Релейная защита

При отсутствии надежной селективной сигнализации поиск линии с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в разветвленных сетях 6–35 кВ требует большого количества оперативных переключений. Если изоляция сети не выдерживает повышенные напряжения, которые имеют место при ОЗЗ, то во время поиска происходит переход ОЗЗ в двойное КЗ на двух и более линиях.
Оснащение сетей земляными защитами, селективно работающими при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях и способными действовать на отключение, – весомый резерв повышения надежности электроснабжения.
Основной причиной неиспользования этого резерва, по мнению Станислава Ивановича Головко, является то, что и потребители, и поставщики электроэнергии привыкли искать повреждение посредством поочередного отключения линий.

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

ОБЕСПЕЧИТЬ ПОРЯДОК С ЗЕМЛЯНЫМИ ЗАЩИТАМИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 6–35 кВ МОЖНО, ЕСЛИ ИЗМЕНИТЬ НОРМАТИВНУЮ БАЗУ

Преимуществом таких сетей является малый ток ОЗЗ, что обуславливает возможность работы сети при наличии ОЗЗ. Но это преимущество реализуется в полной мере в том случае, если сеть оборудована устройствами селективной сигнализации и изоляция сети выдерживает повышенные напряжения, которые имеют место в течение времени существования ОЗЗ.

При отсутствии селективной сигнализации, однозначно указывающей поврежденную линию, поиск линии с ОЗЗ требует большого количества оперативных переключений с переводом потребителей на резервное питание. Поэтому в сетях с большим числом линий, даже если они имеют хорошую изоляцию, отсутствие надежной селективной сигнализации ставит под сомнение целесообразность режима с малым током ОЗЗ.

Если изоляция сети не выдерживает повышенные напряжения, которые особенно велики при перемежающемся дуговом замыкании (ПДЗ), то нередко во время поиска и ручного отключения ОЗЗ происходит переход ОЗЗ в двойное КЗ с участием двух и более линий. В таких сетях целесообразность режима с малым током ОЗЗ ставится под еще большее сомнение. Из-за этого достаточно распространено мнение о необходимости увеличения тока ОЗЗ до значения в несколько сотен ампер, которого достаточно для селективной работы простой токовой защиты. Однако по ряду практических причин это невозможно.

Если сети 6–35 кВ будут оснащены земляными защитами, селективность работы которых при устойчивых ОЗЗ и ПДЗ будет достаточной для их действия на отключение, то преимущества режима с малым током ОЗЗ вряд ли будут подвергаться сомнению даже для разветвленных сетей с невысоким уровнем изоляции.

При наличии таких защит у эксплуатации появляется выбор. Если уровень изоляции высок и соответственно при ручном отключении поврежденной линии нет переходов ОЗЗ в двойные КЗ, то защиты включаются на сигнал. Если ОЗЗ часто переходят в двойные КЗ, то защиты переводятся на отключение.

На каких линиях защиту включать на отключение, решает персонал в зависимости от конкретных условий. Такие защиты особенно необходимы в ГРУ 6(10) кВ ТЭЦ, от которых запитана разветвленная потребительская сеть, что является причиной большого количества ОЗЗ. Нередко из-за повышения напряжения на неповрежденных фазах, обусловленного замыканием на землю в сети, происходит второй пробой на землю в высоковольтном двигателе или в генераторе, которые подключены к ГРУ.

В сетях с изолированной нейтрайлью, как правило, применяются защиты, реагирующие на абсолютное значение промышленной составляющей тока ОЗЗ. Этот принцип (назовем его «амплитудный принцип 50 Гц») используется в известном реле РТЗ-51 и в земляных модулях комплексных цифровых защит.

В компенсированных сетях наиболее распространены защиты, реагирующие на абсолютное значение естественных высших гармоник (ЕВГ) тока однофазного замыкания, и защиты, осуществляющие относительный замер ЕВГ.

В сетях, оснащенных указанными защитами, процент правильной работы невелик. Это объясняется их общеизвестными недостатками.

Так, «амплитудный принцип 50 Гц» критичен для емкостных токов присоединений и для суммарного емкостного тока сети. Если указанные величины изменяются в процессе эксплуатации, то это может привести к неправильной работе. Этот принцип плохо применим в сетях с небольшим числом присоединений.

