Защита от однофазных замыканий на землю в электротехнических комплексах напряжением 6 (10) кВ с дополнительными источниками питания

Электротехнические комплексы являются одним из основных компонентов сооружений, определяющих технико-экономические и энергетические показатели предприятий по добыче, переработке и транспортировке твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Надежность их функционирования в значительной мере определяется надежностью электрооборудования напряжением 6(10) кВ. К основным видам оборудования электротехнических комплексов на горных предприятиях в первую очередь относятся электрические распределительные сети и электротехнологическое оборудование напряжением 6(10) кВ, в том числе синхронные и асинхронные двигатели стационарных и передвижных технологических установок, которые могут рассматриваться как дополнительные источники электропитания после отключения от энергетической системы.

В распределительных сетях горных предприятий напряжением 6(10) кВ в соответствии с ПУЭ и отраслевыми Правилами безопасности должны устанавливаться устройства защиты от междуфазных коротких замыканий и замыканий и утечек на землю, которые призваны обеспечить защиту сетей и установок от всех видов повреждений. Применяемые в настоящее время устройства защиты от замыканий и утечек на землю не обеспечивают контроль всех видов повреждений, не в полной мере отвечают предъявленным к ним требованиям и обладают достаточно низкой функциональной надежностью. Основным недостатком серийно выпускаемых устройств защиты от однофазных замыканий на землю являются ложные срабатывания (неселективные и групповые отключения, число которых достигает 40%), что при массовом внедрении приводит к снижению надежности электроснабжения, простою высокопроизводительного оборудования и ощутимым ущербам.

Для повышения уровня электробезопасности и снижения числа ложных отключений в электротехнических комплексах на открытых горных работах предусматриваются определители поврежденного присоединения, поврежденной фазы и шунтирования ее на землю на питающей подстанции или распределительном пункте. Протяженность отходящих присоединений напряжением 6(10) кВ, как правило, превышает длину, в пределах которой обеспечивается электробезопасность, что требует установки короткозамыкателя непосредственно у дополнительного источника питания.

Для обеспечения селективного действия защиты в электротехнических комплексах напряжением 6(10) кВ необходимо повысить надежность выявления поврежденного присоединения, поврежденной фазы и преодолеть территориальную рассосредоточенность энергообъектов при управлении шунтированием поврежденной фазы.

Однако, до настоящего времени не выявлены закономерности и параметры, характеризующие амплитудно-фазовые соотношения для токов и напряжений при возможных режимах однофазного замыкания на землю при реальной вариации параметров секций сборных шин 6(10) кВ, не выявлены закономерности изменения пределов начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности при заданной вариации параметров распределительной сети, не определено, какая величина однозначно характеризует замкнувшуюся фазу во всем диапазоне варьирования параметров сети, не разработан метод, обеспечивающий повышение селективности выявления поврежденного присоединения и фазы и информационного взаимодействия компонентов устройства защиты в условиях территориально рассредоточенных объектов с использованием электрической сети в качестве передающей среды.

Актуальность исследований, связанных с работой защит от однофазных замыканий на землю энергообъектов территориально рассредоточенных электротехнических комплексов, подчеркивается в работах ведущих специалистов в данной области, в том числе в публикациях В. И. Щуцкого, Б. М. Ягудаева, Е. Ф. Цапенко, В. В. Дегтярева, В. И. Корогодского, В. Я. Чаронова, В. П. Ганского, В. В. Павлова и др. Однако, к настоящему времени не решен комплекс вопросов, связанных с повышением электробезопасности и снижением числа ложных отключений электроустановок горных предприятий. Поэтому чрезвычайно актуальным представляется разработка защиты от однофазных замыканий на землю, обеспечивающей селективное определение поврежденного присоединения, надежное определение поврежденной фазы и ее шунтирование на землю путем передачи информационно-управляющего сигнала на короткозамыкатель, расположенный непосредственно на дополнительном источнике питания.

Идея работы заключается в повышении уровня электробезопасности и снижении ущербов от перерывов электроснабжения путем повышения селективности выявления поврежденных присоединений и фазы, быстродействующей передачи информации о поврежденной фазе по линиям 6(10) кВ к дополнительным источникам питания, шунтировании на землю поврежденной фазы непосредственно у дополнительного источника и отключении поврежденного присоединения.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке системы и средств повышения электробезопасности в распределительных сетях 6(10) кВ горных предприятий при наличии дополнительных источников питания.

Для практической реализации поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработана математическая модель для определения параметров однофазных замыканий на землю при наличии дополнительных источников питания;

• выявлены амплитудно-фазовые соотношения для напряжений в трехфазной сети при вариациях проводимостей фаз относительно земли и характеристик дополнительных источников питания;

• разработана структура, алгоритм функционирования и компоненты устройств защитного шунтирования поврежденной фазы и отключения поврежденного присоединения;

• разработаны метод и схемные реализации элементов устройств защитного шунтирования, защитного отключения и их информационного взаимодействия в условиях территориально рассредоточенных объектов с использованием электрической сети в качестве передающей среды.

