CC BY
146
mm
Ш-
§
ш
щш
ж
¥ш
1ш
1Ш
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621. 316. 925. 1
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ Ш ЕМКОСТНОГО ТОКА ОДНОФАЗНОГО
ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-10 КВ
А.К. Ашимова, А.Б. Утегулов, A.A. Бектасова, С.С. Исенов, H.A. Сыздыкова.
Павлодарский государственный университет
Ж
III
им. С: Торайгырова
mm
Ш
¡¡|§ Осы жумысты орындау негШнде кернеуг 6-Ю кВ
сыйымдылыц тогы зерттелдг. Жумыс барысында келгЫ одгстер царалды:симетриялъщ емес кернеу влшемг жене аралас бейтарап¡сыйымдылыц тогын резонанс эдгсгмен влгиеу; фазалардыц 6ipi жерге металдыц туйьщталган кедергг a did; фазаныц туйыцталуы неггзтде активтг кедергг арцылы жуйедегг сыйымдылыц тогын влгиеу. 6-10 кВ ораптарга жерге 6ip фазалы туйыцталудыц сыйымдылыц тогын елшеу edicmepin зерттеу.
В данной работе проведены исследования методов измерения емкостного тока в сетях напряжением 6-10кВ. В качестве исследуемых, были рассмотрены следующие методы: измерение напряжения несимметрии и смещения нейтрали; резонансный метод измерения емкостного тока; метод металлического замыкания одной фазы на землю; измерение емкостного тока сети при замыкании фазы через активное сопротивление.
In the given work the researches of methods of measurement of a capacitor current in networks by a pressure 6-10 sq are carried out. As researched, the following methods were considered: measurement of a pressure and displacement; a resonant method of measurement of a capacitor current; a method of metal short circuit of one phase on ground; measurement of a capacitor current in network at short circuit of a phase through active resistance.
Для правильного выбора мощности дугогасящих аппаратов и их настройки, оптимальной для условий данной сети, нужно знать полный емкостный ток сети и отдельных ее участков, которые могут работать разделы а также напряжения несимметрии всей сети и ее участков. Оценка напряжения несимметрии требуется для выбора настройки катушки, исходя из допустимых смещений нейтрали в различных режимах, а при необходимости и для того, чтобы рекомендовать устройство дополнительной транспозиции сети.
По расчетным формулам, можно определить весьма приблизительно емкостный ток сети. Для сетей простых конфигураций с преобладанием кабельных линий, ток замыкания которых оценивается достаточно точно, результат расчета получается более или менее достоверным.
Необходимую точность обеспечивают методы опытного определения емкостного тока и напряжений несимметрии. Эти определения совершенно необходимы для выбора наиболее целесообразного режима компенсации емкостного тока сети.
Измерения производят для определения:
а) напряжения емкостной несимметрии сети и ее отдельных участков;
б) напряжения смещения нейтрали при различных настройках дугогасящих аппаратов и при возможных делениях сети;
в) полного емкостного тока сети и емкостных токов отдельных линий;
г) действительных токов компенсации при различных настройках дугогасящих аппаратов, особенно в тех случаях, когда отсутствуют данные заводских испытаний и паспорта;
д) токов замыкания на землю при различных режимах компенсации.
При выборе метода измерения емкостного тока и тока замыкания следует иметь ввиду нежелательность существенного повышения напряжения на изоляции вращающихся машин (генераторов и двигателей высокого напряжения).
Измерения следует производить с достаточной точностью. Погрешности не должны быть более 3-4%, причем очевидно, что чем выше напряжение сети и больше емкостный ток, тем меньшей должна быть относительная погрешность. Желательно при измерениях пользоваться астатическими приборами класса 0,5 и измерительными трансформаторами класса 1.
Существует несколько методов измерений емкостных токов, токов компенсации и замыкания на землю.
Прямой метод измерения при металлическом замыкании фазы на землю позволяет оценить все необходимые величины по непосредственным замерам. Косвенные способы позволяют найти искомые величины токов лишь в результате пересчетов. Из косвенных методов распространены: метод снятия кривой напряжения нейтрали сети при различных настройках компенсации, метод искусственного смещения нейтрали с помощью подведения к нейтрали напряжения постороннего источника, метод замыкания через активное сопротивление.
В сетях с действующей компенсацией емкостного тока измерения всегда начинают, независимо от выбранного метода, с оценки напряжения несимметрии и смещений нейтрали. Эти замеры дают возможность предварительно оценить и емкостный ток и ток замыкания (его реактивную и активную слагающие), которые затем можно уточнить путем прямых измерений, если они допустимы в данной конкретной сети.