Абсолютное значение ЕВГ – очень нестабильная величина, зависящая как от емкости сети, так и от содержания ЕВГ в фазных напряжениях. Последнее зависит от вида потребителей – источников высших гармоник. Поэтому в разных сетях абсолютное значение ЕВГ может многократно различаться. И даже в одной сети высшие гармоники могут существенно изменяться в течение суток. По этой причине процент правильной работы защит, основанных на абсолютном замере ЕВГ, невелик.

Защиты на относительном замере ЕВГ позволяют отыскать линию с замыканием на землю, если последнее является устойчивым. Однако это требует вмешательства персонала, при этом от него требуется определенный навык, который приобретается только при поиске ОЗЗ. Относительный замер ЕВГ не позволяет найти поврежденную линию, если замыкание происходит через перемежающуюся дугу. Это обусловлено тем, что в процессе ПДЗ токи нулевой последовательности изменяются с большой скоростью, с такой же скоростью изменяются и высшие гармоники. Отмеченные недостатки принципа измерения ЕВГ являются принципиальными, поэтому они вряд ли преодолимы как для аналоговых, так и для цифровых устройств.

Сказанное выше является одной из причин того, что эксплуатация смирилась с неселективной работой земляных защит в изолированных и в компенсированных сетях и, разумеется, считает нереальной возможность их действия на отключение. Между тем для изолированных и для компенсированных сетей имеются как принципы выполнения селективных защит, так и сами защиты, способные действовать на отключение.

СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Принцип наложения тока 25 Гц

Для компенсированных сетей принципом, позволяющим сделать защиту, способную действовать на отключение, является принцип наложения тока 25 Гц. Защитой, в полной мере реализующей все возможности этого принципа, является защита ЗЗС-5 [1, 2]. Эта защита работает селективно при любых емкостных токах присоединений, какими бы большими они ни были. Причем она работает селективно как при устойчивых, так и при перемежающихся дуговых замыканиях с учетом разнообразия последних. Селективная работа при ПДЗ является результатом двух обстоятельств.

Совместимость принципа наложения тока 25 Гц с селективной работой при ПДЗ. Благодаря дугогасящему реактору (ДГР) ПДЗ в компенсированной сети происходят с низкой частотой. Следствием этого является наличие больших низкочастотных гармоник в напряжении нулевой последовательности. На низких частотах индуктивное сопротивление ДГР во много раз меньше емкостного сопротивления сети. Поэтому низкочастотные гармоники, замыкающиеся через ДГР и протекающие по поврежденному присоединению, во много раз превышают низкочастотные гармоники в неповрежденных присоединениях. Это и обеспечивает возможность идентификации поврежденного присоединения при ПДЗ.

Соответствующая схемотехника. Для создания защиты, селективно работающей при ПДЗ, недостаточно совместимости принципа ее выполнения с требованием селективной работы при ПДЗ. Необходимо, чтобы эта совместимость была реализована с помощью соответствующей схемотехники. Для создания такой схемотехники в 70-х годах прошлого века было разработано устройство для физического моделирования ПДЗ [3]. С его помощью были проведены исследования гармонического состава электрических величин при ПДЗ, основные результаты которых изложены в [4]. На основании этих исследований и опыта эксплуатации предыдущих вариантов защиты, в 2002 г. была разработана защита ЗЗС-5. При устойчивых ОЗЗ защита ЗЗС-5 срабатывает от наложенного тока 25 Гц, обеспечиваемого источником контрольного тока. При ПДЗ, когда наложенный ток 25 Гц недостаточен для срабатывания, защита срабатывает от низкочастотных гармоник, генерируемых перемежающейся дугой.

Примером повышения надежности сети, обеспечиваемого действием земляной защиты на отключение, является Курганская ТЭЦ.

Уровень изоляции кабельной сети, получающей питание с ГРУ 10 кВ этой ТЭЦ, – невысокий, из-за чего была типичной следующая ситуация. В кабеле возникает ОЗЗ. Пока вручную отключается поврежденная линия, ОЗЗ 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, нередко происходил пожар в ГРУ.

По просьбе руководства станции все 17 линий ГРУ 10 кВ Курганской ТЭЦ были оснащены защитой ЗЗС-5 в 2002 г. На начальном этапе защиты действовали на сигнал. После накопления опыта они были переведены на отключение. Результатом этого явилось уменьшение в разы числа КЗ, которые начинаются, как правило, с ОЗЗ, а ОЗЗ вне зависимости от того, устойчивые они или перемежающиеся, стали быстро отключаться. За 10 лет было около 200 замыканий на землю. По отзывам персонала ТЭЦ во всех случаях защита работала правильно.

Сейчас всё большее применение получают комплексные цифровые защиты линий 6–35 кВ. Вероятно, за ними будущее. Но если изготовители этих защит в качестве принципа построения земляных защит не будут использовать принцип 25 Гц и имеющийся опыт его использования, то, на взгляд автора, никогда не будет порядка с земляной защитой в компенсированных сетях.

Наложение тока 25 Гц позволяет одновременно решить вопрос автоматической настройки ДГР. В настоящее время разработан источник контрольного тока ИКТ-2, с помощью которого накладывается ток 25 Гц через стандартные трансформаторы напряжения. Это проще и дешевле, чем применявшееся ранее наложение через ДГР. Рост объема производства также приведет к уменьшению стоимости комплексной защиты, в которой используется земляная защита 25 Гц.

Будет правильно, если изготовитель комплексной цифровой защиты, освоивший принцип 25 Гц, предложит покупателю два варианта. В дешевом будут использоваться высшие гармоники, а в более дорогом – принцип 25 Гц с возможностью действия защиты на отключение. Думается, что после накопления опыта потребители будут покупать более дорогой вариант.

Направленный принцип

Для сетей с изолированной нейтралью методом, позволяющим сделать хорошую земляную защиту, является принцип определения направления промышленной составляющей тока ОЗЗ (направленный принцип). Работа защиты на указанном принципе не зависит от распределения суммарного емкостного тока сети между присоединениями. Не требуется даже знание точного значения тока ОЗЗ. Направленный принцип совместим с требованием селективной работы защиты при ПДЗ. Автор убедился в этом, проведя испытания защиты ЗЗП-1. Практически при всех разновидностях ПДЗ эта защита работает селективно. ЗЗП-1 – предельно простая, надежная и дешевая защита.

ЗЗП-1 разрабатывалась прежде всего для сетей горнорудных предприятий с очень малыми токами ОЗЗ, что потребовало уменьшения тока срабатывания до 0,07 А. Небаланс ТТНП и наводки на токовые цепи часто превышают указанную уставку, что приводит к ложной работе ЗЗП-1. В этом состоит одна из причин недоверчивого отношения эксплуатации к этой защите. При уставке 0,5 А и тем более 2 А обеспечивается отстройка от указанных помех [5], что позволяет без опасения использовать направленные защиты в сетях с емкостными токами более 2 А, в том числе с действием на отключение.

В настоящее время на подстанциях имеется много устройств ЗЗП-1. Всё большее распространение получают отечественные цифровые защиты, в состав которых входят направленные земляные защиты. Однако несмотря на очевидную селективность принципа действия, сами защиты на многих объектах работают неселективно.

Основной причиной является то, что при монтаже делается неправильная фазировка по току и напряжению нулевой последовательности. В современной документации на ЗЗП-1 и на цифровые защиты нет сведений о том, как делать фазировку. После знакомства с документацией на указанные защиты складывается впечатление, что изготовители либо сами не знают этого, либо они не хотят отпугивать покупателей тем, что фазировка потребует от эксплуатационников дополнительной работы.

В первой документации на ЗЗП-1 [5] говорится о том, что для фазировки необходим один опыт замыкания на землю, что обусловлено неопределенностью полярности ТТНП. На современных ТТНП указано Л1, И1, И2, т.е. полярность определена. Означает ли это, что при наличии на линии такого ТТНП фазировка может быть сделана без опыта ОЗЗ? Если да, то почему нет подробнейших рекомендаций по этому вопросу?

Другая важная причина состоит в многолетней привычке искать «землю» посредством поочередного отключения линий. Эта привычка в свою очередь сформировалась благодаря нормативному положению, согласно которому сеть может 2 часа работать с замыканием на землю. Подразумевается, что за 2 часа поврежденную линию можно найти посредством поочередного отключения. Это позволяет персоналу ТЭЦ и ПС относиться без должного внимания не только к такому достаточно сложному мероприятию, каким является ввод в эксплуатацию направленной защиты, но и к земляным защитам вообще.

Земляная защита, какой бы совершенной она ни была, не будет работать, если:

• ТТНП повреждены;
• вторичные обмотки ТТНП (при наличии нескольких кабелей в линии) соединены неправильно;
• заземление кабельных воронок сделано неправильно.

Такие ошибки распространены.

Кроме того, ввод защит в эксплуатацию часто делается без прогрузки первичным током. Это принципиальная ошибка, т.к. прогрузка обеспечивает проверку ТТНП, учет коэффициента трансформации ТТНП, проверку токовых цепей.

НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

На взгляд автора, ситуацию можно изменить только с помощью нормативных указаний, которые обязали бы головные подстанции 6–35 кВ и ТЭЦ обеспечить селективное определение поврежденной линии. От этого выиграют и потребители, и поставщики электроэнергии. Такие указания обеспечат повышение требований энергетиков к разработчикам защит и помогут им сделать селекцию, т.е. выбрать лучшие из большого числа защит, которые в настоящее время предлагаются на рынке.

Как должны выглядеть эти указания? Это вопрос, требующий отдельного рассмотрения. Например, можно уменьшить допустимое время работы с замыканием на землю, можно ввести ограничение на число отключаемых линий при поиске «земли». Эти указания можно не применять к подстанциям, питающим неразветвленные сети, в которых поиск поврежденной линии не требует большого числа переключений.

В [6, 7] был поднят вопрос о том, что технические специалисты, отвечающие за сохранность генераторов, должны проверять работоспособность покупаемых генераторных земляных защит при ПДЗ. Необходимость этого обусловлена тем, что большинство ОЗЗ происходит через перемежающуюся дугу и именно этот вид замыкания представляет наибольшую опасность. В [7] описано несложное устройство, с помощью которого такая проверка может быть сделана в условиях электростанции. Несмотря на очевидную значимость вопроса, со стороны электростанций нет реакции на указанное предложение. Причина – отсутствие нормативной базы.

Несколько десятилетий назад в нормативных документах появилось требование о том, чтобы генераторные защиты не имели зоны нечувствительности. Такие защиты появились. ПДЗ намного чаще имеют место и значительно более опасны, чем замыкания в нейтрали, но в нормативных документах нет требования правильной работы при этом виде замыкания. В итоге получилась ситуация, похожая на ту, которая была бы, если бы министерство обороны поставило стратегические ракеты на боевое дежурство, не затрудняя себя вопросом о том, долетят ли они до цели.

На взгляд автора, и по вопросу земляных защит сетей, и по вопросу генераторной земляной защиты в настоящее время сложилось противоречие между новыми техническими реалиями и существующей нормативной базой.

ВЫВОДЫ

1. Преимущества используемых в России режимов нейтрали сетей 6–35 кВ не будут ставиться под сомнение в том случае, если они будут оснащены земляными защитами, селективно работающими при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях и, следовательно, способными действовать на отключение. Такие защиты в настоящее время есть. Действие защит на отключение целесообразно в тех сетях, в которых за время ручного отключения поврежденного присоединения происходят переходы замыканий на землю в короткие замыкания. Вопрос о действии защит на отключение решается эксплуатацией в зависимости от конкретных условий.
2. Для того чтобы преодолеть многолетнюю привычку искать поврежденное присоединение посредством поочередного отключения линий и сделать более ответственным отношение к сетевым земляным защитам со стороны эксплуатации, изготовителей, проектировщиков, необходимы нормативные указания, обязывающие головные подстанции 6–35 кВ и ТЭЦ обеспечить селективное определение поврежденной линии.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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.
2. Головко С.И. Комплексное применение метода наложения контрольного тока с частотой 25 Гц для защиты от замыканий на землю и измерения расстройки дугогасительного реактора // Энергетик. 2010. № 11.
3. Физическое моделирование электрических процессов, вызываемых перемежающимися дуговыми замыканиями / Головко С.И., Вайнштейн Р.А. – Известия вузов. Сер.: Энергетика. 1978. № 10.
4. Условия селективной работы защит с наложением контрольного тока при перемежающихся дуговых замыканиях / Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Албул В.Н. – Известия вузов. Сер.: Энергетика. 1988. № 7.
5. Кискачи В. М. Защита от однофазных замыканий на землю типа ЗЗП-1 (описание, наладка и эксплуатация). М.: Энергия. 1972.
6. Головко С.И. Земляные защиты электрооборудования 6–35 кВ. Учет перемежающихся дуговых замыканий // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 2(74).
7. Головко С.И. Земляные защиты электрооборудования 6–35 кВ. Вновь о перемежающихся дуговых замыканиях // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 5(77).