Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ - файл n1.doc

Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ
скачать (888 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc888kb.03.12.2012 21:58скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Часть 1

Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ
Особенности возникновения и приборы защиты

Процессы, протекающие в сетях 6-35 кВ при однофазных замыканиях на землю, и способы защиты от ОЗЗ – этой теме посвящено довольно большое количество публикаций в специализированной литературе.
Наш автор Алексей Иванович Шалин сегодня рассматривает различные виды повреждений, возникающих на воздушных и кабельных линиях электропередачи при однофазных замыканиях на землю, а также процессы, возникающие при этом в электрических сетях.


Как известно, характер процессов, протекающих в сети при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ), в большой степени зависит от режима заземления нейтрали. В настоящее время в России используются четыре способа заземления нейтрали в рассматриваемых сетях: изолированная, компенсированная, резистивно-заземленная и комбинированная

– с резистором и дугогасящим реактором в нейтрали.
Эксплуатируемые в российских сетях с изолированной и компенсированной нейтралью защиты далеки от совершенства. Требуется разработка новых, более совершенных защит от ОЗЗ.
Опыт работы показывает, что при сохранении традиционных способов заземления нейтрали существенного «прорыва» в этой области едва ли можно ожидать. Принципиально новые возможности появляются при заземлении нейтрали через резистор. При этом в некоторых случаях (при больших, порядка десятков ампер, емкостных токах сети) резистивное заземление совмещают с включением в нейтраль дугогасящего реактора LN (рис.1). Вид защиты от ОЗЗ безусловно должен выбираться с учетом режима заземления нейтрали. Желательно в процессе проектирования выбрать такую защиту, которую не придется заменять при дальнейшем развитии сети.




Устойчивым признаком поврежденного присоединения в соответствии с рис. 1 является протекание по нему активного тока заземляющего резистора RN.

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ ОЗЗ


При ОЗЗ в резистивно-заземленных сетях возможны повреждения, которые с точки зрения защиты можно разделить на несколько основных категорий:

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 защиты 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, проведенном с участием автора, при падении провода ЛЭП 35 кВ на песок отмечалось переходное сопротивление, которое в течение нескольких секунд изменялось примерно от 7 до 5 кОм. В литературе указано, что 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 ЛЭП от ОЗЗ, поскольку с ростом переходного сопротивления уменьшаются как напряжения U0, так и токи нулевой последовательности I0.

Дуговое замыкание

Наблюдается при пробоях и перекрытиях фазной изоляции. При этом весьма часто наблюдается «прерывистая» форма кривой тока в дуге. Такая дуга, как известно, называется перемежающейся. На рис. 2 приведены осциллограммы тока в месте ОЗЗ и тока в реле защиты поврежденной линии при замыкании на землю через дугу и наличии заземляющего резистора. Видно, что 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. В литературе приведен анализ зависимости продолжительности бестоковой паузы, связанной с медленным зарядом емкости поврежденной фазы после погасания дуги, от параметров сети. Показано, 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 ЛЭП может привести к неселективной работе защиты. Во время некоторых проведенных экспериментов токи нулевой последовательности, например, неповрежденных ЛЭП в несколько раз превышали 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 ВОЗДУШНЫХ ЛЭП, 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 воздушной ЛЭП. 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 её срабатывание обычно не происходит из-за кратковременности такого замыкания.

КОНСТРУКЦИИ ЛЭП И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СЕТИ

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

ОЗЗ НА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ

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.
Можно предположить, что 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.

ОЗЗ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ

Похожие проблемы могут возникнуть при перемежающейся дуге и в защите воздушных линий. 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.
Еще одной особенностью, выявленной при участии автора в сетях 35 кВ, является влияние при ОЗЗ цепей двухцепных воздушных ЛЭП друг на друга. Типовое подключение этих ВЛ (обозначенных как А, В, С) к сборным шинам подстанции показано на рис. 3.




В схеме в нейтраль 35 кВ каждого силового трансформатора включен заземляющий резистор R1, R2. Секционный выключатель обычно отключен. 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 левой секции сборных шин подстанции, так и к правой. 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 ЛЭП 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, по мнению автора, 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.
Токи нулевой последовательности могут изменяться в процессе эксплуатации в силу следующих причин:

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 ЛЭП. При этом вектора и величины токов в этих линиях 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.
ЗАЩИТЫ ОТ ОЗЗ

Современные защиты на микропроцессорной базе далеко не всегда удается отнести к какому-то конкретному классу, поскольку в них обычно используется несколько алгоритмов. При рассмотрении таких защит уместно говорить о двух и более классах, к которым они принадлежат. Защиты на электромеханической базе или выполненные с использованием микросхем среднего уровня интеграции, как правило, поддаются такой классификации, хотя отсутствие в печати, а иногда и в инструкциях по эксплуатации подробной и достоверной информации затрудняет этот процесс.
Тем не менее попытаемся систематизировать то многообразие защит от ОЗЗ, которые в настоящее время эксплуатируются в энергосистемах России и могут быть использованы в резистивно-заземленных сетях.
Часть 2

ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ

Случаи неправильных действий защит
Следует отметить, что, несмотря на многолетний опыт эксплуатации направленных токовых защит нулевой последовательности от однофазных замыканий на землю в сетях 6–35 кВ, в России до сих пор отсутствуют методики расчета их уставок. Автору не известны также материалы, регламентирующие расчет уставок чувствительных импортных защит от ОЗЗ, представленных сегодня на российском рынке. Однако это отдельный вопрос, выходящий за рамки публикуемой статьи.
Мы же рассмотрим некоторые схемные особенности отечественных сетей, приводящие к неправильному действию защит от ОЗЗ.

ОЗЗ НА ПОДСТАНЦИИ


Как известно, обычно трансформаторы тока в сетях 6–10 кВ устанавливаются в фазах А и С. В фазе В трансформаторы тока не устанавливаются. Замыкание на землю сопровождается малыми токами, при которых защиты от междуфазных коротких замыканий (КЗ) не срабатывают, а должна подействовать защита от ОЗЗ. При двойных замыканиях на землю ток резко увеличивается и должна сработать защита от междуфазных КЗ.
В процессе работы на подстанциях одной из энергосистем (подстанции 2 и 3 на рис. 1) выяснилось (эксперимент проводил к.т.н. доцент А.И. Щеглов, НГТУ), что те токопроводы, которые на одной из подстанций считались принадлежащими фазе А, на другой подстанции обозначались как фаза В и т.д. Такой разнобой в наименованиях фаз, как показало проведенное обследование, не редкость на сетевых подстанциях 6–35 кВ.
На рис. 1 наименование сборных шин на подстанции 2 соответствует аналогичному на головной подстанции 1, а на подстанции 3 токопровод, обозначенный как фаза А, соответствует фазе С на головной подстанции, токопровод В соответствует фазе А, а фаза С на подстанции 3 соответствует фазе А на подстанции 1. При этом чередование фаз на подстанции 3 сохраняется, все векторные диаграммы при принятом наименовании фаз соответствуют стандартным, потребители не ощущают «перепутывания» фаз. Связи между подстанциями 2 и 3 по сети, кроме указанных на рисунке, отсутствуют.
При возникновении однофазного замыкания на землю в фазе В на подстанции 2 напряжение в двух других фазах повышается. В процессе проводимого эксперимента произошел пробой изоляции на землю на одном из присоединений подстанции 3. На подстанции 3 соответствующая фаза была обозначена как фаза В и в ней не был установлен трансформатор тока. В действительности повредившаяся фаза соответствует фазе А на головной подстанции. В результате двойное замыкание в фазе В на обеих подстанциях, являясь, по сути, междуфазным КЗ, не привело к срабатыванию защит от междуфазных КЗ на подстанциях, поскольку фазы В (в действительности – разные фазы) не обработаны трансформаторами тока. Сработала защита от междуфазных КЗ на питающей ЛЭП (ЛЭП-4 на рис. 1). Если на подстанции 2 фазы не перепутаны, то она останется не отключенной вместе с ОЗЗ.




Такое действие защиты, кроме увеличения количества отключенных присоединений, может сильно осложнить последующий поиск поврежденного участка, поскольку на ЛЭП-4 – единственной, где сработала защита, повреждение отсутствует. На поврежденных же участках, где защита от ОЗЗ отстроена по времени от времени срабатывания защиты от КЗ, ни одна защита не сработала.
Очевидно, что из сложившегося положения можно выйти, если привести обозначения одинаковых фаз на разных подстанциях в соответствие друг с другом. Если же это по какой-то причине затруднительно, то можно дополнительно установить на подстанциях трансформаторы тока в фазе В и защиту от междуфазных КЗ в трехфазном исполнении.

