метода b Бесперебойность работы поврежденного отходящего фидера нарушается, поскольку в случае замыкания на землю это повреждение должно быть незамедлительно устранено (отключение по первому повреждению). b При устранении замыкания на землю могут возникнуть значительные перенапряжения, вызванные резонансом между реактивным сопротивлением и емкостью сети. Методика заземления нейтрали b Если есть доступ к нейтрали (обмотки соединены "звездой" и имеют выведенную нейтраль), реактивное сопротивление заземления подсоединяется между нейтралью и землей. b Если нет доступа к нейтрали (обмотка, соединенная "треугольником") или в случае когда это требуется в соответствии со схемой организации защиты, создается искусственная нейтраль с помощью катушки для заземления нейтрали (BPN), подключаемой к сборным шинам; подсоединение выполняется с помощью зигзагообразной катушки с выведенной нейтралью (см. рис. 2). Полное сопротивление между обеими частями обмотки, являющееся, в основном, индуктивным и слабым, ограничивает ток до значений больше 100 А. Добавление ограничительного сопротивления между нейтралью катушки и землей позволяет уменьшить амплитуду тока повреждения (изоляция в сетях высокого напряжения). Защита b Регулировка защиты выполняется на уровне 10?20 % значения максимального тока повреждения. b Защита является менее ограничительной чем в случае заземления через резистор, тем более что значение тока ILN велико, поскольку ток Ic меньше тока ограничения. Применение Данный способ заземления нейтрали применяется в сетях среднего напряжения коммунального электроснабжения (токи величиной несколько сотен ампер). DE 552 09 Рис. 1. Заземление нейтрали, к которой имеется доступ Ic Ik1 ILN LN DE 552 1 0 Рис. 2. Заземление нейтрали, к которой нет доступа LN 10 Schneider Electric Выпуск № 1 Режимы работы нейтрали Компенсированная нейтраль 0 Принципиальная схема Реактивное сопротивление, согласованное с общей емкостью сети между фазой и землей, устанавливается между нейтралью и землей таким образом, чтобы при замыкании на землю значение тока повреждения было близко к нулю (см. рис. 1). Технология использования Данная система обеспечивает компенсацию емкостного тока сети. В действительности, ток повреждения составляет сумму токов, которые проходят в следующих цепях: b цепь заземления через реактивное сопротивление; b цепи емкостей неповрежденных фаз относительно земли; Происходит взаимная компенсация этих токов, поскольку: b один ток является индуктивным (цепь заземления); b другой ток является емкостным (цепи емкостей неповрежденных фаз). Таким образом, в противофазе эти токи взаимно компенсируются. На практике за счет малого сопротивления катушки возникает слабый резистивный ток со значением в несколько ампер (см. рис. 2). Преимущества метода b Данная схема позволяет уменьшить ток повреждения даже если значение емкости между фазой и землей велико: происходит спонтанное гашение неустойчивых замыканий на землю. b В месте повреждения напряжения прикосновения ограничиваются. b Обеспечивается поддержание рабочего состояния оборудования несмотря на наличие устойчивого повреждения. b Сигнал о первом повреждении выдается при определении прохождения тока через катушку. Недостатки метода b Затраты на катушку могут быть высокими в связи с необходимостью изменять значение реактивного сопротивления для адаптации его к условиям процесса компенсации. b В период действия повреждения необходимо убедиться в том, что циркулирующий ток нулевой последовательности не представляет опасности для людей и оборудования. b Имеется значительный риск возникновения переходного перенапряжения в сети. b Требуется присутствие персонала, осуществляющего контроль работы оборудования. b Требуется применение сложной селективной защиты при первом повреждении. Защита Методика обнаружения повреждения основана на использовании активной составляющей тока нулевой последовательности. В действительности, повреждение вызывает циркуляцию тока нулевой последовательности во всей сети, но при этом только в поврежденной цепи есть резистивный ток нулевой последовательности. Кроме того, при настройке устройств защиты необходимо учитывать возможность возникновения самоустраняющихся повторяющихся повреждений (возвращающиеся отказы). Когда реактивное сопротивление заземления и емкость сети согласованы (3 LN • C • ω 2 = 1) b ток повреждения имеет минимальное значение; b является резистивным; b повреждение самоустраняется. При этом компенсирующее реактивное сопротивление называется дугогасительной катушкой или катушкой Петерсена. Применение Данный способ заземления нейтрали применяется в распределительных сетях среднего напряжения с высоким значением емкостного тока Ic. DE 552 1 1 Рис. 1. Замыкание на землю в сети с заземлением через компенсирующее реактивное сопротивление DE 55 21 2 Рис. 1. Векторная диаграмма токов при замыкании на землю Ic Ik1 ILN + IR R LN V0 Напряжение нулевой последовательности IL Ток в реактивном сопротивлении Ic Емкостный ток Ik1 IR Выпуск № 1 Schneider Electric 11 Режимы работы нейтрали Глухозаземленная нейтраль 0 Принципиальная схема Электрическое соединение нулевого полного сопротивления выполнено непосредственно между нейтралью и землей. Технология использования Так как нейтраль заземлена без токоограничивающего полного сопротивления, ток повреждения Ik1 между фазой и землей, практически, создает короткое замыкание фазы на нейтраль, то есть имеет большое значение (см. рис. 1). Отключение производится при первом повреждении изоляции. |