Комбинированные защиты от однофазных замыканий на землю
Еzersky W.
http://www.mtrele.ru/pdf/OZZ.pdf
От 80 до 90% случаев действия релейной защиты в сетях 6-35 кВ вызвано однофазными замыканиями на землю – ОЗЗ. В настоящее время для защиты от ОЗЗ используются серийно выпускаемые устройства типа ЗЗН, УСЗ -ЗМ и др ., а также различные устройства единичного и мелкосерийного производства. Опыт многолетней эксплуатации различных по принципу действия и устройств защиты от ОЗЗ, а также анализ известных публикаций по данной тематике позволяет с уверенностью утверждать, что общепризнанного по селективности и надежности действия устройства релейной защиты от ОЗЗ для сетей с различными режимами заземления нейтрали в настоящее время не существует.
Как известно, в устройствах защиты от ОЗЗ для выявления аварийных анормальных режимов используются векторные и спектральные характеристики тока и напряжения нулевой последовательности 3I0 и 3U0. Например, устройство ЗЗП -1 и его усовершенствованный вариант ЗЗН контролируют ток 3I0 , напряжение 3U0 и угол сдвига фаз между ними (направление мощности нулевой последовательности).
Однако эти и подобные устройства позволяют достоверно определить ОЗЗ только при устойчивом характере замыкания на землю. Если процесс ОЗЗ протекает нестабильно, то характеристики тока и напряжения и мощности нулевой последовательности имеют неустойчивый, случайный характер , что часто приводит либо к несрабатыванию, либо к излишнему неселективному срабатыванию устройств защиты от ОЗЗ.
Направленная защита в сетях с изолированной нейтралью селективно срабатывает при металлических и устойчивых дуговых замыканиях. При наличии дугогасящих реакторов ДГР из-за подавления основной составляющей тока 3I0, направленная защита не действует, а при перекомпенсации такая защита действует заведомо неселективно. По этому на практике не рекомендуется устанавливать режим недокомпенсации и использовать защиты с высокой чувствительностью по току 3I0 основной гармоники (3I0 50). При перемежающихся дуговых замыканиях направленная защита либо не действует, либо срабатывает неселективно.
С помощью устройства УСЗ-3 М вручную поочередно определяют сумму высокочастотных составляющих тока 3I0 в каждом фидере , отходящем от сборных шин КРУ. Метод измерения действующего значения суммы токов высших частот в токе 3I0 выявления поврежденного фидера по наибольшему значению 3I0 ВЧ, имеет весьма высокую достоверность. К недостаткам централизованного общесекционного устройства УСЗ-ЗМ следует отнести:
- действие только при устойчивом ОЗЗ;
- значительные затраты времени на определения поврежденного фидера оператором.
Учитывая сказанное, при разработке нового устройства защиты от ОЗЗ были поставлены следующие задачи:
1. Создать комбинированное устройство, сочетающее положительные свойства направленной защиты от ОЗЗ, учитывающей ток основной частоты 50 Гц и защиты от ОЗЗ, использующей токи высших частот.
2. Повысить достоверность и автоматизировать процесс определения поврежден - ного присоединения с использованием высокочастотных составляющих тока 3I0
3. Уменьшить вероятность излишнего действия направленной защиты
4. Обеспечить непрерывность действия устройства при устойчивых ОЗЗ
5. Обеспечить регистрацию одиночных и повторно-кратковременных ОЗЗ
В качестве направленной защиты в разработанном устройстве применена высокочувствительная защита от ОЗЗ, используемая в цифровых терминалах серии БМРЗ с начала их серийного выпуска в 1996. В алгоритме этой защиты (обозначим её как Н50) предусмотрено использование таких величин:
- действующего значения основной гармоники тока нулевой последовательности 3I050, получаемого от стандартного ТТНП . Чувствительность по току 3I050 этой составляет 2 мА, что в зависимости от коэффициента трансформации ТТНП соответствует в первичных значениях тока нулевой последовательности 50-70 мА. Уставка по току 3I0 в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса и наводок во вторичной цепи ТТНП. Одновременно задается и то пороговое значение тока 3 I0 , начиная с которого возможно достоверное определение угла между ним и напряжением нулевой последовательности. Действующее значение тока 3I050 информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;
- действующего значения основной гармоники напряжения нулевой последовательности 3U0, получаемого от обмоток трансформатора напряжения, соединенных в «разомкнутый » треугольник . Чувствительность по напряжению 3U0 – 5 В , а устойчивость к перегрузке по напряжению 3 U0 –350 В длительно. Уставка по напряжению 3U0 в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса в цепях обмоток ТН . Одновременно задается и то пороговое значение напряжения 3U0, начиная с которого возможно достоверное определение угла между ним и током нулевой последовательности . Действующее значение напряжения 3 U0 информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;
- угла между векторами основных гармоник 3I0 и 3U0 , получаемого расчетным.
Направленная защита Н 50 в терминалах серии БМРЗ имеет зону срабатывания по углу между векторами 3I0 и 3U0 – (170±5 0 ), а направление зоны срабатывания определяется уставкой, изменяемой с шагом 1 0 в пределах от 0 0 до 360 0 . Фактор «угламаксимальной чувствительности » в рассматриваемой защите отсутствует, так как её угловые характеристики не зависят от значений 3 I0 и 3 U0. Минимальное время срабатывания защиты составляет – 40 мс , а наибольшая уставка срабатывания может быть задана равной 20 с.
Быстродействующая направленная защита Н 50 ,действующая на отключение, может использоваться при двойных однофазных замыканиях на линиях 10 кВ, отходящих от тяговых подстанций железных дорог . Особую опасность такое повреждение представляет, когда ток двойного замыкания может пройти по рельсу.
Защита Н 50 сохраняет свои свойства и в сетях с заземленной нейтралью, когда ДГР настроен с «недокомпенсацией» и остаточная емкостная составляющая в токе 3I050 при ОЗЗ не превышает чувствительности защиты , равной 3 мА. Известно , что рассматриваемый алгоритм Н 50 может срабатывать излишне (неселективно) при:
- ОЗЗ в сетях с перекомпенсацией;
- перемежающихся (прерывистых) дуговых ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью.
Для устранения излишних отключений не следует допускать работу сетей в режиме перекомпенсации, а при возникновении неустойчивых дуговых замыканий следует блокировать работу алгоритма Н 50. Однако в любом случае чувствительный орган защиты от ОЗЗ 3U0 может работать на сигнализацию.
Поэтому в комбинированной защите от ОЗЗ помимо алгоритма направленной защиты Н 50 применен алгоритм ТЗвч , обеспечивающий контроль «свободных » составляющих , присутствующих в спектре тока 3I0 при ОЗЗ – 3I 0 вч.
В качестве пускового органа в данном алгоритме используется пороговый элемент 3 U0 , имеющий уставку по напряжению от 10 В и время срабатывания от 40 мс. После срабатывания пускового органа значение тока 3I0 ВЧ записывается в память устройства и может использоваться для:
- проведения измерений, выполняемых по принципу, использованному в устройстве типа УСЗ -3 М с передачей информации по каналу связи и последующего отключения поврежденного фидера по команде из АСУ;
- селективного отключения поврежденного присоединения при использовании в алгоритме специальной времятоковой характеристики. Необходимость введения такой характеристики вызвана тем, что известные обратнозависимые характеристики типа RXIDG, используемые в известных устройствах фирмы АВВ не имеют рекомендаций и методик по выбору уставок срабатывания.
В алгоритме ТЗВЧ применена характеристика изображенная на рис . 1.
Рисунок 1 - Время срабатывания алгоритма ТЗ ВЧ в зависимости от значения тока 3I0 ВЧ
Алгоритм, использующего предложенную характеристику, работает следующим образом. Предварительно на всех защитах, установленных на присоединениях секций КРУ, устанавливаются одинаковые уставки. При возникновении ОЗЗ значения токов во всех неповрежденных присоединениях находятся в диапазоне от 0 до 3 I 0 ВЧ MAX (см. рис .1), а время срабатывания ТЗ ВЧ составляет Т MAX. Через поврежденное присоединение протекает суммарный ток всех неповрежденных присоединений, что на характеристике соответствует участку от 3 I 0 ВЧ MAX до .3 I 0 ВЧ , а время срабатывания может быть от Т MAX до Т MIN (см. рис.1). После срабатывания защиты на поврежденном присоединении произойдет возврат защит на остальных присоединениях. Если защита действует не на отключение, а на сигнализацию, необходимо групповое устройство сигнализации, фиксирующее первое по времени срабатывание.
При задании уставок для алгоритма, использующего рассматриваемую характеристику, следует учитывать нестабильность параметров 3 I 0, особенно для сетей с компенсированной нейтралью. Согласно отдельным публикациям, емкостные токи могут изменяться в несколько раз в течение дня.
Рассмотренные алгоритмы Н 50 и ТЗВЧ объединяются в комбинированный алгоритм защиты от ОЗЗ (рис. 2), причем выбор первого или второго алгоритма производится автоматически и определяется характером замыкания. При устойчивых замыканиях, в том числе и дуговых, действует алгоритм направленной защиты Н 50 . При неустойчивых дуговых ОЗЗ действует токовая защита ТЗВЧ.
Рисунок 2 - Функциональная схема комбинированной защиты от ОЗЗ
Пуск одного из двух алгоритмов защиты от ОЗЗ осуществляется по результату спектрального анализа тока 3I0 в начальной стадии замыкания, определяющего его коэффициент синусоидальности Кс по формуле:
Кс = 3I050/3I0 ВЧ (1)
При кратковременных пробоях и дуговых прерывистых ОЗЗ значение Кс приближается к нулю. Для устойчивых металлических замыканий значение Кс стремится к бесконечности. Поэтому коэффициент синусоидальности тока 3I0 может рассматриваться как простой и понятный признак устойчивости / неустойчивости ОЗЗ.
Для практического использования коэффициента Кс в качестве условия выбора одного из двух алгоритмов, в комбинированном алгоритме защиты от ОЗЗ предусмотрено задание уставки К сп , выбираемой из диапазона значений от 0,2 до 1,0. При Кс >КСП активизируется алгоритм направленной защиты Н 50, контролирующий направление мощности нулевой последовательности. При Кс <КСП . алгоритм защиты Н 50 блокируется и активизируется алгоритм защиты ТЗВЧ. Предусмотрено действие обоих алгоритмов как на отключение, так и на сигнализацию.
Благодаря встроенному осциллографу, регистратору аварийных событий и регистратору кратковременных замыканий, обеспечена возможность корректировки уставок защиты на основе статистического анализа . Такой подход к определению уставок для защит от ОЗЗ в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью более эффективен , чем расчетные методы . Кроме этого , массовое использование такого устройства позволит собрать и обобщить статистические данные , полезные для оценки работ других защит от ОЗЗ .
Как и во всех разработках НТЦ «Механотроника », пользователю обеспечены все сервисные возможности современного цифрового устройства РЗА . Дополнительно предусмотрена сигнализация каждого вида ОЗЗ. Комбинированная защита от ОЗЗ входит составной частью в многофункциональное устройство защиты отходящих линий типа БМРЗ -КЛ.