Анализ влияния режимов заземления нейтрали на эффективность управляемой коммутации в системах электроснабжения
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Фролов А.А., Павлюченко Д.А.
Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск
Проводятся исследования влияния режима заземления нейтрали на эффективность управляемой коммутации. Разработана модель системы электроснабжения 6 кВ. Представлены результаты моделирования при управляемой коммутации.
Ключевые слова: режим заземления нейтрали; управляемая коммутация; синхронные вакуумные выключатели; коммутационные перенапряжения.
Тенденции применения высоковольтных выключателей в системах электроснабжения 6 (10) кВ
В настоящее время в системах электроснабжения 6 – 10 кВ к современным высоковольтным выключателям предъявляются высокие требования по надежности, быстродействию и коммутационному ресурсу. Тенденция развития электротехнического оборудования такова, что масляные выключатели повсеместно заменяются на вакуумные и элегазовые [1].
Вакуумные выключатели (ВВ) имеют ряд технических и эксплуатационных преимуществ, таких как: высокая дугогасящая способность, быстродействие, высокий коммутационный ресурс, малообслуживаемость при эксплуатации, широкий диапазон рабочих температур, взрыво- и пожаробезопасность и др.
Однако коммутации ВВ могут сопровождаться опасными для электрооборудования перенапряжениями. Основной причиной коммутационных перенапряжений является: срез тока, повторные зажигания дуги, многократные предварительные пробои. Ограничение перенапряжений с помощью стандартных методов в виде нелинейных ограничителей перенапряжения и RC-цепей не всегда эффективно или экономически не выгодно. Принципиально другим способом ограничения коммутационных перенапряжений является использование управляемой (синхронной) коммутации. Управляемая коммутация позволяет предотвратить появление опасных перенапряжений и увеличить коммутационный ресурс выключателя [2].
Основные принципы управляемой коммутации
Управляемая (синхронная) коммутация – это коммутация электрической сети в определенный момент времени, производимая с учетом состояния сети на момент операции, позволяющая произвести включение или отключение в наиболее благоприятной фазе тока и напряжения.
В рабочих режимах управляемое включение выключателя на реактивную нагрузку позволяет существенно уменьшить броски тока, а при управляемом отключении снизить вероятность повторных пробоев и, как следствие, возникновения перенапряжений [2].
Управляемая коммутация номинальных токов позволят также улучшить характеристики выключателя: повысить его ресурс (что особенно важно, если выключатель работает в режиме частых коммутаций), предотвратить виртуальный срез тока и др. При УК сокращаются коммутационные перенапряжения, уменьшается эрозионный износ контактов и становится возможным значительное продление срока службы вакуумной дугогасительной камеры [2].
Так как вектора фазных ЭДС смещены друг относительно друга на 120° коммутация каждого полюса выключателя должна проводиться в различные промежутки времени, соответствующие наилучшему моменту каждой фазы. На сегодняшний день при пополюсном управлении выключателем (устанавливается три привода на каждый полюс) типовой синхронизатор позволяет управлять отдельно каждым полюсом, чтобы обеспечить замыкание каждого полюса в требуемый момент времени.
Разработка имитационной модели электрической сети
Анализ эффективности управляемой коммутации при различных видах заземления нейтрали требует построения соответствующей модели. Модель разработана в программном комплексе MatLab Simulink, который содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств.
Общий вид модели типовой системы электроснабжения электрической сети 6 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (ДГР) представлен на рис. 1.
Для подключения ДГР используется блок Three-phase Transformer (Two Windings)1, имитирующий нейтралеобразующий трансформатор с соединением обмоток «звезда с заземленной нейтралью – треугольник». Индуктивность Series RLC Branch моделирует ДГР.
Для моделирования сети с резистивным заземлением нейтрали достаточно в параметрах блока Series RLC Branch поменять индуктивность на активное сопротивление, а для изолированной нейтрали – вовсе удалить этот блок.
Рис. 1. Модель электрической сети с нейтралью, заземленной
через дугогасящий реактор
Параметры ДГР и резистора определяются, исходя из значения емкостного тока замыкания на землю. Дугогасящий реактор должен быть настроен на ток компенсации, как правило, равный емкостному току замыкания на землю (резонансная настройка). Сопротивление резистора при высокоомном заземлении нейтрали выбирается из условия, чтобы активная составляющая тока замыкания на землю была больше или равна емкостной составляющей [3].
