1.2 Виды и характер повреждений вл

Электрическая система предназначена для производства, преобразования, передачи и потребления электрической энергии и состоит в основном из генераторов, трансформаторов, линий электропередачи, связанных между собой коммутационными аппаратами (выключателями, разъединителями и др).

Задача отыскания повреждения в электрической сети сводится к определению поврежденного элемента и места повреждения в нем, то есть топографической точки расположения места повреждения. В тех случаях, когда повреждение приводит к короткому замыканию, участок сети отключается защитными коммутационными аппаратами и возникает задача определения места повреждения в кратчайшие сроки.

В сетях возникают как устойчивые, так и неустойчивые повреждения. Неустойчивые повреждения, называемые также преходящими, могут самоустраняться или переходить в определенных условиях в устойчивые.

На ВЛ к неустойчивым повреждениям могут приводить набросы различных предметов на провода, грозовые перекрытия гирлянд подвесных изоляторов, сближение фазных проводов при ветре или «пляске проводов» и т. д. Количество неустойчивых повреждений значительно превосходит количество устойчивых.

Распределение КЗ по видам зависит от вида изоляции и конструкции элементов сети. Однофазные КЗ составляют примерно 65 %, двухфазные на землю − 20 %, двухфазные без земли − 10 %, трехфазные − 5%.

Трехфазные КЗ на практике происходят крайне редко. Как правило, трехфазные КЗ возникают из-за ошибок оперативного персонала: отключение разъединителя под нагрузкой, подача напряжения на заземленное оборудование. По статистике более 85 % повреждений связано с землей.

Для ОМП существенное значение имеет распределение повреждений по конструкционным элементам и причинам возникновения повреждений. Двухфазные повреждения возникают, как правило, на транспозиционных опорах. Причины повреждения ВЛ приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Причины повреждения вл

Причины повреждения	Количество случаев в %
Перекрытие с разрушением изоляторов	57
Включение короткозамыкателей на ответвительных подстанциях	12
Перекрытие с провода на тело опоры	3,8
Перекрытие с провода на проезжающие высокогабаритные механизмы	3,3
Обрыв грозозащитных тросов	3,1
Падение провода на землю	2,4
Наброс металлических предметов на провода ВЛ посторонними лицами	1,8
Перекрытия на расположенные на трассе деревья	1,6
Прочие причины	15
Всего	100

Основные нормативно-правовые вопросы диагностического контроля высоковольтного электрооборудования могут быть решены на базе существующего ГОСТ 27.002-89.

Замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием, как по виду, так и по характеру повреждения.

Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на величины токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте замыкания и все повреждения рассматриваются как «глухое» или, как говорят, «металлическое» соединение фаз между собой или на землю для сети с заземленной нейтралью. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

1.2.1 Виды коротких замыканий

Основные виды замыканий приведены на рис. 1.21. Междуфазные короткие замыкания − трехфазные и двухфазные (а, б, в) − возникают как в сетях с заземленной, так и в сетях с изолированной нейтралью. Однофазные короткие замыкания могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью (г). В сетях с изолированной нейтралью происходят однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) (д).

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывание и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

1.2.1.1 Трехфазное КЗ

Симметричное трехфазное короткое замыкание − наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте КЗ, так и в любой другой точке сети:

I_A = I_B = I_C ; U_A = U_B = U_C .

Векторная диаграмма токов и напряжений при трехфазном КЗ приведена на рис. 1.22.

Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол φ_КЗ определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыкания:

Для линий до 35 кВ этот угол обычно меньше 45°.

Напряжение в месте короткого замыкания равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено, как показано на рис. 1.22, в. Так как все фазные и междуфазные напряжения в месте трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, незначительны по величине, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы c точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей.

1.2.1.2 Двухфазное замыкание

Замыкание двух фаз. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного КЗ между фазами В и С (рис. 1.23). В поврежденных фазах в месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток отсутствует

I_A=0; I_B =-I_C .

Междуфазное напряжение U_bc в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения определяются по формуле:

U_B=U_C=E/2, U_BC=0.

Так же как и при трехфазном КЗ, токи, проходящие в поврежденных фазах, отстают от создающей их ЭДС (в данном случае Е_ВС или параллельный ему вектор U_ВС на угол φ_КЗ определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи).

