ДонНТУ   Портал магістрів

Макевич Антон Олександрович

Електротехнічний факультет

Кафедра Електричні станції

Спеціальність Електричні станції

Вдосконалення релейного захисту від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованою нейтралью

Науковий керівник: к.т.н., доц. Лебедєв Віктор Константинович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд існуючих типів релейних захистів
• 3.1 Існуючі струмові захисту та їх недоліки
• 3.2 Струмовий захист нульової послідовності, неспрямована, з незалежною або зворотнозалежною струмочасовою характеристикою
• 3.3 Спрямовані захисту типу ЗЗП-1М і ЗЗН
• 3.4 Пристрій захисту від замикань на землю в мережах 6-35 кВ: УЗС
• 4. Основний зміст роботи
• Висновки
• Список літератури

Вступ

Однофазное замикання на землю є найбільш частим видом ушкодження в трифазних електричних мережах всіх класів напруги.

В електричних мережах 6–35 кВ України працюють, як правило, з ізольованою або компенсованою нейтраллю, значення струмів однофазного замикання на землю (ОЗЗ) невеликі, вони не перевищують 20–30 А. Тому мережі цих класів напруги традиційно називають мережами з малим струмом замикання на землю. Однак ОЗЗ становлять велику небезпеку для обладнання електричних мереж та для знаходяться поблизу місця ОЗЗ людей і тварин. У зв'язку з цим Правила технічної експлуатації електричних станцій і мереж потребують в одних випадках швидко автоматично відключати ОЗЗ, а в інших - негайно приступати до визначення приєднання з ОЗЗ і потім відключати його.

Створити селективну (виборчу) і високочутливу захист від ОЗЗ, придатну для будь-яких видів мереж з малим струмом замикання на землю, до теперішнього часу не вдалося нікому. Дійсно, важко створити універсальний захист від ОЗЗ для таких різних типів електроустановок, як повітряні і кабельні лінії, генератори та електродвигуни, для таких різних режимів заземлення нейтральних точок мережі, як "ізольована нейтраль", "резонансно-заземлена нейтраль" або "резистивно-заземлена нейтраль" (нейтраль, заземлена через обмежуючий активний опір - резистор).

Особливі труднощі при виконанні селективних захистів від ОЗЗ виникають в мережах 6 (10) кВ з резонансно - заземленою нейтраллю, де струм пошкодження промислової частоти повністю компенсується струмом дугогасного реактора (ДГР) і тому не може бути використаний як джерело інформації для захисту. Додаткові труднощі виникають при необхідності селективного визначення приєднання з ОЗЗ в електричних мережах складної конфігурації, при відсутності на приєднання кабельної вставки, необхідної для установки трансформатора струму нульової послідовності, при часто мінливої первинної схемою захисту мережі та в інших випадках [1].

Зменшення ймовірності переходів ОЗЗ в багатофазні КЗ і відповідно підвищення надійності роботи мереж 6-10 кВ пов'язано, насамперед, з проблемою удосконалення режимів заземлення їх нейтрали. У свою чергу, режим заземлення нейтралі мережі визначає принципи виконання захисту від ОЗЗ і способи її дії (на сигнал або на відключення). Враховуючи досягнуті в даний час в Україні рівні резервування та автоматизації електричних мереж 6-10 кВ і технологічних процесів на підприємствах, слід очікувати, що вимога збереження в роботі (протягом обмеженого часу) елементу, що має ОЗЗ в найближчій перспективі для більшості мереж 6-10 кВ, не втратить своєї актуальності як ефективний і економічно найбільш дешевий спосіб забезпечення необхідної надійності електропостачання.

Можливість роботи мережі з ОЗЗ протягом обмеженого часу, достатнього для ліквідації пошкодження без відключення споживачів, в принципі забезпечують кілька варіантів режиму заземлення нейтралі (ізольована нейтраль, резонансне заземлення нейтрали, високоомне заземлення нейтралі через резистор), кожен з яких має свою область застосування. У деяких випадках більш ефективне вирішення проблеми підвищення надійності роботи мережі 6-10 кВ може бути забезпечено застосуванням режиму заземлення нейтралі, що не допускає тривалу роботу мережі з ОЗЗ (нізкоомное заземлення нейтралі через резистор) та виконанням захисту від ОЗЗ з дією на відключення [2].

1. Актуальність теми

Токи замикання на землю, крім ємкісної, індуктивної та активної складових промислової частоти, можуть містити вищі гармонійні складові, частина яких з'являється лише під час перехідного періоду при замиканні на землю і визначається параметрами петлі струму замикання на землю. Інша частина струмів вищих гармонік продовжує протікати через дугу протягом усього часу її горіння. Ці струми обумовлені наявністю гармонійних складових в е. р. с. генераторів, а також електрорушійних сил різних гармонік внаслідок насичення магнітопроводів силових трансформаторів і швидкозмінних нерівномірних навантажень, коли в технології споживачів використовуються дугові процеси (ртутно-випрямні установки промислових підприємств і електротяги, електросталеплавильні печі і т.д.).