До проведения опытов составляется программа, указывающая порядок подготовки схемы и проведения измерений, а также все оперативные действия при испытаниях.
Измерение напряжения несимметрии и смещения нейтрали
Измерение напряжения несимметрии в сети с незаземленной нейтралью не представляет затруднений. Поскольку приходится измерять небольшие напряжения, лучше отказаться от использования измерительных трансформаторов данного класса номинального напряжения линий и брать трансформаторы напряжения на ступень ниже и астатические вольтметры с пределами измерений 7,5-60 В. Так, при измерениях в сети 35 кВ следует применить измерительный трансформатор на 10 или 6 кВ. Один вывод первичной обмотки трансформатора надо соединить с заземляющей шиной, а второй подсоединить к изолирующей штанге. Измерение делают, кратковременно касаясь концом штанги нулевой шинки(рисунок 1) Во время измерений надо следить за состоянием изоляции по вольтметрам контроля изоляции, подключаемым ко вторичным обмоткам пятистержневого трансформатора в цепь разомкнутого треугольника и в каждую фазу вторичной обмотки, соединенной в звезду.
Желательно измерить не только величину напряжения емкостной несимметрии, но и определить положение вектора Шс в треугольнике линейных напряжений. Это позволяет определить, на каких фазах емкости
излишни, и выбрать впоследствии способ выравнивания емкостей фаз сети. Поэтому желательно в схеме измерений предусмотреть фазометр (например, типа ВАФ-85) или векторметр.
При измерении смещения нейтрали при различных расстройках компенсации всегда используются трансформаторы напряжения, поскольку смещения могут достигать даже десятых долей номинального фазного напряжения.(рисунок 2 )
Изменяя ток компенсации, снимают резонансную кривую напряжения смещения нейтрали. Измерения начинают с наибольшей расстройки, лучше в сторону перекомпенсации. Затем, переставляя ответвления катушек, приближаются к резонансной точке, а потом переводят сеть в режим недокомпенсации,
Если сеть имеет значительную емкостную несимметрию и малые активные утечки, то по мере приближения к резонансу смещение нейтрали резко возрастает. Измерения надо вести осторожно, так как имеется возможность того, что при резонансе смещение достигнет величины, соизмеримой с нормальным фазным напряжением. Такие случаи нередки на участках с плохо выполненной транспозицией. Иногда несимметрию дают конденсаторы высокочастотной связи, если связь на всех линиях осуществляется по одной и той же фазе, а также однофазные токоприемники. Если выделенный участок имеет очень большую несимметрию, что обнаруживается по наличию значительных смещений нейтрали, то его следует объединить с другими участками или даже со всей сетью, для этого в оперативной схеме испытаний надо предусмотреть выключатель (например, шино-соединительный или один из линейных). Переключение ответвлений делается при отключении катушки от сети. Катушки подключаются к нейтралям трансформаторов через разъединители. Действия разъединителями возможны при напряжениях смещения, не превышающих половины нормального фазного; при этом ток через катушки, обусловленный емкостной несимметрией, не должен быть больше предельного тока замыкания, допускаемого в данной сети при работе с незаземленной нейтралью. Ток несимметрии контролируется амперметром, включенным в цепь трансформатора тока дугога-сящей катушки. Ниже рассмотрены методы измерений токов замыкания на землю.
Резонансный метод измерения емкостного тока
РисЛ
Схема измерения напряжения несимметрии
Рис.2
Схема измерения напряжения смещения нейтрали
По результатам измерения напряжения смешения нейтрали можно определить емкостный ток сети, если построить резонансную кривую.
Если при измерениях удается определить максимум резонансной кривой напряжения смещения нейтрали, то можно рассчитать активный ток замыкания и, следовательно, определить коэффициент затухания сети & Однако обычно количество измерений недостаточно для построения всей кривой. Так, например, в сети с двумя катушками можно сделать в лучшем случае не более десяти измерений (по количеству ответвлений) при разных расстройках компенсации, т. е. удается снять лишь часть спада и роста кривой напряжения смещения.
Так как напряжение емкостной несимметрии не зависит от настроек компенсации, то, учитывая, что и. = и . /л/у^ + и пренебрегая влия-
и НО
нием ё, можно записать отношения напряжений смещения нейтрали ио1 и 1102 при расстройках и1 и и2
Отсюда можно найти емкостный ток сети
причем 1кх и 1к2 токи дугогасящих катушек, соответствующие расстройкам у1 и у^ а ио1 и Цй измеренные напряжения смещения нейтрали. Токи 1к1 и Iк2 берутся по замерам или по паспортным данным дугогасящих аппаратов.