Соответствующие векторные диаграммы для места КЗ построены на рис. 1.23. По мере удаления от места КЗ фазные напряжения U_В, U_С и междуфазное напряжение U_ВС будут увеличиваться, как показано на рис. 1.23 штриховыми линиями для точки n.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трехфазное короткое замыкание.

Короткое замыкание двух фаз на землю в сети с заземленной нейтралью. В сетях с заземленной нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем двухфазное короткое замыкание. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте короткого замыкания, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других − до величины фазного напряжения неповрежденной фазы (рис. 1.24).

Соотношения токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения имеют следующий вид:

I_A=0; U_B =U_C=0.

Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного короткого замыкания. Токи, проходящие в месте КЗ и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ.

1.2.1.3 Однофазное короткое замыкание

Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью. Однофазное короткое замыкание может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью (в России, как правило, с заземленной нейтралью работают сети напряжением 110 кВ и выше). Векторные диаграммы токов и напряжений в месте однофазного КЗ фазы А приведены на рис. 1.25, а формулы, определяющие их основные соотношения:

U_A=0; I_B =I_C=0.

Однофазные короткие замыкания, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения однофазного напряжения, представляют меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю. В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 2−35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку или резистор, замыкания одной фазы на землю сопровождаются значительно меньшими токами, чем короткие замыкания.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы (U_A на рис. 1.26, а) относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз U_B и U_C увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным U_B(1) и U_C(1) на рис. 1.26, б.

Под действием напряжений U_B(1) и U_C(1) через место повреждения проходит ток I_ЗA, замыкающийся через емкости неповрежденных фаз В и С. Емкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через нее не проходит. Величина тока в месте замыкания на землю определяется следующим выражением:

где X_∑ − суммарное сопротивление цепи замыкания на землю.

Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь. Тогда

где С − емкость одной фазы сети относительно земли.

Поскольку при замыкании фазы А на землю напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60°, то

U_B(1) + U_C(1) = 3U_фА .

В результате

I_ЗА = 3U_фА ωС .

Емкость сети в основном определяется длиной присоединенных линий. Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения емкостных токов: 6 кВ−0,015 А/км; 10 кВ−0,025 А/км; 35 кВ−0,1 А/км.

ОЗЗ являются наиболее частым видом повреждений в сетях 6−35 кВ (75−90% от общего числа электрических повреждений). Они нередко приводят к крупным авариям, сопровождающимся значительными ущербами.

1.2.2 Виды повреждений при ОЗЗ

При ОЗЗ возможны повреждения, которые с точки зрения защиты можно разделить на несколько основных категорий:

• кратковременные пробои;

• «металлические», бездуговые ОЗЗ;

• ОЗЗ через большие переходные сопротивления;

• дуговые ОЗЗ;

• обрывы ВЛ, не сопровождающиеся длительными ОЗЗ.

Кратковременные пробои. Большинству «устойчивых» ОЗЗ предшествуют кратковременные неустойчивые пробои изоляции длительностью от 1 до 10 мс, сопровождающиеся значительными по продолжительности бестоковыми паузами (от 1 до 17 минут). Время от первого кратковременного пробоя до возникновения устойчивого ОЗЗ составляет от 1 минуты до 10 суток и более.

Бездуговое ОЗЗ. Такое замыкание появляется при возникновении надежной гальванической связи поврежденной фазы с землей (например, с заземленным корпусом электроустановки). При этом напряжения и токи нулевой последовательности можно считать синусоидальными и максимальными по величине. С точки зрения зашиты бездуговое ОЗЗ – самый простой режим функционирования.

ОЗЗ через большие переходные сопротивления. Связь фазы с землей через неметаллические предметы (например, через деревянные части конструкции, при падении провода на сухой грунт и т. д.) иногда приводит к ОЗЗ с весьма большим переходным сопротивлением. Так, в эксперименте, при падении провода ЛЭП 35 кВ на песок отмечалось переходное сопротивление, которое в течение нескольких секунд изменялось примерно от 7 до 5 кОм. В Польше нормируемая величина такого сопротивления составляет 13,5 кОм, в Канаде – 7,5 кОм. Такие большие величины переходных сопротивлений могут существенно усложнить требования к защитам воздушных линий от ОЗЗ, поскольку с ростом переходного сопротивления уменьшаются как напряжения нулевой последовательности, так и токи нулевой последовательности.

