Продолжаем публикацию серии статей, посвященных опыту обеспечения надежности электрических сетей на примере Ханты-Мансийска.
В предыдущих статьях (см. «Новости ЭлектроТехники» № 5(65) 2010, № 6(66) 2010) авторы связывали повышение надежности электроснабжения городов и поселков с переходом на режим заземления нейтрали через резистор с большим сопротивлением.
Сегодня директор городских электрических сетей (ГЭС) Ханты-Мансийска Сергей Николаевич Дмитриев и сотрудники НГТУ – Анатолий Иванович Щеглов и руководитель работ Юрий Викторович Целебровский рассказывают о применении направленных токовых защит нулевой последовательности в городских сетях 10 кВ.

ГОРОДСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Обеспечение надежности и безопасности электроснабжения

Сергей Дмитриев, директор МП «Городские электрические сети» муниципального образования, г. Ханты-Мансийск
Анатолий Щеглов, к.т.н., доцент,
Юрий Целебровский, д.т.н., профессор,
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Применение защит от замыканий на землю

Замыкание фазы на землю – это повреждение, которое по условиям безопасности должно быть выявлено релейной защитой и отключено (п. 1.7.64 ПУЭ). В 2000 году в сетях 10 кВ ГЭС Ханты-Мансийска началось внедрение защит от замыканий на землю (ЗНЗ). В тот год на питающих подстанциях в Ханты-Мансийском РЭС с целью ограничения перенапряжений было осуществлено резистивное заземление нейтрали.

Заказчик (ГЭС) и разработчик защит (НГТУ) предполагали следующие положительные результаты от применения ЗНЗ:

• исключение длительного (на период поиска) нахождения оборванного провода ВЛ на земле, что крайне необходимо в городской черте;
• уменьшение вероятности перехода замыкания на землю в двойное замыкание на землю или в двух-, трехфазное короткое замыкание (КЗ). Это не только существенно уменьшает число КЗ в сети со всеми известными последствиями, но и приводит к исключению появления второй точки замыкания, часто в совсем другой части города;
• существенное облегчение работы диспетчеров, так как на поиск «земли» путем последовательного отключения присоединений уходит немало времени и происходит нарушение электроснабжения многих потребителей.

Кроме того, характерное для Ханты-Мансийска расширение городских сетей 10 кВ ведет к постоянному росту значений токов замыкания на землю. Это еще раз подчеркивает необходимость обеспечения электробезопасности путем отключения фидера, на котором произошло замыкание на землю.

Выбор защит

На первом этапе работ в качестве ЗНЗ была выбрана направленная токовая защита с выдержкой времени типа УЗЛ, разработанная в НГТУ профессором А.И. Шалиным [1, 2] специально для сети с резистивно заземленной нейтралью. Направленность защиты позволяет не отстраивать её от емкостного тока защищаемого присоединения, а при выборе тока срабатывания учитывать только максимально возможные значения токов небаланса. Фазовая характеристика защиты приведена на рис. 1.

Рис. 1. Фазовая характеристика защиты

Фаза тока 3I₀ определяется относительно напряжения 3U₀. При замыкании на землю ток 3I₀ в поврежденной линии опережает напряжение 3U₀ секции с поврежденной линией. При оптимальном сопротивлении резистора в нейтрали (с точки зрения снижения перенапряжения при перемежающихся дугах) ток опережает напряжение на угол, близкий к 45°. При отключенном резисторе он может быть равен 90°, а при наличии на секции только одной линии и включенном резисторе – 0°. Таким образом, фазовая характеристика реле позволяет обеспечить максимальную чувствительность при любом соотношении емкостной и активной составляющих тока. Наоборот, при замыкании на землю другой линии, отходящей от секции, или на самой секции вектор тока 3I₀ через защиту неповрежденной линии будет отставать от напряжения на секции 3U₀ на угол +90°, что соответствует зоне несрабатывания.

Наличие у реле УЗЛ выдержки времени позволяет обеспечить селективность защиты по ступенчатому принципу.

Головными для питания ГЭС Ханты-Мансийска являются 4 ПС. Выдержка времени защиты вводов питающих секций на этих ПС принята равной 4 с. Выдержки времени последующих участков уменьшаются со ступенью селективности 0,5 с по мере удаления от ПС. Это приводит к селективному действию защит, заведенных на отключение. В период временной эксплуатации, когда защиты действовали только на сигнал, такая селективность позволяла отслеживать поведение сразу нескольких защит при замыкании на отдаленном участке сети.

Защита включает в себя непосредственно реле УЗЛ, устанавливаемое в начале каждого присоединения и подключенное к его трансформатору тока нулевой последовательности (ТТНП), и центральный (основной) блок, находящийся в ячейке трансформатора напряжения секции.

Основной блок подключен к обмоткам ТН. В его функции входит обеспечение стабилизированным напряжением ±15 В микросхем, входящих в состав защиты, и подача в УЗЛ всех присоединений централизованного импульса опорного напряжения U_оп, характеризующего фазу напряжения 3U₀.

