К повреждениям в сетях напряжением 6-10 кВ относятся замыкание одной фазы на землю и многофазные (двух- и трехфазные) КЗ, в том числе замыкания на землю разных фаз (двойные и тройные КЗ). Обычно замыкания на землю двух фаз являются результатом развития замыкания одной фазы на землю (однофазного замыкания на землю).

Однофазные замыкания на землю являются основным видом повреждений и характеризуются повышением напряжения неповрежденных фаз относительно земли в раз при металлическом замыкании и в 3÷4 раза при дуговых замыканиях. Это часто приводит к пробою изоляции, переходу однофазного замыкания в двойные и тройные замыкания и появлению многоместных замыканий на землю с повреждением до 4-5 кабелей. При этом по поврежденным фазам проходят токи КЗ. Сказанное объясняет необходимость применения в этих сетях защиты от однофазных замыканий на землю. ПУЭ предписывают выполнять эту защиту в одном из следующих видов:

селективной защиты (устанавливающей поврежденное присоединение), действующей на сигнал;

селективной защиты (устанавливающей поврежденное присоединение), действующей на отключение, когда это необходимо по требованиям безопасности. Защита должна быть установлена на питающих элементах сети;

устройства контроля изоляции. Отыскание поврежденного элемента допускается осуществлять поочередным отключением присоединений.

Защита от однофазных замыканий, как правило, использует информацию от трансформаторов тока нулевой последовательности.

Защита от многофазных КЗ одиночных линий с односторонним питанием выполняется в виде двухступенчатой токовой защиты. Первая ступень - токовая отсечка, чаще всего, без выдержки времени; вторая - максимальная токовая защита с независимой или зависимой от тока выдержкой времени. Защита линий с двухсторонним питанием часто имеет дополнительный орган - реле направления мощности. Более сложные защиты, например, дистанционная, обычно не применяются.

Защита от замыканий на землю чаще всего выполняется с трансформаторами тока нулевой последовательности (ТНП) и реле тока типа РТЗ-50, РТЗ-51. ТНП представляет собой трансформатор тока, имеющий в качестве первичной обмотки провода трех фаз линии (рис. 1). Магнитный поток, созданный токами трех фаз линии, содержит только утроенную составляющую нулевой последовательности 3Ф 0 , поэтому по вторичной цепи этого трансформатора проходит ток I 2 = 3I 0 /К 1 , где К 1 коэффициент трансформации ТТ. Составляющие нулевой последовательности (ток, напряжение) появляются при повреждениях, связанных с землей, т. е. они являются признаками замыкания на землю.

Рисунок 1.

Чтобы защита действовала правильно, воронку кабеля и сам кабель на участке от ТТ до воронки изолируют от земли, а провод, заземляющий воронку, пропускают в окно сердечника ТТ, как показано на рис. 1. При этом блуждающие токи, проходящие по оболочке или броне кабеля, компенсируются токами, возвращающимися по заземляющему проводу. Следует отметить, что токи замыкания на землю относительно невелики (обычно не превышают 100 А), поэтому вторичный ток ТТ при замыкании на землю составляет доли ампера. Это является причиной применения чувствительных полупроводниковых, а не электромеханических реле защиты от замыкания на землю.

На рис. 2 приведены схемы, поясняющие действие защиты от замыкания на землю на РП. Так, в частности, на рис. 2, а показано подключение реле напряжения KU неселективного контроля изоляции. Утроенное напряжение нулевой последовательности, служащее признаком замыкания на землю, появляется на зажимах обмотки трансформатора напряжения TV, соединенной в разомкнутый треугольник. Чтобы найти место замыкания на землю, необходимо поочередно отключать присоединения - отходящие линии W2-WN. Если после отключения присоединения реле KU не срабатывает (исчезает сигнал о замыкании на землю), то замыкание на землю имеет место на этой линии. Если же замыкание на землю возникает на шинах РП, в цепи питающей линии W1 или в питающей системе, то сигнал от реле KU исчезает только после отключения выключателя питающей линии.

Рисунок 2. а - неселективный; б - селективный

Селективные устройства защиты или сигнализации о замыкании на землю (рис. 2, б) подключаются ко вторичным обмоткам ТНП каждого присоединения. Срабатывание только одного реле КА1 свидетельствует о замыкании на сборных шинах РП. Если же срабатывают реле КА1 и, например, КАЗ, то это сигнализирует о замыкании на землю в цепи линии W3.

Двухступенчатая токовая защита от многофазных КЗ выполняется с помощью электромагнитных реле тока РТ-40, реле времени серии РВ и промежуточных реле, или же с помощью индукционных реле с зависимой выдержкой времени серии РТ-80. Во втором случае специальные реле времени и промежуточные реле не требуются. На рис. 3 показана принципиальная схема одной фазы двухступенчатой защиты с электромагнитными реле тока.

Рисунок 3.

Первая ступень - токовая отсечка - выполняется с помощью реле максимального тока КА1, промежуточного реле KL1 и указательного (сигнального) реле КН1. Промежуточное реле имеет более мощные контакты, чем у реле тока, и поэтому с их помощью подается питание на электромагнит отключения выключателя YAT. Вторая ступень - максимальная токовая защита - выполняется с помощью реле тока КА2, реле времени КТ1, промежуточного реле KL2 и указательного реле КН2. Сигнализация о срабатывании ступеней защиты производится указательными реле КН1, КН2.

Первая ступень действует следующим образом. При превышении тока в главной цепи (КЗ в точке К) ток во вторичной цепи ТА превышает порог срабатывания токового реле КА1. Это реле срабатывает, т. е. замыкает свои контакты. Напряжение оперативного тока через контакты реле КА1 подается на обмотку промежуточного реле KL1, вызывая его срабатывание. Напряжение оперативного тока через замкнутые контакты KL1 и обмотку указательного реле КН1 (оно имеет малое сопротивление и срабатывает при прохождении через него тока) подается на электромагнит отключения выключателя YAT. В результате выключатель Q отключается. Прохождение тока через YAT вызывает срабатывание реле КН1, что приводит к выдаче сигнала персоналу о срабатывании токовой отсечки. Вторая ступень действует практически так же, как и первая. Отличие заключается в том, что вторая ступень работает с выдержкой времени, создаваемой реле времени КТ1.

Функционирование токовой защиты показано на рис. 4 для участка сети (рис. 3), содержащего линию W1, отходящую от центра питания ЦП, распределительный пункт РП, отходящую от РП линию W2 и подключенную к концу этой линии ТП. Каждая из линий защищена двухступенчатыми защитами на реле КА1, КА2 и КА3, КА4. Реле КА1, КА3 - токовые отсечки, они защищают небольшие участки линий 1 1 и 1 3 в минимальном режиме. Оставшиеся участки линий защищены вторыми ступенями защит на реле КА2, КА4.

Рисунок 4.

Следует отметить, что вторая ступень защиты линии W1 осуществляет дальнее резервирование защиты линии W2 и ближнее резервирование токовой отсечки линии W1.