В результате выполнения работы:

• разработаны технические средства, обеспечивающие повышение селективности выявления поврежденного присоединения и фазы и информационное взаимодействие компонентов устройства защиты в условиях территориально рассосредоточенных объектов с использованием электрической сети в качестве передающей среды;

• предложена оптимальная структура построения защиты от однофазных замыканий на землю в электротехнических комплексах напряжением 6(10) кВ с дополнительными источниками питания, обладающая повышенной селективностью действия независимоот протяженности линии электропередачи в пределах горного предприятия;

• даны рекомендации по проектированию каналообразующей аппаратуры и минимизации мощности передающего устройства.

Результаты работы реализованы при создании технических средств защиты от однофазных замыканий на землю в электротехнических комплексах напряжением 6(10) кВ с дополнительными источниками питания. За счет использования результатов диссертационной работы сокращено время простоя добычного оборудования и повышен уровень электробезопасности. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований в нефтегазодобывающем управлении «Джалильнефть» составляет 47 тыс. руб.

Диссертация состоит из 5 глав. Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность.

В главе 1 рассмотрены проблемы совершенствования устройств защиты от однофазных замыканий на землю в электротехнических комплексах 6(10) кВ с дополнительными источниками питания, научно-технические задачи разработки определителя поврежденного присоединения, определителя поврежденной фазы, возможность применения существующих быстродействующих устройств защитного закорачивания поврежденной фазы сети, а также вопросы информационного совмещения компонентов комплексной защиты от однофазных замыканий на землю, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 произведен анализ процесса однофазного замыкания на землю в электротехнических комплексах напряжением 6(10) кВ с дополнительными источниками питания, рассмотрены структура и параметры распределительных сетей и отдельных элементов системы электроснабжения и определен емкостный ток замыкания на землю, обусловленный как основным, так и дополнительным источником питания.

В главе 3 выявлены амплитудно-фазовые соотношения для напряжений при однофазном замыкании на землю при симметрии активных и емкостных проводимостей изоляции фаз относительно земли и при различных видах их несимметрии, а также при изменении величины переходного сопротивления в точке замыкания на землю. Разработана методика и алгоритм выявления поврежденной фазы сети при однофазном замыкании на землю.

В главе 4 приведены результаты разработки структуры и компонентов быстродействующей направленной комплексной защиты от однофазных замыканий на землю в электротехнических комплексах напряжением 6(10) кВ с дополнительными источниками питания с шунтированием поврежденной фазы у дополнительного источника, а именно: определителей поврежденного присоединения и поврежденной фазы, позволяющие повысить селективность действия защиты от однофазных замыканий на землю и определить поврежденную фазу. з мс, дана оценка селективности и оыстродеиствия комплексной защиты от однофазных замыканий на землю.

В главе 5 разработан канал передачи аварийного сигнала от устройств защиты, расположенных на подстанции 35(110)/6(10) кВ к устройству защитного шунтирования поврежденной фазы на землю, а также приведены результаты расчета затухания высокочастотных сигналов в линиях электропередачи на тональных частотах, определена схема ввода сигнала в линию, рассчитаны исходные данные для расчета приемо-передающего устройства, разработаны схемы устройств присоединения приемо-передающего устройства к линии электропередачи, рассчитана минимально необходимая мощность передатчика по условиям быстродействия и помехозащищенности, произведено моделирование высокочастотного тракта и определена схема организации канала связи.

Заключение

содержит обобщенные выводы по результатам проведенных исследований в соответствии с целью и решенными задачами диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 166 страницах. Содержит 17 рисунков, 20 таб.

Выводы по диссертационной работе.

1. Выявлены закономерности и параметры, характеризующие амплитудно-фазовые соотношения для токов и напряжений при возможных режимах 033 при реальной вариации параметров секций сборных шин 6(10) кВ, в том числе закономерности изменения пределов начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности.

2. Разработана обобщенная схема замещения сети горного предприятия для расчета однофазных замыканий на землю. Определены параметры элементов, входящих в схему замещения сети горного предприятия.

3. Установлено, что диапазон варьирования параметров распределительной сети 6(10) кВ. Показано, что емкость фазы относительно земли может изменяться в пределах может изменяться в пределах 0.25-^9 мкф, тангенс угла диэлектрических потерь — от 0.02 до 5.5, уровень несимметрии фазных проводимостей относительно землидо 8%, сопротивление в месте замыкания на землю — до 30 кОм/фазу.

4. Получены расчетные соотношения для определения токов однофазного замыкания на землю при питании от основного источника с учетом несимметрии фазных параметров, определяющих активную и емкостную составляющие проводимости относительно земли. Установлены зависимости напряжения и тока нулевой последовательности от вариации емкости фазы относительно земли в пределах 0-г8 мкф и вариации величины переходного сопротивления в точке замыкания на землю в пределах 4ч-6000 Ом. Показано, что при емкости фазы относительно земли 8 мкф и переходном сопротивлении 1000 Ом величина тока нулевой последовательности составляет 3.5 А, а величина напряжения нулевой последовательности составляет 72 В. При емкости фазы относительно земли 8 мкф и переходном сопротивлении 6000 Ом величина тока нулевой последовательности составляет 0.75 А, а величина напряжения нулевой последовательности составляет 12 В. При таких показателях режим однофазного замыкание на землю представляет опасность для обслуживающего персонала и должно быть отключено за минимально возможное время.

5. Установлено, что токи однофазного замыкания на землю значительно уменьшается по сравнению со случаем однофазного замыкания на землю при питании присоединения от основного источника (2−3 и более раз). Однако они продолжают представлять опасность для жизни человека. Поэтому целесообразно шунтировать на землю поврежденную фазу непосредственно у дополнительного источника питания, не дожидаясь отключения поврежденного присоединения выключателем, установленным на шинах питающей электроподстанции.

6. Известные защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на направление мощности нулевой последовательности и построенные на принципе сравнения по фазе напряжения и тока нулевой последовательности, имеют на своих характеристиках зоны неизбирательного действия, что приводит к групповым отключениям питающих линий и значительным ущербам от перерывов электроснабжения. Поэтому устройства отключения поврежденного присоединения должны иметь независимые зоны работы, что может быть достигнуто путем блокировки по отстающему току.

7. Выявлены амплитудно-фазовые соотношения для напряжений при однофазном замыкании на землю и следующих характеристиках распределительных сетей горных предприятий: активные и емкостные проводимости изоляции фаз относительно земли одинаковыимеют место различные виды емкостной и активной несимметрии относительно земли, а также изменяется величина переходного сопротивления в точке замыкания на землю.

8. Установлены пределы изменения амплитуд и фазовых сдвигов напряжений при замыканиях на землю фаз А, В и С и симметрии и несимметрии в пределах 10% активных и емкостных проводимостей неповрежденных фаз относительно земли.

9. На основе анализа амплитудно-фазовых соотношений установлено, что при сопротивлении в точке замыкания более 5 кОм и емкости сети более 3 мкф/фазу амплитуды напряжений на различных фазах практически одинаковы. При изменении тангенса угла диэлектрических потерь сети в пределах от 0.01 до 1 угловые характеристики напряжений при несимметрии на отстающей фазе могут совпадать. Поэтому амплитудно-фазовые соотношения для фазных напряжений не позволяют выявить поврежденную при однофазном замыкании на землю фазу сети во всем диапазоне варьирования параметров сети.

10. Выявлены закономерности изменения пределов начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности при заданной вариации параметров распределительной сети. Показано, что величина начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности, в отличие от других величин, таких как: амплитуда вектора напряжения нулевой последовательности, амплитуды и начальные фазы векторов напряжений фаз сети, однозначно характеризует замкнувшуюся фазу во всем диапазоне варьирования параметров сети.

11. В диапазоне изменения начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности выделены области значений начальной фазы вектора напряжения нулевой последовательности, которые она принимает только в режиме замыкания на землю одной из фаз сети А, В или С. Амплитуда напряжения нулевой последовательности в неповрежденной распределительной сети при всех случаях несимметрии изоляции фаз не превышает 0.05.

12. Разработаны метод и технические средства защиты электротехнических комплексов 6(10) кВ от ОЗЗ при наличии основных и дополнительных источников питания. Предложена оптимальная структура построения защиты. Разработаны обладающие повышенной селективностью действия определители поврежденного присоединения и поврежденной фазы. Разработаны алгоритмы и реализации определители поврежденного присоединения и поврежденной фазы.

13. Ввод тонального частотного сигнала в ЛЭП 6(10) кВ целесообразно осуществлять к двум фазам по двум независимым каналам, подключенным по схеме «фаза-земля», что обусловлено наличием батарей косинусных конденсаторов, включенных на междуфазное напряжение, а также экономической нецелесообразностью установки заграждающих фильтров на ЛЭП. Схема защиты должна содержать логический блок «ИЛИ», подключенный перед приемником.

14. Значительная протяженность ЛЭП 6(10) кВ, подключенных к шинам питающей подстанции 36/6 кВ, а также наличие кабельных вставок приводит к увеличению суммарной емкости ЛЭП на землю до 2,42,7 мкФ, что вызывает резкое увеличение затухания линейного тракта на верхнем диапазоне тональных частот (более 10 кГц) и ограничивает возможный диапазон использования тональных частот в пределах 1^-8 кГц.

15. Произведенные расчеты затухания линейного тракта, выбор схем и расчет затухания устройств присоединения и уровня помех на входе приемных устройств позволили рассчитать необходимую мощность передатчика для организации канала связи по ЛЭП 6(10) кВ длиной до 20 км, которая для частот 1-ь8 кГц не превышает 100 Вт. При частотах выше 12 кГц минимально необходимая мощность передатчика достигает десятков киловатт.

16. Проведенное физическое моделирование высокочастотного линейного тракта показало хорошее совпадение (расхождение до 20%) расчетного, при принятых допущениях, и экспериментально полученного значения затухания линейного тракта в диапазоне тональных частот.

17. Выбрана структурная схема организации канала связи на тональных частотах по ЛЭП 6(10) кВ. Показано, что предложенная защита от ОЗЗ обеспечивает шунтирование на землю поврежденной фазы за время 0,015+0,02 с и отключение поврежденного присоединения за время 0,065−0,07 с.