Однофазні замикання на землю (ОЗЗ) є найпоширенішим видом пошкоджень в електричних мережах середнього класу напруги (у межах до 85-90% від загального числа порушень нормальної роботи мереж залежно від їх призначення і конструктивного виконання). В умовах сильної зношеності ізоляції, що склалися, в переважній більшості випадків, вони розвиваються в міжфазні короткі замикання або багатомісні пробої ізоляції з груповим виходом з ладу електроустаткування, супроводячись великим матеріальним збитком. Тому справедливо вважається, що основним напрямом боротьби за підвищення надійності роботи електричних мереж є боротьба з однофазними замиканнями на землю. Саме тому в більшості технічно розвинених країн, у тому числі і в Україні, в даний час інтенсивно ведуться роботи по вдосконаленню умов функціонування електроустаткування в розподільних мережах. При цьому різними дослідниками пропонуються різні способи підходу до рішення вказаної проблеми,що перечать один одному. Так одні вказують на необхідність вдосконалення існуючих напрямів з використанням дугогасящих компенсуючих реакторів, а інші пропонують перевести дані мережі в інші режими заземлення нейтралі і так далі. Все це вказує на недостатнє вивчення процесів при дугових замиканнях фази на землю і нерозуміння проблем практичної реалізації пропонованих рішень. На мій погляд оптимальне вирішення вказаної проблеми може бути знайдене лише на основі глибокого розуміння електрофізичних основ характеру протікання перехідних процесів при дугових замиканнях на землю з врахуванням всіх впливаючих чинників.

          Дуже відповідальним моментом для кар'єрних електричних мереж 6 – 10 кВ, є забезпечення надійної і селективної роботи захисту від замикань фази на землю. Згідно ПУЕ, виходячи з вимог техніки безпеки, захисту в таких мережах повинні діяти на відключення пошкодженого приєднання без витримки часу [1,2]. Якщо рівні струмів ОЗЗ відносно малі, наприклад складають не більше 1 – 2 А, забезпечити необхідну чутливість і селективність захисту дуже скрутно, про що свідчать багаточисельні технічні публікації з цього питання. У цих системах електропостачання більшість замикань є дуговими і супроводяться перенапруженнями, досягаючими (3 – 3,5), ферорезонансними процесами, неселективною роботою захисту і груповими відключеннями приєднань.

          Пристрої релейного захисту, що випускаються промисловістю, від замикань на землю (реле РТЗ – 50, РТЗ – 51, ЗЗП – 1, і ін.), обмежувачі перенапружень (ОПН) і виконані на їх основі проекти не вирішують вищезгаданих проблем, у зв'язку з чим, для підвищення надійності роботи системи електропостачання ФДК потрібне проведення відповідних розрахунково – експериментальних досліджень і розробки нових ефективних рішень, направлених на усунення відмічених вище проблем. Цим питанням і присвячена ця робота.

        Для підвищення надійності роботи мереж з ізольованою нейтраллю, в залежності від величини напруги мережі, при ємкістних струмах замикання на землю понад 10-30А застосовується заземлення нейтралі через індуктивний опір для компенсації ємкістних струмів [1]. Для мереж з струмами замикання менше зазначених, останнім часом все частіше застосовують заземлення нейтралі мережі через активний опір. Зокрема, в даний час в Росії відбувається інтенсивний процес відмови від ізольованого режиму заземлення нейтралі в мережах 6-10 кВ. При цьому замість ізольованого режиму нейтралі пропонується високоомное або нізкоомное резистивні заземлення нейтралі, що дозволяє усунути недоліки мереж з ізолірованноц нейтраллю [10], а саме - позбутися від високих перенапруг, феррорезонансних процесів і підвищити селективність дії релейного захисту.

        Так, наприклад, у мережі власних потреб 6 кВ теплових (ТЕС) і атомних (АЕС) електричних станцій згідно [11] потрібно заземлення нейтралі мережі через нізкоомний резистор величиною 100 Ом, що підключається до нейтралі спеціального трансформатора ТСНЗ-63-10 потужністю 63 кВА . Встановлення такого резистора згідно [11] збільшує струми замикання на землю, що забезпечує селективну роботу релейного захисту, яка діє на відключення пошкодженого приєднання. Однак з метою зниження термічної дії дуги та підвищення термостійкісті самого резистора, в [10] рекомендується застосування високоомних резисторів величиною 1000-2000 Ом. До позитивних сторін установки резисторів відносяться зниження рівня перенапруг до (2,2-2,5) Uф, запобігання виникнення феррорезонансних процесів і підвищення чіткості дії релейного захисту. Спочатку в якості заземлюючих резисторів використовувалися стеклоепоксідние бетеловие резистори, до недоліків яких належать громіздкість конструкції і обмежена термічна стійкість, що не дозволяло широко їх використовувати в системах електропостачання відповідальних споживачів. В даний час Новосибірському підприємством «ПНП Болід» розроблені й випускаються резистори з матеріалу «Эком» (електропроводящій композиційний матеріал - кераміка з електропроводящімі добавками), які мають підвищену термостійкість і можуть довгостроково (до 6 год) залишатися у роботі при однофазних замиканнях на землю. Однак недоліком таких резисторів є висока вартість, громіздкість конструкції, складність монтажу та наладки. У зв'язку з викладеним, актуальним є подальше вдосконалення способів збільшення активної складової струму замикання на землю, не вимагає установки високовольтних резисторiв.

        Відомим способом зменшення феррорезонансних процесів в мережах 6-10 кВ є підключення активного опору до вторинної обмотці трансфотматора напруги типу НТМІ, з'єднанням в розімкнутих трикутник. Згідно з відомчим циркуляром і ПУЭ рекомендується включення резистора опором 25 Ом, розрахованим на тривалий проходження струму 4 А. Ця величина обрана з умови допустимої навантаження на обмотку трансформатора, потужність якої складає 600 Вт.

        Існуючі захисти та їх недоліки

        Схема електричних з'єднань 6 кВ п / ст «рудничні» є типовою для гірничо - металургійних підприємств, головними споживачами в якій є екскаватори. Недоліки таких схем і встановленних на них захистів від замикань на землю є часті замикання на землю, які супроводжуються відключенням однієї пошкодженої лінії і двох - трьох непошкоджених. Відшукання пошкодженої лінії та повторне відновлення доаварійних схеми вимагає досить тривалого часу. Вказані недоліки відзначалися в роботах [12,13]. Однією з причин Неселективні роботи захистів є виникнення феромагнітного резонансу після відключення пошкодженого обладнання, з - за різкого збільшення струмів намагнічіванія трансформаторів напруги. Резонансні процеси протікають при частотах напруги 3Uo 16 - 25 Гц, тобто нижче частоти 50 Гц, тоді як струм 3Io має близьку до номінальної частоту. У результаті відбувається втрата спрямованої дії чутливої захисту ЗЗП - 1 та ін. Більш стійкі до резонансних процесів ненаправленние струмових реле (РТ - 40 / 0,2, РТЗ - 50, РТЗ - 51). Однак останні дуже важко узгодити з уставки спрацьовування, якщо власні ємкістні струми замикання на землю окремих приєднань сильно відрізняються між собою.

        Перш ніж розглядати вдосконалений захист, відзначимо особливості, що використовуються на підприємствах серійно випускаються промисловістю реле.

        З огляду на те, що в багатьох випадках (на ВЛЕП і КЛЕП невеликої довжини) значення струмів ОЗЗ можуть складати одиниці і навіть частки Ампер, в струмових захистах НП, як правило застосовуються реле струму з малими значеннями Ioc.z.min, наприклад, елекромагнітние типу РТ - 40 / 0,2, або спеціальні реле для захисту від ОЗЗ: електронне типу РТЗ - 50 (в даний час знято з виробництва) і мікроелектронний типу РТЗ - 51.

        Електронне реле струму типа РТЗ – 50 розроблене ЧЕАЗ в кінці 60-х років для заміни електромагнітного реле струму типа ЕТД – 551/60 з малим струмом спрацьовування (Ioc.z.min=0,01 А), що використалося в схемах захисту від ОЗЗ. Принципова схема реле РТЗ – 50 приведена на рис. 1.

        Реле включає вторинний перетворювач струму, що складається з узгоджуючих трансформатора Т і випрямляча VC1, двухкаскадний підсилювач постійного струму УПТ, виконавчий орган (вихідну проміжне реле К) і блок живлення БП. Реле має три діапазону спрацьовування по току: 0,01 - 0,02; 0,015 - 0,03 і 0,03 - 0,06 А.

Вхідний опір реле Zp залежить від вхідного струму і приблизно так само в першому діапазоні уставок 50 - 100 Ом, у другому діапазоні 30 - 50 Ом, в третьому діапазоні 9 - 11 Ом. Переключення діапазону уставок струму спрацьовування здійснюється за допомогою отпаек на трансформаторі. Плавна зміна уставок в межах кожного діапазону здійснюється зміною коефіцієнта посилення УПТ резистором R7. Розрядники FV призначений для захисту елементів схеми від перенапруг при подвійних замиканнях на землю. Резистор R1, включений послідовно з первинної обмотки узгоджуючих трансформатора T, забезпечує термічну стійкість вхідних ланцюгів струму при подвійних замиканнях на землю. Конденсатор C1 згладжує пульсації напруги на виході випрямних мосту VC1. Діод VC1 служить для обмеження рівня вхідного сигналу УПТ. Живлення реле може здійснюватися від джерел як постійного 110 220 В, так і змінного ~ 100 В оперативного струмів. Реле виконано на електронній базі.

Високочутливі реле струму типу РТЗ - 51 призначені головним чином для застосування в схемах струмових захистів від ОЗЗ спільно з кабельними ТТНП. Принципова схема наведена на рис. 2.

        Реле РТЗ – 51 має те ж призначення, що і реле РТЗ – 50, але відрізняється від нього вищою чутливістю і кращою отстроєнностью від впливу вільних складових перехідного процесу при дугових переміжних ОЗЗ.

        Реле включає в себе вторинний перетворювач струму, активний фільтр, налаштований на частоту 50 Гц, схему порівняння та виконавчий орган. Вторинний перетворювач струму TAL, нагружая на резистори R2 - R7, які в поєднанні з перемикачами SB1 - SB5 служать для дискретного регулювання струму спрацьовування. Резистор R1 забезпечує термічну стійкість TAL при подвійних замиканнях на землю, діоди VD1 - VD4 забезпечують обмеження амплітуди вхідного сигналу при струмах, що перевищують струм спрацьовування. Многоконтурний зворотній зв'язок (R8 - R10, C1, C2), забезпечує відбудови реле від вищих гармонійних складових у вхідному струмі реле в перехідних і сталих режимах ОЗЗ.

        Схема порівняння значення вхідного струму з заданої уставки включає пороговий елемент на операційному підсилювачі, елемент затримки на спрацьовування і на повернення (VD5, R15, R16 і C7) і тригер Шмітта, виконаний на операційному підсилювачі. Поріг спрацьовування задається резистори R11 - R14. Резистором R11 забезпечується настроювання реле на мінімальній уставки. Виконавчий орган реле являє собою підсилювальних каскад на транзисторі VT1, в колекторних ланцюг якого включено вихідну проміжне реле KL. Харчування реле, як і реле РТЗ - 50, може здійснюватися від джерел постійного + -110, + -220 В і змінного ~ 100 В оперативного струмів.

        На відміну від реле РТЗ – 50 реле РТЗ – 51 виконано з малим вхідним опором ( Zp=1 Ом), що забезпечує зменшення погрішностей ТТНП, але збільшує вплив електромагнітних наведень від токоведущих ланцюгів і струму небаланса ТТНП. Вживання реле РТЗ – 51 дозволяє отримати захист від ОЗЗ з первинним струмом спрацьовування порядку Ioc.z.min>0,6 А.

        Направлений захист від ОЗЗ

        Складається з одного реле напряму потужності KW, яке включається на струм і напругу НП.

        Для виконання спрямованої захисту ЧЕАЗ по розробці ВНІІЕ випускає реле типу ЗЗП - 1М, виконаний на електронній елементної бази. Принципова схема цього реле наведено на рис. 4

        Пристрій захисту типу ЗЗП - 1М складається з узгоджуючих пристрої CY, підсилювача змінного струму УТП і фазочувствітельного підсилювача ФЧУ. Узгоджуючих пристрій забезпечує нормування напруги, пропорційного струму 3 * Io і зрушити по фазі по відношенню до нього приблизно на 90 градусів, термічну стійкість та захист від перенапруг ланцюгів струму при подвійних замиканнях на землю, а також узгодження (за умовою віддачі максимальної потужності в нагрузку) з ТТНП різних типів. На виході УТП включений контур С2 - Т3, налаштований на частоту 50 Гц. Застосування двухкаскадного підсилювача УТП в ланцюзі струму 3 * Io і резонансного контуру С2 - Т3 дозволяє отримати мінімальний первинний струм спрацювання захисту на частоті 50 Гц Ioc.z.min = (0,05 + -0,02) А. Для захисту елементів ФЧУ від перенапруг напруга 3Uo на вхід ЗЗП - 1М подається від ТН через допоміжний пристрій ВУ - 1, яке представляє собою послідовний LC - фільтр з резонансною частотою 50 Гц. Застосування ВУ - 1 дозволяє також зменшити ймовірність зайвих спрацьовування захисту при зовнішніх дугових переривчастих ОЗЗ. Фазочувствітельний підсилювач забезпечує появу максимального струму в вихідному проміжному реле при куті зсуву фаз між напругою 3Uo і напругою на виході УПТ Фи = 0 градусів, що відповідає куті при ОЗЗ в зоні дії захисту. При зовнішніх ОЗЗ кут зсуву фаз між зазначеними напруженнями Фи = 180 градусів, і струм у вихідному реле K відсутній. Таким чином, пристрій типу ЗЗП - 1М являє собою реле напрямки потужності синусоїдальної типу, що реагує на Sp = k * Uo * Io * sin (Фи). Кут максимальної чутливості реле Фи = 90 градусів.

Основними недоліками реле ЗЗП - 1М є можливість зайвих спрацьовування при зовнішніх дугових перемежающийся ОЗЗ і помилкові спрацьовування при виникненні субгармоніческіх коливань після відключення пошкодженого приєднання.

        У складі мікроелектронного пристрою ЯРЕ – 2201 передбачений блок МО110, принцип роботи якого і сфера застосування аналогічна останнім реле ЗЗП – 1М. У блоці МО110 передбачені схемні заходи, що запобігають вказаним вище помилковим спрацьовуванням при відключенні пошкодженого приєднання.

        У мережах з заземленням нейтралі через резистор зсув фаз між напругою 3Uo та струмом 3Io в ушкодженому приєднання істотно відрізняються від 90 градусів (приблизно 135 градусів - при високоомном і - 180 градусів при нізкоомном заземлення нейтралі). Тому застосування реле типу ЗЗП - 1М або блоку МО110 пристрої ЯРЕ - 2201 з кутом максимальної чутливості Фи = 90 градусів у таких мережах може призвести до відмов спрацьовування захисту при внутрішніх ОЗЗ. Для можливості виконання спрямованої захисту в мережах як з ізольованою нейтраллю, так і з заземленням нейтралі через резистор на ЧЕАЗ з 1998 р. освоєно випуск нового реле типу ЗЗН, розробленого під ВНІІЕ. Структурна схема пристрою типу ЗЗН наведено на рис. 5.

        Пристрій захисту типу ЗЗН (захист замикань на землю) складається з пускових органів по току ПОТ і напруги Пон, схем формування порівнюваних величин СФН і СФТ, фазочувствітельной схеми ФЧС і вихідного органу ВО. Пускові органи та фазочувствітельная схема для підвищення стійкості несрабативанія пристрою в режимах без ОЗЗ включені за схемою І. Схема СФТ забезпечує посилення вхідного сигналу по току, зсув фази струму 3Io на 90 градусів, компенсацію кутових похибок ТТНП, можливість регулювання уставки по току. Схема СФН забезпечує додатковий зсув по фазі порівнюваних величин, необхідний при використанні пристрою в мережах з нізкоомним заземленням нейтралі через резистор. Схеми СФТ і СФН містять також полосовой фільтри з однаковими частотними характеристиками, що підвищують стійкість функціонування захисту при дугових переривчастих ОЗЗ. У ФЧС застосований новий швидкодіючих спосіб визначення напрямку потужності при ОЗЗ, використання якого забезпечує незмінність вихідного сигналу ФЧС в зоні спрацьовування незалежно від кута зсуву фаз та значень порівнюваних величин (при перевищенні останніми порогових значень). У пристрої захисту типу ЗЗН - передбачена можливість регулювання уставок по струму 3Io і напруги 3Uo і кута максимальної чутливості (Фи = 90 градусів при застосуванні захисту в мережі з ізольованою нейтраллю, Фи = 0 градусів у мережі з нізкоомним заземленням нейтралі і 90> Фи в мережі з високоомним заземленням нейтралі). Пристрій має вибудуваної блок живлення і пристрій експрес - контролю.