Ток срабатывания отсечки линии W1 должен быть выше тока трехфазного КЗ I (3) k max 1 , в максимальном режиме в конце указанной линии. Это необходимо для того, чтобы обеспечивалась селективность отсечек линий W1 и W2. Благодаря этому отсечка линии W1 не реагирует на КЗ в начале линии W2.

Токи срабатывания вторых ступеней защит выбираются по наибольшему току нагрузки линий с учетом необходимости обеспечения условия возврата этих реле после отключения КЗ. Время срабатывания защиты линии W2 можно принять равным ступени селективности (например, 0,5 с). Таким образом, максимальная токовая защита является защитой с относительной селективностью, что достигается выбором тока и выдержки времени срабатывания.

Основным недостатком токовой отсечки является незначительная длина защищаемой зоны линии. Этот недостаток может быть частично устранен за счет совместного действия токовой отсечки и АПВ. Пусть на линии W1 (рис. 4) имеется устройство АПВ. В этом случае ток срабатывания отсечки выбирается ниже I (3) k max 1 , благодаря чему токовая отсечка линии W1 резервирует защиты линии W2. При этом токовая отсечка линии W1 срабатывает при КЗ на линии W2, т. е. действует неселективно. В результате отключаются обе линии за счет действия их токовых отсечек. Затем действует АПВ линии W1 и последняя, вновь вводится в работу, а поврежденная линия W 2 , не имеющая АПВ, остается отключенной. Описанное устройство называется токовой защитой с ускорением до АПВ.

Используют также токовые защиты с ускорением после АПВ. В этом случае КЗ на линии W1, а при отказе защит линии W2 - и при КЗ на линии W2 - отключается за счет действия максимальной токовой защиты линии W1 (с выдержкой времени). Неселективная токовая отсечка при этом не действует, а вводится в работу только после действия АПВ. Этот прием называют ускорением токовой защиты после АПВ. Ускорение защиты после АПВ особенно целесообразно при близких к источнику питания КЗ на линии W1. В этом случае провода линии нагреваются до высокой температуры при КЗ, и после АПВ линию необходимо отключить как можно быстрее. Ускорение токовой защиты после АПВ позволяет уменьшить время повторного прохождения токов КЗ по проводникам, нагретым до высокой температуры (т. к. КЗ отключалось с выдержкой времени), что уменьшает возможность их термического повреждения.

Токовые защиты могут выполняться с помощью индукционных токовых реле серии РТ-80, имеющих зависимую выдержку времени, а также реле прямого действия серии РТВ и РТМ. Применение указанных реле объясняется стремлением удешевить защиту, не использовать специальные источники оперативного тока (аккумуляторные батареи, выпрямители, блоки питания). Эти реле работают на переменном оперативном токе, т. е. нет специальных источников тока для отключения выключателей. Отключение выключателей производится непосредственно вторичными токами трансформаторов тока. Однако указанные реле катастрофически морально устарели.

В процессе эксплуатации защиты от однофазных замыканий на землю может наблюдаться ее излишняя работа или отказ в работе по тем или иным причинам.
Рассмотрим методику проверки данной защиты в объеме, который позволит исключить неправильную работу данной защиты или выявить причины ее неправильной работы.
Для начала необходимо определиться с правильностью расчета уставки защиты от однофазных замыканий на землю. Уставка должна с одной стороны быть чувствительна к току замыкания на землю в зоне действия защиты, с другой стороны отстроена от замыкания на землю вне зоны своего действия. Расчет уставок можнопосмотреть в или у других авторов.
Далее проверяем заземление поводка брони силового кабеля. В случае неправильного подключения кабеля возможна ложная работа земляной защиты.
Непременными условиями являются:

1. Заземляющий поводок должен быть изолирован по всей длине и подключен согласно рис.1 или рис.2.
2. Оболочка и броня кабеля должны быть надежно изолированные в местах крепления к металлическим конструкциям выше трансформаторов тока защиты от однофазных замыканий на «землю», а также в местах касания к сердечникам этих трансформаторов.

После визуального осмотра поводок прогружается током 50-100А относительно «земли» от постороннего источника. Защита не должна работать. При наличии нескольких кабелей 6-35 кВ их жилы отключаются и разводятся в кабельной сборке.
Испытывается и измеряется изоляция вторичных цепей трансформатора нулевой последовательности. Контролируется наличие только одной точки заземления. Сопротивление изоляции должно быть не менее 0,5МОм. Испытания проводятся напряжением 1000В 50 Гц или 2500В постоянного тока (в течение 1 мин).
Проверяются ток срабатывания и загрубление уставки реле защиты от однофазных замыканий на землю при частоте 25,50,100,150,250 Гц первичным током. Ток срабатывания при частоте 50 Гц должен соответствовать уставке , при других частотах должен быть выше уставки. Загрубление уставки на частотах 25,100,150 и 250 Гц должно соответствовать параметрам реле.
Проверяется коэффициент возврата и время срабатывания реле земляной защиты. Коэффициент возврата должен соответствовать характеристикам реле или заданной уставки, если он регулируемый.
При наличии нескольких параллельно идущих кабелей проверяется распределение токов в этих кабелях прогрузкой от постороннего источника. Небаланс более 5 % свидетельствует о большом переходном сопротивлении в месте подключения кабелей или в кабельной муфте.
При наличии нескольких кабелей и, соответственно, нескольких трансформаторов нулевой последовательности проверяется правильность из соединения. Необходимо использовать трансформаторы тока нулевой последовательности одного типа. От постороннего источника напряжения (тока) подаётся ток близкий к уставке. При последовательном соединении трансформаторов тока измеряются падения напряжения последовательно на 1,2,3 и т.д. трансформаторах тока. Напряжение должно увеличиваться. В противном случае, трансформаторы собраны неправильно. При параллельном соединении проверяется ток на группе трансформаторов тока. Ток должен увеличиваться по мере увеличения количества измеряемых трансформаторов тока в группе.
Следует отметить, что предпочтительным является вариант с параллельным соединением трансформаторов тока, если это позволяет чувствительность реле. Параллельное соединение позволяет увеличить надежность работы защиты при внешних замыканиях на землю, разнотипности параллельно включенных силовых кабелях, наличии муфт на кабелях.
При использовании трансформаторов тока типа ТНПШ необходимо проконтролировать равномерность расположения кабелей в окне трансформатора тока, по возможности, если позволяет чувствительность реле, отключить обмотку намагничивания.
В случае наличия блокировки защиты по работе контроля изоляции проверяется работа данной блокировки. В частности, правильность соединения обмотки разомкнутого треугольника трансформатора напряжения, правильность настройки реле напряжения, соответствие уставки контроля изоляции сети 6-35кВ заданной, наличие напряжения небаланса порядка 0,5-2В на реле контроля изоляции.
Проводится комплексное опробование защиты совместно с блокировкой, если таковая имеется.
Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей

Страница 37 из 52

Фильтры симметричных составляющих тока и напряжения. Присоединение реле непосредственно к ТТ и ТН не всегда обеспечивает необходимую чувствительность релейной защиты при несимметричных КЗ. Указанный недостаток релейной защиты устраняют применением фильтров, настраиваемых на симметричные составляющие токов и напряжений прямой, обратной или нулевой последовательности, которые содержатся в любой несимметричной трехфазной системе.
Фильтром симметричных составляющих тока (напряжения) называется электрическая схема (рис. 152), присоединенная своими входными зажимами к вторичным зажимам ТТ (ТН), а двумя выходными зажимами - к исполнительному органу (реле); в реле подается однофазное напряжение или однофазный ток, пропорциональные одной или нескольким симметричным составляющим токов (напряжений), подведенным к входным зажимам фильтра, а следовательно, и составляющим токов (напряжений) первичной сети.

