В предыдущих номерах журнала были опубликованы статьи Алексея Ивановича Шалина («Новости ЭлектроТехники» № 1(31) 2005, 2(32) 2005), в которых автор описал особенности процессов, протекающих в сетях 6-35 кВ при возникновении в них однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), а также рассмотрел причины неправильных действий защит от ОЗЗ.
Сегодня наш автор анализирует некоторые разновидности защит от ОЗЗ, которые появились на отечественном рынке и активно используются в сетях среднего напряжения.

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 на страницах «Новостей ЭлектроТехники».

Алексей Шалин, д. т. н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

Основные типы защит от ОЗЗ

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

1. Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности.
2. Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности.
3. Направленные защиты, реагирующие на составляющие промышленной частоты тока и напряжения нулевой последовательности.
4. Защиты, фиксирующие «наложенный» ток с частотой, отличной от промышленной.
5. Защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности, возникающие естественным путем.
6. Защиты, реагирующие на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности в переходном процессе 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.

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:

• не устанавливать предохранители в первичных цепях ТН;
• использовать дополнительный комплект защиты, подключенный к однофазному ТН, включенному между нейтралью питающего силового трансформатора и землей (у трехобмоточных силовых трансформаторов на стороне 35 кВ нейтраль обычно выведена);
• применить резервный комплект защиты, подключенный еще к одному ТН, установленному на сборных шинах, и т.д.

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.

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
Порядок выбора уставок и проверки чувствительности ненаправленных токовых защит для сетей с изолированной нейтралью описан, например, в [1, 2, 3]. Следует отметить существенный «разнобой» между рекомендациями по значениям различных величин, которые дают разные авторы.

Ток срабатывания защиты кабельной линии от ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью I_сз принято выбирать из следующего условия:

,    (1)

где kн – коэффициент надежности; k_бр – коэффициент «броска», учитывающий бросок емкостного тока в момент возникновения ОЗЗ, а также способность реле реагировать на него; I_{c.фид.макс}– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.

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

В [1] предлагается считать К_н ~ 1,2, k_бр= 3–5,(применительно к реле старых типов). Для реле РТЗ-51 рекомендуется принимать k_бр= 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 k_бр= 1–1,5 (необходимо уточнить у фирмы-изготовителя)» [1].

Чувствительность проверяется по величине коэффициента k_ч:

,     (2)

где I_защ – ток в защите поврежденной ЛЭП, равный разности суммарного емкостного тока сети в рассматриваемом расчетном режиме и емкостного тока поврежденной ЛЭП; kч.норм– нормативный коэффициент чувствительности.

В [2] рекомендуется принимать k_ч.норм = 1,25–1,5, причем нижнее значение величины k_ч относить к кабельным ЛЭП, а верхнее – к воздушным.

В [1] предлагается считать k_ч.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 ЗI_0лэп 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 ЗI_0лэп 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 I_нб – ток небаланса фильтра; остальные обозначения те же, что в (1). 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 I_нб 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, выполненной в соответствии с [4], 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, о чем было сказано в [5].

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, которая была описана в [5] (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.

В соответствии с [3] при защите асинхронных двигателей коэффициент броска при установке заземляющего резистора для всех видов используемых реле может быть снижен до значения k_бр= 1,2...1,3. В [6] при расчете защиты от ОЗЗ кабельных фидеров 6–10 кВ и наличии заземляющего резистора предлагается принимать k_бр= 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'_Cе – суммарный емкостный ток сети за вычетом емкостного тока защищаемого фидера, I_R – 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.

Литература

1. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. – СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.
2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. – М.: Высшая школа, 1991. – 496 с.
3. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – Изд-во ПЭИк, СПб., 2001.
4. О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС / Циркуляр Ц-01-97(Э). – М.: Росэнергоатом, 1997.
5. Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6–35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости Электротехники. – № 1 (31), 2005. – С. 73–75.
6. Челазнов А.А. Разработка технических регламентов и стандартов в области энергетики ОАО «Газпром» // Труды третьей всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ» / Новосибирск, 2004.– С.12–25.