В струмі замикання на землю найбільш часто переважає п'ята гармонійна складова. Одночасно з нею з'являється іноді сьома гармонійна складова, але менша за величиною [3].

При швидко змінних нерівномірних навантаженнях в обмотках мережевих трансформаторів виникають неврівноважені е. p. с. самоіндукції вищих частот, під впливом яких відбуваються заряди і розряди ємностей фаз відносно землі, протікання струму через місце пошкодження.

В результаті резонансних явищ звичайно виділяються струми частоти горіння заземляющей дуги f1. Токи, обумовлені цими неврівноваженими е. p. с., часто являють собою одинадцятий або тринадцяту гармонійні складові або обидві разом. Підсумовуючись, вони створюють струм дванадцятий гармонійної складової, частота биття якої дорівнює промислової частоті.

До замикання на землю, крім струмів навантаження, в пошкодженій фазі протікають ємнісний струм i'c, випереджаюче фазна напруга трифазної симетричної системи. Замикання на землю являє собою зріз напруги, в результаті якого е.p.с. взаємоиндукції обмоток трансформаторів, що живлять мережу, змінюють свої напрямки на величину зрізу напруги.

На нейтралі мережі колебательно встановлюється напруга Uo, зворотне по напрямку напрузі пошкодженої фази, а напруги на неповреждещшх фазах набувають значення лінійних напруг.

Ємнісний струм i'c переходить в струм замикання на землю, який в сталому режимі має зворотну щодо i'c напрямок, якщо мережа працює з ізольованою нейтраллю або з недокомпенсацією, або має такий же напрямок, що i'c при роботі мережі в режимі перекомпенсації.

Перша напівхвиля перехідної складової струму замикання на землю має чисто ємнісний характер і тому завжди спрямована в бік, збігається з напрямком напруги зрізу на пошкодженій фазі і випереджає на 90 ел. град коливання напруги. На нейтрали і на непошкоджених фазах, напрям яких також збігається з напрямком зрізу напруги на пошкодженій фазі.

Рис. 1. Схеми заміщення мережі, що працює з ізольованою нейтраллю і з компенсацією ємнісних струмів. а - трифазна; б - нульової послідовності.

Оцінка основних складових струмів замикання на землю (ємнісний tc і індуктивної ik), що виникають в перехідний період при замиканні на землю однієї фази мережі, може бути проведена у відповідності зі схемами заміщення, показаними на рис. 1. Трифазна схема (рис. 1, а) перетворюється в спрощену схему нульової послідовності (рис. 1, б), що представляє собою паралельне включення на напругу нульової послідовності параметрів мережі R, L, С і зосередженої індуктивності дугогасного апарату LK. Основні шляхи струмів показані товстими лініями.           

Безпосередньо з моменту появи замикання на землю до виникнення струму коливань iкол через заземлювальну дугу протікає струм, обумовлений волновим розрядом пошкодженої фази і встановленням загального початкової напруги на міжфазних ємностях См і ємностях непошкоджених фаз на землю [4].

У момент замикання фази на землю виникає перехідний процес, при якому струми і напруга нульової послідовності змінюються за складним законом і можуть значно перевищувати встановилися значення. У цих умовах можливі помилкові спрацьовування зашиті. Отже, при обгрунтуванні зашиті від однофазних замикань на землю необхідно розглядати і враховувати струми і напруга нульової послідовності в перехідних режимах.

Рис. 2. Схема розрахунку струмів нульової после довательности при перехідніх процесах.

В даний час електричні мережі 6-10 кВ, у світлі концепції створення інтелектуальної енергосистеми, також мають велике значення при використанні їх як сполучної ланки Micro Grid технологій. У зв'язку з їх широким застосуванням на промислових підприємствах, в системі власних потреб електростанцій, в міських мережах вони значною мірою визначатимуть надійність функціонування Micro Grid об'єктів з нетрадиційними джерелами енергії. Відомим недоліком цих мереж є часті пошкодження електрообладнання з-за високого рівня перенапруг при дугових замиканнях на землю, а також труднощі забезпечення селективного спрацьовування релейного захисту, особливо при низькому рівні струмів замикання фази на землю. Підвищенню надійності роботи цих мереж постійно приділяється увага як з боку науково-дослідних і експлуатуючих організацій так і заводів-виробників електроустаткування. Так відбувається впровадження високоомного і низкоомного заземлення нейтралі мережі, сучасної мікропроцесорної захисту, обмежувачів перенапруг типу ОПН. Проводяться роботи з дослідження перехідних процесів у цих мережах як з використанням сучасних цифрових реєстраторів, так і методами математичного моделювання. Однак, незважаючи на це, надійність роботи зазначених мереж залишається недостатньою.            