Рис. 152. Схема присоединения фильтров тока и напряжения
Наиболее распространенными являются фильтры, ток (напряжение) между выходными зажимами которых пропорционален симметричным составляющим только одной последовательности токов (напряжений), подводимых к входным зажимам фильтра. К таким фильтрам относятся, например, фильтры тока и напряжения нулевой последовательности или фильтры тока и напряжения обратной последовательности. Фильтры прямой последовательности используются реже. Схема любого фильтра может состоять из трансформаторов, активных, индуктивных и емкостных сопротивлений, которые соответствующим образом подобраны и отрегулированы для выделения на выходе симметричных составляющих определенной последовательности.

Реле, подключаемое к выходным зажимам фильтра, будет иметь наибольшую чувствительность только при вполне определенных параметрах его обмотки. Фильтры обычно изготовляют комплектно с реле, вследствие чего такие устройства получили название фильтр-реле.

Рис. 153. Фильтр токов нулевой последовательности (а) и векторные диаграммы токов прямой (б), обратной (в) и нулевой (г) последовательностей
Фильтр токов нулевой последовательности образуется при соединении вторичных обмоток ТТ в «звезду» G нулевым проводом. Как видно из рис. 153, а, симметричных составляющих токов прямой (рис. 153, б) и обратной (рис. 153, в) последовательностей в нулевом проводе не бывает, так как сумма этих токов равна нулю. Токи же нулевой последовательности (рис. 153,г), совпадающие по фазе, протекают по нулевому проводу НП и в сумме дают утроенное значение.
Следовательно, нулевой провод в такой схеме является фильтром токов нулевой последовательности. Реле Р, включенное в нулевой провод, будет реагировать только на токи нулевой последовательности. Фильтр токов нулевой последовательности образуется также при включении реле в нулевой провод после реле, соединенных в полную «звезду» и реагирующих на фазные изменения.
Фильтр напряжения нулевой последовательности образуется дополнительными обмотками ТН, соединенными в разомкнутый «треугольник» (рис. 154, а и г). При нормальной работе сети, в которую включен ТН, векторная сумма фазных напряжений трех фаз равна нулю. В действительных условиях обычно на выходе разомкнутого «треугольника» имеется ничтожно малое напряжение небаланса - (2 + 3)% от U2 ном, которое создается всегда имеющейся незначительной несимметрией вторичных фазных напряжений и небольшим отклонением их кривой от синусоиды.

Замыкание одной фазы сети или сборных шин на землю сопровождается протеканием токов 3I0 (см. рис. 154, а и а), вследствие чего появляется напряжение нулевой последовательности на зажимах разомкнутого «треугольника».

Напряжение 3U0, подведенное к зажимам реле РКИ, вызывает срабатывание этого реле, если 3U0 > Uу.ср (Uу.ср - напряжение уставки срабатывания реле). Следует иметь в виду, что величина напряжения 3U0 в сети с изолированной нейтралью значительно выше, чем в сети с заземленной нейтралью.
В сети с заземленной нейтралью (см. рис. 154, а) замыкание одной фазы на землю представляет однофазное КЗ. При однофазном КЗ какой-либо фазы (например, фазы А) первичная обмотка ТН этой фазы закорочена. Поэтому вектор U первичного напряжения (рис. 154,b) на диаграмме отсутствует. Вектор 3U0 является суммой векторов вторичного напряжения Uьд и Uд, совпадающих по фазе с векторами первичного напряжения.

Рис. 154. Фильтры напряжений нулевой последовательности (а и г) и векторные диаграммы для нормального режима (б, д) и при замыкании одной фаpы на землю (в, в)

Наибольшая величина 3U0 равна фазному напряжению дополнительной обмотки 3U0 = Ubд= Uφ, так как вектор 3U0 делит угол 120° пополам и образует в построенном параллелограмме два равносторонних треугольника.
В сети с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю, например фазы A (см. риc. 154, г), напряжение этой фазы сохраняется, но по отношению к земле становится равным нулю. Изменяются напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли с фазного до линейного (Ub =√З U в = Uл; Uс = √3 Uc =U), которые подаются на первичные обмотки фаз В и С ТН, поскольку его нейтраль заземлена. Напряжения фаз В и С дополнительных обмоток также увеличатся в √З раз по сравнению с нормальным режимом. Вектор 3U, представляющий сумму векторов напряжений и делит угол 60° пополам и образует два равнобедренных треугольника c углами при основании в 30°.

Сети с большим током замыкания на землю.

При рассмотрении КЗ в электрических системах указывалось, что из всех возможных случаев повреждений, принятых за 100 %, примерно 65% составляют однофазные. Поэтому защиты от замыканий одной фазы на землю являются очень важными в работе электроустановок. Защита линий от замыкания на землю одной фазы осуществляется в зависимости от величины тока замыкания на землю, напряжения, конфигурации сети и способа ее выполнения. Однофазное КЗ относится к несимметричным, для него характерно возникновение в сети токов и напряжений нулевой последовательности. Поэтому от однофазных КЗ применяют фильтровые защиты и их основные реле подключают к фильтрам нулевой последовательности.
Схема ненаправленной МТЗ, нулевой последовательности для радиальной сети с нейтралью, заземленной у одного трансформатора, состоит из пускового реле РТ0 (рис. 155, а), включенного на фильтр тока нулевой последовательности, реле времени РВ0 и указательного реле РУ0. В качестве фильтра используется нулевой провод МТЗ, выполненной на токовых реле РТ, соединенных в полную «звезду». При трехфазных КЗ защита нулевой последовательности не действует, так как сумма первичных токов и составляющие отсутствуют. Защита не действует также при симметричных качаниях и нагрузке вследствие баланса первичных токов, при котором 3I0 =0. При однофазном и двухфазном КЗ в линии на землю в нулевом проводе защиты появляется ток 3I0, под действием которого защита срабатывает. Не реагируя на токи нагрузки, защита нулевой последовательности обладает высокой чувствительностью. Выдержка времени МТЗ нулевой последовательности в радиальной сети производится по ступенчатому принципу с увеличением времени в сторону расположения трансформатора с заземленной нейтралью.
Ток срабатывания защиты МТЗ нулевой последовательности определяется из двух условий: надежного действия защиты при КЗ в конце следующего участка по направлению от трансформатора с заземленной нейтралью; отстройки от наибольших токов небаланса:
(138)
где к = 1,3-1,5. Второе условие является определяющим. Наибольший ток небаланса рассчитывают или для нормального режима или для режима КЗ в зависимости от выдержки времени защиты. Если выдержка времени МТЗ нулевой последовательности больше времени действия МТЗ от междуфазных КЗ, установленной на следующем по направлению от трансформатора участке, то МТЗ нулевой последовательности отстраивают от небалансов в нормальном режиме, так как междуфазные повреждения отключаются быстрее, чем может подействовать МТЗ нулевой последовательности. Величина тока небаланса определяется экспериментальным измерением, и его значение во вторичных цепях ТТ находится в пределах 0,01-0,2 А. Поэтому ток уставки срабатывания пускового реле РТ0 можно считать равным 0,5-1 А.



