Выявление замыканий на землю и дефектов изоляции в узлах электрических систем 6-10 кВ с двигателями (УЭСД) основано на анализе параметров векторов токов нулевой последовательности каждого присоединения с двигателем. Превышение амплитудой тока заданного значения воспринимается как появление соответствующего дефекта изоляции: металлического замыкания на землю или замыкания через переходное сопротивление. Угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором линейного напряжения позволяет определять элемент (присоединение) с дефектной изоляцией и фазу присоединения, в которой возник дефект.

Соответствующие диапазоны амплитуд и углов предварительно определяются на математической модели УЭСД, которая позволяет моделировать локальные дефекты изоляции. Известная модель сети усовершенствованна за счет учета в ней параметров изоляции и рабочих режимов нагрузки.

Для большинства предприятий агропромышленного комплекса характерна непрерывность производственного процесса, поэтому для них особенно важна бесперебойность в подаче электроэнергии.

При практической реализации метода требуемая чувствительность средств контроля токов нулевой последовательности обеспечивается при использовании в трансформаторах тока нулевой последовательности дополнительной магнитодвижущей силы, частота которой отличается от частоты сети [1]. Специальный фазочувствительный орган, который позволяет отличать внешние дефекты от дефектов на данном присоединении, а также определять конкретную фазу присоединения, в которой возник дефект изоляции, устанавливается один на секцию. В нем фиксируется угол между вектором тока нулевой последовательности и вектором линейного напряжения в момент превышения этим током заданного значения.

В результате исследований определены диапазоны изменения угла φ между вектором тока нулевой последовательности и вектором линейного напряжения в зависимости от того, в какой из фаз присоединения возник дефект изоляции, а также от того – возник ли дефект на контролируемом присоединении или вне него. Диапазон изменения угла φ , который соответствует изменению величины сопротивления дефекта изоляции в одной фазе от минимального значения до замыкания на землю, не превышает 90º. Внешним дефектам соответствуют такие же диапазоны угла. Диапазоны угла при дефектах в одной и той же фазе на контролируемом присоединении и во внешней сети сдвинуты относительно друг друга на 180º. Дефект изоляции может быть в одной из трех фаз. Из результатов исследований следует, что рассматриваемые диапазоны для трех фаз перекрывают друг друга, а поэтому их использование не позволяет однозначно выявлять место и фазу присоединения с дефектом. Учитывая то, что замыканиям на землю соответствуют значительно меньшие диапазоны изменения угла φ, сдвинутые относительно друг друга на 120º и 240º , среди них можно выделить шесть диапазонов, не имеющих общих областей. Три из них соответствуют замыканиям на землю на контролируемом присоединении и три – внешним замыканиям на землю. Точно также дефектам изоляции соответствуют другие шесть диапазонов угла φ, которые смещены на 30º относительно диапазонов при замыканиях на землю. Необходимые угловые зоны для фиксации замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью приведены на рис. 1, а для выявления места дефектов изоляции в этих же сетях – на рис. 2.

Рисунок 1 – Угловые зоны работы фазочувствительного блока для фиксации замыканий на землю (незаштрихованные области соответствуют внешним замыканиям на землю)

Рисунок 2 – Угловые зоны работы фазочувствительного блока для фиксации дефектов изоляции (незаштрихованные области соответствуют внешним дефектам)

Одним из «классических» способов повышения чувствительности защит от замыканий на землю является выполнение защиты направленной, что позволяет не отстраивать ее от токов при внешних замыканиях. Но только обеспечение направленности защит не позволяет достичь требуемой чувствительности. Это объясняется следующим. Существующие ТТНП при первичных токах, появляющихся при возникновении дефектов изоляции, обеспечивают незначительный ток в реле, составляющий порядка 1-2 мА. К тому же токовые реле, предназначенные для защит от замыканий на землю, в лучшем случае имеют минимальный ток срабатывания 5 мА (защита от замыканий на землю в составе микропроцессорного устройства типа МРЗС-05). Таким образом, существующие ТТНП и токовые реле не могут обеспечить требуемую чувствительность защит от замыканий на землю. Опытные данные подтверждают этот вывод.

Современный уровень развития цифровой техники позволяет выполнять защиту от замыканий на землю и диагностирование изоляции присоединений путем поочередного опроса датчиков всех присоединений секции. В этом случае целесообразно организовать алгоритм обработки информации одной системой, т.е. выполнить ее централизованной. Требуемая высокая чувствительность системы обеспечивается за счет использования дополнительной м.д.с. во всех ТТНП и контроля направления вектора тока нулевой последовательности каждого присоединения. Применение дополнительной м.д.с. с частотой, отличной от частоты сети, позволяет повысить надежность и упростить реализацию направленности действия защиты и диагностирования. Надежность контроля направления тока нулевой последовательности обеспечивается благодаря использованию в фазочувствительном блоке входных величин, амплитуда которых не изменяется при возникновении дефектов изоляции или замыканий на землю. Упрощение достигается за счет применения одного общего фазочувствительного блока для системы вместо применения контроля на каждом присоединении. Соответствующий выбор параметров позволяет применять систему в сети с любым режимом нейтрали.

