Марка • Оборудование

НТЦ «МЕХАНОТРОНИКА»
ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ЗАЩИТА ОТ ОЗЗ на базе ПТК «Защита-3»

Сергей Гондуров, генеральный конструктор
Вячеслав Кознов, к.ф-м.н., ведущий инженер-системотехник
Валерий Чепелев, главный специалист отдела РЗА
НТЦ «Механотроника», Санкт-Петербург

Открыть в формате PDF

Одна из наиболее частых причин повреждения в воздушных распределительных сетях 6(10) кВ – однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). По данным [1], 75–90% от общего числа электрических повреждений вызвано именно ОЗЗ. В связи с этим изучение процессов, протекающих при ОЗЗ, является важным для обеспечения надежного электроснабжения потребителей.

Отходящие линии сетей 6(10) кВ защищены токовыми отсечками и токовыми одноступенчатыми защитами с выдержкой времени. Они также имеют защиту от замыкания на землю, как правило, токовую ненаправленную или направленную нулевой последовательности. Контроль изоляции производится по напряжению смещения нейтрали 3U₀, снимаемому с вторичных обмоток трансформатора напряжения. Устройство сигнализации ОЗЗ является общим для всех присоединений сети и срабатывает при повреждении в любом из них. Поиск аварийной отходящей линии часто осуществляется путем последовательного отключения отходящих фидеров.

В ходе поиска повреждения производятся недостаточно обоснованные отключения работающего оборудования. Учитывая, что от каждого фидера питается не один объект, понятно, что такие отключения не могут не отражаться на производственных процессах. ОЗЗ могут привести к ряду неприятных последствий. В сети появляются перенапряжения (до 2,4–3,5-кратных фазным напряжениям), что может привести к пробою изоляции неповрежденных фаз и переходу ОЗЗ в двойное замыкание на землю («двухместное»), по своим характеристикам близкое к двухфазному короткому замыканию. Риск возникновения двойных замыканий вырастает для длительно эксплуатирующихся электрических машин и кабельных муфт в связи со старением их изоляции. Вторичные пробои изоляции в сети 6(10) кВ происходят чаще на двигателях, поскольку качество их изоляции обычно уступает качеству изоляции ЛЭП и другого оборудования.

Возможны явления феррорезонанса, от которых могут выходить из строя трансформаторы напряжения. Могут повреждаться и силовые трансформаторы, работающие в режиме, близком к холостому ходу. На ВЛ при обрыве провода и падении его на землю возникает опасность поражения электрическим током людей и животных.

ПРОБЛЕМА СЕЛЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ ОЗЗ

Основной проблемой для своевременной ликвидации ОЗЗ является трудность обеспечения чувствительности и селективности защиты, позволяющей без лишних отключений потребителей в кратчайшее время определить аварийное присоединение и приступить к ликвидации аварии.

Воздушные линии 6 кВ имеют суммарную емкость относительно земли 0,006 мкФ/км, переходные сопротивления при обрыве провода в месте ОЗЗ иногда составляют несколько кОм. Напряжения и токи нулевой последовательности при этом малы, уровень этих параметров зависит как от величины переходного сопротивления, так и от характеристик сети (емкость относительно земли, сопротивление изоляции или сопротивление заземляющих резисторов и т.д.). Входные сигналы становятся соизмеримыми с небалансами сети, от которых защита должна быть отстроена. В таких условиях практически невозможно во всех случаях обеспечить правильную работу защиты от ОЗЗ.

Проблема селективности защиты от замыканий на землю исследуется уже много лет. Согласно действующим изданиям ПУЭ (п. 3.2.97): «Защита от однофазных замыканий на землю должна быть выполнена, как правило, с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности. Защита в первую очередь должна реагировать на установившиеся замыкания на землю; допускается также применение устройств, регистрирующих кратковременные замыкания, без обеспечения повторности действия».

По принципу действия, защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью можно классифицировать, как реагирующие на такие параметры, как напряжение нулевой последовательности, ток нулевой последовательности, направление тока (мощности) нулевой последовательности, составляющие тока и напряжения нулевой последовательности переходного процесса при ОЗЗ.

Защиты от ОЗЗ по напряжению нулевой последовательности являются неселективными и обычно используются для сигнализации или в сочетании с токовыми защитами. Их принципиальное преимущество состоит в том, что в напряжении нулевой последовательности содержится меньше высокочастотных составляющих и защита, по сравнению с другими, лучше срабатывает на сигнализацию, например при ОЗЗ, сопровождающихся перемежающимися и прерывистыми дугами.

Токовые защиты делятся на реагирующие на такие факторы, как установившийся естественный ток замыкания на землю (ненаправленные и направленные защиты); искусственно созданный активный ток; наложенный ток частотой, отличной от промышленной; высшие гармоники установившегося тока замыкания на землю, возникающие естественным путем, броски емкостного тока переходного процесса.

В настоящее время известно несколько десятков устройств защиты и контроля изоляции присоединений 6(10) кВ. В последнее время для определения поврежденного присоединения применяется сравнение токов нулевой последовательности или других параметров, характеризующих ОЗЗ, на всех присоединениях питающей ПС. Могут сравниваться амплитудные, действующие, средние значения следующих токов: переходных, установившихся, высших гармонических составляющих, наложенных с частотой, отличной от промышленной [2]. Использование только принципа относительного замера не позволяет говорить о селективности защиты во всех случаях. Дополнительно, например чтобы повысить достоверность обнаружения присоединения с ОЗЗ, измеряют сдвиг фаз между 3U₀ и 3I₀ на всех контролируемых присоединениях.

Исследования и опыт применения защит от ОЗЗ показали, что наиболее универсальны устройства, в которых определение поврежденного присоединения осуществляется с использованием следующих двух способов [3]:

• сравнение амплитуд переходных токов в присоединениях защищаемого объекта;
• определение направления мгновенной мощности нулевой последовательности (НП) в начальной стадии переходного процесса.

На основе первого из указанных способов выполняются централизованные токовые устройства относительного замера. По второму способу могут быть получены направленные централизованные и автономные (индивидуальные) устройства защиты от ОЗЗ.

В схемах защиты от ОЗЗ сетей напряжением 6–35 кВ в качестве датчиков, как правило, используют трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП). Их погрешности также влияют на селективность защит [4, 5]. Одна из главных проблем использования ТТНП – это отсутствие нормирования их погрешности. К тому же погрешности определяются не только конструкцией и качеством изготовления трансформаторов, но и условиями их применения. Для сведения на рис. 1 приведена экспериментальная зависимость погрешности ТТНП (%) от первичного тока (А). В условиях сетей с малыми токами замыкания на землю (до 1 А) собственная погрешность ТТНП достигает 10% и более.

Рис. 1. Зависимость погрешности ТТНП (%) от первичного тока (А)

Напряжение 3U₀ снимается с трансформаторов напряжения (ТН). Погрешность ТН зависит от нагрузки вторичной обмотки. Один и тот же трансформатор может иметь классы точности 0,2; 0,5; 1,0; 3,0 в зависимости от мощности нагрузки. Например, эта зависимость для НТМИ-10 показана в таблице 1.

Таблица 1. Класс точности НТМИ-10 в зависимости от нагрузки

Таким образом, устройства защиты от ОЗЗ удовлетворяют не всем требованиям, предъявляемым к их чувствительности, селективности и надежности. Это обусловлено, во-первых, сложностью и нестабильностью процессов при замыканиях, и, во-вторых, тем, что конфигурация сетей, режимы и нагрузки изменяются в процессе эксплуатации [6]. В связи с этим на практике обычно применяются устройства, удовлетворяющие требованиям не в полной мере, или используется совокупность устройств.

ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ СЕЛЕКТИВНАЯ ЗАЩИТА ОТ ОЗЗ

Сегодня на объектах энергетики России и за ее пределами эксплуатируются свыше 100 000 микропроцессорных терминалов (МТ) типа БМРЗ производства НТЦ «Механотроника». Преимуществами МТ БМРЗ являются широкий диапазон рабочих температур окружающей среды с нижним пределом до –40°C и надежность, подтвержденная длительной эксплуатацией в самых сложных условиях, например на нефтепромыслах Сургута. БМРЗ-150 также имеют высокую чувствительность по входу тока нулевой последовательности – от 0,004 А, что важно для защит от ОЗЗ.

Внедрение современных микропроцессорных терминалов РЗА типа БМРЗ на распределительных подстанциях 110/35/6 (10) кВ и интеграция терминалов в систему диспетчерского контроля с помощью функционального контроллера (ФК) программно-технического комплекса (ПТК) «Защита-3» создали дополнительные возможности для реализации централизованной селективной защиты от ОЗЗ.

В централизованной защите от ОЗЗ совместно анализируются токи 3I₀ по фидерам и их фазы, а также действия имеющихся в терминалах направленных защит. Терминалы БМРЗ, установленные на отходящих фидерах подстанции, осуществляют контроль напряжения и токов нулевой последовательности. При возникновении ОЗЗ терминалы осуществляют усреднение и накопление величин.

Защита от ОЗЗ выполнена с контролем напряжения 3U₀ и тока 3I₀. При превышении значений напряжения 3U₀ заданной уставки 3U_0нб в автоматизированную систему управления (АСУ) передается дискретный сигнал пуска и начинается обработка и усреднение значений тока 3I₀.

Результаты расчетов и дискретные сигналы, формируемые в терминале БМРЗ, передаются в систему АСУ для дальнейшей обработки функциональным контроллером. При пуске формируется сигнал (транспарант) наличия ОЗЗ «Земля в сети». Аварийная отходящая линия определяется на основании контро- ля значений и динамики токов нулевой последовательности во всех присоединениях ПС. При этом используется несколько параметров для каждого присоединения: усредненное действующее и пиковое значение тока за время развития аварии, направление мощности нулевой последовательности в начальный момент аварии. Каждому из сопоставляемых параметров назначается соответствующий весовой коэффициент.

После определения поврежденного фидера формируется транспарант «Срабатывание ОЗЗ». Действие защит на фидерах и результат работы комплекса оборудования по выявлению поврежденного присоединения можно наблюдать на экране автоматизированного рабочего места (АРМ), подключенного к  функциональному контроллеру ПТК «Защита-3» (фото 1). На экране фидер с ОЗЗ отмечается транспарантом «Земля». По команде функционального контроллера осуществляется и местная сигнализация на терминале РЗА поврежденного присоединения.

Фото 1. Вид основного экрана АРМ, на котором зафиксировано срабатывание централизованной защиты от ОЗЗ

Важное преимущество такого решения – отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании. Проведены экспериментальные исследования и испытания действия централизованной защиты в различных условиях. При проверке действия защиты от ОЗЗ на ПС-36 НГДУ «Альметьевнефть», при касании провода ВЛ ветками дерева по истечении 30 с после включения ВЛ и развития ОЗЗ, сопровождавшегося ростом напряжения и увеличением тока нулевой последовательности, произошло срабатывание централизованной защиты ОЗЗ с правильной сигнализацией поврежденной отходящей линии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хузяшев Р.Г., Кузьмин И.Л. Разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего алгоритм определения места повреждения в ЛЭП с изолированной нейтралью // Энергетика Татарстана. 2008. № 1(9). С. 97–99.
2. Виштибеев А.В. Балльно-индексный метод для оценки эффективности различных вариантов защит от замыканий на землю // Проблемы энергетики. 2005. № 1. С. 29–33.
3. Шалин А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. М.: Энергия, 2003. 25 с.
4. Глухов О., Иванов Е., Мельников Д., Озолиньш П. Пофидерный контроль изоляции. Пришло время новых технических решений // Новости ЭлектроТехники. 2004. № 3 (27).
5. Шалин А.И., Хабаров А.М. Небалансы в направленных защитах от замыканий на землю // Материалы четвертой всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6–35 кВ». Новосибирск, 2006. С.158–176.
6. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыкания на землю в сетях 6–10 кВ и мероприятия по их совершенствованию // Энергетик. 2000. № 1. С. 20–21.

НТЦ «Механотроника»
198206, Санкт-Петербург, ул. Пионерстроя, 23 А.
Тел.: (812) 244-70-15, факс: (812) 744-45-83,
info@mtrele.ru, www.mtrele.ru