Дешевле установить на подстанциях надежную защиту отходящих присоединений от ОЗЗ, способную четко функционировать при уровнях токов, соответствующих междуфазным КЗ.
В некоторой степени спасти ситуацию может установка на вводах в подстанцию защиты от ОЗЗ, согласованной по времени действия с защитой от междуфазных КЗ (выдержка времени защиты от ОЗЗ должна быть меньше, чем у защиты от КЗ). При этом отключение происходит на той подстанции, где произошло повреждение, что существенно облегчает последующую ликвидацию аварии и разбор ее причин.
ОЗЗ НА КАБЕЛЬНОЙ РАЗДЕЛКЕ
Непростая ситуация возникает при ОЗЗ на кабельной разделке, до места установки трансформатора тока нулевой последовательности (рис. 2). При этом повреждении защита рассматриваемого присоединения от ОЗЗ, выполненная на реле КА, не срабатывает, т.к. ток нулевой последовательности протекает от сборных шин до места замыкания, не попадая в кабельный трансформатор тока.
Составляющая тока нулевой последовательности 3I0 , которая протекает от потребителя к месту ОЗЗ, обычно бывает незначительной и не приводит к срабатыванию защиты (защита от нее отстраивается). Не срабатывает также защита от КЗ (по крайней мере, до того момента, когда ОЗЗ переходит в междуфазное КЗ). Известны случаи, когда ОЗЗ на кабельной разделке, сопровождающееся открытой дугой, приводило к возгоранию разлитого в ячейке масла или его паров и дальнейшему пожару. В результате возникала серьезная авария. В какой-то степени помочь выйти из затруднительного положения в данном случае может либо дуговая защита (она пока установлена далеко не на всех объектах), либо защита от ОЗЗ, установленная на вводах на подстанцию (такая защита в рассматриваемом случае отключит всю секцию, от которой питается поврежденная линия). Но такая защита на вводах в настоящее время также обычно не предусматривается.

ОЗЗ В «ПУЧКАХ КАБЕЛЕЙ». ОБЩИЕ ВОПРОСЫ


Интересные случаи неправильной работы защиты были обнаружены в «пучках кабелей», т.е. в тех случаях, когда питание потребителям выдается через несколько параллельно включенных кабелей. Известно, что в этом случае на каждом кабеле устанавливается свой трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП). Вторичные обмотки этих ТТНП, например, могут быть включены либо параллельно, либо последовательно, после чего подключается токовое реле (например, РТЗ-51). В литературе, со ссылкой на эксперименты, проведенные в 30-е годы прошлого века в ТЭП, рекомендуется, как правило, включать вторичные обмотки ТТНП последовательно.
Увеличение количества ТТНП в группе ведет к росту минимального тока срабатывания защиты, который можно получить. Например, минимальный ток срабатывания защиты, использующей один ТТНП типа ТЗРЛ и реле РТЗ-51, равен 0,69 А. Если два ТЗРЛ по цепям вторичных обмоток включены параллельно, минимальный ток срабатывания составляет 0,97 А, а при последовательном соединении обмоток – 1,25 А. При наличии трех кабелей и соответственно трех ТТНП, вторичные обмотки которых соединены параллельно, минимальный ток срабатывания равен 1,19 А, а при последовательном соединении обмоток – 1,95 А.
Высокая точность приведенных результатов (до третьего знака) вызывает сомнения. Эксперименты, проведенные автором статьи совместно с инженером А.М. Хабаровым и доцентом А.И. Щегловым с трансформаторами тока типа ТЗЛМ, показывают, что при минимальной уставке реле РТЗ-51 первичные токи срабатывания комплектов защит, использующих разные экземпляры однотипных ТТНП, могут существенно отличаться от 0,69 А и друг от друга (в эксперименте с тремя разными ТТНП они находились в пределах 0,55–0,76 А). Отличаются и токи срабатывания при двух и большем количестве ТТНП.
В результате в каждом конкретном случае первичный ток срабатывания защиты приходится определять опытным путем, пропуская через окно (или окна) ТТНП провод и поднимая ток до момента срабатывания защиты. С таким неудобством приходится сталкиваться каждому специалисту, занятому эксплуатацией защит кабельных линий от ОЗЗ. Как правило, указанная особенность не приводит к существенным затруднениям при выборе уставок. Однако бывают и другие случаи
ПИТАНИЕ РАЗНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ ОДНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
На рис. 3 показана схема, где к одному выключателю подключен пучок из двух кабелей. В цепи каждого кабеля установлен свой трансформатор ТА тока нулевой последовательности. Такое решение можно считать типовым, если оба кабеля идут к одному потребителю. Рассматриваемый же пример характерен для давно построенных подстанций, сетевой район вокруг которых продолжает развиваться. В таких случаях иногда, при невозможности или неэкономичности расширения КРУ на подстанции, принимают решение о подключении к одному выключателю двух потребителей, питающихся по отдельным кабелям. Иногда такие решения принимаются и на вновь проектируемых подстанциях, когда у работников проектной организации нет полной информации о потребителях и их схемах присоединения к ЛЭП. Вторичные обмотки ТА в данном случае были включены последовательно и к ним подключена обмотка токового реле КА. Специалисты, эксплуатирующие описываемую установку, отметили, что часто защита рассматриваемых фидеров от ОЗЗ не срабатывает при однофазных замыканиях на землю в кабелях. Как выяснилось впоследствии, рассматриваемые кабели идут к разным потребителям и не соединяются между собой на противоположной от питающей подстанции стороне. При ОЗЗ на одном из кабелей по схеме протекают токи нулевой последовательности (на рисунке изображены стрелками). По трансформаторам тока ТА эти токи, как видно из рисунка, протекают в разных направлениях.