Тому розробка принципів побудови систем автоматичного управління об'єктів на базі концепції Smart Grid і підвищення надійності роботи мереж 6-10 кВ при ОЗЗ за рахунок вдосконалення методів математичного моделювання цих мереж, резистивного заземлення нейтралі, обмеження перенапруг і підвищення чутливості і селективності дії релейного захисту є актуальним завданням [3].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою моєї магістерської роботи буде вдосконалення математичної моделі для аналізу релейних захистів при перехідних процесах виникають під час замикань на землю в мережах 6-10 кВ з ізольованою нейтраллю.

Основні завдання дослідження:

1. Визначити всі фактори впливають на роботу релейного захисту для оптимальної роботи захисту від ОЗЗ;
2. Удосконалювати математичну модель релейного захисту від ОЗЗ для ненапрямлених захистів;
3. Побудова алгоритмів за допомогою програмування математичної моделі в програмах MathCad і MatLab;
4. Отримати експериментальні дані роботи релейного захисту від ОЗЗ.

Отримані експериментальні будуть порівнюватися з аналогічними видами релейних захистів їх даними та їх характеристиками.

3. Огляд існуючих типів релейних захистів

3.1 Існуючі струмові захисту та їх недоліки

Найбільш прості ненаправлення струмові захисту від ОЗЗ застосовуються в системах електропостачання власних потреб електростанцій, а більш складні спрямовані в системах електропостачання гірничо-металургійних підприємств та ін Недоліки цих захистів полягають у наступному. У режимах пуску або зупину блоків на електростанціях більшість приєднань на секціях 6 кВ знаходяться у відключеному стані і значення струмів замикання на землю складають менше 1 A, що недостатньо для спрацьовування струмових захистів. Таким чином у вказаних режимах, а також при непрацюючому блоці такі захисту не працездатні. Аналогічні проблеми мають місце і на підстанціях інших промислових об'єктів. Так, наприклад, схема електричних з'єднань 6 кВ п/ст Рудничная, є типовою для гірничо-металургійних підприємств, головними споживачами в якій є крокуючі екскаватори. Недоліки таких схем і встановлюваних на них захистів від замикань на землю є також часті замикання на землю, які супроводжуються відключенням однієї пошкодженої лінії і двох — трьох непошкоджених. Відшукання пошкодженої лінії і повторне відновлення до аварійної схеми вимагає досить тривалого часу. Однією з причин неселективною роботи захистів є виникнення ферорезонансних процесів після відключення пошкодженого обладнання, через збільшення струмів намагнічування трансформаторів напруги. Резонансні процеси протікають при частотах напруги 16-25 Гц, т.е нижче частоти 50 Гц, тоді як струм має близьку до номінальної частоту. У результаті відбувається втрата спрямованості дії чутливої захисту ЗЗП-1 та ін більш стійкі до резонансних процесів ненаправлення струмові реле (РТ-40/0,2, РТЗ-50, РТЗ-51). Однак останні дуже важко узгоджувати по уставками спрацьовування, якщо власні ємнісні струми замикання на землю окремих приєднань сильно відрізняються між собою [5].

Перш ніж розглядати вдосконалений захист, запропоновану в цій роботі, відзначимо особливості використовуваних на підприємствах серійно випускаються промисловістю струмових реле для цього захисту.

Враховуючи, що в багатьох випадках (на ВЛЕП і КЛЕП невеликої протяжності) значення струмів ОЗЗ можуть складати одиниці і навіть частки ампера , в струмових захистах НП, як правило застосовуються реле струму з малими значеннями, наприклад, Елекромагнітний типу РТ-40/0,2, або спеціальні реле для захисту від ОЗЗ: електронне типу РТЗ-50 (нині знято з виробництва) і мікроелектронний типу РТЗ-51.  

Електронне реле струму типу РТЗ-50 розроблено ЧЕАЗ наприкінці 60 х років для заміни електромагнітного реле струму типу ЕТД-551/60 з малим струмом спрацьовування, що використовувався в схемах захисту від ОЗЗ. Принципова схема реле РТЗ-50 наведена на рис.3.

Рис. 3. Принципова схема електронного реле струму типу РТЗ-50

Реле включає вторинний перетворювач струму, що складається з трансформатора Ті випрямляча VC1, двохкаскадний підсилювач постійного струму ППС, виконавчий орган (вихідна проміжне реле К) і блок живлення БП. Реле має три діапазони спрацьовування по струму: 0,01-0,02; 0,015-0,03 і 0,03-0,06 А.

Вхідний опір реле залежить від вхідного струму і приблизно дорівнює в першому діапазоні уставок 50-100 Ом, у другому діапазоні 30-50 Ом, в третьому діапазоні 9-11 Ом. Перемикання діапазону уставок струму спрацювання здійснюється за допомогою отпаек на згоду трансформаторі. Плавна зміна уставок в межах кожного діапазону здійснюється зміною коефіцієнта посилення резистором. Розрядник призначений для захисту елементів схеми від перенапруг при подвійних замиканнях на землю. Резистор, включений послідовно з первинної обмоткою трансформатора, забезпечує термічну стійкість вхідних ланцюгів струму при подвійних замиканнях на землю. Конденсатор згладжує пульсації напруги на виході випрямного моста. Діод служить для обмеження рівня вхідного сигналу УПТ. Харчування реле може здійснюватися від джерел як постійного 110220 В, так і змінного ~ 100 В оперативного струмів. Реле виконано на електронній базі.