Рис. 155. Ненаправленная (а) и направленная (б) МТЗ нулевой последовательности для сетей с большим током замыкания на землю

Если выдержка времени МТЗ нулевой последовательности меньше выдержки времени МТЗ от междуфазных КЗ на следующем участке, то защиту нужно отстраивать от токов небаланса при трехфазных КЗ в начале следующего участка, т. е.
где 0,1 - коэффициент учитывающий 10%-ную погрешность ТТ; кодн - коэффициент однотипности, учитывающий идентичность характеристик ТТ, равный 0,5-1; кн = 1,3 -:-1,5; Iк.мах - наибольшее значение тока трехфазного КЗ в начале следующего по направлению от трансформатора участка.
Коэффициент чувствительности защиты

где 3I0min - наименьший ток нулевой последовательности при однофазном или двухфазном КЗ на землю в конце второго участка.
Направленная МТЗ нулевой последовательности применяется в сетях, имеющих трансформаторы с заземленными нейтралями на противоположных концах рассматриваемых участков. Избирательное действие направленной МТЗ нулевой последовательности может быть обеспечено только при наличии органа направления мощности. Защита состоит из пускового токового реле РТ0 (рис. 155,б) и реле направления мощности РМ0, включенных в нулевой провод на ток 3I0; реле времени РВ0, создающего выдержку времени для избирательного действия защиты. Обмотку напряжения реле мощности присоединяют к ТН на напряжение нулевой последовательности. Подбор выдержек времени направленной МТЗ нулевой последовательности производят по встречно-ступенчатому принципу, как для такой же защиты от междуфазных КЗ. Ток срабатывания защиты определяют по тем же условиям, что и для ненаправленной МТЗ нулевой последовательности.
Сети с малым током замыкания на землю. При нормальном режиме работы сети под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли проходят емкостные токи, сумма которых равна нулю, и ток нулевой последовательности отсутствует. При металлическом замыкании на землю одной фазы, например фазы А, ее напряжение относительно земли становится равным нулю (Ua = 0), а напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного.
В точке замыкания на землю К (см. рис. 156, а) проходят токи, которые замыкаются через емкости неповрежденных фаз сети. Поскольку напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю, то и емкостной ток этой фазы тоже равен нулю. Токи (см. рис. 156, б) опережают на 90° напряжения. Ток в месте замыкания на землю равен геометрической сумме емкостных токов фаз и противоположен им по фазе. Ток зависит от напряжения и емкости сети и может быть подсчитан приближенно по формуле (27).
Вследствие нарушения симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие напряжения и тока нулевой последовательности.

Из рис. 156,б видно, что напряжение нулевой последовательности равно тройному значению напряжения нормального режима поврежденной фазы и противоположно ему по знаку. Ток замыкания на землю и ток нулевой последовательности имеет следующие выражения через фазные напряжения. Таким образом, токи совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения нулевой последовательности на 90° (см. рис. 156, б).
В сетях с изолированной нейтралью токи замыкания на землю не превышают 30-40 А при напряжении 6 и 10 кВ и 5-10 А при напряжении 35 кВ. Вследствие незначительной величины тока замыкания на землю и отсутствия нарушения режима работы приемников энергии защита от данного вида повреждения выполняется в основном с действием на сигнал и в особых случаях с действием на отключение, но более чувствительной по сравнению с защитой от однофазных КЗ в сети с Заземленной нейтралью. Защиты от однофазных замыканий на землю должны приходить в действие при токе не более 5 А.
Предусматривают два вида сигнализации при замыкании на землю: общую на всю электроустановку и индивидуальную по каждому присоединению. Общую сигнализацию выполняют с помощью реле РКИ (см. рис. 154). Для сигнализации, указывающей поврежденный участок линии, используются Защиты, реагирующие на ток или мощность нулевой последовательности. Эти защиты должны обладать высокой чувствительностью вследствие малой величины тока замыкания на землю, а поэтому выполнение их вызывает трудности. Например, защиты, подключенные к ТТ, соединенным в «звезду» по схеме фильтра токов нулевой последовательности, не обеспечивают необходимой чувствительности из-за большой разницы между рабочим током и током замыкания на землю даже при наибольшем значении последнего. Это объясняется тем, что коэффициент трансформации ТТ, выбранный по наибольшему рабочему току линии, оказывается слишком большим для токов нулевой последовательности.



Рис. 156. Фазы токов и напряжений (б) при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью (а)



Рис. 157. Защита линий от однофазных замыканий в сети с изолированной нейтралью (а) с помощью ТТНП (б, в)

Схема с применением трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП) обеспечивает значительное повышение чувствительности защиты. В ней реле РТ0 (рис. 157, а) питается от ТТНП, особенность конструкции которого позволяет обеспечить действие защиты при малых токах замыкания на землю - порядка 3-5 А, а при сочетании ТТНП с высокочувствительным реле - даже при I3 = 1,5 -:-2 А. ТТНП состоит из стального магнитопровода (рис. 157, б), имеющего форму кольца с намотанной на нем вторичной обмоткой 2. Первичной обмоткой являются три фазы А, В, С кабеля 3, токи которых создают в магнитопроводе потоки Фа, Фв и Фс, замыкающиеся по магнитопроводу. Результирующий магнитный поток первичной обмотки Фр = Фл+Фв+Фс. При нормальном режиме, трехфазном и двухфазном КЗ Фр = 0. Когда возникает замыкание какой-либо фазы на землю, появляются токи нулевой последовательности, создающие Фр > 0, под действием которого наводится во вторичной обмотке э.д.с. Ер. По реле РТ проходит ток, вызывающий ее срабатывание.
Токовую защиту устанавливают в начале каждой линии. По действию защиты на питающей подстанции определяют радиальное направление, на котором произошло замыкание на землю.

