ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 КВ. РАСЧЕТ УСТАВОК НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ

Алексей Шалин, д.т.н., профессор
Елена Кондранина, бакалавр
Кафедра электрических станций,Новосибирский государственный технический университет

В предыдущих номерах журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(39), 4(40), 5(41) 2006, www.news.elteh.ru) были опубликованы статьи, в которых новосибирские ученые рассмотрели разновидности небалансов в направленных токовых защитах от однофазных замыканий на землю, а также порядок их расчета.
Сегодня авторы предлагают читателям разработанную ими методику расчета уставок направленных защит в сетях с резистивно-заземленной нейтралью.

На рис. 1 приведена схема радиальной сети, на примере которой рассмотрим некоторые особенности расчета уставок направленных токовых защит в сетях с резистивным заземлением нейтрали. В сети установлен один заземляющий резистор – в нейтрали питающего трансформатора. На рис. 2 показано токораспределение при ОЗЗ в рассматриваемой сети. Силовой питающий трансформатор на схеме не указан.
В рассматриваемой схеме следует установить как минимум два вида защит от ОЗЗ:

• на отходящих фидерах;
• на вводе.

ЗАЩИТА ОТХОДЯЩЕГО ФИДЕРА

В настоящее время на отечественном рынке представлено значительное количество устройств направленной защиты от ОЗЗ, которые могут быть использованы в резистивно-заземленных сетях по рис. 1, 2. Наибольшее распространение получили направленные токовые защиты, реагирующие на составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности, с фазовыми характеристиками двух типов, изображенных на рис. 3. Фазовой характеристикой первого типа (рис. 3, а) обладает, например, защита типа УЗЛ производства НГТУ [1] (похожую характеристику имеет также защита типа ЗЗН отечественного производства и ряд микропроцессорных импортных защит [2–8]). Такие защиты реагируют как на активную, так и на емкостную составляющие токов ОЗЗ.

Рис. 1. Схема сети

Рис. 2. Токораспределение при ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора

C₁, C₂, C₃ – суммарные емкости относительно земли трех фаз линий Л-1, Л-2, Л-3 соответственно;
R – сопротивление заземляющего резистора;
R_П – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;
_A – фазная ЭДС в месте ОЗЗ.

Фазовой характеристикой второго типа (рис. 3, б) обладают защиты, реагирующие только на активную (или только на емкостную) составляющую тока нулевой последовательности. Эти защиты также содержатся в некоторых импортных микропроцессорных терминалах.
При выборе типа защиты следует иметь в виду, что характеристика первого типа обеспечивает работоспособность защиты не только в нормальном режиме – при наличии в сети заземляющего резистора, но и при выходе последнего из строя и работе сети в режиме с изолированной нейтралью. Защита при этом будет работать хуже, но в принципе останется работоспособной.
Характеристика второго типа в большей степени соответствует самой идее использования заземляющего резистора – защита срабатывает только в том присоединении, по которому протекает активный ток этого резистора, т.е. идеально выявляет поврежденное присоединение. Однако при выходе заземляющего резистора из строя сеть остается без защиты от ОЗЗ. При применении таких защит целесообразно использовать надежные заземляющие резисторы, способные длительное время находиться под напряжением без опасности перегреться и выйти из строя. Не следует подключать резисторы через длинные кабели, которые могут часто повреждаться. Кроме того, как будет показано ниже, защиты такого рода следует применять с кабельными трансформаторами тока нулевой последовательности, не дающими значительных угловых погрешностей.
Применительно к микропроцессорным терминалам возможно одновременное использование обеих характеристик, например, переключаясь (автоматически или дистанционно по команде диспетчера) с одной характеристики на другую при изменении режима работы силовой системы.
Следует отметить, что при использовании любой из характеристик (рис. 3) в процессе монтажа и наладки защиты необходимо провести весьма ответственную операцию: фазировку цепей тока и напряжения. Следует убедиться в том, что полярность цепей тока и напряжения для каждого устройства защиты выдержана правильно и соответствующее устройство будет работать при ОЗЗ на защищаемом присоединении и не станет срабатывать при внешних ОЗЗ. Опыт работы показывает, что без такой проверки, сопровождающейся опытами искусственного ОЗЗ, невозможно быть полностью уверенным, что схема защиты собрана верно.

