Обробка однофазної земельної аварії на лінії розподілу 35 кВ

Розподільні лінії: ключовий компонент електроенергетичних систем

Розподільні лінії є важливим компонентом електроенергетичних систем. На шині однакового напругового рівня підключено кілька розподільних ліній (для вводу або виводу), кожна з яких має багато гілок, розташованих радіально і з'єднаних з розподільними трансформаторами. Після зниження напруги цими трансформаторами до низької, електроенергія постачається широкому колу кінцевих споживачів. У таких розподільних мережах часто виникають аварії, такі як фазові короткозамкнення, перепит (перевантаження) та однофазні замикання на землю. Серед них найбільш поширеними є однофазні замикання на землю, які становлять понад 70% загальної кількості аварій системи. Багато короткозамкнень починаються з однофазних замикань на землю, які потім перетворюються на багатофазні замикання на землю.

Однофазні замикання на землю відносяться до ситуацій, коли будь-яка з трьох фаз (A, B або C) на розподільній лінії обривається і опускається на землю, контактує з деревами, будівлями, стовпами або вежами, формуючи провідний шлях з землею. Вони також можуть виникнути через перевищення напруги, спричинене блискавками або іншими атмосферними умовами, які пошкоджують ізоляцію розподільного обладнання, призводячи до значного зниження ізоляційного опору до землі.

При виникненні однофазного замикання на землю в системі з малим струмом заземлення не формується повний контур аварії. Індуктивний струм заземлення набагато менший за струм завантаження, а лінійні напруги системи залишаються симетричними, тому постачання електроенергії споживачам не припиняється відразу. Тому регулятори дозволяють продовжувати роботу з одним замиканням на землю протягом до 2 годин. Однак, напруга на невиниклих фазах підвищується відносно землі, що створює загрозу для ізоляції. Тому лінії з наявним замиканням на землю повинні бути швидко виявлені та усунені.

I. Виявлення однофазних замикань на землю на допоміжних шинах 35 кВ

При виникненні однофазних замикань на землю, ферорезонансу, втрати фази або вибуху високовольтних запалювальників в напругових трансформаторах (НТ) спостерігаються подібні явища, але детальний аналіз виявляє відмінності.

• Однофазне замикання на землю:
  На підстанції та в системі SCADA відправляються сигнали, такі як «Заземлення шини 35 кВ» або «Активовано катушку поглинання дуги № X». Реле захисту не відключається, але викликає сигнал тривоги. Напруга на аварійній фазі знижується, а на інших двох фазах зростає. Світло НТ для аварійної фази згасає, а для інших двох зростає. При міцному (металевому) замиканні на землю напруга аварійної фази знижується до нуля, а напруги інших двох фаз до землі зростають на √3 рази, тоді як лінійні напруги залишаються незмінними. Вихід 3V₀ НТ читається близько 100 В, а світло підтримки гармонік освітлюється. Катушка поглинання дуги несе струм, рівний компенсаційному струму, відповідному її положенню. Якщо встановлений вибірник ліній з малою аварійною струмою, він активується і визначає аварійну лінію. Якщо аварія відбувається на підстанції, фізичні ознаки, такі як видима дуга, дим та гучні електричні звуки, роблять точку аварії легшою для виявлення.

• Ферорезонанс:
  Створюється напруга зміщення нейтральної точки, що змінює трифазні фазові напруги. Зазвичай, одна фазова напруга зростає, а інші дві зменшуються, або навпаки, і лінійні напруги також відповідно змінюються. Оскільки напруга нейтральної точки не дорівнює нулю, струм протікає через катушку поглинання дуги, і можуть з'явитися сигнали «заземлення шини» в залежності від величини напруги зміщення.

• Втрата фази:
  Напруга на верхньому боку втраченої фази зростає до 1,5 разів від нормальної напруги, а нижче напруга знижується до нуля. Струм в аварійній фазі стає нульовим, а інші дві фазові напруги трохи зменшуються. Лінійні напруги залишаються незмінними. 3V₀ читається близько 50 В, катушка поглинання дуги несе струм, і відправляється сигнал заземлення. Користувачі, ймовірно, повідомлять про відключення електроенергії.

• Вибух високовольтного запалювника НТ:
  Напруга вибухнутої фази значно знижується (звичайно нижче половини нормальної фазової напруги), а інші фазові напруги не зростають. Лінійні напруги стають несиметричними. Усі виходи на шині викликають сигнал тривоги «відкритий контур напруги». 3V₀ читається близько 33 В, і відправляється сигнал заземлення.

Хоча ці чотири умови — однофазне замикання на землю, ферорезонанс, втрата фази та вибух високовольтного запалювника НТ — демонструють подібні симптоми, детальний аналіз фазових напруг, лінійних напруг, 3V₀, струму катушки поглинання дуги, сигналів автоматизації SCADA та звітів операторів керувального пульпу доводить до точного визначення однофазного замикання на землю.

II. Процес усунення однофазних замикань на землю на допоміжних шинах 35 кВ

При виникненні аварії заземлення на лінії 35 кВ, на шині 35 кВ підстанції Ван’ан відправляється сигнал заземлення. Персонал центральної керуючої станції повинен бути відразу повідомлений для перевірки стану обладнання та захисту на підстанції (включаючи напругу 3V₀, стан вибірника ліній з малою аварійною струмою, температуру/струм катушки поглинання дуги тощо), а команда обслуговування ліній повинна бути вислано для обходу ліній. Після отримання зворотного зв'язку від центральної станції, що підтверджує заземлення, повинні бути проведено пробні відключення (пробні відключення) ліній. Перед пробними відключеннями повинні бути повідомлені важливі користувачі. 

Для систем без пристроїв пробного відключення можливе віддалене відключення через SCADA, але спочатку повинні бути передані завантаження нижчих підстанцій. У системах з внутрішніми містами повинні бути вимкнені автоматичні переключники (ATS), щоб запобігти їх перенесенню аварії на здорові секції.Після визначення конкретної лінії як аварійної, першочерговим повинно бути перенесення її завантаження, а потім вилучення аварійної лінії з роботи. Команду обслуговування ліній та персоналу центральної станції повинні бути повідомлені для обходу лінії 35 кВ та перевірки обладнання 35 кВ відповідної підстанції 35 кВ. 

Щоб запобігти перетворенню аварії в фазове короткозамкнення, що може призвести до раптового відключення, аварійне обладнання повинно бути швидко виявлене та відізольоване. Додатково, щоб запобігти перегріву та пошкодженню катушки поглинання дуги, аварійне обладнання, як правило, повинно бути відізольоване протягом 2 годин. Температурний підйом катушки повинен бути контролюваний та зберігатися нижче 55°C. Якщо це перевищено, однофазне замикання на землю повинно бути немедленно зупинене, а аварійне обладнання відключене. Якщо умова заземлення триває більше 2 годин, ситуацію повинно бути повідомлено старшим керівникам.

III. Висновок

При виникненні однофазного замикання на землю на розподільній лінії, величина та фаза лінійної напруги залишаються незмінними, що дозволяє короткострокове продовження роботи без відключення аварійного обладнання. Це покращує надійність постачання, але напруга на двох здорових фазах зростає до рівня між фазами, що збільшує ризик руйнування ізоляції та подальшого фазового короткозамкнення. Це представляє значні ризики для безпечного та економічного функціонування обладнання підстанції та розподільної мережі. Тому такі аварії повинні бути запобігані, а при їх виникненні точка аварії повинна бути швидко виявлена та усунена, щоб підвищити загальну надійність постачання електроенергії.