• В предыдущих номерах журнала («Новости ЭлектроТехники» № 4(34) 2005, № 5(35) 2005) были опубликованы статьи, в которых Алексей Иванович Шалин описал разновидности защит от однофазных замыканий на землю, имеющихся на российском рынке, привел примеры расчета уставок защит, реагирующих на напряжение нулевой последовательности, и токовых ненаправленных защит.
В сегодняшнем материале автор рассматривает некоторые вопросы, связанные с применением направленных защит от однофазных замыканий на землю.

Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ Направленные защиты. Особенности применения. Алексей Шалин, д.т.н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

Области использования
В [1] автор определил свою позицию по области применения ненаправленных токовых защит от замыканий на землю: это кабельные сети со значительным числом присоединений к каждой секции, причем каждое из этих присоединений характеризуется относительно малым емкостным током. Такой случай характерен, например, для внутризаводских сетей 6–10 кВ. Использование заземляющих резисторов существенно расширяет возможности эффективного использования ненаправленных токовых защит в таких сетях даже при наличии в сети дугогасящего реактора.
Сети с воздушными ЛЭП характеризуются тем, что при обрыве провода с падением его на землю однофазные замыкания (ОЗЗ) часто сопровождаются большими переходными сопротивлениями в месте повреждения [2]. В этом случае ток замыкания определяется не только значением сопротивления заземляющего резистора, а в первую очередь значением переходного сопротивления. Ненаправленные токовые защиты становятся неэффективными – они перестают чувствовать повреждение уже при переходных сопротивлениях порядка нескольких сотен ом. Если в сети отсутствуют дугогасящие реакторы, то в рассматриваемом случае, по мнению автора, наиболее эффективны направленные защиты, реагирующие на токи и напряжения промышленной частоты.
Направленные защиты могут быть полезны также при защите ответственных синхронных двигателей, генераторов и некоторых других силовых элементов [3].
Однако при рассмотрении этого класса защит возникает существенная трудность: известно значительное количество разновидностей защит от ОЗЗ, отличающихся принципом действия и основными характеристиками, но до сих пор отсутствует (по крайней мере, в отечественной литературе) какая бы то ни было классификация разновидностей защит внутри класса «направленные защиты от ОЗЗ». Ниже под направленными защитами от ОЗЗ будем понимать такие, которые реагируют на ток, напряжение нулевой последовательности и фазовый угол между ними.

Особенности применения защит в резистивно-заземленных сетях
Пока в сетях не появились заземляющие резисторы, отсутствие данных, например, по фазовым характеристикам защит, не являлось проблемой. При любом ОЗЗ ток в защите был сдвинут по углу относительно напряжения нулевой последовательности примерно на 90 электрических градусов либо в сторону опережения, либо в сторону отставания. Для проектирования защиты достаточно было знать, как она ведет себя в этих двух случаях.
При установке же в сетях заземляющих резисторов угол тока нулевой последовательности в защите поврежденной линии может изменяться в широких пределах. При этом в значительном диапазоне может изменяться и рабочий сигнал, а с ним – чувствительность защиты. В разных типах защит это происходит неодинаково, но в доступных специалистам источниках изготовители часто не приводят информацию о виде «фазовой характеристики» конкретного устройства и зависимости рабочего сигнала от значения переходного сопротивления в месте ОЗЗ (т.е. от значения подведенного к защите напряжения нулевой последовательности). А без этой информации защиту невозможно грамотно спроектировать.
На рис. 1 приведена схема сети, на примере которой рассмотрим некоторые особенности направленных токовых защит в сетях с резистивным заземлением нейтрали. На рис. 2 показано токораспределение при ОЗЗ в рассматриваемой сети. Силовой питающий трансформатор на схеме замещения не приведен.

Влияние переходного сопротивления на величины и фазы токов
Первый вопрос, который обычно возникает при анализе поведения направленных защит: как влияет переходное сопротивление в месте ОЗЗ на величины и фазы токов, ощущаемых установленными в сети защитами?
В [4] было показано, что это сопротивление может оказать значительное влияние на выбор уставок защиты, реагирующей на напряжение нулевой последовательности.
Рассмотрим влияние переходного сопротивления на примере схемы по рис. 2, где эквивалентное сопротивление всей сети определится следующим образом:

(2)
где напряжение повредившейся фазы до ОЗЗ;
R_П – переходное сопротивление в месте ОЗЗ.

