ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ МНОГОМЕСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ КЛ 6–10 кВ
Автоматизация отключений при однофазных замыканиях на землю

Станислав Кужеков, д.т.н., профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск
Валерий Хнычёв, д.э.н., генеральный директор ОАО «Пятигорские электрические сети», г. Пятигорск

В прошлом номере журнала (см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(63) 2010) авторами был описан режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали, обеспечивающий возможность исключения многоместных повреждений силовых кабельных линий напряжением 6–10 кВ распределительных электрических сетей (РЭС), в первую очередь сетей электроснабжения городов. С этой целью в сети устанавливают специальный трансформатор для заземления нейтрали (ТЗН). При возникновении однофазного замыкания на землю ТЗН автоматически включается под напряжение, благодаря чему участок сети переходит из режима однофазного замыкания на землю в режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали с ограниченным током однофазного КЗ. Применение данного режима вносит дополнительные требования к релейной защите и автоматике элементов РЭС, изложенные в публикуемом сегодня материале.

С целью облегчения понимания требований к релейной защите и автоматике в рассматриваемом режиме повторим рис. 1, приведенный в первой части материала: фрагмент РЭС с центром питания ЦП, кабельными линиями W1–W6, распределительными пунктами РП1, РП2, трансформатором для заземления нейтрали ТЗН (Т) и трансформаторными подстанциями ТП1 и ТП2.

Рис. 1.
Фрагмент участка кабельной сети напряжением 6–10 кВ

ТРЕБОВАНИЯ К РЗиА

Защита и автоматика ТЗН должны:

• обеспечивать автоматическое включение трансформатора по напряжению 3U₀;
• обеспечивать автоматическое отключение трансформатора по истечении заданной выдержки времени;
• выполнять функции, предусмотренные ПУЭ;
• при необходимости осуществлять функцию автоматического повторного включения (АПВ).

Защита и автоматика, действующие на вводной выключатель РП Q5, должны:

• сформировать команду на отключение выключателя Q5 по истечении заданного времени при существовании режима LН-сети (на случай отказа в отключении выключателя Q9);
• с выдержкой времени действовать на отключение выключателя Q5 при ОЗЗ на линии W1.

Защита питающей линии W1, установленная в ЦП и действующая на отключение выключателя Q2, должна обладать свойством изменения чувствительности при наличии на шинах ЦП напряжения 3U0 [1]. Указанное требование предъявлено для обеспечения отключения выключателя Q2 при ОЗЗ на W1, так как при этом по трансформаторам тока фаз защиты проходят 2/3, 1/3 и 1/3 от тока повреждения в режиме L_Н–сети. Это условие не представляет сложностей для реализации в существующих микропроцессорных терминалах релейной защиты, получивших широкое распространение на ЦП.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ

На рис. 2 показаны две секции шин РП. ТЗН может быть подключен выключателями к любой из секций шин С1 или С2 РП. Повреждена линия W4. Приняты следующие обозначения:
I₁, I₂, I₀ – соответственно токи прямой, обратной и нулевой последовательностей при однофазном КЗ с ограниченным током на линии W4;
I>>, I> – отсечка и максимальная токовая защита от междуфазных КЗ соответственно;
3I₀>, 3U₀ > – токовая отсечка нулевой последовательности и реле максимального напряжения нулевой последовательности соответственно.

Рис. 2.
Токораспределение при однофазном КЗ с ограниченным током

Защиты распределительных линий (W3, W4, W5, W6) должны быть выполнены в виде токовых отсечек нулевой последовательности, а остальных питающих линий (кроме W1, например W2) – в виде максимальных токовых защит нулевой последовательности с выдержкой времени. К защитам вводного выключателя Q1 и секционных выключателей (Q4 и других) специальные требования не предъявляются.

С целью проверки эффективности описанного в статье режима нейтрали были проведены эксперименты с созданием в электрической сети искусственных замыканий на землю. Эксперименты подтвердили работоспособность такого режима нейтрали. Кратковременное индуктивное заземление нейтрали участка сети с помощью ТЗН обеспечивало быстрое селективное отключение однофазного замыкания на землю в течение отрезка времени не более 0,1 с (практически в течение 0,07 с).

