Сенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрикСенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрик
электромеханические, электронные и системные компоненты
(812) 441-36-38; (495) 755-93-29; +7(925)030-69-95
 
Найти:    
Наши публикации
Контроль состояния резистора в системах с нейтралью, заземленной через сопротивление

Статья опубликована в журнале «Компоненты и Технологии» №5’21.
Марк Поллок (Mark Pollock)
Перевод: Иван Полянский

Электрические сети с резистивным заземлением нейтрали помогают устранить множество проблем, характерных для неизолированных и «жестко» изолированных систем. Резистивное заземление нейтрали способно ограничить размер ущерба в случае аварии, избежать длительных перенапряжений, снизить вероятность возникновения дуги, обезопасить персонал при возникновении опасного напряжения и обеспечить адекватное понимание уровней срабатывания селективных датчиков тока для срабатывания и координации релейной защиты. Данная статья описывает зарядный ток, методы определения замыкания на «землю» и способы координации защиты при возникновении замыкания на «землю». Также рассматриваются аргументы о необходимости контроля заземляющего резистора нейтрали (NGR). В заключение анализируются основные проблемы мониторинга заземляющего резистора нейтрали и даются рекомендации по проектированию систем с заземляющим резистором.

Зарядный ток

Каждая фаза электрической сети обладает емкостью по отношению к «земле». В случае системы c изолированной нейтралью ни одна из фаз не имеет собственного соединения с «землей», при этом точка нейтрали такой системы определяется общей конфигурацией системы электроснабжения и ее емкостью (рис. 1). Если реактивная емкость сбалансирована, напряжение и ток также сбалансированы (рис. 1а). Если фаза А замкнута на «землю», напряжение и ток в фазах B и C будут в 1,73 раза выше, чем в сбалансированной системе. Аварийный ток системы является зарядным током, и его величина в три раза выше неаварийного тока «фаза-«земля».



Значительный ущерб может быть нанесен в случае, если система с изолированной нейтралью испытывает всплески перенапряжения, вызванные прерывающимся замыканием на «землю». Система с резистивным заземлением нейтрали (NGR) с допустимым током, эквивалентным или превышающим зарядный ток системы, способна избежать всплесков перенапряжения. На рис. 2 показана такая же система, как и на рис. 1, но с заземленной нейтралью через резистор 5 A.



В номинальном режиме напряжение и ток совпадают с системой с изолированной нейтралью. Если фаза А замыкается на «землю», напряжение и ток в фазах B и C также совпадают с напряжением и током в изолированной системе. Но в этом случае аварийный ток будет являться суммой векторов токов заземляющего резистора и тока заряда.

Если система на рис. 2 имеет три одинаковых фидера, токи будут соответствовать изображенным на рис. 3. Датчики тока А1 и А3 считывают зарядный ток в номинальном режиме, равный 1 А.?Ток резистора NGR и аварийный ток составят соответственно 5 и 5,8 А. Датчики тока А2 на аварийном фидере считает 5,4 А — сумму векторов токов резистора NGR и зарядного тока в номинальном режиме.




Координация селективной защиты замыкания на «землю»

Координация селективной защиты при замыкании на «землю» используется, когда невозможно произвести мгновенное отключение по однозначным признакам и требуется отключение аварийного фидера от «земли». Выше было показано, что датчик измерения замыкания на «землю» на неаварийном фидере воспринимает ток заряда фидера при возникновении аварии в другом месте системы. Вследствие этого возможно организовать отключение неаварийного фидера, если величина срабатывания реле защиты от замыкания на «землю» меньше тока заряда фидера. Аварийное отключение может не произойти из-за относительных размеров фидеров в системе, если выбран уровень срабатывания всех реле выше тока заряда самого большого фидера. Для того чтобы внести определенность, координация селективной защиты достигается за счет внесения дискриминант по времени, за пределами воздействия тока заряда. Дублирование защиты осуществляется за счет задержки времени срабатывания устройства верхнего уровня или внесения зоны блокировки срабатывания, обеспечивающих блокировку отключения устройства верхнего уровня в определенный временной интервал.

Определение кратности тока срабатывания и выбор заземляющего резистора

Уровень отключения определяется отношением ожидаемого тока короткого замыкания на «землю» к рабочему уровню схемы защиты. Правильно установленный уровень отключения должен гарантировать наличие достаточного аварийного тока в случае возникновения замыкания на «землю». Уровень отключения не ниже 7 требуется для определения двухфазного замыкания на «землю» [2]. Некоторые специалисты ошибочно считают, что двухфазное замыкание на «землю» должно отключаться с помощью токовой защиты и не требуется устанавливать отключение защиты на уровне 7. Тем не менее большее значение уровня отключения требуется для защиты от замыкания на «землю» обмоток машин. Общепринятая практика требует защиты 90% подключенной к фазе обмотки, в то время как вероятность замыкания на «землю» 10% обмотки, подключенной к нейтрали, невелика [3]. Даже с этой точки зрения уровень отключения 10 должен быть применен в соответствии с данной философией, при этом общепринятым является уровень отключения 5.