Проведенные в НГТУ эксперименты показали, что характеристики срабатывания защиты, собранной по рассматриваемой схеме, выглядят так, как это показано на рис. 4. По вертикальной оси отложен ток в трансформаторе тока ТА1, а по горизонтальной оси – в трансформаторе тока ТА2. Если рабочая точка попадает внутрь характеристики срабатывания (на рисунке показано несколько характеристик, соответствующих разным уставкам на реле КА типа РТЗ-51: синяя соответствует уставке реле в 20 мА, красная – в 80 мА, зеленая – в 140 мА). Из рисунка видно, что даже незначительные токи в ТА1 могут заблокировать защиту, т.е. привести к отказу в срабатывании при ОЗЗ, несмотря на достаточно большой ток в трансформаторе ТА2.

Например, если по ТА1 протекает ток в 15 А, то даже ток в 60 А, протекающий по трансформатору тока ТА2, не приводит защиту к срабатыванию.
Так и произошло в приведенном случае: несмотря на то, что токи нулевой последовательности, протекающие по ТА1 и ТА2, отличались во много раз, при таком токораспределении защита не срабатывала. Пришлось в цепь каждого ТА ставить свое токовое реле. Теперь защита работает нормально.
Справедливости ради следует отметить, что дальнейшие эксперименты А.М. Хабарова, результаты которых приведены на рис. 5, показали, что существенного улучшения характеристик защиты можно было добиться также, изменив схему соединения вторичных обмоток ТТНП с последовательной на параллельную. При этом зона несрабатывания защиты существенно уменьшалась и располагалась вблизи биссектрисы графика, т.е. заблокировать защиту теперь можно только противоположным по фазе током в ТА1, величина которого близка к току в ТА2. Обозначения на рис. 5 те же, что на рис. 4.



НАРУШЕНИЕ КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Еще один интересный случай, связанный с работой защиты на «пучке кабелей», проиллюстрирован рис. 6.
Потребитель М получает питание от секции сборных шин через пучок из двух кабелей и силовой выключатель. В нормальном режиме работы токи в фазах потребителя равны по величине и сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120 электрических градусов (рис. 7а). Суммарный ток нагрузки, значение которого зависит от режима работы потребителя, равномерно распределяется по кабелям пучка. Векторная диаграмма первичных токов, протекающих по каждому кабелю, аналогична изображенной на рис.7а, но величина каждого из этих токов в два раза меньше суммарного тока потребителя. В результате этого суммарный магнитный поток в каждом из кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности равен нулю и токи во вторичных цепях этих трансформаторов отсутствуют. Реагирующий орган защиты находится в несработавшем состоянии.


При нарушении одного из контактных соединений в кабельном пучке (например, в фазе А правого кабеля) ток в соответствующей фазе кабеля уменьшается. Но поскольку суммарный ток в фазе А потребителя определяется в основном сопротивлением потребителя, а не кабеля (сопротивление кабеля чрезвычайно мало по сравнению с сопротивлением потребителя), суммарный ток в фазе А потребителя практически остается прежним. Следовательно, возрастает на соответствующую величину ток в фазе А оставшегося исправным кабеля. На рис. 7б показана векторная диаграмма фазных токов в правом кабеле в рассматриваемом режиме.
Предполагается, что ток в фазе А продолжает протекать, но его величина уменьшилась по сравнению с токами в фазах В и С. Из рис. 7б видно, что сумма токов в фазах правого кабеля уже не равна нулю, она равна 3I0. Это эквивалентно появлению в правом кабеле тока нулевой последовательности, причем этот ток может достигать весьма большой величины, соизмеримой с фазным током нагрузки. В результате во вторичной обмотке кабельного трансформатора тока нулевой последовательности правого кабеля возникает электродвижущая сила и ток, путь протекания которого рассмотрен ниже.
Ток в фазе А неповрежденного левого кабеля увеличился и стал больше токов в фазах В и С (рис. 7в). В результате суммарный магнитный поток в кабельном трансформаторе тока левого кабеля также стал отличным от нуля. Во вторичной обмотке этого трансформатора тока появилась электродвижущая сила и ток, направленный противоположно току в обмотке ТТНП левого кабеля. В результате токи, протекающие по вторичным обмоткам ТТНП, станут замыкаться через вторичные обмотки кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности.