При замыкании на землю на другой линии вблизи кабеля, при производстве сварочных работ и т. п. по оболочке и броне кабеля протекает ток Iбр (рис. 157, в). Этот ток, создавая магнитный поток в магнитопроводе 1 ТТНП, наводит э. д, с. в обмотке 2, что может вызвать ложное срабатывание защиты. Поэтому воронку 6 заземляют проводником 5, пропущенным через зазор 4, имеющийся между кабелем 3 и магнитопроводом 1. Магнитные потоки, создаваемые токами, протекающими по броне и заземляющему проводнику, взаимно уничтожаются. Надежная изоляция должна быть между сердечником ТТНП и броней кабеля. Для защиты воздушных линий ТТНП устанавливают на кабельную вставку.
Распределение токов нулевой последовательности дает возможность уяснить условия работы защиты при однофазных замыканиях. Пусть на линии Л3 (рис. 158) произошло замыкание одной фазы на землю - K. В месте повреждения возникает напряжение нулевой последовательности, под действием которого проходят токи нулевой последовательности, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз всех линий. Емкостной ток нулевой последовательности проходит по всем поврежденным и неповрежденным линиям сети, отличаясь величиной и направлением. Емкостные токи нулевой последовательности неповрежденных линий Iсппл, проходящие через ТТНП защиты, всегда направлены к шинам и их величины будут: Iсппл= 3Iонпл= 3 U0ωСнпл. Например, для линии Л1 Iснпл1=3 Iол1.
Емкостной ток нулевой последовательности, проходящий через ТТНП поврежденной линии (например, Л3) равен сумме токов всех линий (емкостному току нулевой последовательности всей сети) за вычетом тока, замыкающегося через емкости неповрежденных фаз поврежденной линии:


Рис. 158. Распределение токов нулевой последовательности при однофазном замыкании в сети
где Сс - емкость всей электрически связанной сети; Спл - емкость фазы поврежденной линии. Ток Iсил направлен от шин к месту замыкания, он противоположен токам в неповрежденных фазах линии.
Ток срабатывания токовой защиты Iс.3 определяют из условия отстройки от емкостного тока, проходящего по защищаемой линии (например Л1), у которой 3UфωCл1 =3 UфωСл1 при замыканиях на землю на других присоединениях (например, Л3), и от броска тока при наличии перемежающейся дуги, учитываемого коэффициентом кб:
(140)
где Сл - емкость фазы защищаемой линии; к - коэффициент надежности, равный 1,1 -1,2; кб - коэффициент, учитывающий бросок тока от перемежающейся дуги в месте замыкания фазы на землю; кв =4-:-5 для защит без выдержки времени и кб = 2-:-3 при наличии выдержки времени.
Коэффициент чувствительности защиты представляет отношение тока, протекающего через ТТНП при повреждении линии, к току срабатывания защиты:

Для кабельных линий 1,25, для воздушных 1,5.

Релейная защита

Возникновение однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) и причины неправильного действия защит от ОЗЗ неоднократно обсуждались в специальных изданиях. Публикации А.И. Шалина и К.П. Кадомской, Р.А. Вайнштейна и С.И. Головко, С.Л. Кужекова и В.А. Шуина, Ю. В. Целебровского, Г.А. Евдокунина и многих других исследователей задали высокую планку для дальнейшего изучения этой темы.

Процесс создания оптимальной системы для своевременной ликвидации ОЗЗ продолжается, появляются новые идеи, технологии, устройства. Вячеслав Александрович Горюнов предлагает еще раз остановиться на проблемах этих замыканий и проанализировать существующие методы защиты.

ОДНОФАЗНОЕ ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ
Можно ли решить проблему?

Вячеслав Горюнов,
к.т.н., рук. отдела разработок РЗА, ООО «НПП Микропроцессорные технологии»,
г. Новосибирск

Замыкание фазы на землю создает ненормальный режим и представляет опасность по ряду причин:

• возможность появления перенапряжения, 2,4-3,5-кратного по сравнению с фазным , что может привести к пробою изоляции неповрежденных фаз и переходу ОЗЗ в «двухместное» или двойное замыкание на землю, близкое по своим характеристикам к двухфазным коротким замыканиям (КЗ). Риск возникновения таких двойных замыканий заметно вырос в последнее время в связи со старением изоляции электрических машин и аппаратов на многих энергообъектах и отсутствием средств на их модернизацию и замену;
• возникает опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала и потребителей;
• при длительном наличии ОЗЗ в сети происходит ускоренное старение изоляции и повреждение электрооборудования;
• возможны явления феррорезонанса (особенно при поочередном отключении потребителей), от которых чаще всего выходят из строя трансформаторы напряжения.

По перечисленным причинам замыкания на землю необходимо отключать. В сетях, работающих в условиях повышенной опасности для обслуживающего персонала, защита от замыканий на землю выполняет функции защитного отключения и по условиям техники безопасности должна работать без выдержки времени на отключение. Для защиты электродвигателей от замыканий на корпус необходимо применять специальные защиты, обладающие высокой чувствительностью, поскольку токи замыкания на корпус менее 5 А могут представлять для изоляции опасность .

Индивидуальные защиты присоединений

Любое развитие техники идет методом от простого к сложному. Наиболее простыми защитами от замыканий на землю являются защиты по току и напряжению нулевой последовательности НП промышленной частоты. Для реализации таких защит достаточно устройства, реагирующего на действующее значение тока или напряжения соответственно. Однако простота таких устройств сказывается на их возможностях. Общая неселективная защита по напряжению нулевой последовательности только сигнализирует о появлении замыкания на землю на любом присоединении секции. Среди недостатков токовых защит НП можно отметить следующие: фиксированная уставка, отстройка тока срабатывания от суммы тока небаланса нулевой последовательности и собственного емкостного тока линии, отказ в срабатывании при перемежающихся замыканиях при защите как кабельных линий (КЛ), так и воздушных (ВЛ) . Для защит на токовых реле РТ 40/0,2 и РТЗ-50 возможны излишние срабатывания при внешних ОЗЗ из-за резкого увеличения токов нулевой последовательности при дуговых замыканиях за счет высокочастотных составляющих . А для защит на реле РТЗ-51 при питании от сети постоянного тока 110 или 220 В возможны ложные срабатывания в моменты коммутации в сети, возникающие по различным причинам .

При реализации токовых защит НП на микропроцессорных (МП) терминалах появилась возможность использовать сложные характеристики зависимости тока срабатывания от времени. Поэтому появились защиты с обратнозависимой времятоковой характеристикой, для них не требуется отстройка от собственного емкостного тока присоединения. Однако такой принцип действия защит имеет ряд существенных недостатков. Основной недостаток заключается в том, что селективность срабатывания обеспечивается выдержкой времени, в связи с этим создание зависимых систем с различными выдержками времени становится практически невозможным. Работа таких защит возможна только на отключение, иначе по истечении некоторого времени все защиты начнут сигнализировать о наличии замыкания на землю. При отказе выключателя поврежденного присоединения произойдет неселективное отключение присоединения со вторым по величине током.

