CC BY
12УДК 620.9
Плесовских Д.В.
магистрант 2-го курса, Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
Аннотация: проблема определения однофазного замыкания на землю в сетях 6-10 кВ остается актуальной в наше время. Разнообразные варианты конфигураций электрических сетей среднего напряжения обуславливают применение различных видов и типов токовых защит от однофазных замыканий на землю. В статье описаны основные виды защит от замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения. Проанализирована их надежность и селективность при определении поврежденного присоединения. Данный анализ поможет определиться с направлением исследований при решении поставленной задачи повышения эффективности защиты от однофазных замыканий в сетях среднего напряжения.
Ключевые слова: релейная защита, однофазное замыкание, защита от замыканий на землю, режим заземления нейтрали.
В современных электроэнергетических системах (ЭС) конфигурации электрических сетей становятся все более сложными, осуществляется модернизация основного оборудования подстанций (ПС), распределительных пунктов (РП). Все это делает еще более актуальными вопросы надежной работы автоматики и релейной защиты.
В России по кабельным эклектическим сетям среднего напряжения распределяется до 50% вырабатываемой энергии [1]. При этом 99% из них, являются распределительные сети городского и промышленного электроснабжения напряжением 6-10 кВ [2]. Кабельные сети в России имеют,
как правило, изолированную нейтраль или нейтраль заземленную через дугогасящий реактор (ДГР) [3]. Необходимость применения ДГР зависит только от максимального емкостного тока сети 1Се, который для кабельных сетей напряжением 6 кВ должен бать не более 30 А, для сети 10 кВ не более 20 А. Главной целью ограничения предельного тока замыкания на землю является возможность аварийной работы поврежденного присоединения в течении длительного времени (до 6-ти часов), что позволяет выполнить защиту не на отключение, а на сигнал. По условиям безопасности при эксплуатации торфяных электроустановок, в шахтах защита должна работать на отключение поврежденного присоединения.
В кабельных сетях среднего напряжения, основным видом повреждений являются однофазные замыкания на землю, доля которых составляет 80-90% от всех повреждений [4, с. 40 - 43]. Наиболее опасной разновидностью ОЗЗ являются дуговые перемежающиеся замыкания на землю (ДПОЗЗ), сопровождающиеся опасными для всей электрически связанной сети перенапряжениями, максимальная кратность которых может достигать величины КП = 3,5-4 [5].
Сигнализация замыкания на землю.
Самым простым и распространенным способом защиты является защита по напряжению нулевой последовательности промышленной частоты, которая работает на сигнал. Данная защита является неселективной, что создает сложности при отыскании поврежденного присоединения. Принцип её работы состоит в том, что при замыкании на землю, на вторичной обмотке трансформатора напряжения, соединенной по схеме разомкнутый треугольник, появляется напряжение нулевой последовательности 3и0. При превышении порогового значения этого напряжения, задаваемого уставкой, происходит срабатывание на сигнал. Впоследствии оперативный персонал для отыскания поврежденного фидера, отключает поочередно присоединения секции РП. Эти устройства условно называются защитами, так как они только сигнализируют о наличии однофазного замыкания на секции. Такую защиту невозможно
выполнить на отключение, если от секции шин отходит два и более присоединения.
Токовые ненаправленные защиты.
Данный тип защит основан на контроле тока нулевой последовательности 31о каждого отходящего присоединения. Для этих целей применяют трехтрансформаторные и однотрансформаторные фильтры токов нулевой последовательности, которые устанавливаются на каждый защищаемый отходящий фидер (рисунок 1). Трехтрансформаторные фильтры используются в основном на воздушных линиях (ВЛ) электропередач в случаях, когда на выходе выключателя линии нет кабельной вставки. Получение в них тока 3Ю происходит за счет суммирования вторичных токов ТТ трех фаз: 3I0=IA+IB+IC. Однотрансформаторные фильтры, являющиеся трансформаторами тока нулевой последовательности (ТТНП), применяются на КЛ 6-10кВ. В ТТНП ток 3Ю получается магнитным суммированием первичных токов трех фаз. Из-за различия суммирования токов фаз (вторичных в первом случае и первичных во втором) эти типы фильтров имеют разную чувствительность. На практике широко используются однотрансформаторные фильтры, применение трехтрансформаторных фильтров ограничивает наличие у них ряда существенных недостатков, приводящих к снижению чувствительности защит. В таких защитах емкостной ток всех неповрежденных фаз сети протекает через ТТНП поврежденного присоединения, вызывая срабатывание токового реле, подключенного к ТТНП. Защита должна быть отстроена от суммарного емкостного тока защищаемого присоединения для предотвращения ложных срабатываний при ОЗЗ на внешних присоединениях. По этой причине селективное действие защиты возможно в сетях, где суммарный ток ОЗЗ будет больше в 4-8 раз, тока НП любого отходящего фидера.
Трансформатор тока нулевой последовательности Трехтрансформаторный фильтр (ТТНГ1) нулевой последовательности
К - трехфазный кабель;
М - тороидальный магнитопровод;
У1'2 - вторичная обмотка;
КА - токовое реле,
Рис. 1. Фильтры токов нулевой последовательности.
Как показывает опыт эксплуатации защит такого типа, неселективное срабатывание происходит при переходном процессе во время первоначального пробоя изоляции и при перемежающейся дуге. Отстроиться от переходных процессов можно загрублением уставки, что приведет к снижению чувствительности, или введением выдержки по времени, но при этом не получится зафиксировать однократные пробои изоляции.
Направленные токовые защиты.
Направленные защиты отличаются от ненаправленных наличием реле направления мощности, которое реагирует на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме ОЗЗ. Они имеют возможность определять поврежденное присоединение с большим емкостным током, сопоставимым с суммарным емкостным током всей электрической сети. Направленные защиты от ОЗЗ используются сетях с изолированной нейтралью, резистивно-заземленной и компенсированной нейтралью, работающей в режиме недокомпенсации.
Как показал опыт эксплуатации таких защит, они имеют большой процент неправильных срабатываний. Нестабильность их работы связана с искажением токов и напряжений при переходном процессе. Большое содержание высших гармоник в токе и напряжении нулевой последовательности искажает форму сигналов, что приводит к сложности определения их фазы. Ферромагнитный резонанс, возникающий при коммутациях в электрической сети, тоже приводит к неселективным срабатываниям защит такого типа.
Защиты, основанные на контроле высших гармоник в токе 310.
В сетях 6-10кВ с компенсированной нейтралью широкое применение получили токовые защиты, основанные на принципе контроля уровня высших гармоник в токе нулевой последовательности. Это связано с тем, что дугогасящий реактор (ДГР) компенсирует емкостной ток первой гармоники, высшие гармоники остаются некомпенсированными. Кроме того, сам ДГР является источником высших гармоник, так как имеет нелинейную характеристику намагничивания [7, с. 14-19]. В электрических сетях с изолированной нейтралью и нейтралью, заземленной через высокоомный резистор эти защиты имеют низкую селективность из-за нестабильности и случайного состава ВГ в токе 310 [6].
Защиты с использование дополнительных наложенных токов.
Принцип работы таких защит основан на наложении дополнительного вспомогательного постоянного или переменного тока в первичные цепи электроустановки. Частота переменного наложенного тока может отличаться от промышленной частоты в большую или меньшую сторону. При ОЗЗ наложенный ток протекает в основном по поврежденному присоединению, облегчая поиск аварийной линии. Защиты, которые используют частоту наложенного тока больше промышленной частоты не получили широкого распространения. Это связано с тем, что с повышением частоты, увеличивается ёмкостная проводимость неповрежденных присоединений для наложенного тока. Прохождение наложенного тока через емкости фаз неповрежденных
присоединений снижает ток через место повреждения. Большее распространение получили защиты с наложенным током частотой 25Гц. Примером таких защит, являются устройства ЗЗС-2, ЗЗС-5/2. Основные недостатки таких защит — это низкая селективность при переходных сопротивлениях в месте ОЗЗ, ложные срабатывания при феррорезонансе, блокировка работы защиты при перемежающейся дуге.
Вывод.
Результаты проведенного аналитического обзора принципов работы, преимуществ и недостатков, описанных в статье типов защит от ОЗЗ, говорят о неудовлетворительном селективном определении поврежденного присоединения. Главным фактором низкой селективности и чувствительности защит от ОЗЗ, является переходной процесс, возникающий в момент первоначального пробоя изоляции или при перемежающейся дуге. Значительное влияние на чувствительность ненаправленных защит в установившемся режиме ОЗЗ оказывает переходное сопротивление в месте замыкания [8, с. 142-145]. Дальнейший поиск возможных вариантов повышения эффективности защит от ОЗЗ в сетях среднего напряжения требует проведения исследований переходных процессов, возникающих в первый момент замыкания на землю.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЭНАС, 2012. - 376 с;
2. Лебедев Г.М. Повышение эффективности эксплуатации кабельных линий 6-10 кВ в системах электроснабжения на основе неразрушающей диагностики: дис. ... докт. техн. наук: 05.09.03 / Лебедев, Геннадий Михайлович. - Москва, МЭИ (Технический университет), 2007. - 410 с;
3. ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7 [Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002 № 204]. - М.: Омега-Л, 2012. - 272 с;
4. Беляков Н.Н. Анализ повреждений от замыканий на землю в кабельных сетях / Н.Н. Беляков // Электрические станции. - 1952. - № 6. - с. 40 - 43;
5. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов / Ф.А. Лихачев. - М.: Энергия. - 1971. - 152 с;
6. Хабаров, И.А. Разработка и исследование характеристик защит от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ с резистивным заземлением нейтрали: дис. на соискание уч. ст. канд. тех. наук 05.14.02 / Хабаров Андрей Михайлович - Новосибирск, 2006 - 232 с;
7. Вайнштейн, Р.А.О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией ёмкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу / Р.А. Вайнштейн, С.И. Головко // Известия вузов. Энергетика. -1978.-№ 12. - С. 14-19;
8. Пеленев Д.Н. Анализ влияния переходного сопротивления на работоспособность ненаправленной токовой защиты от однофазных замыканий на землю// Материалы 2-ой международной научной школы академика К.Н. Трубецкого «Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр»: Сб. науч. тр. - Москва, 2016. - С. 142-145.
Plesovskich D.V.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
PROTECTION AGAINST EARTH FAULT IN MEDIUM VOLTAGE ELECTRICAL NETWORKS. GENERAL ISSUES
Abstract: the problem of determining a single-phase ground fault in 6-10 kV networks remains relevant in our time. Various options for configurations of medium voltage electrical networks determine the use of various types and types of current protection against single-phase earth faults. The article describes the main types of protection against ground faults in medium voltage electrical networks. Their reliability and selectivity in determining a damaged connection are analyzed. This analysis will help determine the direction of research when solving the problem of increasing the efficiency ofprotection against single-phase faults in medium voltage networks.
Keywords: relay protection, single-phase circuit, protection against ground faults, neutral grounding mode.
