Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) являются самым распространённым видом повреждения в электрических сетях среднего класса напряжения (в пределах до 85-90% от общего числа нарушений нормальной работы сетей в зависимости от их назначения и конструктивного исполнения). В сложившихся условиях сильной изношенности изоляции, в подавляющем большинстве случаев, они развиваются в междуфазные короткие замыкания или многоместные пробои изоляции с групповым выходом из строя электрооборудования, сопровождаясь большим материальным ущербом и недоотпуском продукции. Поэтому справедливо считается, что основным направлением борьбы за повышения надёжности работы электрических сетей является борьба с однофазными замыканиями на землю. Именно поэтому в большинстве технически развитых стран, в том числе и в Украине, в настоящее время интенсивно ведутся работы по совершенствованию условий функционирования электрооборудования в распределительных сетях. При этом различными исследователями предлагаются весьма противоречащие друг другу способы подхода к решению указанной проблемы. Так одни указывают на необходимость совершенствования существующих направлений с использованием дугогасящих компенсирующих реакторов, а другие предлагают перевести рассматриваемые сети в иные режимы заземления нейтрали и т.д. Всё это указывает на недостаточную изученность процессов при дуговых замыканиях фазы на землю и недопонимание проблем практической реализации предлагаемых решений. На мой взгляд оптимальное решение указанной проблемы может быть найдено только на основе глубокого понимания электрофизических основ характера протекания переходных процессов при дуговых замыканиях на землю с учётом всех влияющих факторов.

          Весьма ответственным моментом для карьерных электрических сетей 6 – 10 кВ, является обеспечение надежной и селективной работы защит от замыканий фазы на землю. Согласно ПУЭ, исходя из требований техники безопасности, защиты в таких сетях должны действовать на отключение поврежденного присоединения без выдержки времени [1,2]. Если уровни токов ОЗЗ относительно малы, например составляют не более 1 – 2 А, обеспечить требуемую чувствительность и селективность защит весьма затруднительно, о чем свидетельствуют многочисленные технические публикации по этому вопросу. В этих системах электроснабжения большинство замыканий являются дуговыми и сопровождаются перенапряжениями, достигающими (3 – 3,5) , феррорезонансными процессами, неселективной работой защит и групповыми отключениями присоединений.

          Выпускаемые промышленностью устройства релейной защиты от замыканий на землю (реле РТЗ – 50, РТЗ – 51, ЗЗП – 1, и др.), ограничители перенапряжений (ОПН) и выполняемые на их основе проекты не решают вышеуказанных проблем, в связи с чем, для повышения надежности работы системы электроснабжения ФДК требуется проведение соответствующих расчетно – экспериментальных исследований и разработки новых эффективных решений, направленных на устранение отмеченных выше проблем. Этим вопросам и посвящена данная работа.

        Для повышения надежности работы сетей с изолированной нейтралью, в зависимости от величины напряжения сети, при емкостных токах замыкания на землю свыше 10-30А применяется заземление нейтрали через индуктивное сопротивление для компенсации емкостных токов [1]. Для сетей с токами замыкания меньше указанных, в последнее время все чаще применяют заземление нейтрали сети через активное сопротивление. В частности, в настоящее время в России происходит интенсивный процесс отказа от изолированного режима заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. При этом вместо изолированного режима нейтрали предлагается высокоомное или низкоомное резистивное заземление нейтрали, позволяющее устранить недостатки сетей с изолированноц нейтралью [10], а именно – избавиться от высоких перенапряжений, феррорезонансных процессов и повысить селективность действия релейной защиты.

        Так, например, в сети собственных нужд 6 кВ тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электрических станций согласно [11] требуется заземление нейтрали сети через низкоомный резистор величиной 100 Ом, который подключается к нейтрали специального трансформатора ТСНЗ-63-10 мощностью 63 кВА. Установка такого резистора согласно [11] увеличивает токи замыкания на землю, что обеспечивает селективную работу релейной защиты, которая действует на отключение поврежденного присоединения. Однако с целью снижения термического действия дуги и повышения термостойкости самого резистора, в [10] рекомендуется применение высокоомных резисторов величиной 1000-2000 Ом. К положительным сторонам установки резисторов относятся снижение уровня перенапряжений до (2,2-2,5)Uф, предотвращение возникновения феррорезонансных процессов и повышение четкости действия релейной защиты. Первоначально в качестве заземляющих резисторов использовались стеклоэпоксидные бетэловые резисторы, к недостаткам которых относятся громоздкость конструкции и ограниченная термическая стойкость, что не позволяло широко их использовать в системах электроснабжения ответственных потребителей. В настоящее время Новосибирским предприятием «ПНП Болид» разработаны и выпускаются резисторы из материала «Эком» (электропроводящий композиционный материал - керамика с электропроводящими добавками), которые имеют повышенную термостойкость и могут длительно (до 6 ч) оставаться в работе при однофазных замыканиях на землю. Однако недостатком таких резисторов является высокая стоимость, громоздкость конструкции, сложность монтажа и наладки. В связи с изложенным, актуальным является дальнейшее совершенствование способов увеличения активной составляющей тока замыкания на землю, не требующего установки высоковольтных резисторов.