Защиты, использующие только один сигнал тока НП, несмотря на свою простоту имеют существенные недостатки, которые будут приводить к их неселективным действиям. В ходе дальнейшего усовершенствования таких защит стали использовать два сигнала - ток и напряжение НП для определения направления. Большое число направленных защит реагируют на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме. Чувствительность таких защит выше, чем ненаправленных, так как их ток срабатывания отстраивается только от тока небаланса в «максимальном рабочем режиме», а отстройка защиты от собственного емкостного тока линии не требуется, поскольку от этого тока она отстроена «по направлению». Общим недостатком защит такого типа являются их неселективные действия или отказ в срабатывании при перемежающихся дуговых ОЗЗ. Эта неселективность не связана с программной или аппаратной реализацией. Направленные защиты - это такие защиты, которые определяют разность фаз между сигналами и в зависимости от полученного угла принимают решение. Однако разность фаз можно определить только для гармонических сигналов, т. е. сигналов одной частоты. Если рассмотреть осциллограмму замыкания на землю в кабельной сети 10 кВ на рис. 1, то можно сделать вывод, что понятие угла между кривыми тока и напряжения отсутствует, так как сигналы не гармонические.

Рис. 1. Осциллограмма дугового замыкания на землю в кабельной сети 10 кВ

Другим методом определения поврежденного присоединения с использованием сигналов тока и напряжения НП является расчет активной мощности нулевой последовательности в установившемся режиме . Защиты, реализованные на этом принципе, обладают более высокой устойчивостью функционирования в режимах с перемежающейся дугой в месте ОЗЗ и отстроены в большей мере от бросков емкостных токов в переходных процессах. Обеспечить стабильное функционирование таких защит возможно в основном в сетях с резистивным заземлением нейтрали.

Для устранения недостатков защит, использующих токи и напряжения НП промышленной частоты, были разработаны защиты от ОЗЗ, реагирующие на высшие гармоники электрических величин . При возникновении дуговых ОЗЗ содержание высших гармонических составляющих в сети резко увеличивается, причем содержание высших гармонических в токе нулевой последовательности поврежденной линии значительно больше, чем в токах нулевой последовательности неповрежденных линий. Эти процессы наблюдаются в сетях всех видов заземления нейтрали. Общие недостатки устройств, выполненных с использованием высших гармоник:

• вероятность отказа в срабатывании при ОЗЗ через переходные сопротивления ;
• нестабильность состава и уровня высших гармоник в токе НП. Условия селективности несрабатывания при внешних ОЗЗ и устойчивости срабатывания при внутренних повреждениях для устройств абсолютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присоединений.

Другая категория защит - это защиты от ОЗЗ, реагирующие на электрические величины переходного процесса . Среди достоинств таких защит можно отметить возможность фиксации всех разновидностей ОЗЗ, независимость действия от режима заземления нейтрали, большую чувствительность к замыканиям через переходное сопротивление, большие значения амплитуд переходных токов, упрощающие отстройку от токов небаланса фильтра токов нулевой последовательности (ФТНП) и обеспечение высокой помехоустойчивости и чувствительности защиты.

Но и такие защиты обладают недостатками. Всем защитам присущи единые недостатки, такие как отсутствие непрерывного действия защиты, искажение фазовых соотношений между током и напряжением, возникающее в момент ОЗЗ в отраженной от конца защищаемой линии волне , возможные ложные срабатывания от помех, возникающих одновременно в цепях тока и напряжения при отсутствии ОЗЗ, например возможна ложная работа таких защит в сетях с компенсированной нейтралью при отключении трехфазных КЗ. В защитах КЗЗП и ПЗЗМ применен принцип раздельной фиксации начальных знаков переходного тока и напряжения нулевой последовательности с последующим их сравнением, который менее эффективен из-за возможности излишних срабатываний при малых значениях подведенных величин .

И последняя группа защит от ОЗЗ, которые следует рассмотреть, это защиты, реагирующие на наложенный ток . Наложенный ток может быть частотой как выше промышленной, так и ниже. Для создания тока повышенной частоты возможно использование нелинейного сопротивления, включенного между нейтралью сети и землей. Однако данное устройство значительно повышает стоимость таких защит и может снизить надежность функционирования защиты. Также можно отметить тот факт, что значительная высокочастотная составляющая может присутствовать в токах присоединений и в нормальном режиме. Это в первую очередь относится к сетям, связанным с производствами, имеющими нелинейную нагрузку. В таких случаях описанный способ защиты непригоден. Кроме того, как показывают проведенные исследования , гармоники с частотой 100 Гц появляются почти в 2 раза чаще, чем, например, с частотой 25 Гц, и амплитуды их намного больше.

Поэтому ряд разработчиков создали защиты, реагирующие на наложенный ток частотой ниже промышленной. Различие по частоте тока небаланса ФТНП (50 Гц и гармоники, кратные трем) и воздействующей величины (25 Гц) позволяет упростить отстройку защиты от небаланса и избежать загрубления защиты по первичному току. Сам наложенный ток частотой ниже промышленной получить проще, и требуется меньшая мощность генерирующего источника. В результате такие защиты обеспечивают возможность замера больших значений активного сопротивления фазовой изоляции, имеют меньшую зависимость чувствительности от переходного сопротивления в месте замыкания и лучшую помехозащищенность от тока промышленной частоты .

К основным недостаткам защит, реагирующих на наложенный ток частотой ниже промышленной, можно отнести необходимость подключения в нейтраль сети специального устройства для создания контрольного тока, влияние на устойчивость функционирования защиты погрешностей ТТНП, возрастающих при уменьшении рабочей частоты, усложнение схемы первичной коммутации из-за необходимости подключения источника наложенного тока и трудности подключения источника вспомогательного тока при использовании в сети нескольких ДГР, установленных на разных объектах. Не исключены также сложности отстройки от естественных гармонических составляющих при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ, при которых спектр тока зависит от параметров сети и режима заземления ее нейтрали, положения точки ОЗЗ в сети. Кроме того, при замыканиях через большие переходные сопротивления происходит снижение контрольного тока .

В целом все индивидуальные защиты имеют общие недостатки, связанные либо с принципом действия, либо с непосредственной реализацией устройств защиты. При этом появление микропроцессорных устройств защиты не сдвинуло решение проблемы выявления поврежденного присоединения в позитивную область, так как сами алгоритмы определения замыкания на землю остались прежними.

Обобщая, можно выдвинуть следующие основные требования к защитам: использование уставки, зависящей от параметров замыкания, выявление замыканий через большие переходные сопротивления и дугу, возможность создания системы ступенчатых защит от замыканий на землю. Именно невозможность учесть эти требования приводит к низкой эффективности устройств индивидуального типа.

Виды ОЗЗ

Чтобы понять, в чем сложность выявления ОЗЗ, рассмотрим процессы, происходящие в сети. Можно выделить два основных вида однофазного замыкания на землю: металлическое (рис. 2, 3) и дуговое (рис. 4, 5). Металлическое и дуговое замыкание может происходить через повышенное сопротивление в месте контакта с землей, что приведет к снижению как токов однофазных замыканий, так и напряжения нулевой последовательности.

