Technical Solutions for Preventing the Development of Single-Phase Ground Faults and for Eliminating Them in 6–10 kV Power Plant Switchgears
Keywords:
single-phase ground fault, limitation, overvoltage amplitude, exposure time, resistive neutral grounding, galvanic isolation, capacitive currents, compensated neutral mode
Abstract
The severity of the consequences from single-phase ground faults (SPGF) at the combined heat and power plants (CHPPs) operating as branches of PJSC Mosenergo is due to the following two main reasons: prolonged exposure to overvoltage and a significant wear of primary electrical equipment. The operation mode with a compensated neutral assumes setting up conditions for arc self-extinguishing at the SPGF location; however, in the majority of cases this does not happen. The practice of continuing the operation with an SPGF for several hours has a negative impact on the power plant electrical equipment and needs to be revised. To evaluate the influence of an SPGF in a 10 kV network on the reliability of power plant operation, the main electrical connection circuits and the adjacent network at 12 CHPP branches of the Mosenergo company is analyzed. The basic technical solutions aimed at preventing the development of and eliminating SPGFs in the 6–10 kV CHPP network are considered. In carrying out the analysis, the overvoltage modeling results were used with taking into account the feasibility of implementing various solutions at power plants. Based on the analysis results, the possible technical solutions have been divided into more and less efficient ones. For the majority of CHPPs, an efficient solution implies the transition from the compensated neutral grounding mode with holding an SPGF for a long period of time to low-impedance resistive neutral grounding with clearing the fault by the action of relay protection and automatic control devices
References
1. VI Всероссийская конференция "Развитие и повышение надежности эксплуатации распределительных электрических сетей". – Электроэнергия. Передача и распределение, 2021, № 4(67), с. 24–36.
2. Правила устройства электроустановок (седьмое издание). М.: Моркнига, 2022, 584 с.
3. Колесникова К.В., Косарев С.А., Смотров Н.Н. Подготовка рекомендаций по обеспечению электробезопасности в распределительных кабельных сетях 6-20 КВ при переходе на низкоомный режим заземления нейтрали. – Альтернативная и интеллектуальная энергетика: материалы II Международной научно-практической конференции. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2020, с. 175–176.
4. Шведов Г.В. Городские распределительные электрические сети. М.: Издательский дом «МЭИ», 2011, 108 с.
5. ТИ 34-70-070-87. Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ. М.: Служба передового опыта ПО “Союзтехэнерго”, 1988, 56 с.
6. Козлов В.Н., Петров М.И. Дугогасящие реакторы в сетях среднего напряжения. – Релейная защита и автоматизация, 2011, № 1(2), с. 36–42.
7. Матвеев Д.А., Хренов С.И. Эффективность управляемых дугогасящих реакторов в электрических сетях 6–35 кВ: теоретические аспекты. – Электричество, 2015, № 1, с. 34–39.
8. Гусев О.Ю., Гусев Ю.П., Южанин А.Е. Феррорезонансные процессы, вызванные однофазными замыканиями на землю, в распределительных сетях с компенсированной нейтралью. – Актуальные проблемы электроэнергетики: Сборник научно-технических статей конференции. Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2021, с. 337–345, DOI 10.46960/44170389_2021_337.
9. Телегин А.В., Ширковец А.И. Проблематика замыканий на землю и режим заземления нейтрали в сетях среднего напряжения стран Европы и Америки. – Релейная защита и автоматизация, 2012, № 3(8), с. 30–39.
10. Лихачёв Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. М.: Энергия, 1971, 152 c.
11. Качесов В.Е. О расчете крутизны перенапряжений на обмотках электрических машин. – Электричество, 2009, № 11, с. 16–26.
12. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. М.: Недра, 1986, 184 с.
13. Smotrov N., Okhlopkov A., Bitney V. Analysis of Overvoltage Processes under Single-Phase-to-Earth Fault Conditions in TPP 6–10 kV Switchgear. – 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2022, DOI: 10.1109/REEPE53907.2022.9731401.
14. Kolesnikova K.V., et al. Electrical Safety Assessment in Distribution Networks Considering the Cable Conducting Sheaths Currents. – Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.
15. Валов В.Н., Ширковец А.И., Кудряшов Д.С. Организация релейной защиты при переводе городских сетей 6–10 кВ с компенсацией емкостного тока на низкоомное резистивное заземление нейтрали. –Энергетик, 2016, т. 9, с. 13–17.
16. ГОСТ Р 50571-4-44-2011. Электроустановки низковольтные. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех. М.: Стандартинформ, 2012, 68 с.
17. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001.
18. C62.92.3-1993. IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III – Generator Auxiliary Systems.
19. Николотов О. Предложен новый метод защиты от замыканий на землю в распред. сетях 6–35 кВ [Электрон. ресурс]. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2017/10/25/predlozhen-novyj-metod-zashhity-ot-nbsp-zamykanij-na-nbsp-zemlyu-p-p-v-nbsp-raspredsetyah-6-ndash-35-nbsp-kv/ (дата обращения 06.11.2021).
20. Никонец А.Л., Венгер В.П., Венгер В.П. Электромагнитные процессы в обмотках трансформатора сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на «землю». – Известия Томского политехнического университета, 2015, т. 326, № 9, с. 95–105.
#
1. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie – in Russ. (Electri-city. Transmission and Distribution), 2021, No 4(67), pp. 24–36.
2. Правила устройства электроустановок (седьмое издание). М.: Morkniga, 2022, 584 p.
3. Kolesnikova K.V., Kosarev S.A., Smotrov N.N. Al'ternativnaya i intellektual'naya energetika: materialy II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Alternative and Intelligent Energy: Materials of the II International Scientific and Practical Conference). Voronezh: Voronezhskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2020, pp. 175–176.
4. Shvedov G.V. Gorodskie raspredelitel'nye elektricheskie seti (Urban Electric Distribution Networks). М.: Izdatel'skiy dom «MEI», 2011, 108 p.
5. ТI 34-70-070-87. Tipovaya instruktsiya po kompensatsii em-kostnogo toka zamykaniya na zemlyu v elektricheskih setyah 6–35 kV (Standard Instruction for Compensation of Capacitive Earth Fault Current in 6-35 kV Electrical Networks). М.: Sluzhba peredovogo opyta PO “Soyuztekhenergo”, 1988, 56 p.
6. Kozlov V.N., Petrov M.I. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2011, No. 1(2), pp. 36–42.
7. Matveev D.A., Hrenov S.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electri-city), 2015, No. 1, pp. 34–39.
8. Gusev O.Yu., Gusev Yu.P., Yuzhanin А.Е. Aktual'nye problemy elektroenergetiki: Sbornik nauchno-tekhnicheskih statey konferentsii (Actual Problems of Electric Power Industry: Collection of Scientific and Technical Articles of the Conference). Nizhniy Novgorod: NGTU im. R.E. Alekseeva, 2021, pp. 337–345, DOI 10.46960/ 44170389_2021_337.
9. Telegin A.V., Shirkovets A.I. Releynaya zashchita i avtoma-tizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2012, No. 3(8), pp. 30–39.
10. Lihachyov F.А. Zamykaniya na zemlyu v setyah s izolirovannoy neytral'yu i s kompensatsiey yomkostnyh tokov (Earth Faults in Networks with Isolated Neutral and with Compensation of Capacitive Currents). М.: Energiya, 1971, 152 p.
11. Kachesov V.Е. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2009, No. 11, pp. 16–26.
12. Buhtoyarov V.F., Mavritsyn А.М. Zashchita ot zamykaniy na zemlyu elektroustanovok kar'erov (Earth Fault Protection of Electrical Installations of Quarries). М.: Nedra, 1986, 184 p.
13. Smotrov N., Okhlopkov A., Bitney V. Analysis of Overvoltage Processes under Single-Phase-to-Earth Fault Conditions in TPP 6–10 kV Switchgear. – 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2022, DOI: 10.1109/REEPE53907.2022.9731401.
14. Kolesnikova K.V., et al. Electrical Safety Assessment in Distribution Networks Considering the Cable Conducting Sheaths Currents. – Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.
15. Valov V.N., Shirkovets A.I., Kudryashov D.S. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2016, vol. 9, pp. 13–17.
16. GОSТ R 50571-4-44-2011. Elektroustanovki nizkovol'tnye. Chast' 4-44. Trebovaniya po obespecheniyu bezopasnosti. Zashchita ot otkloneniy napryazheniya i elektromagnitnyh pomekh (Low-Voltage Electrical Installations. Part 4-44. Protection for Safety. Protection Against Voltage Disturbances and Electromagnetic Disturbances). М.: Standartinform, 2012, 68 p.
17. GОSТ 12.1.038-82. Sistema standartov bezopasnosti truda. Elektrobezopasnost'. Predel'no dopustimye znacheniya napryazheniy prikosnoveniya i tokov (Occupational Safety Standards System. Electric Safety. Maximum Permissible Valuies of Pickp Voltages and Currents). М.: IPK Izd-vo standartov, 2001.
18. C62.92.3-1993. IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III – Generator Auxiliary Systems.
19. Nikolotov О. [Electron. resource]. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2017/10/25/predlozhen-novyj-metod-zashhity-ot-nbsp-zamykanij-na-nbsp-zemlyu-p-p-v-nbsp-raspredsetyah-6-ndash-35-nbsp-kv/ (Date of appeal 06.11.2021).
20. Nikonets A.L., Venger V.P., Venger V.P. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. – in Russ. (News of Tomsk Polytechnic University), 2015, vol. 326, No. 9, pp. 95–105.
2. Правила устройства электроустановок (седьмое издание). М.: Моркнига, 2022, 584 с.
3. Колесникова К.В., Косарев С.А., Смотров Н.Н. Подготовка рекомендаций по обеспечению электробезопасности в распределительных кабельных сетях 6-20 КВ при переходе на низкоомный режим заземления нейтрали. – Альтернативная и интеллектуальная энергетика: материалы II Международной научно-практической конференции. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2020, с. 175–176.
4. Шведов Г.В. Городские распределительные электрические сети. М.: Издательский дом «МЭИ», 2011, 108 с.
5. ТИ 34-70-070-87. Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ. М.: Служба передового опыта ПО “Союзтехэнерго”, 1988, 56 с.
6. Козлов В.Н., Петров М.И. Дугогасящие реакторы в сетях среднего напряжения. – Релейная защита и автоматизация, 2011, № 1(2), с. 36–42.
7. Матвеев Д.А., Хренов С.И. Эффективность управляемых дугогасящих реакторов в электрических сетях 6–35 кВ: теоретические аспекты. – Электричество, 2015, № 1, с. 34–39.
8. Гусев О.Ю., Гусев Ю.П., Южанин А.Е. Феррорезонансные процессы, вызванные однофазными замыканиями на землю, в распределительных сетях с компенсированной нейтралью. – Актуальные проблемы электроэнергетики: Сборник научно-технических статей конференции. Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2021, с. 337–345, DOI 10.46960/44170389_2021_337.
9. Телегин А.В., Ширковец А.И. Проблематика замыканий на землю и режим заземления нейтрали в сетях среднего напряжения стран Европы и Америки. – Релейная защита и автоматизация, 2012, № 3(8), с. 30–39.
10. Лихачёв Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. М.: Энергия, 1971, 152 c.
11. Качесов В.Е. О расчете крутизны перенапряжений на обмотках электрических машин. – Электричество, 2009, № 11, с. 16–26.
12. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. М.: Недра, 1986, 184 с.
13. Smotrov N., Okhlopkov A., Bitney V. Analysis of Overvoltage Processes under Single-Phase-to-Earth Fault Conditions in TPP 6–10 kV Switchgear. – 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2022, DOI: 10.1109/REEPE53907.2022.9731401.
14. Kolesnikova K.V., et al. Electrical Safety Assessment in Distribution Networks Considering the Cable Conducting Sheaths Currents. – Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.
15. Валов В.Н., Ширковец А.И., Кудряшов Д.С. Организация релейной защиты при переводе городских сетей 6–10 кВ с компенсацией емкостного тока на низкоомное резистивное заземление нейтрали. –Энергетик, 2016, т. 9, с. 13–17.
16. ГОСТ Р 50571-4-44-2011. Электроустановки низковольтные. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех. М.: Стандартинформ, 2012, 68 с.
17. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001.
18. C62.92.3-1993. IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III – Generator Auxiliary Systems.
19. Николотов О. Предложен новый метод защиты от замыканий на землю в распред. сетях 6–35 кВ [Электрон. ресурс]. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2017/10/25/predlozhen-novyj-metod-zashhity-ot-nbsp-zamykanij-na-nbsp-zemlyu-p-p-v-nbsp-raspredsetyah-6-ndash-35-nbsp-kv/ (дата обращения 06.11.2021).
20. Никонец А.Л., Венгер В.П., Венгер В.П. Электромагнитные процессы в обмотках трансформатора сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на «землю». – Известия Томского политехнического университета, 2015, т. 326, № 9, с. 95–105.
#
1. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie – in Russ. (Electri-city. Transmission and Distribution), 2021, No 4(67), pp. 24–36.
2. Правила устройства электроустановок (седьмое издание). М.: Morkniga, 2022, 584 p.
3. Kolesnikova K.V., Kosarev S.A., Smotrov N.N. Al'ternativnaya i intellektual'naya energetika: materialy II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Alternative and Intelligent Energy: Materials of the II International Scientific and Practical Conference). Voronezh: Voronezhskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2020, pp. 175–176.
4. Shvedov G.V. Gorodskie raspredelitel'nye elektricheskie seti (Urban Electric Distribution Networks). М.: Izdatel'skiy dom «MEI», 2011, 108 p.
5. ТI 34-70-070-87. Tipovaya instruktsiya po kompensatsii em-kostnogo toka zamykaniya na zemlyu v elektricheskih setyah 6–35 kV (Standard Instruction for Compensation of Capacitive Earth Fault Current in 6-35 kV Electrical Networks). М.: Sluzhba peredovogo opyta PO “Soyuztekhenergo”, 1988, 56 p.
6. Kozlov V.N., Petrov M.I. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2011, No. 1(2), pp. 36–42.
7. Matveev D.A., Hrenov S.I. Elektrichestvo – in Russ. (Electri-city), 2015, No. 1, pp. 34–39.
8. Gusev O.Yu., Gusev Yu.P., Yuzhanin А.Е. Aktual'nye problemy elektroenergetiki: Sbornik nauchno-tekhnicheskih statey konferentsii (Actual Problems of Electric Power Industry: Collection of Scientific and Technical Articles of the Conference). Nizhniy Novgorod: NGTU im. R.E. Alekseeva, 2021, pp. 337–345, DOI 10.46960/ 44170389_2021_337.
9. Telegin A.V., Shirkovets A.I. Releynaya zashchita i avtoma-tizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2012, No. 3(8), pp. 30–39.
10. Lihachyov F.А. Zamykaniya na zemlyu v setyah s izolirovannoy neytral'yu i s kompensatsiey yomkostnyh tokov (Earth Faults in Networks with Isolated Neutral and with Compensation of Capacitive Currents). М.: Energiya, 1971, 152 p.
11. Kachesov V.Е. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2009, No. 11, pp. 16–26.
12. Buhtoyarov V.F., Mavritsyn А.М. Zashchita ot zamykaniy na zemlyu elektroustanovok kar'erov (Earth Fault Protection of Electrical Installations of Quarries). М.: Nedra, 1986, 184 p.
13. Smotrov N., Okhlopkov A., Bitney V. Analysis of Overvoltage Processes under Single-Phase-to-Earth Fault Conditions in TPP 6–10 kV Switchgear. – 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2022, DOI: 10.1109/REEPE53907.2022.9731401.
14. Kolesnikova K.V., et al. Electrical Safety Assessment in Distribution Networks Considering the Cable Conducting Sheaths Currents. – Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.
15. Valov V.N., Shirkovets A.I., Kudryashov D.S. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2016, vol. 9, pp. 13–17.
16. GОSТ R 50571-4-44-2011. Elektroustanovki nizkovol'tnye. Chast' 4-44. Trebovaniya po obespecheniyu bezopasnosti. Zashchita ot otkloneniy napryazheniya i elektromagnitnyh pomekh (Low-Voltage Electrical Installations. Part 4-44. Protection for Safety. Protection Against Voltage Disturbances and Electromagnetic Disturbances). М.: Standartinform, 2012, 68 p.
17. GОSТ 12.1.038-82. Sistema standartov bezopasnosti truda. Elektrobezopasnost'. Predel'no dopustimye znacheniya napryazheniy prikosnoveniya i tokov (Occupational Safety Standards System. Electric Safety. Maximum Permissible Valuies of Pickp Voltages and Currents). М.: IPK Izd-vo standartov, 2001.
18. C62.92.3-1993. IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III – Generator Auxiliary Systems.
19. Nikolotov О. [Electron. resource]. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2017/10/25/predlozhen-novyj-metod-zashhity-ot-nbsp-zamykanij-na-nbsp-zemlyu-p-p-v-nbsp-raspredsetyah-6-ndash-35-nbsp-kv/ (Date of appeal 06.11.2021).
20. Nikonets A.L., Venger V.P., Venger V.P. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. – in Russ. (News of Tomsk Polytechnic University), 2015, vol. 326, No. 9, pp. 95–105.
Published
2021-11-12
Issue
Section
Article