Рис. 3. Фазовые характеристики направленных токовых защит от ОЗЗ, применяемых в резистивно-заземленных сетях:
а – характеристика первого типа;
б – характеристика второго типа

Прежде чем приступить к выбору параметров защит от ОЗЗ, рассмотрим некоторые основные положения. В разных источниках по-разному представлены векторные диаграммы токов и напряжений нулевой последовательности при ОЗЗ. На рис. 4 показана векторная диаграмма, встречающаяся в некоторых источниках. Здесь полярность напряжения нулевой последовательности 3₀ на выводах вторичной обмотки трансформатора напряжения, собранной по схеме «разомкнутого треугольника», представлена обратной относительно соответствующего первичного напряжения. Вектор тока 3_0повр в поврежденной линии состоит из емкостной составляющей 3_C и активной 3_R и опережает вектор напряжения 3₀ на угол j _П, зависящий от отношения тока заземляющего резистора и суммарного емкостного тока сети, а также от значения емкостного тока поврежденного присоединения (подробнее см. в [9]).
Вектор тока нулевой последовательности в неповрежденной линии 3_0неп отстает от напряжения 3₀ на угол, несколько превышающий 90 электрических градусов (из-за учета тока активной утечки через изоляцию).
На рис. 5 представлена характеристика реле защиты, соответствующая изображенной на рис. 3, а (в предположении, что вектор вторичного напряжения повернут относительно аналогичного вектора первичного напряжения в противоположную сторону). В международной практике принято говорить, что такая характеристика соответствует коду ANSI 67N/67NS.
Расчет параметров защиты начнем с выбора характеристического угла j ₀, соответствующего середине зоны срабатывания. В [9] показано, что угол j _П тока 3_0повр в поврежденной линии при I_R = I_{C S} (где I_R – ток заземляющего резистора, I_{C S} – суммарный емкостный ток сети) может лежать в пределах от –45 до 0 электрических градусов. Очевидно, что значение характеристического угла j ₀ желательно установить в тех же пределах. Если I_R I_{C S} , пределы изменения угла j _П изменяются, тогда может быть выбрано другое значение угла j ₀.

Рис. 4. Векторная диаграмма токов и напряжений нулевой последовательности при ОЗЗ в сети

ЗОНА СРАБАТЫВАНИЯ

Для защиты с характеристикой первого типа эта зона должна с запасом охватывать диапазон углов от 0 до –90 электрических градусов. Такая защита должна правильно работать как при протекании по поврежденной ЛЭП только активного тока (например, если по условиям эксплуатации в работе осталась одна линия и на ней произошло замыкание), так и в режимах, когда заземляющий резистор по какой-то причине отключен и по линиям протекает лишь емкостная составляющая тока. Примем j ₀ = –45 О , как показано на рис. 5. Не во всех случаях удается реально выставить такое значение угла, но в большинстве устройств это значение входит в допустимый набор. Если значение j ₀ = –45 О выставить не удается, следует принять ближайшее значение из возможных.
Угол j ₁ часто называют термином «сектор». В большинстве устройств защиты его значение можно выставить в пределах 76–86 электрических градусов, при этом j ₁ = j ₂. Очевидно, что выбранная описанным выше образом зона срабатывания защиты с запасом «перекрывает» диапазон от 0 до –90 электрических градусов, обеспечивая эффективную работу защиты как при наличии, так и при выходе из строя заземляющего резистора. Имеющийся запас учитывает следующие погрешности:

