Назад в библиотеку
ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ
Анотация
Достоинства и недостатки различных защит
экспертное мнение
Сергей Титенков,
к.т.н., ОАО «ПО Элтехника»
Тема, рассмотренная в статье А.И. Шалина, крайне актуальна для эксплуатирующих и проектных организаций. К сожалению, до последнего времени в России использовался режим изолированной нейтрали и неселективная сигнализация замыканий на землю. Сейчас ситуация меняется, и в некоторых сетях переходят к действию защит от однофазных замыканий на отключение. При этом, конечно же, возникает проблема выбора правильных уставок. Автор достаточно подробно разбирает эту проблему.
Однако, на мой взгляд, отдельные соображения, изложенные автором в статье, точнее, в разделах, посвященных выбору уставок срабатывания релейных защит от однофазных замыканий на землю, нуждаются в небольшом комментарии.
Так, автор совершенно верно отмечает расхождения в рекомендациях по определению величины коэффициента броска при выборе уставки срабатывания защит от замыканий на землю. Ничего удивительного в этом нет. Данный коэффициент специалисты приводят на основании опыта эксплуатации, а не расчетов.
Что мы называем броском емкостного тока? Это высокочастотный ток нулевой последовательности, возникающий вследствие перезаряда емкости присоединения при однофазном замыкании. Его величина определяется в основном емкостью присоединения и индуктивностью источника, а также токоограничивающих реакторов при их наличии. Присутствие дугогасящего реактора в нейтрали никак не сказывается на величине тока перезаряда. Впрочем, как и наличие резистора, который включается в сетях 6–10 кВ в нейтраль маломощного трансформатора заземления нейтрали.
Каким же образом возникло представление, отраженное в том числе и в данном материале, что возможно уменьшение коэффициента броска при наличии в сети заземления через резистор? Похоже, что это ошибочное, на мой взгляд, мнение сформировалось на основании работы Зильбермана В.А., Эпштейна И.М., Петрищева Л.С. и Рождественского Г.Г. «Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты», опубликованной в журнале «Электричество» № 2 за 1987 год.
Думается, что проблема выбора уставок защит от однофазных замыканий на землю и величины коэффициента броска емкостного тока требует более детального анализа.
Основные типы защит от ОЗЗ
В настоящее время в России и за рубежом применяются следующие основные разновидности защит от ОЗЗ:
Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности.
Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности.
Направленные защиты, реагирующие на составляющие промышленной частоты тока и напряжения нулевой последовательности.
Защиты, фиксирующие «наложенный» ток с частотой, отличной от промышленной.
Защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности, возникающие естественным путем.
Защиты, реагирующие на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности в переходном процессе ОЗЗ.
Рассмотрим достоинства и недостатки этих защит, а также аппаратуру, реализующую соответствующие принципы и имеющуюся на отечественном рынке. Будем при этом учитывать, что современные микропроцессорные терминалы обычно позволяют реализовать сразу несколько алгоритмов, относящихся к различным принципам действия защит. В процессе проектирования и эксплуатации выбираются один или несколько наиболее подходящих к конкретным условиям эксплуатации алгоритмов и уточняются уставки.
Следует отметить, что вопрос выбора уставок большинства разновидностей защит от ОЗЗ в настоящее время весьма далек от своего окончательного решения и требует отдельного обсуждения.
1. Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности
Эти защиты могут действовать на отключение линии с ОЗЗ в том случае, если от сборных шин подстанции отходит только одна линия – такие объекты встречаются. Для одного такого весьма ответственного объекта напряжением 35 кВ автор настоящей статьи выбирал виды защитных устройств, схемы и уставки защиты в текущем году.
По сравнению с ненаправленными токовыми и другими защитами рассматриваемый вариант обладает существенными преимуществами – в напряжении нулевой последовательности содержится гораздо меньше высокочастотных составляющих и защита по напряжению нулевой последовательности лучше ведет себя, например, при перемежающихся и прерывистых ОЗЗ. Ей также не мешает наличие в сети дугогасящего реактора.
