ОРГАНИЗАЦИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ Н АЗЕМЛЮ В СЕТИ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Озорнин С. О., канд. техн. наук, ООО «ПАРМА ПРОТ»

Источник: Журнал «Энергетик». − 2006. − №5. − стр. 41-42 http://www.mega-press.ru/item.2267.html

Замыкания на землю являются наиболее частым видом повреждений на объектах электроэнергетики. Их влияние на оборудование, безопасность людей и животных, на работу энергосистемы в целом, определяется режимом нейтрали.
Режим нейтрали однозначно определяет средства, которые могут быть использованы для защиты или сигнализации об однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ). Поэтому нередка точка зрения, когда предпочтение отдается режимам, обеспечивающим высокую селективность действия защиты. В частности, режимам резистивного заземления нейтрали в распределительных сетях.
Однако на выбор режима нейтрали влияют следующие факторы:
— характер, состав электрической сети и ее протяженность;
— условия для работы заземляющих устройств;
— потенциальный ущерб, который может быть причинен оборудованию;
— безопасность людей и животных;
— обеспечение бесперебойности энергоснабжения;
— стоимость устройств репейной защиты и автоматики (РЗА).
Таким образом, выбор режима нейтрали является многофакторной задачей, не имеющей единственно правильного решения. Это подтверждается тем, что в мире, в сетях различных классов напряжений существует большое количество вариантов заземления нейтрали.
Применение резонансного заземления целесообразно для бесперебойности энергоснабжения. Этот режим также оправдан, если линии электропередачи проходят в населенных районах, где высока вероятность поражения людей электрическим током и много разнообразных линий связи.
Отдельный вопрос — применение резонансного заземления в системах с электрическими машинами. Замыкание на корпус, даже при малом токе, может быть опасно для электрической машины, поскольку энергия выделяется в малом объеме. При этом расширяющиеся под воздействием температуры вещества могут создавать условия для взрыва. Следствием может быть переход однофазных замыканий в более тяжелые повреждения.
Однако для изоляции, основанной на компаундах, весьма вероятно "заплавление" трещин в изоляции под термическим воздействием замыкания.
В сети с резонансным заземлением нейтрали при замыканиях на землю весьма актуально использование селективной сигнализации. При этом главная проблема для устройств защиты и сигнализации заключается в том, что установившийся ток в поврежденном присоединении мал.

Рассмотрим достоинства и недостатки некоторых широко применяющихся способов защиты от ОЗЗ в сети с компенсацией емкостного тока.

Устройства, реагирующие на составляющие переходного режима

При замыкании на землю возникает переходный режим, характер которого определяется двумя основными факторами: разрядом емкости "сеть - земля" и реакцией дугогасящего реактора ("катушки Петерсона") на резкое изменение тока.
Типичный переходный процесс емкостного разряда при ОЗЗ приведен на рис. 1. Все приведенные в настоящей статье графики получены математическим моделированием радиальной сети 6 кВ в системе MATLAB версии 6.1. При моделировании процесса нелинейность элементов сети не учитывалась.
Реакция реактора зависит от фазового угла напряжения поврежденной фазы в момент замыкания. Пример тока реактора при фазовом угле в момент замыкания около 30o приведен на рис. 2. Нелинейность трансформаторов не учитывалась.
Характерные различия поврежденного и неповрежденного фидеров (рис. 3):

Рис.1. - Переходный процесс емкостного разряда при ОЗЗ Рис.2. - Ток реактора в момент замыкания при фазовом угле 30o Рис.3. - Характерные отличия поврежденного и неповрежденного фидеров

— совпадение знака первой полуволны тока со знаком напряжения нулевой последовательности в поврежденном фидере;
— наличие в токе поврежденного фидера апериодической составляющей;
— отношение действующего значения гармонической составляющей промышленной частоты к действующему значению полного тока в поврежденном фидере значительно меньше, чем в неповрежденном.
Использование указанных признаков для создания селективной защиты и сигнализации возможно, но имеет ряд ограничений:
а) длительность переходного процесса невелика, что предъявляет повышенные требования к быстродействию устройств РЗА;
б) параметры переходного процесса зависят от настройки реактора и момента замыкания;
в) сильное влияние на переходный процесс оказывает сопротивление дуги. На рис. 4 приведены кривые тока для различных значений переходного сопротивления. Можно утверждать, что селективная работа устройств РЗА, реагирующих на составляющие переходного режима, возможна только при металлических замыканиях или малом переходном сопротивлении. Таким образом, анализ переходных режимов нельзя считать удовлетворительным методом с точки зрения чувствительности и надежности работы РЗА.

Устройства, реагирующие на высшие гармонические составляющие

В установившемся токе однофазного замыкания имеются две составляющие — составляющая небаланса, вызванная неточностью компенсации емкостного тока, и высшие гармонические составляющие.
Источниками высших гармонических составляющих являются нелинейные элементы энергосистемы (трансформаторы, реакторы и пр.). Поскольку нелинейность каждого элемента индивидуальна, в том числе и по фазам, возникающие высшие гармонические составляющие являются несимметричными. При возникновении однофазного замыкания несимметричные составляющие замыкаются в контуре поврежденной фазы.

Рис.4. - Зависимость тока от значений переходного сопротивления Рис.5. - Установившийся ток однофазного замыкания

Пример установившегося тока однофазного замыкания приведен на рис. 5. При моделировании учитывался нелинейный характер элементов энергосистемы.
Поскольку источники токов непромышленной частоты распределены по всем фидерам, а замыкаются эти токи через контур замыкания, то через поврежденный фидер будет протекать суммарный ток высших гармоник. Следовательно, абсолютное действующее значение тока высших гармоник в поврежденном фидере будет больше, чем в неповрежденных фидерах.
Принцип относительного замера высших гармоник прост и хорошо себя зарекомендовал на практике. Его недостатками являются:

* различие уровня высших гармоник для каждого объекта. Существуют объекты, на которых этот критерий является надежным и информативным. Для некоторых объектов данный метод неприменим;
* поскольку ток высших гармоник замыкается через поврежденный фидер, их абсолютное значение зависит от переходного сопротивления замыкания.

В последнее время на рынке предлагаются защиты, селективность которых достигается зависимой времятоковой характеристикой срабатывания. Данный подход имеет существенные ограничения, даже если абстрагироваться от указанных выше недостатков. Уровень высших гармоник в сети колеблется в зависимости от режима и конфигурации. Поэтому возможность выбора уставок характером работы объекта. Легче всего настроить защиту на подстанциях, имеющих значительное количество отходящих кабельных линий. Эффективность принципа для других объектов представляется сомнительной. Поэтому мы рекомендуем относительный замер с непосредственным сравнением уровней высших гармонических составляющих в токах отходящих фидеров.
В качестве основы для создания селективной сигнализации ОЗЗ в сети с резонансным заземлением можно рекомендовать устройства ProField-U, предлагаемые на российском рынке компанией "Парма Прот". Устройства могут комплектоваться модулями, обеспечивающими измерение действующего значения высших гармонических составляющих в токах, измеряемых трансформаторами тока нулевой последовательности. Одно устройство позволяет производить одновременные измерения тока нулевой последовательности на 21 фидере. Полученные замеры могут быть отображены на локальном щите управления или переданы в удаленный диспетчерский центр. Измерения проводятся непрерывно с интервалом в 1 с.
Данный подход может быть применен на любом объекте, при любом переходном сопротивлении замыкания, если уровень высших гармонических составляющих в поврежденном фидере достаточен для замера.

Устройства, реагирующие на ток промышленной частоты

Как указывалось выше, при резонансном заземлении ток промышленной частоты в поврежденном присоединении отсутствует. Поэтому для работы данного класса устройств необходимо создавать специальные условия. Например, вносить рассогласование в работу реактора (настраивать его на недокомпенсацию) или устанавливать параллельно с реактором резистор (рис. 6). Последний способ является предпочтительным. В нормальном режиме работы резистор отключен, и сеть работает в режиме резонансного заземления. При возникновении устойчивого замыкания на землю (контролируется по напряжению нулевой последовательности) включается выключатель, и реактор шунтируется резистором. Создается ток нулевой последовательности, достаточный для уверенного срабатывания защиты на отключение.
Для управления реактором и выключателем заземляющего резистора может использоваться устройство DRL-EP серии EuroProt. Это устройство на российском рынке поставляет компания "Парма Прот". DRL-EP выполняет две основные функции — производит настройку дугогасящих реакторов в резонанс и управляет выключателем резистора. Контроллер DRL-EP совместим с различными типами дугогасящих реакторов как с пошаговой, так и с плавной настройкой. Его применение целесообразно на вновь строящихся объектах и при полной реконструкции.

Рис.6. - Схема "рассогласования" работы реактора Рис.7. - Графическая иллюстрация условия (1) Рис.8. - Диаграмма направленности

Реле обратной мощности нулевой последовательности

Для организации простой селективной сигнализации в распределительной сети с резонансным заземлением авторы предлагают использовать реле обратной мощности.
Как известно, при резонансном заземлении нейтрали выполняется условие:

Σ IНПФk + IДГР = 0 (1)

где IНПФk — емкостной ток неповрежденного фидера k;
IДГР — ток дугогасящего реактора.
Графически условие (1) показано на рис. 7.
При устойчивом замыкании в неповрежденных фидерах протекают токи, обусловленные емкостной проводимостью этих фидеров относительно земли. Емкостной ток фидеров имеет промышленную частоту, и для определения его направления можно использовать направленное реле. Для организации селективной сигнализации ОЗЗ предлагается использовать реле максимального напряжения нулевой последовательности с блокировкой от реле обратной мощности нулевой последовательности.
Само реле обратной мощности предлагается выполнять по традиционной схеме. Но диаграмма направленности должна быть повернута на 180o, т.е. к шинам (рис. 8). Реле работают по току промышленной частоты. Уставка по току выбирается исходя из емкостного тока фидера.
Пуск защиты происходит при появлении напряжения нулевой последовательности. На неповрежденных фидерах срабатывают реле обратной мощности и блокируют работу защиты. Надежность схемы может быть повышена путем применения шинки, сигнализирующей о срабатывании блокирующих реле обратной мощности на других фидерах. Предложенная схема может быть легко реализована на микропроцессорных устройствах РЗА OmegaProt, SigmaProt и EuroProf, поставляемых компанией "Парма Прот".
К достоинствам предлагаемого способа следует отнести простоту и надежность, использование устройств, работающих по токам промышленной частоты. К недостаткам — возможность неселективной работы на фидерах с малым током замыкания на землю при наличии переходного сопротивления в точке ОЗЗ и неправильной работы в режиме перекомпенсации.

Выводы:

Режим резонансного заземления нейтрали создает сложные условия для работы устройств РЗА. Не существует принципа, обеспечивающего селективную работу релейной защиты во всех возможных ситуациях.
Наибольшую селективность обеспечивают способы, позволяющие использовать максимум информации о состоянии всех присоединений подстанции. Устройства, использующие информацию о состоянии только одного фидера, имеют серьезные ограничения.
В качестве наиболее предпочтительных можно рекомендовать простые и надежные способы относительного замера высших гармонических составляющих и реле обратной мощности нулевой последовательности.
Компания "Парма Прот" предлагает на российском рынке необходимый спектр устройств РЗА для организации селективной защиты и сигнализации в сетях с резонансным заземлением нейтрали.