• Отечественные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) при малых первичных токах, а также при больших токах и значительной нагрузке по вторичным цепям способны давать весьма большие угловые погрешности (например, по данным изготовителей, при малых, порядка долей ампера, токах – до 30 электрических градусов). При больших токах в десятки ампер угловые погрешности в большой степени зависят от вторичной нагрузки ТТНП, но их величина также может быть значительной. По этой причине многие производители защит от ОЗЗ четко оговаривают те типы ТТНП, с которыми их защиты способны эффективно работать.
• Еще хуже дело обстоит, если в качестве источника токов нулевой последовательности используется трехтрансформаторный фильтр, как это обычно бывает в сетях 35 кВ.В этом случае для расчета небаланса на выходе такого фильтра целесообразно использовать руководящие указания [10]. Большинство импортных чувствительных защит от ОЗЗ требуют установки в сетях с воздушными ЛЭП кабельных вставок, в цепь которых включаются специальные кабельные ТТНП.
• Значения углов j ₁, j ₂ в некоторых устройствах защиты существенно зависят от напряжения 3₀. При ОЗЗ через переходное сопротивление углы j ₁, j ₂ могут уменьшаться по сравнению со случаем металлического ОЗЗ. При этом зона защиты сужается и устройство может отказать в срабатывании.
• Описанные выше особенности относились к необходимости обеспечить высокую «устойчивость функционирования» защиты в режиме повреждения на защищаемом объекте. С этой точки зрения при внешних ОЗЗ также важен угол между током нулевой последовательности в защите неповрежденного присоединения и правой верхней границей зоны срабатывания: j _зап = 90 – j ₁ + j ₀. При выбранных выше параметрах фазовой характеристики j _зап > 45 O , что в большинстве случаев с запасом перекрывает возможные угловые погрешности ТТНП и обеспечивает недействие защиты при внешних ОЗЗ.

Рис. 5. Характеристика реле защиты

ВЫБОР УСТАВКИ ПО ТОКУ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ I_СЗmin

Это является следующим важным этапом расчета уставок. Как известно, минимальный ток срабатывания направленных токовых защит не требуется отстраивать от емкостного тока защищаемого присоединения при внешнем ОЗЗ (см. рис. 2). Его надо отстраивать от суммарного максимального тока небаланса I_{нб S} , который может протекать по рассматриваемому устройству защиты при внешнем ОЗЗ и вектор которого может располагаться в пределах зоны срабатывания защиты:

где k_н– коэффициент запаса, значение которого можно принять равным 1,2 (для микропроцессорных терминалов иногда допускается k_н = 1,1–1,15).
Строго говоря, значение I_{нб S} необходимо рассчитать с учетом рекомендаций, приведенных в [11]. Отстроиться от экстремальных небалансов, возникающих, например, при явлениях феррорезонанса, как правило, не удается, но от «рядовых» небалансов отстроиться необходимо. Сложность в том, что в процессе проектирования защиты обычно нет достаточной информации для вычисления некоторых составляющих суммарного небаланса и пользоваться рекомендациями [11] чаще приходится уже в процессе эксплуатации, когда необходимая информация доступна.
В процессе проектирования защиты можно исходить из обратного: обеспечения необходимой чувствительности. Например, при расчете уставок защиты кабельной линии, при ОЗЗ на которой не бывает больших переходных сопротивлений, можно определить значение I_СЗmin следующим образом:

где k_ч.норм = 1,5–2 – нормируемый коэффициент чувствительности.
Выбранное по (2) значение I_СЗmin обеспечивает необходимую чувствительность защиты с запасом в режиме, когда заземляющий резистор исправен и нормально работает. Для обеспечения необходимой чувствительности защиты при выходе из строя заземляющего резистора следует дополнительно к (2) обеспечить справедливость условия (3):

где I ‘ _СS – суммарный минимальный емкостный ток сети за вычетом емкостного тока защищаемого присоединения в реальном «минимальном» режиме сети.
Из двух полученных по (2), (3) значений I_СЗmin, необходимо принять меньшее.
В процессе эксплуатации придется убедиться в том, что выбранное по условиям (2), (3) значение I_СЗmin соответствует также условию (1), т.е. защита не сработает излишне при внешних ОЗЗ от реально существующих в сети небалансов.