Одним из недостатков такой защиты при ее подключении к соединенной по схеме «разомкнутого треугольника» обмотке установленного на сборных шинах трехфазного трансформатора напряжения (ТН) или группы однофазных является то, что она может работать неправильно. Например, при сгорании одного из предохранителей, установленных в первичных цепях этих измерительных трансформаторов, защита может отключить неповрежденный защищаемый объект. Обычно для блокирования срабатывания защиты в таком случае предусматривается реле максимального напряжения обратной последовательности, подключенное к вторичной обмотке того же ТН, соединенной в «звезду». Тогда при сгорании предохранителя защита блокируется и защищаемый объект на время восстановления исправности предохранителя остается без защиты от ОЗЗ. Если комплект защиты установлен на подстанции без постоянного обслуживания, то защита может надолго оказаться заблокированной.
Можно использовать несколько выходов из создавшейся ситуации:
не устанавливать предохранители в первичных цепях ТН;
использовать дополнительный комплект защиты, подключенный к однофазному ТН, включенному между нейтралью питающего силового трансформатора и землей (у трехобмоточных силовых трансформаторов на стороне 35 кВ нейтраль обычно выведена);
применить резервный комплект защиты, подключенный еще к одному ТН, установленному на сборных шинах, и т.д.
Выше уже отмечалось, что действовать на отключение рассматриваемая разновидность защиты может только в том случае, если к сборным шинам подключено лишь одно присоединение. При наличии нескольких присоединений такая защита может быть использована только в качестве неселективной сигнализации, т.е. сообщать о появлении в сети ОЗЗ без указания поврежденного присоединения. Именно в таком качестве она и используется в подавляющем большинстве случаев.
При этом поиск поврежденного присоединения обычно производится поочередным отключением присоединений по признаку исчезновения напряжения нулевой последовательности, что может вызвать значительные трудности. Известно о ряде аварий, связанных с такими отключениями и последующими включениями – например, случай отказа во включении одной из фаз воздушного выключателя на 35 кВ с пофазным приводом и повреждением силового трансформатора, вызванного явлением феррорезонанса. Неоднократно при длительном присутствии ОЗЗ в сети наблюдались «вторичные» пробои изоляции в двигателях, что вызывало большие токи в месте повреждения и значительные затраты на ремонт и т.д.
В некоторых случаях снизить остроту ситуации можно «доступными» средствами. Например, если на распределительных устройствах 35 кВ имеются не секции, а системы шин с нормально отключенным шиносоединительным выключателем. В таких случаях поиск поврежденного присоединения целесообразно производить не поочередным отключением и включением присоединений, а временным их переводом на вторую систему шин. При этом задача может быть решена без отключения присоединений.
Следует отметить, что и этот путь имеет большие недостатки. Гораздо более радикальным решением является установка селективной токовой защиты, выявляющей поврежденное присоединение. Такая защита может быть построена на использовании рассмотренных ниже принципов.
2. Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности
Работа защит в сетях с изолированной нейтралью
Далеко не всегда удается реализовать эффективную ненаправленную токовую защиту нулевой последовательности в сетях с изолированной нейтралью (без дугогасящего реактора и резистивного заземления нейтрали).
В первую очередь это относится к сетям с воздушными линиями электропередачи, в частности напряжением 35 кВ, где используются трехтрансформаторные фильтры тока нулевой последовательности, а в месте ОЗЗ могут возникать большие переходные сопротивления. Здесь защиту надо отстраивать не только от собственного емкостного тока защищаемого присоединения, а еще и от тока небаланса нулевой последовательности, появляющегося из-за неодинаковых характеристик трансформаторов тока, из которых собран фильтр тока нулевой последовательности. При возникновении в месте ОЗЗ большого переходного сопротивления, защита, отстроенная от собственного емкостного тока и тока небаланса трехтрансформаторного фильтра, может не сработать. В таких сетях, а также в сетях, в которых эксплуатируются одновременно воздушные и кабельные ЛЭП, целесообразно использовать направленные токовые защиты нулевой последовательности.
