ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ВЫСОКООМНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ

Роберт Вайнштейн, к.т.н., Вера Шестакова, к.т.н., Святослав Юдин, к.т.н. Кафедра «Электрические станции», Томский политехнический университет

Выполнение селективной защиты от замыканий на землю в сетях среднего напряжения в ряде случаев требует низкоомного резистивного заземления нейтрали, что исключает возможность работы с замыканием в течение некоторого времени.
В материале сибирских авторов показана возможность выполнения селективной защиты от замыканий на землю при высокоомном заземлении нейтрали. При этом сохраняются все положительные свойства резистивного заземления нейтрали и снимаются ограничения на работу сети с замыканием на землю.

Одним из важных факторов, который должен учитываться при выборе режима заземления нейтрали в сетях среднего напряжения, является возможность выполнения селективной защиты от замыканий на землю. В связи с этим характерной становится задача выбора одного из видов резистивного заземления нейтрали, условно называемых высокоомным и низкоомным.
Резистивное заземление нейтрали того или иного вида применяется в сетях со сравнительно небольшими емкостными токами замыкания на землю – порядка 3–5 А. Распространенным видом таких сетей являются сети 6 кВ собственных нужд электростанций. Сопротивление заземляющего резистора при высокоомном заземлении выбирается таким, при котором обеспечивается практически полное стекание избыточных зарядов к моменту возможного повторного зажигания дуги, то есть за половину периода промышленной частоты. Известно [1, 2], что это имеет место, если активная (I_a) и емкостная (I_c) составляющие тока замыкания находятся в соотношении I_a I_c. Ток в месте замыкания при этом остается на таком уровне, что в течение некоторого времени возможна работа сети при однофазном замыкании на землю.
При низкоомном заземлении сопротивление заземляющего резистора выбирается таким, чтобы обеспечивалась работа простой токовой защиты нулевой последовательности. В имеющейся практике, в том числе и в сетях собственных нужд, активная составляющая тока принимается равной 30–60 А. В этом случае все присоединения сети обязательно должны быть оснащены защитой от замыканий на землю, действующей на отключение без выдержки времени.
При высокоомном заземлении нейтрали, как известно, существенно снижаются перенапряжения при дуговых перемежающихся замыканиях и вероятность повреждений трансформаторов напряжения. В этом отношении низкоомное заземление нейтрали практически не имеет принципиальных преимуществ по сравнению с высокоомным, но исключает возможность необходимости работать в течение некоторого времени при замыкании на землю.
Таким образом, если при высокоомном резистивном заземлении нейтрали фидера сети будут оборудованы селективной защитой от замыкания на землю, то целесообразным является выбор именно высокоомного резистивного заземления. Эксплуатационный персонал при этом, в зависимости от фактического состояния схемы сети, состояния агрегатов собственных нужд, может устанавливать защиту части элементов с действием на отключение, а части – с действием на сигнал.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ

Ниже рассматриваются основы выполнения защиты от замыканий на землю для сети с высокоомным заземлением нейтрали. Так как основной эффект от применения резистивного заземления заключается в снижении перенапряжений при дуговых перемежающихся замыканиях, то представляется вполне естественным, что перемежающиеся замыкания должны учитываться при разработке и выборе параметров защиты от замыканий на землю. При таком виде замыкания, во-первых, должна обеспечиваться работоспособность защиты, и во-вторых, должны быть выявлены расчетные условия для ее настройки по чувствительности и селективности.
При перемежающихся замыканиях на стадии горения дуги по поврежденной фазе протекает ток разряда емкости этой фазы, а по двум неповрежденным фазам – токи дозаряда емкостей неповрежденных фаз. После обрыва дуги суммарный избыточный заряд быстро и равномерно распределяется между емкостями фаз сети, так как они оказываются соединенными параллельно через малые сопротивления источника питания и нагрузок. В результате этого в момент, непосредственно следующий за моментом гашения дуги, на нейтрали устанавливается напряжение:

где u_АГ, u_BГ, u_CГ – напряжения на фазах в момент гашения дуги. Далее происходит стекание суммарного избыточного заряда через заземляющий резистор и напряжение на нейтрали изменяется по закону:

Существенно то обстоятельство, что токи, обусловленные изменением зарядов, на стадии горения дуги и стадии стекания зарядов в поврежденной линии направлены одинаково, а в неповрежденных – противоположно, что иллюстрируется на рис. 1. Междуфазные емкости, учитываемые далее, на схеме не показаны.
Изменение зарядов может быть измерено формированием интеграла тока нулевой последовательности. Если принять, что к моменту каждого очередного зажигания дуги избыточный заряд стекает практически полностью, то интеграл тока нулевой последовательности за время между двумя зажиганиями дуги в неповрежденной линии будет близок к нулю, а в поврежденной – к суммарному изменению заряда емкостей фаз всей сети.
Техническая реализация защиты, реагирующей на интеграл тока, возможна, но относительно сложна, так как при этом требуется формирование сигналов, определяющих начало и окончание процесса интегрирования [3]. Далее предлагается и рассматривается вариант выполнения защиты, в которой точное интегрирование тока нулевой последовательности приближенно заменяется фильтрацией в области низких частот.
Как и в задаче определения расчетных перенапряжений, считаем, что при дуговых перемежающихся замыканиях дуга не может погаснуть на стадии протекания тока разряда емкости поврежденной

фазы, так как этот ток имеет высокую частоту (десятки и сотни кГц) и быстро затухает из-за проявления поверхностного эффекта в проводящих элементах на пути его протекания [4].
Далее к рассмотрению принимаются такие виды перемежающихся замыканий, которые порождают в сети электрические величины, наибольшим образом отличающиеся от электрических величин при устойчивом замыкании. Исходя из этого, принимаются случаи, когда переходный ток дозаряда емкостей неповрежденных фаз носит колебательный характер со слабым затуханием и дуга гаснет при прохождении через нуль суммарного тока.
При рассмотрении таких процессов принимается следующее допущение: так как амплитуда вынужденной составляющей тока замыкания значительно меньше амплитуды переходной составляющей, то моменты перехода тока через нуль в течение первого периода свободных колебаний определяются только свободной составляющей [3].
В качестве расчетных режимов принимается горение дуги при неизменном пробивном напряжении и ее гашении при первом и втором прохождении переходного тока через нуль соответственно для условий отстройки и условий проверки чувствительности защиты. При принятых режимах горения дуги электрический процесс в сети будет периодическим. В качестве примера на рис. 2а приведена качественная кривая мгновенных значений тока замыкания, а на рис. 2б – кривые мгновенных значений напряжения на нейтрали, отнесенные к амплитуде фазного напряжения сети, для рассматриваемых расчетных режимов при I_a* = 0,5, где n – номер очередного прохождения переходного емкостного тока через нуль, при котором гаснет дуга.

Напряжение на нейтрали и токи нулевой последовательности (ТНП) связаны между собой интегральным соотношением, поэтому гармонический анализ токов нулевой последовательности можно вести через это напряжение. При этом, как видно по рис. 2б, будут учтены процессы как на стадии горения дуги, так и на стадии стекания избыточных зарядов через резистор нейтрали.
Частота переходного емкостного тока намного больше промышленной частоты, поэтому в течение каждого полупериода напряжение на нейтрали может быть представлено приблизительно в виде экспоненциального импульса по (1). Такое допущение не вносит существенных ошибок в определение гармоник в области низких частот, так как площадь под кривой мгновенных значений напряжения на нейтрали практически зависит только от значения u_NГ и I_a*. Значение u_NГ может быть найдено решением следующей системы уравнений, связывающей мгновенные значения электрических величин в моменты зажигания и погасания дуги:

где E_Фm – амплитуда ЭДС источника питания;
t_ПР – время от момента прохождения ЭДС поврежденной фазы через нуль до момента пробоя изоляции;
k_C – коэффициент, учитывающий влияние междуфазных емкостей;
w₀ и d – соответственно частота и коэффициент затухания переходного емкостного тока.
В примере расчетов далее принято w₀ = 12566 рад/с, d = 892 1/с, k_C = 0,25.
Расчетные значения u_NГ, отнесенные к амплитуде фазного напряжения сети, приведены в таблице 1.
Для принятых I_a* значение u_NГ определялось при таком максимально возможном пробивном напряжении UПР, когда еще поддерживается периодический процесс. При I_a* = 0 напряжение пробоя UПР было ограничено значением, при котором кратность перенапряжений на одной из неповрежденных фаз не превышает максимально возможного значения по статистическим данным (около 3) [4].
После разложения периодической кривой напряжения нейтрали в ряд Фурье гармоники токов нулевой последовательности определяются по известным емкостным проводимостям и проводимости цепи нейтрали.
Ток нулевой последовательности линии с долей емкости a, отнесенный к суммарному емкостному току сети, соответственно при внутреннем и внешнем замыканиях:

U_Nn* – амплитуды гармоник напряжения на нейтрали, отнесенные к амплитуде фазного напряжения; Q_n – фазы гармоник.
Дальнейший анализ проводится для устройства защиты, входная часть которого выполнена по схеме, приведенной на рис. 3.
Эта схема подробно описана в [5]. Она удовлетворяет следующим условиям:

• сохраняется линейное преобразование интегральных значений тока нулевой последовательности как в установившемся, так и переходном режимах;
• обеспечивается ограничение сигналов при двойных замыканиях на землю до значений, не опасных для элементов схемы.

ВЫВОДЫ

Таким образом, из полученных результатов следует, что при выполнении защиты с использованием низкочастотных гармоник тока нулевой последовательности частично проявляется эффект снижения тока в неповрежденной линии за счет стекания избыточных зарядов через заземляющий резистор. Поэтому начиная со значений I_a*, меньших чем 0,7, даже в худшем для отстройки защиты случае (n = 1) расчетным является внешнее устойчивое замыкание.
В то же время при изолированной нейтрали в этом режиме следовало бы принять дополнительный коэффициент отстройки около 2. В рассматриваемом примере при a 0,2, в худшем для условий чувствительности случае (n = 2), при внутреннем перемежающемся замыкании чувствительность защиты при I_a* 1 остается удовлетворительной, так как минимальное значение сигнала (U_вых) при внутреннем замыкании превышает максимальное значение при внешнем замыкании примерно в 2 раза.

Литература

1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. Госэнергоиздат, 1959. – 414 с.
2. Евдокунин Г.А., Гладилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6–10 кВ // Электричество. – 1998. – № 12.
3. Авторское свидетельство 172898 СССР, МКИ Н 02 Н 3/16. Устройство для защиты от замыканий на землю / Р.А. Вайнштейн, А.Ф.
Карбышев, Ю.П. Фальк. Опубл. 23.02.88., Бюл. изобр. №7.
4. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. – 152 с.
5. Вайнштейн Р.А., Шестакова В.В., Юдин С.М. Выполнение входных цепей реле защиты // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 3(45).