В настоящее время нет международного соглашения, четко ограничивающего определение «высокого» напряжения.
Уровни напряжения, в одних странах обозначаемые как «высокие», в других странах обозначаются как «средние».
В данном разделе распределительные сети, которые работают при напряжениях 1000 В или ниже считаются низковольтными сетями, а сети распределения энергии, требующие одну ступень понижения напряжения с целью питания низковольтных сетей, считаются высоковольтными сетями.
По экономическим и техническим причинам, номинальное напряжение высоковольтных распределительных сетей, определенных выше, редко превышает 35 кВ.
Главные особенности, характеризующие систему энергоснабжения, включают:
Номинальное напряжение и соответствующие ему уровни мощности изоляции
Ток короткого замыкания
Номинальный ток заводских установок и оборудования
Система заземления
1.1 Характеристики высоковольтной сети системы энергоснабжения
Номинальное напряжение и соответствующие ему уровни мощности изоляции
Номинальное напряжение сети или оборудования определено в МЭК 60038 как «напряжение, которым обозначается сеть или оборудование, и к которому относятся определенные рабочие характеристики». Тесно связанным с понятием номинального напряжения является «максимальное рабочее напряжение для оборудования», зависящее от уровня прочности изоляции при номинальной рабочей частоте, и к которому можно отнести прочие характеристики, согласно соответствующим рекомендациям к оборудованию. «Максимальное рабочее напряжение для оборудования» определено в МЭК 60038 как: «максимальное значение напряжения, при котором возможно использование оборудования, которое возникает при нормальных условиях работы в любое время и в любой точке сети. Это исключает переходные напряжения, например, возникающие при коммутации сети, и временные изменения напряжения» Примечания:
Максимальное рабочее напряжение для оборудования указывается только для номинальных напряжений сети выше 1000 В. Очевидно, что, в частности, для определенных номинальных напряжений сети, нельзя гарантировать нормальную работу оборудования вплоть до этого максимального рабочего напряжения, принимая во внимание, что его характеристики зависят от величины приложенного напряжения (например: потери в конденсаторах, броски намагничивающего тока в трансформаторах и т.д.). Для таких случаев стандарты МЭК определяют предел, до которого может быть гарантирована нормальная работа оборудования.
Оборудование, используемое в сетях с номинальным напряжением до 1000 В, должно соответствовать техническим требованиям по данному номинальному напряжению сети, как для работы, так и для изоляции.
Определение «максимальное рабочее напряжение для оборудования», приведенное в МЭК 60038 идентично определению, данному в МЭК 60694 для «номинального напряжения». МЭК 60694 относится к распределительной аппаратуре с напряжениями свыше 1000 В. Значения, приведенные на Рис. C1, взятые из МЭК 60038, являются наиболее используемыми стандартными уровнями высоковольтного распределения энергии, и соотносят номинальные напряжения с соответствующими стандартными значениями «максимального рабочего напряжения для оборудования».
Как правило, эти сети являются трехпроводными, если не указано иначе. Приведенные значения являются линейными напряжениями (между фазами). Значения, указанные в скобках, являются не предпочтительными. Рекомендуется не использовать эти значения при проектировании новых сетей.
Серия I (для частот 50 Гц и 60 Гц) | |
Номинальное напряжение сети | Максимальное рабочее напряжение для оборудования |
(кВ) (кВ) |
|
3.3 ™ 3 Ч | 3.6 I1) |
6.6 m 6 ч | 7.2 я |
11 10 | 12 |
15 | 17.5 |
22 20 | 24 |
33 | 36 |
- 35 | 40.5 |
Эти значения не должны использоваться для распределительных сетей общего пользования.
Унификация этих значений находится в процессе рассмотрения.
Рис. C1: Отношение между номинальными напряжениями системы и максимальными рабочими напряжениями для оборудования
Для каждой отдельно взятой страны рекомендуется, чтобы отношение между двумя смежными номинальными напряжениями не было меньше двух. С целью обеспечения надежной защиты оборудования от чрезмерно высоких кратковременных перенапряжений промышленной частоты и переходных перенапряжений, вызванных ударом молнии, коммутацией или сбоем в сети и т.д. все ВВ оборудование должно иметь номинальные уровни прочности изоляции, соответствующие техническим условиям.
Распределительная аппаратура
Рис. C2, приведенный ниже, взят из МЭК 60694 и содержит ряд требуемых стандартных значений «выдерживаемых» напряжений. Выбор между значениями Столбца 1 и Столбца 2 таблицы С2 зависит от степени вероятности возникновения перенапряжений, вызванных ударом молнии или коммутацией™, типа заземления нейтрали, а также от типа устройств защиты от перенапряжений и т.д. (для получения более подробной информации обращайтесь к МЭК 60071).
Номинальное напряжение U (ср.кв. значение) | Номинальное выдерживаемое напряжение грозового импульса (амплитуда) | Номинальные кратковременные выдерживаемые перегрузки по напряжению/частоте (ср. кв. значение) | ||||
Столбец 1 | Столбец 2 | |||||
На землю между полюсами и через разомкнутое коммутационное устройство | Через | На землю между полюсами и через разомкнутое коммутационное устройство | Через | На землю между полюсами и через разомкнутое коммутационное устройство | Через | |
(кВ) | (кВ) | (кВ) | (кВ) | (кВ) | (кВ) | (кВ) |
3.6 | 20 | 23 | 40 | 46 | 10 | 12 |
7.2 | 40 | 46 | 60 | 70 | 20 | 23 |
12 | 60 | 70 | 75 | 85 | 28 | 32 |
17.5 | 75 | 85 | 95 | 110 | 38 | 45 |
24 | 95 | 110 | 125 | 145 | 50 | 60 |
36 | 145 | 165 | 170 | 195 | 70 | 80 |
52 | - | - | 250 | 290 | 95 | 110 |
72.5 | - | - | 325 | 375 | 140 | 160 |
Примечание: Значения выдерживаемого напряжения «через изоляционный промежуток» применимы только для коммутационных устройств, где изоляционный промежуток между открытыми контактами спроектирован с учетом удовлетворения требований, определенных для разъединителей.
Рис. : Номинальные уровни прочности изоляции коммутационной аппаратуры
Необходимо заметить, что для рассматриваемых уровней напряжения не указаны паспортные данные коммутационных перенапряжений. Это связано с тем, что перенапряжения, вызываемые переходными процессами при коммутации, менее значительны при этих уровнях напряжения, чем перенапряжения, вызываемые ударом молнии.
Трансформаторы
Значения на 'рис. C3, приведенные ниже, взяты из стандарта МЭК 60076-3.
Смысл значений столбца 1 и столбца 2 тот же самый, что и для таблицы для коммутационной
C3
аппаратуры, т.е. выбор зависит от степени подверженности удару молнии и т.д.
(1) Столбец 1 относится, в основном, к коммутационной аппаратуре, используемой в подземных кабельных сетях, а Столбец 2 - к коммутаци-онной аппаратуре в сетях воздушных линий.
Наибольшее напряжение оборудования (ср. кв.) (кВ) | Номинальное кратковременное выдерживаемое напряжение пром. частоты (ср. кв) (кВ) | Номинальное выдерживаемое напряжение грозового импульса (амплитуда) | |
Столбец 1 | Столбец 2 | ||
(кВ) | (кВ) | ||
<1.1 | 3 | - | - |
3.6 | 10 | 20 | 40 |
7.2 | 20 | 40 | 60 |
12 | 28 | 60 | 75 |
17.5 | 38 | 75 | 95 |
24 | 50 | 95 | 125 |
36 | 70 | 145 | 170 |
52 | 95 | 250 | |
72.5 | 140 | 325 | |
Рис. C.: Номинальные уровни прочности изоляции трансформаторов
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
С - Подключение к распределительной сети
высокого напряжения
Национальные стандарты любой страны обычно сокращены и включают только один или два уровня напряжения, тока и уровней токов и мощностей при аварийных режимах (токи и мощности короткого замыкания)
Автоматический выключатель (также с плавким предохранителем на ограниченный диапазон напряжений) является единственным видом коммутационной аппаратуры, способным безопасно размыкать большие токи, связанные с коротким замыканием, возникающем в системе питания.
Другие элементы
Изоляционные характеристики других важных ВВ элементов, таких как, например, фарфоровые или стеклянные изоляторы, ВВ кабели, измерительные трансформаторы, и т.д., должны быть совместимы с изоляционными характеристиками коммутационной аппаратуры и трансформаторов, о которых говорилось выше. Программа испытаний для этих элементов приведена в соответствующих рекомендациях МЭК. Национальные стандарты любой страны обычно сокращены, и включают только один или два уровня напряжения, тока и уровней токов и мощностей при аварийных режимах (токи и мощности короткого замыкания). Общее примечание:
Стандарты МЭК предназначены для всемирного применения и, следовательно, включают в себя широкий диапазон уровней напряжений и токов. Они отражают различные методы, принятые в странах, имеющих различные метеорологические, географические и экономические ограничения.
Ток короткого замыкания
Стандартные значения, характеризующие отключающую способность автоматического выключателя, обычно указываются в килоамперах.
Эти значения относятся к режиму трехфазного короткого замыкания, и выражены в виде среднеквадратичных значений переменной составляющей тока в каждой из трех фаз. Для автоматических выключателей в диапазоне номинальных напряжений, рассматриваемых в данной главе, на 'рис. C даны стандартные значения отключающей способности.
кВ | 3.6 | 7.2 | 12 | 17.5 | 24 | 36 | 52 |
кА | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
(ср.кв.) | 10 | 12.5 | 12.5 | 12.5 | 12.5 | 12.5 | 12.5 |
| 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 20 |
| 25 | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 |
|
| 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 |
|
|
|
| 50 |
|
|
|
|
Рис. C4: Стандартные значения отключающей способности выключателей
Расчет тока короткого замыкания
Правила для расчета токов короткого замыкания в электрических установках представлены в стандарте 60909 МЭК.
Расчет токов короткого замыкания в различных точках системы питания может быстро перерасти в затруднительную задачу в случае, если установка является сложной. Использование специализированного программного обеспечения ускоряет расчеты. Этот общий стандарт, применимый ко всем радиальным и многоконтурным системам питания 50 или 60 Гц и до 550 кВ, является очень точным и надежным. Он может быть использован для различных типов непосредственных коротких замыканий (симметричных или несимметричных), которые могут возникнуть в электрической установке:
Трехфазное короткое замыкание (всех трех фаз); как правило, этот тип КЗ сопровождается наибольшими токами
Двухфазное короткое замыкание (между двумя фазами), токи ниже, чем при трехфазном коротком замыкании
Двухфазное короткое замыкание на землю (между двумя фазами и землей)
Однофазное короткое замыкание на землю (между фазой и землей), наиболее частый тип КЗ (80% всех случаев).
При возникновении короткого замыкания, переходный ток короткого замыкания изменяется по времени и включает в себя две составляющие (см. Рис. C ).
Периодическую составляющую, начальная величина которой определяется величиной напряжения источника (генераторов, питающих коротко-замкнутую сеть) величиной ее импеданса (полного сопротивления). Эта величина уменьшается до своего установившегося значения за время, зависящее от общей (эквивалентной) постоянной времени группы вращающихся машин (генераторов).