^
Ток срабатывания защиты кабельной линии от ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью Iсз принято выбирать из следующего условия:
, (1)
где Кн – коэффициент надежности; Кбр – коэффициент «броска», учитывающий бросок емкостного тока в момент возникновения ОЗЗ, а также способность реле реагировать на него; Ic.фид.макс– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.
Для мгновенно действующих защит от ОЗЗ в расчетах следует принимать значение произведения Кн• Кбр= 4–5. Для защит с выдержкой времени при возможности возникновения перемежающейся дуги Кн• Кбр= 2,5. По-видимому, эти значения рекомендованы для традиционных отечественных реле защиты включая РТЗ-51.
В некоторой литетратуре предлагается считать Кн ~ 1,2, Кбр= 3–5,(применительно к реле старых типов). Для реле РТЗ-51 рекомендуется принимать Кбр= 2–3. При этом предлагается выполнять защиту без выдержки времени. «При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, например, серии SPACOM, в том числе SPAC-800 можно принимать значения Кбр= 1–1,5 (необходимо уточнить у фирмы-изготовителя)».
Чувствительность проверяется по величине коэффициента Кч:
, (2)
где Iзащ – ток в защите поврежденной ЛЭП, равный разности суммарного емкостного тока сети в рассматриваемом расчетном режиме и емкостного тока поврежденной ЛЭП; Кч.норм– нормативный коэффициент чувствительности.
Рекомендуется принимать Кч.норм = 1,25–1,5, причем нижнее значение величины kч относить к кабельным ЛЭП, а верхнее – к воздушным.
В некоторой литературе предлагается считать Кч.норм = 1,5–2,0.
Условия (1), (2) могут быть реализованы для мгновенно действующих защит в кабельных сетях в том случае, если суммарный емкостный ток ЗI0лэп защищаемой линии в 5–10 раз меньше, чем емкостный ток оставшихся присоединений в рассматриваемом (минимальном) режиме сети. Для защит с выдержкой времени в тех же сетях (1) и (2) удается реализовать, если ток ЗI0лэп в 3–5 раз меньше емкостного тока оставшихся присоединений. Такие соотношения выполняются в сетях 6–35 кВ далеко не всегда.
Для кабельных сетей 6–10 кВ отдельных цехов предприятий, в которых имеется большое количество присоединений с малым емкостным током (например, десятки маломощных двигателей) и отсутствуют дугогасящие реакторы, во многих случаях приведенные выше условия выполняются и рассматриваемая защита может работать достаточно эффективно.
Для распределительных подстанций и коммутационных пунктов описанные выше условия часто не выполняются, что приводит к необходимости использовать более совершенные защиты.
Для защит воздушных ЛЭП, в которых используются трехтрансформаторные фильтры тока ЗI0, ток срабатывания следует выбирать следующим образом:
, (3)
где Iнб – ток небаланса фильтра;
Поскольку емкостный ток воздушных ЛЭП невелик (примерно в 35 раз меньше, чем в кабелях при одинаковой длине), ток небаланса может оказать существенное влияние на выбор тока срабатывания защиты. О расчете величины Iнб следует говорить отдельно.
^
В некоторых случаях необходимую эффективность можно обеспечить с помощью ненаправленных токовых защит нулевой последовательности. В первую очередь это относится к резистивно-заземленным сетям. Если, например, речь идет о защите кабельной сети собственных нужд электростанции, в которой в месте ОЗЗ протекает активный ток заземляющего резистора порядка 35–40 А, а емкостные токи отдельных присоединений не превышают нескольких ампер, то здесь успешно могут быть использованы многие из известных токовых реле.
Однако эксплуатация защит, построенных на токовых реле устаревших конструкций, например серий РТ-40/0,2, может привести к неселективной работе из-за резкого увеличения токов нулевой последовательности при дуговых замыканиях за счет высокочастотных составляющих.