Високочутливе реле струму типу РТЗ-51 призначено головним чином для застосування в схемах струмових захистів від ОЗЗ спільно з кабельними ТТНП. Принципова схема наведена на рис. 4.

Рис. 4. Принципова схема мікроелектронного реле струму РТЗ-51

Реле РТЗ-51 має те ж призначення, що і реле РТЗ-50, але відрізняється від нього більш високою чутливістю і кращою- відбудованих від впливу вільних складових перехідного процесу при дугових перемежованих ОЗЗ.

На відміну від реле РТЗ-50 реле РТЗ-51 виконано з малим вхідним опором, що забезпечує зменшення похибок ТТНП, але збільшує вплив електромагнітних наведень від струмоведучих ланцюгів і струму небалансу ТТНП. Застосування реле РТЗ-51 дозволяє отримати захист від ОЗЗ з первинним струмом спрацьовування близько 0,6 А.

Спрямована захист від ОЗЗ складається з одного реле напряму потужності, яке включається на струм і напруга НП (рис. 5).

Рис. 5. Схема підключення направленого захисту від ОЗЗ до ТТНП і ТН

В останні роки з'явилися розробки численних фірм блоки мікропроцесорних захистів (БМРЗ) НТЦ Механотроніка, термінали захистів SPEAM фірми Schneider Electric, захисту серії SPACOM виробництва АББ Реле - Чебоксари, а також реле фірми ALSTOM і SIEMENS, та інші термінали забезпечують також захист від міжфазних коротких замикань і інших ненормальних режимів роботи.

Необхідно відзначити, що багато хто з мікропроцесорних пристроїв володіють поліпшеними характеристиками, спрямованими на правильність функціонування в режимах з переривчастою дугою. Однак це досягається за рахунок застосування різного роду фільтрів і використання затримки на повернення пускового струмового органу після його короткочасного спрацьовування. Однак введення деякої затримки за часом є небажаним, а іноді і неприпустимим для установок з підвищеною небезпекою, де потрібна дія захисту на відключення. До недоліків мікропроцесорних пристроїв відносяться складність пристроїв, дорожнеча, неповна об'єктивність рекламованих характеристик, а також не повною мірою пристосованість до особливостей електроустановок Росії та України.

Враховуючи всі переваги і недоліки існуючих захистів від ОЗЗ, а також особливості систем електропостачання 6-10 кВ, в роботі поставлено завдання розробки більш чутливою вдосконаленою захисту з використанням простого серійного випускається струмового реле РТЗ-51 [3].

3.2 Струмовий захист нульової послідовності, ненаправленная, з незалежною або зворотнозалежну времятоковой характеристикою

Струмовий захист, що реагує на діюче значення повного струму нульової послідовності промислової частоти (3I0), застосовується в мережах 6-35 кВ, що працюють, як правило, в режимах ізольованою нейтралі і нейтрали, заземленою через резистор. Селективність і чутливість цього захисту забезпечується схемою мережі і вибором відповідних параметрів рсзістівного заземлення та уставок РЗ. Коли в якості вимірювального органу захисту від ОЗЗ використовується електромеханічне струмове реле типу РТ-40, селективна робота цього захисту в режимі ізольованої нейтрали може бути забезпечена лише в тих випадках , коли сумарний ємнісний струм cети (мінімально можливий з усіх режимів роботи мережі) істотно перевищує власний ємнісний струм лінії IСmax (при зовнішньому ОЗЗ). Ця умова виходить з двох умов вибору струму спрацювання захисту:

• умови неспрацьовування при зовнішньому ОЗЗ:


Де kn - коефіцієнт надійності; kбр = 3 + 5 - коефіцієнт кидка, що враховує кидок ємнісного струму в момент виникнення ОЗЗ, а також здатність реле реагувати на нього;

            
• умови спрацьовування (чутливості) при ОЗЗ на захищається приєднання:
            

При використанні для зашиті від ОЗЗ сучасних цифрових реле , наприклад серії SPACOM, в тому числі SPAC 800 фірми АББ Автоматизація, можна приймати значення kбр = 1 + 1,5 (необхідно уточнити у фірми-виробника). Захист повинна працювати без витримки часу.             

Незважаючи на менший вплив кидка ємнісного струму на роботу сучасних реле при зовнішніх ОЗЗ, не завжди можливо забезпечити селективність (вибірковість) розглянутого типу ненаправленной захисту в мережі з ізольованою нейтраллю, особливо в мережах з нестабільною первинної схемою мережі і, отже, періодично змінюються значеннями власних ємнісних струмів окремих ліній і сумарного ємнісного струму, а також в мережі з малою кількістю ліній. Це ж відноситься до мереж 6-10 кВ, що працюють з перекомпенсацією, дозволеної Правилами. При резонансної налаштуванні ДГР даний принцип виконання захисту від ОЗЗ взагалі не може бути використаний. Неможливо забезпечити селективну (виборчу) роботу захисту цього типу в мережах з паралельно працюючими лініями 6 (10) кВ і в мережах з ще більш складною конфігурацією.             

