Езерский Владимир Георгиевич

 

Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю

       

Защитам от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях 6-35 кВ посвящено много публикаций [1,2,3,4]. От 80 до 90% случаев повреждений в сетях 6-35 кВ вызвано однофазными замыканиями на землю – ОЗЗ. В настоящее время для защиты от ОЗЗ используют серийно выпускаемые устройства типа ЗЗН, УСЗ-ЗМ и др., а также различные устройства единичного и мелкосерийного производства [1]. Опыт многолетней эксплуатации различных по принципу действия устройств защиты от ОЗЗ, а  также анализ многочисленных публикаций по данной тематике [1, 2, 3,4 и др.] позволяет с уверенностью утверждать, что общепризнанного по селективности и надежности действия устройства релейной защиты от ОЗЗ для сетей с различными режимами заземления нейтрали в настоящее время не существует.

Как известно, в устройствах защиты от ОЗЗ для выявления аварийных анормальных режимов используются векторные и спектральные характеристики тока и напряжения нулевой последовательности 3I₀ и  3U₀. Например, устройство ЗЗП-1 и его усовершенствованный вариант ЗЗН контролируют ток 3I₀ , напряжение 3U₀ и угол сдвига фаз между ними (направление мощности нулевой последовательности).

Однако эти и подобные устройства позволяют достоверно определить ОЗЗ только при устойчивом характере замыкания на землю. Если процесс ОЗЗ протекает нестабильно, то характеристики тока нулевой последовательности имеют неустойчивый, случайный характер, что часто приводит либо к несрабатыванию, либо к излишнему неселективному срабатыванию устройств защиты от ОЗЗ.

Направленная защита в сетях с изолированной нейтралью селективно срабатывает при металлических и устойчивых дуговых замыканиях. При наличии дугогасящих реакторов ДГР из-за подавления основной составляющей тока 3I₀, направленная защита не действует, а при перекомпенсации такая защита действует заведомо неселектив-но. Поэтому на практике рекомендуется устанавливать режим недокомпенсации и использовать защиты с высокой чувствительностью по току 3I₀ основной гармоники

(3I_{0 50}). При перемежающихся дуговых замыканиях направленная защита либо не действует, либо срабатывает неселективно.

С помощью устройства сигнализации УСЗ-3М вручную поочередно определяют сумму высокочастотных составляющих тока 3I₀ в каждом фидере, отходящем от сборных шин КРУ. Метод измерения действующего значения суммы  токов высших частот в токе 3I₀ (3I_{0 ВЧ}) и выявления поврежденного фидера по наибольшему значению 3I_{0 ВЧ}, имеет весьма высокую достоверность. К недостаткам централизованного обще-секционного устройства УСЗ-ЗМ следует отнести:

– действие только при устойчивом ОЗЗ;

- значительные затраты времени на определения поврежденного фидера оператором.

Учитывая сказанное, при разработке селективно действующего устройства защиты от ОЗЗ для присоединений, отходящих от секций КРУ были поставлены следующие задачи:

1. Создать комбинированное устройство, сочетающее положительные свойства

направленной защиты от ОЗЗ, учитывающей ток основной частоты 50 Гц и защиты от ОЗЗ, использующей токи высших частот.

2. Повысить достоверность и автоматизировать процесс определения поврежденного присоединения с использованием высокочастотных составляющих тока 3I₀

3. Уменьшить вероятность излишнего действия направленной защиты

4. Обеспечить непрерывность действия устройства при устойчивых ОЗЗ

5. Обеспечить регистрацию одиночных и повторно-кратковременных ОЗЗ

В качестве направленной защиты в разработанном устройстве применена высо-кочувствительная защита от ОЗЗ, используемая в цифровых терминалах серии  БМРЗ с начала их серийного выпуска в 1996.

В алгоритме этой защиты (обозначим её как Н₅₀) предусмотрено использование следующих величин:

- действующего значения основной гармоники тока нулевой последовательности 3I₀₅₀, получаемого от стандартного ТТНП. Чувствительность по току 3I_{0 50} этой защиты составляет 2 мА, что в  зависимости от коэффициента трансформации ТТНП  соответствует

50-70 мА в первичных значениях тока нулевой последовательности. Уставка по току 3I₀ в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса и наводок во вторичной цепи ТТНП. Действующее значение тока 3I₀₅₀ информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;

- действующего значения основной гармоники напряжения нулевой последовательности 3U₀, получаемого от обмоток трансформатора

напряжения, соединенных в «разомкнутый» треугольник. Чувствительность по напряжению 3U₀ – 5 В, а устойчи-вость к перегрузке по напряжению 3U₀ –350 В длительно. Уставка по напряжению 3U₀ в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса в цепях обмоток ТН. Действующее значение напряжения 3U₀ информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;

- угла между векторами основных гармоник 3I₀ и 3U₀ , получаемого расчетным путем.

Направленная защита Н₅₀  в терминалах серии БМРЗ имеет зону срабатывания по углу между векторами 3I₀ и 3U₀ – (170±5⁰), а

направление зоны срабатывания определяется уставкой, изменяемой с шагом 1⁰ в пределах от 0⁰ до 360⁰. Фактор «угла максимальной чувствительности» в рассматриваемой защите отсутствует, так как её угловые характеристики не зависят от значений 3I₀ и 3U₀. Минимальное время срабатывания защиты составляет – 40 мс, а наибольшая уставка срабатывания может быть задана равной 20 с.

        Быстродействующая направленная защита Н₅₀ ,действующая на отключение, может использоваться при двойных однофазных замыканиях на линиях 10 кВ, отходящих от тяговых подстанций железных дорог. Особую опасность такое повреждение представляет, когда ток двойного замыкания может пройти по рельсу [4, 9].

        Защита Н₅₀ сохраняет свои свойства и в сетях с компенсированной  нейтралью, когда ДГР настроен с «недокомпенсацией» и остаточная емкостная составляющая в токе 3I₀₅₀ при ОЗЗ превышает чувствительность защиты, равную 3 мА.

        Известно, что рассматриваемый алгоритм Н₅₀ может срабатывать излишне (неселективно) при:

- ОЗЗ в сетях с перекомпенсацией;

- перемежающихся (прерывистых) дуговых ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью.

        Для устранения излишних отключений не следует допускать работу сетей в режиме перекомпенсации, а при возникновении неустойчивых дуговых замыканий следует блокировать работу алгоритма Н ₅₀. Однако в любом случае чувствительный орган защиты от ОЗЗ по 3U₀ может работать на сигнализацию.

        Поэтому в комбинированной защите от ОЗЗ помимо алгоритма направленной защиты Н ₅₀ применен алгоритм ТЗ _вч, обеспечивающий контроль «свободных» составляющих, присутствующих в спектре тока 3I₀ при ОЗЗ – 3I _0вч.

        В качестве пускового органа в данном алгоритме используется пороговый эле-мент 3 U₀ , имеющий уставку по напряжению от 10 В и время срабатывания от 40 мс.

После срабатывания пускового органа значение тока 3I_0ВЧ записывается в память устройства и может использоваться для:

        - проведения измерений, выполняемых по принципу, использованному в устройстве типа УСЗ-3М, с передачей информации по каналу связи и последующего отключения поврежденного фидера по команде из АСУ;

        - селективного отключения поврежденного присоединения при использовании в алгоритме специальной времятоковой характеристики. Обратнозависимые характеристики типа RXIDG, используемые в устройствах фирмы АВВ [2,5] не имеют рекомендаций и методик по выбору уставок срабатывания.

В алгоритме ТЗ_ВЧ применена характеристика изображенная на рис. 1. Алгоритм, использующего предложенную характеристику, работает следующим образом. Предва-рительно на всех защитах, установленных на присоединениях секций КРУ, устанавливают одинаковые уставки. При возникновении ОЗЗ значения токов во всех неповрежденных присоединениях находятся в диапазоне от 0 до 3I_0ВЧMAX (см. рис.1), а время срабатывания ТЗ _ВЧ составляет Т _MAX. Через поврежденное присоединение протекает суммарный ток всех неповрежденных присоединений, что

 

 

на характеристике соответствует участку от 3I_0ВЧMAX до ∑ 3I_0ВЧ, а время срабатывания находится в диапазоне от Т _MAX до Т _MIN (см. рис. 1). После срабатывания защиты на поврежденном присоединении произойдет возврат защит на остальных присоединениях. Если защита действует не на отключение, а на сигнализацию, необходимо групповое устройство сигнализации, фиксирующее первое по времени срабатывание.

        При задании уставок для алгоритма, использующего рассматриваемую характеристику, следует учитывать нестабильность параметров

3I₀, особенно для сетей с компенсированной нейтралью. Согласно отдельным публикациям [6, 7], емкостные токи могут изменяться в несколько раз в течение дня.

        Рассмотренные алгоритмы Н₅₀ и ТЗ_ВЧ объединяются в комбинированном устройстве защиты от ОЗЗ (рис. 2), причем выбор первого или второго алгоритма cпроиcходит автоматически в зависимости от характера замыкания.

 

 

При устойчивых замыканиях, в том числе и дуговых, действует алгоритм направленной защиты Н₅₀ . При неустойчивых дуговых ОЗЗ действует токовая защита ТЗ_ВЧ .

        Пуск одного из двух алгоритмов  защиты от ОЗЗ осуществляется по результату спектрального анализа тока 3I₀ в начальной стадии замыкания, определяющего его коэффициент синусоидальности К_с по формуле:

 

К_с= 3I₀₅₀/3I_0ВЧ                     (1)

 

При кратковременных пробоях и дуговых прерывистых ОЗЗ значение К_с приближается к нулю. Для устойчивых металлических замыканий значение К_с  стремится к ∞ .Поэтому коэффициент синусоидальности тока 3I₀ может рассматриваться как простой и понятный признак устойчивости / неустойчивости ОЗЗ.

        Для практического использования коэффициента К_с в качестве условия выбора одного из двух алгоритмов, в комбинированном алгоритме защиты от ОЗЗ предусмотрено задание уставки К _сп, выбираемой из диапазона значений от 0,2 до 1,0.

При К_с > К_СП активизируется алгоритм направленной защиты Н₅₀, контролирующий направление мощности нулевой последовательности. При К_с < К_СП. алгоритм защиты Н₅₀ блокируется и активизируется алгоритм защиты ТЗ_ВЧ. Предусмотрено действие обоих алгоритмов как на отключение, так и на сигнализацию.

        Благодаря встроенному осциллографу, регистратору аварийных событий и регистратору кратковременных замыканий, обеспечена возможность корректировки уставок защиты на основе статистического анализа. Такой подход к определению уставок для защит от ОЗЗ в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью более эффективен, чем расчетные методы. Кроме этого, массовое использование такого устройства позволит собрать и обобщить статистические данные, полезные для оценки работ других защит от ОЗЗ.

        Как и во всех разработках НТЦ «Механотроника»,  пользователю обеспечены все сервисные возможности современного цифрового устройства РЗА. Дополнительно предусмотрена сигнализация каждого вида ОЗЗ. Комбинированная защита от ОЗЗ входит составной частью в многофункциональное устройство защиты отходящих линий типа БМРЗ-КЛ.

 

Литература:

1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.:НТФ «Энергопрогресс». //Приложение к журналу, «Энергетик», выпуск 11(35) 2001, 102 с.

2. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. СПб, ПЭИПК.

3. Кискачи В.В. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях напряжением 6-10 кВ с различным режимом  заземления нейтрали типа ЗЗН.// Учебно-методическое пособие ИПКГС, 2001 г.

4. Шабад М.А.  Автоматизация распределительных электрических сетей с использо-ванием цифровых реле. ПЭИПК, СПб, 2004 г.

5. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. СПб,. ПЭИПК, 2003 г.

6. Миронов И.А. Автоматические устройства настройки компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях СН электростанций. Особенности настройки РЗ в сетях СН электростанций с различными способами заземления нейтрали.// Сборник докладов технического семинара в ОРГРЭС, стр. 43-50, 2004 г.

7. Протоколы опытов ОЗЗ на подстанциях 110/10 кВ. АО «Ленэнерго», 1997, 2000 г.г.

8. Борухман В.А.  Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятия по их совершенствованию.// «Энергетик», 2000 г., №1 стр.20-22

9. Головко С.И.  О снижении аварийности в компенсированных сетях напряжением б- 35 кВ с помощью земляных защит с действием на отключение // Релейщик, №3, 2022 С. 10

 

Публикацию подготовил О.Г. Захаров. 2012-09-07, правка 2022-12-29