Ток замыкания на землю в кабельных линиях

Online Electric

Доступ к сервисам «Онлайн Электрик» без регистрации ограничен. Войдите в систему или зарегистрируйтесь.

Консультант по электроснабжению
Не нашли нужный онлайн-расчет по электроэнергетике? Свяжитесь с нами!
Бот Яша

Бот Яша подскажет как найти нужный онлайн расчет или базу данных на сайте «Онлайн Электрик».
Написать боту.

Внимание! Ввод исходных данных для незарегистрированных пользователей ограничен!

Шаг 1 из 3. Исходные данные

Веб-сервис «Онлайн Электрик»

Пополните баланс в личном кабинете, чтобы получить доступ ко всем сервисам «Онлайн Электрик» без ограничений.

Описание:
В разделе сайта пользователь может самостоятельно произвести расчет емкостного тока замыкания на землю.

Ключевые слова:
Удельные емкостные токи замыкания на землю воздушных и кабельных линий, удельные емкостные токи, удельное значение емкостного тока, удельный емкостной ток кабеля, удельный емкостный ток кабельной линии

Библиографическая ссылка на ресурс «Онлайн Электрик»:

Алюнов, А.Н. Онлайн Электрик : Интерактивные расчеты систем электроснабжения / А. Н. Алюнов. – Москва : Всероссийский научно-технический информационный центр, 2010. – EDN XXFLYN.

Отзывы, вопросы и ответы

Действие ограничено

Для выполнения действия необходимо авторизоваться и пополнить баланс в личном кабинете.

Online Electric

Электроснабжение: знаем, умеем, владеем. 160000 Россия, г. Вологда
ул. Галкинская, 1, оф. 116

Телефон: +7 911 502 22 29
Email: online-electric@mail.ru

Полезные ссылки

• Размещение рекламы
• Тарифы
• Сервисы
• Пользовательское соглашение
• Политика конфиденциальности

Наши сервисы

• Онлайн расчеты
• База данных
• Образование
• Электролаборатория
• Вызов электрика
• Консультация электрика онлайн

Подпишитесь

Чтобы всегда быть в курсе последних новостей

Справочник по проектированию подстанций — Токи замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

В сетях с изолированной нейтралью замыкание на землю одной фазы, как правило, не приводит к появлению сверхтоков, поэтому не требуется немедленного отключения поврежденного участка. В случае замыкания на землю, например фазы А (рис. 3.8) через место аварии проходит ток, который замыкается как зарядный через емкостные проводимости относительно земли неповрежденных фазовых проводов. Емкостная проводимость поврежденной фазы шунтируется рассматриваемым замыканием, и ток в фазе А справа от места замыкания равен нулю.
Ток замыкания на землю определяется по формуле

где Uф — среднее значение напряжения рассматриваемой ступени напряжения; Хс0 — суммарное емкостное сопротивление нулевой последовательности.

Рис. 3. 8. Схема протекания тока замыкания на землю
Для воздушной трехфазной линии без троса:

где— средний геометрический радиус системы трех проводов
линии; Dот= 2(hA +hB + hc/3) — среднее расстояние от проводов фаз А, В и С до зеркальных отражений относительно поверхности земли.
Для трехжильного кабеля с круглыми жилами