Более совершенными являются 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 производства «АББ Реле-Чебоксары», устройства типа MiCOM P121, P122 Compact, P123 компании AREVA (бывшая ALSTOM), защита типа SIPROTEC 4 7SJ61 фирмы SIEMENS и т. д.
Меньше всего затрат требует установка реле РТЗ-51, но эти устройства способны обеспечить защиту присоединений только от ОЗЗ. Остальные же перечисленные микропроцессорные терминалы обеспечивают также защиту от междуфазных коротких замыканий и некоторых других ненормальных режимов работы.
При правильном выборе уставок все упомянутые защиты, включая отечественные, могут эффективно работать в рассматриваемом случае. Но следует иметь в виду особенность горения дуги в кабелях с бумажной изоляцией, пропитанной масляно-канифольной мастикой, (прерывистая дуга), и либо не использовать выдержку времени, либо пользоваться ею крайне осторожно, принимая соответствующие решения на основании результатов опытной эксплуатации.
Большинство импортных релейных терминалов имеют опции, обеспечивающие их правильное функционирование в режимах с прерывистой дугой. Для этого в них предусматривается возможность использовать задержку времени на возврат токового органа после его кратковременного срабатывания. Выбрав время возврата больше длительности бестоковой паузы в дуге, обеспечивают правильную работу защиты, в частности, на кабелях с бумажно-масляной изоляцией. При этом защита может действовать как мгновенно, так и с выдержкой времени, но при выборе ступени селективности следует учитывать введенную задержку на возврат. При этом ступень селективности увеличивается. Удобно использовать «токозависимые» выдержки времени.
Перечисленные защиты содержат фильтры, выделяющие синусоидальную составляющую промышленной частоты, что позволяет существенно улучшить отстройку от режима внешних дуговых замыканий. Использование таких фильтров вызывает обоснованную тревогу некоторых специалистов, поскольку трудно гарантировать их правильную работу, например, в процессе горения перемежающейся дуги. Однако отказ от использования этих фильтров резко снижает селективность защиты.
^
Установка в сети заземляющего резистора облегчает условия выбора уставок и улучшает селективность работы релейных защит от ОЗЗ.
При защите асинхронных двигателей коэффициент броска при установке заземляющего резистора для всех видов используемых реле может быть снижен до значения Кбр= 1,2...1,3. Иногда при расчете защиты от ОЗЗ кабельных фидеров 6–10 кВ и наличии заземляющего резистора предлагается принимать Кбр= 1,2...1,5.
В результате при установке в сети заземляющих резисторов ток срабатывания ненаправленных защит от ОЗЗ может быть несколько снижен.
Проще обеспечить и чувствительность защиты, поскольку через защиту поврежденной линии теперь протекает сумма соответствующих емкостных токов и активного тока заземляющего резистора:
, (4)
причем I'C? – суммарный емкостный ток сети за вычетом емкостного тока защищаемого фидера, IR – ток заземляющего резистора.
Коэффициент чувствительности защиты по-прежнему определяется по (2).
Наибольший эффект установка резистора дает в сетях с малыми токами ЗI0 в минимальном режиме, т.е. когда по каким-то причинам (ремонт, необходимость технологического цикла и т.д.) некоторые присоединения в сети отключаются и ее емкостный ток уменьшается. В следующем номере журнала мы расскажем об особенностях применения более совершенных защит от ОЗЗ.
Часть 4
ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ
^
ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА
Специалисты существенно расходятся во мнениях относительно таких основополагающих для расчета величин, как коэффициент броска, нормируемый коэффициент чувствительности и т.д. Эти расхождения объясняются различными результатами, полученными в основном в процессе эксплуатации защит от ОЗЗ. Однако это никак не оправдывает пассивности таких организации, как, например, РАО «ЕЭС России», призванных обеспечить разработку нормативных материалов, которые позволили бы проектантам грамотно выбирать виды защиты от ОЗЗ, рассчитывать уставки и проверять чувствительность соответствующих устройств. В настоящее время такие нормативные документы отсутствуют, что существенно затрудняет работу специалистов, занятых проектированием и эксплуатацией устройств защиты от ОЗЗ, и заметно снижает качество этой работы. Существуют и объективные факторы, затрудняющие создание такого рода нормативных документов.
Основная проблема, на взгляд автора настоящей статьи, заключается в том, что сильно отличаются как условия эксплуатации, так и основные характеристики применяемых в настоящее время в России устройств защиты от ОЗЗ. То, что справедливо в одном случае, в другом – сомнительно, а в третьем и вовсе неправильно. Разработать нормы, применимые во всех без исключения случаях, чрезвычайно сложно. Выход может заключаться в разделении всех защищаемых объектов и устройств защиты от ОЗЗ на отдельные достаточно узкие классы и разработке нормативов для каждого класса объектов.
В последнее время были «узаконены» два новых режима заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: резистивное заземление и заземление через параллельно включенные дугогасящий реактор и заземляющий резистор. Это нововведение также требует пересмотра методики расчета уставок защит от ОЗЗ в таких сетях. Рассмотрим вопросы выбора уставок на конкретном примере.
^
На рис.1 приведена упрощенная схема сети, применительно к которой выберем типы защит и рассмотрим выбор уставок.
Схема питается от одного трансформатора Тр1 напряжением 110/35/10 кВ, причем по стороне 35 кВ от шин отходит всего одна питающая линия ЛЭП1, в цепи которой есть выключатель и на которой установим комплект защиты РЗ. На некотором расстоянии от подстанции ЛЭП1 разветвляется и дальше параллельно (две цепи на одной опоре в габаритах 110 кВ) идут линии ЛЭП2 и ЛЭП3, от каждой из которых запитан соответствующий понижающий трансформатор Тр2 и Тр3 напряжением 35/10 кВ. В цепях ЛЭП2 и ЛЭП3 со стороны питающей подстанции выключатели отсутствуют, установлены только разъединители. После разъединителей имеются достаточно протяженные кабельные вставки. Нейтрали обмоток 35 кВ Тр1, Тр2, Тр3 выведены, и к ним могут быть подключены заземляющие резисторы R1, R2 и R3 соответственно.
Рис.1.
Схема сети
На разветвлении, где ЛЭП1 переходит в ЛЭП2 и ЛЭП3, установим два комплекта селективной сигнализации «поврежденного участка» КС1 и КС2 для селективного определения поврежденной линии (ЛЭП2 или ЛЭП3). На стороне 10 кВ питающего трансформатора Тр1 имеется распределительное устройство, от которого питается несколько линий. Одна из этих линий, подключенная к РУ-10 кВ через соответствующий выключатель, конструктивно выполнена как вторая цепь, проложенная параллельно линии ЛЭП1 на тех же опорах (выполненных в габаритах 110 кВ) и дальше уходящая «в сторону» и выполненная на отдельных опорах.
В районе прокладки воздушных линий ЛЭП1, ЛЭП2, ЛЭП3 имеются участки со скальным грунтом, обладающим большим удельным сопротивлением, т.е. при обрыве провода ЛЭП и падении его на землю возможно появление большого переходного сопротивления.
Следует отметить, что приведенная схема не является плодом воображения автора настоящей статьи, а в несколько упрощенном виде соответствует реальному, весьма ответственному объекту, в проектировании для которого релейной защиты от ОЗЗ и селективной автоматики КС1 и КС2 автор принимал участие. Расчеты показали, что в рассматриваемой сети при ОЗЗ возможны значительные (порядка 3,7 от фазного напряжения) перенапряжения, которые могут привести к повреждению дорогостоящего оборудования. Было принято решение для подавления перенапряжений и феррорезонансных явлений установить заземляющие резисторы.
