Пофидерный контроль изоляции
Пришло время новых технических решений

Для определения поврежденного фидера применяют различные реле защиты, принципы действия которых основаны на общеизвестных свойствах тока и напряжения нулевой последовательности и особенностях гармонического состава тока однофазного замыкания на землю (ОЗ).

Рис. 1 Упрощенная схема замещения сети для случая ОЗ на единственном присоединении	Рис. 2 Схема замещения сети при наличии ОЗ на одном из двух фидеров

Поиск поврежденного фидера: способы и средства
Основным способом определения присоединения (фидера) с асимметричным снижением сопротивления изоляции или ОЗ является сравнение токов нулевой последовательности, измеренных на всех присоединениях к распределительному устройству (РУ). Примеры таких приборов: устройство сигнализации замыканий на землю ИМФ-10Т, реле защиты от однофазных замыканий на землю ЗЗП, ЗЗН, «Зеро», УН303, прибор сигнализации замыкания на землю ПЗЗМ 1.
В фидере с ОЗ ток нулевой последовательности будет наибольшим. Чем больше присоединений на секции, тем больше разница между их токами нулевой последовательности. В настоящее время этот способ определения фидера с ОЗ доминирует, что нашло отражение в ПУЭ 7-го изд. (п. 3.2.97): «Защита от однофазных замыканий на землю должна быть выполнена, как правило, с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности. Защита в первую очередь должна реагировать на установившиеся замыкания на землю; допускается также применение устройств, регистрирующих кратковременные замыкания, без обеспечения повторности действия».
Достаточно часто, для устранения влияния переходных процессов, измерение тока I₀ начинается с заранее введенной задержкой – только после превышения напряжением нулевой последовательности U₀ заданной уставки.
Дополнительную информацию, повышающую достоверность обнаружения присоединения с ОЗ, дает измерение сдвига фаз между U_o и 3I₀ на всех контролируемых присоединениях. Фиксация векторов напряжения U₀ и токов 3I₀ присоединений и сравнение направлений тока на всех присоединениях происходит при превышении напряжением U₀ величины заданной уставки.
Существует ряд приборов, основанных на регистрации изменения гармонического состава или по превышению заданной уставки отдельными гармониками тока ОЗ (например, устройство микропроцессорной защиты линий 6-35 кВ «Сириус», прибор селекции однофазных замыканий АСЗ-4М и другие).
Обычно используют 11-ю и 7-ю гармоники или изменение соотношений между амплитудами отдельных гармоник (обычно 11-й по отношению к основной гармонике 50 Гц). Поскольку особенности спектрального состава тока однофазного замыкания не имеют прямой и однозначной связи с амплитудой тока замыкания, то данную группу способов можно рассматривать как «индикаторную», решающую задачу обнаружения однофазного замыкания, но не контроля состояния изоляции.

