Релейная защита

В электроустановках 6–35 кВ большинство замыканий на землю происходит через перемежающуюся дугу, которая более опасна, чем устойчивое замыкание, причем время ее горения может быть достаточно большим.
Несмотря на серьезность этого явления, заказчики не требуют от изготовителей земляных защит достоверных данных о работе этих защит при внешних и внутренних перемежающихся дуговых замыканиях (ПДЗ). Изготовители в свою очередь не уделяют должного внимания обеспечению работоспособности данных устройств при ПДЗ – таково мнение Станислава Ивановича Головко.

Станислав Головко, к.т.н., ООО «Релейная защита», г. Томск

ЗЕМЛЯНЫЕ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 6–35 кВ
Учет перемежающихся дуговых замыканий

Станислав Головко, к.т.н., ООО «Релейная защита», г. Томск

Генераторные распредустройства ТЭС и распределительные сети 6–35 кВ имеют изолированную или компенсированную нейтраль. Общим для этих режимов нейтрали является то, что ток замыкания на землю мал. Его величина составляет от единиц до нескольких десятков ампер. В таких сетях большинство замыканий на землю являются не устойчивыми, а перемежающимися дуговыми замыканиями (ПДЗ).

ПДЗ – замыкание, при котором поврежденная фаза подключается к земле через сопротивление дуги, а затем через непродолжительное время, находящееся в пределах от долей до десятков миллисекунд, отключается от земли. Такое чередование пробоев и погасаний может продолжаться очень долго, до 30 минут и более. В настоящее время повсюду имеются регистраторы аварийных процессов, поэтому каждое предприятие может убедиться в справедливости вышеизложенного. Для этого нужно посмотреть осциллограммы фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, имеющие место после пуска регистратора по факту замыкания на землю.

ПДЗ значительно опаснее, чем металлическое замыкание, как тем, что оно вызывает повреждение оборудования, в котором возникла дуга, так и перенапряжениями, которые она инициирует. Поэтому для всех земляных защит должно быть обязательным требование селективной работы при ПДЗ.

Это требование предполагает, что защита не должна срабатывать при внешнем ПДЗ, но должна срабатывать с минимальным временем при внутреннем ПДЗ.

ВЛИЯНИЕ ПДЗ

При ПДЗ напряжение и токи нулевой последовательности являются несинусоидальными величинами, которые содержат гармоники с частотами от единиц до тысяч герц. Поэтому реагирующий орган любой защиты при ПДЗ может вести себя не так, как при устойчивом замыкании. В частности, он может не срабатывать в течение всего времени, пока замыкание происходит через перемежающуюся дугу.

Обеспечить селективную работу защиты при ПДЗ можно в том случае, если выполняются два условия. Первое состоит в том, что принцип действия защиты должен быть совместим с требованием селективной работы при ПДЗ. Второе условие заключается в том, что схемотехника избирательного органа защиты должна быть такой, чтобы реализовывалась указанная выше совместимость.

Для разработки такой схемотехники нужна постановка экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги в реальной сети либо на модели сети, выполненной в масштабе 1:1. Это трудоемкое и затратное мероприятие. ПДЗ – очень многообразный процесс, что обусловлено разнообразием факторов, влияющих на него. Таковыми являются:

• величина номинального напряжения сети;
• величина тока замыкания на землю;
• межэлектродное расстояние;
• тип изоляции и т. д.

Если ПДЗ имеет место в компенсированной сети, то важнейшее влияние на этот процесс оказывает величина расстройки компенсации. В зависимости от перечисленных факторов напряжение пробоя дугового промежутка может быть различным, кроме того, оно может изменяться от пробоя к пробою произвольным образом. Также произвольно может изменяться длительность токовой паузы, т. е. время от момента очередного пробоя до момента очередного погасания дуги. Дуга может погасать при одном из прохождений через ноль свободной составляющей тока замыкания либо при одном из прохождений через ноль вынужденной составляющей. Результатом многообразия процесса горения дуги является многообразие токов и напряжения нулевой последовательности, которые определяют поведение защиты при ПДЗ.

Изложенное является первой причиной того, что изготовители не дают обоснованных сведений о работе своих защит при перемежающихся дуговых замыканиях. Если говорить прямо, то большинство из них просто игнорируют ПДЗ. Подход примерно такой: «Хорошо уже то, что защита сработает при металлическом замыкании, а срабатывание при перемежающемся замыкании – это уже излишество».

Вторая и, возможно, главная причина сложившейся ситуации состоит в том, что покупатели земляных защит не предъявляют к защитам требование правильной работы при ПДЗ. Сложилась парадоксальная ситуация. Прокомментируем ее на примере генераторных защит.

ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРОВ

Основное требование к таким защитам состоит в том, чтобы время срабатывания было минимальным. Изготовители обеспечивают выполнение этого требования, но лишь для устойчивого замыкания. А на долю устойчивых приходится небольшой процент от общего числа замыканий на землю. Каким будет время срабатывания защиты, если замыкание на землю будет происходить через перемежающуюся дугу, и сработает ли она вообще – вопрос, который, на взгляд автора, должен обязательно задаваться изготовителю.

Несколько десятилетий назад в нормативных документах появилось требование о том, чтобы генераторные защиты не имели зоны нечувствительности. Это стимулировало соответствующие разработки, в результате которых такие защиты появились. Ими являются защиты с использованием естественных высших гармоник и защиты с наложением тока непромышленной частоты или постоянного тока.

Требование отсутствия зоны нечувствительности привело к существенному усложнению защит. Между тем замыкания вблизи нейтрали, с одной стороны, являются наименее опасными, с другой стороны, они бывают еще реже, чем устойчивые замыкания вблизи выводов генератора. Наиболее опасный и часто возникающий вид однофазного замыкания – перемежающееся дуговое замыкание. Почему же в нормативных документах есть требование отсутствия зоны нечувствительности, но нет требования правильной работы при ПДЗ?

Автором настоящей статьи совместно с Р. А. Вайнштейном (Томский политехнический университет) в 70-х годах прошлого века разработано устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Его подробное описание имеется в [1]. Устройство состоит из физической модели сети с изолированной или компенсированной нейтралью и модели дугового промежутка (МДП).

Модель сети имеет номинальное напряжение 173 В. МДП построена на базе управляемого двунаправленного вентиля, который подобно дуге переменного тока обладает способностью восстанавливать электрическую прочность при прохождении тока через ноль. К модели сети через согласующие элементы подключается реальное устройство защиты. МДП позволяет моделировать перемежающиеся дуги с любыми значениями пробивного напряжения и длительности токовой паузы, что обеспечивает возможность исследований с учетом многообразия процесса ПДЗ.

С помощью этого устройства был исследован гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности в компенсированных сетях [2, 3]. Эти результаты важны для разработчиков защит, реагирующих на токи непромышленной частоты, в частности, на естественные высшие гармоники. В соответствующих публикациях [4, 5, 6] вопросу поведения защит при ПДЗ уделено особое внимание.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Показательным примером того, насколько эффективнымможет быть ответственный подход к перемежающимся замыканиям, является использование на Курганской ТЭЦ защиты от замыканий на землю компенсированных сетей 6–35 кВ. В ГРУ 10 кВ этой ТЭЦ, как, впрочем, и во многих других сетях 6–10 кВ, уровень изоляции кабелей – невысокий, из-за чего была типичной следующая ситуация. В кабеле возникает замыкание на землю. Пока вручную отключается поврежденная линия, замыкание на землю переходит в междуфазное или двойное КЗ. Ситуация осложнялась тем, что ток КЗ на этой ТЭЦ близок к предельному току линейных выключателей. Когда линейный выключатель не справлялся с током КЗ, происходил пожар в ГРУ. По этой причине Курганская ТЭЦ обратилась с просьбой сделать земляную защиту кабельных линий с действием на отключение с минимально возможным временем срабатывания.

Удовлетворить это требование можно только в том случае, если устройство будет правильно работать при ПДЗ, поскольку большинство замыканий на землю, особенно в начальной стадии, происходят через перемежающуюся дугу. Обеспечить правильную работу защиты при ПДЗ на кабельной линии сложнее, чем на генераторе. Это обусловлено тем, что собственный емкостный ток кабельной линии намного больше, чем собственный емкостный ток генератора. На Курганской ТЭЦ емкостный ток кабельной линии составляет в среднем 13 А. По этой причине и устройства, реагирующие на высшие гармоники, и прежние устройства, работавшие по принципу наложения контрольного тока 25 Гц не могли использоваться с действием на отключение. Это объясняется тем, что на неповрежденных линиях с большими емкостными токами они давали сигнал «Земля на линии» до тех пор, пока замыкание происходило через перемежающуюся дугу. С помощью устройства для моделирования ПДЗ были подобраны схемные решения, которые обеспечили отстройку защиты от внешних ПДЗ на линиях с любыми емкостными токами при сохранении срабатывания при внутреннем ПДЗ.

В 2002 г. подобными защитами были оснащены все 17 линий ГРУ 10 кВ. И на всех линиях они были включены на отключение. Насколько известно автору, это единственный случай в России.

За период с 2002 по 2006 годы произошло примерно 40 замыканий на землю, во всех случаях защита работала правильно, предотвращая тем самым короткие замыкания.

Данный пример является подтверждением того, что можно заставить защиту работать при ПДЗ правильно, не прибегая к зажиганию дуги в реальной сети. Упомянутое выше устройство для моделирования ПДЗ позволяет сделать это намного дешевле и лучше, т. к. с его помощью можно найти наиболее опасные разновидности ПДЗ с точки зрения обеспечения правильной работы защиты, а затем с помощью соответствующих схемных решений заставить защиту работать правильно.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПДЗ

ООО «НПП «Экра» уже значительное время также использует принцип наложения тока 25 Гц для защиты генераторов. Это хорошо, так как появилась надежда, что этот принцип не умрет вместе с теми, кто его разработал. Как указывалось выше, принцип наложения тока 25 Гц очень хорошо совмещается с ПДЗ. Но для правильной работы защиты необходимо, чтобы данная совместимость поддерживалась схемой частотно-избирательного органа. Достаточно одного некорректного схемного решения (амплитудно-частотная характеристика, динамический диапазон, постоянная времени фильтра, сглаживающего пульсации после выпрямления сигнала 25 Гц), и защита при ПДЗ будет работать неправильно, а при устойчивом замыкании она будет работать без изменений.

На взгляд автора, всем разработчикам земляных защит электрооборудования 6–35 кВ целесообразно использовать упомянутое выше устройство для моделирования ПДЗ.

В [1, 2, 3] имеются все необходимые данные для его изготовления и применения. Это поможет разработчикам выбрать схемные решения, обеспечивающие срабатывание защиты при внутренних ПДЗ и отстройку от внешних ПДЗ, не прибегая к очень затратным экспериментам по зажиганию реальных перемежающихся дуг. Вероятно, что они придут к выводу, что используемый ими принцип выполнения защиты несовместим с требованием правильной работы при ПДЗ.

Обеспечение правильной работы при ПДЗ возможно, наверное, и с помощью математического моделирования. Но, на взгляд автора, упомянутое выше физическое моделирование более достоверно, так как позволяет испытывать реальное устройство защиты.

ВЫВОД

В электроустановках 6–35 кВ большинство замыканий на землю происходит через перемежающуюся дугу, которая более опасна, чем устойчивое замыкание, при этом время горения перемежающейся дуги может быть большим.

Целесообразно рассмотреть вопрос о включении в нормативные акты требования правильной работы земляных защит при ПДЗ, что особенно важно для генераторных защит. Техническим специалистам, которые формируют заказы на земляные защиты, необходимо требовать от изготовителей обоснованные данные о том, как работает защита при внешних и внутренних ПДЗ. Это будет стимулировать изготовителей к соответствующим исследованиям.

Разработчикам защит рекомендуется использовать устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Все данные по этому устройству опубликованы в открытой печати. Это позволит обойтись без сложных и очень затратных экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. Физическое моделирование электрических процессов, вызываемых перемежающимися дуговыми замыканиями // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 10.
2. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 12.
3. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Албул В.Н. Условия селективной работы защит с наложением контрольного тока при перемежающихся дуговых замыканиях // Известия вузов: Энергетика. 1988. № 7.
4. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю обмотки статора генераторов, работающих на сборные шины // Электрические станции. 2005. № 7.
5. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю кабельных линий 6–10 кВ в сетях с компенсацией емкостных токов // Электрические станции. 2003. № 2.
6. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Юдин С.М. Селективная сигнализация однофазных замыканий и измерение расстройки компенсации в сетях 30, 35 кВ // Электрические станции. 2000. № 7.