Специалисты одной из энергосистем, которые обратились к нам с описанием такого случая, отмечали, что при последовательном соединении вторичных обмоток ТТНП у них неоднократно отмечались отказы защиты от ОЗЗ. Сами факты нарушения контактных соединений они обнаруживали с помощью тепловизора. Нетрудно убедиться, что рассматриваемый случай, по сути, идентичен рассмотренному выше. При некоторых сочетаниях значений токов, возникающих при ОЗЗ в одном из кабелей, рабочая характеристика попадает в зону несрабатывания (рис. 4) и защита не срабатывает.
При малых «разбалансах» токов в одинаковых фазах разных кабелей ток в реагирующем органе защиты мал и ложное срабатывание защиты не происходит. При дальнейшем ухудшении контактных соединений появляется ток небаланса, который при одних ОЗЗ (например, в фазе А) может недопустимо загрубить защиту (ток срабатывания повышается в 1,5–1,9 раза), а при других ОЗЗ ток срабатывания может недопустимо снизиться, в результате чего защита может сработать излишне (при внешних ОЗЗ) или ложно (при отсутствии ОЗЗ) (рис. 4).

Как и в предыдущем случае, переход к параллельному включению вторичных обмоток ТТНП несколько упростит ситуацию, хотя и не позволит полностью избавиться от проблемы.
Следует отметить, что последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока нулевой последовательности дает небалансы гораздо большей величины, чем при параллельном соединении (рис. 4, 5). Вероятность отказов защиты при ОЗЗ на защищаемом кабеле и вероятность ложных срабатываний (при отсутствии ОЗЗ в сети) при последовательном соединении вторичных обмоток ТТНП сильно возрастает.

В настоящее время на кафедре электрических станций НГТУ разрабатывается устройство, позволяющее предотвратить описанные выше отказы в срабатывании защиты и формирующее сигнал для обслуживающего персонала о нарушении контактного соединения в пучке кабелей. Кроме повышения надежности и эффективности защиты от ОЗЗ, такое устройство позволит избавиться еще от одной неприятности: при нарушении контактного соединения в одном кабеле соответствующая фаза второго кабеля может перегрузиться, повысится температура изоляции и ускорится ее старение.
Проведенные эксперименты показали, что совместная работа разъемного и неразъемного ТТНП, как при последовательном, так и при параллельном соединении их обмоток, существенно ухудшает характеристики защиты в рассмотренных выше случаях.
Часть 3

ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ

Достоинства и недостатки различных защит
экспертное мнение

Сергей Титенков,
к.т.н., ОАО «ПО Элтехника»
Тема, рассмотренная в статье А.И. Шалина, крайне актуальна для эксплуатирующих и проектных организаций. К сожалению, до последнего времени в России использовался режим изолированной нейтрали и неселективная сигнализация замыканий на землю. Сейчас ситуация меняется, и в некоторых сетях переходят к действию защит от однофазных замыканий на отключение. При этом, конечно же, возникает проблема выбора правильных уставок. Автор достаточно подробно разбирает эту проблему.

Однако, на мой взгляд, отдельные соображения, изложенные автором в статье, точнее, в разделах, посвященных выбору уставок срабатывания релейных защит от однофазных замыканий на землю, нуждаются в небольшом комментарии.

Так, автор совершенно верно отмечает расхождения в рекомендациях по определению величины коэффициента броска при выборе уставки срабатывания защит от замыканий на землю. Ничего удивительного в этом нет. Данный коэффициент специалисты приводят на основании опыта эксплуатации, а не расчетов.

Что мы называем броском емкостного тока? Это высокочастотный ток нулевой последовательности, возникающий вследствие перезаряда емкости присоединения при однофазном замыкании. Его величина определяется в основном емкостью присоединения и индуктивностью источника, а также токоограничивающих реакторов при их наличии. Присутствие дугогасящего реактора в нейтрали никак не сказывается на величине тока перезаряда. Впрочем, как и наличие резистора, который включается в сетях 6–10 кВ в нейтраль маломощного трансформатора заземления нейтрали.