Рис. 2. Осциллограмма самоустранившегося ОЗЗ в кабельной сети 10 кВ

Рис. 3. Осциллограмма дугового самоустранившегося ОЗЗ в кабельной сети 10 кВ

Рис. 4. Осциллограмма токов и напряжений НП при включении присоединения с разновременностью включения полюсов выключателя

Рис. 5. Осциллограмма тока и напряжения нулевой последовательности при металлическом ОЗЗ в сети с компенсацией емкостного тока

Наиболее часто переходное сопротивление оказывает влияние на ВЛ, где происходит контакт с деревьями или падение провода на землю. Для наглядности приведем статистику по ОЗЗ в городской кабельной сети 10 кВ (поиск ОЗЗ в сети осуществлялся путем поочередного отключения, соответственно ОЗЗ существовало длительное время):

• 3% замыканий самоустранились до действий персонала;
• 38% замыканий перешли в двойные замыкания с работой токовых защит;
• 59% ОЗЗ были выявлены и ликвидированы персоналом.

При этом все эти замыкания можно разделить по типам:

• 44% - металлические замыкания;
• 26,5% - дуговые замыкания на землю;
• 29,5% - самоустранившиеся замыкания.

В сетях с ВЛ процент дуговых замыканий достигает 80%.

Самоустранившиеся замыкания - это, по сути, нерешенная проблема. По результатам мониторинга, все самоустранившиеся замыкания в течение 1-7 дней приводили к устойчивым замыканиям (рис. 2, 3). При этом «клевков земли» наблюдалось несколько за сутки, в основном в ночное время, когда фазное напряжение несколько возрастает из-за снижения нагрузки. Поэтому важно иметь быстродействующие защиты от замыканий на землю. В совокупности с построением системы защиты от ОЗЗ, основанной на ступенчатом принципе обеспечения селективности, поврежденное присоединение будет отключаться с минимальной выдержкой времени. И «клевки земли» не будут нарушать нормальную работу сети.

Кроме самоустранившихся ОЗЗ, в сети в моменты коммутаций из-за разновременности включения полюсов выключателя возникают несимметрии, приводящие к подбросу напряжения нулевой последовательности и появлению токов НП. Для защит, действующих без выдержки времени или реагирующих на составляющие переходного процесса в момент ОЗЗ, такой режим может привести к неселективным действиям (рис. 4).

Наиболее простым режимом является металлическое ОЗЗ, когда токи представляют собой четкий периодический сигнал и нет непрерывного переходного процесса. На рис. 5 представлена осциллограмма тока и напряжения в поврежденном присоединении при компенсации основной гармоники емкостного тока практически в «ноль». Как видно из осциллограммы, применение направленных защит для сетей с компенсированной нейтралью невозможно, так как нет возможности определить направление - частота тока и напряжения отличаются.

В сетях с изолированной нейтралью основная гармоника превышает все остальные в 5-10 раз. При металлическом ОЗЗ (рис. 6) можно определить направление на установившемся участке осциллограммы. Поэтому при металлических ОЗЗ большинство защит будет работать корректно.

Совершенно иная картина складывается при возникновении дугового замыкания на землю. В графике преобладают броски тока в моменты перезаряда емкостей через дугу. При этом такие броски тока достигают 4-8-кратной величины тока основной гармоники (рис. 7, 8). Дуга горит нестабильно - меняется частота перезажиганий (рис. 8), замыкание может начать перемежаться, т. е. зажигаться с периодичностью реже чем 2-4 раза за период, что приводит к сбросу таймера выдержки времени ряда защит от ОЗЗ.

Рис. 6. Осциллограмма металлического ОЗЗ в сети без компенсации токов замыкания на землю

Рис. 7. Осциллограмма дугового ОЗЗ во внешней сети

Рис. 8. Осциллограмма дугового ОЗЗ на отходящем присоединении без компенсации токов замыкания на землю

Централизованные защиты от ОЗЗ

Как было показано, большинство индивидуальных защит имеет различные недостатки. Это сказывается на работе сети. Если защиты отказывают в действии либо отсутствуют, то замыкания на землю могут привести к крупным авариям, сопровождающимся значительным ущербом, а также к старению изоляции всей сети, накопительный эффект от которого оценить не представляется возможным.

Сам принцип функционирования централизованных защит обеспечивает более высокое качество защиты , используя информацию о токах НП не только своего присоединения или секции сборных шин, но и информацию с других объектов, например, поступающую от трансформаторов тока, измеряющих ток высоковольтного заземляющего резистора, а также ТТНП другой секции.

Централизованный принцип построения защиты предполагает сравнение токов нулевой последовательности присоединений. В основном применяют сравнение амплитудных или действующих значений токов нулевой последовательности. Расчет этих значений может проводиться как в начальный момент времени, то есть основываясь на переходных величинах замыкания, так и в установившемся режиме. Кроме того, возможно применение высших гармонических составляющих токов нулевой последовательности либо тока, наложенного с частотой, отличной от промышленной. Для расширения области применения для подстанций с большим числом присоединений, возможно введение в такие защиты дополнительной информации, которая позволяет произвести отстройку от действия в некоторых сложных режимах. Например, получение информации о напряжении нулевой последовательности с другой секции шин подстанции может повысить чувствительность . Это требуется в некоторых случаях в сетях 35 кВ, состоящих преимущественно из двуцепных ВЛ. Централизованные защиты (ЦЗ) могут применяться во всех сетях среднего напряжения, это могут быть как сети с изолированной и компенсированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через резистор.

Существует два метода определения максимального значения сигнала - это методы последовательного и параллельного сравнения. Метод параллельного сравнения можно выполнить на основе специальных физических элементов. Последовательное сравнение идет значительно медленнее, и до появления быстродействующих микропроцессорных защит считалось, что защиты, выполненные на основании метода последовательного сравнения, имеют недостаточное быстродействие. Именно появление микропроцессорных устройств релейной защиты обеспечило толчок к реализации централизованных защит от замыканий на землю. Микропроцессорные устройства позволяют обрабатывать до 48 каналов одновременно, с разницей измерения токов по каналам не более 100 мкс. При быстродействиях меньше 100 мкс применение централизованного принципа теряет всю целесообразность, так как защита превращается в индивидуальные устройства внутри одного блока защиты. По принципу последовательного сравнения ранее выпускались защиты, где дежурный персонал методом поочередного измерения напряжения на клеммах реле измерял протекающие токи и делал вывод о поврежденном присоединении самостоятельно.

Одна из особенностей централизованной защиты от замыканий на землю - возможность выявления ОЗЗ на шинах, что означает, по сути, ОЗЗ в любом присоединении, не имеющем ТТНП, на ТН, в обмотках ТСН и силовых трансформаторов. Для выявления таких повреждений централизованная защита должна работать как дифференциальная защита шин от ОЗЗ. Этот подход стал классическим и используется в большинстве современных МП-устройств защиты от замыканий на землю .

