
Тип I — выполнение действия по заземлению дуги
Предисловие
В нашей стране электросети напряжением 3–35 кВ (66 кВ) в большинстве случаев представляют собой сети с непрямым заземлением нейтрали. При возникновении однофазного металлического заземления в таких сетях потенциал остальных двух фаз относительно земли повышается до значения линейного напряжения (UL). Согласно правилам эксплуатации электросетей, уровень изоляции относительно земли на первичной стороне всего электрооборудования таких сетей, такого как трансформаторы, трансформаторы напряжения/тока, выключатели, линии и т. д., должен соответствовать требованиям, позволяющим выдерживать линейное напряжение в течение длительного времени без повреждений.
Согласно традиционному представлению, электросети 3–35 кВ относятся к сетям среднего и низкого напряжения; абсолютные значения внутренних перенапряжений в таких сетях невысоки, поэтому основным фактором, угрожающим безопасности изоляции электросети, являются не внутренние перенапряжения, а атмосферные (то есть связанные с молнией) перенапряжения; в связи с этим меры защиты от перенапряжений, принимавшиеся на протяжении длительного времени, были направлены исключительно на предотвращение повреждения оборудования атмосферными перенапряжениями. Основные технические меры ограничивались установкой различных типов молниеоградителей, защитные значения которых были достаточно высокими — как правило, более 3,5-кратного значения пикового напряжения относительно земли в режиме нормальной работы, — и поэтому они были эффективны только для защиты от повреждений, вызванных молнией, но не обеспечивали никакой защиты от внутренних перенапряжений.
Однако опыт эксплуатации показывает, что когда такие электросети достигают определённых масштабов, внутренние перенапряжения, в частности перенапряжения, возникающие при однофазном прерывистом дуговом заземлении, а также перенапряжения, возникающие в результате ферромагнитного резонанса при особых условиях, становятся серьёзной угрозой для безопасной работы оборудования таких сетей, причём наиболее серьёзными являются перенапряжения, связанные с однофазным дуговым заземлением.
В настоящее время за рубежом (а также в некоторых регионах Китая) для таких сетей применяются схемы и режимы эксплуатации, предусматривающие заземление нейтрали через малое сопротивление (однако в таких системах при однофазном замыкании на землю используется метод, при котором искусственное увеличение тока короткого замыкания вызывает мгновенное срабатывание автоматического выключателя и непосредственное отключение неисправной заземленной линии; этот метод не позволяет различить металлическое замыкание на землю и дуговое замыкание на землю, что приводит к увеличению тока в месте неисправности и перегреву). Кроме того, перенапряжение, возникающее в течение собственного времени срабатывания автоматического выключателя, не может быть эффективно ограничено. Это приводит к длительным и обширным отключениям электроэнергии, что с точки зрения развития является крайне неэкономичным.
Действующие правила эксплуатации предусматривают, что при возникновении однофазного замыкания на землю в системе с непрямым заземлением разрешается продолжать эксплуатацию в течение двух часов; при наличии разрешения соответствующих вышестоящих органов этот срок может быть продлен. Однако в правилах не дано четкого определения понятия «однофазное замыкание на землю». Если однофазный замыкание на землю представляет собой металлическое прямое замыкание, напряжение фазы замыкания относительно земли снижается до нуля, а напряжение двух остальных исправных фаз относительно земли повышается до линейного напряжения; как уже отмечалось выше, электрооборудование в таких сетях в нормальных условиях должно выдерживать подобные перенапряжения без повреждений. Однако если замыкание на землю в неисправной фазе представляет собой дуговое замыкание, максимальное значение перенапряжения может достигать 3,5-кратного пикового значения нормального фазного напряжения. Если столь высокое перенапряжение будет воздействовать на электросеть в течение нескольких часов, это неизбежно приведет к накопительному повреждению изоляции в электрооборудовании, в частности к пробою на землю в местах ослабления внешней изоляции исправных фаз, что, в свою очередь, вызовет серьезную аварию в виде межфазного короткого замыкания.
В связи с масштабной технической модернизацией городских и сельских электросетей в нашей стране городские распределительные сети 10 кВ неизбежно будут переходить на кабельное исполнение, а сети 35 кВ и 10 кВ в пригородных зонах и сельской местности будут и дальше расширяться. Для решения проблемы длительных перенапряжений, возникающих в таких сетях из-за дугового заземления, в стране повсеместно применяется схема заземления с использованием автокомпенсирующей дугогасительной катушки, которая не выходит за рамки установки дугогасительной катушки на нейтральной точке. Ввиду разнообразия режимов работы электросети и случайного характера мест замыкания на землю дугогасительной катушке действительно сложно обеспечить эффективную компенсацию емкостного тока; кроме того, при попытке компенсировать несинусоидальный дуговой ток синусоидальным индуктивным током высокочастотная составляющая не может быть полностью компенсирована. Кроме того, дугогасительные катушки имеют сложную конструкцию, низкую эксплуатационную надёжность и требуют значительных инвестиций.
С развитием городских и сельских электросетей, а также с ростом требований к надёжности электроснабжения в сфере производства и быта, ущерб и масштаб последствий каждой аварии, связанной с пробоем изоляции, неизбежно увеличиваются. Устройство заземления с дугогашением малого тока было разработано именно для решения этой проблемы. Оно представляет собой автоматическую систему, состоящую из уже отработанных устройств защиты от перенапряжений FHGB, технологий микропроцессорного управления и соответствующих однофазных контакторов, которая ограничивает перенапряжения относительно земли и между фазами (независимо от их типа) в сетях с непрямым заземлением до уровня нормального рабочего напряжения в линии, что позволяет таким сетям сохранить преимущества исходной системы с непрямым заземлением и одновременно ограничить перенапряжения всех типов до максимально возможного минимума, полностью устраняя угрозу, которую различные перенапряжения представляют для оборудования и безопасности эксплуатации, и повышая надёжность электроснабжения в таких сетях.
Функции
Номер патента данного изделия — ZL 2008200388002.2. Его функции следующие:
1.Погашение в течение 50 мс однофазной дуги замыкания на землю, возникающей в системах с малым током замыкания на землю (или, как их ещё называют, системах с незаземлённой нейтралью), что позволяет предотвратить более серьёзные аварии в местах, где в окружающей среде присутствуют горючие газы, таких как угольные шахты и химические заводы;
2.При возникновении однофазной дуговой заземления в системе с малым током заземления удерживает потенциал здоровых фаз относительно земли в пределах значения фазного напряжения системы, что позволяет избежать взрыва разрядников или устройств защиты от перенапряжения в системе из-за перегрузки или перенапряжения;
3.Также благодаря вышеуказанному пункту 2 можно предотвратить возникновение вторичного заземления в другой точке и на другой фазе в системе с заземлением малого тока в результате однофазного дугового заземления, что может привести к двухфазному короткому замыканию, отключению системы и остановке производства на предприятии;
4.Также благодаря вышеуказанному пункту 2 при возникновении однофазного дугового заземления в системе с заземлением малого тока система может безопасно работать в течение двух часов, что дает дежурному персоналу время для устранения неисправности;
5.Обладает функциями обычного шкафа с трансформатором напряжения (PT).
Конструкция и базовая комплектация
Конструкция:
1.Стационарный шкаф, не выдвижной;
2.Может соединяться параллельно со шкафами типов KYN, XGN, GG-1A и т. д.;
3.Рекомендуемая ширина шкафа: для 35 кВ — 1800 мм, для других уровней напряжения — 1000 мм;
Базовая комплектация:
1.Корпус (из алюминиево-цинкового листа или сварной конструкции из уголков);
2.Разъединитель;
3.Компоненты, входящие в состав стандартного шкафа PT, а именно: трансформатор напряжения и специальный высоковольтный предохранитель:
обеспечивает вторичное напряжение и вспомогательный треугольный сигнал вторичного напряжения для устройств защиты и учета в системе; трансформатор напряжения представляет собой специализированный продукт с большим запасом плотности магнитного потока, благодаря чему обладает высокой устойчивостью к ферромагнитному резонансу;
4.Токоограничивающие предохранители;
В качестве токоограничивающих предохранителей используются продукты компании SIBA, импортированные из Германии; время прерывания тока короткого замыкания не превышает 3 мс, что обеспечивает безопасную работу системы в течение двух часов при наличии заземления, требующего проверки;
5.Однофазный вакуумный контактор;
Это специальный вакуумный контактор переменного тока, имеющий трёхфазную конструкцию: один конец подключён к шине, а другой — напрямую заземлён. В нормальном режиме работы контакторы находятся в разомкнутом состоянии и замыкаются под управлением PWXH-ZK; между фазами имеется блокировка: при замыкании любой одной фазы ни одна из двух остальных фаз ни в коем случае не замыкается. При возникновении дугового заземления в системе устройство преобразует нестабильное дуговое заземление в стабильное металлическое прямое заземление на неисправной фазе внутри самого устройства, тем самым обеспечивая защиту оборудования.
6.Комплексный контроллер на базе микроконтроллера, PWXH-ZK;
Комплексный контроллер на базе микроконтроллера является ключевым компонентом данной технологии. На основании сигналов Uao, Ubo, Uco и U△, поступающих от трансформаторов напряжения (PT), он определяет фазу, в которой произошла заземляющая неисправность, и характер заземления, управляет срабатыванием однофазных вакуумных контакторов в соответствии с заранее заданным алгоритмом, а также отображает вторичное рабочее напряжение системы в режиме реального времени и подает сигналы тревоги. В программном обеспечении микропроцессорного контроллера предусмотрены меры по изоляции от сетевых гармонических помех, что позволяет значительно повысить точность определения неисправностей.
7.Система обнаружения емкостного тока заземления;
8.Композитный устройство защиты от перенапряжения FHGB, состоящее из нелинейных элементов ZnO большой ёмкости
Композитное устройство защиты от перенапряжения типа FHGB объединяет в себе функции комбинированного оксида цинка устройства защиты от перенапряжения и комбинированного резистивно-емкостного поглотителя перенапряжения, а также использует комбинированный разрядный зазор, благодаря чему FHGB обладает такими преимуществами, как стабильные и надёжные значения срабатывания, низкое остаточное напряжение, большая пропускная способность и хорошие взрывозащитные характеристики: Коэффициент импульсного напряжения FHGB равен 1, значение разрядного напряжения одинаково при различных формах напряжения и не зависит от формы волны перенапряжения, что обеспечивает точность значений защиты от перенапряжения: FHGB позволяет значительно снизить межфазное перенапряжение — по сравнению с обычными молниеотводами межфазное перенапряжение снижается на 60–70 %, что значительно повышает надежность защиты.
Процесс срабатывания устройства
При возникновении однофазного заземления в системе сигнал нулевой фазы U△, генерируемый трансформатором напряжения PT, изменяется с низкого уровня на высокий. Получив сигнал высокого уровня, связанный с изменением U△, контроллер PWXH запускает прерывание. Контроллер PWXH производит расчет и обработку сигналов трехфазного напряжения Uao, Ubo и Uco, определяет фазу и тип заземления, после чего, в зависимости от типа заземления, выполняет следующие действия:
1) При возникновении металлического заземления:
Загораются индикаторы сигнализации металлического заземления и срабатывания на панели управления. Регистрируется время возникновения неисправности. Ожидается устранение неисправности. Контакты сигнализации системы замыкаются до устранения неисправности. После устранения неисправности контроллер PWXH возвращается в режим ожидания.
2) При возникновении дугового заземления:
※ Первое действие по гашению дуги (замыкание контактора на 30 с):
Контроллер способен инициировать первое действие в течение 20 мс, отдавая команду на замыкание контактора неисправной фазы и удерживая его в этом состоянии в течение 30 с, одновременно подавая сигнал тревоги. На ЖК-дисплее отображается сообщение: «Заземление с гашением дуги на фазе A/B/C». Если дуга погаснет в течение 30 с, контроллер отдает команду на размыкание контактора, а сам возвращается в режим ожидания;
※Остановка первого действия по гашению дуги (размыкание контактора на 7 с):
Если дуга продолжает существовать, контроллер отдает команду на размыкание контактора через 30 с после первого замыкания и ожидает 7 с; на ЖК-экране отображается сообщение: «Остановка гашения дуги в фазе A/B/C». Если дуга погаснет в течение 7 с, контактор продолжает оставаться в размыкаемом состоянии, но сам контроллер возвращается в режим часов;
※Второе действие по гашению дуги (замыкание контактора на 30 с):
Если через 7 с дуга по-прежнему присутствует, контроллер дает команду контактору выполнить второе замыкание на 30 с; ситуация аналогична первому действию;
※Остановка второго цикла гашения дуги (размыкание контактора на 7 с):
Если через 30 с после второго замыкания контактора дуга по-прежнему присутствует, контроллер подает команду на размыкание контактора на 7 с после 30-секундного замыкания во время второго цикла; ситуация аналогична остановке первого цикла гашения дуги.
※Третье действие по гашению дуги (замыкание контактора на 2 часа):
Если через 7 с дуга продолжает гореть, контроллер подает команду на третье замыкание контактора на 2 часа; если дуга погаснет в течение 2 часов, контроллер подает команду на размыкание контактора, а сам возвращается в режим часов;
Таблица мер по устранению замыканий на землю в дуге для универсального контроллера PWXH-ZK
| Действие\Обработка дуговым светом | Конкретный процесс обработки дуговым светом (фазы A, B, C) | ||
| Процесс срабатывания | Первое движение | 30с | Запускается 30-секундная процедура гашения дуги; в ходе неё обнаруживается, что дуга погашена, процедура завершается, и система возвращается в режим ожидания. Через 30 секунд контроллер выполняет первую команду остановки. |
| Первый раз Остановить действие | 7с | Остановка процедуры гашения дуги | |
| Ожидание в течение 7 секунд; в этот период обнаружена дуга.
Дуга устранена, действие прекращено, возвращение в состояние тактового генератора. По истечении 7 секунд контроллер выполняет второе действие. |
|||
| Второе движение | 2 часа | Срабатывание по гашению дуги длится 2 часа; если в течение этого времени обнаруживается, что дуга погашена, срабатывание прекращается, и система возвращается в режим часов. | |
| Через 2 часа | Остановить действие; продолжить подачу сигнала тревоги. | ||
Преимущества устройства
1.Все виды перенапряжений относительно земли и между фазами ограничиваются на низком уровне, что позволит значительно сократить количество изоляционных повреждений, ранее вызываемых этими явлениями;
2.Перенапряжения, вызванные дуговым заземлением, которые ранее имели наибольшую продолжительность и представляли наибольшую угрозу для оборудования системы и безопасности эксплуатации, благодаря прямому заземлению неисправной фазы внутри данного устройства ограничиваются значениями напряжения на исправных фазах в пределах линейного напряжения системы:
3.Перенапряжения, вызванные ферромагнитным резонансом, которые ранее могли возникать при номинальном напряжении (кВ), например 6, 10, 35, на шинах, ограничиваются на низком уровне и, таким образом, ослабляются;
4.В системах, где ранее в соответствии с проектными нормами требовалась установка дугогасительных катушек, их установка больше не требуется, при этом функция ограничения перенапряжений будет лучше и совершеннее, чем при использовании дугогасительных катушек;
5.Как следует из принципа работы устройства, механизм ограничения перенапряжений не зависит от величины емкостного тока сети относительно земли, поэтому его защитные характеристики не изменяются при смене режима работы сети; устройство может использоваться как в крупных, так и в малых сетях, а расширение сети также не оказывает на него влияния;
6.Устройство имеет компактные размеры, удобно в монтаже и наладке; оно подходит как для подстанций, так и для высоковольтных систем внутреннего энергоснабжения электростанций; оно применимо как для новых электростанций, так и для модернизации старых;
7.Низкая стоимость; по сравнению с системами с дугогасительными катушками устройство обладает высоким соотношением цены и качества.
Упаковка, транспортировка, хранение
1.Обычно используется деревянный ящик для упаковки, при этом основание шкафа должно быть закреплено на дне упаковочного ящика:
2.Важные комплектующие упаковываются отдельно; во время транспортировки до монтажа их запрещается размещать внутри шкафа во избежание повреждений;
3.Не рекомендуется длительное хранение на открытом воздухе во избежание ржавчины и окисления отдельных деталей; при длительном простоях оборудование следует хранить в сухом, проветриваемом крытом складе.
Монтаж, наладка, техническое обслуживание
1.Наша компания отвечает за разработку чертежей и подбор параметров в соответствии с требованиями заказчика; сборку и наладку осуществляют технические специалисты нашей компании. После завершения сборки и наладки оборудования оно проходит проверку профессиональными контролёрами и только после подтверждения соответствия требованиям выпускается с завода. По желанию заказчика наша компания предоставляет услуги по руководству монтажом и наладкой на месте, при этом заказчик должен обеспечить необходимое содействие и помощь;
2.При нормальной работе оборудование не требует технического обслуживания и ремонта, однако после воздействия сильных токовых ударов необходимо провести тщательную проверку: убедиться в надежном замыкании контактов и проверить работу контроллера;
3.При соблюдении пользователем условий хранения и эксплуатации в течение 12 месяцев с даты отгрузки в случае повреждения или неисправности оборудования по причинам, связанным с качеством, наша компания бесплатно заменит оборудование или выполнит его ремонт;
4.Наша компания обеспечивает пожизненное техническое обслуживание оборудования и долгосрочную поставку запасных частей;
5.Прочие условия определяются в соответствии с техническим соглашением.
Практическое применение