Достоверность измерений в реальной ситуации
Весьма часто заявленные технические характеристики устройств не могут быть распространены на реальные условия функционирования, так как работа устройств защиты от ОЗ существенно зависит от свойств первичных датчиков (трансформаторов напряжения ТН и трансформаторов тока нулевой последовательности ТТНП) и параметров сети (емкости относительно земли, ее асимметрии между фазами и распределения по элементам сети).
В распределительной сети возможна асимметрия фазных токов утечки в пределах долей %, что обусловлено неодинаковостью емкости фаз относительно земли. Это предопределяет существование некоторого исходного уровня напряжения и тока нулевой последовательности при отсутствии несимметричных снижений сопротивлений изоляции. Асимметрия емкостных токов утечки в воздушных линиях значительно больше, чем в кабельных.
На распределение токов утечки и соответственно на достоверность обнаружения присоединения с ОЗ существенно влияет распределение емкости сети по ее элементам. Необходимо различать значение тока в месте ОЗ и значение регистрируемого ТТНП тока нулевой последовательности присоединения с ОЗ, так как они могут существенно отличаться в зависимости от соотношения между емкостью относительно земли фидера с ОЗ и емкостью относительно земли всех остальных фидеров.
Наихудшим, с точки зрения достоверного определения присоединения с ОЗ, является замыкание на присоединении с наибольшей емкостью. Упрощенная схема замещения (рис. 1) моделирует ситуацию, когда ОЗ происходит на присоединении с наибольшей емкостью, причем емкости других присоединений много меньше и их вклад в разветвление тока ОЗ пренебрежимо мал, а емкостями источника (питающего трансформатора) и шин РУ, а также токами через высоковольтные заземленные обмотки трансформаторов напряжения можно пренебречь.
При ОЗ ток после сопротивления замыкания R «возвращается» к источнику через емкости двух других фаз. Сумма токов равна 0, и сигнал от ТТНП отсутствует (на самом деле он есть, но достаточно мал по сравнению с током в месте ОЗ и обусловлен емкостями шин РУ относительно земли, емкостями обмоток питающего трансформатора и кабеля между трансформатором и РУ и емкостями относительно земли других присоединений).
В том случае, когда от распределительного устройства отходят два фидера одинаковой длины и сечения (рис. 2), ток однофазного замыкания после сопротивления R в месте замыкания поровну разделяется между емкостями двух «здоровых» фаз присоединения с однофазными замыканиями и емкостями двух «здоровых» фаз второго присоединения. Трансформаторы тока нулевой последовательности, установленные на этих присоединениях, дают одинаковый по амплитуде сигнал, пропорциональный половине тока ОЗ, так как в присоединении с ОЗ ТТНП выделяет сигнал, пропорциональный I_oз – I_oз/2, а во втором присоединении ТТНП выделяет сигнал, пропорциональный I_oз/2. По фазе эти два тока нулевой последовательности сдвинуты на 180º.
К схеме замещения (рис. 2) близки ситуации, когда от РУ отходит несколько фидеров, среди которых имеется два примерно одинаковых по длине (по емкости относительно земли), причем длина остальных фидеров значительно меньше (емкость остальных присоединений пренебрежимо мала по сравнению с первыми двумя).
При наличии n одинаковых присоединений ток ОЗ после сопротивления в месте замыкания разделяется уже на n равных частей и течет:

• в емкости двух «здоровых» фаз присоединения с ОЗ – результирующий ток, измеряемый ТТНП, будет:
  ;
• в емкости двух «здоровых» фаз остальных присоединений – в каждом отдельно взятом присоединении ток будет:
  .

Ток в месте ОЗ и регистрируемый ТТНП ток нулевой последовательности будут близки по амплитуде только в тех случаях, для которых применима последняя из рассмотренных эквивалентных схем. Существующие реле защиты ориентированы на применение именно в таких условиях. В других же случаях регистрируемый ТТНП ток будет меньше реального тока в месте ОЗ.