Дуговое замыкание. Наблюдается при пробоях и перекрытиях фазной изоляции. При этом весьма часто наблюдается «прерывистая» форма кривой тока в дуге. Такая дуга называется перемежающейся. При этом ток в реле защиты при ОЗЗ может на какое-то время прерываться и содержит большое количество высокочастотных составляющих.

В некоторых случаях в токе и напряжении нулевой последовательности могут возникать также субгармонические составляющие.

Дуга, возникающая при ОЗЗ, может иногда прерываться на значительное, превышающее несколько периодов промышленной частоты, время. Исходя из анализа зависимости продолжительности бестоковой паузы, связанной с медленным зарядом емкости поврежденной фазы после погасания дуги, от параметров сети, следует, что введение заземляющего резистора существенно уменьшает продолжительность такой паузы, что положительно сказывается на поведении защиты от замыканий на землю.

Значительное содержание высокочастотных составляющих в токах нулевой последовательности как поврежденной, так и неповрежденных ВЛ может привести к неселективной работе защиты. Токи нулевой последовательности, например, неповрежденных ВЛ могут в несколько раз превышать собственные емкостные токи при металлических ОЗЗ. Это объясняется тем, что высокочастотные составляющие в напряжении нулевой последовательности, которые, в частности, генерируются дугой, в значительной степени «усиливаются» в емкостных токах линий, так как емкостное сопротивление уменьшается пропорционально росту частоты. В результате токи в неповрежденных линиях могут существенно превысить емкостные токи, определенные при металлическом ОЗЗ, по которым ведется расчет уставок защиты.

Обрывы ВЛ, не сопровождающиеся длительными ОЗЗ. Иногда в сетях 6–35 кВ возникают повреждения, не приводящие к длительному протеканию тока нулевой последовательности, но как бы «смежные» с ОЗЗ, – например, обрыв шлейфа на ВЛ. Если шлейф висит, не прикасаясь к опоре, то ток нулевой последовательности отсутствует, и обычная защита от ОЗЗ не действует. При раскачивании ветром шлейф может кратковременно замыкаться на опору, что приведет к «клевкам» защиты, но ее срабатывание обычно не происходит из-за кратковременности такого замыкания.

Особенности ОЗЗ в зависимости от конструкции линии и режимы работы сети. Большое влияние на поведение защиты от ОЗЗ оказывает также схема сети, режимы ее работы и конструктивное исполнение линий. Очевидно, что при ОЗЗ процессы по-разному протекают в сетях с воздушными или кабельными линиями.

ОЗЗ в кабелях с пластмассовой изоляцией при достаточно больших емкостных токах сети часто приводит к устойчивому горению дуги. При тех же условиях ОЗЗ в кабеле с бумажной изоляцией, пропитанной масляно-канифольной мастикой, обычно приводит к разложению масла и бурному выделению газов. Турбулентное движение газов в образовавшемся газовом пузыре приводит к погасанию дуги, последующее зажигание которой происходит лишь после «рассасывания» образовавшихся газов.

Соответственно, при разных значениях тока ОЗЗ и различных фазах развития процесса длительность горения дуги и продолжительность бестоковых пауз могут варьироваться. В связи с этим, например, переход в кабельных сетях от мгновенно действующих защит от ОЗЗ к защитам, имеющим выдержку времени, может привести к отказам в тех случаях, когда продолжительность горения дуги становится меньше выдержки времени защиты.

В случаях ОЗЗ на ВЛ при наличии существенных бестоковых пауз, характерных для перемежающейся дуги, защиты от ОЗЗ, имеющие стандартную схему обеспечения выдержки времени, могут отказать, поскольку во время бестоковой паузы они «сбрасывают» замер по времени, – реле (или блок) выдержки времени возвращаются в исходное состояние. Для бесперебойного функционирования защиты в рассматриваемом случае необходимо обеспечить «запоминание» на некоторое время факта запуска защиты. Если в течение установленного времени запоминания ток нулевой последовательности появится вновь, защита должна срабатывать.

В случаях ОЗЗ на двухцепных ВЛ между двумя цепями одной ВЛ, подключенными к разным секциям, существует связь через межцепные емкости. При ОЗЗ на одной из цепей напряжение нулевой последовательности возникает на обеих секциях сборных шин, и токи нулевой последовательности протекают через линии, присоединенные как к одной секции сборных шин подстанции, так и к другой. Если не учесть эту особенность при разработке и проектировании защиты, то возможны неселективные отключения неповрежденных линий при ОЗЗ в сети.