У повітряних мережах 6 - 10 кВ аналізовані струмові ненаправлення захисту нульової послідовності використовуються порівняно рідко, так як для включення вимірювального органу захисту вимагається кабельна вставка для кабельного ТТНП (Ферранті), а також тому, що в повітряних мережах невеликі значення струмів 3I0 при ОЗЗ.             

Струмові захисту нульової послідовності використовуються для захисту від ОЗЗ генераторів, що працюють на збірні шини, і електродвигунів 6 і 10 кВ на електростанціях і підстанціях. Власний ємнісний струм електричних машин не настільки великий, як у кабельних ліній, у зв'язку з чим умова неспрацьовування захисту при зовнішніх ОЗЗ виконується легше, ніж для кабельних ліній. При необхідності допускається вводити витримку часу (близько 0,5 с), яка практично дозволяє не враховувати кидок ємнісного струму при ОЗЗ (kбр = 1,5).             

У режимі заземлення нейтралі через резистор розглянута тут токовая ненаправленная захист може мати значно більшу чутливість, оскільки при ОЗЗ до сумарного ємкісному току мережі додається (геометрично) активний струм резистивного заземлення.            

Характеристика струмового захисту нульової послідовності, ненаправленої, з зворотнозалежну времятоковой характеристикою типу RXIDG показана на рис. 6 (мається на терміналах SPA-СОМ , втом числі в SPAC 810).            

Залежність часу спрацьовування захисту t, с, від струму Iозз/Iсз можна представити таким математичним виразом:

де k — виставляється коефіцієнт; Iозз — струм замикання на землю при ОЗЗ (геометрична сума сумарного ємнісного струму і активного струму резистивного заземлення), А; Iсз — струм спрацювання ня захисту (первинний), А.             

Струм спрацьовування захисту Iсз вибирається так само, як зазначено вище, з умови неспрацювання при зовнішніх ОЗЗ. Селективність спрацьовування захисту саме на тій лінії, де сталося ОЗЗ, забезпечується за рахунок її меншого часу спрацьовування t, яке відповідає більшому значенню сумарного струму IОЗЗ в порівнянні з власними ємнісними струмами кожної з непошкоджених ліній (ICmax).

Рис. 6. Характеристика з обратіозавісімой витримкою часу типу RX1DG

Якщо цей захист від ОЗЗ повинна діяти тільки на сигнал, то необхідно виконати спеціальну комутацію для блокування захистів непошкоджених приєднань після спрацьовування захисту пошкодженого приєднання.

Розглянуті ненаправлення струмові захисту з незалежною времятоковой і зворотнозалежну времятоковой характеристиками (див. рис. 6) можуть забезпечувати селективне відключення лінії з ОЗЗ тільки при певній конфігурації мережі, що захищається.

6 (10) кВ, конкретних типах реле, параметрах кабелів, зрозуміло, при правильному виборі робочих уставок. Однак в мережах з ізольованою нейтраллю з дуже невеликими значеннями природних ємнісних струмів і малою кількістю ліній, що відходять, головним чином повітряних, ненаправлення струмові захисту принципово не можуть забезпечити селективне відключення ліній з ОЗЗ. Тому в таких мережах можуть використовуватися струмові спрямовані захисту від ОЗЗ.

3.3 Спрямовані захисту типу ЗЗП-1М і ЗЗН

Спрямована захист від однофазних замикань на землю типу ЗЗП-1М призначена для селективного відключення ліній при однофазних замиканнях на землю і може застосовуватися в мережах з сумарним ємнісним струмом не менше 0,2 А, як вказується в інформації заводу-виробника. Однак у зв'язку з великою ймовірністю виникнення однофазних замикань на землю, через перехідні опори і з урахуванням деякого запасу по чутливості застосування пристрою ЗЗП-1М доцільно в тих мережах, наприклад 10 кВ, де мінімальне первинне значення сумарного ємнісного струму принаймні в 2,5-3 рази вище, тобто становить 0,5-0,6 А.             

Струмові кола захисту ЗЗП-1М підключаються до кабельного трансформатору струму нульової послідовності ТТНП типу T3JI (рис. 7, а), у зв'язку з чим захищається повітряна лінія повинна мати кабельну вставку (введення). Це є недоліком захисту ЗЗП-1М, що обмежують її застосування.            

Ланцюги напруги захисту ЗЗП-1М включаються на напругу нульової послідовності, одержуване від обмотки трансформатора напруги ТН, з'єднаної в розімкнутий трикутник (див. рис. 7, а).             

Для захисту елементів ЗЗП-1М від вищих гармонік, наявних в напрузі 3I0, пристрій слід підключати до ТН через фільтр з резонансною частотою 50 Гц, який пригнічує вищі гармонійні складові з частотою вище 50 Гц. Фільтр випускається у вигляді допоміжного пристрою ВУ-1, в яке входять дросель з регульованим повітряним зазором і послідовно включений конденсатор. На один пристрій ВУ-1 може бути включено до 10 пристроїв ЗЗП-1М.

Рис .7. Принципова схема включення (а), структурна схема (б) спрямованний захисту від ОЗЗ типу ЗЗП-1М і пояснення принципу се дії при ОЗЗ на одній з BJI мережі (в)             

Для виключення небезпечного впливу на пристрої ЗЗП-1М перенапруг, що виникають в перший момент замикання на землю в мережі 10 кВ, у схемі (див. рис. 7, а) передбачена невелика затримка у подачі напруги на пристрій ЗЗП-1М з допомогою максимального реле напруги 1РН типу РН-53/60Д з уставкою 15 В, тобто нижче, ніж напруга спрацювання пристрою ЗЗП-1М. Як видно з рис. 7, a, напруга 3 U0 подається на пристрої ЗЗП-1М тільки після спрацьовування реле 1РН і замикання його контактів.             

Захист ЗЗП-1М складається з наступних основних органів: узгоджувального пристрою 1, підсилювача змінного струму 2, фазочувствительного підсилювача (органу напрямку потужності) 3, вихідного реле 4н блоку живлення 5 (рис.7 ,б). Блок живлення типу БПН-11 підключається до трансформатора власних потреб підстанції (на рис. 7, б не показаний).             

Таким чином, захист ЗЗП-1М являє собою спрямовану захист нульової послідовності. При однофазному замиканні на землю, наприклад на повітряній лінії 10 кВ (рис. 7, в), струми Iс1, Ic2 визначаються ємністю фаз непошкоджених ліній Л1, Л2 стосовно землі, мають умовний напрямок до місця пошкодження на лінії ЛЗ, таким чином, по- різному спрямовані на пошкодженою і неушкодженою лініях. На непошкоджених лініях при напрямку струмів 1С до шин 10 кВ підстанції захисту ЗЗП-1М не спрацьовують. На пошкодженої лінії при напрямку сумарного ємнісного струму Iq. від шин підстанції до місця пошкодження захист ЗЗП-1М спрацьовує, якщо значення цього сумарного струму більше, ніж її струм спрацьовування (чутливість). Якщо вважати, що середнє питоме значення ємнісного струму для повітряних мереж 10 кВ складає на 1 км приблизно 0,028 А, то для надійного спрацювання захисту ЗЗП-1М при мінімальній її уставці 0,2 А (первинних) необхідно, щоб сумарна протяжність всіх непошкоджених ліній 10 кВ цієї мережі була не менше 20-25 км і відповідно сумарний ємнісний струм 0,5-0,6 А. У сучасних електромережах 10 кВ це умова, як правило, забезпечується. Але у випадку, коли одна або дві лінії 10 кВ можуть бути відключені і захист ЗЗП-1М не зможе спрацювати на відключення через недостатні значень сумарного ємнісного струму, потрібно, щоб додатково до лінійних захистах (ЗЗП-1М) на підстанції була встановлена резервна неселективним максимальний захист напруги нульової послідовності (реле 2РН на рис. 7, а), яка з витримкою часу 0,5-0,7 с діє на відключення живильного трансформатора (при цьому повинні заборонятися дії автоматики включення: АВР, АПВ). При малих значеннях ємнісних струмів таке неселективне дія вважається правильним, оскільки своєю дією захист виконує вимоги техніки безпеки і запобігає нещасні випадки.

Захист ЗЗН призначена для селективного відключення захищається приєднання при ОЗЗ в некомпенсованих мережах 3-10 кВ з первинним струмом замикання на землю від 0,2 А (що відповідає мінімальній сумарній довжині непошкоджених кабельних ліній мережі 10 кВ 0,2 км або повітряних ліній — 7 км) при використанні кабельних ТТНП.            

Захист ЗЗН складається з двох пускових органів (ПО) по струму і напрузі, фазочувствительного органу, які працюють за схемою І. Захист має три уставки по струму (0,07±0,02; 0,25±0,025 ; 2,5±0,025 А) і три уставки по напрузі (10,15,20 В); вбудований блок живлення; вбудований пристрій експрес-контролю; пристрій сигналізації, яке вказує на неприпустимі небаланси в ланцюгах струму і напруги захисту, на наявність ОЗЗ в зоні дії захисту і на спрацьовування вихідного реле.

3.4 Пристрій захисту від замикань на землю в мережах 6-35 кВ: УЗС захистів

Пристрій УЗС, що реагує на струми і напруги перехідного процесу при замиканнях на землю, призначене для селективного захисту (сигналізації або відключення) при замиканнях на землю в повітряних і кабельних мережах напругою 6-35 кВ незалежно від режиму роботи їх нейтрали. Пристрій забезпечує захист як від стійких, так і від нестійких замикань.            