В отличие от индивидуальных защит, имеющих проблемы с постоянно изменяющимся уровнем емкостного тока, ЦЗ обеспечивают селективность действия в подавляющем большинстве случаев, так как емкостные токи суммируются в поврежденном присоединении независимо от их абсолютных уровней, конкретных параметров и состояния сети, а также от вида заземления нейтрали.

Признаки, на которых основаны централизованные защиты:

• сравнение активной мощности нулевой последовательности;
• выявление наложенного тока;
• сравнение действующих значений сигналов токов нулевой последовательности;
• сравнение сумм действующих значений токов высших гармоник;
• сравнение направлений токов.

Недостатки имеются и у указанных принципов действия.

Сравнение активной мощности нулевой последовательности стабильно работает только в сетях с большой составляющей активной утечки и в сетях с резистивным заземлением нейтрали. Поэтому такой принцип нельзя назвать универсальным. Принцип наложения тока с использованием централизованных защит - один из самых надежных вариантов реализации защит, особенно при использовании наложенного тока специальной формы. Однако сложности реализации именно устройств генерации наложенного тока, особенно в разветвленных сетях, при возможности переключения питания на разные источники ограничивает применение этого признака. Оставшиеся три признака - наиболее распространенные и эффективные.

Кроме того, можно выделить и недостатки самой реализации централизованных защит, связанных с аппаратной архитектурой и принципом действия:

• сложность монтажа на подстанции, так как требуется со-брать информацию со всех ячеек в одном месте;
• отказ одного устройства приводит к отказу защит от ОЗЗ на всей подстанции;
• необходимо не менее трех присоединений, по которым протекает ток ОЗЗ, для работы защиты;
• невозможно отличить соразмерные токи большой величины по причине погрешности ТТНП до 10%.

Cистема защиты «ГЕУМ»

Централизованная система защиты «Геум» позволяет построить систему защиты от замыканий на землю без указанных недостатков. Устройства серии «Геум» имеют до 16 аналоговых входов по току и напряжению, что позволяет реализовать защиту до 16 отходящих присоединений от ОЗЗ. Но для того чтобы увеличить гибкость системы, было предложено распределенное решение с горизонтальным обменом данными между устройствами. Таким образом решается сразу несколько проблем: уменьшается размер одного блока защиты, уменьшается длина токовых цепей до устройства централизованной защиты. Всего можно подключить до 8 блоков одновременно, что обеспечивает защиту 128 присоединений от замыканий на землю.

Сама реализация системы предложена в трех видах:

• для существующих РП и подстанций: «Геум» устанавливается в ячейку секционного разъединителя, а устройства сопряжения (УСО) устанавливаются в ячейки отходящих присоединений. При этом минимизируются токовые цепи от ТТНП до УСО;
• при реконструкции подстанций и РП в шкаф секционного разъединителя устанавливаются все элементы системы - «Геум» и УСО;
• при новом строительстве - шкафное решение на 1 и 2 блока «Геум», что позволяет защитить одним шкафом до 32 присоединений.

Ввиду существенных отличий сетей с компенсацией емкостных токов от сетей с изолированной нейтралью, были разработаны две разновидности устройства - «Геум-К» и «Геум-И». При этом работа «Геум-К» гарантируется и при потере компенсации. Отличия между блоками состоят в разном диапазоне частот токов.
Поставки устройств серии «Геум» начались в 2013 г. За прошедшие годы на объектах электроэнергетики установлено и эксплуатируется 91 устройство. Максимальное количество защищаемых присоединений системой «Геум» на практике на данный момент - 90. Общая наработка комплексов уже составила более 370 000 часов. В 2015 г. устройство серии «Геум» прошло испытания в АО «НТЦ ФСК ЕЭС», где оно корректно сработало в 100% тестовых осциллограмм.

Основные сложности в работе с устройствами серии «Геум» возникают на стадии наладки в основном из-за отсутствия опыта работы с цифровой связью и нестандартным оборудованием РЗА.

В заключение отметим, что централизованная система «Геум» обеспечивает защиту от ОЗЗ в сетях с любым типом нейтрали, во всех возможных режимах работы, включая дуговые замыкания, работу на два отходящих присоединения.

Литература

1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М: НТФ «Энергопрогресс», 2001. 104 с. (Библиотечка электротехника. Вып. 11(35)).
2. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 368 с.
3. Качесов В.Е., Ларионов В.Н., Овсянников А.Г. О результатах мониторинга перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю в распределительных кабельных сетях // Электрические станции. 2002. № 8. С. 38-45.
4. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987. 248 с.: ил.
5. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 152 с.
6. Федосеев A.M., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1992. 528 с.
7. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. М.: Недра, 1986. 184 с.
8. Захаркин И.В. Об опыте наладки реле тока PT3-51 // Промышленная энергетика. 1989. № 3. С. 24-25.
9. Нудельман Г.С., Шевелев B.C. Избирательная защита от замыканий на землю для распределительных сетей 6-35 кВ // Энергетик. 2001. № 3. С. 32-33.
10. Олейник С.И., Сафарбаков А.А. Защита от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ с компенсированной нейтралью, реагирующая на активную составляющую // Электрические станции. 2002. № 3. С. 60-62.
11. Шалин А.И., Политов Е.Н. Защита от замыканий на землю, реагирующая на сопротивление и проводимость цепей нулевой последовательности // Электроэнергетика: Сб. науч. трудов. Часть 1. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. С. 74-84.
12. Централизованная сигнализация замыканий на землю в компенсированных сетях с использованием наложенного тока второй гармоники // И.М. Сирота, А.Е. Богаченко, А.П. Шаповал и др. Автоматизация и релейная защита энергетических систем. Киев, 1981.
13. Шуцкий В.И., Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986. 151 с.
14. О параметрических методах локализации однофазных замыканий в распределительных сетях / Л. В. Богдашева, В. Е. Качесов // Научный Вестник НГТУ. 2006. № 3(24).
15. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. 2000. №1. С. 20-22.
16. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу // Известия вузов. Энергетика. 1978. № 12. С. 14-19.
17. Вайнштейн Р.А., Головко С.И., Григорьев В.С. и др. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6-10 кВ // Электрические станции. 1998. № 7. С. 26-30.
18. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Юдин С.М. Селективная сигнализация однофазных замыканий и измерение расстройки компенсации в сетях 30, 35 кВ // Электрические станции. 2000. № 7. С. 33-36.
19. Шалин А.И., Щеглов А.И. Концепция релейной защиты от замыканий на землю в сетях 35 кВ с резистивно-заземленной нейтралью // Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-10-35 кВ: Доклады научно-технической конференции. Новосибирск: ГЦРО, 2000. С. 149-160.
20. Булычев А.В., Соловьев И.В., Агельский А.В. Способ централизованной селективной защиты от замыканий на землю в распределительной электрической сети. Патент на изобретение № 2565060, Н02Н 3/16 (10.09.2013) // Бюлл. № 29. Опубл. 20.10.2015.