Каким же образом возникло представление, отраженное в том числе и в данном материале, что возможно уменьшение коэффициента броска при наличии в сети заземления через резистор? Похоже, что это ошибочное, на мой взгляд, мнение сформировалось на основании работы Зильбермана В.А., Эпштейна И.М., Петрищева Л.С. и Рождественского Г.Г. «Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты», опубликованной в журнале «Электричество» № 2 за 1987 год.

Думается, что проблема выбора уставок защит от однофазных замыканий на землю и величины коэффициента броска емкостного тока требует более детального анализа.


Основные типы защит от ОЗЗ
В настоящее время в России и за рубежом применяются следующие основные разновидности защит от ОЗЗ:

Рассмотрим достоинства и недостатки этих защит, а также аппаратуру, реализующую соответствующие принципы и имеющуюся на отечественном рынке. Будем при этом учитывать, что современные микропроцессорные терминалы обычно позволяют реализовать сразу несколько алгоритмов, относящихся к различным принципам действия защит. В процессе проектирования и эксплуатации выбираются один или несколько наиболее подходящих к конкретным условиям эксплуатации алгоритмов и уточняются уставки.

Следует отметить, что вопрос выбора уставок большинства разновидностей защит от ОЗЗ в настоящее время весьма далек от своего окончательного решения и требует отдельного обсуждения.
1. Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности
Эти защиты могут действовать на отключение линии с ОЗЗ в том случае, если от сборных шин подстанции отходит только одна линия – такие объекты встречаются. Для одного такого весьма ответственного объекта напряжением 35 кВ автор настоящей статьи выбирал виды защитных устройств, схемы и уставки защиты в текущем году.

По сравнению с ненаправленными токовыми и другими защитами рассматриваемый вариант обладает существенными преимуществами – в напряжении нулевой последовательности содержится гораздо меньше высокочастотных составляющих и защита по напряжению нулевой последовательности лучше ведет себя, например, при перемежающихся и прерывистых ОЗЗ. Ей также не мешает наличие в сети дугогасящего реактора.

Одним из недостатков такой защиты при ее подключении к соединенной по схеме «разомкнутого треугольника» обмотке установленного на сборных шинах трехфазного трансформатора напряжения (ТН) или группы однофазных является то, что она может работать неправильно. Например, при сгорании одного из предохранителей, установленных в первичных цепях этих измерительных трансформаторов, защита может отключить неповрежденный защищаемый объект. Обычно для блокирования срабатывания защиты в таком случае предусматривается реле максимального напряжения обратной последовательности, подключенное к вторичной обмотке того же ТН, соединенной в «звезду». Тогда при сгорании предохранителя защита блокируется и защищаемый объект на время восстановления исправности предохранителя остается без защиты от ОЗЗ. Если комплект защиты установлен на подстанции без постоянного обслуживания, то защита может надолго оказаться заблокированной.

Можно использовать несколько выходов из создавшейся ситуации:

Выше уже отмечалось, что действовать на отключение рассматриваемая разновидность защиты может только в том случае, если к сборным шинам подключено лишь одно присоединение. При наличии нескольких присоединений такая защита может быть использована только в качестве неселективной сигнализации, т.е. сообщать о появлении в сети ОЗЗ без указания поврежденного присоединения. Именно в таком качестве она и используется в подавляющем большинстве случаев.

При этом поиск поврежденного присоединения обычно производится поочередным отключением присоединений по признаку исчезновения напряжения нулевой последовательности, что может вызвать значительные трудности. Известно о ряде аварий, связанных с такими отключениями и последующими включениями – например, случай отказа во включении одной из фаз воздушного выключателя на 35 кВ с пофазным приводом и повреждением силового трансформатора, вызванного явлением феррорезонанса. Неоднократно при длительном присутствии ОЗЗ в сети наблюдались «вторичные» пробои изоляции в двигателях, что вызывало большие токи в месте повреждения и значительные затраты на ремонт и т.д.

В некоторых случаях снизить остроту ситуации можно «доступными» средствами. Например, если на распределительных устройствах 35 кВ имеются не секции, а системы шин с нормально отключенным шиносоединительным выключателем. В таких случаях поиск поврежденного присоединения целесообразно производить не поочередным отключением и включением присоединений, а временным их переводом на вторую систему шин. При этом задача может быть решена без отключения присоединений.

Следует отметить, что и этот путь имеет большие недостатки. Гораздо более радикальным решением является установка селективной токовой защиты, выявляющей поврежденное присоединение. Такая защита может быть построена на использовании рассмотренных ниже принципов.
2. Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности
Работа защит в сетях с изолированной нейтралью


Далеко не всегда удается реализовать эффективную ненаправленную токовую защиту нулевой последовательности в сетях с изолированной нейтралью (без дугогасящего реактора и резистивного заземления нейтрали).

В первую очередь это относится к сетям с воздушными линиями электропередачи, в частности напряжением 35 кВ, где используются трехтрансформаторные фильтры тока нулевой последовательности, а в месте ОЗЗ могут возникать большие переходные сопротивления. Здесь защиту надо отстраивать не только от собственного емкостного тока защищаемого присоединения, а еще и от тока небаланса нулевой последовательности, появляющегося из-за неодинаковых характеристик трансформаторов тока, из которых собран фильтр тока нулевой последовательности. При возникновении в месте ОЗЗ большого переходного сопротивления, защита, отстроенная от собственного емкостного тока и тока небаланса трехтрансформаторного фильтра, может не сработать. В таких сетях, а также в сетях, в которых эксплуатируются одновременно воздушные и кабельные ЛЭП, целесообразно использовать направленные токовые защиты нулевой последовательности.

Выбор уставок срабатывания релейных защит от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью

Ток срабатывания защиты кабельной линии от ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью Iсз принято выбирать из следующего условия:
,  (1)
где Кн – коэффициент надежности; Кбр – коэффициент «броска», учитывающий бросок емкостного тока в момент возникновения ОЗЗ, а также способность реле реагировать на него; Ic.фид.макс– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.

Для мгновенно действующих защит от ОЗЗ в расчетах следует принимать значение произведения Кн• Кбр= 4–5. Для защит с выдержкой времени при возможности возникновения перемежающейся дуги Кн• Кбр= 2,5. По-видимому, эти значения рекомендованы для традиционных отечественных реле защиты включая РТЗ-51.

В некоторой литетратуре предлагается считать Кн ~ 1,2, Кбр= 3–5,(применительно к реле старых типов). Для реле РТЗ-51 рекомендуется принимать Кбр= 2–3. При этом предлагается выполнять защиту без выдержки времени. «При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, например, серии SPACOM, в том числе SPAC-800 можно принимать значения Кбр= 1–1,5 (необходимо уточнить у фирмы-изготовителя)».

Чувствительность проверяется по величине коэффициента Кч:
, (2)
где Iзащ – ток в защите поврежденной ЛЭП, равный разности суммарного емкостного тока сети в рассматриваемом расчетном режиме и емкостного тока поврежденной ЛЭП; Кч.норм– нормативный коэффициент чувствительности.

Рекомендуется принимать Кч.норм = 1,25–1,5, причем нижнее значение величины kч относить к кабельным ЛЭП, а верхнее – к воздушным.

В некоторой литературе предлагается считать Кч.норм = 1,5–2,0.

Условия (1), (2) могут быть реализованы для мгновенно действующих защит в кабельных сетях в том случае, если суммарный емкостный ток ЗI0лэп защищаемой линии в 5–10 раз меньше, чем емкостный ток оставшихся присоединений в рассматриваемом (минимальном) режиме сети. Для защит с выдержкой времени в тех же сетях (1) и (2) удается реализовать, если ток ЗI0лэп в 3–5 раз меньше емкостного тока оставшихся присоединений. Такие соотношения выполняются в сетях 6–35 кВ далеко не всегда.

Для кабельных сетей 6–10 кВ отдельных цехов предприятий, в которых имеется большое количество присоединений с малым емкостным током (например, десятки маломощных двигателей) и отсутствуют дугогасящие реакторы, во многих случаях приведенные выше условия выполняются и рассматриваемая защита может работать достаточно эффективно.

Для распределительных подстанций и коммутационных пунктов описанные выше условия часто не выполняются, что приводит к необходимости использовать более совершенные защиты.

Для защит воздушных ЛЭП, в которых используются трехтрансформаторные фильтры тока ЗI0, ток срабатывания следует выбирать следующим образом:
, (3)
где Iнб – ток небаланса фильтра;

Поскольку емкостный ток воздушных ЛЭП невелик (примерно в 35 раз меньше, чем в кабелях при одинаковой длине), ток небаланса может оказать существенное влияние на выбор тока срабатывания защиты. О расчете величины Iнб следует говорить отдельно.

Работа защит в резистивно-заземленных сетях


В некоторых случаях необходимую эффективность можно обеспечить с помощью ненаправленных токовых защит нулевой последовательности. В первую очередь это относится к резистивно-заземленным сетям. Если, например, речь идет о защите кабельной сети собственных нужд электростанции, в которой в месте ОЗЗ протекает активный ток заземляющего резистора порядка 35–40 А, а емкостные токи отдельных присоединений не превышают нескольких ампер, то здесь успешно могут быть использованы многие из известных токовых реле.

Однако эксплуатация защит, построенных на токовых реле устаревших конструкций, например серий РТ-40/0,2, может привести к неселективной работе из-за резкого увеличения токов нулевой последовательности при дуговых замыканиях за счет высокочастотных составляющих.

Более совершенными являются защиты, построенные на отечественных реле типа РТЗ-51, блоках микропроцессорной защиты БМРЗ (например, БМРЗ-КЛ-11, БМРЗ-КЛ-36, БМРЗ-КЛ-42, БМРЗ-КЛ-51) НТЦ «Механотроника», терминалах защиты SEPAM типа S20 (код ANSI 50N/51N или 50G/51G) фирмы Schneider Electric, защиты серии SPACOM, например, SPAC-800 производства «АББ Реле-Чебоксары», устройства типа MiCOM P121, P122 Compact, P123 компании AREVA (бывшая ALSTOM), защита типа SIPROTEC 4 7SJ61 фирмы SIEMENS и т. д.

Меньше всего затрат требует установка реле РТЗ-51, но эти устройства способны обеспечить защиту присоединений только от ОЗЗ. Остальные же перечисленные микропроцессорные терминалы обеспечивают также защиту от междуфазных коротких замыканий и некоторых других ненормальных режимов работы.

При правильном выборе уставок все упомянутые защиты, включая отечественные, могут эффективно работать в рассматриваемом случае. Но следует иметь в виду особенность горения дуги в кабелях с бумажной изоляцией, пропитанной масляно-канифольной мастикой, (прерывистая дуга), и либо не использовать выдержку времени, либо пользоваться ею крайне осторожно, принимая соответствующие решения на основании результатов опытной эксплуатации.

Большинство импортных релейных терминалов имеют опции, обеспечивающие их правильное функционирование в режимах с прерывистой дугой. Для этого в них предусматривается возможность использовать задержку времени на возврат токового органа после его кратковременного срабатывания. Выбрав время возврата больше длительности бестоковой паузы в дуге, обеспечивают правильную работу защиты, в частности, на кабелях с бумажно-масляной изоляцией. При этом защита может действовать как мгновенно, так и с выдержкой времени, но при выборе ступени селективности следует учитывать введенную задержку на возврат. При этом ступень селективности увеличивается. Удобно использовать «токозависимые» выдержки времени.

Перечисленные защиты содержат фильтры, выделяющие синусоидальную составляющую промышленной частоты, что позволяет существенно улучшить отстройку от режима внешних дуговых замыканий. Использование таких фильтров вызывает обоснованную тревогу некоторых специалистов, поскольку трудно гарантировать их правильную работу, например, в процессе горения перемежающейся дуги. Однако отказ от использования этих фильтров резко снижает селективность защиты.
Выбор уставок срабатывания релейных защит от ОЗЗ при наличии резистивного заземления нейтрали


Установка в сети заземляющего резистора облегчает условия выбора уставок и улучшает селективность работы релейных защит от ОЗЗ.

При защите асинхронных двигателей коэффициент броска при установке заземляющего резистора для всех видов используемых реле может быть снижен до значения Кбр= 1,2...1,3. Иногда при расчете защиты от ОЗЗ кабельных фидеров 6–10 кВ и наличии заземляющего резистора предлагается принимать Кбр= 1,2...1,5.

В результате при установке в сети заземляющих резисторов ток срабатывания ненаправленных защит от ОЗЗ может быть несколько снижен.

Проще обеспечить и чувствительность защиты, поскольку через защиту поврежденной линии теперь протекает сумма соответствующих емкостных токов и активного тока заземляющего резистора:
,  (4)

причем I'C? – суммарный емкостный ток сети за вычетом емкостного тока защищаемого фидера, IR – ток заземляющего резистора.

Коэффициент чувствительности защиты по-прежнему определяется по (2).

Наибольший эффект установка резистора дает в сетях с малыми токами ЗI0 в минимальном режиме, т.е. когда по каким-то причинам (ремонт, необходимость технологического цикла и т.д.) некоторые присоединения в сети отключаются и ее емкостный ток уменьшается. В следующем номере журнала мы расскажем об особенностях применения более совершенных защит от ОЗЗ.

  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации