ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6–35 КВ Влияние электрической дуги на направленные защиты

Автор: Алексей Шалин, д.т.н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

Источник: http://www.news.elteh.ru...

ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В МЕСТЕ ОЗЗ

В [1, 2] была описана традиционная модель, позволяющая исследовать влияние переходного сопротивления в месте повреждения на параметры установившегося процесса ОЗЗ. Переходное сопротивление R_n не влияет на фазовый угол между током – ₀ и напряжением — ₀ нулевой последовательности как в неповрежденной, так и в поврежденной линии, т.е. не искажает основных фазовых соотношений, на которые реагирует направленная токовая защита нулевой последовательности. Однако появление R_n снижает значения |₀|и |₀|и может по этой причине привести к отказу защиты в срабатывании.
Описанное переходное сопротивление R_n существенную роль играет лишь на воздушных ЛЭП, где применительно к компенсированным и резистивно-заземленным сетям складывается из сопротивлений следующих основных элементов:

• заземления опоры с неисправным изолятором;
• цепи протекания «обратного» тока ОЗЗ по земле от места замыкания до нейтрали источника питания;
• заземляющего устройства на питающей подстанции.

Проведенные эксперименты показали, что при повреждении линейного изолятора суммарное значение переходного сопротивления R_n на частоте 50 Гц в некоторых случаях достигает 100–200 Ом. В основном оно носит активный характер и может оказать существенное влияние на переходные процессы ОЗЗ и снизить установившееся значение тока замыкания на землю.
При падении на землю оборвавшегося провода вместо первой указанной выше составляющей проявляются сопротивления:

• предмета, на который упал провод (слой снега, льда, упавших листьев, ветка дерева и т.д.) и через который осуществляется контакт с землей;
• полусферы «растекания тока» в месте контакта с землей.

Эти сопротивления сильно зависят от удельного сопротивления грунта, вида находящихся на поверхности земли предметов, на которые упал провод, погодных условий (дождь, снег), времени года и т.д.
В одном из экспериментов летом при падении провода на сухой песок отмечалось переходное сопротивление в месте ОЗЗ порядка 5–7 кОм. Зимой при падении провода на обледеневшую землю или в сугроб значение R_n может увеличиться в несколько раз, что и подтверждалось рядом экспериментов с участием автора настоящей статьи.
Ясно, что наличие в цепи протекания токов ОЗЗ такого большого по величине переходного сопротивления может привести к отказу защиты от ОЗЗ. В [3] предлагалось совмещать защиту нулевой последовательности (например, направленную токовую) со специальной защитой от обрыва фазного провода, например, реагирующей на отношение I₍₂₎/I₍₁₎, где I₍₂₎– значение тока обратной последовательности в защищаемой линии; I₍₁₎ – значение тока прямой последовательности.
При этом каждая из разновидностей защит будет реагировать на «свою» часть повреждений. Чувствительная направленная защита нулевой последовательности обеспечит защиту воздушной ЛЭП при значениях R_n до 2–3 кОм, защита от обрывов – при больших значениях переходного сопротивления. Она же сработает, например, при обрыве «шлейфа», соединяющего между собой два пролета воздушной ЛЭП. Обрыв шлейфа в ветреную погоду, приводящий к его кратковременным соприкосновениям с опорой (что иногда случается на практике), без такой защиты едва ли удастся быстро выявить.

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОЗЗ

Электрическая дуга также является своеобразным «переходным элементом» в месте ОЗЗ. Однако попытки учесть дугу в рамках описанной в [1, 2] модели во многих случаях не венчаются успехом. Эта, используемая большинством авторов, модель не в состоянии адекватно описать, например, влияние перемежающейся дуги на те сигналы, на которые реагируют направленные защиты от ОЗЗ. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

УСТОЙЧИВАЯ ДУГА

Горящая в месте ОЗЗ устойчивая дуга обычно является мощным источником высокочастотных составляющих в напряжении U₀ и токе I₀. В [4] отмечалось, что в токе это влияние становится настолько заметным, что может привести, например, к излишнему срабатыванию защит неповрежденных линий. Для предотвращения таких срабатываний в современных устройствах защиты от ОЗЗ предусматриваются специальные гармонические фильтры.