В некоторых сетях 35 кВ воздушные линии для удобства эксплуатации выполнены без транспозиции фазных проводов. При этом возникает несимметрия фазных емкостей относительно земли, что приводит к смещению нейтрали сети, т. е. появлению напряжения и токов нулевой последовательности при отсутствии ОЗЗ. Установка в нейтрали заземляющего резистора уменьшает это напряжение, тем не менее, в защитах от ОЗЗ появляется дополнительный ток, который, следует учитывать при расчете уставок.

Если в сетях 6–10 кВ, как правило, удается установить кабельные трансформаторы тока нулевой последовательности, имеющие малый небаланс в нормальном режиме, то в сети 35 кВ обычно для защиты от ОЗЗ приходится использовать фильтры из трех трансформаторов тока, небаланс которых может быть в некоторых случаях весьма велик. Если не учитывать его при расчете уставок, то возможны неселективные срабатывания.

Режимы эксплуатации. Токи нулевой последовательности могут изменяться в процессе эксплуатации в силу следующих причин:

• в результате отключения отдельных линий и перемычек в схеме, например, в процессе эксплуатации;

• при включении линий, присоединенных к шинам подстанции или распределительного пункта, после ремонта. При этом могут существенно изменяться также и углы между током и напряжением нулевой последовательности в поврежденной линии;

• при замене части воздушных линий на кабельные;

• при наличии дугогасящего реактора, включенного параллельно заземляющему резистору, эксплуатационный персонал не всегда использует его автоподстройку, даже если она имеется. При этом возможны режимы существенной перекомпенсации, что резко затрудняет работу большинства известных защит от ОЗЗ.

Влияние трансформатора напряжения при ОЗЗ. На практике неоднократно наблюдались случаи срабатывания защит неповрежденных линий после отключения линии с ОЗЗ. Одной из возможных причин такого неселективного срабатывания является то, что трансформатор напряжения (ТН) в процессе ОЗЗ накапливает энергию, которой после отключения поврежденной линии начинает обмениваться с емкостями неповрежденных линий. При этом по направлению и величине токов в этих линиях они попадают в зону срабатывания защиты, в результате чего защита от ОЗЗ действует на отключение неселективно. Наличие заземляющего резистора помогает и в этом случае, поскольку накопленная в ТН энергия быстро выделяется в резисторе. Дополнительной мерой, позволяющей отстроиться от таких неселективных срабатываний, является введение выдержки времени на срабатывание защиты.

Последствия ОЗЗ. Замыкание фазы на землю в сетях напряжения 6−35 кВ могут привести к следующим неприятным последствиям:

• в сети появляются перенапряжения порядка 2,4–3,5 кратных по сравнению с фазным, что может привести к пробою изоляции неповрежденных фаз и переходу ОЗЗ в «двухместное» или двойное замыканий на землю по своим характеристикам близкое к двухфазным КЗ. Риск возникновения таких двойных замыканий заметно вырос в последнее время в связи со старением изоляции электрических машин и аппаратов многих энергетических объектов и отсутствием средств на их модернизацию и замену;

• возможны явления феррорезонанса, от которых в рассматриваемых сетях чаще всего выходят из строя трансформаторы напряжения. Иногда повреждаются и слабо нагруженные силовые трансформаторы, работающие в режиме, близком к холостому ходу;

• опасность поражения людей и животных электрическим током − на ВЛ ОЗЗ часто происходит при обрыве провода и падению его на землю. Особенно велика такая опасность, если ВЛ проходит по густонаселенным районам, например, по городу;

• пробои изоляции статорной обмотки двигателей на металл статора часто происходят через дугу и могут привести к значительным повреждениям не только самой обмотки, но и железа статора (вызвать «пожар железа»). «Пережог» изоляции приводит к появлению опасных витковых или междуфазных коротких замыканий. При этом «вторичные» пробои изоляции, возникающие после появления в сети 3−10 кВ ОЗЗ происходят именно на двигателях, поскольку качество их изоляции обычно уступает качеству изоляции ВЛ и другого оборудования. Это приводит к значительным затратам, связанным с их ремонтом и простоем соответствующих механизмов. При этом двигатели отключаются защитами от междуфазных КЗ. Если учесть, что большинство этих КЗ возникают как последствия ОЗЗ, становится очевидным, что, установив в сети эффективную защиту от ОЗЗ, можно резко сократить количество КЗ на двигателях и сопутствующий им ущерб;

• возможно разрушение бетона опоры в месте его соприкосновения с землей при перекрытии фазной изоляции на арматуру железобетонной опоры, если ВЛ долго не отключается. В результате опора теряет свою прочность;

• в результате длительного протекания тока ОЗЗ грунт возле опоры высыхает, растет его сопротивление, в результате чего увеличивается опасность поражения людей шаговым напряжением или напряжением прикосновения;

• повышается вероятность возникновения пожаров, если ОЗЗ длительно не отключается, например, в ячейках КРУ, из-за возникновения высокотемпературной дуги в месте ОЗЗ;

• в последнее время в Российских энергосистемах введено в эксплуатацию значительное количество импортных кабелей, наружная оболочка (броня) которых выполнена многожильными проводниками относительно малого суммарного сечения. Например, при сечении жилы трехфазного кабеля в 70 мм₂ общее сечение брони составляет около 20 мм . При возникновении «многоместных» замыканий на землю наружная оболочка сильно перегревается и вызывает пожар покрывающей ее пластмассовой изоляции;

• при дуговых замыканиях на ВЛ наводятся значительные помехи в расположенных поблизости линиях связи (например, телефонной).

1.2.3 Анализ повреждаемости ВЛ 110 кВ

На кафедре ЭССиС ИрГТУ ведется работа по определению мест повреждений на линиях ВЛ 110 кВ филиала Восточные электрические сети (ВЭС) ОАО «ИЭСК».

ВЭС обеспечивают электроэнергией обширную территорию, которая простирается от областного центра − города Иркутска − более чем на четыреста километров к северу и ограничена правым берегом реки Ангары, западным побережьем озера Байкал и бассейном реки Лена и ее притоков. Площадь «зоны влияния» ВЭС составляет более 120 км². ВЭС осуществляют электроснабжение девяти административных районов области и национального автономного округа. Главной задачей ВЭС является надежное бесперебойное электроснабжение населения, объектов социальной сферы, предприятий и организаций.

Уровень повреждаемости ВЛ 110 кВ намного выше чем в остальных филиалах ОАО «ИЭСК». Естественно возникает вопрос о причинах повышенной повреждаемости.

За период с 2002 г. по 2011 г. (то есть за 10 лет) в 13 линиях 110 кВ произошло 658 повреждений. Удельный уровень повреждаемости составил 0,0753 повреждений на 1 км длины ВЛ 110 кВ в год, то есть в год в среднем приходится 1 повреждение на каждые 13 км ВЛ 110 кВ. Это повышенный уровень повреждаемости, но не запредельный, чтобы предполагать однозначно наличие особых причин повреждаемости. Отсутствие таких причин в некоторой степени подтверждается относительно равномерным распределением произошедших повреждений по длине линий.

Подавляющее большинство повреждений – это КЗ, которые устранились самопроизвольно и линии остались в работе при успешной работе автоматического повторного включения (АПВ). Место устранимых КЗ зачастую не было обнаружено персоналом, потому что используемый прибор ЦРАП показывал место повреждения в линиях с большой погрешностью из-за ошибок при вводе исходной информации вследствие незнания расчетного метода, заложенного в этом приборе. Ошибка была выявлена в ходе работы, выполненной коллективом студентов, аспирантов и преподавателей кафедры ЭССиС ИрГТУ.

Проведена обработка статистических данных о коротких замыканиях на линиях 110 кВ ВЭС за 2002−2011 гг. Представленные на рис. 1.27 и 1.28 данные показывают, что значительный рост количества КЗ приходится на летние месяцы года (июнь, июль, август) и на утренние часы с 5 и до 7 часов. Именно в это время года и суток происходит наиболее интенсивное образование тумана, росы и испарение влаги из лощин, оврагов, пойм рек. Данные КЗ являются неустойчивыми, так как электрическая дуга, проходя по гирлянде изоляторов, просушивает ее, и ВЛ под действием АПВ снова включается под напряжение.

Выполнен также анализ распределенности КЗ по длине ВЛ 110 кВ «Усть-Орда − Баяндай» (рис. 1.29) и других линий ВЭС.

Анализ показал, что распределенность КЗ по длине ВЛ 110 кВ зависит от природных условий местности расположения линии. Наибольшее влияние на рост КЗ оказывает расположение линии в болотистой местности или вдоль долин рек.