Рассматривались два варианта их установки:
только на питающей подстанции 110/35/10 кВ;
два модуля параллельно на питающей подстанции и по одному модулю в нейтрали соответственно Тр2 и Тр3.
^
Поскольку в цепи ЛЭП1 установить кабельную вставку нет возможности, а питающая линия ЛЭП1 одна, было принято решение на ЛЭП1 установить защиту от ОЗЗ, реагирующую на напряжение нулевой последовательности. В результате на питающей подстанции было установлено два комплекта такой защиты: первый (основной) комплект присоединен к однофазному трансформатору напряжения, включенному параллельно заземляющему резистору R1. Второй (резервный) комплект присоединен к трехфазной группе трансформаторов напряжения, установленных на шинах 35 кВ питающей подстанции. Комплекты селективной сигнализации выполнены в виде токовых реле, о выборе типов и расчете уставок которых будет сказано в дальнейшем.
^
Уставки защиты должны быть выбраны так, чтобы:
защита не срабатывала от небалансов, которые могут появиться в сети при отсутствии в ней ОЗЗ;
защита срабатывала при ОЗЗ на воздушной ЛЭП при падении провода на грунт и возникновении большого переходного сопротивления.
Анализ показал, что удовлетворить сразу обоим указанным требованиям весьма непросто.
Автор настоящей статьи не нашел в известных ему публикациях указаний по поводу расчета уставок защиты от ОЗЗ, реагирующей на напряжение нулевой последовательности. К тому же основные положения расчета уставок защит, реагирующих как на напряжения, так и на токи нулевой последовательности, близки. По этой причине ниже рассмотрены основные положения по выбору уставок и проверке чувствительности таких защит.
^
Небаланс, связанный с разными емкостями фаз воздушных ЛЭП относительно земли Uнб.см.н.
Расположение фазных проводов воздушных ЛЭП в рассматриваемом случае – вертикальное: один провод над другим, а над ними – провод третьей фазы. В результате, как показали расчеты, максимальное различие фазных емкостей относительно земли (между верхней и нижней фазой) составило около 20%. Это привело к смещению нейтрали (небалансу), определяемому по следующему выражению:
,
; 
; 
; 
, (2)
В (2) CA , CB , CC– емкости относительно земли фаз А, В и С соответственно; RN– общее сопротивление всех заземляющих резисторов, включенных в нейтрали трансформаторов.
Включенные в нейтрали сторон 35 кВ трансформаторов заземляющие резисторы R1, R2, R3 существенно снизили рассматриваемую составляющую небаланса, но из-за отсутствия транспозиции проводов ЛЭП (изменения расположения проводов относительно земли) она составила 2,2% от номинального напряжения.
Для того чтобы «симметрировать» сеть, было предложено выполнить транспозицию проводов «на шинах», т.е. после развилки на ЛЭП2 и ЛЭП3 расположить провода в фазах иначе, чем на ЛЭП1. Это предложение было принято и реализовано на практике. При одинаковом расположении проводов в ЛЭП2 и ЛЭП3 небаланс снизился до 1,2%. Если же расположить провода во всех трех ЛЭП по-разному, то рассматриваемая составляющая небаланса составит примерно 0,4%. Однако при этом следует помнить, что одна из ЛЭП2 или ЛЭП3 может быть длительно отключена и тогда в расчетах придется принимать небаланс порядка 1,44% (эта величина была рассчитана для случая отключения одной из линий – ЛЭП2 или ЛЭП3).
^
Расчеты показали, что при возникновении ОЗЗ в сети 10 кВ за счет межцепных емкостей на линиях ЛЭП1 и ЛЭП4, размещенных на общих опорах, в сети 35 кВ нейтраль дополнительно сместится (появится небаланс). На рис. 2 показаны учитываемые при расчете емкости линий ЛЭП1 и ЛЭП4, а на рис. 3 приведена схема замещения, в соответствии с которой может быть определена рассматриваемая составляющая небаланса.
Рис. 2. Учитываемые в расчете емкости
C1 – емкость относительно земли трех фаз линии ЛЭП1;
CM – межцепная емкость между цепями (всех трех фаз) 35 кВ и 10 кВ на ЛЭП1 и ЛЭП4;
C2 – емкость трех фаз сети 10 кВ относительно земли.
Рис. 3. Расчетная схема для определения небаланса, вызванного влиянием ЛЭП4
EФ – фазная ЭДС в месте замыкания на землю в сети 10 кВ;
СМ – суммарная межфазная емкость между цепями 10 кВ и 35 кВ линий ЛЭП1 и ЛЭП4;
E3 – суммарная емкость трех фаз относительно земли в сети 35 кВ;
RN2 – результирующее сопротивление заземляющих резисторов в сети 35 кВ.
Значения рассматриваемой составляющей небаланса UN2 нетрудно рассчитать в соответствии с рис. 3. Если замыкание на землю в сети 10 кВ возникает при полностью включенной сети 35 кВ, то «смещение нейтрали» сети 35 кВ составит примерно 2,75% фазного напряжения. Если ОЗЗ в сети 10 кВ возникнет при отключении ЛЭП2 или ЛЭП3, то «смещение нейтрали» составит 4,3% от фазного.
Небаланс, вызванный неидентичностью характеристик фаз трансформатора напряжения Uнб.нес. ТН Практические замеры небалансов на выводах соединенных по схеме «разомкнутый треугольник» обмоток трансформаторов напряжения 35 кВ показывают, что у большинства трансформаторов напряжение небаланса, вызванного неидентичностью фаз, не выходит за пределы 1–1,5 В, что соответствует 1–1,5% первичного фазного напряжения.
В основном комплекте защиты этот небаланс будет отсутствовать, поскольку напряжение нулевой последовательности здесь снимается непосредственно с нейтрали силового трансформатора.
В резервном комплекте этот небаланс будет присутствовать, и от него защиту надо будет отстроить.
^
В рассматриваемой сети отсутствуют нагрузки, имеющие непосредственную связь с землей, поэтому небаланс, вызванный неравенством фазных токов таких нагрузок, не рассматриваем. Однако заземляющие резисторы, включенные в нейтрали понижающих трансформаторов Тр2, Тр3, могут вызвать в защите сети 35 кВ дополнительную составляющую небаланса. Это связано с тем, что из-за несимметрии нагрузок в сети 0,4 кВ могут возникнуть разные токи в фазах сети 10 кВ. Трансформируясь в сеть 35 кВ, эти токи могут привести к смещению нейтрали 35 кВ относительно земли.
Обычно такое смещение не приводит к небалансу по напряжениям и токам нулевой последовательности в сети 35 кВ, однако при наличии заземляющих резисторов в нейтралях понижающих трансформаторов Тр1 и Тр2 приводит к тому, что смещение их нейтралей вызывает появление дополнительного небаланса токов и напряжений нулевой последовательности. Для того чтобы рассчитать эту составляющую небаланса, необходимо знать разницу в нагрузках фаз. На стадии проектирования эти данные отсутствовали.
Предварительно значение рассматриваемой составляющей небаланса было принято равным 2,5% фазного напряжения. В процессе эксплуатации значения небаланса в различных режимах должны быть уточнены замерами реальных величин.
^
Уставка по напряжению защиты от ОЗЗ определяется, как
, (3)
где Кн – коэффициент запаса, величина которого может быть принята равной 1,2–1,3;
(4)
При выборе уставки для основного комплекта защиты величину Uнб. нес. ТН учитывать не следует.
, (5)
где Uф – фазное напряжение.
Уставка защиты по времени была выбрана равной 1,0 с для того, чтобы согласовать по селективности релейную защиту, установленную на питающей подстанции, и селективную сигнализацию КС1 и КС2.
^
Выше отмечалось, что в рассматриваемом случае воздушные линии проложены по территории, для которой характерны участки с высоким удельным сопротивлением грунта (скальный грунт). Кроме того, зимой возможно падение провода на снег, что также приводит к появлению в месте ОЗЗ большого переходного сопротивления.