На рис.3 приведен первый вариант алгоритма работы централизованной системы автоматики [2]. В цикле опроса датчиков тока нулевой последовательности каждого присоединения выполняется проверка соответствия текущих параметров режиму возникновения замыкания фазы на землю или дефекта изоляции в одной из фаз. Действительное значение амплитуды тока нулевой последовательности i-го присоединения определяется путем вычитания дополнительного тока из вторичного тока трансформатора тока и учета реальных параметров трансформатора тока.

В связи с тем, что величина дополнительного тока всегда известна, то учет этой величины в параметре срабатывания позволяет отказаться от вычитания дополнительного тока из вторичного тока.

Распознавание замыкания или дефекта изоляции в алгоритме выполняется по результатам сравнения действительного значения тока нулевой последовательности с величинами, которые соответствуют дефекту изоляции или замыканию на землю. В алгоритме режим определяется в результате последовательной проверки: соответствует ли возникший ток дефекту изоляции и если не соответствует, то значит возникло замыкание на землю. Далее на основании сравнения текущего значения угла δ с заданными диапазонами определяется в какой из фаз возник дефект.

Рисунок 3 – Алгоритм работы централизованной системы автоматики

Второй вариант алгоритма работы централизованной системы автоматики отличается от первого тем, что в нем не используется операция снижения величины дополнительного тока. По результатам сравнения вторичного тока с заданным значением тока сразу же определяется возникший режим: дефект или замыкание.

На рис.4 приведена принципиальная схема централизованной направленной защиты, выявляющей фазу и присоединение с дефектом изоляции или замыканием на землю. Схема реализуется на токовых реле типа РТЗ-51 или на реле подобного типа.

При возникновении дефекта изоляции в фазе А на одном из присоединений, например на первом, срабатывает его токовое реле КА1, замыкание контакта КА1 приводит к появлению тока, который протекает через: КН1 , контакт КА1, диод VD , контакт KL1.2 и через контакт KW1 фазочувствительного органа, замкнутый в данный момент, и через обмотку указательного реле КНА, соответствующее фазе А присоединения с дефектом изоляции. Кроме того, плюс оперативного тока поступает через диод VD и накладку SX1 на обмотку промежуточного реле KL1. Так как время срабатывания промежуточного реле KL1 выбрано больше времени срабатывания указательных реле, то после срабатывания указательного реле КНА , срабатывает KL1, которое через свой контакт KL1.1 становится на самоудерживание, а контактом KL1.2 снимает плюс с контактов KW1-KW3, предотвращая тем самым срабатывание других указательных реле (КНВ, КНС) при последующих замыканиях контактов КА2, КА3 и т.д. После снижения вторичного тока ТТНП, вызванного отличием частоты дополнительного тока и частоты сети происходит возврат токового реле КА1. Так как токовые реле КА1-КАn не отстроены по величине от токов нулевой последовательности при внешних дефектах изоляции, а присоединение с дефектом еще не отключено, то далее могут срабатывать последовательно во времени токовые реле КА2-КАn других присоединений. Однако это не приведет к срабатыванию указательных реле других фаз КНВ и КНС , т.к. контакт KL1.2 уже разомкнут. При этом указательные реле КН2-КНn срабатывать не будут, т.к. их обмотки зашунтированы контактом КL1.1 и диодом VD.

Срабатывание KL1 и размыкание его контакта KL1.3 приводит к снижению тока в дополнительной обмотке WДОП а, следовательно, - к возврату токового реле КА и снижению токов во вторичных обмотках всех ТТНП. Так как в рассматриваемом случае возник дефект изоляции, то после снижения тока в дополнительных обмотках токовые реле КА1-КАn срабатывать не будут.

Таким образом, в результате работы схемы сработают указательные реле КН1 и КНА , что указывает на возникновение дефекта изоляции фазы А на первом присоединении.

Если в фазе А первого присоединения произошло замыкание на землю, то сначала происходит рассмотренная выше работа схемы без изменений, а после снижения тока в дополнительных обмотках и возврата токового реле КА в следующем цикле сканирования снова срабатывает токовое реле КА1 (величины тока нулевой последовательности достаточно для срабатывания реле без дополнительного тока) в то время, когда замкнуты контакты KW4 фазочувствительного блока, а потому срабатывает КН2А.

