 |
ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ
НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ
ПРИМЕР РАСЧЕТА УСТАВОК
 В предыдущих номерах журнала были опубликованы статьи Алексея Ивановича Шалина («Новости ЭлектроТехники» № 1(31) 2005, № 2(32) 2005, № 3(33), 2005), в которых автор описал особенности процессов, протекающих в сетях 6–35 кВ при возникновении в них однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), рассмотрел некоторые причины неправильных действий защит от ОЗЗ, перечислил разновидности защит, имеющиеся на российском рынке, и описал некоторые устройства защиты.
В публикуемом сегодня материале автор рассматривает вопросы, связанные с расчетом
уставок защит.
Алексей Шалин,
д. т. н., профессор кафедры электрических станций
Новосибирского государственного технического университета
ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА
В [1] были приведены рекомендации авторов [2, 3, 4, 5] по расчету уставок ненаправленных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ. Из этих рекомендаций видно, что специалисты существенно расходятся во мнениях относительно таких основополагающих для расчета величин, как коэффициент броска, нормируемый коэффициент чувствительности и т.д. В комментарии к [1] Сергей Титенков совершенно верно отмечает, что эти расхождения объясняются различными результатами, полученными авторами в основном в процессе эксплуатации защит от ОЗЗ. Однако это никак не оправдывает пассивности таких организации, как, например, РАО «ЕЭС России», призванных обеспечить разработку нормативных материалов, которые позволили бы проектантам грамотно выбирать виды защиты от ОЗЗ, рассчитывать уставки и проверять чувствительность соответствующих устройств. В настоящее время такие нормативные документы отсутствуют, что существенно затрудняет работу специалистов, занятых проектированием и эксплуатацией устройств защиты от ОЗЗ, и заметно снижает качество этой работы.
Существуют и объективные факторы, затрудняющие создание такого рода нормативных документов.
Основная проблема, на взгляд автора настоящей статьи, заключается в том, что сильно отличаются как условия эксплуатации, так и основные характеристики применяемых в настоящее время в России устройств защиты от ОЗЗ. То, что справедливо в одном случае, в другом – сомнительно, а в третьем и вовсе неправильно. Разработать нормы, применимые во всех без исключения случаях, чрезвычайно сложно. Выход может заключаться в разделении всех защищаемых объектов и устройств защиты от ОЗЗ на отдельные достаточно узкие классы и разработке нормативов для каждого класса объектов.
В последнее время были «узаконены» два новых режима заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: резистивное заземление и заземление через параллельно включенные дугогасящий реактор и заземляющий резистор. Это нововведение также требует пересмотра методики расчета уставок защит от ОЗЗ в таких сетях.
Рассмотрим вопросы выбора уставок на конкретном примере.
СХЕМА РАССЧИТЫВАЕМОЙ СЕТИ
На рис.1 приведена упрощенная схема сети, применительно к которой выберем типы защит и рассмотрим выбор уставок.
Схема питается от одного трансформатора Тр1 напряжением 110/35/10 кВ, причем по стороне 35 кВ от шин отходит всего одна питающая линия ЛЭП1, в цепи которой есть выключатель и на которой установим комплект защиты РЗ. На некотором расстоянии от подстанции ЛЭП1 разветвляется и дальше параллельно (две цепи на одной опоре в габаритах 110 кВ) идут линии ЛЭП2 и ЛЭП3, от каждой из которых запитан соответствующий понижающий трансформатор Тр2 и Тр3 напряжением 35/10 кВ. В цепях ЛЭП2 и ЛЭП3 со стороны питающей подстанции выключатели отсутствуют, установлены только разъединители. После разъединителей имеются достаточно протяженные кабельные вставки. Нейтрали обмоток 35 кВ Тр1, Тр2, Тр3 выведены, и к ним могут быть подключены заземляющие резисторы R1, R2 и R3 соответственно.
Рис.1. Схема сети
На разветвлении, где ЛЭП1 переходит в ЛЭП2 и ЛЭП3, установим два комплекта селективной сигнализации «поврежденного участка» КС1 и КС2 для селективного определения поврежденной линии (ЛЭП2 или ЛЭП3). На стороне 10 кВ питающего трансформатора Тр1 имеется распределительное устройство, от которого питается несколько линий. Одна из этих линий, подключенная к
РУ-10 кВ через соответствующий выключатель, конструктивно выполнена как вторая цепь, проложенная параллельно линии ЛЭП1 на тех же опорах (выполненных в габаритах 110 кВ) и дальше уходящая «в сторону» и выполненная на отдельных опорах.
В районе прокладки воздушных линий ЛЭП1, ЛЭП2, ЛЭП3 имеются участки со скальным грунтом, обладающим большим удельным сопротивлением, т.е. при обрыве провода ЛЭП и падении его на землю возможно появление большого переходного сопротивления.