Перемежающаяся дуга

Перемежающаяся дуга может возникать при ОЗЗ как на воздушных, так и на кабельных ЛЭП, но для кабельных линий она более характерна. По некоторым данным [1], до 80% замыканий на кабельных линиях сопровождаются перемежающейся дугой. На воздушных ЛЭП таких замыканий в несколько раз меньше.
Анализом токов при ОЗЗ, сопровождающихся перемежающейся дугой, занимался ряд авторов [5, 6, 7]. Однако по ряду причин (одна из них – низкое качество осциллографической аппаратуры на период выполнения работы) эти исследования велись в основном на математических моделях, хотя и с использованием имеющихся экспериментальных данных. К тому же авторы не ставили перед собой задачи исследовать поведение направленных токовых защит нулевой последовательности при наличии перемежающейся дуги. В связи с этим в настоящее время многие вопросы, связанные с поведением таких защит при дуговых замыканиях, так и остались невыясненными.
На рис. 1 показаны осциллограммы первичного и вторичного тока I₀(t), полученные в процессе натурных экспериментов, на рис. 2 – осциллограммы напряжения U₀(t) и тока I₀(t).

Рис. 1. Осциллограммы первичного и вторичного тока I₀(t), полученные в процессе натурных экспериментов

Рис. 2. Осциллограммы напряжения U₀(t) и тока I₀(t)

Из рисунков видно, что при дуговом замыкании:

• осциллограмма напряжения содержит гораздо меньше высокочастотных составляющих, её проще «записать» и проанализировать;
• ток I₀(t) при ОЗЗ может на какое-то время прерываться, а затем дуга загорается вновь;
• этот ток содержит большое количество высокочастотных составляющих;
• сигналы при перемежающейся дуге могут иметь разный вид (в действительности это многообразие весьма велико).

Как отмечалось выше, в настоящее время процессы в сети при ОЗЗ, сопровождающихся перемежающимися дугами, и виды сигналов, поступающих при этом на направленную токовую защиту, недостаточно изучены. Это объясняется рядом технических причин (если не говорить о чрезвычайно скудном финансировании такого рода работ):

• многообразием разновидностей перемежающихся и прерывистых дуг. Вид дуги зависит, в частности, от того, где она горит – «открытая» дуга на воздухе, «закрытая» (например, в кабеле на начальной стадии ОЗЗ), от стадии процесса (особенно это заметно в кабеле), от режима заземления нейтрали сети и т.д.;
• отсутствием достаточно совершенной теории, описывающей мгновенные значения токов и напряжений нулевой последовательности при различных видах перемежающихся дуг в сетях 6–35 кВ;
• низким качеством кабельных трансформаторов тока, большим разбросом их характеристик и слабой проработанностью моделей измерительных трансформаторов и фильтров тока нулевой последовательности, а также трансформаторов напряжения, работающих в режимах перемежающихся дуговых замыканий;
• сложностью получения качественных осциллограмм токов при натурных экспериментах с перемежающимися дугами (на рис. 1 видно, что некоторые пики токовых импульсов «обрезаны» из-за невысокого качества аналого-цифрового преобразователя осциллографа);
• терминологическими трудностями (до сих пор среди специалистов нет единого мнения, какую дугу можно назвать перемежающейся и чем она отличается от прерывистой);
• отсутствием теоретической базы, позволяющей адекватно обработать полученные в эксперименте сигналы (выделить гармонические составляющие, оценить основные параметры дуги, влияющие на поведение релейной защиты), и т.д.

Многообразие алгоритмов обработки сигналов I₀(t) и U₀(t) в различных устройствах защиты и нежелание разработчиков защит давать подробную информацию по этим алгоритмам дополнительно усложняют задачу.

Тем не менее некоторые закономерности, влияющие на работу направленных защит от ОЗЗ, можно проанализировать.

