ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

В электрических сетях среднего напряжения 6–35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или заземлением через резистор, в качестве защиты от однофазных замыканий на землю, как правило, применяются токовые защиты нулевой последовательности, основанные на использовании составляющих промышленной частоты.
Существенное влияние на устойчивость функционирования защит оказывают токи переходных процессов, возникающих в момент пробоя изоляции, в частности, при дуговых перемежающихся однофазных замыканиях на землю. Наши авторы из Иваново рассказывают о проведенных ими исследованиях переходных процессов и выводах о повышении эффективности защит, сделанных по результатам этой работы.

Владимир Шуин, д.т.н, профессор, зав. кафедрой
Ольга Сарбеева, магистрант
Елена Чугрова, магистрант
Кафедра «Автоматическое управление ЭЭС», Ивановский государственный энергетический университет, г. Иваново

Дуговой прерывистый характер тока в месте повреждения (рис. 1) характерен прежде всего для начальной стадии развития практически всех однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в кабелях и электрических машинах [1–4 и др.].

Рис. 1 Дуговое прерывистое ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью

ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЙ

По применяемой в настоящее время методике влияние токов электромагнитных переходных процессов при дуговых перемежающихся ОЗЗ на функционирование токовых защит нулевой последовательности (ТЗНП) учитывается при выборе тока срабатывания I_{0 с.з} из условия отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения:

(1)

где К_отс – коэффициент отстройки; I_{C собс} – собственный емкостный ток ОЗЗ защищаемого присоединения;
К_пер – коэффициент, учитывающий влияние переходных процессов.
Значение К_пер зависит от особенностей элементной базы, на которой выполнены измерительные органы тока (ИОТ) ТЗНП, и алгоритмов обработки входных токов и логических сигналов, а для микропроцессорных защит – от алгоритмов функционирования измерительной и логической частей функции ТЗНП.
Для ИОТ на электромеханической элементной базе рекомендуется [5] значение К_пер принимать равным 4–5, что значительно снижает чувствительность защиты и ограничивает область ее применения. Для ТЗНП с ИОТ на микроэлектронной и микропроцессорной базе значения К_пер приближенно принимаются равными 2,0–2,5.
Эффективность срабатываний ТЗНП при внутренних ОЗЗ оценивается коэффициентом чувствительности при устойчивых металлических повреждениях:

(2)

где К_отс = 1,2 – коэффициент отстройки;
К_{ч. мин} = 1,2 для защиты с действием на сигнал и 1,5 для защиты с действием на отключение (для ТЗНП электродвигателей рекомендуется принимать К_{ч. мин} = 2 [6]).

Из (1) и (2) можно получить условие применимости ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью:

(3)

Для сети с высокоомным заземлением нейтрали через резистор R_N при R_N ≈ X_CΣ = 1 / 3CωC_0Σ условия применимости ТЗНП имеют вид:

(4)

Из (2)–(4) следует, что при больших значениях коэффициента Кпер чувствительность защиты и область ее применения значительно уменьшаются.
Исследования динамических режимов функционирования ТЗНП, обосновывающие значения коэффициента К_пер для ТЗНП, выполненных на различной элементной базе, насколько известно авторам, не проводились.
Поэтому основная задача данной работы – оценка влияния электромагнитных переходных процессов при ОЗЗ на функционирование ТЗНП с измерительными органами тока на различной элементной базе в целях уточнения методики выбора тока срабатывания (т.е. значений К_пер в (1)) и области применения данной защиты в сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали через резистор.

ВЫБОР МЕТОДА

Для исследования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты (УРЗ) обычно применяется математическое или физическое имитационное моделирование. Математическое моделирование эффективно при исследовании переходных процессов в электроэнергетических объектах и системах (ЭЭО и ЭЭС), однако возможности его применения для анализа динамических режимов функционирования УРЗ ограничены из-за трудностей или невозможности создания достаточно точных математических моделей последних.
Для УРЗ на микропроцессорной базе создание математических моделей функций защиты, имитирующих их работу в условиях влияния электромагнитных переходных процессов, как правило, невозможно, т. к. методы и алгоритмы формирования и обработки входных информационных и логических величин таких устройств – коммерческая тайна производителей.
Поэтому при исследовании динамических режимов функционирования УРЗ на различной элементной базе более эффективен метод физического моделирования, при котором на входы реального устройства защиты подаются токи и напряжения, сформированные на физической модели исследуемого ЭЭО.
В качестве физической модели исследуемых ЭЭО во многих случаях можно использовать программно-технические измерительные комплексы серии РЕТОМ (или их аналоги), предназначенные для проверки характеристик и параметров настройки УРЗ, а также анализа их работы.
Для исследования динамических режимов функционирования УРЗ можно применять предусмотренную в устройствах серии РЕТОМ возможность воспроизведения электромагнитного переходного процесса, записанного с COMTRADE-формате, и фиксации реакции УРЗ на проложенное воздействие. Однако встроенные функции устройства РЕТОМ не во всех случаях позволяют получить тестовые сигналы, соответствующие реальным токам и напряжениям переходного процесса при повреждениях в сложных ЭЭО.
Для формирования подобных тестовых сигналов целесообразно использовать математическое моделирование сложного ЭЭО, например, с использованием интегрированной системы моделирования Matlab с пакетом расширения Simulink, с последующим преобразованием полученных на модели токов и напряжений в COMTRADE-формат.
Таким образом, для исследования динамических режимов функционирования системы «ЭЭО – УРЗ», и в частности ТЗНП сетей среднего напряжения, на наш взгляд, наиболее эффективно применять метод имитационного физикоматематического моделирования с использованием соответствующего программно-аппаратного комплекса (рис. 2).