Следует отметить, что приведенная схема не является плодом воображения автора настоящей статьи, а в несколько упрощенном виде соответствует реальному, весьма ответственному объекту, в проектировании для которого релейной защиты от ОЗЗ и селективной автоматики КС1 и КС2 автор принимал участие.
Расчеты показали, что в рассматриваемой сети при ОЗЗ возможны значительные (порядка 3,7 от фазного напряжения) перенапряжения, которые могут привести к повреждению дорогостоящего оборудования. Было принято решение для подавления перенапряжений и феррорезонансных явлений установить заземляющие резисторы. Рассматривались два варианта их установки:
- только на питающей подстанции 110/35/10 кВ;
- два модуля параллельно на питающей подстанции и по одному модулю в нейтралях соответственно Тр2 и Тр3.
ВЫБОР ТИПОВ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ И СИГНАЛИЗАЦИИ
Поскольку в цепи ЛЭП1 установить кабельную вставку нет возможности, а питающая линия ЛЭП1 одна, было принято решение на ЛЭП1 установить защиту от ОЗЗ, реагирующую на напряжение нулевой последовательности. В результате на питающей подстанции было установлено два комплекта такой защиты: первый (основной) комплект присоединен к однофазному трансформатору напряжения, включенному параллельно заземляющему резистору R1. Второй (резервный) комплект присоединен к трехфазной группе трансформаторов напряжения, установленных на шинах 35 кВ питающей подстанции.
Комплекты селективной сигнализации выполнены в виде токовых реле, о выборе типов и расчете уставок которых будет сказано в дальнейшем.
ВЫБОР УСТАВОК ЗАЩИТЫ ОТ ОЗЗ
Уставки защиты должны быть выбраны так, чтобы:
- защита не срабатывала от небалансов, которые могут появиться в сети при отсутствии в ней ОЗЗ;
- защита срабатывала при ОЗЗ на воздушной ЛЭП при падении провода на грунт и возникновении большого переходного сопротивления.
Анализ показал, что удовлетворить сразу обоим указанным требованиям весьма непросто.
Автор настоящей статьи не нашел в известных ему публикациях указаний по поводу расчета уставок защиты от ОЗЗ, реагирующей на напряжение нулевой последовательности. К тому же основные положения расчета уставок защит, реагирующих как на напряжения, так и на токи нулевой последовательности, близки. По этой причине ниже рассмотрены основные положения по выбору уставок и проверке чувствительности таких защит. Автор будет признателен всем специалистам, которые выскажут свои замечания и мнения по поводу приведенных в настоящей статье материалов.
НЕБАЛАНСЫ ЗАЩИТЫ ОТ ОЗЗ
Небаланс, связанный с разными емкостями фаз воздушных ЛЭП относительно земли Uнб.см.н.
Расположение фазных проводов воздушных ЛЭП в рассматриваемом случае – вертикальное: один провод над другим, а над ними – провод третьей фазы. В результате, как показали расчеты, максимальное различие фазных емкостей относительно земли (между верхней и нижней фазой) составило около 20%. Это привело к смещению нейтрали (небалансу), определяемому по следующему выражению:
В (2) CA , CB , CC– емкости относительно земли фаз А, В и С соответственно; RN– общее сопротивление всех заземляющих резисторов, включенных в нейтрали трансформаторов.
Включенные в нейтрали сторон 35 кВ трансформаторов заземляющие резисторы R1, R2, R3 существенно снизили рассматриваемую составляющую небаланса, но из-за отсутствия транспозиции проводов ЛЭП (изменения расположения проводов относительно земли) она составила 2,2% от номинального напряжения. Для того чтобы «симметрировать» сеть, было предложено выполнить транспозицию проводов «на шинах», т.е. после развилки на ЛЭП2 и ЛЭП3 расположить провода в фазах иначе, чем на ЛЭП1. Это предложение было принято и реализовано на практике. При одинаковом расположении проводов в ЛЭП2 и ЛЭП3 небаланс снизился до 1,2%. Если же расположить провода во всех трех ЛЭП по-разному, то рассматриваемая составляющая небаланса составит примерно 0,4%. Однако при этом следует помнить, что одна из ЛЭП2 или ЛЭП3 может быть длительно отключена и тогда в расчетах придется принимать небаланс порядка 1,44% (эта величина была рассчитана для случая отключения одной из линий – ЛЭП2 или ЛЭП3).