где r — радиус жилы; В и b -толщины соответственно фазной и поясной изоляции.
Основными недостатками систем с изолированной нейтралью являются повышенные капитальные вложения, вызываемые требуемым уровнем изоляции электроустановок из-за увеличения напряжения неповрежденных фаз относительно земли до линейного напряжения установки при однофазном замыкании на землю и возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появления перемежающихся дуг, имеющих при определенных условиях устойчивый характер и вызывающих перенапряжения (превосходящие в 2,5-3 раза нормальное фазное напряжение), которые распространяются на вcю электрически связанную сеть.
Возникновение электрической дуги в месте замыкания на землю может повредить электрооборудование и вызвать двух- и трехфазные КЗ, а перенапряжения могут привести к пробою изоляции и образованию КЗ в частях установок с ослабленной изоляцией.
Указанные недостатки ограничивают область применения систем с изолированной нейтралью системами 3-35 кВ, где емкостный ток однофазного замыкания на землю имеет следующие значения:
в сетях 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на ВЛ, и во всех сетях 35 кВ — не более 10 А;
в сетях не имеющих железобетонных и металлических опор на ВЛ, при напряжении 3-6 кВ — не более 30 А; при 10 кВ — не более 20 А; при 15-20 кВ — не более 15 А;
в сетях 6-20 кВ блоков генератор — трансформатор (на генераторном напряжении) — не более 5 А.
Если ток замыкания на землю превышает приведенные выше значения, необходимо предусматривать его компенсацию путем включения в нейтраль генератора или трансформатора заземляющего дугогасящего реактора (рис. 3.9, а).
В этом случае при однофазном замыкании на землю (рис. 3.9, б) через место замыкания протекают токи: индуктивный ток реактора IL и емкостный

Рис. 3.9. Схема компенсации тока замыкания на землю
Таблица 3.4. Технические характеристики заземляющих дугогасящих реакторов серии РЗДСРОМ

ток замыкания на землю 1С, которые различаются по фазе на 180° и, следовательно, частично компенсируют друг друга; результирующий ток
Iрез = Il-Ic.
Однако выполнить условие Iрез= 0 практически очень сложно, так как, во-первых, даже при полной компенсации емкостного тока замыкания на землю через место аварии течет так называемый остаточный ток, обусловленный активной проводимостью катушки, активными токами утечки и др., во-вторых, периодические включения и отключения отдельных линий системы приводят к постоянным изменениям емкостного тока сети, в-третьих, для четкого срабатывания устройств релейной защиты, реагирующей на однофазные замыкания на землю, необходимо, чтобы ток замыкания на землю был больше тока срабатывания защиты.
Технические данные заземляющих дугогасящих реакторов приведены в табл. 3.4.

Расчет тока однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

В данном примере рассмотрим расчет тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) для подстанции 10 кВ (Схема подстанции представлена на Рис.1). Релейная защита и автоматика всех фидеров выполнена на микропроцессорных терминалах SEPAM S40 (фирмы Schneider Electric).

Рис.1 — Схема подстанции 10 кВ

1. Чтобы повысить точность наших расчетов при определении ОЗЗ используем метод, основанный на определении удельного емкостного тока замыкания на землю. (Также значения удельного емкостного тока замыкания на землю, можно использовать из справочных данных из таблицы 1, либо же взять из технических характеристик кабеля, которые предоставляет Завод-изготовитель)

• Uф — фазное напряжение сети, кВ;
• ω = 2Пf = 314(рад/с);
• Со — емкость одной фазы сети относительно земли (мкФ/км);

2. После того как мы определили удельный емкостной ток замыкания на землю, рассчитываем собственный емкостной ток кабельной линии:

Таблица 1 — Удельное значения емкостных токов в кабельных сетях (А/км)

Результаты расчетов заносим в таблицу 2.
Таблица 2 — Результаты расчетов

Наименование присоединения	Тип реле защиты	Марка кабеля, сечение, мм.кв	Длина, км	Удельный емкостной ток замыкания на землю Iс, А/км	Собственный емкостной ток кабельной линии Iс.фид.макс,А
КЛ-10 кВ №1	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х120	0,5	1,89	0,945
КЛ-10 кВ №2	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х95	0,3	1,71	0,513
КЛ-10 кВ №3	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х70	0,7	1,55	1,085
КЛ-10 кВ №4	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х95	0,3	1,71	0,513
КЛ-10 кВ №5	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х70	0,2	1,55	0,31
КЛ-10 кВ №6	SEPAM S40	АПвЭВнг-3х95	0,6	1,71	1,026

3. Рассчитываем ток срабатывания защит, при этом отстраиваемся от собственного емкостного тока по формуле (данное условие обеспечивает несрабатывание защиты при внешнем однофазном замыкании на землю):

• Кн – коэффициент надежности (принимаем равным 1,2);
• Кбр – коэффициент «броска», который учитывает бросок емкостного тока в тот момент, когда возникает ОЗЗ;
• Ic.фид.макс– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.

Для электромеханических реле рекомендуется принимать Кбр= 2–3. При этом защита выполняется без выдержки времени. При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, можно принимать значения Кбр=1–1,5 (обращаю Ваше внимание, что данный коэффициент лучше уточнить у фирмы-изготовителя). Для SEPAM S40 рекомендуется принимать Кбр= 1-1,5.
Первичный ток срабатывания защит составляет:

• КЛ-10 кВ №1 Iсз = 1,134 А;
• КЛ-10 кВ №2 Iсз = 0,62 А;
• КЛ-10 кВ №3 Iсз = 1,3 А;
• КЛ-10 кВ №4 Iсз = 0,62 А;
• КЛ-10 кВ №5 Iсз = 0,37 А;
• КЛ-10 кВ №6 Iсз = 1,23 А

4. Проверяем чувствительность защит, с учетом, что будет включено минимальное количество включенных линий, в нашем случае это все присоединения, которые находятся на секции.

Обращаю Ваше внимание, что коэффициент чувствительности согласно ПУЭ пункт 3.2.21 равен: для кабельных линий — 1,25, для воздушных линий — 1,5. В книге «Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г» приводиться Кч=1,5-2,0. В данном расчете, я принимаю коэффициент чувствительности по ПУЭ. Какой коэффициент чувствительности принять, выбирайте уже сами.

где:
IсΣmin — наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока.

В моем случае наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока, является суммарный емкостной ток по секциям:

• I секция — IсΣmin = 2,543 (А);
• II секция — IсΣmin = 1,849 (А);

5. Определяем время срабатывания защит от ОЗЗ: Для всех отходящих кабельных линий 10 кВ время срабатывания защит принимаем равным 0,1 сек.
Таблица 3 — Результаты расчетов срабатывания защит от ОЗЗ

Наименование присоединения	Тип реле защиты	Первичный ток срабатывания Iсз, А	Время срабатывания защиты, сек	Коэффициент чувствительности, Kч
КЛ-10 кВ №1	SEPAM S40	1,134	0,1	1,4 > 1,25
КЛ-10 кВ №2	SEPAM S40	0,62	0,1	3,27 > 1,25
КЛ-10 кВ №3	SEPAM S40	1,3	0,1	1,12 < 1,25
КЛ-10 кВ №4	SEPAM S40	0,62	0,1	2,2 > 1,25
КЛ-10 кВ №5	SEPAM S40	0,37	0,1	4,2 > 1,25
КЛ-10 кВ №6	SEPAM S40	1,23	0,1	0,67 < 1,25

Для присоединений КЛ-10 кВ №3 и №6 чувствительности защиты недостаточно, поэтому мы должны применить вместо терминала Sepam S40 → терминал Sepam S41 или S42, который позволит выполнить направленную защиту нулевой последовательности.

Для того что бы не тратить много времени на расчет вручную, была сделана: «Программа по расчету уставок защиты от замыканий на землю.

1. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г.
2. РД 34.20.179 Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ — 1993 г.
3. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит. Шалин А.И. // Новости ЭлектроТехники. – 2005 г.

Однофазные замыкания на землю. Компенсация емкостных токов замыкания на землю. ДГР

Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) — это вид повреждения, при котором одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. ОЗЗ является наиболее распространенным видом повреждения, на него приходится порядка 70-90 % всех повреждений в электроэнергетических системах. Протекание физических процессов, вызванных этим повреждением, в значительной мере зависит от режима работы нейтрали данной сети. В сетях, где используется заземленная нейтраль, замыкание фазы на землю приводит к короткому замыканию. В данном случае ток КЗ протекает через замкнутую цепь, образованную заземлением нейтрали первичного оборудования. Такое повреждение приводит к значительному скачку тока и, как правило, незамедлительно отключается действием РЗ, путем отключения поврежденного участка. Электрические сети классов напряжения 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое добавочное сопротивление. В этом случае замыкание фазы на землю не приводит к образованию замкнутого контура и возникновению КЗ, а ОЗЗ замыкается через емкости неповрежденных фаз. Величина этого тока незначительна (достигает порядка 10-30 А) и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз. На рис. 1 показаны схемы 3-х фазной сети в режимах до и после возникновения ОЗЗ.
Рисунок 1 – Схема сети с изолированной нейтралью а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ Такое повреждение не требует немедленного отключения, однако, его длительное воздействие может привести к развитию аварийной ситуации. Однако при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом. На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений.
Рисунок 2 – Векторные диаграммы напряжений а) в нормальном режиме; б) при ОЗЗ При ОЗЗ происходит нарушение симметрии линейных фазных напряжений, напряжение поврежденной фазы снижается практически до 0, а двух “здоровых” фаз поднимаются до уровня линейных. При этом линейные напряжения остаются неизменными.

2. Последствия ОЗЗ

1. В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
2. В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
3. В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.

3. Расчет суммарного тока ОЗЗ

При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.

Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.

Выражение для определения тока ОЗЗ:

,

где С_∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С_∑ = С_{уд l};
С_уд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км;
l – общая длина проводника одной фазы сети.

Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:

,

где U_НОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ;
l_i – длина кабельной линии, км;
q_i – сечение жилы кабеля, мм 2 .

Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.

4. Компенсационные меры защиты

Из-за распределённой по воздушным и кабельным линиям электропередач ёмкости, при ОЗЗ в месте повреждения протекает ёмкостный ток. В наиболее тяжелых случаях, возможно возникновение электрической дуги, горение которой может приводить к переходу ОЗЗ в двух- или трёхфазное замыкание и отключению линии релейной защитой. Вследствие этого потребитель электроэнергии может временно лишиться электроснабжения.

В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.
Для предотвращения возникновения дуги и уменьшения емкостных токов применяют компенсацию емкостных токов. Значения емкостных токов, при превышении которых требуется компенсация согласно ПУЭ и ПТЭ, приведены табл. 1.

Таблица 1 – Значения токов требующие компенсации

Напряжение сети, кВ	6	10	20	35
Емкостный ток, А	30	20	15	10

При более низких уровнях токов считается, что дуга не загорается, или гаснет самостоятельно, применение компенсации в этом случае не обязательно.

5. Дугогасящий реактор

Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (рис. 3).

Рисунок 3 – Дугогасящий реактор

Этот способ является наиболее эффективным средством защиты электрооборудования от замыканий на землю и компенсации емкостного тока. С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.

6. Основные характеристики ДГР

Дугогасящий реактор (ДГР) – это электрический аппарат, предназначенный для компенсации емкостных токов в электрических сетях с изолированной нейтралью, возникающих при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Главным нормативным документом регламентирующим работу, установку и надстройку ДГР является Р 34.20.179.

Дугогасящие реакторы должны подключаться к нейтралям трансформаторов, генераторов или синхронных компенсаторов через разъединители. В цепи заземления реакторов должен быть установлен трансформатор тока. Рекомендуемые схемы подключения ДГР представлены на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема подключения ДГР: а) подключение ДГР к трансформаторам СН; б) подключение ДГР к нейтрале силового трансформатора

Индуктивность ДГР подбирается из условия равенства емкостной проводимости сети и индуктивной проводимости реактора. Таким образом, происходит компенсация ёмкостного тока. Ёмкостный ток суммируется в месте замыкания равным ему и противоположным по фазе индуктивным, в результате остается только активная часть, обычно очень малая, это утечки через изоляцию кабельных линий и активные потери в ДГР (как правило, не превышают 5 А), которой недостаточно для возникновения электрической дуги и шагового напряжения. Токоведущие цепи остаются неповреждёнными, потребители продолжают снабжаться электроэнергией.

Современные ДГР имеют различные конструктивные особенности и производятся для огромного диапазона мощностей. В таблице 2 приведен ряд параметров дугогасящих реакторов разных производителей.

Таблица 2 – Параметры ДГР