Структурная схема защиты представлена на рис. 2. Осциллограммы сигналов в реле УЗЛ изображены на рис. 3. В подписи к рис. 2 приведены назначения и последовательность работы входных блоков защиты вплоть до компаратора КОМП.

Рис. 2. Структурная схема защиты типа УЗЛ

ВУ1, ВУ2 – входные устройства соответственно цепей I и U нулевой последовательности. В состав ВУ1 входит трансформатор и фильтр-пробка высших гармонических составляющих. ВУ2 содержит входной преобразователь напряжения, фазоповоротное устройство и также фильтр-пробку высших гармоник.

ПЭ1 и ПЭ2 – пороговые элементы, позволяющие регулировать I и U срабатывания защиты соответственно. При этом I и U срабатывания отстраиваются от сигналов небаланса нормального режима.

ФИТ и ФИН – формирователи опорных импульсов тока и напряжения – I_оп и U_оп (рис. 3).

И – логический элемент. Сигнал на его выходе формируется лишь в том случае, если на оба его входа приходят положительные сигналы. Максимальная продолжительность получается в случае, если ток нулевой последовательности опережает напряжение 3U₀ на угол максимальной чувствительности (около 45 эл. гр.).

ФПС – формирователь пилообразного сигнала U_фпс, максимальное значение которого пропорционально ширине импульса, снимаемого с логического элемента (рис. 3).

Рис. 3. Осциллограммы сигналов в реле УЗЛ

В компараторе КОМП напряжение U_фпс сравнивается с соответствующим опорным значением, и в случае превышения порога формируется выходной сигнал компаратора U_комп (рис. 3). Изменяя порог срабатывания компаратора, можно регулировать ширину зоны срабатывания фазовой характеристики реле (рис. 1).

Сигнал с компаратора U_комп через расширитель импульсов РИ, на выходе которого формируются импульсы стандартной продолжительности, поступает на вход интегрирующего элемента ИЭ, где заряжается конденсатор. При исчезновении напряжения на входе ИЭ конденсатор разряжается, но скорость его разряда гораздо ниже, чем скорость заряда. Если сигнал U_комп формируется каждый период, то через некоторое время, равное уставке времени срабатывания защиты, рабочий сигнал интегрирующего элемента U_иэ превысит свой порог срабатывания U_пор (см. рис. 3), в результате чего сработает выходной элемент защиты ВЭ и выдаст сигнал на отключение линии.
Постоянные времени заряда и разряда конденсатора, входящего в состав интегрирующего элемента, подобраны так, чтобы защита правильно работала в режиме перемежающихся дуг, возникающих при замыканиях на землю.

После окончания монтажа защиты и проведения тестового контроля необходимо провести фазирование защиты – проверку полярности подключения токовой цепи реле к кабельному ТТНП соответствующего присоединения. Для этого производятся производственные испытания с созданием искусственного замыкания на землю. Это позволяет не только проверять поведение защиты на поврежденном присоединении, но также фиксировать отсутствие реакции защит от ЗНЗ на исправных присоединениях. После фазирования и производственных испытаний защита вводится в опытную эксплуатацию.

Проблемы. решения

В течение первых лет эксплуатации защиты от ЗНЗ на всех РП и ТП 10 кВ Ханты-Мансийска были заведены действием только на сигнал. Это было обусловлено:

• необходимостью сбора данных о надежности функционирования элементов защиты;
• отсутствием в ряде случаев резервного источника питания, а в некоторых и отсутствием устройств АВР.

Надежность функционирования элементов защиты подвергалась сомнению разработчиками по трем причинам: из-за наличия токов небаланса, в связи с возможными большими переходными сопротивлениями в месте замыкания и полигармоничностью тока дугового замыкания, особенно при перемежающейся дуге. Рассмотрим это подробнее.

1. Разработчикам были неизвестны реальные токи небаланса, от которых следует отстраивать уставку защиты. Ток небаланса, который способен создать сам ТТНП при отсутствии в его первичной сети тока нулевой последовательности, невелик – не превышает 4–6 мА. Более опасны токи небаланса, как длительные, так и временно появляющиеся, связанные с различными процессами в сети. Причинами такого рода небалансов могут быть [3]:
   • феррорезонансные явления,
   • несимметрия фазных сопротивлений сети (например, обрыв фазного провода),
   • несимметрия фазных ЭДС источников питания,
   • несимметрия фазных напряжений,
   • влияние сетей смежных напряжений через силовые трансформаторы.
   
   Если от феррорезонансных явлений можно уйти, используя резистивное заземление нейтрали, что и сделано в Ханты-Мансийске, то остальные причины могут оказаться непредсказуемыми.
   Так, в период опытной эксплуатации методом последовательных приближений пришлось довести ток срабатывания реле УЗЛ до 80 мА. Это соответствует первичному току срабатывания примерно 2,5 А. При упомянутых выше значениях тока замыкания на землю коэффициент чувствительности защиты (К_ч) оказывается равным примерно 30.
   
2. Следовало определить максимальные переходные сопротивления в месте замыкания R_n, при которых защита будет реагировать на замыкание. По [4]:
   ,
   где b – коэффициент полноты замыкания, характеризующий уменьшение замеряемых электрических величин при замыкании через переходное сопротивление R_n по отношению к их значениям, измеряемым при металлическом замыкании;
   I_{зам мет} – ток при металлическом замыкании.
   Приняв b = 1 / К_ч, получим R_n = 2,5 кОм. Наши измерения показывают, что в некоторых случаях (падение провода ВЛ на песок, снег и т.п.) переходное сопротивление может иметь большие значения – 5–10 кОм. Это означает, что возможны отказы в срабатывании защиты, отстроенной от токов небаланса.
3. Фазовый угол, по значению которого работает предложенная направленная защита, определяется, строго говоря, при синусоидальной форме U и I. При дуговых замыканиях, особенно при перемежающихся дугах, I и U нулевой последовательности содержат множество гармоник, их форма мало похожа на синусоидальную, что было проиллюстрировано нами в [5]. Однако выполненный детальный анализ показал:
   • кривые токов и напряжений при перемежающейся дуге имеют вынужденную составляющую 50 Гц, и фазовый угол между этими составляющими может колебаться в широких пределах, что не позволяет его использовать в защитах мгновенного действия;
   • за время порядка нескольких десятых секунды математическое ожидание этого угла оставалось сравнительно постоянным и отклонялось от аналогичного значения при металлическом замыкании на 15–20 эл. гр. в сторону активных токов.
     Поэтому защита выполнялась с интегрированием рабочего сигнала на заданном промежутке времени и имела уставку по времени срабатывания не менее 0,5 с.

Выводы

Эффективность защиты в режиме дугового замыкания была подтверждена во время производственных испытаний на ПС Ханты-Мансийска в 2000 г. Как уже отмечалось в [5], при испытаниях реализовывалось дуговое замыкание с перемежающейся дугой. На осциллограммах рис. 4 видно, что после перехода примерно через 7 периодов металлического замыкания в дуговое характер вторичного тока соответствует характеру первичного тока и носит далеко не синусоидальный характер. Нижняя осциллограмма отражает срабатывание защиты после установленной выдержки времени. Она показывает, что, несмотря на перемежающийся характер дуги, защита сработала надежно.

Рис. 4. Осциллограмма определения времени срабатывания реле

Надежную работу защиты подтверждает и опыт ее эксплуатации. В табл. 1 приведена статистика однофазных замыканий в сети 10 кВ Ханты-Мансийска за 5 лет. Видно, что из 22 случаев ОЗЗ защита один раз не сработала, и 2 раза сработала ложно. Последнее относится к одному и тому же комплекту. Таким образом, надежность защиты по данным приведенной статистики составляет чуть более 86%. Отметим, что с нашей точки зрения такой уровень надежности защиты, обеспечивающей электробезопасность, достаточно низок.

Тем не менее, по мнению работников служб ГЭС, ожидаемый эффект был достигнут. Диспетчеры не тратят время на поиск ЗНЗ. В сети стало меньше двойных замыканий на землю и коротких замыканий. Ремонтники сталкиваются с меньшим объемом разрушения оборудования.

На втором этапе работ, начиная с 2008 г., учитывая недостаточную надежность индивидуальных направленных защит, НГТУ перешел к внедрению в г. Ханты-Мансийске централизованных микропроцессорных защит от однофазных замыканий на землю. Об их принципе работы, алгоритмах и опыте эксплуатации мы предполагаем сообщить в следующей публикации.

Таблица 1. Статистика работы направленных токовых защит

* Характер повреждения:
1 – Защита выявила ОЗЗ. После отключения присоединения повреждение было обнаружено и устранено.
2 – Защита выявила ОЗЗ, которое самоустранилось до начала поиска.
3 – Защита выявила ОЗЗ, которое затем перешло в двухфазное.
4 – Защита сработала ложно.
5 – Защита не сработала, повреждение обнаружено по 3U₀.
6 – Защита выявила и отключила поврежденное присоединение.

Литература

1. Патент 2071624 (Российская Федерация) Устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю (А.И. Шалин. опубл. в БИ 199791).
2. Шалин А.И. Надежность и диагностика релейной защиты энергосистем. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2002.
3. Шалин А.И., Хабаров А.М. Небалансы в направленных защитах от замыканий на землю // Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6–35 кВ: Труды четвертой Всероссийской научно-технической конференции. Новосибирск, 2006.
4. Бухтояров В.Ф., Маврицин А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. М.: Недра, 1986. 184 с.
5. Дмитриев С., Нестеров С., Целебровский Ю. Электрические сети малых городов. Обеспечение надежности и безопасности электроснабжения // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 6(66).