Принципы микропроцессорных устройств, действующих при однофазных замыканиях на землю, защита и сигнализация повреждений в сетях среднего напряжения с резонансным заземлением нейтрали

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) являются доминирующим типом коротких замыканий в городских и индустриальных системах электропитания сетей среднего напряжения (6-10 кВ) и часто вызывают краткосрочный отказ электропитания (STPSF) и аварии, которые сопровождаются большими экономическими потерями. Самые эффективные средства управления отрицательными последствиями ОЗЗ, а прежде всего перенапряжением при неустойчивой дуге замыкания на землю в сетях без непосредственного отключения поврежденного комонента, - это резонансное заземление нейтрали упомянутых сетей через нейтрализатор короткого замыкания на землю.

Но большинство защит и устройства селективного сигнализации замыканий на землю , производимых в России, основаны на использовании токов промышленных частот и должны использовать только в сетях, действующих с изолированной нейтралью или с нейтралью заземленной через резистор (например, РТЗ-50, РТЗ-51, ЗЗП-1, ЗЗН). Как правило, в микропроцессорные релейные защиты от ОЗЗ различных фирм на напряжение 6-10 кВ осуществлены при помощи методов(функций) защиты потребителей. Они основаны на использовании электрических величин промышленной частоты (полное напряжение неселективной токовой или направленной токовой защиты нулевой последовательности составляет 3U0). Ток высших гармоник нулевой последовательности при ОЗЗ в установившемся режиме используется для установления поврежденного участка только в нескольких устройствах (УСЗ-2/2, УСЗ-3М, некоторые микропроцессоры).

Главный тип ОЗЗ в сетях на 6-10 кВ – переменная дуга короткого замыкания на землю. Согласно статистическим данным дискретное поведение тока дуги в поврежденном месте аналогично, особенно на начальная стадия фактического развития ОЗЗ в кабелях и электрических машинах[1-3 и другие].

Дуга неустойчивого ОЗЗ, сопровождается значительными перенапряжениями вдоль всей электрически связанной цепи, представляя особую опасность ОЗЗ в кабельных сетях собственных нужд электростанции и питающих системах индустриальных предприятий из-за возможности перехода в двухфазное и трехфазное короткое замыкание, сопровождаемые двумя или более повреждениями электродвигателей и отключением релейной защиты. Внезапное (для релейной защиты) важное отключение электродвигателей может сопровождаться пределом мощности или отключением питающего присоединения и серьезным отказом снабжения потребителей. Исследования, выполненные в различные годы в ARERI (Всероссийский научно-исследовательский институт электроэнергетики) [3] и ISPU [4] показали, что возможно предотвратить до 50 % отключения линий (релейной защитой) в сетях на 6-10 кВ и до 30% отключений электродвигателей с помощью использования краткосрочного частично распределенного повреждения изоляции в диагностических целях..

Устройства защиты от ОЗЗ, основаны на различных компонентах тока, установившегося при повреждении, (промышленная частота тока, высшие гармоники, искусственно созданные при ОЗЗ частотные компоненты – токи наложения), не могут зафиксировать краткосрочное частично распределенное повреждение изоляции согласно их способу функционирования, и, что более важно, они не всегда обеспечивают селективность и устойчивость функционирования при неустойчивом горении дуги при коротких замыканиях на землю, которые наиболее опасны для сети. Во многих случаях это может являться причиной невозможности предотвращения перехода замыкания на землю в двухфазные короткие замыкания на землю или трехфазные КЗ, в то время как защита от ОЗЗ, срабатывает на отключение (например, электродвигатели). Следовательно, наиболее широко используемые устройства защиты от ОЗЗ, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты, не всегда эффективны даже в сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью заземленной через резистор.

Технический дефект наиболее широко используемых защит от ОЗЗ и этого вида селективных устройств сигнализации повреждения, которые предназначены для того, чтобы управлять сетями с резонансно заземленной нейтралью и изолированной нейтралью, уменьшает надежность функционирования компенсированных и некомпенсированных сетей 6-10 кВ.