словимся в соответствии с терминологией, предложенной в [8], перемежающимися дугами называть такие, в которыхбестоковые паузы сравнительно коротки. За время паузы потенциал нейтрали не успевает снизиться до значения, близкого к нулю. При повторных пробоях возможна эскалация перенапряжений. Прерывистыми дугами будем называть такие, бестоковые паузы в которых велики, например, имеют продолжительность до 10 периодов промышленной частоты и более. К концу паузы потенциал нейтрали симметричной сети можно считать равным нулю.
При таких условиях осциллограммы, изображенные на рис.1, 2, соответствуют процессам с перемежающейся дугой. Очевидно, что представленные осциллограммы далеко не исчерпывают всего разнообразия перемежающихся дуг. Результаты описанных ниже исследований также не претендуют на широту обобщения, а являются скорее примерами, иллюстрирующими определенные тенденции.

Рис. 3. Спектральный состав тока нулевой последовательности в сети при ОЗЗ, сопровождающемся перемежающейся дугой

Рис. 4. Напряжение и ток нулевой последовательности при металлическом «прерывистом» ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора

Рис. 5. Осциллограммы напряжений U_с(t) в фазе С, U_a(t)в фазе А и U_n(t) – напряжения на нейтрали в процессе отключения ОЗЗ в фазе А

Рис. 6. Зависимость фазового угла от временив процессе замыкания на землю, сопровождающегося перемежающейся дугой

Спектральный состав тока I₀(t)

На рис. 3 приведен спектральный состав тока I₀(t), полученный магистром НГТУ Касяном В.М. в процессе обработки одного из натурных экспериментов.

Из рисунка видны некоторые интересные особенности:

• ток I₀(t) содержит высокочастотные составляющие вплоть до 20-й гармоники и выше;
• в спектре содержится большое количество «интергармоник» (терминология автора [9]), т.е. существуют не только гармонические составляющие с частотой, кратной 50 Гц, но и с множеством промежуточных частот (практически – непрерывный спектр);
• при перемежающейся дуге в токе I₀(t) в значительном количестве присутствуют субгармоники (с частотой меньше 50 Гц).

Последнюю особенность необходимо учитывать при разработке гармонических фильтров, повсеместно используемых, например, в направленных токовых защитах от ОЗЗ. При выделении основной гармоники следует применять не фильтры-пробки высших частот, как это иногда делается, а полосовые фильтры. Кроме того, наличие в сети субгармоник с частотами, лежащими в пределах 15–25 Гц, может привести к неселективной работе некоторых защит от ОЗЗ, выполненных на наложенном токе 16,7–25 Гц. Это, по-видимому, относится не только к защитам линий, но и, например, к защитам от ОЗЗ генераторов, если эти генераторы работают на сборные шины, гальванически соединенные с сетью, и имеют защиту от ОЗЗ с наложенным током соответствующей частоты. Возникающие при ОЗЗ синусоидальные составляющие с частотой, например, 25 Гц могут иметь произвольные углы относительно «наложенных» токов той же частоты, вызванных искусственным источником, и различные амплитуды. Наложение одних сигналов на другие, если не предпринять соответствующих мер, может привести к неселективному действию защит.

Искажение фазовых углов между I₀(t) и U₀(t) в переходных режимах

Из рис. 1, 2 видно, что при перемежающейся дуге ток может прерываться и снова начинать течь по несколько раз за период промышленной частоты. Моменты «зажигания» и погасания дуги являются случайными величинами, что, в частности, и является причиной появления в токе интергармоник. Кроме того, в переходных процессах, связанных с зажиганием и погасанием дуги, искажаются фазовые соотношения между величинами I₀(t) и U₀(t).

Пример 1.

На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения U₀(t) (кривая с большей амплитудой) и тока I₀(t) в режиме дугового ОЗЗ в резистивно-заземленной сети, полученные на модели. Осциллограммы построены для случая, когда суммарный ток через заземляющие резисторы в сети равнялся примерно 70% от емкостного тока. Дугогасящий реактор отсутствовал.
Видна интересная особенность процесса ОЗЗ, связанная с взаимным отношением мгновенных значений величин тока I₀(t) и напряжения U₀(t). Иногда при обсуждении процессов, возникающих в сети при ОЗЗ, звучит не совсем верное утверждение о том, что при отсутствии тока I₀(t) не должно быть и напряжения U₀(t). Это справедливо перед возникновением ОЗЗ, когда сеть работает в симметричном режиме и смещение нейтрали отсутствует. В процессе же ОЗЗ это условие не выполняется.
На рис. 4 видно, что «впервые» ток I₀(t) и напряжение U₀(t) действительно появляются в один и тот же момент времени (при появления замыкания на землю). В этот момент угловой сдвиг между ними отсутствует. Через некоторое время процесс стабилизируется и угол между напряжением U₀(t) и соответствующим током I₀(t) (например, измеренный по моментам перехода этих величин через ноль) становится постоянным. Если измерить фазовый угол между первыми гармониками сигналов I₀(t) и U₀(t), то за счет описанного выше он несколько приблизится к нулю. Степень влияния описанного эффекта на фазовый угол между входными сигналами направленной защиты от ОЗЗ будет, в частности, зависеть от длительности промежутка времени, в течение которого дуга не гасла.
Однако теперь при погасании дуги (ток на осциллограмме в течение определенного промежутка времени равен нулю) напряжение U₀(t) нулю не равно. Это и понятно: емкость поврежденной фазы не успевает зарядиться до фазного напряжения и нейтраль сети еще некоторое время остается смещенной.

Пример 2.

Особенно отчетливо это видно на рис. 5, где приведены осциллограммы напряжений в фазах А (U_a) и С (U_c), а также напряжения на нейтрали сети U_n в процессе отключения ОЗЗ в фазе А, полученные автором на модели для одной из реальных систем. Заземляющий резистор отсутствовал. Емкостный ток при ОЗЗ – порядка 19 А. Из рисунка видно, что после того, как ток в дуге прервался и дуга погасла, напряжение U_n(t), уменьшаясь по экспоненте, ещё длительное время продолжает существовать.
В процессе ОЗЗ напряжение на нейтрали равняется – e_a(t), где e_a(t) – ЭДС поврежденной фазы. После отключения ОЗЗ напряжение на нейтрали U_n(t) по экспоненте приближается к нулю. Амплитуда напряжения U_с(t) в процессе ОЗЗ равна амплитуды фазного напряжения, угол между U_n(t) и U_с(t) равен 30 электрическим градусам. Высшие гармонические составляющие в напряжениях в рассматриваемом случае практически отсутствовали. После отключения ОЗЗ напряжение на нейтрали, не меняя своего знака, уменьшается по экспоненте:

(1)

где U_max– напряжение на нейтрали в момент погасания дуги; t – текущее время;
R – результирующее сопротивление активных утечек в сети и заземляющего резистора;
С – общая трехфазная емкость сети.
Повторного загорания дуги после её погасания в случае, которому соответствует рис. 5, не произошло. Значения фазных напряжений после погасания дуги можно записать следующим образом:

(2)

Максимальные значения напряжений фаз относительно земли возникают сразу же после погасания дуги и имеют отрицательный знак.
Моменты повторного пробоя промежутка и зажигания дуги – случайны, ток при этом начинает возрастать с нуля (в сторону положительного или отрицательного полупериода), но напряжение нулевой последовательности (напряжение на нейтрали) в момент пробоя уже не равно нулю. Из рис. 4 видно, что пробои (на рисунке – повторные) часто сопровождаются значительными высокочастотными составляющими токов и иногда – напряжений (токи разряда емкости поврежденной фазы и дозаряда емкостей «здоровых» фаз). Эти «свободные» высокочастотные составляющие токов играют большую роль в процессе загорания и погасания дуги.
В большинстве направленных защит от ОЗЗ в качестве входных рабочих сигналов используются составляющие 50 Гц I₀(t) и U₀(t). Фазовый угол между этими сигналами зависит, в частности, от моментов зажигания и погасания дуги, а также от значений U_n(t) в эти моменты времени. В результате, например, в токе I₀(t) при наличии в месте ОЗЗ перемежающейся дуги имеются две основные составляющие:

• вынужденная, имеющая частоту 50 Гц;
• свободная, содержащая составляющие как минимум двух высоких частот (разряда и дозаряда фазных емкостей).