        Известным способом подавления феррорезонансных процессов в сетях 6-10 кВ является подключение активного сопротивления к вторичной обмотке трансфотматора напряжения типа НТМИ, соединенной в разомкнутый треугольник. Согласно ведомственным циркулярам и ПУЭ рекомендуется включение резистора сопротивлением 25 Ом, рассчитанным на длительное прохождение тока 4 А. Эта величина выбрана из условия допустимой нагрузки на обмотку трансформатора, мощность которой составляет 600 Вт.

        Существующие защиты и их недостатки

        Схема электрических соединений 6 кВ п/ст «Рудничная» является типовой для горно – металлургических предприятий, главными потребителями в которой являются шагающие экскаваторы. Недостатки таких схем и устанавливаемых на них защит от замыканий на землю являются частые замыкания на землю, которые сопровождаются отключением одной поврежденной линии и двух – трех неповрежденных. Отыскание поврежденной линии и повторное восстановление доаварийной схемы требует весьма продолжительного времени. Указанные недостатки отмечались в работах [12,13]. Одной из причин неселективной работы защит является возникновение ферромагнитного резонанса после отключения поврежденного оборудования, из – за резкого увеличения токов намагничивания трансформаторов напряжения. Резонансные процессы протекают при частотах напряжения 3Uo 16 – 25 Гц, т.е ниже частоты 50 Гц, тогда как ток 3Io имеет близкую к номинальной частоту. В результате происходит потеря направленного действия чувствительной защиты ЗЗП – 1 и др. Более устойчивы к резонансным процессам ненаправленные токовые реле (РТ – 40/0,2, РТЗ – 50, РТЗ – 51). Однако последние очень трудно согласовать по уставкам срабатывания, если собственные емкостные токи замыкания на землю отдельных присоединений сильно отличаются между собой.

        Прежде чем рассматривать усовершенствованную защиту, отметим особенности используемых на предприятиях серийно выпускаемых промышленностью реле.

        Учитывая, что во многих случаях (на ВЛЭП и КЛЭП небольшой протяженности) значения токов ОЗЗ могут составлять единицы и даже доли ампера, в токовых защитах НП, как правило применяются реле тока с малыми значениями Ioc.z.min, например, элекромагнитные типа РТ – 40/0,2, или специальные реле для защиты от ОЗЗ: электронное типа РТЗ – 50 (в настоящее время снято с производства) и микроэлектронное типа РТЗ – 51.

        Электронное реле тока типа РТЗ – 50 разработано ЧЭАЗ в конце 60-х годов для замены электромагнитного реле тока типа ЭТД – 551/60 с малым током срабатывания (Ioc.z.min=0,01 А), использовавшегося в схемах защиты от ОЗЗ. Принципиальная схема реле РТЗ – 50 приведена на рис. 1.

        Реле включает вторичный преобразователь тока, состоящий из согласующего трансформатора Т и выпрямителя VC1, двухкаскадный усилитель постоянного тока УПТ, исполнительный орган (выходное промежуточное реле К) и блок питания БП. Реле имеет три диапазона срабатывания по току: 0,01 – 0,02; 0,015 – 0,03 и 0,03 – 0,06 А.

        Входное сопротивление реле Zp зависит от входного тока и примерно равно в первом диапазоне уставок 50 – 100 Ом, во втором диапазоне 30 – 50 Ом, в третьем диапазоне 9 – 11 Ом. Переключение диапазона уставок тока срабатывания осуществляется с помощью отпаек на согласующем трансформаторе. Плавное изменение уставок в пределах каждого диапазона осуществляется изменением коэффициента усиления УПТ резистором R7. Разрядник FV предназначен для защиты элементов схемы от перенапряжений при двойных замыканиях на землю. Резистор R1, включенный последовательно с первичной обмоткой согласующего трансформатора T, обеспечивает термическую устойчивость входных цепей тока при двойных замыканиях на землю. Конденсатор C1 сглаживает пульсации напряжения на выходе выпрямительного моста VC1. Диод VC1 служит для ограничения уровня входного сигнала УПТ. Питание реле может осуществляться от источников как постоянного 110 220 В, так и переменного ~100 В оперативного токов. Реле выполнено на электронной базе.

        Высокочувствительное реле тока типа РТЗ – 51 предназначено главным образом для применения в схемах токовых защит от ОЗЗ совместно с кабельными ТТНП. Принципиальная схема приведена на рис. 2.

        Реле РТЗ – 51 имеет то же назначение, что и реле РТЗ – 50, но отличается от него более высокой чувствительностью и лучшей отстроенностью от влияния свободных составляющих переходного процесса при дуговых перемежающихся ОЗЗ.

        Реле включает в себя вторичный преобразователь тока, активный фильтр, настроенный на частоту 50 Гц, схему сравнения и исполнительный орган. Вторичный преобразователь тока TAL, нагружен на резисторы R2 - R7, которые в сочетании с переключателями SB1 - SB5 служат для дискретного регулирования тока срабатывания. Резистор R1 обеспечивает термическую устойчивость TAL при двойных замыканиях на землю, диоды VD1 - VD4 обеспечивают ограничение амплитуды входного сигнала при токах, превышающих ток срабатывания. Многоконтурная обратная связь (R8 - R10,C1, C2), обеспечивает отстройку реле от высших гармонических составляющих во входном токе реле в переходных и установившихся режимах ОЗЗ.

        Схема сравнения значения входного тока с заданной уставкой включает пороговый элемент на операционном усилителе , элемент задержки на срабатывание и на возврат (VD5, R15, R16 и C7) и триггер Шмитта, выполненный на операционном усилителе . Порог срабатывания задается резисторами R11 - R14 . Резистором R11 обеспечивается настройка реле на минимальной уставке. Исполнительный орган реле представляет собой усилительный каскад на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого включено выходное промежуточное реле KL. Питание реле, как и реле РТЗ – 50, может осуществляться от источников постоянного +-110, +-220 В и переменного ~100 В оперативного токов.

        В отличие от реле РТЗ – 50 реле РТЗ – 51 выполнено с малым входным сопротивлением ( Zp=1 Ом), что обеспечивает уменьшение погрешностей ТТНП, но увеличивает влияние электромагнитных наводок от токоведущих цепей и тока небаланса ТТНП. Применение реле РТЗ – 51 позволяет получить защиту от ОЗЗ с первичным током срабатывания порядка Ioc.z.min>0,6 А.

        Направленная защита от ОЗЗ

        Состоит из одного реле направления мощности KW, которое включается на ток и напряжение НП.

        Для выполнения направленной защиты ЧЭАЗ по разработке ВНИИЭ выпускает реле типа ЗЗП – 1М, выполненное на электронной элементной базе. Принципиальная схема этого реле приведена на рис. 4

        Устройство защиты типа ЗЗП – 1М состоит из согласующего устройства CY, усилителя переменного тока УТП и фазочувствительного усилителя ФЧУ. Согласующее устройство обеспечивает нормирование напряжения, пропорционального току 3*Io и сдвинутого по фазе по отношению к нему примерно на 90 градусов, термическую стойкость и защиту от перенапряжений цепей тока при двойных замыканиях на землю, а также согласование (по условию отдачи максимальной мощности в нагрузку) с ТТНП различных типов. На выходе УТП включен контур С2 - Т3 , настроенный на частоту 50 Гц. Применение двухкаскадного усилителя УТП в цепи тока 3*Io и резонансного контура С2 - Т3 позволяет получить минимальный первичный ток срабатывания защиты на частоте 50 Гц Ioc.z.min=(0,05+-0,02) А. Для защиты элементов ФЧУ от перенапряжений напряжение 3Uo на вход ЗЗП – 1М подается от ТН через вспомогательное устройство ВУ – 1, представляющее собой последовательный LC - фильтр с резонансной частотой 50 Гц. Применение ВУ – 1 позволяет также уменьшить вероятность излишних срабатываний защиты при внешних дуговых прерывистых ОЗЗ. Фазочувствительный усилитель обеспечивает появление максимального тока в выходном промежуточном реле при угле сдвига фаз между напряжением 3Uo и напряжением на выходе УПТ Фи=0 градусов, что соответствует углу при ОЗЗ в зоне действия защиты. При внешних ОЗЗ угол сдвига фаз между указанными напряжениями Фи=180 градусов, и ток в выходном реле K отсутствует. Таким образом, устройство типа ЗЗП – 1М представляет собой реле направления мощности синусоидального типа, реагирующее на Sp = k*Uo*Io*sin(Фи). Угол максимальной чувствительности реле Фи=90 градусов.

        Основными недостатками реле ЗЗП – 1М является возможность излишних срабатываний при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ и ложных срабатываний при возникновении субгармонических колебаний после отключения поврежденного присоединения.

        В составе микроэлектронного устройства ЯРЭ – 2201 предусмотрен блок МО110, принцип работы которого и область применения аналогична последним реле ЗЗП – 1М. В блоке МО110 предусмотрены схемные меры, предотвращающие указанные выше ложные срабатывания при отключении поврежденного присоединения.

        В сетях с заземлением нейтрали через резистор сдвиг фаз между напряжением 3Uo и током 3Io в поврежденном присоединении существенно отличаются от 90 градусов (примерно 135 градусов - при высокоомном и - 180 градусов при низкоомном заземлениях нейтрали). Поэтому применение реле типа ЗЗП – 1М или блока МО110 устройства ЯРЭ – 2201 с углом максимальной чувствительности Фи=90 градусов в таких сетях может привести к отказам срабатывания защиты при внутренних ОЗЗ. Для возможности выполнения направленной защиты в сетях как с изолированной нейтралью, так и с заземлением нейтрали через резистор на ЧЭАЗ с 1998 г. освоен выпуск нового реле типа ЗЗН, разработанного во ВНИИЭ. Структурная схема устройства типа ЗЗН приведена на рис. 5.

        Устройство защиты типа ЗЗН (защита от замыканий на землю) состоит из пусковых органов по току ПОТ и напряжению ПОН, схем формирования сравниваемых величин СФН и СФТ, фазочувствительной схемы ФЧС и выходного органа ВО. Пусковые органы и фазочувствительная схема для повышения устойчивости несрабатывания устройства в режимах без ОЗЗ включены по схеме И. Схема СФТ обеспечивает усиление входного сигнала по току, сдвиг фазы тока 3Io на 90 градусов, компенсацию угловых погрешностей ТТНП, возможность регулирования уставки по току. Схема СФН обеспечивает дополнительный сдвиг по фазе сравниваемых величин, необходимый при использовании устройства в сетях с низкоомным заземлением нейтрали через резистор. Схемы СФТ и СФН содержат также полосовые фильтры с одинаковыми частотными характеристиками, повышающие устойчивость функционирования защиты при дуговых прерывистых ОЗЗ. В ФЧС применен новый быстродействующих способ определения направления мощности при ОЗЗ, использование которого обеспечивает неизменность выходного сигнала ФЧС в зоне срабатывания независимо от угла сдвига фаз и значений сравниваемых величин (при превышении последними пороговых значений). В устройстве защиты типа ЗЗН – предусмотрена возможность регулирования уставок по току 3Io и напряжению 3Uo и угла максимальной чувствительности (Фи=90 градусов при применении защиты в сети с изолированной нейтралью,Фи=0 градусов в сети с низкоомным заземлением нейтрали и 90>Фи в сети с высокоомным заземлением нейтрали). Устройство имеет выстроенный блок питания и устройство экспресс – контроля.

        Однако несмотря на существенное усложнение схемы реле ЗЗН для возможности использования его в сетях с заземление нейтрали через резистор, ему присущи те же недостатки, что и резе ЗЗП – 1 – возможность неселективной работы при феррорезонансных процессах, при кратковременных понижениях напряжения, вызванных короткими замыканиями или подключением к сети двигателей большой мощности. Погоня за обеспечением чрезмерно высокой чувствительности срабатывания реле по току (0,05 0,02) А снижает помехоустойчивость реле а также возможность его неправильного действия при дуговых замыканиях.

        В последние годы появились разработки многочисленных фирм блоки микропроцессорных защит (БМРЗ) НТЦ «Механотроника», терминалы защит SPEAM фирмы Schneider Electric, защиты серии SPACOM производства «АББ Реле – Чебоксары», а также реле фирмы ALSTOM и SIEMENS, и др. Эти терминалы обеспечивают также защиту от междуфазных коротких замыканий и других ненормальных режимов работы.