Как видно из рис. 3, появление переходного сопротивления в месте ОЗЗ приводит к уменьшению напряжения нулевой последовательности на сборных шинах и тока промышленной частоты, протекающего в месте ОЗЗ, по сравнению с металлическим замыканием, поскольку R_П оказывается последовательно включенным с эквивалентным сопротивлением сети . В [5] степень снижения напряжения нулевой последовательности по сравнению с металлическим ОЗЗ рекомендуется характеризовать коэффициентом полноты замыкания . Его предлагается определять по следующему выражению:

(3)
где R_П - переходное сопротивление в месте ЗНЗ;
С – суммарная емкость одной фазы сети;
– комплексное сопротивление, через которое заземляется нейтраль;
R_ИЗ – сопротивление фазной изоляции.

При больших значениях переходного сопротивления в месте ОЗЗ (порядка одного или нескольких килоом, что вполне реально на воздушных ЛЭП), ток, протекающий через защиту поврежденной линии, сильно уменьшится, что может привести к ее отказу в срабатывании. В первую очередь это относится к ненаправленным токовым защитам, имеющим довольно высокий ток срабатывания, с запасом отстроенный от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.
Направленная токовая защита нулевой последовательности обычно гораздо чувствительнее ненаправленной, поскольку её ток срабатывания отстраивается не от собственного емкостного тока линии, а лишь от тока небаланса. Однако при возникновении больших переходных сопротивлений в месте ОЗЗ характеристики некоторых разновидностей защиты могут стать вначале нестабильными из-за снижения напряжения нулевой последовательности (сужается область срабатывания), а затем защита и вовсе откажет.
Величину напряжения основной гармоники нулевой последовательности на шинах при ОЗЗ через переходное сопротивление можно определить как

(4)

Рис. 2
Токораспределение при ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора
С₁, С₂, С₃ – суммарные емкости относительно земли трех фаз линий Л-1, Л-2, Л-3 соответственно;
R – сопротивление заземляющего резистора;
R_П – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;
– фазная ЭДС в месте ОЗЗ.

Отношение напряжения нулевой последовательности на шинах к току нулевой последовательности в любом из присоединений равняется сопротивлению данного присоединения токам нулевой последовательности. Поскольку сопротивления емкостей и заземляющего резистора в процессе ОЗЗ не меняются, то при изменении величины переходного сопротивления останутся неизменными как углы между и каждого присоединения по соответствующей синусоидальной составляющей сигнала, так и отношение

(5)

а также обратное отношение этих величин. Отсюда ясно, что фаза тока в любой неповрежденной линии относительно напряжения не зависит от переходного сопротивления R_П. Ток в поврежденной линии равен сумме токов резистора и неповрежденных присоединений, значит, и он не меняет своего угла относительно .
На основании описанного можно заключить, что при изменении переходного сопротивления области срабатывания направленных токовых защит нулевой последовательности не изменятся.
Описанная закономерность может измениться, если на сборных шинах будут установлены ограничители перенапряжений или разрядники, срабатывающие при ОЗЗ. Однако такой выбор характеристик ОПН, очевидно, следует считать неправильным, т.к. это приведет к их быстрому выходу из строя при ОЗЗ.
Необходимо отметить, что при очень малых значениях сигналов даже направленная защита все-таки работать не будет. Это обусловлено тем, что для отстройки от небалансов должны быть предусмотрены пусковые органы по току и напряжению нулевой последовательности.

Изменения фазовых соотношений сигналов
Второй вопрос звучит следующим образом: как изменяются фазовые соотношения сигналов в направленных защитах при изменении места расположения точки ОЗЗ и режима сети?
Из рис. 2 видно, что ток , ощущаемый защитой поврежденного присоединения, равен

(6)

т.е. меньше суммарного тока на величину емкостного тока поврежденной линии. Если сопротивление резистора выбрано таким образом, что в нормальном режиме сети активный ток резистора равен полному емкостному току сети, т.е. , где I_CΣ=I_R, то угол тока по отношению к напряжению близок к 45 электрическим градусам (он может несколько отличаться от 45 градусов, например, из-за активных токов утечки по изоляции). Не будем пока рассматривать вопрос относительно того, опережающий это угол или отстающий, поскольку у специалистов нет единого мнения по этому поводу. Рассмотрим этот вопрос подробнее в следующей статье.
В случае если поврежденная линия Л-1 имеет малую длину и небольшой по сравнению с емкостный ток, угол тока по отношению к будет близок к 45 электрическим градусам. Если же емкостный ток линии Л-1 близок в рассматриваемом режиме к суммарному емкостному току сети , то угол тока по отношению к напряжению близок к 0 электрических градусов. Возможны и промежуточные случаи, т.е. при I_CΣ=I_R угол тока в защите поврежденной линии может изменяться в пределах от 45 до 0 электрических градусов относительно напряжения . Если , то диапазон изменения соответствующего угла изменится.
Фазовый угол тока в защите неповрежденной линии не зависит от тока заземляющего резистора и остается практически неизменным при любых внешних ОЗЗ.
На рис. 4 приведена одна из фазовых характеристик защиты, описанной в [6]. По вертикальной оси отложен параметр срабатывания (в рассматриваемом случае – ток I_З1 или ток в защите неповрежденной линии), по горизонтальной – фазовый угол между током и напряжением . Минимальному току срабатывания соответствует «характеристический угол» φ_хар.
Видно, что при изменении фазового угла между током и напряжением в пределах от –45 до 0 электрических градусов ток срабатывания защиты может сильно изменяться.
Если ток срабатывания защиты в точке А, соответствующей характеристическому углу φ_хар (равному, например, –45 электрическим градусам), обозначить через I_СЗ.MIN, то при нулевом угле между током и напряжением ток срабатывания может увеличиться относительно I_СЗ.MIN в несколько раз.
В результате при отстройке I_СЗ.MIN от небаланса получаем значительное загрубление защиты при отклонении от характеристического угла φ_хар. Если этого не учесть при проектировании, защита может отказать при повреждении на защищаемой линии.
Из рассмотренного случая очевидно, что характеристику по рис. 4 в резистивно-заземленных сетях целесообразно использовать при φ_хар=0, т.е. настроить защиту на активный ток нулевой последовательности, протекающий в место ОЗЗ от заземляющего резистора. При этом емкостные токи, протекающие по защите, практически не будут оказывать влияния на ее поведение. Защита, реагирующая только на активную составляющую тока нулевой последовательности, будет по определению обладать высокой селективностью в таких сетях.
При установке характеристического угла φ_хар≠0 отмеченную на рис. 4 особенность необходимо учитывать при проектировании защиты. Подробнее об этом будет сказано в следующих статьях.
На рис. 5 показаны более эффективные фазовые характеристики направленных защит от ОЗЗ. Такие характеристики имеют защиты УЗЛ-2 (производства Новосибирского государственного технического университета), ЗЗН (производства ЧЭАЗ), второго варианта микропроцессорного терминала Sepam 1000+ серии 40 Merlin Gerin (фирма Schneider Electric) и т.д.
У рассматриваемых устройств отклонение тока от характеристического угла φ_хар, соответствующего середине зоны срабатывания, не приводит к заметному увеличению тока срабатывания. Однако при появлении переходного сопротивления в месте ОЗЗ в некоторых защитах, имеющих характеристики по рис. 5, происходит сужение зоны срабатывания, а при низких абсолютных значениях коэффициента полноты замыкания b—, определяемого в соответствии с (3), может увеличиться I_СЗ.MIN, в результате чего характеристика «приподнимется». На рис. 5 зависимость 1 соответствует металлическому ОЗЗ, 2 – появлению определенного переходного сопротивления, а 3 – значительному по величине переходному сопротивлению, большему, чем в случае 2.

Разновидности направленных защит от ОЗЗ
С точки зрения принципов действия перечисленные ниже типы защит, видимо, следовало бы поделить минимум на четыре принципиально разные группы:

• классические направленные токовые;
• направленные с «ненулевой» уставкой по мощности срабатывания;
• фазочувствительные;
• дифференциальные.

• «классические» направленные токовые первого типа (имеющие характеристики в соответствии с рис. 5);
• направленные второго типа (их характеристики соответствуют рис. 4);
• с компенсацией собственного емкостного тока защищаемого присоединения (описанные, например, в [7] применительно к защите синхронных генераторов);
• реагирующие на сопротивление цепей нулевой последовательности [8, 9, 10];
• реагирующие на проводимость цепей нулевой последовательности [8, 9, 10].
• использующие в своем алгоритме интеграл или другие подобные преобразования [11];
• защиты с токовым поляризующим сигналом (например, использующие вместо напряжения ток в цепи заземляющего резистора [12, 13];
• централизованные направленные защиты [5] и т.д.

• реле типа ЗЗН и БЭМП производства «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары);
• микропроцессорное устройство БМРЗ «НТЦ Механотроника»
• (г. Санкт-Петербург);
• реле защиты типа ЗЕРО, производимое компанией «Объединенная энергия» (г. Москва),
• терминал защиты SEPAM типа S41 (код ANSI 67N/67NC) фирмы Schneider Electric и аналогичный терминал серии 80;
• защиты серии MiCOM моделей Р141, Р142 и Р143 фирмы AREVA;
• защиты серии SPACOM, например, SPAC-800 фирмы «АББ Реле-Чебоксары»;
• микропроцессорные терминалы SIPROTEC 7SJ62 и 7SJ63 фирмы SIEMENS;
• защита нулевой последовательности типа УЗЛ-2 совместного производства Новосибирского государственного технического университета и ООО «ПНП БОЛИД» (г. Новосибирск) и т.д.

Литература

• 1. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 5 (35).
• 2. Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6–35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1 (31).
• 3. Кискачи В.В. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях напряжением 6–10 кВ с различным режимом заземления нейтрали типа ЗЗН. – М.: ИПКгосслужбы, 2001. – 63 с.
• 4. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчета уставок // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).
• 5. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.
• 6. Защита электрических сетей. Sepam 1000+ серии 40. Merlin Gerin. Руководство по установке и применению. Материалы фирмы Schneider Electric.
• 7. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 256 с.
• 8. Шалин А.И., Политов Е.Н. Защита от замыканий на землю, реагирующая на сопротивление и проводимость цепи нулевой последовательности / Электроэнергетика. Сборник научных трудов. Часть 1. Новосибирск, НГТУ, 2002. – С. 72–82.
• 9. Шалин А.И., Политов Е.Н. Исследование характеристик дистанционных алгоритмов в защите от замыканий на землю / Избранные труды НГТУ – 2004. Новосибирск, изд-во НГТУ, 2004. – С. 4–17.
• 10. Jeff Roberts, Dr. Hector J. Altuve, and Dr. Daqing Hou. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded and compensated distribution systems. Http/www Selcom. 10.11.2003.
• 11. Шалин А.И., Политов Е.Н. Анализ характеристик направленных защит от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ / Энергетика: экология, надежность, безопасность. Материалы докладов восьмой всероссийской научно-технической конференции. – Томск: изд-во ТПУ, 2002. – Том 2. – С. 35–39.
• 12. Шалин А.И., Хабаров А.М. Защита от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ, реагирующая на отношение тока в резисторе к току в линии / Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск, изд-во Томского политехнического университета, 2003. – Том 1. – С. 117–120.
• 13. Jeff Roberts, Dr. Daqing Hou, Fernando Calero, Dr. Hector J. Altuve. New directional grounf-fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks. (www.selinc.com, 10.01.02.)
• 14. Шалин А.И., Хабаров А.М., Кондранина Е.А. Поперечная дифференциальная направленная защита нулевой последовательности от замыканий на землю в сети 35 кВ / Материалы докладов одиннадцатой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск: изд-во ТПУ, 2005. – С.168–170.