Если рабочий уровень реле защиты от замыкания на «землю» больше системного зарядного тока и уровень отключения установлен 5 (чтобы обеспечить адекватный уровень отключения и защитить обмотку машины от замыкания на «землю»), то протекающий через резистор ток должен быть в 5 раз больше системного тока заряда. Зарядный ток системы является функцией напряжения и может быть измерен или оценен по табличным значениям. Обычно ток заряда составляет 0,5 А на 1000 кВ·А для систем среднего класса напряжения. Соответственно, наиболее часто применяются резисторы заземления нейтрали номиналами 5, 15 и 25 А.

Резистор с низким номинальным током используется в случаях, когда необходимо ограничить энергию или падение напряжения при замыкании на «землю». В крупных системах применяют мощные заземляющие резисторы NGR на большой ток. Разработчики, хорошо знакомые с системами с заземленной нейтралью, часто выбирают величину NGR-резистора на ток существенно больший, чем необходимо для стабильности системы или срабатывания селективной защиты.

Выбор резистора NGR для систем с индикацией аварии

Некоторые области применения допускают продолжительную работу при одной фазе с замыканием на «землю». При этом могут присутствовать ограничения по напряжению и току замыкания на «землю», а также регламенты, требующие как можно быстрее локализовать и изолировать аварии.

Для систем с функцией индикации аварийной ситуации выбирают величину NGR-резистора на ток больший, чем зарядный ток системы. Ток удержания замыкания на «землю» обычно устанавливается на уровне 50% от тока NGR-резистора.

Критерии выбора заземляющего резистора

Данный раздел описывает методы определения параметров NGR-резистора для низковольтных систем и систем среднего класса напряжения.

В то время как остальные требования оказывают влияние на величину резистора заземления NGR, сама защита от замыкания на «землю», координация защиты и состояние всей системы зависят от целостности резистора заземления нейтрали. Если происходит авария с обрывом резистора NGR, система защиты становится неработоспособной, система электроснабжения — незаземленной и вероятны перенапряжения. Если же сопротивление резистора NGR со временем уменьшается, как, например, при пробое на «землю» нейтрали трансформатора, система становится полностью заземленной или заземленной с малым сопротивлением заземления, что делает возможным возникновение больших аварийных токов.

Одна из рекомендаций при формировании технического задания на разработку систем электроснабжения сводится к анализу технического решения на наличие потенциальных угроз и концептуальных проблем. С этой точки зрения применение трансформатора напряжения в качестве монитора резистора NGR становится оптимальным решением. Например, применение трансформатора напряжения, подключенного первичной обмоткой к NGR-резистору, со вторичной обмоткой, подключенной к реле времени, является популярным решением в простых установках. Такое решение, основанное на контроле напряжения, не отслеживает состояние самого заземляющего резистора. Кроме того, данная схема контролирует напряжение нейтрали и не сработает до момента аварии при замыкании на «землю», вне зависимости от состояния NGR-резистора. Если произойдет обрыв резистора заземления во время замыкания на «землю», напряжение нейтрали будет присутствовать во время задержки срабатывания реле времени и при срабатывании контактора на отключение. В этом случае существует опасность феррорезонанса. При обрыве резистора NGR система будет заземлена через трансформатор напряжения и его индуктивность будет последовательно включена с емкостью системы, формируя резонансную RLC-цепь [4, 5].

Другая проблема из-за присутствия трансформатора заключается в том, что в случае замыкания на «землю» будет протекать ток через выпрямительные элементы. Поскольку обмотка трансформатора является низкорезистивным путем протекания прямого тока, возможно насыщение трансформатора, что приведет к изменению режима работы или воспламенению обмотки трансформатора. Точно такая же проблема существует в системах с нейтралью, заземленной через трансформатор. В обоих случаях прямой ток не ограничен и напряжение при замыкании на «землю» может быть существенно выше ожидаемого.

Поскольку броски являются большей проблемой для нейтрали, заземленной через трансформатор или реактор, нежели для небольших трансформаторов напряжения, важно учитывать то, что бросок происходит в момент начала замыкания на «землю». Величина броска в трансформаторе может быть в 12–14 раз выше максимального тока нагрузки в течение 0,1 с, что приведет к значительному всплеску напряжения.

В настоящее время в промышленности широко применяются преобразователи частоты и плавный пуск электродвигателей, с применением твердотельных ключей. Если реактивная емкость или напряжение в системе не сбалансированы, возможно присутствие гармоник, не кратных 3, что приведет к протеканию не кратной 3 гармоники тока по заземляющему проводнику. Третья гармоника синфазна с напряжением, поэтому ее ток будет протекать через заземляющий проводник и NGR-резистор. Монитор состояния NGR-резистора должен быть нечувствителен к наличию гармоник или оперировать вне области их присутствия. Поскольку идеальный монитор состояния не должен содержать коммутирующих элементов, преимущественно используется схема с параллельным подключением к NGR-резистору.