        Необходимо отметить, что многие из микропроцессорных устройств обладают улучшенными характеристиками, направленными на правильность функционирования в режимах с прерывистой дугой. Однако это достигается за счет применения различного рода фильтров и использования задержки на возврат пускового токового органа после его кратковременного срабатывания. Однако введение некоторой задержки по времени является нежелательным, а иногда и недопустимым, для установок с повышенной опасностью, где требуется действие защиты на отключение. К недостаткам микропроцессорных устройств относятся сложность устройств, дороговизна, неполная объективность рекламируемых характеристик, а также не в полной мере приспособленность к особенностям электроустановок России и Украины.

        Учитывая все достоинства и недостатки существующих защит от ОЗЗ, а также особенности системы электроснабжения Докучаевского ФДК, ставиться задача разработки усовершенствованной защиты с использованием серийного выпускаемого токового реле РТЗ – 51.

        В готовой магистерской работе будет проделанна такая работа:

        1. Произведен анализ причин неселективной работы защит от замыканий на землю и выбраны направления проведения исследований.

        2. Разработан алгоритм и создана программа расчета на ПЭВМ, которая позволяет моделировать переходные и установившиеся режимы замыканий фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью.

        3. С использованием разработанной программы рассчитаны, применительно к системе электроснабжения п/ст «Рудничная», режимы перенапряжений, токи КЗ и определены емкостные токи при замыканиях фазы на землю 2-й секции 6 кВ, что позволило осуществить оценку селективности действия земляных защит фидеров.

        4. Создана физическая модель сети 6 кВ п/ст «Рудничная» на напряжении 380 В. С помощью этой модели представляется возможным осуществлять проверку расчетных уставок защит от замыканий на землю фидеров и проверять правильность действия земляных защит.

        5. На основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований предложены технические решения по внедрению селективной земляной защиты и подавлению феррорезонансных процессов в условиях п/ст «Рудничная».

        6. Выполнены расчеты по реконструкции и внедрению нейтралеобразующих трансформаторов для эффективного устранения феррорезонансных процессов, повышения селективности действия релейной защиты и снижения кратности перенапряжений в сети 6 кВ п/ст «Рудничная».

1. Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.
2. Правила безопасности при эксплуатации электрооборудования и электросетей на открытых горных работах. – К.: Норматив, Госнадзорохрантруда Украины, 1993. – 50 с.
3. Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Горбатський А.А., Романишин В.В., Кобрій Б.В. Пристрої захисту трансформаторів напруги від ферорезонансних процесів в електричних мережах з ізольованою нейтраллю. \\ Збірник наукових праць Донецького Національного Технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 21: Донецьк: ДонНТУ, 2000. с.(9-13).
4. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Левшов А.В., Махинда Сильва Повышение надежности работы сетей собственных нужд электростанций при замыкании фазы на землю.\\ Збірник наукових праць Донецького Національного Технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 21: Донецьк: ДонНТУ, 2000. с.(17-21).
5. Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Мединський Р.В., Засідкович Н.Р. Особливості розрахунку напруги зміщення нейтралі трифазних електромереж. \\ Збірник наукових праць Донецького Національного Технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 50: Донецьк: ДонНТУ, 2002. с.(102-106).
6. Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Батенько П.В., Мельник С.Т. Захист трансформаторів напруги від ферорезонансних процесів в електричних мережах з заземленою нейтраллю. \\ Збірник наукових праць Донецького Національного Технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 21: Донецьк: ДонНТУ, 2000. с.(13-17).
7. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций. Донецк 2002. – 134с.
8. Перхач В.С. Математичні задачі електроенергетики. – Львів.: Видавництво при Львівському Державному Університеті видавничого об`єднання «Вища Школа», 1982. – 378с.
9. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. / Перевод с англ. – М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1996. – 712с.
10. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. – Электричество, 1998, №12. –С. 8-22.
11. Циркуляр Ц–01–88. О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС. – М., 1988. – 7 с.
12. Шабад М. А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6 – 35 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2007. – 64с.: ил. [Библиотека электротехника, приложения к журналу «Энергетик». Вып. 7 (103)].
13. Шуин В.А. Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6 – 10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс» 104с.; ил. [Библиотечка электротехника; Вып. 11 (35)]
14. Ю. Целебровский Области применения различных систем заземления нейтрали/ журнал «Новости электротехники». - 2004. - №5(29) . Ссылка: http://www.news.elteh.ru/arh/2004/29/04.php
15. В. Глушко, О. Ямный, Э. Ковалев, Н. Бохан Белорусские сети 6–35 КВ переходят на режим заземления нейтрали через резистор/ журнал «Новости электротехники». - 2006. - №3(39). Ссылка: http://www.news.elteh.ru/arh/2006/39/05.php