Апериодическую составляющую, которая с течением времени уменьшается до нуля («затухает»). Ее начальная величина зависит от момента ее возникновения а время «затухания» от постоянной времени цепи короткого замыкания
Таким образом, необходимо определить значения параметров короткого замыкания, которые полезны в выборе оборудования сети и системы защиты:
I'V среднеквадратичное значение начального тока симметричного короткого замыкания
1ь: среднеквадратичное значение тока симметричного короткого замыкания, отключаемого выключателем, когда размыкается первый полюс при tmin (при минимальном запаздывании)
Ik: среднеквадратичное значение установившегося тока симметричного короткого замыкания
Ip: максимальное мгновенное значение (амплитуда тока при первом максимуме - ударный ток короткого замыкания)
Рис. C. : Графическое представление величин короткого замыкания согласно МЭК 60909
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Idc: величина апериодической составляющей тока
Эти токи обозначаются нижними индексами 3, 2, 2E, 1, в зависимости от типа короткого замыкания: трехфазное, двухфазное без земли, двухфазное на землю, однофазное на землю соответственно.
Метод, основанный на принципе суперпозиции Тевенина, и разложении на симметричные составляющие заключается в приложении к точке короткого замыкания эквивалентного источника напряжения с целью определения тока. Расчет проводится в три этапа:
Определить эквивалентный источник напряжения, приложенный к точке КЗ. Он представляет собой напряжение, существовавшее непосредственно перед КЗ, и равен номинальному напряжению, умноженному на коэффициент, учитывающий нестабильность источника (наличие переключателя у трансформатора и поведения машин в сверхпереходном режиме).
Рассчитать полные сопротивления каждой ветви относительно точки КЗ. Для систем прямой и обратной последовательности, в расчете не учитываются емкости линий и проводимости параллельных невращающихся нагрузок.
После определения значений напряжения и полного сопротивления, рассчитать минимальные и максимальные значения характеристик токов короткого замыкания. Различные значения тока в точке КЗ рассчитываются с помощью:
Имеющихся уравнений
Уравнений по первому закону Кирхгофа (сумма токов, текущих в ветвях, сходящихся в одном узле, равна нулю)
I"k (см рис. C для расчета I"k, где коэффициент по напряжению определяется стандартным, геометрическим или алгебраическим сложением)
Ip = к х 2 х I"k, где к меньше 2, в зависимости от отношения активного и реактивного сопротивлений (R/X) прямой последовательности данной ветви; сложение максимумов
Ib = ц х q х I"k, где ц и q меньше 1, в зависимости от генераторов и двигателей, а также минимальной задержки отключения тока; алгебраическое сложение
Ik = I"k, когда КЗ далеко от генератора
Ik = %Ir, для генератора, где Ir - номинальный ток генератора, и % - коэффициент, зависящий от индукции насыщения; алгебраическое сложение.
Рис. C6: Токи короткого замыкания согласно МЭК60909
Определение характеристик
Существуют 2 типа оборудования сети, в зависимости от того, реагируют ли они на возникновение короткого замыкания или нет.
Пассивное оборудование
Эта категория включает в себя все оборудование, которое, ввиду его назначения, должно быть способным проводить как номинальный ток, так и ток короткого замыкания. Это оборудование включает кабели, линии, шины, разъединители, трансформаторы, последовательные реакторы, измерительные трансформаторы. Для такого оборудования способность выдерживать короткое замыкание без повреждения определяется с учетом:
Электродинамической устойчивости («максимальный выдерживаемый ток»; значение максимального тока выражено в кА), характеризующей механическую прочность
Термической устойчивости («кратковременный выдерживаемый ток»; среднеквадратичное значение, выраженное в кА для продолжительности в диапазоне от 0,5 до 3 секунд, с предпочтительным значением 1 секунда), характеризующей максимально допустимое рассеяние тепла.
Активное оборудование
Эта категория включает оборудование, предназначенное для отключения токов короткого замыкания, т.е. автоматические выключатели и предохранители. Оно характеризуется отключающей способностью, и, если необходимо, включающей способностью, при возникновении короткого замыкания.
Отключающая способность (см. 'рис. C7 )
Основной характеристикой устройства, устраняющего короткое замыкание, является максимальный ток (среднеквадратичное значение, выраженное в кА), который оно способно прервать в определенных условиях, определяемых стандартами; стандарт МЭК приводит среднеквадратичное значение периодической составляющей тока короткого замыкания. В некоторых других стандартах определено среднеквадратичное значение суммы двух составляющих периодической и апериодической (переменной и постоянной), и в этом случае это «несимметричный ток».
Отключающая способность зависит и от других факторов, таких как: С Напряжение
С Соотношение R/X размыкаемой цепи С Собственная частота системы энергоснабжения
С Количество повторный включений и отключений при максимальном токе, например, цикл: Р - З/Р - З/Р (Р = размыкание, З = замыкание) С Состояние устройства после испытания
Отключающая способность относительно сложной для определения. Поэтому неудивительно, что одно и то же устройство может иметь различную отключающую способность в зависимости от стандарта, по которому эта способность определяется.
Включающая способность на короткое замыкание
Как правило, эта характеристика полностью определяется отключающей способностью, так как устройство должно быть способным замыкаться при токе, который оно способно прервать. Иногда включающая способность должна быть выше, например, в автоматических выключателях, защищающих генераторы.
Включающая способность определяется амплитудным значением (выраженным в кА), так как первая асимметричная амплитуда является основным действующим фактором с точки зрения электродинамики.
Например, согласно стандарту МЭК 62271-100, автоматический выключатель, используемый в системе энергоснабжения 50 Гц, должен быть способным выдерживать амплитуду тока включения, в 2.5 раза превышающую среднеквадратичное значение прерываемого тока (2.6 раза для систем 60 Гц).
Выключатели и, иногда, разъединители, также должны иметь включающую способность, даже если эти устройства не способны устранить короткое замыкание.
Предполагаемый ток отключения короткого замыкания
Некоторые устройства имеют способность ограничивать ток короткого замыкания, который необходимо прервать.
Их отключающая способность определяется как максимальный предполагаемый ток отключения, который получился бы во время непосредственного короткого замыкания на входных зажимах устройства.
Специфические характеристики устройств
C6
IAC: Амплитуда периодической составляющей IDC: Апериодическая составляющая
Рис. C7: Номинальный ток прерывания автоматического выключателя, подверженного короткому замыканию согласно МЭК 60056
С - Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Функциональные возможности, обеспечиваемые различными прерывающими устройствами, и их основные ограничения представлены на Рис. C8.
Устройство | Изоляция двух активных сетей | Условия | Главные ограничения | |
| ||||
Номинал | КЗ |
| ||
Разъединитель | Да | Нет | Нет | Продольная входная/выходная изоляция |
Выключатель | Нет | Да | Нет | Включение и отключение тока номинальной нагрузки. Включающая способность КЗ |
Контактор | Нет | Да | Нет | Номинальная включающая и отключающая способность Максимальная отключающая и включающая способность Характеристики режима и срок службы |
Автоматический | Нет | Да | Да | Отключающая, отключающая |
Выключатель |
|
|
| способность КЗ |
Предохранитель | Нет | Нет | Да | Минимальная способность отключения КЗ, Максимальная способность включения КЗ |
Рис. Ci : Функции, обеспечиваемые прерывающими устройствами
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Наиболее распространенным значением номинального тока для ВВ распределительной аппаратуры общего назначения является 400 А.
Номинальный ток
Номинальный (нормальный) при температуре устройства не превышающей величины, определенной соответствующим производственным стандартом. Требования к номинальному току коммутационной аппаратуры определяются на стадии проектирования подстанции.
Наиболее распространенным значением номинального тока для ВВ распределительной аппаратуры общего назначения является 400 А.
В промышленных зонах и городских районах с высокой плотностью нагрузки иногда требуются цепи, рассчитанные на номинальный ток 630 А, в то время, как на подстанциях магистрального энергоснабжения, питающих высоковольтные сети, в качестве стандартных параметров автоматических выключателей для цепей входных трансформаторов, секций сборных шин и шинных соединителей и т.д. указаны значения номинального тока 800 A; 1250 A; 1600 A; 2500 A и 4000 A Для понижающих трансформаторов с номинальным током первичной обмотки до 60А может быть использован выключатель с плавким предохранителем. Для более высоких токов первичной обмотки выключатель с плавким предохранителем не отвечает предъявляемым требованиям.
Для случаев с использованием выключателей с плавким предохранителем в МЭК нет рекомендованных значений номинальных токов. Фактические параметры предоставляются изготовителем выключателя c плавким предохранителем, согласно характеристикам предохранителя и таким параметрам трансформатора, как:
Номинальный ток при высоком напряжении
Допустимые величины: тока перегрузки и его продолжительности.
Максимальная амплитуда и продолжительность броска намагничивающего тока трансформатора при включении.
Положение переключателя отпаек, как показано на примере, приведенном в Приложении A МЭК 62271-105, и описано в Приложении С1 данного руководства. В такой схеме выключатель нагрузки должен быть правильно рассчитан, чтобы размыкаться автоматически, например, при помощи реле, при низких значениях тока КЗ, которые должны быть выше (с необходимым запасом), чем минимальный номинальный ток отключения высоковольтных предохранителей. В этом случае, большие токи КЗ, превышающие отключающую способность выключателя нагрузки, будут устранены предохранителями, а небольшие токи КЗ, которые не могут быть корректно устранены предохранителями, будут устранены выключателем нагрузки с релейным управлением. Приложение С1 содержит дополнительную информацию об организации размыкания с использованием высоковольтных выключателей с плавким предохранителем.
Влияние температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря на номинальный ток
Значение номинального тока присваивается любым токопроводящим электрическим устройствам, а верхние пределы определяются допустимым повышением температуры, вызываемом рассеянием мощности I2R (Вт) в проводах (где I=среднеквадратичное значение тока в амперах, R=сопротивление проводника в омах), совместно с теплом, выделяющимся при потерях на перемагничивание и вихревые токи в двигателях, трансформаторах и т.д., диэлектрических потерях в кабелях и конденсаторах, где это возможно. Превышение температуры выше температуры окружающей среды главным образом зависит от скорости отвода тепла. Например, большие токи могут протекать в обмотках электродвигателя, не вызывая их перегрев, просто потому, что вентилятор, установленный на валу двигателя, удаляет тепло также быстро, как оно выделяется, и, таким образом, температура достигает устойчивого значения, ниже того, при котором может произойти повреждение изоляции или сгорание двигателя. Трансформаторы с масляным и/или воздушным охлаждением являются одним из наиболее известных примеров использования таких способов «принудительного охлаждения». Номинальные значения тока, рекомендуемые МЭК, основаны на значениях температуры окружающего воздуха, обычной для умеренного климата на высоте, не превышающей 1000 метров над уровнем моря. Таким образом, элементы, которые зависят от естественных условий охлаждения в виде лучеиспускания или вентиляции, при работе на номинальном токе в тропическом климате и/или на высотах, превышающих 1000 метров над уровнем моря, будут перегреваться. В таких случаях, номинальные значения параметров оборудования должны быть снижены, т.е. должно быть присвоено меньшее значение номинального тока. Пример с трансформаторами рассмотрен в МЭК 60076-2. Для трансформаторов с принудительным охлаждением в общем случае достаточно, с целью сохранения исходных параметров, определенных МЭК, установить экраны для защиты от солнца, увеличить поверхности маслоохлаждающего радиатора, количество охлаждающего масла, мощность насосов подачи масла, а также размер воздухообдувающих вентиляторов. Для получения информации о том, как правильно снизить номинальные значения параметров коммутационной аппаратуры в зависимости от фактических условий её работы, необходимо обратиться к её производителю
Короткое замыкание на землю в высоковольтных сетях может вызывать привести к возникновению опасных перенапряжений на стороне низкого напряжения установки.
Абоненты сети низкого напряжения (и работающий на подстанции персонал) могут быть защищены от такой опасности путем:
Ограничения амплитуды токов КЗ на землю в сети высокого напряжения
Система заземления сопротивления подстанции до минимально возможного значения
Создание системы выравнивания потенциалов на подстанции и установке абонента.
Рис. : Переносимый потенциал
Остальные не заземляются. Отдельный случай ограничения тока короткого замыкания на землю, а именно, при помощи дугогасительной катушки, рассматривается в конце пункта 3.2
Системы заземления
Система заземлений и проводники, соединяющие с ней оборудование (заземляющие проводники), требуют тщательного рассмотрения, особенно в отношении безопасности абонентов сети НН во время возникновения короткого замыкания на землю в высоковольтных сетях.
Заземлители
В общем случае, где это физически возможно, предпочтительно разделять электроды, предназначенные для заземления открытых проводящих частей высоковольтного оборудования от электродов, предназначенных для заземления низковольтного нулевого провода. Такая практика широко используется в сельских сетях, где заземлитель низковольтного нулевого провода устанавливается на расстоянии одного или двух пролетов низковольтной линии электропередачи от подстанции.
В большинстве случаев, ограниченность места, доступного на городских подстанциях, не позволяет использовать эту практику, т.е. нет возможности должным образом разделять высоковольтные и низковольтные заземлители с целью предотвращения переноса (возможно опасных) напряжений в низковольтную сеть.
Ток замыкания на землю
Уровни тока короткого замыкания на землю при высоком напряжении обычно (если он принудительно не ограничен) сравнимы с уровнями токов, возникающих при 3-х фазном коротком замыкании.
Такие токи, проходя через заземлитель, увеличивают его потенциал до высокого значения относительно «удаленной земли» (земля, окружающая заземлитель, получит высокий потенциал; «удаленная земля» имеет нулевой потенциал). Например, ток замыкания на землю 10 000 А, проходящий через заземлитель с (необычно низким) сопротивлением 0.5 Ом, увеличит его потенциал до 5 000 В. При условии, что все открытые металлические части на подстанции «связаны» (соединены вместе), и, затем подключены к заземляющему электроду (заземлителю), а заземляющее устройство выполнено в виде сетки из проводников, расположенных под полом подстанции, тогда обеспечивается безопасность персонала, так как при этом формируется эквипотенциальная «клетка», в которой все электропроводящие материалы, включая персонал, имеют одинаковый потенциал.
Вынос потенциала
Однако, проблема, известная как «вынос потенциала», включает в себя несколько опасных моментов. На рис. C видно, что нейтральная точка обмотки НН понижающего трансформатора также подключена к общему заземлителю подстанции, и, таким образом, нулевой провод, обмотки фаз НН и проводники всех фаз также имеют потенциал, равный потенциалу заземлителя.
Низковольтные распределительные кабели, исходящие из подстанции, будут передавать этот потенциал установкам потребителя. Можно заметить, что пробой низковольтной изоляции между фазами или фазой и нейтралью невозможен, так как все они имеют равный потенциал. Однако, существует вероятность пробоя изоляции кабеля или какой- либо части установки между фазой и землей.
Способы решения
Первым шагом для минимизации опасностей, связанных с выносом потенциала, является уменьшение амплитуды тока короткого замыкания на землю в сети высокого напряжения. В большинстве случаев это достигается заземлением высоковольтной сети через резисторы или реакторы в нейтральных точках звезды выбранных трансформаторов™, расположенных на крупных (мощных) подстанциях системы электроснабжения. Однако, относительно высокий переносимый потенциал не может быть полностью устранен таким образом, поэтому в некоторых странах принят следующий способ решения этой проблемы: система заземления с уравниванием потенциала (эквипотенциальная заземляющая система) в помещениях потребителя (абонента).
Эквипотенциальное заземление установок в помещении абонента представляет собой удаленное заземление, т.е. заземление нулевым потенциалом. Однако, если такая заземляющая установка будет подключена низкоомным проводником к заземлителю на подстанции, то эквипотенциальные условия, существующие на подстанции, будут также существовать и на установке абонента.
Низкоомное межсоединение
Такое низкоомное межсоединение достигается путем подключения нулевого провода к эквипотенциальной установке абонента. Получающаяся в результате система известна, как система заземления TN (МЭК 60364), схема А на Рис. C1I на следующей странице. Система TN обычно соединена со схемой «Многократного защитного заземления», в которой нулевой провод заземлен через определенные интервалы его длины (на каждом 3-м или 4-м столбе низковольтной распределительной воздушной линии) и в каждом месте подвода питания потребителю. Таким образом, сеть нулевых проводов, исходящих из подстанции, каждый из которых заземлен через постоянные интервалы, представляет собой, вместе с собственным заземлением подстанции, очень эффективный низкоомный заземлитель.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
C9
Где
Uws = выдерживаемое напряжение на номинальной частоте для низковольтного оборудования на подстанции (так как открытые проводящие части этого оборудования заземлены через Rs)
U = фазное напряжение на подстанции для TT(s) системы, и линейное напряжение для IT(s) системы
Im = максимальное значение в сети высокого
напряжения(на стороне высокого напряжения) тока замыкания на землю
Случаи EmF
Где
Uw= номинальное выдерживаемое напряжение при номинальной частоте для низковольтного оборудования на установках потребителя Uo= фазное напряжение на установке потребителя Im = максимальное значение в сети высокого
напряжения(на стороне высокого напряжения) тока замыкания на землю
Случаи ChD
Значение Rs
Система заземления
Случаи АиВ
В данных случаях для Rs не назначается определенных значений
В случае EnF низковольтные заземляющие провода (связывающие открытые проводящие части) на подстанции заземлены через заземлитель подстанции, и поэтому только низковольтное оборудование подстанции может быть подвержено перенапряжению.
Примечание:
Для систем заземлений TN-a и IT-a, все открытые проводящие части высокого и низкого напряжения на подстанции и на установках потребителя, вместе с нейтралью низкого напряжения, заземлены через сеть заземлителей подстанции.
Для систем TT-a и IT-b, все открытые проводящие части высокого и низкого напряжения на подстанции и на установках потребителя заземлены через сеть заземлителей подстанции.
Для систем TT-b и IT-c, нейтраль низкого напряжения трансформатора заземлена отдельно, вне зоны действия заземлителя подстанции. Значения Uw и Uws для большинства случаев указаны (в МЭК 60364-4-44), как значение Uo + 1200 В, где Uo - номинальное фазное напряжение рассматриваемой низковольтной сети.
Рис. C1 : Максимальное заземляющее сопротивление Rs на ВВ /НВ подстанции, обеспечивающее безопасность во время короткого замыкания на землю в высоковольтном оборудовании при различных системах заземления
Комбинированное использование ограничения токов замыкания на землю, установок выравнивания потенциалов и низкоомного заземления подстанции приводит к значительному снижению перенапряжений и ограничению напряжения на изоляции фазы относительно земли во время высоковольтного короткого замыкания, описанного выше.
Ограничение токов замыкания на землю в сети высокого напряжения (на стороне высокого напряжения) и заземляющего сопротивления подстанции
Другая широко используемая система заземления показана на схеме С Рис. С10. Видно, что в системе ТТ, заземляющая установка абонента (будучи изолированной от заземляющей установки подстанции) представляет собой удаленную землю. Это означает что, хотя выносимый потенциал не будет влиять на междуфазную изоляцию оборудования абонента, изоляция всех трех фаз относительно земли будет подвержена перенапряжению
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
С - Подключение к распределительной сети высокого напряжения
В этом случае методика заключается в уменьшении сопротивления заземлителя подстанции до значения, при котором стандартное значение кратковременного (5 с) выдерживаемого напряжения при замыкании на землю для низковольтного оборудования и устройств не будет превышено.
Практические значения, принятые одной национальной электроснабжающей организацией для систем электроснабжения на напряжении 20 кВ следующие:
Максимальный ток в нейтрали при коротком замыкании на землю в воздушных линиях электропередач с нейтралью, или смешанных (воздушно-кабельные линии) сетях составляет 300 А.
Максимальный ток замыкания на землю в подземных кабельных сетях с нейтралью составляет 1000 А.
Формула для определения максимального значения заземляющего сопротивления Rs на подстанции, при котором гарантировано, что низковольтное выдерживаемое напряжение не будет превышено, имеет следующий вид:
в Омах (см. случаи С и D на Рис. C10).
Где
Uw = наименьшее стандартное значение (в вольтах) кратковременного (5 с) выдерживаемого напряжения для установок и устройств потребителя = Uo + 1200 В (МЭК 60364-4-44).
Uo = фазное напряжение (в вольтах) в месте подвода низкого напряжения потребителя Im = максимальный ток замыкания на землю высоковольтной сети (в амперах). Этот максимальный ток замыкания на землю Im есть векторная сумма максимального тока замыкания на землю в нейтрали и суммарного несимметричного емкостного тока в сети. Третья разновидность системы заземления, которая в стандарте МЭК 60364 называется системой IT, используется, главным образом, там, где бесперебойное энергоснабжение является очень важным, например, в больницах, непрерывном производстве и т.д. Этот принцип заключается в том, что питание поступает от незаземленного источника. Как правило, это трансформатор, вторичная обмотка которого не заземлена или заземлена через высокое сопротивление (>1000 Ом). В этих случаях пробой изоляции на землю в цепях низкого напряжения, питаемых от вторичных обмоток, приведет к отсутствию или возникновению пренебрежимо малого тока короткого замыкания, протекание которого допустимо в течение некоторого времени до тех пор, пока не будет возможным отключить неисправную цепь для проведения ремонтных работ.
Схемы B, D и F (Рис. C10)
Схемы представляют собой системы IT, в которых сопротивления (примерно 1000 ом) включены в заземленный нейтральный провод.
Однако, если убрать эти резисторы, тем самым, делая систему незаземленной, к ней применимы следующие параграфы.
Схема В (Рис. C10)
Проводники всех фаз и нейтральный провод «плавают» относительно земли, к которой они подключены через (как правило, очень высокие) сопротивления изоляции и (очень маленькие) емкости между проводами под напряжением и заземленными металлическими частями. Полагая, что изоляция идеальна, все проводники фаз низкого напряжения и нейтральный провод путем электростатической индукции получат потенциал, близкий к потенциалу эквипотенциальных проводников. На практике наиболее вероятно то, что из-за большого количества каналов утечки на землю всех проводов под напряжением от нескольких параллельно работающих установок, система будет вести себя также, как в случае присутствия заземляющего резистора, т.е. все провода получат потенциал земли подстанции. В этих случаях перенапряжения, действующие на изоляцию низкого напряжения, малы или отсутствуют.
Схемы D и F (Рис. C10)
В этих случаях, высокий потенциал системы заземления подстанции действует на изолированные фазы низкого напряжения и нейтральный провод:
Через емкостное сопротивление между обмотками низкого напряжения трансформатора и его баком.
Через емкостное сопротивление между эквипотенциальными проводами на подстанции и жилами низковольтных распределительных кабелей, исходящих от подстанции.
Через каналы утечки тока в изоляции, в каждом случае.
C10
В местах вне зоны действия системы заземления подстанции, существуют емкостные сопротивления между проводами и землей, имеющей нулевой потенциал (емкостные сопротивления между жилами несущественны - все жилы получают одинаковый потенциал). В результате получается преимущественно емкостной делитель напряжения, в котором каждая «емкость» шунтируется сопротивлениями (каналов утечки). Как правило, емкость кабелей низкого напряжения и установочных проводов относительно земли много больше, а сопротивления изоляции относительно земли много меньше, чем емкость и сопротивления соответствующих параметров на подстанции, поэтому большинство перенапряжений возникают на подстанции между обмоткой низкого напряжения трансформатора и его баком.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Рис. C11: Однолинейная система электроснабжения
Рис. C1 : Электроснабжение по кольцевой магистрали
Таким образом, мало вероятно, что повышение потенциала на установках потребителя будет проблемой там, где уровень тока короткого замыкания на землю в сети высокого напряжения ограничен, как указывалось выше.
Все трансформаторы, заземленные по системе IT, с изолированной или заземленной через высокое сопротивление нейтралью, как правило, оборудованы устройствами ограничения перенапряжений, которые автоматически подключают нейтраль напрямую к земле, если уровень перенапряжения приблизится к уровню прочности изоляции низковольтной сети.
Помимо ситуаций, указанных выше, существуют несколько других ситуаций, в которых могут возникнуть эти перенапряжения. Эти ситуации описаны в Разделе 3.1. Такой тип замыкания на землю случается очень редко, а когда он происходит, он быстро обнаруживается и устраняется автоматическим размыканием автоматического выключателя в правильно спроектированной и сконструированной установке. Безопасность в ситуациях, связанных с повышенными потенциалами, полностью зависит от обеспечения правильно организованных зон выравнивания потенциалов, которые основаны на применении крупноячеистой решетки взаимосвязанных неизолированных медных проводов, подключенных к вертикально расположенным стальным стержням, плакированным медью .
Критерий эквипотенциальности, который необходимо соблюдать, описан в Главе F,
посвященной защите от поражения электрическим током при непрямом контакте, а
именно: потенциал между двумя открытыми металлическими частями, которые можно
затронуть одновременно любой частью тела, ни при каких обстоятельствах не должен
превышать 50 В в сухой среде, или 25 В во влажной среде.
Особое внимание необходимо уделять границам эквипотенциальных зон, чтобы
избежать резких градиентов потенциалов на поверхности земли, которые могут
привести к возникновению опасных «шаговых напряжений».
Этот вопрос тесно связан с безопасным заземлением ограждений подстанций, и
рассматривается дальше в Подразделе 3.1.
1.2 Различные способы подключения ВВ электроснабжения
В зависимости от типа высоковольтной сети применяются нижеследующие способы организации подачи питания.
Однолинейная система электроснабжения
Подстанция питается от одной линии питания от высоковольтного распределителя (кабеля или воздушная линия).
В общем случае, высоковольтное энергоснабжение подключается к панели, содержащей комбинацию из выключателя нагрузки /разъединителя с плавким предохранителем и заземляющих разъединителей, как показано на 'рис. C11 В некоторых странах «подстанция» состоит из столбового трансформатора без высоковольтной коммутационной аппаратуры или предохранителей (на столбе). Такой тип высоковольтного энергоснабжения широко используется в сельских районах. Защитные и коммутирующие устройства находятся на расстоянии от трансформатора, и обычно управляют главной воздушной линией, от которой ответвляются несколько линий энергоснабжения абонентов.
Электроснабжение по кольцевой схеме питания
Установки кольцевой схемы питания обычно соединяются, образуя высоковольтную кольцевую схему* или магистраль, связывающая одну или более РП системы121 так, что шины установок кольцевой схемы проводят полный ток кольцевой схемы или ток этой магистрали (см. Рис. C' ).
Установка кольцевой схемы состоит из трех отсеков, образующих единый агрегат, а именно:
2 вводных отсека, каждый из которых содержит выключатель нагрузки/ разъединитель и заземляющий переключатель цепи.
1 выходной отсек общей защиты, содержащий выключатель нагрузки и высоковольтные предохранители, или комбинированный выключатель нагрузки с плавким предохранителем, или автоматический выключатель и разъединитель, вместе с заземляющим переключателем цепи в каждом случае. Все выключатели нагрузки
и заземляющие переключатели имеют номинальные параметры, рассчитанные для режимов включения на короткое замыкание.
Такая схема питания предоставляет пользователю питание от двух источников, таким образом, значительно уменьшая нарушение энергоснабжения из-за сбоев системы или операций электроснабжающей организации. Главным образом, установки с кольцевой схемой питания применяются в высоковольтных подземных кабельных сетях общего пользования на городской территории.
*Кольцевая схема питания - это непрерывная распределительная магистраль, выполненная в виде замкнутого контура, которая начинается и заканчивается на одной системе шин. Начало и конец этой кольцевой магистрали подключаются к системе шин (каждый своим выключателем), часто, для повышения удобства эксплуатации шины секционируются нормально закрытым секционным выключателем. При этом начало и конец кольцевой магистрали подсоединяются к разным секциям шин. Связь между двумя подстанциями системы электроснабжения (interconnector) это непрерывный фидер без отпаек, соединяющий шины двух подстанций с выключателями на каждом конце.Связь между несколькими подстанциями системы (interconnector- distributor) - это магистраль, связывающая одну или более распределительных подстанций [РП] системы.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Электроснабжение по параллельным линиям питания
Там, где возможно подключение питания высокого напряжения по двум линиям или кабелям, имеющим начало от одной и той же шины подстанции, часто используется высоковольтное распредустройство, подобное устройству кольцевой схемы питания (см. 'рис. C ). Главным отличием в работе между устройствами этих схем является то, что входные панели здесь взаимно блокируются, и поэтому единовременно может быть замкнут только один выключатель входной линии, т.е. его замыкание предотвращает замыкание другого.
При потере питания, замкнутый переключатель должен разомкнуться и другой (до этого момента разомкнутый) выключатель на входной линии может быть замкнут. Последовательность замыкания/размыкания выключателей может быть реализована вручную или автоматически
Рис. C13: Электроснабжение от параллельных источников
Такой тип распределительной схемы используется, главным образом, в сетях с высокой плотностью нагрузки и на быстро растущих городских территориях, питаемых от высоковольтных подземных кабельных сетей.
1.3 Некоторые аспекты работы высоковольтных распределительных сетей
Воздушные линии
Сильные ветры, обледенение и т.п. могут привести к соприкосновению проводов воздушных линий, тем самым, вызывая мгновенное (то есть, не долговременное) короткое замыкание. Пробой изоляции из-за повреждений керамических или стеклянных изоляторов, вызванных частицами, находящимися в воздухе; из-за небрежного обращения с оружием и т.д., или из-за сильно загрязненных поверхностей изоляторов, может привести к короткому замыканию на землю. Многие из этих аварийных режимов самоустраняющиеся. Например, в сухих условиях, поврежденный изолятор очень часто может продолжать работать, не обнаруживая свое повреждение, но во время грозы его пробой на землю (например, на металлическую несущую конструкцию) очень вероятен. Более того, загрязненные поверхности обычно вызывают пробой на землю только во влажных условиях.
Канал прохождения тока короткого замыкания практически всегда принимает форму электрической дуги, интенсивное тепловыделение от которой высушивает каналы прохождения тока, и, до некоторой степени, восстанавливает их изоляционные свойства. За это время защитные устройства устранения короткого замыкания обычно успевают сработать, т.е. происходит перегорание предохранителей или выключение выключателя.
Опыт показывает, что в большинстве случаев, восстановление питания путем замены предохранителей или повторным включением выключателя проходит успешно. По этой причине существует возможность значительно улучшить бесперебойность питания высоковольтных воздушных распределительных сетей путем применения схем автоматического повторного включения (АПВ) выключателей в начале данных сетей. Такие автоматические схемы позволяют осуществлять несколько операций повторного включения, если первая попытка не удастся, с регулируемым временем задержки между последовательными попытками (чтобы произошла де-ионизация воздуха в месте короткого замыкания), до срабатывания блокирующего устройства автоматического выключателя после всех (обычно трех) неудачных попыток. Другие улучшения бесперебойности электроснабжения достигаются путем дистанционного управления секционными выключателями и автоматическими разъединителями, работающими совместно с выключателем автоматического повторного выключения.
Последняя схема проиллюстрирована последовательностями, показанными на рис. C14 на следующей странице.
Принцип действия заключается в следующем: если, после двух попыток автоматического повторного выключения - АПВ выключатель отключается, короткое замыкание считается долговременным, и, пока источник отключен, линия обесточена, линейный выключатель отключен, для того, чтобы изолировать часть сети до третьей попытки АПВ.
В этом случае возможны два варианта:
Изолируемой линейным выключателем сети (системы).
Короткое замыкание в секции, находящейся выше по цепи линейного сетевого выключателя. В этом случае выключатель разомкнется и заблокируется. Таким образом, схема сетевого линейного выключателя предоставляет возможность восстановления подачи питания некоторым потребителям в случае возникновения долговременного короткого замыкания.
Рис. і : Циклы автоматического повторного включения автоматического выключателя, управляющего высоковольтным радиальным распределителем
Централизованное дистанционное управление, основанное на системе SCADA (Диспетчерское управление и сбор данных) и современных разработках в области информационных технологий, находит все более широкое применение в странах, в которых сложность сильно взаимосвязанных систем оправдывает затраты.
Несмотря на то, что эти меры значительно улучшили надежность питания от высоковольтных воздушных линий, потребители должны, там где это необходимо, применять свои собственные устройства, противодействующие возникновению мгновенных перебоев питания (между повторными включениями), например:
Бесперебойный резервный источник питания
Освещение, не требующее охлаждения перед повторным включением.
Подземные кабельные сети
Короткие замыкания в подземных кабельных сетях иногда вызваны плохим качеством работы монтеров-кабельщиков или кабелеукладчиков и т.д., но в большинстве случае связаны с повреждениями, нанесенными инструментами, например, киркой, пневматической дрелью или землеройной машиной и т.д., используемых другими коммунальными службами.
Пробой изоляции иногда происходит в вводно-кабельных шкафах из-за перенапряжений, в особенности, в тех местах высоковольтной системы, где воздушная линия соединяется с подземным кабелем. В этом случае, перенапряжение обычно возникают из-за электромагнитных возмущений в атмосфере с учетом эффекта отражения электромагнитных волн, они в соединительной коробке «В-Л-Кабель» (где резко изменяется волновое сопротивление цепи) могут достигать значений, при которых происходит пробой изоляции. В таких местах часто устанавливаются устройства защиты от перенапряжений, такие как молниеотводы.
Короткие замыкания в кабельных сетях возникают реже, чем в воздушных линиях, но они практически всегда являются долговременными, что требует больше времени для их обнаружения и ремонта, чем в воздушных линиях.
При возникновении короткого замыкания в кольцевой схеме питания, подачу питания всем потребителям можно быстро восстановить, когда выявлена поврежденная часть кабеля. Однако, если короткое замыкание возникнет в радиальной линии (фидере), задержка в его обнаружении и выполнении ремонтных работ может занять несколько часов, и окажет влияние на всех потребителей, находящихся ниже по цепи от места возникновения короткого замыкания. В случае, если бесперебойное питание очень важно для всех или нескольких установок, необходимо обеспечить резервный источник питания. Оборудование резервного источника питания описано в Разделе Е, подраздел 1.4.
Дистанционное управление высоковольтными сетями
Дистанционное управление высоковольтными линиями питания полезно для уменьшения времени простоя в случае возникновения короткого замыкания кабеля, так как оно предоставляет быстрое и эффективное средство для образования кольцевой схемы питания. Это достигается при помощи телеуправляемых выключателей с моторным приводом установленных на некоторых подстанциях в составе кольцевой схемы связанных с соответствующими центрами дистанционного управления. На подстанцию с дистанционным управлением всегда можно подать питание через дистанционную команду, тогда как остальным абонентам придется ожидать последующих ручных операций.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