Для того чтобы оценить емкостный ток замыкания точнее, рекомендуется брать напряжения смещения нейтрали либо на нарастающей, либо на спадающей части кривой. Чем больше измерений и подсчетов, тем точнее результат, который берут как среднее арифметическое всех подсчетов. Вследствие неточности паспортных данных катушек, пренебрежения коэффициентом затухания сети, погрешностями измерительных трансформаторов и приборов ошибка в подсчете (по двум измерениям) может быть в пределах ¥10%. При большом количестве замеров (оно определяется количеством ответвлений на катушках) и усреднении результатов погрешность может быть снижена до 4—5% по отношению к действительной величине емкостного тока.
Емкостный ток можно вычислить также как полусумму любых двух значений токов компенсации вблизи резонанса, при которых получается одинаковое смещение нейтрали. Это видно (1) если учесть, что напряжения смешения при недокомпенсации и перекомпенсации противоположны по фазе.
При наличии в сети только одной катушки количество возможных замеров недостаточно для получения более или менее достоверного результата.
Резонансный метод можно применять и в кабельных сетях, создавая емкостную несимметрию искусственно. Для этого емкость одной из фаз надо уменьшить настолько, чтобы появилось напряжение не симметрии около 1—2% номинального фазного, т. е. 60-80 В для сети 6 кВ и 90-120 В для сети 10 кВ. Этого можно достигнуть отключением одной фазы резервного кабеля, находящегося под напряжением. Длина кабеля должна быть такой, чтобы емкостный ток отключаемой фазы резервного кабеля составлял приблизительно 1-2% емкостного тока данной сети.
Метод металлического замыкания одной фазы на землю
Измерения при металлическом замыкании одной из фаз сети на землю дают наиболее высокую точность. Сам метод прост, требует минимального количества аппаратуры и приборов, измерения производятся быстро и не требуют никаких сложных пересчетов для получения окончательных результатов. Однако этот метод имеет и недостатки, из которых главные заключаются в повышенной опасности для изоляции оборудования, а также для персонала, работающего на линиях, и непосредственно ведущего измерения. При искусственном металлическом заземлении фазы потенциалы двух других фаз возрастают до линейного напряжения, т е. увеличиваются Вд/з раз, что может быть уже опасным для изоляции, ослабленной старением или загрязнением, особенно для изоляции вращающихся .машин, имеющих небольшие запасы прочности. Напряжение на нейтрали сети при замыкании на землю возрастает до величины фазного напряжения. Если заземления неисправны или выполнены без соблюдения норм, то на заземленных корпусах электрооборудования могут возникать потенциалы, достигающие опасных величин. Кроме того, замыкание на землю, считающееся ненормальным состоянием сетей с незазем-ленной нехггралью или компенсацией емкостного тока, влечет срабатывание устройств сигнализации и защиты, что в некоторых случаях
заставляет отключать их или увеличивать выдержку времени, а это затрудняет эксплуатацию и ухудшает условия безопасности.
Самым опасным является пробой или перекрытие ослабленной изоляции незамкнутой фазы, что приводит к двухфазному короткому замыканию и аварийному отключению в сети с перерывом электроснабжения потребителей, если нет резерва по сети, и вероятностью серьезного повреждения оборудования. Поэтому метод металлического замыкания для определения емкостного тока сети применим при условии проверки изоляции оборудования - перед испытаниями и обеспечении быстрого устранения замыканий, если они возникнут в процессе испытаний.
Желательно для сокращения времени замыкания на землю измерения вести с использованием шлейфовых осциллографов, а замыкание осуществлять специально выделенным выключателем, управляемым автоматически с заданной выдержкой времени.
Схема измерений приведена на рис.3. Для проведения измерений выделяются система шин и один из резервных выключателей ВЗ. К выключателю подключается только одна фаза, на которой будет сделано замыкание на землю. Фаза соединяется с закороткой через три последовательно соединенных контакта выключателя. Устанавливается закоротка дос-тато*"т'
ТТТ ТТТЛ1ПЛ г\
ЛТТЛТП!
1,1,1 1,1,1 ,1.1,1,1,1.1 .1,1,1 ш
А
ж щр ж \\\ й
ЦЦ шс$ 1X1 ^ * / л иТ
Схема измерения емкостных токов и токов компенсации при металлическом замыкании фазы на землю
На случай возникновения второго замыкания на землю выключатель снабжается мгновенно действующей токовой защитой (отсечкой), причем уставка по току берется приблизительно равной 3—5-кратной величине емкостного тока сети.
Управлять выключателем желательно дистанционно с места, где установлены измерительные приборы. Необходимо иметь комплект астатических приборов класса точности 0,5 -амперметр, ваттметр и вольтметр. Измеряются полный ток замыкания на землю и ток катушки. Реактивные и активные слагающие этих токов определяются по результатам измерений ваттметром и вольтметром. Для измерения реактивной слагающей тока на параллельную обмотку ваттметра надо подать линейное напряжение между неповрежденными фазами, для измерения активной слагающей - напряжение нейтрали. Токовая обмотка ваттметра включается или в цепь трансформатора тока замыкаемой фазы или в цепь трансформатора тока дугогасящей катушки. Реактивные и активные слагающие токов соответственно равны;
1к=КР/иАВ;1к=1Уа/и(0.
Переключатель тока должен быть устроен так, чтобы при включении токовой обмотки ваттметра и амперметра в цепь одного из трансформаторов тока другой закорачивался. При наличии двух комплектов приборов можно обойтись без переключателей.
Для измерения тока устанавливаются два трансформатора тока: в цепи дугогасящей катушки ТТ1 и в закоротке ТТ?
Трансформаторы тока должны быть класса точности 1. Так как трансформаторы тока устанавливаются со стороны заземления, их номинальное напряжение не имеет значения, но ток при измерении не должен превышать номинального.
Для измерения напряжения нейтрали устанавливается трансформатор напряжения. Можно для этой цели использовать также обмотку разомкнутого треугольника трансформатора контроля изоляции ТН. С другой обмотки понимается напряжение 11^. При отсутствии пятистержне-вых трансформаторов контроля изоляции собирается схема из трех однофазных трансформаторов. Желательно иметь трансформаторы напряжения класса точности 1.
Измерения проводят в следующем порядке: сначала замеряют напряжение несимметрии (при отключенных дугогасящих катушках) и напряжение смещения нейтрали при разных
ответвлениях катушек для всей сети и ее участков, которые могут работать раздельно, после этого приступают к измерениям при замыканиях на землю. Желательно, чтобы замыкания на землю, производимые с целью измерений, охватывали участки сети с емкостными токами или с некомпенсированными токами замыкания при наибольшей расстройке не более предельных значений, допускаемых для сетей данного класса, т. е. 30 А при напряжении 6 кВ, 20 А при 10 кВ и 5— 10 А при 35 кВ.
Эта предосторожность необходима для того, чтобы в случае возникновения повреждения изоляции одной из незамкнутых фаз где-либо в сети «вторая» заземляющая дуга быстро ликвидировалась после того, как релейной защитой отключится выделенный для опыта замыкания выключатель ВЗ.
Измерения проводятся при всех комбинациях возможных настроек дугогасящих катушек, начиная с близких к резонансу (который приблизительно уже установлен по измерениям напряжения смещения нейтрали). Понятно, что желательно иметь как можно больше данных для более точного построения искомых зависимостей: кривой напряжения смещения нейтрали при различных расстройках компенсации вольтамперной характеристики (характеристики намагничивания) дуго гасящих катушек. При наличии в сети нескольких катушек надо продумать все комбинации переключения ответвлений в опытах замыкания, стремясь к возможно меньшему отклонению расстройки компенсации от первоначальной. Надо также постараться, чтобы при минимальном количестве замыканий провести измерения токов компенсации для всех ответвлений катушек. По замерам токов замыкания и токов катушек можно всегда простым сложением (или вычитанием) реактивных слагающих определить емкостный ток сети. Но для контроля следует в конце испытаний сделать замер полного тока сети при отключенных катушках. Правда, сеть на некоторое время (порядка нескольких минут) окажется нескомпепсированной, но опасность появления «второй» земли невелика - дефектная изоляция пробилась бы уже в первых опытах замыкания на землю.
Напряжение на нейтрали при замыкании на землю вследствие падения напряжения в обмотке трансформатора может быть несколько меньше номинального фазного. Это надо иметь в виду при анализе результатов измерений. Полученные емкостные токи, равно как и действительные токи компенсации, следует привести к номинальному напряжению дугогасящих катушек. Поскольку в пределах рабочей части харакгеристи-
ка намагничивания линейна, приведение осуществляется пропорциональным пересчетом: замеренные токи умножаются на отношение замеренного напряжения на нейтрали к нормальному фазному.
Ошибки при измерениях методом металлического замыкания зависят от погрешностей примененных измерительных трансформаторов и приборов. Если бы класс точности и приборов и трансформаторов был 0,5, то результирующая ошибка измерения тока замыкания и токов компенсации не превышала бы 2%. Но так как обычно используются трансформаторы класса 1, то ошибка составляет около 3%.
Стоит отметить еще, что некоторую погрешность могут внести токи высших гармонических. Чтобы уменьшить их влияние, не следует подключать катушку во время измерений сразу к нейтрали двух трансформаторов. При нарушении этой рекомендации создается путь для протекания высших гармонических между нейтралями трансформаторов через место замыкания на землю и емкости неповрежденных фаз сети.
Измерение емкостного тока сети при замыкании фазы через
активное сопротивление
Основное преимущество данного метода - при обязательном соблюдении условий, оговоренных ниже, - малая вероятность короткого замыкания. Правильным выбором заземляющего сопротивления можно достичь того, что на незамыкаемых фазах напряжение при замыкании на землю возрастет не более, чем до 1,3—1,4 -номинального фазного. При возникновении пробоя изоляции в другом месте и, следовательно, «второй» земля ток замыкания будет ограничен значением, не превышающим ^/з 11ф /113. Если сопротивление ^ выбрано правильно, то такой ток -не представит опасности ни для оборудования, ни для персонала. Для большей безопасности заземляющее сопротивление можно также присоединить через плавкий предохранитель с током срабатывания, равным 1.5 Ц"ф /К .
Схема измерений() отличается от схемы при металлическом замыкании только наличием заземляющего сопротивления. При напряжениях до 6 кВ сопротивление включается в схему непосредственно, а при напряжениях свыше 6 кВ сопротивление включают во вторичную обмотку трансформатора. Сопротивление изготовляется проволочным, причем конструкция проверяется на нагрев в кратковременном режиме расчетным током замыкания.
Измерение емкостных токов и токов компенсации проводят раздельно. Величина заземляющего сопротивления должна быть выбрана из условия, чтобы напряжение смещения нейтрали было не. больше 0,3—0,4 иф. Выбору величины заземляющего сопротивления ^ надо уделить большое внимание, так как при неудачном сочетании .параметров сети и величины сопротивления ^ метод измерения может стать даже более опасным, чем метод металлического замыкания на землю. При замерах емкостных токов дугогасящая катушка отключается.
Порядок проведения опытов такой же, как в методе металлического замыкания. По показаниям вольтметра и ваттметра, так же как и ранее, определяются активная и реактивная слагающие тока замыкания через для проверки. По значению тока замыкания можно вычислить емкостный ток сети. При отсутствии компенсации (у=1) получаем:
/ , 1 -Г*7"
1 ИЗМ 1 с }-Г" 1с
С иф (2)
Для того чтобы определить емкостный ток замыкания на землю, необходимо сделать пересчет:
иФ Л,
I. =/,
ном
с ЛИШ тт" Г (3)
и0 /изм
где 1ИШ — ток через активное сопротивление; 11ф—номинальное фазное напряжение. Желательно также фиксировать частоту сети и вносить поправку { II .
г •> НОМ ИЗМ
При измерениях в воздушных сетях, обладающих существенной емкостной несимметрией, надо уточнять значение тока, определяемого по (3). Погрешность появляется за счет тока, обусловленного 1/0 т. е. напряжением несимметрии инс , и может привести к недопустимым ошибкам. Так, например, при IIнс = 1,5% иШо =30% погрешность в определении емкостного тока по (3) составляет уже более 4%.
Замеры токов компенсации производятся аналогично. Трансформатор с дугогасящей катушкой переводится на выделенную систему шин (см. рис. 3), шиносоединительный выключатель ШСВ отключается, чтобы отделить катушку от остальной сети. Сопротивление ^ выбирается по ожидаемому наименьшему току катушки.
в
С
Д Д 1
Рис 4
Схема измерения емкостного тока при замыкании фазы через активное сопротивление
ЛИТЕРАТУРА
1. Черников А. А. Компенсация емкостных токов в сетях незаземлен-ной нейтралью, М.: Энергия, 1974,95 с.
2. Цапенко Е.Ф, Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ, М.:Энергоато-миздат, 1986, 127 с.
3. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов, М. : Энергия, 1971, 152 с.