НЕБАЛАНС, ВЫЗВАННЫЙ ВЛИЯНИЕМ ЛЭП4 UНБ.ЛЭП10
Расчеты показали, что при возникновении ОЗЗ в сети 10 кВ за счет межцепных емкостей на линиях ЛЭП1 и ЛЭП4, размещенных на общих опорах, в сети 35 кВ нейтраль дополнительно сместится (появится небаланс). На рис. 2 показаны учитываемые при расчете емкости линий ЛЭП1 и ЛЭП4, а на рис. 3 приведена схема замещения, в соответствии с которой может быть определена рассматриваемая составляющая небаланса.
Рис. 2. Учитываемые в расчете емкости
C1 – емкость относительно земли трех фаз линии ЛЭП1;
CM – межцепная емкость между цепями (всех трех фаз) 35 кВ
и 10 кВ на ЛЭП1 и ЛЭП4;
C2 – емкость трех фаз сети 10 кВ относительно земли.
Рис. 3. Расчетная схема для определения небаланса,
вызванного влиянием ЛЭП4
EФ – фазная ЭДС в месте замыкания на землю в сети 10 кВ;
СМ – суммарная межфазная емкость между цепями 10 кВ и 35 кВ
линий ЛЭП1 и ЛЭП4;
E3 – суммарная емкость трех фаз относительно земли в сети 35 кВ;
RN2 – результирующее сопротивление заземляющих резисторов в сети 35 кВ.
Значения рассматриваемой составляющей небаланса UN2 нетрудно рассчитать в соответствии с рис. 3. Если замыкание на землю в сети 10 кВ возникает при полностью включенной сети 35 кВ, то «смещение нейтрали» сети 35 кВ составит примерно 2,75% фазного напряжения. Если ОЗЗ в сети 10 кВ возникнет при отключении ЛЭП2 или ЛЭП3, то «смещение нейтрали» составит 4,3% от фазного.
Небаланс, вызванный неидентичностью характеристик фаз трансформатора напряжения Uнб.нес.ТН
Практические замеры небалансов на выводах соединенных по схеме «разомкнутый треугольник» обмоток трансформаторов напряжения 35 кВ показывают, что у большинства трансформаторов напряжение небаланса, вызванного неидентичностью фаз, не выходит за пределы 1–1,5 В, что соответствует 1–1,5% первичного фазного напряжения.
В основном комплекте защиты этот небаланс будет отсутствовать, поскольку напряжение нулевой последовательности здесь снимается непосредственно с нейтрали силового трансформатора.
В резервном комплекте этот небаланс будет присутствовать, и от него защиту надо будет отстроить.
НЕБАЛАНС, ВЫЗВАННЫЙ НЕСИММЕТРИЕЙ
ФАЗНЫХ НАГРУЗОК Uнб.нагр.
В рассматриваемой сети отсутствуют нагрузки, имеющие непосредственную связь с землей, поэтому небаланс, вызванный неравенством фазных токов таких нагрузок, не рассматриваем. Однако заземляющие резисторы, включенные в нейтрали понижающих трансформаторов Тр2, Тр3, могут вызвать в защите сети 35 кВ дополнительную составляющую небаланса. Это связано с тем, что изза несимметрии нагрузок в сети 0,4 кВ могут возникнуть разные токи в фазах сети 10 кВ. Трансформируясь в сеть 35 кВ, эти токи могут привести к смещению нейтрали 35 кВ относительно земли.
Обычно такое смещение не приводит к небалансу по напряжениям и токам нулевой последовательности в сети 35 кВ, однако при наличии заземляющих резисторов в нейтралях понижающих трансформаторов Тр1 и Тр2 приводит к тому, что смещение их нейтралей вызывает появление дополнительного небаланса токов и напряжений нулевой последовательности. Для того чтобы рассчитать эту составляющую небаланса, необходимо знать разницу в нагрузках фаз. На стадии проектирования эти данные отсутствовали.
Предварительно значение рассматриваемой составляющей небаланса было принято равным 2,5% фазного напряжения. В процессе эксплуатации значения небаланса в различных режимах должны быть уточнены замерами реальных величин.
РАСЧЕТ УСТАВОК ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ
НА ЗЕМЛЮ НА ПИТАЮЩЕЙ ПОДСТАНЦИИ
Уставка по напряжению защиты от ОЗЗ определяется, как
где kн – коэффициент запаса, величина которого может быть принята равной 1,2–1,3;
| Uнб, % = Uнб. см. н. + Uнб. ЛЭП10 + Uнб. нагр + Uнб. нес. ТН . | (4) |
При выборе уставки для основного комплекта защиты величину Uнб. нес. ТН учитывать не следует.
| Uср1 = Uф • Uср, % / 100 , | (5) |
где Uф – фазное напряжение.
Уставка защиты по времени была выбрана равной 1,0 с для того, чтобы согласовать по селективности релейную защиту, установленную на питающей подстанции, и селективную сигнализацию КС1 и КС2.
ПРОВЕРКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТЫ
Выше отмечалось, что в рассматриваемом случае воздушные линии проложены по территории, для которой характерны участки с высоким удельным сопротивлением грунта (скальный грунт). Кроме того, зимой возможно падение провода на снег, что также приводит к появлению в месте ОЗЗ большого переходного сопротивления.
В [6] предлагается определять напряжение нулевой последовательности 3U0 при ОЗЗ через переходное сопротивление RП следующим образом:
где b – коэффициент полноты замыкания.
В соответствии с [6] комплексное значение коэффициента b может быть определено по следующему выражению:
 | (7) |
где RП – значение переходного сопротивления в месте ОЗЗ;
CS – суммарная емкость сети;
– сопротивление, через которое нейтраль сети соединена с землей.
Путем несложных преобразований можем найти модуль b величины .
 | (8) |
где YR = 1 / RN ;
YC – емкостная проводимость сети.
Общее сопротивление заземляющих резисторов в рассматриваемом случае равнялось 2 кОм, суммарный расчетный емкостный ток в месте ОЗЗ в полной схеме сети – IC =19,7 А.
Учитывая, что
 | (9) |
в соответствии с (8) легко определить величину b для данной конкретной сети при различных значениях переходного сопротивления RП .
Величина b тесно связана с расчетным коэффициентом чувствительности защиты kч . Защита перестанет чувствовать ОЗЗ при
b <= 1/ kч . Если принять в соответствии с [2] значение нормируемого коэффициента чувствительности равным 2,0, то в рассматриваемом случае защита будет чувствовать ОЗЗ с переходным сопротивлением не больше 1,3 кОм. Если же в соответствии с [5] принять kч.норм = 1,5,
то предельное переходное сопротивление, при котором защита еще будет ощущать ОЗЗ, составит примерно 0,7 кОм.
Достаточна ли такая чувствительность защиты для рассматриваемого объекта? В [7] сказано о том, что в одном из опытов ОЗЗ на воздушной ЛЭП в сети 35 кВ было отмечено переходное сопротивление порядка 5,0 кОм. Эти данные подтверждаются в публикациях других авторов (см. библиографию к [7]). В результате можно прийти к выводу, что предлагаемые в [2, 3] нормируемые коэффициенты чувствительности могут не обеспечить необходимой чувствительности защиты воздушных ЛЭП от ОЗЗ на рассматриваемом силовом объекте.
В соответствии с описанным выше, уставка по напряжению для основного комплекта защиты, установленного на питающей подстанции, была принята равной 12% фазного напряжения, что соответствует предельному переходному сопротивлению, равному 7,0 кОм. Уставка резервного комплекта с учетом дополнительного небаланса, вызванного неидентичностью фаз измерительного трансформатора напряжения, составила 14%, что соответствует предельному значению RП , равному 6,0 кОм.
В принципе можно представить себе ситуацию (зима, сухой снег), когда переходное сопротивление превысит расчетные значения. Каков же выход из создавшегося положения? Ясно, что невозможно во всех реальных случаях обеспечить чувствительность защиты от ОЗЗ, реагирующей на токи и напряжения нулевой последовательности, к замыканиям на землю, сопровождающимся значениями в десятки килоом. В то же время лежащий на земле провод линии 35 кВ, находящийся под напряжением, может представлять большую опасность для туристов и других людей, которые могут оказаться в районе трассы ЛЭП.
Установка защиты от обрывов, реагирующей на ток обратной последовательности, не всегда эффективна на ЛЭП, имеющих малые токи нагрузки в нормальном режиме работы, как это имеет место на рассматриваемом объекте.
Удачное решение предлагаемой задачи имеется в принятой к установке защите от ОЗЗ типа Р-142 фирмы AREVA. Здесь есть специальная опция обнаружения обрыва проводов воздушных ЛЭП. Защита содержит элемент, который измеряет отношение токов обратной последовательности и прямой последовательности (I2 / I1). Оно будет меняться в меньшей степени, чем измерение тока обратной последовательности, так как отношение почти неизменно при изменении тока нагрузки. Следовательно, можно получить более низкую уставку и чувствительную защиту. Для успешной работы защиты требуется минимальное значение тока обратной последовательности, равное 8% от тока прямой последовательности.
Проведенные натурные испытания подтвердили адекватность выбранных типов защит требованиям защищаемого объекта. Выбранные уставки также не потребовали изменений.
О выборе принципов действия токовых комплектов селективной сигнализации КС1 и КС2 и определении их уставок будет рассказано в следующей статье.
Литература
1. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Достоинства и недостатки различных защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 3 (33).
2. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. – СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.
3. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. – М.: Высшая школа, 1991. – 496 с.
4. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ / Изд-во ПЭИк – СПб, 2001.
5. 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.
6. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.
7. Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6–35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1 (31).
| 
|