Рисунок 4 – Принципиальная схема централизованной направленной защиты (ЦЗДА), выявляющей фазу и присоединение с дефектом изоляции или замыканием на землю

В случае возникновения металлического замыкания на землю в фазе А указательное реле КНА не сработает, т.к. угловая зона фазочувствительного блока для выявления дефекта изоляции в фазе А (контакт KW1) не совпадает с угловой зоной, в которой находится вектор 3I₀ при замыкании на землю.

Таким образом, при возникновении замыкания на землю в фазе А первого присоединения сработают указательные реле КН1, КНА и КН2А.

Для исключения ложной работы защиты после срабатывания КА1 в режиме диагностирования реле тока КА1 должно вернуться в несработанное состояние до момента замыкания контактов КА. Для этого должно выполняться условие

т.е. в наихудшем случае (при совпадении этих токов по фазе). Если это условие выполняется, то при других углах между вектором тока 3I₀ и вектором дополнительного тока генератора I_G реле будет возвращаться.

Возврат схемы ЦЗДА выполняется путем кратковременного размыкания накладок SX1 и SX2.

Метод применим для сетей с различным режимом нейтрали: изолированной или при ее соединении с землей через различные комплексные сопротивления.

     Выводы

1. Предложенный принцип построения систем защитно-диагностирующей автоматики УЭСД ориентирован на предотвращение возникновения повреждений за счет выявления дефектов изоляции на той стадии развития, когда возможно их устранение. Наилучший технический эффект рассмотренный принцип дает при его реализации на современной цифровой элементной базе: на микропроцессорах или на промышленных компьютерах.

2. Принцип повышения чувствительности защит от замыканий на землю за счет использования в ТТНП дополнительной м.д.с., частота которой равна частоте сети, позволяет реализовать непрерывное диагностирование электрооборудования. Ранее это было невозможно из-за низкой мощности, отдаваемой во вторичные цепи стандартными ТТНП при малых токах нулевой последовательности.

   Изменение вторичного тока ТТНП при наличии дополнительной м.д.с. происходит больше в 3-5 раз по сравнению с ТТНП без дополнительной м.д.с. и возникновении такого же дефекта изоляции.

3. Использование в ТТНП дополнительной м.д.с., частота которой отличается от частоты сети, позволяет выполнять непрерывный анализ параметров вектора тока нулевой последовательности, а также реализовать централизованную двухступенчатую систему автоматики, каждая ступень которой выполнена направленной. Данная автоматика выявляет присоединение, на котором возник дефект изоляции или замыкание на землю, а также фазу присоединения с дефектом или замыканием на землю. Благодаря контролю последовательности работы во времени пороговых элементов системы, традиционный контроль направления мощности в ней не используется. Благодаря этому вместо установки фазочувствительных органов на каждом присоединении, применен один общий для всех присоединений секции (подстанции).

4. Новый принцип обеспечения направленности действия двух ступеней защиты основан на фиксации во времени момента превышения заданного значения суммой тока нулевой последовательности и дополнительного тока, частота которого отличается от частоты сети. Этот же принцип позволяет выявлять фазу присоединения, в которой возник дефект изоляции или замыкание на землю.

   Предложенный принцип обеспечения направленности действия выгодно отличается от известных тем, что в нем используется вектор линейного напряжения, величина которого не изменяется при возникновении дефектов изоляции или замыканий на землю, а также то, что фазочувствительный орган выполняется общим для всех присоединений секции потребителя независимо от количества присоединений.

   Ненаправленная ЦЗДА на присоединениях с малой собственной емкостью обеспечивает требуемую чувствительность при любой степени дефектов изоляции. На присоединениях с большой собственной емкостью, составляющей 20% и более от суммарной емкости сети, требуемая чувствительность диагностирования изоляции обеспечивается при возникновении дефектов, активное сопротивление которых равно 100 кОм и менее. Поэтому на таких присоединениях необходимо использовать только направленный вариант ЦЗДА.

5. Для исключения ложной работы токовых пороговых органов, установленных на каждом присоединении, из-за отклонения амплитуды дополнительного тока от заданного значения, применяется пропорциональное задание их порога срабатывания. Величина порога срабатывания автоматически изменяется в ту же сторону, что и величина дополнительного тока, и на такую же величину с учетом коэффициента трансформации между дополнительной и вторичной обмотками ТТНП.

Список литературы

1. Патент 47151 А Україна. МКИ G01N 27/00. Пристрій безперервного автоматичного контролю ізоляції електричного обладнання змінного струму / Гребченко М.В. - № 2001085615; Заявл. 7.08.2001; Опубл. 17.06.2002. Бюл. № 6. – 3 с.

2. Патент 69915 А 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. 15.09.2004. Бюл.№9. – 5 с.