        Однак не дивлячись на істотне ускладнення схеми реле ЗЗН для можливості використання його в мережах з заземлення нейтралі через резистор, йому притаманні ті ж недоліки, що й Резе ЗЗП - 1 - можливість Неселективні роботи при феррорезонансних процесах, при короткочасних зниження напруги, викликаних коротким замиканням або підключенням до мережі двигунів великої потужності. Гонитва за забезпеченням надмірно високої чутливості спрацьовування реле по току (0,05 0,02) А знижує завадостійкості реле а також можливість його неправильного дії при дугових замиканнях.

        Останніми роками з'явилися розробки багаточисельних фірм блоки мікропроцесорних защит (БМРЗ) НТЦ «Механотроніка», термінали защит SPEAM фірми Schneider Electric, захисту серії SPACOM виробництва «АББ Реле – Чебоксари», а також реле фірми ALSTOM і SIEMENS, і ін. Ці термінали забезпечують також захист від міжфазних коротких замикань і інших ненормальних режимів роботи.

        Необхідно відзначити, що багато мікропроцесорних пристроїв володіють поліпшеними характеристиками, спрямованими на правильність функціонування в режимах з переривчастих дугою. Однак це досягається за рахунок застосування різного роду фільтрів і використання затримки на повернення пускового струмового органу після його короткочасного спрацьовування. Однак введення деякої затримки з часу є небажаним, а інколи і неприпустимим, для установок з підвищеною небезпекою, де потрібні дії захисту на відключення. До недоліків мікропроцесорних пристроїв відносяться складність пристроїв, дорожнеча, неповна об'єктивність рекламованих характеристик, а також не в повній мірі пристосованість до особливостей електроустановок Росії та України.

Враховуючи всі переваги та недоліки існуючих захистів від ОЗЗ, а також особливості системи електропостачання Докучаєвського ФДК, ставиться задача розробки вдосконаленій захисту з використанням серійного випускається струмового реле РТЗ - 51.

        В готовій магістерській роботі буде виконана така робота:

        1. Вироблений аналіз причин неселективної роботи защит від замикань на землю і вибрані напрями проведення досліджень.

        2. Розроблений алгоритм і створена програма розрахунку на ПЕВМ, яка дозволяє моделювати перехідні і сталі режими замикань фази на землю в мережах з ізольованою нейтраллю.

        3. З використанням розробленої програми розраховані, стосовно системи електропостачання п/ст «Копальнева», режими перенапружень, струми КЗ і визначені ємкісні струми при замиканнях фази на землю 2-ої секції 6 кВ, що дозволило здійснити оцінку селективності дії земляних защит фідерів.

        4. Створена фізична модель мережі 6 кВ п/ст «Копальнева» на напрузі 380 Ст За допомогою цієї моделі представляється можливим здійснювати перевірку розрахункових уставок защит від замикань на землю фідерів і перевіряти правильність дії земляних защит.

        5. На підставі проведених розрахункових і експериментальних досліджень запропоновані технічні рішення по впровадженню селективного земляного захисту і придушенню ферорезонансних процесів в умовах п/ст «Рудничная».

        6. Виконані розрахунки по реконструкції і впровадженню нейтралеобразующих трансформаторів для ефективного усунення ферорезонансних процесів, підвищення селективності дії релейного захисту і зниження кратності перенапружень в мережі 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