Опыты показали также, что выдержка времени на включение ТЗН целесообразна для обнаружения и отключения присоединений с чрезмерно ослабленной изоляцией, являющихся причиной многоместных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью. Однако указанная выдержка времени должна быть минимальной, чтобы исключить катастрофический износ изоляции под действием повышенного напряжения.
Было установлено также, что с целью исключения отказов токовых отсечек нулевой последовательности при двойных замыканиях на землю необходимо принимать меры по предотвращению насыщения трансформаторов тока нулевой последовательности типа ТЗЛ. Например, можно использовать ТТ нулевой последовательности с разъемным магнитопроводом (типа ТЗР) с введением в них магнитопровода немагнитного зазора.

Данный режим нейтрали в течение нескольких лет проходит опытную эксплуатацию в ОАО «Пятигорские электрические сети» с выдержкой времени на включение ТЗН, равной 0,5 с.

Наряду с указанными выше достоинствами, опытная эксплуатация показала, что фактическое значение тока однофазного КЗ с ограниченным током часто оказывается в несколько раз ниже предельного значения, указанного в табл. 1 (см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(63) 2010, стр. 47. – Ред.). Это объясняется повышенным сопротивлением нулевой последовательности кабельных линий вследствие наличия воздушных переходов, промежуточных муфт и др.

В ряде случаев указатели тока короткого замыкания не срабатывали при искусственных однофазных КЗ и соответственно не позволяли оперативно выявлять поврежденные участки линий. Причиной этого является невысокое быстродействие существующих указателей тока КЗ (фактически они не срабатывают при отключении линий в результате действия токовых отсечек) и недостаточная их чувствительность (для выявления однофазных замыканий на землю в концах участков сети целесообразно иметь такие аппараты с током срабатывания не 500–700 А, а порядка 300 А). По этой причине целесообразна разработка быстродействующих и более чувствительных указателей тока КЗ, лишенных указанных недостатков.

Эффективность данного режима нейтрали в значительной мере может быть повышена при наличии на ТП специальных коммутационных аппаратов (выключателей нагрузки или разъединителей с автоматическими приводами, осуществляющими операции включения и отключения). Указанные аппараты названы в [2] выключателями–разъединителями, и их разработка представляется необходимой. Следует заметить, что специалисты фирмы ENEL [2] решили аналогичную задачу для LВ-сети и R-сети без отключения магистральных линий, что требует оснащения линий средствами распознавания режимов повреждений.

В случае использования описанного в данной статье режима нейтрали возможно, как и в [2], не отключать магистральные линии после срабатывания указателей тока короткого замыкания. При наличии соответствующих средств автоматизации технологического управления отключение ТЗН после времени, достаточного для срабатывания указателей тока КЗ, возвращает сеть из режима однофазного КЗ с ограниченным током в режим однофазного замыкания на землю. Затем по состоянию указателей тока КЗ можно автоматически селективно отключить поврежденный участок кабельной линии выключателями–разъединителями.

ВЫВОДЫ

1. Применение быстродействующих указателей тока КЗ с током срабатывания порядка 300 А позволит существенно ускорить обнаружение оперативным персоналом поврежденных участков магистральных кабельных линий после их отключения в режиме однофазного КЗ с ограниченным током средствами релейной защиты от двойных замыканий на землю.
2. Использование быстродействующих указателей тока КЗ с током срабатывания порядка 300 А, относительно дешевых коммутационных аппаратов (выключателей – разъединителей), оснащенных приводами с автоматическим действием на отключение и включение, а также средств автоматизации технологического управления позволит не отключать линии при однофазном КЗ с ограниченным током. В этом случае после отключения трансформатора, заземляющего нейтраль, по состоянию указателей тока КЗ можно автоматически отключить поврежденный участок магистральной линии с последующим автоматическим восстановлением питания электроприемников от резервных источников питания.

Литература

1. Кужеков С.Л., Хнычев В.А, Корогод А.А., Шарапов А.Н., Шупиков А.А., Бураков И.Ф., Сенчуков А.А. Предотвращение многоместных повреждений кабельных линий 6–10 кВ средствами релейной защиты и электроавтоматики. Релейная защита и электроавтоматика энергосистем 2010: Сборник докладов XX конференции (1–4 июня 2010). – Москва: Научно-инженерное информационное агентство, 2010. С. 259–263.
2. Автоматическое отключение КЗ в сетях СН с нейтралью, подключенной к заземлению через полное сопротивление. / А. Черетти, Д. Д. Лембо, Д. Д. Примио и др. – 17-я Международная конференция по распределению электроэнергии. Барселона, 12–15 мая 2003 г.