В сети с резонансно заземленной нейтралью действует тот же принцип, что и для защит и устройств селективного сигнализации замыканий на землю. Применение пуска защиты от такого типа электрических величин переходного процесса при повреждении позволяет определить краткосрочные повреждения изоляции, селективность и устойчивость функционирования при горении перемежающейся дуги ОЗЗ. Но защиты, которые реагируют на переходные токи и напряжения, в отличие от защит, основанных на использовании электрических величин установившегося режима ОЗЗ, не имеют свойства непрерывности действия при устойчиво коротком замыкании. Свойство непрерывности действия при устойчивом ОЗЗ необходимо для защиты с командой на отключение (например, для защит, согласующихся по выдержке времени). Свойство непрерывности действия упрощает поиск поврежденного места по сравнению с работой защиты от ОЗЗ с срабатыванием на сигнал с помощью многократных коммутаций в сетевом методе.

Как известно, самыми универсальными (универсальность интерпретируется как максимально широкая область применения) являются направленные защиты от ОЗЗ. Свойство направленности позволяет использовать их в сетях любой конфигурации, обеспечивает применимую точность для тока нулевой последовательности трансформатора (фильтры), исключает необходимость подбора действующих параметров.

Последний пункт значительно упрощает конструкцию и использование устройств защиты от ОЗЗ.

Исследования, которые проводились в течение нескольких лет в ISPU, показали, что применение направленной защиты от ОЗЗ с упомянутыми выше свойствами возможно двумя путями. Первый обеспечивает при переходном процессе сравнение знаков компонентов высших гармоник производной напряжения нулевой последовательности du0/dt со знаком тока i0 [5], и второй обеспечивает для этих величин высших гармоник сравнение знаков установившемся режиме ОЗЗ [6]. Эффективность предложенного решения была доказана устройствами направленной защиты от ОЗЗ кампании “Spectr” [7], результатами развития этой идеи в ISPU и экспериментальными операциями на нескольких электрирческих станциях. Эти устройства были выполнены на основе элементов микроэлектроники (рис. 1).

Элемент типа “Spectr”, воздействует на величину временного интервала наблюдения. Это обеспечивает непрерывность действия устройства и при переходном процессе и при установившемся режиме.

Следует отметить, что принципы выполнение измерительного элемента типа “Spectr”, обеспечивают возможность использования этого устройства и в данных компенсированных сетях и в сетях, действующих с изолированной нейтралью, поскольку у упомянутого элемента есть быстрый ответ на первичный ток высших гармоник (25 … 50 мА в частотном диапазоне до 1 кГц) и большую отстройку от влияния компонентов промышленной частоты (область частотного диапазона - 50 Гц с помощью фильтров до 3 – 4 тысяч раз).

Принципы микропроцессорных защит от ОЗЗ, действущего (с срабатыванием на отключение или на сигнал). Будучи выполненным в ISPU в течение нескольких лет, теоретические и экспериментальные исследования переходных процессов ОЗЗ и устойчивых режимов, так же как развитие и опыт эксплуатации защит и селективных устройств сигнализации ОЗЗ (устройствап типа “Impuls” и “Spectr” [5, 6]),позволяют сформулировать следующие основные требования к устройствам защиты от ОЗЗ для данных компенсированных сетей на 6-10 кВ:

устройства защиты от ОЗЗ должны обеспечить эффективность действия при установившемся коротком замыкании и при неустойчиво горящей дуге короткого замыкания, включая горящие в нескольких местах дуги КЗ;
устройства защиты от ОЗЗ должны также обеспечить обнаружение краткосрочного частичного повреждения изоляции;
) устройства защиты должны обеспечить директивность операции при ОЗЗ в установившемся и переходном режиме;
устройство защиты должно контролировать направленную эффективную мощности нулевой последовательности при переходном процессе ОЗЗ;
устройство защиты должно контролировать составляющие эффективной направленной мощности нулевой последовательностью в установившемся режиме ОЗЗ;
главный действующий частотный диапазон для электрических величин переходного процесса при ОЗЗ должен включать частоты от 150 Гц до 2-3 кГц;
главный действующий частотный диапазон установившегося тока 3I0 и напряжения 3U0 высших гармоник должен включать частоты от 150 Гц до 1 кГц;
первичный ток рабочего устройства в главном рабочем при 150 Гц … 1 кГц установившегося тока 3I0 не должен превзойти 50-100 мА;
первичный ток рабочего устройства находится в пределах частоты компонентов высших гармоник переходного тока 3I0 до 2-3 кГц не должен превзойти 2 А;
реакция устройства относительно напряжения 3U0 в основном частотном диапазоне действиия компонентов высших гармоник установившихся и переходных режимов ОЗЗ до 2-3 кГц не должен превзойти 100 мВ;
производная напряжения нулевой последовательности du0/dt канала ответа частотном диапазоне компонентов высших гармоник до 5 кГц должна быть выше чем ток 3I0 канала ответа для уровня общего емкостного тока защищеннойсети, IСS J 200 A(согласование согласно du0/dt и 3i0 каналов ответа);
время действия защиты, отведенное измерительному элементу, не должно превзойти 15-25 миллисекунд. Как было упомянуто выше, защита от ОЗЗ, которая удовлетворяет эксплуатационным правилам и требованиям, о которых говорится выше, обеспечивает рабочее состояние сети, управляя как сетями с изолированными нейтралями, так и с заземленными через сопротивление нейтралями. Но это должно было бы фактически добавить микропроцессорной защите направленную защитную функцию, которая воздействует на электрические величины промышленной частоты.

Принципы микропроцессора ОЗЗ селективное управление устройствами сигнализации. Для создания всех селективных сигнализаций ОЗЗ в компенсированных и некомпенсированных сетях среднего напряжения могут быть использованы простые решения на основе микропроцессорных устройства централизованного направления, которые реагируют на начальные соотношения фазного тока и производной напряжения нулевой последовательности переходного процесса. Положительный опыт использования централизованного микроэлектронных устройств типа “Impuls” [8], которые были развиты в ISPU, доказывают эффективность такого метода определения поврежденного участка. Работа централизованных селективных устройств сигнализации ОЗЗ позволяет уменьшить (с ожиданием одной связи) относительные затраты для решение этой проблемы и упростить реализацию некоторых дополнительных функций (например, функцииопределения диапазона поврежденной изоляции или определение расстояния до места ОЗЗ). Но более эффективное решение (что касается действущей стойкости) может быть получено, используя алгоритмы определяющие поврежденный участок, в централизованном устройстве сигнализации ОЗЗ. Эти алгоритмы используются в устройствах типа “Spectr”.

Литература

. Arc Ground Faults in Cable Networks / L.Е. Dydarev, S.I. Zaporozhchenko, N.М. Lykiantsev // Electricheskie Stantsii. – 1971, № 8. – P. 64 – 66.
Protecting Bridging of Electricity Generating Plant Single-Phase Damages / V.I. Shytskiy, V.О. Zhidkov, Yu.N. Iliin. –Moscow : Energoatomizdat. – 1988. – 152 p.
Shаlyt G.М. Insulation Precaution Efficiency Rising in Cable Networks // The Works of ARERI. № 8. – Moscow : Gossenergoizdat. – 1959. – P. 77 – 97.
Shuin V.А., Gussenkov А.V. Neutral Ground and Protection from Ground Faults Regimes Based on the Transients Usage in 6-10 kV Networks// Vestnick ISPU. – 2001, № 1. - P. 45-51.
Patent 1078526, the USSR. The means of Directional Impulse Protection from Single-Phase Ground Fault in Networks with Compensated and Insulated Neutral / V.А. Shuin, О.V. Lebedev, А.М. Chykhin. – Published 07.03.84. - Bulletin № 9.
Patent № 299908, the USSR. The means of Directional Protection from Single- Phase Ground Faults / V.М. Kiskachi. – Published 26.03.71. – Bulletin № 12.
Shuin V.А., Gussenkov А.V., Myrzin А.Yu. “Spectr” Type Device for Selective Warning from from Single-Phase Ground Faults in 6-10 kV Cable Networks / Heating and Power Stations and Power Systems Running Efficiency Rising: The Works of ISPU. №2.– Ivanovo: ISPU.– 1998.– P. 200 – 203.
Shuin V.А., Gussenkov А.V., Drozdov А.I. Centralized Directional Device of Ground Faults Warning Based on the Transients Usage // Electricheskie Stantsii. - 1993, № 9. - P. 53-57.

V.A. SHUIN, S.V. SOLODOV

Перевод с английского:Антоненко Л.С.

ВВЕДЕНИЕ

Литература