Обработка однофазного замыкания на землю на линии распределения 35 кВ

Линии распределения: ключевой компонент энергетических систем

Линии распределения являются важной частью энергетических систем. На одной шине одного уровня напряжения подключено несколько линий распределения (для входа или выхода), каждая из которых имеет множество радиальных ветвей, связанных с трансформаторами распределения. После снижения напряжения этими трансформаторами электроэнергия поставляется широкому кругу конечных потребителей. В таких сетях распределения часто возникают неисправности, такие как межфазные короткие замыкания, перегрузки (переходные токи) и однофазные замыкания на землю. Среди них однофазные замыкания на землю являются наиболее распространенными, составляя более 70% всех системных неисправностей. Кроме того, многие короткие замыкания развиваются из однофазных замыканий на землю, которые затем превращаются в многофазные замыкания на землю.

Однофазные замыкания на землю означают ситуации, когда любая из трех фаз (A, B или C) на линии распределения обрывается и падает на землю, контактирует с деревьями, зданиями, опорами или башнями, образуя проводящий путь с землей. Они также могут быть вызваны перенапряжением, вызванным молнией или другими атмосферными условиями, что повреждает изоляцию оборудования распределения, вызывая значительное снижение сопротивления изоляции к земле.

При возникновении однофазного замыкания на землю в системе с малым током заземления не формируется полная цепь неисправности. Емкостный ток заземления намного меньше нагрузочного тока, а линейные напряжения остаются симметричными, поэтому подача электроэнергии потребителям не прерывается немедленно. Поэтому нормативы разрешают продолжать работу с одним замыканием на землю до 2 часов. Однако напряжение на независимых фазах возрастает относительно земли, что представляет угрозу для изоляции. Поэтому необходимо быстро выявить и устранить линии с существующим замыканием на землю.

I. Идентификация однофазных замыканий на землю на вспомогательных шинах 35 кВ

При возникновении однофазных замыканий на землю, феррорезонанса, потери фазы или срабатывания высоковольтных предохранителей в трансформаторах напряжения (ТН) наблюдаемые явления могут быть похожи, но при внимательном анализе различия становятся очевидными.

• Однофазное замыкание на землю:
  Подстанция и система SCADA выдают сигналы, такие как "Заземление шины 35 кВ" или "Активирован дроссель No. X". Релейная защита не срабатывает, но генерирует сигналы тревоги. Напряжение на поврежденной фазе падает, а на двух других фазах возрастает. Индикатор ТН на поврежденной фазе тускнеет, а на двух других ярче. При твердом (металлическом) замыкании на землю напряжение на поврежденной фазе падает до нуля, а два других фазовых напряжения увеличиваются в √3 раза, при этом линейные напряжения остаются неизменными. Выход 3V₀ ТН составляет около 100 В, и загорается индикатор подавления гармоник. Дроссель несет ток, равный току компенсации, соответствующему его положению. Если установлено устройство выбора линии с малым током, оно активируется и идентифицирует поврежденную линию. Если неисправность находится внутри подстанции, физические признаки, такие как видимое свечение, дым и громкий электрический шум, делают точку неисправности легче определить.

• Феррорезонанс:
  Генерируется смещение нейтральной точки, изменяющее трехфазные фазовые напряжения. Обычно напряжение одной фазы увеличивается, а двух других уменьшается, или наоборот, и линейные напряжения также изменяются соответственно. Поскольку напряжение нейтрали не равно нулю, через дроссель протекает ток, и могут появиться сигналы "заземления шины" в зависимости от величины смещения напряжения.

• Потеря фазы:
  Напряжение на стороне выше поврежденной фазы возрастает до 1,5 раза от нормального напряжения, а напряжение ниже падает до нуля. Ток на поврежденной фазе становится равным нулю, а два других фазовых напряжения слегка уменьшаются. Линейные напряжения остаются неизменными. 3V₀ составляет около 50 В, через дроссель протекает ток, и выдается сигнал заземления. Пользователи, вероятно, сообщат о прекращении подачи электроэнергии.

• Срабатывание высоковольтного предохранителя ТН:
  Напряжение на поврежденной фазе значительно падает (обычно ниже половины нормального фазового напряжения), а другие фазовые напряжения не увеличиваются. Линейные напряжения становятся несимметричными. Все исходящие цепи на шине вызывают сигнал тревоги "Открытый контур напряжения". 3V₀ составляет примерно 33 В, и выдается сигнал заземления.

Хотя эти четыре состояния — однофазное замыкание на землю, феррорезонанс, потеря фазы и срабатывание предохранителя ТН — проявляются схожими симптомами, тщательный анализ фазовых напряжений, линейных напряжений, 3V₀, тока дросселя, сигналов автоматизации SCADA и отчетов операторов управления позволяет точно отличить однофазное замыкание на землю.

II. Процесс устранения однофазных замыканий на землю на вспомогательных шинах 35 кВ

При возникновении замыкания на землю на линии 35 кВ подстанция "Ванъань" выдает сигнал тревоги о заземлении шины 35 кВ. Персоналу центральной станции следует немедленно сообщить о необходимости осмотра оборудования и состояния защиты (включая напряжение 3V₀, состояние устройства выбора линии с малым током, температуру/ток дросселя и т.д.), и направить бригаду для осмотра линии. После получения обратной связи от центральной станции, подтверждающей наличие замыкания на землю, следует выполнить пробное переключение (пробное отключение) линий. Перед пробным переключением необходимо уведомить важных пользователей.

Для систем без устройств пробного переключения возможно дистанционное отключение через SCADA, но сначала необходимо перевести нагрузку на нижестоящих подстанциях. В системах с внутренними мостовыми соединениями необходимо отключить автоматические переключатели (ATS), чтобы предотвратить передачу неисправности на здоровые участки.После идентификации конкретной поврежденной линии следует приоритетно перевести ее нагрузку, прежде чем выводить ее из эксплуатации. Бригаде осмотра линий и персоналу центральной станции следует сообщить о необходимости осмотра линии 35 кВ и проверки оборудования 35 кВ на связанной подстанции 35 кВ.

Чтобы предотвратить развитие неисправности в межфазное короткое замыкание, которое может привести к внезапному отключению, поврежденное оборудование должно быть быстро обнаружено и изолировано. Кроме того, чтобы предотвратить перегрев и повреждение дросселя, поврежденное оборудование, как правило, должно быть изолировано в течение 2 часов. Температурный подъем дросселя следует контролировать и поддерживать ниже 55°C. Если это превышено, работа с однофазным замыканием на землю должна быть немедленно прекращена, и поврежденное оборудование отключено. Если состояние заземления сохраняется более 2 часов, ситуация должна быть доложена старшему руководству.

III. Заключение

При возникновении однофазного замыкания на землю на линии распределения, величина и фаза линейного напряжения остаются неизменными, что позволяет продолжать работу в течение короткого времени без отключения поврежденного оборудования. Хотя это улучшает надежность поставки, напряжение на двух здоровых фазах возрастает до уровня междуфазного, увеличивая риск пробоя изоляции и последующего двухфазного замыкания на землю. Это представляет значительные риски для безопасной и экономичной работы оборудования подстанций и сети распределения. Поэтому такие неисправности следует предотвращать, где это возможно, и при их возникновении точка неисправности должна быть быстро обнаружена и устранена, чтобы повысить общую надежность поставки электроэнергии.