Принцип його дії заснований на контролі напрямку поширення струмів і напруг перехідного процесу, що виникають при ОЗЗ і поширюються до кінців ліній ( пунктам установки захисту), і полягає в порівнянні і запам'ятовуванні первинних знаків струму 3I0 і напруги 3UQ в місці замикання. При збігу знаків ОЗЗ фіксується в захищається напрямку, а при розбіжності реєструється зовнішнє ОЗЗ. Факт замикання контролюється спрацьовуванням пускового органу усталеного напруги 3U0 промислової частоти.

Ланцюги напруги під'єднуються до розімкненим трикутнику обмоток трансформатора напруги секції шин, до якої підключена лінія, а за відсутності цих обмоток — до загальної точки трьох конденсаторів ємністю 4-10 мкФ, з'єднаних в зірку і підключених до фазним вторинних обмоток трансформаторів напруги і до нейтрали цих обмоток.

Прототип даного приладу — пристрій імпульсної захисту від замикань на землю ІЗС-М, розроблене ЕНІН спільно з Ризьким заводом Енергоавтоматика в 1990-1991рр.. Зразки цього пристрою знаходяться в промисловій експлуатації на кабельних лініях 35 кВ Невинномиськ ГРЕС. За час експлуатації з 1992 р. по теперішній час ОЗЗ мали місце практично на кожній з захищаються ліній, і при цьому у всіх без винятку випадках ОЗЗ пристрої захисту ІЗС-М спрацьовували правильно. Не відмічено також жодного випадку неправдивих або зайвих спрацьовувань пристрою.

Новий пристрій зашиті від замикань на землю , розроблене ЕНІН спільно з казанським підприємством Енергосоюз, випробувано та впроваджено в Казанських електричних мережах Татенерго і Жовтневих електричних мережах Мосенерго. У 2000 р. воно було прийнято міжвідомчою комісією і рекомендовано до застосування в системі електричних мереж Росії.

В даний час розглядається можливість модернізації цього пристрою в цілях виконання єдиної захисту для секції шин 6-35 кВ, до якої під'єднуються захищаються лінії. Це дозволить підвищити ефективність і економічність пристрою. Крім того, на основі досвіду розробки пристрою захисту можливе створення комплексного зразка з автоматичним визначенням місця ОЗЗ на захищається лінії. Використання цього приладу прискорить пошук пошкодження і знизить імовірність переходу ОЗЗ в коротке замикання, що приводить до серйозних пошкоджень на приєднаннях електричних мереж 6-35 кВ.

Як видно з короткого опису пристроїв ЗЗП-1М, ЗЗН і УЗС, вони мають загальний недолік, що обмежує їх застосування для захисту повітряних ліній 6 і 10 кВ: для включення ЗЗН вимагається кабельний ввід (вставка), а для УЗС- три трансформатора струму або той же кабельне введення повітряної лінії, що в загальному випадку не потрібно і часто не виконується на підстанціях, що живлять повітряні лінії [6].

4. Основний зміст роботи

Ефективний захист від ОЗЗ дозволяє знизити небезпечний вплив на апаратуру мереж 6-35 кВ тих впливів, які виникають при ОЗЗ. Це, в свою чергу, підвищить надійність роботи двигунів, кабелів та інших елементів мережі і дозволить продовжити термін їх експлуатації. Підвищується також безпеку для людей і тварин, які можуть опинитися в зоні падіння проводу повітряної ЛЕП.

У деяких випадках необхідну ефективність можна забезпечити за допомогою ненапрямлених струмових захистів нульової послідовності.

У першу чергу це відноситься до резистивної-заземленим мереж і настановам з малими ємнісними струмами. Якщо, наприклад, йдеться про захист кабельної мережі власних потреб електростанції, в якій встановлено заземлюючий резистор, а в місці ОЗЗ протікає активний струм резистора порядку 35-40 А і ємнісні струми окремих приєднань не перевищують декількох ампер, то тут успішно можуть бути використані багато з відоми ненапрямлених струмових пристроїв захисту.

Другий подібний випадок — це внутріцехові мережі на підприємствах, де може бути встановлений дугогасильний реактор, але є велика кількість приєднань з малим ємнісним струмом. Виконати ефективну селективну захист без заземлюючого резистора в такому випадку складно. Встановивши ж такий резистор з струмом 10-15 A, отримуємо можливість на більшості приєднань встановити просту струмовий захист нульової послідовності.

В даний час на українському ринку можна придбати наступні пристрої ненаправленной струмового захисту нульової послідовності.

Захисту, побудовані на вітчизняних реле типу РТЗ-51 блоках мікропроцесорного захисту БМРЗ (наприклад, БМРЗ-КЛ-11, БМРЗ-КЛ-36, БМРЗ-КЛ-42, БМРЗ-КЛ-51) НТЦ Механотроніка, терміналах захисту SEPAM типу S20 (код ANSI 50N/51N або 50G/51G) фірми Schneider Electric, захисту серії SPACOM, наприклад, SPAC-800 фірми АББ Реле-Чебоксари, пристрої типу MiCOM P121, P122 Compact, P123 фірми AREVA (колишня ALSTOM), захист типу SIPROTEC 4 7SJ61 фірми SIEMENS і т.д.