Предлагается определять напряжение нулевой последовательности 3U0 при ОЗЗ через переходное сопротивление RП следующим образом:
, (6)
где b – коэффициент полноты замыкания.
Комплексное значение коэффициента b может быть определено по следующему выражению:
, (7)
где RП – значение переходного сопротивления в месте ОЗЗ;
C? – суммарная емкость сети;
ZН– сопротивление, через которое нейтраль сети соединена с землей.
Путем несложных преобразований можем найти модуль b величины.
, (8)
где YR = 1 / RN;
YC – емкостная проводимость сети.
Общее сопротивление заземляющих резисторов в рассматриваемом случае
равнялось 2 кОм, суммарный расчетный емкостный ток в месте ОЗЗ в полной схеме сети – IC =19,7 А. Учитывая, что
, 1/Ом , (9)
в соответствии с (8) легко определить величину b для данной конкретной сети при различных значениях переходного сопротивления RП .
Величина b тесно связана с расчетным коэффициентом чувствительности защиты Кч . Защита перестанет чувствовать ОЗЗ при 
. Если принять значение нормируемого коэффициента чувствительности равным 2,0, то в рассматриваемом случае защита будет чувствовать ОЗЗ с переходным сопротивлением не больше 1,3 кОм. Если же принять Кч.норм = 1,5, то предельное переходное сопротивление, при котором защита еще будет ощущать ОЗЗ, составит примерно 0,7 кОм.
Достаточна ли такая чувствительность защиты для рассматриваемого объекта?
В одном из опытов ОЗЗ на воздушной ЛЭП в сети 35 кВ было отмечено переходное сопротивление порядка 5,0 кОм.
В результате можно прийти к выводу, что нормируемые коэффициенты чувствительности могут не обеспечить необходимой чувствительности защиты воздушных ЛЭП от ОЗЗ на рассматриваемом силовом объекте.
В соответствии с описанным выше, уставка по напряжению для основного комплекта защиты, установленного на питающей подстанции, была принята равной 12% фазного напряжения, что соответствует предельному переходному сопротивлению, равному 7,0 кОм. Уставка резервного комплекта с учетом дополнительного небаланса, вызванного неидентичностью фаз измерительного трансформатора напряжения, составила 14%, что соответствует предельному значению RП, равному 6,0 кОм. В принципе можно представить себе ситуацию (зима, сухой снег), когда переходное сопротивление превысит расчетные значения. Каков же выход из создавшегося положения? Ясно, что невозможно во всех реальных случаях обеспечить чувствительность защиты от ОЗЗ, реагирующей на токи и напряжения нулевой последовательности, к замыканиям на землю, сопровождающимся значениями в десятки килоом. В то же время лежащий на земле провод линии 35 кВ, находящийся под напряжением, может представлять большую опасность для туристов и других людей, которые могут оказаться в районе трассы ЛЭП. Установка защиты от обрывов, реагирующей на ток обратной последовательности, не всегда эффективна на ЛЭП, имеющих малые токи нагрузки в нормальном режиме работы, как это имеет место на рассматриваемом объекте.
Удачное решение предлагаемой задачи имеется в принятой к установке защите от ОЗЗ типа Р-142 фирмы AREVA. Здесь есть специальная опция обнаружения обрыва проводов воздушных ЛЭП. Защита содержит элемент, который измеряет отношение токов обратной последовательности и прямой последовательности (I2 / I1). Оно будет меняться в меньшей степени, чем измерение тока обратной последовательности, так как отношение почти неизменно при изменении тока нагрузки. Следовательно, можно получить более низкую уставку и чувствительную защиту. Для успешной работы защиты требуется минимальное значение тока обратной последовательности, равное 8% от тока прямой последовательности. Проведенные натурные испытания подтвердили адекватность выбранных типов защит требованиям защищаемого объекта. Выбранные уставки также не потребовали изменений.