Все компоненты, подключаемые к резистору NGR, потенциально могут подвергаться воздействию замыкания фазы на «землю» и должны быть исследованы на совместимость с такими режимами работы. Резисторы и индуктивности в случае отказа выходят из строя в обрыв, при этом могут возникать повторяющиеся процессы включения/выключения. Конденсатор может выйти из строя в обрыв или в короткое замыкание. Любое присутствие емкости и индуктивности должно быть исследовано на возможность возникновения феррорезонанса и всплесков напряжения. Подключаемые компоненты не должны передавать опасное напряжение на остальное измерительное оборудование.

Процессы в атмосфере, такие как наличие или отсутствие заряженных облаков, способны влиять на воздушные линии питания подстанций. Монитор состояния NGR-резистора также должен иметь иммунитет к воздействию данных процессов.

Монитор NGR-резистора подключается к нейтрали и шине заземления. На рис. 4 показано типовое применение монитора с измерительным резистором, подключенным к нейтрали. Монитор NGR-резистора измеряет изменения его сопротивления, ток в нейтрали, напряжение «нейтраль-«земля», также отслеживает показания этих трех параметров и выдает выходной сигнал на сухой контакт, сигнализирующий об отказе NGR-резистора или «земли». Выходной сигнал контактной группы может быть использован для подачи сигнала на внешний выключатель или формирование сигнала оповещения.



Сохраненные результаты измерений монитора NGR могут применяться для анализа неисправностей и проблем системы. Монитор NGR с коммуникационным портом может быть подключен к локальной сети или компьютеру.

Требования к проектированию монитора NGR

Общие соображения по проектированию системы мониторинга NGR-резистора могут быть сформулированы следующим образом:
  • Монитор не должен создавать новые опасности, особенно феррорезонанс и всплески напряжения при замыкании на «землю».
  • Монитор не должен воздействовать на координацию защиты при замыкании на «землю». Если функция защиты от замыкания на «землю» интегрируется в монитор NGR, то рабочие параметры, чувствительность к гармоникам и задержки координации должны полностью соответствовать нижестоящим устройствам.
  • Монитор должен быть спроектирован для работы при пониженном напряжении, то есть выходное реле должно быть под напряжением, когда монитор не отключен. Это будет являться защитой от аварии при выходе из строя монитора. Для обеспечения отказоустойчивого режима работы также желательно применение независимого выключателя.
  • Монитор должен быть способен определять аварию NGR-ре-зистора, которая происходит после замыкания на «землю», но до отключения замыкания, или же детектировать отказ NGR-резистора в системах сигнализации, без возможности отключения. Непрерывность во время аварии нельзя путать с непрерывностью NGR-резистора.
  • Монитор должен обнаруживать замыкания на «землю» после обрыва NGR-резистора, поскольку отказ такого резистора приведет к дальнейшему отказу токовой защиты от замыкания на «землю», а это нарушит координацию защиты и не активирует систему оповещения о замыкании.

Заключение

Применение измерительного резистора с большим допустимым напряжением позволяет использовать монитор NGR в широком диапазоне напряжений — от низковольтных систем до систем среднего класса напряжения. Напряжение нейтрали должно измеряться для детектирования отказа резистора NGR во время замыкания на «землю» или замыкания на «землю» при обрыве NGR.?Монитор должен отключиться при напряжении нейтрали, превышающем установленное для NGR-резистора и схемы замыкания на «землю». Благодаря встроенной схеме контроля напряжения на NGR-резисторе нет необходимости устанавливать точку по сопротивлению NGR и достаточно установить точку отключения по сопротивлению NGR. Дальнейшее уточнение при разработке позволяет сделать калибровку NGR и отслеживать снижение его собственного сопротивления во времени. Монитор NGR обеспечивает защиту в случаях, когда остальная защита оказывается неработоспособной и нарушается координация селективной защиты, или способен обеспечить более высокий уровень защиты при токах замыкания на «землю». Добавление узла детектирования замыкания на «землю» улучшает первичный или вторичный контур защиты, в зависимости от конфигурации системы защиты.
Konkur Electric
197342, г. Санкт-Петербург,
ул. Торжковская, д.5, офис 314А (БЦ Оптима)

105484, г. Москва,
ул. 16-я Парковая, д.21,
корп.1, офис 413
Copyright © ООО «Конкур электрик» - электромеханические, электронные и системные компоненты, термопринтеры, сенсорные экраны, touch screen
Частичное или полное копирование материала, размещенного на сайте, без согласия ООО «Конкур электрик» запрещено.
Поиск электронных компонентов Поиск электронных компонентов