Моделирование переходных процессов при неуправляемой и управляемой коммутации
Отключение трансформатора под нагрузкой сопровождается отключением больших токов нагрузки, срез которых способен вызвать высокие кратности перенапряжений. На рис. 2, а) представлены результаты моделирования одновременного отключения всех фаз кабельной линии с нагруженным трансформатором в момент времени 0,04 с. Из рисунка видно, что отключение сопровождается 3,7 кратным междуфазным перенапряжением.
Переходной процесс, показанный на рис. 2, а), идентичен независимо от вида заземления нейтрали. Это можно объяснить тем, что в нормальном симметричном режиме напряжение смещения нейтрали и ток в нейтрали отсутствуют. Поэтому коммутационные перенапряжения в нормальном режиме не зависят от вида заземления нейтрали и определяются в основном значением тока среза.
а) б)
Рис. 2. Отключение кабельной линии с нагруженным трансформатором:
а) неуправляемое; б) управляемое
Оценим перенапряжения при управляемом отключении. Для этого необходимо произвести коммутацию одной фазы при ее прохождении через ноль с последующей коммутацией двух с задержкой 0,005 с [4].
На рис. 2, б) показан переходной процесс при управляемом отключении в сети. Коммутация фазы А происходит в момент времени перехода тока через ноль (0,032 с), фазы В и С – через 0,005 с. Как видно из рис. 2, б), перенапряжений при управляемом отключении не возникает вовсе.
Переходной процесс при управляемом отключении в сетях с заземлением нейтрали через ДГР и резистор имеет аналогичный вид рис. 2, б) и не сопровождается перенапряжениями.
На рис. 3, а) показан переходной процесс при неуправляемом отключении кабельной линии с трансформатором в режиме замыкания на землю фазы А. Процесс сопровождается опасными для оборудования перенапряжениями кратностью 14, вызванные большим срезом тока.
При замыкании на землю требуется поменять алгоритм управляемого отключения. Для этого достаточно проводить одновременную коммутацию всех фаз в момент перехода тока неповрежденных фаз через ноль.
На рис. 3, б, в, г показан переходной процесс при управляемом отключении нагруженного трансформатора в сетях с различным заземлением нейтрали, при замыкании фазы А на землю. Во всех случаях перенапряжений не возникает и можно считать управляемую коммутацию эффективной в данном режиме работы.
а) б)
в) г)
Рис. 3. Отключение в режиме замыкания на землю фазы А. Неуправляемое:
а) в сети с изолированной нейтралью; управляемое: б) в сети с изолированной нейтралью; в) в сети с заземлением нейтрали через ДГР; г) в сети с резистивным заземлением нейтрали
Заключение
При моделировании переходных процессов установлено, что при неуправляемой коммутации как в нормальном, так и аварийном режиме возникают опасные для электрооборудования перенапряжения.
Применение управляемой коммутации позволяет эффективно ограничивать перенапряжения независимо от режима заземления нейтрали.
Установлено, что в режиме однофазного замыкания на землю для успешного управляемого отключения достаточно провести одновременную коммутацию всех фаз в момент перехода тока неповрежденных фаз через ноль.
Список литературы
1. Набатов, К.А. Высоковольтные вакуумные выключатели распределительных устройств [Текст]: учебное пособие / К.А. Набатов, В.В. Афонин. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. – 96 с.
2. Бунин, Р.А. Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук: 05.09.01. : защищена 11.12.2014 : утв. 27.04.2015 / Р.А. Бунин. – Москва, МЭИ. – 2014. – 167 с.: ил.
3. Методические указания по выбору режима заземления нейтрали в сетях напряжением 6 и 10 кВ дочерних обществ и организаций ОАО «Газпром» [Текст] / СТО ГАЗПРОМ 2-1.11-070-2006: утв. распоряжением ОАО «Газпром» 20.03.2006. – Москва. – 2006. – 24 с.
4. Шевцов, Д.Е. Модели и методы управляемой коммутации в Электрических сетях 6 (10) кВ систем электроснабжения [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук: 05.14.02 / Д.Е. Шевцов. – Томск. – 2017. – 151 с.: ил.