Поведение направленной токовой защиты от ОЗЗ определяется тем, в какой степени проявляется в выделенной в защите токовой составляющей 50 Гц сигнала I₀(t) первая из указанных выше величин. Вторую, высокочастотную составляющую в токовом сигнале рассматриваемых защит следует считать «шумом», искажающим поведение защиты. Аналогична ситуация с сигналом U₀(t) с той разницей, что он искажен в меньшей степени (см. рис. 1, 2). Пример 3.

Проведенные в НГТУ магистром Касяном В.М. исследования показали, что в процессе ОЗЗ, сопровождающегося перемежающейся дугой, фазовый угол между составляющими 50 Гц I₀(t) и U₀(t) может существенно изменяться. На рис. 6 показана одна из таких зависимостей, полученная на основании результатов натурного эксперимента. По вертикальной оси здесь изображен фазовый угол между составляющими 50 Гц I₀(t) и U₀(t), поступающими на защиту, а по горизонтальной оси – время.
Начальная часть зависимости на рис. 6 соответствует «металлическому» ОЗЗ, т.е. замыканию без переходного сопротивления. При этом фазовый угол соответствует своему значению, полученному по модели, описанной в [1, 2]. Затем возникла перемежающаяся дуга, и фазовый угол стал меняться случайным образом (в соответствии со случайными моментами загорания и погасания дуги). Рис. 6 соответствует промежутку времени чуть больше 0,2 секунды. В процессе ОЗЗ фазовый угол менялся в некоторых случаях на несколько десятков электрических градусов от своего начального значения, его математическое ожидание отклонялось в сторону более активных токов примерно на 15–20 градусов. Аналогична зависимость амплитуды составляющей 50 Гц токового сигнала от времени. В процессе ОЗЗ амплитуда также может существенно изменяться.

Выводы

Очевидно, что изучение процессов ОЗЗ, сопровождающихся перемежающейся дугой, с точки зрения поведения направленных защит ещё только начинается, предстоит провести множествоэкспериментов и обобщить их результаты. Однако на основании имеющихся данных можно сделать следующие выводы:

• фазовый угол между составляющими 50 Гц в процессе ОЗЗ, сопровождающегося перемежающейся дугой, может изменяться в широких пределах, что существенно усложняет задачу, поставленную перед защитой; мгновенно действующие направленные защиты, судя по результатам проведенных исследований, имеют тенденцию к неселективным срабатываниям при внешних ОЗЗ и к отказам в срабатывании при повреждениях на защищаемой линии;
• на достаточно продолжительном промежутке времени (порядка нескольких десятых долей секунды) математическое ожидание этого угла для рассмотренных случаев оставалось сравнительно постоянным и отклонялось от аналогичного значения при металлическом ОЗЗ примерно на 15–20 электрических градусов в сторону более активных токов;
• меняется во времени также и амплитуда входного токового сигнала защиты;
• для обеспечения стабильности поведения направленных защит от ОЗЗ их рабочий сигнал должен усредняться (интегрироваться) на достаточно большом промежутке времени (порядка нескольких десятых долей секунды); при этом сама защита должна выполняться с выдержкой времени;
• фазовая характеристика направленной защиты должна быть рассчитана на то, чтобы обеспечивать её селективное действие как при «металлических» ОЗЗ, так и при дуговых, сопровождающихся перемежающейся дугой.

Литература

1. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.
2. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Направленные защиты. Характеристики, особенности применения // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 6 (36).
3. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчёта уставок // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).
4. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1 (31).
5. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостного тока при замыкании на землю через перемежающуюся дугу // Изв. вузов. Сер. Энергетика. – 1978. – № 12. – С. 14–19.
6. Фальк Ю.П. Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях 6–10 кВ на основе исследования вероятностных характеристик электрических величин при перемежающихся дуговых замыканиях: Дисс. на соискание степени к.т.н. Защищена 30.05.1987. – Новосибирск, 1987. – 208 с.
7. Шестакова В.В. Усовершенствование защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока и в сетях постоянного оперативного тока: Дисс. на соискание степени к.т.н. Защищена 13.06.2000. – Новосибирск, 2000. – 168 с.
8. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ. – М.: НТФ Энергопрогресс, 2001. – 104 с.
9. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – М.: Энергоатомиздат, 2004. – 259 с.