Рис. 6. Зависимая характеристика выдержки времени защиты от ОЗЗ

При расчете уставок защиты воздушной линии, кроме условий (2), (3), необходимо в соответствии с рекомендациями [12] рассчитать максимальное переходное сопротивление R_ПЕР, при котором защита будет способна отключить ОЗЗ и проверить, соответствуют ли они условиям эксплуатации. Желательно, чтобы защита была способна «чувствовать» ОЗЗ через переходное сопротивление порядка 3–5 кОм.

ВЫБОР УСТАВКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ U_СЗmin

Опыт показывает, что небаланс по напряжению нулевой последовательности 3_0неб чрезвычайно редко (при отсутствии феррорезонанса) превышает значение 2,5 В. В связи с этим можно принять U_СЗmin = 5–7,5 В. При этом следует иметь в виду, что рассматриваемое устройство защиты от ОЗЗ будет чувствительнее стандартных устройств сигнализации по 3₀, имеющих уставку порядка 20 В, т.е., например, при срабатывании защиты на сигнал устройство сигнализации может и не сработать.

ВЫБОР УСТАВКИ ПО ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ t_ср

Время срабатывания защиты отходящего фидера определяется несколькими факторами: видом силовой установки, наличием распределительных пунктов или подстанций, питающихся от изображенных на рис. 1 фидеров, и т.д. Возможны также постоянная выдержка времени, не зависящая от входных сигналов защиты, и «токозависимая» выдержка времени типа изображенной на рис. 6.
В предыдущих статьях отмечалось, что защиты от ОЗЗ, не имеющие выдержки времени или с выдержкой времени порядка 0,1–0,2 с, в большей степени, чем при наличии выдержки времени 0,5–2,0 с, подвержены действию помех и «склонны неправильно работать» в переходных режимах. Однако имеются силовые объекты, например, карьеры и шахты, для которых нормативно определяется мгновенно действующая первая ступень защиты (защита отходящего фидера) и нормируется на уровне 0,5–0,7 с время действия второй ступени – защиты ввода. Для многих других силовых объектов вполне возможно введение выдержки времени порядка 0,5–2,0 с, что позволяет повысить помехозащищенность и в некоторых случаях несколько снизить уставки пусковых органов.
Например, в схеме по рис. 1 в случае, если отходящие фидеры питают распределительные пункты (РП) или подстанции, необходимо выдержку времени выполнить на уровне 1–1,5 с, чтобы на питаемых РП можно было принять выдержку времени 0,5 с. Следует иметь в виду, что вследствие более высокой по сравнению с традиционными реле точностью работы микропроцессорных терминалов ступень селективности для них может быть принята на уровне порядка 0,25 с.
На рис. 6 изображена токозависимая выдержка времени. В действительности МЭК и фирмы-производители предлагают потребителям больше 10 стандартных характеристик такого рода (см., например, их описание в [13]). Считается, что такие характеристики повышают селективность защиты. Действительно, при ОЗЗ по поврежденному присоединению протекает сумма емкостных токов остальных фидеров и ток заземляющего резистора. Если на защитах всех присоединений установить одинаковую токозависимую характеристику, то защита поврежденного присоединения сработает раньше (с выдержкой времени t₂) и подействует на его отключение, в то время как выдержка времени защит неповрежденных присоединений (t₁) еще не истекла. При действии защит на сигнал после срабатывания первой из защит действие остальных необходимо блокировать, иначе впоследствии по положению сигнальных реле невозможно будет выявить поврежденное присоединение.

ВРЕМЯ ЗАПОМИНАНИЯ

Во многих западных микропроцессорных терминалах имеется опция запоминания «клевка» защиты на время до 0,3 с. Эта опция весьма полезна, например, при установке защиты на отечественных кабелях с бумажно-масляной изоляцией, ОЗЗ в которых характеризуются «прерывистой» дугой. В кабеле возникает ОЗЗ, дуга разлагает мастично-масляную пропитку. В образовавшемся газовом пузыре дуга гаснет и образуется бестоковая пауза, во время которой защита от ОЗЗ, если она имеет задержку на срабатывание, может вернуться в исходное состояние. Затем дуга загорается снова и весь процесс повторяется. Опция запоминания клевка защиты не дает ей вернуться в исходное состояние во время бестоковой паузы, если эта пауза длится не более 0,3 с (эту величину можно регулировать).

ЗАЩИТА ВВОДА

К сожалению, на большинстве энергетических объектов (кроме шахт и карьеров) специальная защита вводов от ОЗЗ в настоящее время не предусматривается. В [14] и других источниках было показано, что при ОЗЗ на кабельной разделке защита соответствующего фидера не способна сработать, что может привести к весьма неприятным последствиям. Спасти ситуацию может защита ввода, которая обеспечит правильную работу всей системы также при перепутывании фаз первичных проводников, описанном в [14]. Например, в случае, изображенном на рис. 1, такая защита может быть выполнена по признаку наличия на шинах напряжения нулевой последовательности 3 в течение времени, превышающего максимальную из выдержек времени отходящих присоединений. Напряжение срабатывания такой защиты UСР. ВВОДА надо отстроить от максимального из напряжений срабатывания защит отходящих присоединений U_{СЗ.ФИДЕРА}: U_{СР. ВВОДА} = k_нU_{СЗ. ФИДЕРА}, где k_н = 1,2.
Если ввод представляет собой линию, запитанную от «предыдущей» подстанции, то защита ввода по напряжению 3U₀ может действовать неселективно при ОЗЗ «левее» (по рис. 1) сборных шин рассматриваемой подстанции. Тогда защита ввода должна быть выполнена в виде селективной токовой, причем принципы расчета ее уставок аналогичны рассмотренным выше.
Размеры журнального материала не позволяют рассмотреть выбор уставок защиты при характеристике, изображенной на рис. 3, б. Этому вопросу уделим внимание в следующей статье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шалин А.И., Щеглов А.И. Централизованная защита от замыканий на землю в сетях 35 кВ // Известия РАН (Российской академии наук). Энергетика. – 2002. – № 2. –С. 104–116.
2. Защита при однофазных замыканиях на землю типа ЗЗН. Руководство по эксплуатации БКЖИ.647 649.001-04 РЭ1. 1998.
3. Комплектное устройство защиты и автоматики линии 6–10 кВ SPAC 805. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ГЛЦИ.656122.032-13 ТО. АББ Реле-Чебоксары, 2000.
4. Защита электрических сетей. Sepam 1000+ серии 40. Merlin Gerin. Руководство по установке и применению. Материалы фирмы Schneider Electric.
5. Защита электрических сетей. Sepam Merlin Gerin. Серия 80. Каталог 2003. Материалы фирмы Schneider Electric.
6. Серия направленных/ненаправленных токовых реле MiCOM P141, P142, P143. Технические материалы фирмы AREVA.
7. SIPROTEC 7SJ62. Многофункциональное реле защиты с функциями управления ячейкой. Материалы фирмы SIEMENS.
8. Устройство защиты и автоматики присоединения серии F60. Материалы фирмы General Electric.
9. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Направленные защиты. Особенности применения // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 6 (36). – С. 52–55.
10. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110–500 кВ. Расчеты. – М.: Энергия, 1980. – 87 с.
11. Шалин А.И., Хабаров А.М. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Небалансы // Новости ЭлектроТехники. – 2006. –№ 3(39), с. 51–54. – № 4(40), с. 49–52. – № 5(41), с. 57–60.
12. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчета уставок // Новости ЭлектроТехники – 2005. – № 4(34). – С. 52–55.
13. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. – СПб.: ПЭИПК, 2003. – 350 с.
14. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Случаи неправильных действий защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2(32). – С. 58–61.