Найбільш відповідні для конкретного підприємства пристрої повинні вибиратися з урахуванням місцевих умов і можливостей.

Струм спрацьовування ненапрямлених струмових захистів доводиться відбудовувати від власного ємнісного струму захищається приєднання, тому на приєднаннях з великими ємнісними струмами такі захисту часто виявляються нечутливими.

Представляють істотний інтерес ненаправлення струмові захисту нульової послідовності, засновані на відносному вимірі, наприклад, пристрій Мікроконтроллерні МКЗЗП-6 фірми Естре. Це пристрій запускається при ОЗЗ за ознакою появи напруги нульової послідовності і порівнює струми нульової послідовності у всіх приєднаннях захищається системи або секції збірних шин. То приєднання, де основна гармоніка струму нульової послідовності більше, вважається пошкодженим. Такий захист не можна використовувати при наявності в мережі дугогасного реактора або при малій кількості приєднань до збірних шин (наприклад, при двох присоединения). При великому же кількості присоединениях захист працює досить ефективно [7].

Ненаправлення захисту, реєструючі струм нульової послідовності промислової частоти і покликані відключати пошкоджене приєднання, при дугових замиканнях і малих токах є, як правило, неселективними. Струм спрацьовування ненапрямлених струмових захистів доводиться відбудовувати від власного ємнісного струму захищається приєднання, тому вони важко узгоджуються за уставками спрацьовування, особливо якщо власні ємнісні струми ОЗЗ окремих приєднань сильно відрізняються між собою. Для підвищення чутливості і селективності дії ненапрямлених захистів від ОЗЗ. Запропоновано виконувати компенсацію власного ємнісного струму приєднання при зовнішніх ОЗЗ. Однак, це вимагає підключення додаткової обмотки в кількості 2-5 витків, намотуваним на сердечник кабельного трансформатора струму нульової послідовності (ТНП). Таке виконання захисту в умовах реальних промислових об'єктів викликає утруднення.

Спрямовані струмові захисту, що реагують на основні гармонійні складові струмів і напруги нульової послідовності, відбудовані від власних ємнісних струмів захищаються приєднань по напрямку, тому такі захисту вдається виконати більш чутливими і ефективними. Однак висока чутливість спрямованих захистів в реальних умовах експлуатації (в мережі присутні різного роду небаланси, великі похибки вітчизняних кабельних трансформаторів струму ТНП, ферорезонансні процеси) є найчастіше причиною втрати спрямованості дії захистів і помилкового їх спрацьовувань. Тому була запропонована більш надійна спрямований захист, яка передбачає установку на кожному приєднанні послідовно двох ТНП з підмагнічування, схема включення вторинних основних і додаткових обмоток яких забезпечує підвищення стійкості роботи і надійності захисту. Однак, основним недоліком даного рішення є необхідність установки другого ТНП на фідері, що в реальних умовах експлуатації практично не здійсненно, а дане рішення є прийнятним тільки у разі його реалізації на стадії проектуванні електроустановки [8].

У роботі для усунення описаних вище недоліків авторами пропонується використовувати один кабельний ТНП на приєднання, до вторинних обмоток якого підключається пристрій, що складається з двох спеціальних розділових трансформаторів з різним напрямком подмагничивания. Сигнали цих трансформаторів після випрямлення порівнюються і, тим самим, забезпечується спрямованість дії захисту і селективне відключення приєднання при ОЗЗ на ньому.

Робота даної захисту моделювалася з використанням програми MatLab додатки Simulink. Результати моделювання наведені на малюнку 8.

Рис. 8. - Осцилограми струмів на виконавчому органі: а) при внутрішньому та б) зовнішньому ОЗЗ (Анімація: 5 кадрів, 3 циклa повторення, 146 кілобайт)

Висновок

Розроблено вдосконалена спрямований захист від ОЗЗ, що дозволяє без змін у схемах підключення і установки кабельних ТНП реалізувати простий і надійний пристрій для своєчасного виявлення ОЗЗ на приєднання та, при необхідності, його відключення.

На момент написання реферату робота з випробувань нової захисту не була проведена. Дата закінчення роботи в цьому напрямку грудня 2014р.

Список літератури

1. Шабад М. А., Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6–35 кB, Москва, НТФ Энергопрогресс, Энергетик, 2007.
2. Шуин А.В.,Гусенков А.В., Защита от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ, Москва, НТФ Энергопрогресс, Энергетик, 2001.
3. Отчет о научно-иследовательской работе д-7-12 Автоматизация и управление элетрическими системами с нетрадиционными источниками энергии, 30.12.2013.
4. Лихачев Ф.А., Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостного тока, Энергия, 1971г.
5. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
6. Цапенко Е.Ф., Замыкания на землю в сетях 6-35кВ, Москва Энергоатомиздат, 1986.
7. Шалин А.И., Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. ООО «ПНП БОЛИД», г. Новосибирск, Россия.
8. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Ковязин О.В., Математическое моделирование работы ограничителя напряжения в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью.