Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Однофазное замыкание на землю является наиболее частым видом повреждения в трехфазных электрических сетях всех классов напряжения.

В электрических сетях 6–35 кВ Украины работают, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью, значения токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) невелики, они не превышают 20–30 А. Поэтому сети этих классов напряжения традиционно называют сетями с малым током замыкания на землю. Однако ОЗЗ представляют большую опасность для оборудования электрических сетей и для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. В связи с этим Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других — немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его.

Создать селективную (избирательную) и высокочувствительную защиту от ОЗЗ, пригодную для любых видов сетей с малым током замыкания на землю, до настоящего времени не удалось никому. Действительно, трудно создать универсальную защиту от ОЗЗ для таких разных типов электроустановок, как воздушные и кабельные линии, генераторы и электродвигатели, для таких разных режимов заземления нейтральных точек сети, как «изолированная нейтраль», «резонансно-заземленная нейтраль» или «резистивно-заземленная нейтраль» (нейтраль, заземленная через ограничивающее активное сопротивление — резистор).

Особые трудности при выполнении селективных защит от ОЗЗ возникают в сетях 6 (10) кВ с резонансно-заземленной нейтралью, где ток повреждения промышленной частоты полностью компенсируется током дугогасящего реактора (ДГР) и поэтому не может быть использован в качестве источника информации для защиты. Дополнительные трудности возникают при необходимости селективного определения присоединения с ОЗЗ в электрических сетях сложной конфигурации, при отсутствии на присоединении кабельной вставки, необходимой для установки трансформатора тока нулевой последовательности, при часто меняющейся первичной схеме защи-щаемой сети и в других случаях [1] .

Уменьшение вероятности переходов ОЗЗ в многофазные КЗ и соответственно повышение надежности работы сетей 6-10 кВ связано, прежде всего, с проблемой совершенствования режимов заземления их нейтрали. В свою очередь, режим заземления нейтрали сети определяет принципы выполнения защиты от ОЗЗ и способы ее действия (на сигнал или на отключение). Учитывая до¬стигнутые в настоящее время в Украине уровни резервирования и автоматизации электрических сетей 6-10 кВ и технологических процессов на предприятиях, следует ожидать, что требование сохранения в работе (в течение ограниченного времени) элемента, имеющего ОЗЗ в ближайшей перспективе для большинства сетей 6-10 кВ, не потеряет своей актуальности как эффективный и экономически наиболее дешевый способ обеспечения требуемой надежности электроснабжения.

Возможность работы сети с ОЗЗ в течение ограниченного времени, достаточного для ликвидации повреждения без отключения потребителей, в принципе обеспечивают несколько вариантов режима заземления нейтрали (изолированная нейтраль, резонансное заземление нейтрали, высокоомное заземление нейтрали через резистор), каждый из которых имеет свою область применения. В некоторых случаях более эффективное решение проблемы повышения надежности работы сети 6-10 кВ может быть обеспечено применением режима заземления нейтрали, не допускающего длительную работу сети с ОЗЗ (низкоомное заземление нейтрали через резистор) и выполнением защиты от ОЗЗ с действием на отключение [2].

1. Актуальность темы

Токи замыкания на землю, помимо емкостной, индуктивной и активной составляющих промышленной частоты, могут содержать высшие гармонические составляющие, часть которых появляется лишь во время переходного периода при замыкании на землю и определяется параметрами петли тока замыкания на землю. Другая часть токов высших гармоник продолжает протекать через дугу в течение всего времени ее горения. Эти токи обусловлены наличием гармонических составляющих в э. д. с. генераторов, а также электродвижущих сил различных гармоник вследствие насыщения магнитопроводов силовых трансформаторов и быстропеременных неравномерных нагрузок, когда в технологии потребителей используются дуговые процессы (ртутно-выпрямительные установки промышленных предприятий и электротяги, электросталеплавильные печи и т. д.).

В токе замыкания на землю наиболее часто преобладает пятая гармоническая составляющая. Одновременно с ней появляется иногда седьмая гармоническая составляющая, но меньшая по величине [3].

При быстро переменных неравномерных нагрузках в обмотках сетевых трансформаторов возникают неуравновешенные э. д. с. самоиндукции высших частот, под воздействием которых происходят заряды и разряды емкостей фаз относительно земли, и следовательно, протекание тока через место повреждения.

В результате резонансных явлений обычно выделяются токи частоты горения заземляющей дуги f1. Токи, обусловленные этими неуравновешенными э. д. с., часто представляют собой одиннадцатую или тринадцатую гармонические составляющие либо обе вместе. Суммируясь, они создают ток двенадцатой гармонической составляющей, частота биений которой равна промышленной частоте.

Формула

До замыкания на землю, помимо токов нагрузки, в поврежденной фазе протекает емкостный ток i'c, опережающий фазное напряжение трехфазной симметричной системы. Замыкание на землю представляет собой срез напряжения, в результате которого э. д. с. взаимоиндукции обмоток трансформаторов, питающих сеть, изменяют свои направления на величину среза напряжения.

На нейтрали сети колебательно устанавливается напряжение Uo, обратное по направлению напряжению поврежденной фазы, а напряжения на неповреждещшх фазах приобретают значения линейных напряжений.

Емкостный ток i'c переходит в ток замыкания на землю, который в установившемся режиме имеет обратное относительно i'c направление, если сеть работает с изолированной нейтралью или с недокомпенсацией, или имеет такое же направление, что и i'c при работе сети в режиме перекомпенсации.

Первая полуволна переходной составляющей тока замыкания на землю имеет чисто емкостный характер и поэтому всегда направлена в сторону, совпадающую с направлением напряжения среза на поврежденной фазе и опережает на 90 эл. град колебания напряжения. На нейтрали и на неповрежденных фазах, направление которых также совпадает с направлением среза напряжения на поврежденной фазе.

Картинка

Рис. 1. Схемы замещения сети, работающей с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. а — трехфазная; б — нулевой последовательности.

Оценка основных составляющих токов замыкания на землю (емкостной tc и индуктивной ik), возникающих в переходный период при замыкании на землю одной фазы сети, может быть произведена в соответствии со схемами замещения, показанными на рис. 1. Трехфазная схема (рис. 1, а) преобразовывается в упрощенную схему нулевой последовательности (рис. 1, б), представляющую собой параллельное включение на напряжение нулевой последовательности параметров сети R, L, С и сосредоточенной индуктивности дугогасящего аппарата LK. Основные пути токов показаны толстыми линиями.

Непосредственно с момента появления замыкания на землю до возникновения тока колебаний iкол через заземляющую дугу протекает ток, обусловленный волновым разрядом поврежденной фазы и установлением общего начального напряжения на междуфазных емкостях См и емкостях неповрежденных фаз на землю [4].

В момент замыкания фазы на землю возникает переходный процесс, при котором токи и напряжение нулевой последовательности изменяются по сложному закону и могут значительно превышать установившиеся значения. В этих условиях возможны ложные срабатывания зашиты. Следовательно, при обосновании зашиты от однофазных замыканий на землю необходимо рассматривать и учитывать токи и напряжение нулевой последовательности в переходных режимах.

Картинка

Рис. 2. Схема расчета токов нулевой последовательности при переходных процессах.

В настоящее время электрические сети 6–10 кВ, в свете концепции создания интеллектуальной энергосистемы, также имеют большое значение при использовании их в качестве связующего звена Micro Grid технологий. В связи с их широким применением на промышленных предприятиях, в системе собственных нужд электростанций, в городских сетях они в значительной степени будут определять надежность функционирования Micro Grid объектов с нетрадиционными источниками энергии. Известным недостатком этих сетей являются частые повреждения электрооборудования из-за высокого уровня перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, а также трудность обеспечения селективного срабатывания релейной защиты, особенно при низком уровне токов замыкания фазы на землю. Повышению надежности работы этих сетей постоянно уделяется внимание как со стороны научно-исследовательских и эксплуатирующих организаций так и заводов-производителей электрооборудования. Так происходит внедрение высокоомного и низкоомного заземления нейтрали сети, современной микропроцессорной защиты, ограничителей перенапряжений типа ОПН. Проводятся работы по исследованию переходных процессов в этих сетях как с использованием современных цифровых регистраторов, так и методами математического моделирования. Однако, несмотря на это, надежность работы указанных сетей остается недостаточной.

Поэтому разработка принципов построения систем автоматического управления объектов на базе концепции Smart Grid и повышение надежности работы сетей 6-10 кВ при ОЗЗ за счет совершенствования методов математического моделирования этих сетей, резистивного заземления нейтрали, ограничения перенапряжений и повышения чувствительности и селективности действия релейной защиты является актуальной задачей [3].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью моей магистерской работы будет совершенствование математической модели для анализа релейных защит при переходных процессах возникающих во время замыканий на землю в сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью.

Основные задачи исследования:

  1. Определить все факторы влияющие на работу релейной защиты для оптимальной работы защиты от ОЗЗ;
  2. Совершенствовать математическую модель релейной защиты от ОЗЗ для ненаправленных защит;
  3. Построение алгоритмов при помощи программирования математической модели в программах MathCad и MatLab;
  4. Получить экспериментальные данные работы релейной защиты от ОЗЗ.

Полученные экспериментальные будут сравниваться с аналогичными видами релейных защит их данными и их характеристиками.

3. Обзор существующих типов релейных защит

3.1 Существующие токовые защиты и их недостатки

Наиболее простые ненаправленные токовые защиты от ОЗЗ применяются в системах электроснабжения собственных нужд электростанций, а более сложные направленные в системах электроснабжения горно–металлургических предприятий и др. Недостатки этих защит заключаются в следующем. В режимах пуска или останова блоков на электростанциях большинство присоединений на секциях 6 кВ находятся в отключенном состоянии и значения токов замыкания на землю составляют менее 1 A, что недостаточно для срабатывания токовых защит. Таким образом в указанных режимах, а также при неработающем блоке такие защиты не работоспособны. Аналогичные проблемы имеют место и на подстанциях других промышленных объектов. Так, например, 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 также частые замыкания на землю, которые сопровождаются отключением одной поврежденной линии и двух-трех неповрежденных. Отыскание поврежденной линии и повторное восстановление до аварийной схемы требует весьма продолжительного времени. Одной из причин неселективной работы защит является возникновение феррорезонансных процессов после отключения поврежденного оборудования, из–за резкого увеличения токов намагничивания трансформаторов напряжения. Резонансные процессы протекают при частотах напряжения 16–25 Гц, т.е ниже частоты 50 Гц, тогда как ток имеет близкую к номинальной частоту. В результате происходит потеря направленности 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 согласовывать по уставкам срабатывания, если собственные емкостные токи замыкания на землю отдельных присоединений сильно отличаются между собой [5].

Прежде чем рассматривать усовершенствованную защиту, предложенную в этой работе, отметим особенности используемых на предприятиях серийно выпускаемых промышленностью токовых реле для этой защиты.

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, 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, использовавшегося в схемах защиты от ОЗЗ. Принципиальная схема реле РТЗ–50 приведена на рис. 3.

Картинка

Рис. 3 Принципиальная схема электронного реле тока типа РТЗ–50

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 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 резистором. Разрядник предназначен для защиты элементов схемы от перенапряжений при двойных замыканиях на землю. Резистор, включенный последовательно с первичной обмоткой согласующего трансформатора, обеспечивает термическую устойчивость входных цепей тока при двойных замыканиях на землю. Конденсатор сглаживает пульсации напряжения на выходе выпрямительного моста. Диод 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. 4.

Картинка

Рис. 4. Принципиальная схема микроэлектронного реле тока РТЗ-51

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.

В отличие от реле РТЗ–50 реле РТЗ–51 выполнено с малым входным сопротивлением, 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 0,6 А.

Направленная защита от ОЗЗ состоит из одного реле направления мощности, которое включается на ток и напряжение НП (рис. 5).

Картинка

Рис. 5. Схема подключения направленной защиты от ОЗЗ к ТТНП и ТН

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 систем электроснабжения 6-10 кВ, в работе поставлена задача разработки более чувствительной усовершенствованной защиты с использованием простого серийного выпускаемого токового реле РТЗ-51 [3].

3.2 Токовая защита нулевой последовательности, ненаправленная, с независимой или обратнозависимой времятоковой характеристикой

Токовая защита, реагирующая на действующее значение полного тока нулевой последовательности промышленной частоты (3I0), применяется в сетях 6–35 кВ, работающих, как правило, в режимах изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через резистор. Селективность и чувствительность этой защиты обеспечивается схемой сети и выбором соответствующих параметров рсзистивного заземления и уставок РЗ. Когда в качестве измерительного органа защиты от ОЗЗ используется электромеханическое токовое реле типа РТ-40, селективная работа этой защиты в режиме изолированной нейтрали может быть обеспечена лишь в тех случаях, когда суммарный емкостной ток cети. (минимально возможный из всех режимов работы сети) существенно превышает собственный емкостной ток линии IСmax (при внешнем ОЗЗ). Это условие получается из двух условий выбора тока срабатывания защиты:

Формула

При использовании для зашиты от ОЗЗ современных цифровых реле, например серии SPACOM, в том числе SPAC 800 фирмы АББ Автоматизация, можно принимать значение kбр = 1 + 1,5 (необходимо уточнить у фирмы-изготовителя). Защита должна работать без выдержки времени.

Несмотря на меньшее влияние броска емкостного тока на работу современных реле при внешних ОЗЗ, не всегда возможно обеспечить селективность (избирательность) рассматриваемого типа ненаправленной защиты в сети с изолированной нейтралью, особенно в сетях с нестабильной первичной схемой сети и, следовательно, периодически изменяющимися значениями собственных емкостных токов отдельных линий и суммарного емкостного тока, а также в сети с малым количеством линий. Это же относится к сетям 6–10 кВ, работающим с перекомпенсацией, разрешенной Правилами. При резонансной настройке ДГР данный принцип выполнения защиты от ОЗЗ вообще не может быть использован. Невозможно обеспечить селективную (избирательную) работу защиты этого типа в сетях с параллельно работающими линиями 6 (10) кВ и в сетях с еще более сложной конфигурацией.

В воздушных сетях 6–10 кВ рассматриваемые токовые ненаправленные защиты нулевой последовательности используются сравнительно редко, так как для включения измерительного органа защиты требуется кабельная вставка для кабельного ТТНП (Ферранти), а также потому, что в воздушных сетях невелики значения токов 3I0 при ОЗЗ.

Токовые защиты нулевой последовательности используются для защиты от ОЗЗ генераторов, работающих на сборные шины, и электродвигателей 6 и 10 кВ на электростанциях и подстанциях. Собственный емкостной ток электрических машин не столь велик, как у кабельных линий, в связи с чем условие несрабатывания защиты при внешних ОЗЗ выполняется легче, чем для кабельных линий. При необходимости допускается вводить выдержку времени (около 0,5 с), которая практически позволяет не учитывать бросок емкостного тока при ОЗЗ (kбр =1,5).

В режиме заземления нейтрали через резистор рассмотренная здесь токовая ненаправленная защита может иметь значительно большую чувствительность, поскольку при ОЗЗ к суммарному емкостному току сети прибавляется (геометрически) активный ток резистивного заземления.

Характеристика токовой защиты нулевой последовательности, ненаправленной, с обратнозависимой времятоковой характеристикой типа RXIDG показана на рис. 6 (имеется в терминалах SPA–СОМ, втом числе в SPAC 810).

Зависимость времени срабатывания защиты t, с, от тока Iозз/Iсз можно представить следующим математическим выражением:

Формула

где k — выставляемый коэффициент; Iозз — ток замыкания на землю при ОЗЗ (геометрическая сумма суммарного емкостного тока и активного тока резистивного заземления), А; Iсз — ток срабатывания защиты (первичный), А.

Ток срабатывания защиты Iсз выбирается так же, как указано выше, — из условия несрабатывания при внешних ОЗЗ. Селективность срабатывания защиты именно на той линии, где произошло ОЗЗ, обеспечивается за счет ее меньшего времени срабатывания t, которое соответствует большему значению суммарного тока IОЗЗ по сравнению с собственными емкостными токами каждой из неповрежденных линий (ICmax).

График

Рис. 6. Характеристика с обратиозависимой выдержкой времени типа RX1DG

Если эта защита от ОЗЗ должна действовать только на сигнал, то необходимо выполнить специальную коммутацию для блокировки защит неповрежденных присоединений после срабатывания защиты поврежденного присоединения.

Рассмотренные ненаправленные токовые защиты с независимой времятоковой и обратнозависимой времятоковой характеристиками (см. рис. 6) могут обеспечивать селективное отключение линии с ОЗЗ только при определенной конфигурации защищаемой сети.

6 (10) кВ, конкретных типах реле, параметрах кабелей, и разумеется, при правильном выборе рабочих уставок. Однако в сетях с изолированной нейтралью с очень небольшими значениями естественных емкостных токов и малым количеством отходящих линий, главным образом воздушных, ненаправленные токовые защиты принципиально не могут обеспечить селективное отключение линий с ОЗЗ. Поэтому в таких сетях могут использоваться токовые направленные защиты от ОЗЗ.

3.3 Направленные защиты типа ЗЗП-1М и ЗЗН

Направленная защита от однофазных замыканий на землю типа ЗЗП-1М предназначена для селективного отключения линий при однофазных замыканиях на землю и может применяться в сетях с суммарным емкостным током не менее 0,2 А, как указывается в информации завода-изготовителя. Однако в связи с большой вероятностью возникновения однофазных замыканий на землю, через переходные сопротивления и с учетом некоторого запаса по чувствительности применение устройства ЗЗП-1М целесообразно в тех сетях, например 10 кВ, где минимальное первичное значение суммарного емкостного тока по крайней мере в 2,5–3 раза выше, т.е. составляет 0,5–0,6 А.

Токовые цепи защиты ЗЗП-1М подключаются к кабельному трансформатору тока нулевой последовательности ТТНП типа T3JI (рис. 7, а), в связи с чем защищаемая воздушная линия должна иметь кабельную вставку (ввод). Это является недостатком защиты ЗЗП-1М, ограничивающим ее применение.

Цепи напряжения защиты ЗЗП-1М включаются на напряжение нулевой последовательности, получаемое от обмотки трансформатора напряжения ТН, соединенной в разомкнутый треугольник (см. рис. 7, а).

Для защиты элементов ЗЗП-1М от высших гармоник, имеющихся в напряжении 3I0, устройство следует подключать к ТН через фильтр с резонансной частотой 50 Гц, который подавляет высшие гармонические составляющие с частотой выше 50 Гц. Фильтр выпускается в виде вспомогательного устройства ВУ-1, в которое входят дроссель с регулируемым воздушным зазором и последовательно включенный конденсатор. На одно устройство ВУ-1 может быть включено до 10 устройств ЗЗП-1М.

Схема

Рис. 7. Принципиальная схема включения (а), структурная схема (б) направленной защиты от ОЗЗ типа ЗЗП-1М и пояснение принципа се действия при ОЗЗ на одной из сети (в)

Для исключения опасного воздействия на устройства ЗЗП-1М перенапряжений, возникающих в первый момент замыкания на землю в сети 10 кВ, в схеме (см. рис. 7, а) предусмотрена небольшая задержка в подаче напряжения на устройство ЗЗП-1М с помощью максимального реле напряжения 1РН типа РН-53/60Д с уставкой 15 В, т.е. ниже, чем напряжение срабатывания устройства ЗЗП-1М. Как видно из рис. 7, a, напряжение 3 U0 подается на устройства ЗЗП-1М только после срабатывания реле 1РН и замыкания его контактов.

Защита ЗЗП-1М состоит из следующих основных органов: согласующего устройства 1, усилителя переменного тока 2, фазочувствительного усилителя (органа направления мощности) 3, выходного реле 4н блока питания 5(рис. 7, б). Блок питания типа БПН-11 подключается к трансформатору собственных нужд подстанции (на рис. 7, б не показан).

Таким образом, защита ЗЗП-1М представляет собой направленную защиту нулевой последовательности. При однофазном замыкании на землю, например на воздушной линии 10 кВ (рис. 7, в), токи Iс1,Ic2 определяемые емкостью фаз неповрежденных линий Л1, Л2 по отношению к земле, имеют условное направление к месту повреждения на линии ЛЗ и, таким образом, по-разному направлены на поврежденной и неповрежденной линиях. На неповрежденных линиях при направлении токов 1С к шинам 10 кВ подстанции защиты ЗЗП-1М не срабатывают. На поврежденной линии при направлении суммарного емкостного тока Iq. от шин подстанции к месту повреждения защита ЗЗП-1М срабатывает, если значение этого суммарного тока больше, чем ее ток срабатывания (чувствительность). Если считать, что среднее удельное значение емкостного тока для воздушных сетей 10 кВ составляет на 1 км примерно 0,028 А, то для надежного срабатывания защиты ЗЗП-1М при минимальной ее уставке 0,2 А (первичных) необходимо, чтобы суммарная протяженность всех неповрежденных линий 10 кВ этой сети была не менее 20–25 км и соответственно суммарный емкостный ток 0,5-0,6 А. В современных электросетях 10 кВ это условие, как правило, обеспечивается. Но в случае, когда одна или две линии 10 кВ могут быть отключены и защита ЗЗП-1М не сможет сработать на отключение из-за недостаточных значений суммарного емкостного тока, требуется, чтобы дополнительно к линейным защитам (ЗЗП-1М) на подстанции была установлена резервная неселективная максимальная защита напряжения нулевой последовательности (реле 2РН на рис. 7, а), которая с выдержкой времени 0,5–0,7 с действует на отключение питающего трансформатора (при этом должны запрещаться действия автоматики включения: АВР, АПВ). При малых значениях емкостных токов такое неселективное действие считается правильным, поскольку своим действием защита выполняет требования техники безопасности и предотвращает несчастные случаи.

Защита ЗЗН предназначена для селективного отключения защищаемого присоединения при ОЗЗ в некомпенсированных сетях 3–10 кВ с первичным током замыкания на землю от 0,2 А (что соответствует минимальной суммарной длине неповрежденных кабельных линий сети 10 кВ 0,2 км или воздушных линий — 7 км) при использовании кабельных ТТНП.

Защита ЗЗН состоит из двух пусковых органов (ПО) по току и напряжению, фазочувствительного органа, которые работают по схеме И. Защита имеет три уставки по току (0,07±0,02; 0,25±0,025; 2,5±0,025 А) и три уставки по напряжению (10,15,20 В); встроенный блок питания; встроенное устройство экспресс–контроля; устройство сигнализации, указывающее на недопустимые небалансы в цепях тока и напряжения защиты, на наличие ОЗЗ в зоне действия защиты и на срабатывание выходного реле.

3.4 Устройство защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ: УЗС защит

Устройство УЗС, реагирующее на токи и напряжения переходного процесса при замыканиях на землю, предназначено для селективной защиты (сигнализации или отключения) при замыканиях на землю в воздушных и кабельных сетях напряжением 6–35 кВ независимо от режима работы их нейтрали. Устройство обеспечивает защиту как от устойчивых, так и от неустойчивых замыканий.

Принцип его действия основан на контроле направления распространения токов и напряжений переходного процесса, возникающих при ОЗЗ и распространяющихся к концам линий (пунктам установки защиты), и заключается в сравнении и запоминании первоначальных знаков тока 3I0 и напряжения 3UQ в месте замыкания. При совпадении знаков ОЗЗ фиксируется в защищаемом направлении, а при несовпадении регистрируется внешнее ОЗЗ. Факт замыкания контролируется срабатыванием пускового органа установившегося напряжения 3U0 промышленной частоты.

Цепи напряжения подсоединяются к разомкнутому треугольнику обмоток трансформатора напряжения секции шин, к которой подключена линия, а при отсутствии этих обмоток — к общей точке трех конденсаторов емкостью 4-10 мкФ, соединенных в звезду и подключенных к фазным вторичным обмоткам трансформаторов напряжения и к нейтрали этих обмоток.

Прототип данного прибора — устройство импульсной защиты от замыканий на землю ИЗС-М, разработанное ЭНИН совместно с Рижским заводом Энергоавтоматика в 1990–1991гг.. Образцы этого устройства находятся в промышленной эксплуатации на кабельных линиях 35 кВ Невинномысской ГРЭС. За время эксплуатации с 1992 г. по настоящее время ОЗЗ имели место практически на каждой из защищаемых линий, и при этом во всех без исключения случаях ОЗЗ устройства защиты ИЗС-М срабатывали правильно. Не отмечено также ни одного случая ложных или излишних срабатываний устройства.

Новое устройство зашиты от замыканий на землю, разработанное ЭНИН совместно с казанским предприятием Энергосоюз, испытано и внедрено в Казанских электрических сетях Татэнерго и Октябрьских электрических сетях Мосэнерго. В 2000 г. оно было принято межведомственной комиссией и рекомендовано к применению в системе электрических сетей России.

В настоящее время рассматривается возможность модернизации этого устройства в целях выполнения единой защиты для секции шин 6–35 кВ, к которой подсоединяются защищаемые линии. Это позволит повысить эффективность и экономичность устройства. Кроме того, на основе опыта разработки устройства защиты возможно создание комплексного образца с автоматическим определением места ОЗЗ на защищаемой линии. Использование этого прибора ускорит поиск повреждения и снизит вероятность перехода ОЗЗ в короткое замыкание, приводящее к серьезным повреждениям на присоединениях электрических сетей 6–35 кВ.

Как видно из краткого описания устройств ЗЗП-1М, ЗЗН и УЗС, они имеют общий недостаток, ограничивающий их применение для защиты воздушных линий 6 и 10 кВ: для включения ЗЗН требуется кабельный ввод (вставка), а для УЗС — три трансформатора тока или тот же кабельный ввод воздушной линии, что в общем случае не требуется и часто не выполняется на подстанциях, питающих воздушные линии [6].

4. Основное содержание работы

Эффективная защита от ОЗЗ позволяет снизить опасное влияние на аппаратуру сетей 6-35 кВ тех воздействий, которые возникают при ОЗЗ. Это, в свою очередь, повысит надёжность работы двигателей, кабелей и других элементов сети и позволит продлить срок их эксплуатации. Повышается также безопасность для людей и животных, которые могут оказаться в зоне падения провода воздушной ЛЭП.

В некоторых случаях необходимую эффективность можно обеспечить с помощью ненаправленных токовых защит нулевой последовательности.

В первую очередь это относится к резистивно-заземлённым сетям и установкам с малыми ёмкостными токами. Если, например, речь идёт о защите кабельной сети собственных нужд электростанции, в которой установлен заземляющий резистор, а в месте ОЗЗ протекает активный ток резистора порядка 35-40 А и ёмкостные токи отдельных присоединений не превышают нескольких ампер, то здесь успешно могут быть использованы многие из известных ненаправленных токовых устройств защиты.

Второй подобный случай — это внутрицеховые сети на предприятиях, где может быть установлен дугогасящий реактор, но имеется большое количество присоединений с малым ёмкостным током. Выполнить эффективную селективную защиту без заземляющего резистора в таком случае сложно. Установив же такой резистор с током 10-15 A, получаем возможность на большинстве присоединений установить простую токовую защиту нулевой последовательности.

В настоящее время на украинском рынке можно приобрести следующие устройства ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности.

Защиты, построенные на отечественных реле типа РТЗ-51, блоках микропроцессорной защиты БМРЗ (например, БМРЗ-КЛ-11, БМРЗ-КЛ-36, БМРЗ-КЛ-42, БМРЗ-КЛ-51) НТЦ Механотроника, терминалах защиты SEPAM типа S20 (код ANSI 50N/51N или 50G/51G) фирмы Schneider Electric, защиты серии SPACOM, например, SPAC-800 фирмы «АББ Реле-Чебоксары», устройства типа MiCOM P121, P122 Compact, P123 фирмы AREVA (бывшая ALSTOM), защита типа SIPROTEC 4 7SJ61 фирмы SIEMENS и т.д.

Наиболее подходящие для конкретного предприятия устройства должны выбираться с учётом местных условий и возможностей.

Ток срабатывания ненаправленных токовых защит приходится отстраивать от собственного ёмкостного тока защищаемого присоединения, поэтому на присоединениях с большими ёмкостными токами такие защиты часто оказываются нечувствительными.

Представляют существенный интерес ненаправленные токовые защиты нулевой последовательности, основанные на относительном замере, например, устройство микроконтроллерное МКЗЗП-6 фирмы ЭСТРА. Это устройство запускается при ОЗЗ по признаку появления напряжения нулевой последовательности и сравнивает токи нулевой последовательности во всех присоединениях защищаемой системы или секции сборных шин. То присоединение, где основная гармоника тока нулевой последовательности больше, считается повреждённым. Такую защиту нельзя использовать при наличии в сети дугогасящего реактора или при малом количестве присоединений к сборным шинам (например, при двух присоединениях). При большом же количестве присоединениях защита работает весьма эффективно [7].

Ненаправленные защиты, регистрирующие ток нулевой последовательности промышленной частоты и призванные отключать поврежденное присоединение, при дуговых замыканиях и малых токах являются, как правило, неселективными. Ток срабатывания ненаправленных токовых защит приходится отстраивать от собственного емкостного тока защищаемого присоединения, поэтому они трудно согласуются по уставкам срабатывания, особенно если собственные емкостные токи ОЗЗ отдельных присоединений сильно отличаются между собой. Для повышения чувствительности и селективности действия ненаправленных защит от ОЗЗ. Предложено выполнять компенсацию собственного ёмкостного тока присоединения при внешних ОЗЗ. Однако, это требует подключение дополнительной обмотки в количестве 2-5 витков, наматываемой на сердечник кабельного трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП). Такое исполнение защиты в условиях реальных промышленных объектов вызывает затруднение.

Направленные токовые защиты, реагирующих на основные гармонические составляющие токов и напряжения нулевой последовательности, отстроены от собственных емкостных токов защищаемых присоединений по направлению, поэтому такие защиты удается выполнить более чувствительными и эффективными. Однако высокая чувствительность направленных защит в реальных условиях эксплуатации (в сети присутствуют разного рода небалансы, большие погрешности отечественных кабельных трансформаторов тока ТНП, феррорезонансные процессы) является зачастую причиной потери направленности действия защит и ложного их срабатываниям. Поэтому была предложена более надежная направленная защита, которая предполагает установку на каждом присоединении последовательно двух ТНП с подмагничиванием, схема включения вторичных основных и дополнительных обмоток которых обеспечивает повышение устойчивости работы и надежности защиты. Однако, основным недостатком данного решения является необходимость установки второго ТНП на фидере, что в реальных условиях эксплуатации практически не осуществимо, а данное решение является приемлемым только в случае его реализации на стадии проектировании электроустановки [8].

В работе для устранения описанных выше недостатков авторами предлагается использовать один кабельный ТНП на присоединении, к вторичным обмоткам которого подключается устройство, состоящее из двух специальных разделительных трансформаторов с различным направлением подмагничивания. Сигналы этих трансформаторов после выпрямления сравниваются и, тем самым, обеспечивается направленность действия защиты и селективное отключение присоединения при ОЗЗ на нем.

Работа данной защиты моделировалась с использованием программы MatLab приложения Simulink. Результаты моделирования приведены на рисунке 8.

Осциллограммы токов на исполнительном органе: а) при внутреннем и б) внешнем ОЗЗ
Осциллограммы токов на исполнительном органе: а) при внутреннем и б) внешнем ОЗЗ

Рис. 8. – Осциллограммы токов на исполнительном органе: а) при внутреннем и б) внешнем ОЗЗ (Анимация: 5 кадров, 3 циклa повторения, 146 килобайт)

Вывод

Разработана усовершенствованная направленная защита от ОЗЗ, позволяющая без изменений в схемах подключения и установки кабельных ТНП реализовать простое и надёжное устройство для своевременного обнаружения ОЗЗ на присоединении и, при необходимости, его отключения.

На момент написания реферата работа по испытаниям новой защиты не была проведена. Дата окончания работы в этом направлении декабрь 2014г.

Список литературы

  1. Шабад М. А., Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6–35 кB, Москва, НТФ Энергопрогресс, Энергетик, 2007.
  2. Шуин А.В.,Гусенков А.В., Защита от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ, Москва, НТФ Энергопрогресс, Энергетик, 2001.
  3. Отчет о научно-иследовательской работе д-7-12 Автоматизация и управление элетрическими системами с нетрадиционными источниками энергии, 30.12.2013.
  4. Лихачев Ф.А., Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостного тока, Энергия, 1971г.
  5. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
  6. Цапенко Е.Ф., Замыкания на землю в сетях 6-35кВ, Москва Энергоатомиздат, 1986.
  7. Шалин А.И., Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. ООО «ПНП БОЛИД», г. Новосибирск, Россия.
  8. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Ковязин О.В., Математическое моделирование работы ограничителя напряжения в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью.