ВВЕДЕНИЕ. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬТОСТИ.
В наше время человечество практически не может обходиться без электроэнергии, она нашла свое применение во всех областях человеческой деятельности, и ее необходимость для дальнейшего развития человеческого общества является очевидной. Со времен зарождения энергетики вопрос бесперебойной подачи электроэнергии необходимого качества являлся неотъемлемой частью общей концепции электрификации. Не утратил он свою актуальность и на сегодняшний день. Особую актуальность он приобретает с учетом ситуации сложившейся на сегодняшний момент в энергетики Украины. В условиях постоянно ухудшающегося технического состояния основного силового оборудования, значительная часть которого выработала свой ресурс, вероятность и частота возникновения аварийных ситуаций резко возрастает, что непременно приводит к снижению качества и надежности электроснабжения.
По данным опыта эксплуатации самым распространенным видом повреждения являются однофазные замыкания на землю, составляющие до 90% от общего числа нарушений нормальной работы сети. Поэтому борьба с ними является стратегическим направлением работы по повышению надежности систем электроснабжения.
Как известно, в сетях с изолированной нейтралью замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и не требует немедленного отключения, что позволяет сохранить работоспособность этих сетей при длительных замыканиях фазы на землю путем определения, выделения и отключения места повреждения, а также создания временной схемы питания потребителей без их обесточивания.
Однако нельзя допускать ошибочной недооценки опасности однофазных замыканий, основной из которых является возможность возникновения перемежающихся дуговых замыканий фазы на землю, сопровождающихся большой кратностью перенапряжений на элементах сети. Совместное воздействие заземляющей дуги и перенапряжений создаёт весьма тяжелые условия для работы изоляции. Термическое действие дуги и перенапряжения зачастую однофазные замыкания на землю переводят в многофазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции на поврежденной фазе с групповым выходом из строя электрооборудования. По данным опыта эксплуатации 60-80% однофазных замыканий в сетях 6-10 кВ развиваются в междуфазные короткие замыкания или в многоместные пробои изоляции. Причем в пределах до 40% из них происходят по причине термического действия дуги в сетях с повышенным током замыкания на землю и более 60% обусловлены пробоем изоляции при воздействии дуговых перенапряжений, чаще всего в сетях с током замыкания до 10 А, характерного для сетей собственных нужд электростанций. Помимо этого при однофазных замыканиях происходит повышение напряжения на здоровых фазах до величины линейного, что способствует ускоренному старению и без того исчерпавшей свой ресурс изоляции.
Все вышеперечисленные причины приводят к пониманию необходимости повышения скорости обнаружения, ликвидации а по возможности и не допущению возникновения режима однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью, именно поэтому данная работа является необычайно актуальной особенно в условиях выработанного ресурса характерного для сегодняшнего состояния кабельных сетей в Украине.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РОБОТЫ.
Принципы действия защит от однофазных замыканий, применяемых в настоящее время в электрических системах, во многих случаях не удовлетворяют выдвинутым требованиям. Одним из основных недостатков защит, реагирующих на установившиеся значения параметров режима, является недостаточная чувствительность, а также не селективность действия. Причинами такого положения являются: несовершенство принципов построения защит, неблагоприятное соотношение параметров защищаемой сети, низкие технические характеристики аппаратуры, используемой для реализации защит. Кроме того, можно считать также недостатком то, что основное время защиты от замыканий на землю не выполняют никаких активных действий.
Целью работы является разработка технических мероприятий, обеспечивающих такое качество работы защит от замыканий на землю, которое позволяет предотвращать возникновение однофазных замыканий на землю, а в ряде случаев – междуфазных к.з. В рамках данной работы планируется разработать ряд методов направленных на повышение эффективности защиты от однофазных замыканий.

ПРЕДПОЛОГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
Активно ведущиеся разработки в этой области в большинстве своем основываются на использовании старых математических моделей. В основу метода положен способ повышения чувствительности защит от замыканий на землю, за счет применения в трансформаторах тока нулевой последовательности (ТТНП) дополнительной магнитодвижущей силы (м.д.с.). В отличие от подмагничивания трансформация дополнительного тока во вторичную обмотку ТТНП не предотвращается, а используется в работе защиты.

ПЛАНИРУЕМЫЙ ПРАКТИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ.
В ходе работы планируется получить результат который в может привести как к незначительному повышения чувствительности (на 10-20 %), так и серьезному увеличению вплоть до 30-60 раз (т.е. первичный минимальный ток срабатывания защиты с реле РТЗ-51 снижается с 0,6 А до 0,01-0,02 А). При высокой чувствительности в качестве основного мероприятия по обеспечению помехоустойчивости используется введение выдержки времени на срабатывание.
Варианты реализации способа будут определяться поставленной заказчиком задачей и отличаются схемными решениями и выбором источника тока для создания дополнительной м.д.с. Результаты работы могут быть использованными для сетей с различным исполнением защиты от замыканий на землю (ТТНП типа ТЗЛМ, ТЗР, ТНП и т.д., реле тока РТ-40/0,2, РТЗ-50, РТЗ-51, микропроцессорных МРЗС-05, REX, RET и т.д.).
В подавляющем большинстве случаев эта защита будет базироваться на микропроцессорной элементной базе с использованием терминалов выпускаемых фирмами ABB и Киевприбор. Это позволит не только эффективно обнаруживать повреждения, но также производить анализ повреждений по сохраненным данным, что будет способствовать недопущению возникновения ситуаций подобного рода. Результаты работы могут найти широкое применение в системах собственных нужд электрических станций и прочих кабельных сетях для которых требования надежности электроснабжения выходят на первый план.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК.
Релейная защита родилась и развивалась на базе механических устройств, которые постепенно усложнялись до существующих сегодня многофункциональных механических комплексов. Примерно три десятилетия назад с развитием электронной промышленности появились устройства защиты на полупроводниковых элементах. Они не вытеснили полностью своих механических собратьев и до сегодняшнего дня эксплуатируются вместе с ними. Это обусловлено тем, что алгоритмы работы устройств защиты на разной элементной базе одинаковы, отличаются только способы их реализации.
Появление и бурное развитие цифровой микропроцессорной техники, компьютерных и информационных технологий привело к созданию устройств защиты нового поколения. Реле на механической и полупроводниковой элементной базе эксплуатируются уже не первый год и специалистам хорошо известны их достоинства и недостатки, сильные и слабые стороны. Рассмотрим основные особенности цифровых защит, и какие преимущества может дать их применение в энергетике.
Цифровые устройства компактны. Логика их работы реализуется посредством специального программного обеспечения. Конструктивно они состоят из одного или нескольких микропроцессоров, измерительных преобразователей, дискретных входов и выходных реле. Это позволяет разместить в одном корпусе различные виды защит и связать их на программном уровне, что приведет к уменьшению расхода металла, кабельной продукции и других материалов на изготовление и установку устройств. При этом также уменьшаются собственное потребление устройств и необходимое место для их установки на пунктах и щитах управления силовым оборудованием.
Конструкция цифровых защит дает возможность выпускать их в унифицированном исполнении с однотипным программным обеспечением. Это дает возможность упростить дальнейшую эксплуатацию при наличии на объекте большого количества микропроцессорных защит с различными функциями.
Программное обеспечение позволяет производить изменение уставок и настроек, а также перепрограммирование функций защиты без изменения в схемах устройств.
Встроенный регистратор аварийных и эксплуатационных событий позволяет записывать все сообщения о работе устройства в нормальном и аварийном режимах, а также осциллограммы этих событий. Это дает возможность проводить более точный анализ работы защит и аварийных ситуаций в целом.
Возможность измерения нормального и аварийного режима.
Наличие жидкокристаллического дисплея на передней панели устройства и кнопок ручного управления позволят иметь доступ к информации о параметрах устройства и выдаваемых им сообщений.
Специальное программное обеспечение позволяет производить задание параметров устройства, а также считывание сообщений и данных с помощью портативного компьютера. Это дает возможность не только ускорить процесс изменения уставок и параметров устройства, но и также сохранять все данные в электронном виде с возможностью последующего вывода на печать.
Возможность объединения в единую сеть нескольких цифровых защит, осуществление передачи данных и управление этими устройствами с верхнего уровня.
Все эти особенности позволяют не только снизить затраты на техническое обслуживание, но и поднять на новый более высокий уровень культуру эксплуатации энергетического оборудования.
К факторам, сдерживающим широкое внедрение цифровой техники, можно отнести их относительно высокую цену, необходимость наличия на каждом энергетическом объекте и непосредственно у лиц, занимающихся эксплуатацией микропроцессорных устройств соответствующей компьютерной техники, а также необходимость обучения обслуживающего персонала.
Причиной повреждений в системе собственных нужд электрических станций наиболее часто является ухудшение состояния изоляции присоединений 6 кВ (кабель-двигатель или кабель-трансформатор 6/0,4 кВ). Поэтому выявление зарождающихся повреждений в двигателях и питающих их кабелях, является актуальной проблемой. Зачастую качество изоляции оценивается только по величине ее сопротивления, что не позволяет выявлять повреждения, не сопровождающиеся снижением ее сопротивления.
Однако известны методы, позволяющие более полно оценивать качество изоляции различных элементов электрических систем, в том числе и изоляции электрических двигателей. Качественная оценка состояния изоляции осуществляется благодаря дополнительному контролю ее емкости при подаче постоянного напряжения [1] или напряжения различной частоты [2]. Оценивание технического состояния обмотки электрической машины может выполняться по переходному процессу, возникающему при подаче тестового сигнала на один из зажимов обмотки и корпус [3] . В системе собственных нужд (с.н.) электрических станций целесообразно указанные методы применить не отдельно для кабеля и двигателя, а одновременно для всего электрического присоединения, включающего кабель и питаемый объект (двигатель, трансформатор). В этом случае при диагностировании отпадает необходимость выполнять измерения отдельно для кабеля и двигателя и отключать кабель в коробке выводов обмоток двигателя. На кафедре "Электрические станции" ДонНТУ предложен метод контроля состояния изоляции в целом присоединения кабель-двигатель.
Предложенный метод основан на том, что к одной из фаз отключенного присоединения кратковременно подаётся постоянное напряжение по отношению к земле. В результате этого емкости всех фаз присоединения заряжаются до величины источника напряжения. После отключения источника начинается процесс саморазряда емкостей присоединения. Параметры переходного процесса в основном определяются параметрами изоляции и ее состоянием. Если комплексные проводимости изоляции фаз присоединения практически равны между собой, то саморазряд по всем фазам будет идти примерно одинаково. При этом основным критерием качества изоляции является величина постоянной времени саморазряда.
В зарубежной практике используются методы испытаний, которые позволяют не только определить наличие или отсутствие пробоя электрической изоляции, но и прогнозировать их работоспособность. Оценка качества изоляции всего присоединения в этом методе не предусмотрена.
Если в одной из фаз присоединения возник дефект изоляции, сопровождающийся изменениями комплексной проводимости (старение, увлажнение, загрязнение и т.д.), то саморазряд емкостей по разным фазам будет идти с разной постоянной времени. При этом возникает междуфазное напряжение, которое дополнительно используется для оценки качества изоляции. Существенным является то, что это междуфазное напряжение имеет переменную составляющую, частота которой определяется параметрами элементов присоединения (кабель, двигатель, трансформатор и т.д.) размерами и местом дефекта.
Для проведения исследований по оценке зависимости параметров режима саморазряда от величины и места дефекта, разработана математическая модель присоединения кабель-двигатель. Кабель и обмотки статора электродвигателя представляются в виде цепочечных схем. В одной ячейке учитываются ёмкости фазы относительно земли, междуфазные ёмкости, а также активные проводимости фазной и междуфазной изоляции.
Для повышения чувствительности средств автоматики к токам нулевой последовательности за, счет использования дополнительной м.д.с., в сетях с изолированной нейтралью применяют способы которые можно легко систематизировать с помощью представленной ниже схемы.

ПЕРЕЧЕНЬ НЕРЕШЕННЫХ ПРОБЛЕМ, ЗАДАЧ, ВОПРОСОВ
Не смотря на это полное устранение однофазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью на данном этапе развития энергетики Украины не возможно. Однако опыт таких стан как южная Корея показывает, что это является возможным, но достичь такого результата можно за счет использования другого подхода в проектировании и построения кабельных сетей, и именно использования одножильных КЛЭП. Замена всех кабельных сетей в ближайшее время не представляется возможной. Для наших условий возможен другой способ борьбы с последствиями однофазных замыканий который выражается в использовании резистивного заземления нейтрали или ее заземление с помощью дугогасящего реактора. Однако и тому и другому способу свойственны свои преимущества и недостатки, которые не входят в область рассмотрения данной работы. Не решенной остается и проблема преждевременного выявления возможного места повреждения.

СОБСТВЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения работы был дан анализ процессов, которые имеют место в кабельных сетях при однофазных замыканиях на землю. Следует отметить, что исследования велись с учётом текущего состояния сетей на основании реальных эксплуатационных данных.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1) дана оценка настоящего состояния проблем кабельных сетей, откуда мы видим, что немедленно необходимо заменить электрическое оборудование, потому что его изоляция практически износилась, или использовать необходимые меры для обеспечения работы оборудования в конкретных условиях;
2) для расчёта использовалась математическая модель кабельной сети написанная на языке программирования Fortran, с учётом возможности воспроизведения разных режимов её работы;

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент 34689. Україна. МКИ G01N 27/00, G01R 31/00. Пристрій автоматичного контролю ізоляції електричної мережі змінного струму // Гребченко М.В. .- 2003.- Бюл. №2.
2. Деклараційний патент на винахід 47151 А (Україна). Реєстраційний номер 2001085615. Дата прийняття рішення 19.03.2002.Гребченко М.В. Пристрій безперервного автоматичного контролю ізоляції електричного обладнання змінного струму. 17.06.2002. Бюл. № 6.
3. Патент 69915 Україна. МКИ Н02Н 3/16, G01N 27/00. Спосіб централізованого напрямного захисту мережі змінного струму з визначенням пошкоджених приєднання і фази приєднання / Гребченко М.В. (Україна) ДонНТУ.- № 20031211640; Заявл. 16.12.2003; Опубл. 15.06.2005. Бюл. №6. – 5 с.
4. Лебедев Г.М., Бахтин Н.А., Брагинский В.И. Математическое моделирование локальных дефектов изоляции силовых кабелей 6-10 кВ. Электричество, 1998, №12, с.23-27.
5. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М: Высшая школа, 1991
6. Лихачев Ф.В. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. — Москва: Энергия, 1971. — 254 с.
7. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва . Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6-10 кВ. -Сб.научн.трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып.4:-Донецк: ДонГТУ,1999, с.221-226.
8. Гиря В. И., Петров О. А. Автоматическая настройка компенсации емкостных токов.— Электрические станции, 1977. № 3.
9. Серебряков А.С., Смигиринов С.А., Бех Л.П. Как объективно оценить качество изоляции тяговых электродвигателей.-Изв.вузов СССР. Электромеханика,1986, №7, с.40-44.
10. Циркуляр Ц-01-97. О повышении надежности сетей 6кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.-М., 1997.
11. M. Muhr, R. Strobl, R. Woschitz. Entladestrommethode – Ein Prufverfahren fur kunststffisolierte Mittelspannungskabel.
12. Folkerts E. / Hilfsstromkreise // DE: Elektro- und Gebaudetechn. –2002.- 77, № 23. – C. 5-6.