Рис. 2 Структурная схема системы для физико-математического моделирования динамических режимов функционирования ТЗНП

Математическая модель электрической сети

Математическая модель сети 6–10 кВ для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ, реализованная с использованием системы Matlab и пакета расширения Simulink, приведена на рис. 3.

Рис.3. Схема модели электрической сети среднего напряжения для исследования динамических режимов функционирования защит от замыканий на землю

• генерирующий источник;
• две линии электропередачи: Линия 1 и Линия 2 с распределенными параметрами;
• эквивалентированную сеть, представленную схемой замещения с сосредоточенными параметрами;
• коммутационную аппаратуру: выключатели и ключ OZZ, имитирующий ОЗЗ в заданной точке электрической сети;
• виртуальные измерители тока и напряжения, имитирующие ТТ и ТН, многоканальные осциллографы.

Банк тестовых сигналов

С учетом поставленной задачи под тестовым сигналом понимается ток 3I₀ в неповрежденном присоединении при внешнем дуговом перемежающемся ОЗЗ, полученный для наиболее тяжелых (с точки зрения отстроенности ТЗНП от внешних повреждений) расчетных условий.
Расчетные условия: место возникновения ОЗЗ в сети, частота и условия возникновения повторных пробоев изоляции и гашения дуги тока ОЗЗ, параметры сети и неповрежденного присоединения и др. зависят от особенностей исполнения ТЗНП, определяемых элементной базой, принципом действия (алгоритмом функционирования) защиты, диапазоном изменения уставок по току срабатывания. Поэтому для различных исполнений ТЗНП в общем случае необходимы различные тестовые сигналы. При исследованиях условий отстроенности от внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ различных исполнений ТЗНП были приняты следующие расчетные условия:
– сеть 6–10 кВ содержит только кабельные линии (КЛ) (волновые сопротивления КЛ значительно меньше волновых сопротивлений воздушных линий (ВЛ), поэтому амплитуды бросков переходного тока при дуговых перемежающихся ОЗЗ в кабельных сетях больше);
– суммарный емкостный ток сети I_СΣ ≤ 20 А при номинальном напряжении сети U_ном = 10 кВ и I_СΣ ≤ 30 А при U_ном = 6 кВ;
– максимальное значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_{С собс} не превышает 25–30% от значения суммарного емкостного тока сети I_СΣ ; – максимальная длина КЛ не превышает 6–8 км (по условиям допустимой потери напряжения) при сечении жил 120–240 мм²; – ОЗЗ металлическое (переходное сопротивление в месте повреждения равно нулю) на шинах защищаемого объекта;
– время затухания свободных составляющих в токах переходного процесса при ОЗЗ 3–5 мс [1–3 и др.];
– дуговое перемежающееся ОЗЗ соответствует модели Петерсена или модели Петерса и Слепяна (рис. 4);

Рис.4. Тестовые сигналы для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП: а) дуговое перемежающееся ОЗЗ по модели Петерсена; б) дуговое перемежающееся ОЗЗ по модели Петерса и Слепяна

Для приведенных основных расчетных условий на математической модели сети (рис. 3) получены тестовые сигналы для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП, выполненной с применением наиболее часто используемых в качестве ИОТ типов реле: электромагнитных реле типа РТ-40/0,2 и РТ-40/0,6, электронного реле типа РТЗ-50, микроэлектронного реле РТЗ-51. Полученные методом математического моделирования тестовые сигналы преобразовывались в осциллограммы в COMTRADE-формате.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОЦЕНКА

Для определения минимальных значений коэффициента, обеспечивающих устойчивость несрабатываний ТЗНП при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ, по выражению (1) при К_пер = 1 определялся минимальный ток срабатывания I_{0 с.з.мин}, затем на вход ИОТ (реле тока КА, рис. 2) по схеме рис. 2 подавался расчетный тестовый сигнал общей длительностью ~1 с, и ток срабатывания ТЗНП увеличивался до обеспечения устойчивых несрабатываний защиты. Расчетное значение К_пер определялось по формуле:

(3)

Осциллограммы рис. 5 иллюстрируют работу ТЗНП с реле типа РТ-40 при различных значениях тока срабатывания I_{0 с.з} (т.е. при различных значениях коэффициента К_пер в (1)).

Рис. 5. Осциллограммы работы ТЗНП с ИОТ на базе электромеханического реле типа РТ-40/0,6 при разных значениях тока срабатывания защиты I_{0 с.з} = К_перI_{0 с.з.мин}: а) К_пер = 1; б) К_пер = 1,8

Таблица 1 Параметры тестовых сигналов для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью

Таблица 2 Результаты оценки условий устойчивости несрабатываний различных исполнений ТЗНП при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие основные выводы:

• Рекомендуемые существующими методиками расчета уставок ТЗНП значения коэффициента, учитывающего влияние электромагнитных переходных процессов на работу защиты при дуговых прерывистых ОЗЗ, завышены, что значительно снижает чувствительность при устойчивых замыканиях и ограничивает область применения ТЗНП.
• На основе проведенных методом физико-математического моделирования исследований динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП показано, что значения коэффициента Кпер для различных исполнений ТЗНП могут быть уменьшены в 1,5–3,0 раза (табл. 2).
• Наиболее тяжелые условия с точки зрения несрабатываний ТЗНП при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ имеют место в кабельных сетях 6 кВ, работающих с изолированной нейтралью, при повреждении на шинах для линий максимально возможной длины, выполненных кабелем наибольшего сечения.
• С увеличением номинального напряжения U_ном сети при одном и том же максимальном собственном емкостном токе I_{С собс} максимальная длина защищаемой линии уменьшается, а отстроенность защиты от внешних ОЗЗ увеличивается.
• Поведение ТЗНП с ИОТ на электромеханической элементной базе (реле типа РТ-40) при дуговых прерывистых ОЗЗ определяется в основном эффективным значением переходного тока, которое достигает наибольших значений при повреждениях, протекающих по модели Петерсена.
• Влияние переходных процессов на работу ИОТ на электромеханической элементной базе уменьшается с увеличением входного сопротивления реле Zр (например, реле РТ-40/0,2 и РТ-40/0,6, табл. 2), что объясняется шунтирующим влиянием ветви намагничивания ТТНП.
• С увеличением частоты свободных составляющих переходного тока 3I0 шунтирующее влияние ветви намагничивания ТТНП на работу ТЗНП с ИОТ на электромеханической базе увеличивается, а влияние переходных токов на работу ТЗНП соответственно уменьшается. Поэтому для ТЗНП с такими ИОТ, применяемых на КЛ малой протяженности – до нескольких сотен метров (в сетях 6 кВ собственных нужд электростанций, в системах электроснабжения предприятий и др.), значение Кпер в (1) можно уменьшить.
• Поведение ТЗНП с ИОТ на электронной базе (реле РТЗ-50) при дуговых прерывистых ОЗЗ определяется в основном временем затухания свободных составляющих тока переходного процесса при пробое изоляции и амплитудой переходного тока.
• Наиболее эффективную отстройку от влияния переходных процессов при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ обеспечивают ИОТ ТЗНП, имеющие ограничение амплитуды входных сигналов во вторичных цепях реле при входных токах, превышающих Iс.р, и отстройку по времени срабатывания, превышающую время существования свободных составляющих переходного тока 3I0 (например, реле РТЗ-51).
• В сетях, работающих с высокоомным заземлением нейтрали через резистор или с резонансным заземлением нейтрали через ДГР, амплитуда переходного тока при повторных пробоях не увеличивается; для таких сетей значение Кпер в (1) может быть принято равным 1.
• С увеличением отстроенности от внешних дуговых прерывистых ОЗЗ эффективность функционирования ТЗНП при внутренних дуговых прерывистых повреждениях уменьшается. Практически все исполнения ТЗНП в этих режимах неработоспособны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных методом физико-математического моделирования исследований показано, что значения коэффициента Кпер, учитывающего влияние на функционирование ТЗНП электромагнитных переходных процессов при внешних дуговых прерывистых ОЗЗ, могут быть уменьшены в 1,5–3 раза по сравнению с рекомендуемыми существующими методиками расчета уставок, что позволяет увеличить чувствительность защиты при устойчивых замыканиях и расширить область ее применения.
Разработанные методика и банк тестовых сигналов могут быть применены не только для исследования динамических режимов функционирования существующих исполнений ТЗНП, но и для обоснования наиболее эффективных алгоритмов обработки входных сигналов в микропроцессорных защитах от этого вида повреждений.
Физико-математическое имитационное моделирование функционирования может быть использовано также для исследования и оценки эффективности функционирования при дуговых перемежающихся повреждениях токовых направленных защит от ОЗЗ, а также защит, основанных на использовании электрических величин непромышленной частоты (высших гармоник, токов и напряжений переходного процесса при ОЗЗ, «наложенных» токов).

ЛИТЕРАТУРА

1. Шалыт Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях // Труды ВНИИЭ. Вып. 8. М.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 3. Шуцкий В.И., Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Дударев Л.Е., Запорожченко С.И., Лукьянцев Н.М. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях // Электрические станции. – 1971. - № 8.
5. Сирота И.М. Защита от замыканий на землю в электрических сетях. Киев: Изд-во АН УССР, 1955.
6. Корогодский В.А., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987.