Чувствительность трансформаторов должна соответствовать задачам
В технических характеристиках реле защиты чувствительность по току нулевой последовательности в контролируемом кабеле указывают обычно на уровне 0,25 -0,3А, но это вовсе не означает, что именно таков ток ОЗ в месте замыкания.
Так, достаточно часто источником сигнала для устройств защиты являются широко распространенные ТТНП ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока». Заявленная производителем чувствительность ТТНП весьма низка, о чем свидетельствуют данные некоторых трансформаторов тока. Например, для трансформатора ТЗЛМ чувствительность защиты (первичный ток) не более 2,8 А при шкале реле защиты 0,02...0,1 А и уставке срабатывания реле 0,03 А. Для трансформатора ТЗЛ-1 05.1 чувствительность защиты по первичному току не более 1,5 А для тока уставки реле 0,02 А (данные взяты с сайта завода). Другими словами, указанные трансформаторы не предназначены для обнаружения токов ОЗ менее 1,5 А для ТЗЛ-1 и менее 2,8 А для ТЗЛМ.
Конечно, разработчики устройств защиты пытаются выжать из этих трансформаторов максимум возможного, но в данном случае важна позиция изготовителя, который заявляет одни характеристики и указывает конкретные типы реле, а проектировщики и изготовители реле защиты, использующие эти ТТНП, в своей рекламной информации указывают на порядок лучшие характеристики по чувствительности.
Во многих реле защиты для повышения функциональных показателей используется напряжение нулевой последовательности, получаемое от заземляемых трансформаторов напряжения. Заявляемая чувствительность по напряжению нулевой последовательности у многих изготовителей реле защиты находится в пределах 10-20 В. Однако при классе точности трансформатора напряжения 0,5 и фазном напряжении 5,8 кВ значения 3Uo до 30 В находятся в пределах погрешности измерений. Тем более что обмотки для контроля изоляции могут иметь значительно большие погрешности. Данный параметр можно использовать только при относительных измерениях или при грубой пороговой обработке (например «есть 100 В» или «нет 100 В»).
Следует также отметить, что при измерениях, и не только электрических величин, одним из основных принципов является отсутствие обратного влияния средства измерений на объект измерений. Например, при измерении тока сопротивление шунта должно быть много меньше сопротивления контролируемой цепи с током, а при измерении напряжения входное сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления между точками цепи, к которым он подключен.
В некоторых случаях, когда емкость сети относительно земли невелика, существующие ТН не отвечают этому требованию, что отмечают и сами разработчики, например, М. Зихерман [«Новости ЭлектроТехники» N 1(25) 2004, с. 60-61]. Это означает, что в случае, когда сопротивление изоляции выше сопротивления трансформатора напряжения, определить с помощью последнего асимметричные изменения сопротивления изоляции фаз невозможно, так как сопротивление ТН в цепи фаза–земля шунтирует полное сопротивление изоляции.
Каким же должно быть входное сопротивление Zизм измерителя напряжения с погрешностью в 1%? Исходя из простой формулы:
,
получим, что примерно в 100 раз больше, чем модуль полного сопротивления источника Z_ист. В рассматриваемом случае полное сопротивление источника определяется в основном емкостью фаз относительно земли и в сетях с малой емкостью измерение напряжения фаза–земля с помощью ТН не корректно. Интересно, что изготовители и проектировщики ТН не регламентируют минимальную емкость сети, в которой можно проводить измерения фазных напряжений с заданной погрешностью.

В области датчиков – дефицит новых решений
Трансформаторы тока нулевой последовательности, как и трансформаторы напряжения, в существующем виде сформировались достаточно давно, и стандартные значения их выходных параметров определялись уровнем развития и состоянием технических средств автоматики середины ХХ века. В свое время достаточно большая выходная мощность ТН и ТТНП была оправданной, так как от них питались реле автоматики, средства измерений и регистрации и т.д.
Современные информационно-измерительные системы (ИИС) имеют на своих входах либо сигнальные процессоры с встроенными АЦП, либо отдельные АЦП, которые не требуют таких мощных сигналов для получения приемлемого отношения сигнал/шум. Именно поэтому на практике используют дополнительные измерительные преобразователи, например типа ЭП 8527 (НПП «Электроприбор», Витебск), предназначенные для линейного преобразования переменного тока и напряжения величиной 1 А, 5 А, и 100 В от вторичных цепей ТТ и ТН.В результате получается громоздкая структура передачи информации от первичных датчиков (ТН и ТТНП) к измерительной системе.
Весьма существенным фактором является и то, что ТТНП, как и обмотки для контроля изоляции ТН, предназначены для питания реле защиты и во многих случаях не отвечают требованию п.1.6.2. ПУЭ, согласно которому класс точности измерительных приборов должен быть не хуже 2,5. Ясно, что строить на базе таких первичных датчиков современную микропроцессорную защиту достаточно сложно, что отмечается в статье В. Микрюкова [«Новости ЭлектроТехники» N 6 (12) 2001].
Несмотря на различный принцип действия, подавляющее число устройств для селективного определения поврежденного присоединения обладают общими чертами:

• ни одно из устройств не получило «всенародного» признания и действительно широкого применения, несмотря на то, что принципы действия устройств известны достаточно давно;
• характерной особенностью существующих защит является либо большое количество ложных срабатываний, либо низкая чувствительность;
• все устройства предназначены для работы с внешними (то есть не входящими в состав прибора или устройства) первичными датчиками (ТН и ТТНП).
По мнению авторов, две первые особенности во многом обусловлены третьей. В настоящее время существует резкое несоответствие между параметрами источников сигнала и возможностями их обработки. С одной стороны, происходит бурное развитие автоматизированных систем контроля, учета и диспетчеризации, а с другой стороны – явный дефицит новых технических решений в области первичных датчиков. Современный подход должен заключаться в применении новых типов измерительных датчиков, рассчитанных для работы с автоматизированной информационно-измерительной системой ИИС.

Кроме защиты, необходим мониторинг
Проблема не сводится только к определению присоединений с ОЗ. Просто существующие требования к этим устройствам и сами устройства реализуют подход «пока гром не грянет, мужик не перекрестится». В современных экономических условиях развития электроэнергетики требования ПУЭ надо рассматривать как минимальные. В энергонасыщенных производствах ущерб от аварий, вызванных или инициированных ОЗ, может исчисляться миллионами рублей. Это делает экономически оправданным не только применение надежных селективных защит от ОЗ, но и проведение непрерывного мониторинга состояния изоляции за счет постоянного контроля за токами утечки присоединений. Тем более что затраты на эти технические мероприятия, при наличии какой-либо системы типа SCADA, достаточно малы.
ОЗ не возникают внезапно (за исключением случаев действительно внезапных и случайных внешних воздействий), и будущее повреждение, как правило, возникает в результате развития скрытого дефекта изоляции, возникшего при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации электрооборудования. Мониторинг состояния изоляции позволит выявить развивающиеся дефекты и предпринять необходимые меры до возникновения ОЗ.
В качестве одного из вариантов решения этой проблемы предлагается применение преобразователей тока, устанавливаемых непосредственно на изоляции жил контролируемого кабеля и передающих сигнал в ИИС (пример такой системы – программно-аппаратный комплекс диспетчеризации, контроля и управления энергохозяйства «Технокомплекс»).
Преобразователи, помимо стандартных функций «земляных» защит, обеспечивают непрерывный мониторинг изоляции с целью определения тенденций изменения ее состояния и прогнозирования возможных ОЗ на каждом контролируемом присоединении. Особенность упомянутого программно-аппаратного комплекса – в отказе от стандартных ТТНП и ТННП.
Принцип действия преобразователя основан на измерении двух параметров: тока нулевой последовательности данного присоединения и сдвига фаз между этим током и напряжением нулевой последовательности.
Количество преобразователей равно количеству контролируемых фидеров. Подключение преобразователя, связанного низкоомной симметричной линией с приемным блоком системы диспетчеризации, заключается в присоединении его заземляющего проводника и сигнального кабеля.
Использование преобразователя в составе автоматизированной ИИС позволяет программными средствами осуществлять регистрацию и накопление данных, их обработку по заданному алгоритму (определение скорости ухудшения изоляции, пороговая обработка, сравнительный анализ сигналов от совокупности датчиков и т.п.), визуализацию данных. Преобразователь в составе ИИС дает возможность осуществлять непрерывный мониторинг состояния изоляции всех контролируемых присоединений, предоставляя таким образом необходимую информацию для прогноза возможных ОЗ с достаточным для оперативных мероприятий запасом времени.

Литература


1. Платонов В.В. Определение мест повреждения на трассе кабельной линии. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 265 с.
2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. – М.: Энергоиздат, 1982. – 312 с.
3. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматика распределительных сетей. – СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.