Перенапряжения при ОЗЗ в сетях 6-35 кВ

В статье я приведу результаты расчета перенапряжений при ОЗЗ, в сетях с различными типами нейтрали:

• Изолированной
• Резистивной высокоомной
• Компенсированной

Результаты будут представлены в виде графиков напряжений, для различных режимов сети, в определенные моменты времени. Графики построены на основе аналитических выражений для соответствующих схем замещения сети, в программе Grapher. Все графики содержат следующие режимы работы:

• нормальный предаварийный режим
• ОЗЗ на фазе А
• Погашение дуги на фазе А
• Повторное ОЗЗ на фазе А

Основная цель построения и последующего анализа графиков — выявить степень влияния различных типов заземления нейтрали на первоначальные и дуговые перенапряжения, а также механизмы этого влияния

Схема сети для опытов ОЗЗ

Схема сети (см. Рис. 1) представлена следующими элементами:

• источник — система, с напряжением 10 кВ и током КЗ 20 кА
• фидер, в конце которого происходит ОЗЗ — кабель АПвП 3х(1х240), длина 3 км
• остальная часть сети 10 кВ, представленная суммарной емкостью — общий ток ОЗЗ в сети равен 40 А
• поочередно подключаемые элементы заземления нейтрали — нет (изолир. нейтраль) (1), ФНП+резистор (2), ФНП+ДГР (3)
• Сопротивления ФНП, для упрощения, приняты равным 0 Ом
• Сопротивление резистора принято 150 Ом, что примерно соответствует равенству активного и емкостного тока в данной сети (высокоомное резистивное заземление нейтрали)
• Индуктивность ДГР выбрана с учетом компенсации емкостного тока сети +3% (перекомпенсация)
• Собственная активная составляющая тока сети — 1,2 А (3% от емкостного тока сети)

Опыт 1 — ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью

Результаты расчета и построения графиков напряжений приведен на Рис.2. Значения по оси Х приведены в милисекундах, значения по оси Y — в относительных единицах, от фазного напряжения

Первичное ОЗЗ на фазе А

Первое ОЗЗ происходит на фазе А (желтая линия) в момент времени 15 мс (270 градусов), что соответствует максимуму мгновенного напряжения (-1 о.е.). Напряжение фазы А становится равным нулю

Мгновенное напряжение на здоровых фазах, в том числе фазы B (зеленая линия), в момент ОЗЗ, равно 0,5 о.е. Из-за ОЗЗ и смещения нейтрали фаза B оказывается под напряжением ub-ua = 1.5 о.е. (серая пунктирная линия). Напряжение на фазе B не может измениться от 0,5 о.е. до 1,5 о.е. мгновенно, из-за емкости между фазой и землей, поэтому начинается переходный процесс, имеющий колебательный характер. В данной схеме он протекает с частотой около 800 Гц. Напряжение на фазе В, в ходе переходного процесса, достигает значения 2,2 о.е. — это первоначально перенапряжение, которое зависит от соотношения эквивалентных параметров C, L, R рассматриваемой сети

Переход к схеме замещения и подробный расчет аналогичного режима можно посмотреть в данном видео:

Видео в ВК 

Видео на YouTube

Напряжение на нейтрали Un (синяя линия), в момент ОЗЗ, оказывается под напряжением равным ЭДС фазы А (примерно равному напряжению Ua), с обратным знаком, что видно на графике

Погашение дуги, исчезновение ОЗЗ на фазе А

В момент времени 15,633 мс высокочастотный ток ОЗЗ, обусловленный переходных процессом, будет первый раз проходить через 0. Принимаем эту точку за время погашения дуги и самоликвидации первоначального ОЗЗ

На графике промежуток между началом ОЗЗ и его устранением практически не виден, однако можно заметить, что напряжение на нейтрали Un, в момент исчезновения ОЗЗ, практически не меняется. Это ключевой момент для понимания дальнейших дуговых перенапряжений, при перемежающейся дуги

Напряжение на нейтрали не может быстро снизится до 0 потому, что исчезает контур для протекания тока разряда (исчезает связь фазы А с землей). В этом случае перезарядка емкостей фаз происходит через очень большое активное сопротивление изоляции кабелей и других элементов сети, что приводит к медленному апериодическому процессу. В нашем случае постоянная времени процесса примерно равна 106 с, а значит напряжение на нейтрали затухнет только через 300-500 мс

Под действием источника, на фазе А восстанавливается напряжение Ua, однако, из-за наличия напряжения в нейтрали (смещения нейтрали), напряжение Ua превышает номинальное.

Повторное ОЗЗ на фазе А

В момент когда Ua достигает максимума (1,7 о.е.) происходит повторное ОЗЗ. Этот сценарий достаточно вероятен потому, что в изоляции данной фазе уже есть ослабленное место, и теперь фазное напряжение даже больше, чем в первом случае

Напряжение на фазе В, в момент повторного ОЗЗ, практически равно 0. Значение напряжения ub-ua, к которому должно перейти напряжение Ub, в этот момент, равно -1,7 о.е. Разница между мгновенными напряжениями еще больше, чем в первом случае (1,7 против 1), что приводит к еще более интенсивному переходному процессу, где импульсное напряжение на фазе В достигает значения -3,3 о.е.! Это и есть дуговое перенапряжение, при перемежающейся дуге

Такие повторные пробои, при наличии смещения нейтрали, могут продолжаться и дальше, вызывая высокие кратности перенапряжения по всей сети, однако, в нашем опыте, мы их не рассматриваем

Опыт 2 — ОЗЗ в сети с резистивной нейтралью

Результаты расчета и построения графиков напряжений, для сети с высокоомным заземление нейтрали (R=150 Ом), приведены на Рис.3.

Моменты возникновения и устранения ОЗЗ в данном опыте аналогичны первому опыту

Кратность перенапряжения, на фазе B, при первом ОЗЗ практически аналогична предыдущему (2,1 о.е. против 2,2 о.е.), а вот кратность повторного перенапряжения существенно ниже (-2,5 о.е. против -3,3 о.е.). Это объясняется значительно меньшим (почти нулевым) остаточным напряжением на нейтрали, в момент повторного ОЗЗ

Добавление в нейтраль резистора , параллельно сопротивлению изоляции кабелей на землю, снижает общее эквивалентное сопротивление, а значит снижает и эквивалентную постоянную времени разряда. Здесь она составила примерно 3,2 мс; до 5% напряжение снижается примерно за 9,6 мс, до 1% — примерно за 14,8–16 мс.

Сопротивлением ФНП мы пренебрегли потому, что оно будет существенно меньше сопротивления резистора

Опыт 3 — ОЗЗ в сети с компенсированной нейтралью

Результаты расчета и построения графиков напряжений для сети с комбтнированным заземление нейтрали (перекомпенсация 3%) приведены на Рис.4. Здесь также добавлен график тока ОЗЗ (фиолетовая линия) [сжат по оси Y в 1000 раз, для наглядности]

Первый пик перенапряжения, на фазе В, аналогичен опыту ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью (2,2 о.е.) Это объясняется тем, что до ОЗЗ ток в реакторе отсутствовал (система была симметрична), а значит и в первый момент времени после ОЗЗ, ток через него будет равен 0 (согласно закону коммутации, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно) — это соответствует режиму изолированной нейтрали

После погашения дуги в момент времени 15,633 мс начинается колебательный процесс, с малым коэффициентом затухания. Это происходит потому, что ДГР создает с емкостью сети колебательный контур. ДГР и ёмкость сети образуют колебательный контур, настроенный вблизи резонанса промышленной частоты. То есть напряжение нейтрали Un меняется не по апериодическому закону, а по колебательному, что видно на Рис.4 (синяя линия)

Напряжение на фазе А (желтая линия) медленно восстанавливается от 0 до фазного значения, с той же скоростью, с какой убывает напряжение на нейтрали, Un. Это медленное восстановление напряжение на фазе А снижает риск повторного пробоя, а значит снижает риск дуговых перенапряжений при повторных ОЗЗ

Также колебательный процесс разряда снижает перенапряжения на здоровых фазах (всего -1,7 о.е. на фазе В, после погашении первого ОЗЗ) потому, что напряжения этих фаз не имеют одностороннего смещения, которое и вызывает большую свободную составляющую переходного процесса (см. опыт 1 с изолированной нейтралью)

Второе ОЗЗ в этом опыте происходит только в момент времени 67 мс, когда на фазе А появляется относительно большое напряжение. Это сделано для наглядности и чтобы показать, как будет изменяться ток ОЗЗ при устойчивом замыкании (вторая фиолетовая линия). На самое деле повторного замыкания может вообще не произойти, из-за плавности нарастания фазного напряжения. После затухания свободной составляющей, ДГР практически полностью компенсирует емкостной ток сети, что видно на графике

Стоит отметить, что сильная расстройка компенсации емкостого тока дугогасящим реактором (15-30% и более) может приводить к увеличению кратности перенапряжений, что показывает важность применения качественных и современных регуляторов для ДГР (обычно это плунжерные реакторы с цифровым регуляторами индуктивности)

Выводы

1. Перенапряжения при ОЗЗ в сетях 6-35 кВ являются серьезной проблемой, приводящей к повреждению оборудования и кабелей
2. Наибольшие кратности перенапряжения получаются в сетях с изолированной нейтралью, где смещение нейтрали, при погашении ОЗЗ, сохраняется длительное время и носит односторонний характер. В этом случае система фазных напряжений оказывается смещена вверх или вниз, относительно нулевого потенциала
3. Для ускорения снижения напряжения на нейтрали можно применить резистор, что снизит постоянную времени затухания. В этом случае, при повторном пробое, кратность перенапряжения будет ниже. Также снижается вероятность самого повторного пробоя. Именно этот механизм борьбы с дуговыми перенапряжениями используется при высокоомном резистивном заземлении нейтрали (HRG)
4. При использовании компенсированной нейтрали (заземление через ДГР) механизм снижения кратности дуговых перенапряжений состоит в плавном восстановлении напряжения на поврежденной фазе, после погашения ОЗЗ. В этом случает нет одностороннего смещения системы фазных напряжений, что не дает сильных импульсов напряжений одного знака
5. Рассмотренные виды заземления нейтрали практически не влияют на кратность перенапряжение при первом ОЗЗ, только на кратность дуговых перенапряжений