Автор:
Головко С.И. - к.т.н., ООО Релейная защита
г.Томск.
Источник: Журнал Новости Электротехники
№2 (74) 2012г.
Генераторные распредустройства ТЭС и распределительные сети 6–35 кВ имеют изолированную или компенсированную нейтраль. Общим для этих режимов нейтрали является то, что ток замыкания на землю мал. Его величина составляет от единиц до нескольких десятков ампер. В таких сетях большинство замыканий на землю являются не устойчивыми, а перемежающимися дуговыми замыканиями (ПДЗ).
ПДЗ – замыкание, при котором поврежденная фаза подключается к земле через сопротивление дуги, а затем через непродолжительное время, находящееся в пределах от долей до десятков миллисекунд, отключается от земли. Такое чередование пробоев и погасаний может продолжаться очень долго, до 30 минут и более. В настоящее время повсюду имеются регистраторы аварийных процессов, поэтому каждое предприятие может убедиться в справедливости вышеизложенного. Для этого нужно посмотреть осциллограммы фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, имеющие место после пуска регистратора по факту замыкания на землю.
ПДЗ значительно опаснее, чем металлическое замыкание, как тем, что оно вызывает повреждение оборудования, в котором возникла дуга, так и перенапряжениями, которые она инициирует. Поэтому для всех земляных защит должно быть обязательным требование селективной работы при ПДЗ.
Это требование предполагает, что защита не должна срабатывать при внешнем ПДЗ, но должна срабатывать с минимальным временем при внутреннем ПДЗ.
При ПДЗ напряжение и токи нулевой последовательности являются несинусоидальными величинами, которые содержат гармоники с частотами от единиц до тысяч герц. Поэтому реагирующий орган любой защиты при ПДЗ может вести себя не так, как при устойчивом замыкании. В частности, он может не срабатывать в течение всего времени, пока замыкание происходит через перемежающуюся дугу.
Обеспечить селективную работу защиты при ПДЗ можно в том случае, если выполняются два условия. Первое состоит в том, что принцип действия защиты должен быть совместим с требованием селективной работы при ПДЗ. Второе условие заключается в том, что схемотехника избирательного органа защиты должна быть такой, чтобы реализовывалась указанная выше совместимость.
Для разработки такой схемотехники нужна постановка экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги в реальной сети либо на модели сети, выполненной в масштабе 1:1. Это трудоемкое и затратное мероприятие. ПДЗ – очень многообразный процесс, что обусловлено разнообразием факторов, влияющих на него. Таковыми являются:
Если ПДЗ имеет место в компенсированной сети, то важнейшее влияние на этот процесс оказывает величина расстройки компенсации. В зависимости от перечисленных факторов напряжение пробоя дугового промежутка может быть различным, кроме того, оно может изменяться от пробоя к пробою произвольным образом. Также произвольно может изменяться длительность токовой паузы, т. е. время от момента очередного пробоя до момента очередного погасания дуги. Дуга может погасать при одном из прохождений через ноль свободной составляющей тока замыкания либо при одном из прохождений через ноль вынужденной составляющей. Результатом многообразия процесса горения дуги является многообразие токов и напряжения нулевой последовательности, которые определяют поведение защиты при ПДЗ.
Изложенное является первой причиной того, что изготовители не дают обоснованных сведений о работе своих защит при перемежающихся дуговых замыканиях. Если говорить прямо, то большинство из них просто игнорируют ПДЗ. Подход примерно такой: Хорошо уже то, что защита сработает при металлическом замыкании, а срабатывание при перемежающемся замыкании – это уже излишество
Вторая и, возможно, главная причина сложившейся ситуации состоит в том, что покупатели земляных защит не предъявляют к защитам требование правильной работы при ПДЗ. Сложилась парадоксальная ситуация. Прокомментируем ее на примере генераторных защит.
Основное требование к таким защитам состоит в том, чтобы время срабатывания было минимальным. Изготовители обеспечивают выполнение этого требования, но лишь для устойчивого замыкания. А на долю устойчивых приходится небольшой процент от общего числа замыканий на землю. Каким будет время срабатывания защиты, если замыкание на землю будет происходить через перемежающуюся дугу, и сработает ли она вообще – вопрос, который, на взгляд автора, должен обязательно задаваться изготовителю.
Несколько десятилетий назад в нормативных документах появилось требование о том, чтобы генераторные защиты не имели зоны нечувствительности. Это стимулировало соответствующие разработки, в результате которых такие защиты появились. Ими являются защиты с использованием естественных высших гармоник и защиты с наложением тока непромышленной частоты или постоянного тока.
Требование отсутствия зоны нечувствительности привело к существенному усложнению защит. Между тем замыкания вблизи нейтрали, с одной стороны, являются наименее опасными, с другой стороны, они бывают еще реже, чем устойчивые замыкания вблизи выводов генератора. Наиболее опасный и часто возникающий вид однофазного замыкания – перемежающееся дуговое замыкание. Почему же в нормативных документах есть требование отсутствия зоны нечувствительности, но нет требования правильной работы при ПДЗ?
Автором настоящей статьи совместно с Р. А. Вайнштейном (Томский политехнический университет) в 70-х годах прошлого века разработано устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Его подробное описание имеется в [1]. Устройство состоит из физической модели сети с изолированной или компенсированной нейтралью и модели дугового промежутка (МДП).
Модель сети имеет номинальное напряжение 173 В. МДП построена на базе управляемого двунаправленного вентиля, который подобно дуге переменного тока обладает способностью восстанавливать электрическую прочность при прохождении тока через ноль. К модели сети через согласующие элементы подключается реальное устройство защиты. МДП позволяет моделировать перемежающиеся дуги с любыми значениями пробивного напряжения и длительности токовой паузы, что обеспечивает возможность исследований с учетом многообразия процесса ПДЗ.
С помощью этого устройства был исследован гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности в компенсированных сетях [2, 3]. Эти результаты важны для разработчиков защит, реагирующих на токи непромышленной частоты, в частности, на естественные высшие гармоники. В соответствующих публикациях [4, 5, 6] вопросу поведения защит при ПДЗ уделено особое внимание.
В электроустановках 6–35 кВ большинство замыканий на землю происходит через перемежающуюся дугу, которая более опасна, чем устойчивое замыкание, при этом время горения перемежающейся дуги может быть большим.
Целесообразно рассмотреть вопрос о включении в нормативные акты требования правильной работы земляных защит при ПДЗ, что особенно важно для генераторных защит. Техническим специалистам, которые формируют заказы на земляные защиты, необходимо требовать от изготовителей обоснованные данные о том, как работает защита при внешних и внутренних ПДЗ. Это будет стимулировать изготовителей к соответствующим исследованиям.
Разработчикам защит рекомендуется использовать устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Все данные по этому устройству опубликованы в открытой печати. Это позволит обойтись без сложных и очень затратных экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги.
1. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. Физическое моделирование электрических процессов, вызываемых перемежающимися дуговыми замыканиями // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 10.
2. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 12.
3. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Албул В.Н. Условия селективной работы защит с наложением контрольного тока при перемежающихся дуговых замыканиях // Известия вузов: Энергетика. 1988. № 7.
4. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю обмотки статора генераторов, работающих на сборные шины // Электрические станции. 2005. № 7.
5. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю кабельных линий 6–10 кВ в сетях с компенсацией емкостных токов // Электрические станции. 2003. № 2.
6. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Юдин С.М. Селективная сигнализация однофазных замыканий и измерение расстройки компенсации в сетях 30, 35 кВ // Электрические станции. 2000. № 7.