 |
С 22 по 25 марта на базе Сибирской энергетической академии и Новосибирского государственного технического университета состоялась Вторая Российская конференция по заземляющим устройствам.
В ней приняли участие представители большинства регионов России, а также специалисты из Казахстана, Латвии, Польши, Украины. Они представляли специализированные предприятия по заземляющим устройствам, учебные, научные и проектные институты, строительно-монтажные и эксплуатационные организации. По просьбе редакции о конференции рассказывают ее организаторы – Юрий Викторович Целебровский и Алексей Леонидович Зоричев.
 |
|
ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
В СЕТЯХ 6-35 КВСлучаи неправильных действий защит
Алексей Шалин, д.т.н.,
профессор кафедры электрических станций
Новосибирского государственного
технического университета
|
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, в соответствии с [1], могут быть включены либо параллельно, либо последовательно, после чего подключается токовое реле (например, РТЗ-51). В [1] 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, в соответствии с [2] 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. В целом же тенденция, описанная в [2], сомнений не вызывает, хотя использование при проектировании защит от ОЗЗ приведенных в [2] величин может привести к значительным погрешностям.
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.
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.
 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 3I’0. 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.
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.
Литература
1. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. – М.: Энергия, 1976. – 560 с.
2. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с.
| 
|
