Методические указания по выбору характеристик и уставок защиты электрооборудования с использованием микропроцессорных терминалов серии Sepam

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ЭНЕРГЕТИКЕ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ РУКОВОДЯЩИХ РАБОТНИКОВ И СПЕЦИАЛИСТОВ - (ПЭИпк)

КАФЕДРА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ, СЕТЕЙ И СИСТЕМ

А.Л. Соловьев

Методические указания по выбору

характеристик и уставок защиты электрооборудования с использованием микропроцессорных терминалов серии

SEPAM

производства фирмы

Шнейдер Электрик

Часть вторая

г. Санкт-Петербург 2005

1. Защита от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 6 - 35 кВ

защита сеть замыкание трансформатор реле

В электрических сетях 6-35 кВ России, работающих, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью, значения токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) невелики, они не превышают 20 30 А. Поэтому сети этих классов напряжения называют сетями с малым током замыкания на землю. Однако ОЗЗ представляют большую опасность для оборудования электрических сетей и для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. В связи с этим «Правила» [2] требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других - немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его.

Наибольшее влияние на выбор типа защиты от ОЗЗ в сетях 6 и 10 кВ оказывает режим заземления нейтрали.

В России и республиках бывшего СССР используются, главным образом, либо режим “Изолированная нейтраль” (рис.2-1), либо режим “Резонансно-заземленная нейтраль” (рис.2-2). В 15-м издании «Правил технической эксплуатации» [2] допускается сравнительно новый для России режим работы с заземлением нейтрали через резистор (рис.2-3).

Как видно из рис.2-1, фазы всех линий имеют емкость С по отношению к земле (условно распределенные емкости линий изображены как дискретные конденсаторы). На поврежденной линии емкости фаз обозначены С₀, а на неповрежденной линии, которая представляет всю остальную электрически связанную сеть, обозначены как суммарные емкости C₀. Емкости всех присоединений в двух неповрежденных фазах C₀ определяют установившееся значение суммарного емкостного тока сети = 3 I₀.

При металлическом ОЗЗ в точке К₁ фазы А (рис.2-1,а) через место повреждения будет проходить суммарный ток , определяемый емкостями неповрежденных фаз всей остальной сети (емкость поврежденной фазы после разряда через точку КЗ в создании этого тока не участвует, так как она зашунтирована ОЗЗ). Ток поврежденной фазы возвращается в сеть через емкости неповрежденных фаз (показано штриховыми линиями). Таким образом, реле защиты от ОЗЗ, подключенное к поврежденной линии через специальный трансформатор тока нулевой последовательности кабельного типа CSH 120 (200), реагирует на суммарный емкостной ток сети .

При ОЗЗ в точке К₂ вне защищаемой линии (рис.2-1,б) через рассматриваемую защиту, проходит “собственный“ емкостной ток линии, определяемый емкостью ее фаз. Если эта токовая защита выполнена без элемента направления мощности, то необходимо обеспечить ее несрабатывание при внешнем ОЗЗ путем отстройки от собственного емкостного тока линии (фидера).

Значение емкостного тока линии и, соответственно, суммарного емкостного тока линий всей сети можно ориентировочно определить по эмпирическим формулам:

для кабельных сетей для воздушных сетей

где: U_н - номинальное напряжение сети (6 или 10 кВ), l - суммарная длина линий (км).

Для более точной оценки значения емкостного тока кабельной линии можно использовать таблицы, где приведены удельные значения емкостных токов в амперах на километр в зависимости от сечения кабеля и номинального напряжения сети.

Режим №1: Изолированная нейтраль (рис.2-1).



Рис.2-1. Распределение токов I⁽¹⁾ при ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью, режим № 1

Для воздушных сетей 6-35 кВ известна и другая аналогичная эмпирическая формула:

I_C = 2,7 U_Н l 10^-3.

Если в сети имеются крупные электродвигатели напряжением 6 или 10 кВ, то следует учитывать их собственные емкостные токи. Емкостной ток электродвигателя (при внешнем ОЗЗ) можно ориентировочно определить по эмпирической формуле:

при U_н.дв=6 кВ I_с.дв 0,017 S_н.дв ,

при U_н.дв = 10 кВ I_с.дв 0,03 S_н.дв,

где:

Например, у двигателя мощностью P_н.дв=5 МВт напряжением 10 кВ собственный емкостной ток может иметь значение I_с.дв. = 0,17 А.

Более точно I_C можно определить экспериментально (что и требуется делать регулярно, т.к. протяженность сети изменяется в течение эксплуатационного периода).

Удельные значения емкостных токов в кабельных сетях (А/км)

Сечение жил кабеля мм2	Удельное значение емкостного тока IC, А/км при напряжении сети
	6 кВ	10 кВ
16	0,40	0,55
25	0,50	0,65
35	0,58	0,72
50	0,68	0,80
70	0,80	0,92
95	0,90	1,04
120	1,00	1,16
150	1,18	1,30
185	1,25	1,47
240	1,45	1,70

Работа сети в режиме с изолированной нейтралью (рис.2-1) допускается «Правилами» [2] в тех случаях, когда суммарный емкостной ток I_C не превышает 30 А для сети 6 кВ, 20 А - для сети 10 кВ, 15 А - для сети 15-20 кВ и т.д.

Исключение составляют воздушные сети 6-35 кВ на железобетонных и металлических опорах, где суммарный емкостной ток при замыкании на землю не должен превышать 10 А. Это объясняется тем, что при длительном прохождении тока ОЗЗ через опору возможно высыхание грунта вблизи заземления опоры и увеличение общего сопротивления заземления опоры. При этом опора оказывается под высоким потенциалом, что может быть причиной электротравм людей и животных, находившихся вблизи этой опоры (см., например, журнал “Энергетик”, № 9 за 1998 г.). Длительное прохождение тока при ОЗЗ может быть причиной внутренних повреждений железобетонной опоры, нарушающих ее прочность. В сетях с синхронными генераторами 6-10 кВ значение тока ОЗЗ не должно превышать 5 А. Это обусловлено требованием минимизации разрушения изоляции генераторов при возникновении ОЗЗ.

Режим № 1 “Изолированная нейтраль” характерен для сетей с небольшой суммарной протяженностью кабельных линий (сети собственных нужд блочных электростанций, нефтеперекачивающих и газокомпрессорных станций, насосных станций водоснабжения и канализации, сетей небольших населенных пунктов, не связанные электрически с сетями больших городов, а также для многих воздушных сетей в сельской местности).

Если значение суммарного емкостного тока сети превышает допустимое значение по [1], то требуется выполнить компенсацию емкостного тока с помощью дугогасящих реакторов, т.е. перейти на другой режим нейтрали (рис.2-2).

Режим №2: Режим с резонансно-заземленной нейтралью или "компенсированная нейтраль".

В этом случае требуется включить на шины 6 (или 10) кВ трансформатор со схемой соединения обмоток Y/ и соединить с землей нейтраль обмотки Y через дугогасящий реактор (катушку индуктивности). В России (и в бывшем СССР) требуется обеспечить резонансную настройку дугогасящего реактора, при которой происходит полная компенсация емкостного тока I_C при частоте 50 Гц в месте однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) (рис.2-2): I_C = I_L.

Рис.2-2. Распределение токов при ОЗЗ в сети с полной компенсацией емкостного тока (показано схематично), режим № 2

Перевод сетей 6 и 10 кВ на режим №2 происходит в СССР с начала 1960-х годов. Для этой цели должны, как правило, применяться плавно регулируемые дугогасящие реакторы (ДГР) с автоматической настройкой тока компенсации при изменениях емкости сети [2]. Однако ДГР с плавной регулировкой индуктивности L до последнего времени серийно не выпускались. Очевидно, что ДГР со ступенчатой регулировкой индуктивности L не могут обеспечить полную компенсацию емкостных токов промышленной частоты при ОЗЗ при любых возможных режимах работы защищаемой сети. Режимы работы сети могут изменяться даже в течение суток, не говоря уже о более длительных периодах, в то время как установленное персоналом значение индуктивности ДГР остается неизменным. Но, несмотря на эти обстоятельства, при выборе принципов выполнения защиты от ОЗЗ приходится считаться с реальной возможностью полной или почти полной компенсации емкостного тока сети при определенном режиме сети и возникновении ОЗЗ. Поэтому токовые защиты от ОЗЗ, реагирующие на ток промышленной частоты 50 Гц, принципиально не могут использоваться для сетей, работающих в режиме № 2.

Наибольшее распространение в таких сетях получили в СССР устройства защиты, реагирующие на гармонические составляющие тока ОЗЗ. Большинство из этих устройств использует высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности при ОЗЗ, например, устройство УСЗ-3М, комплект дистанционной сигнализации замыканий на землю КДЗС (Мосэнерго, СКТБ ВКТ), специальный модуль в цифровом терминале SPAC-800 (“АББ Автоматизация”). В «Кузбассэнерго» для защиты от замыканий на землю в компенсированных сетях 6-10 кВ успешно используют низкочастотные составляющие тока нулевой последовательности при перемежающемся ОЗЗ, применяя полупроводниковые реле максимального тока, работающие в области низких частот. Работу этих реле при устойчивых ОЗЗ обеспечивает специальный источник “наложенного” контрольного тока частотой 25 Гц.

В настоящее время серийно выпускаются автоматически регулируемые ДГР типа РУОМ. Этот ДГР при отсутствии ОЗЗ работает в режиме холостого хода, но его автоматика постоянно следит за изменениями емкости сети и в момент возникновения ОЗЗ выводит ДГР на режим, близкий к резонансной настройке (информация изготовителя РУОМ - Раменского электротехнического завода “Энергия”).

Режим №2 используется в кабельных сетях больших и средних городов, крупных промышленных предприятий, а также в загородных воздушных сетях большой протяженности.

В большинстве случаев поврежденная линия с ОЗЗ определяется с помощью устройства УСЗ-3М, т.е. не автоматически. Это требует больших временных затрат.

К сожалению, в цифровых терминалах SEPAM отсутствует возможность измерять установившиеся значения высокочастотных гармоник токов ОЗЗ. Поэтому выполнение этих защит на сегодняшний день возможно только с дополнительной установкой указанного выше устройства УСЗ-3М или ему подобного.

Режим №3: Режим с заземлением нейтрали через резистор.

Этот режим давно используется во многих странах. В СССР его начали внедрять на блочных электростанциях с 1986 г. с целью обеспечить быстрое отключение однофазных замыканий на землю в электродвигателях 6 кВ до того, как ОЗЗ перейдет в многофазное КЗ, опасное для статора двигателя. В других двух режимах, при действии РЗ на сигнал, затрачиваются десятки минут на определение двигателя (или фидера) с ОЗЗ. По статистическим данным из-за этого за 10 лет повредилось более 10% электродвигателей на электростанциях СССР. Имеются статистические данные о том, что в сетях 6 кВ собственных нужд электростанций более 80% ОЗЗ перешли в многофазные (в распределительных сетях - около 70%).

В 15-ом издании «Правил» 1996 г. [2] этот режим получил признание ( 5.11.8). Для его реализации Московский завод “Электрощит” предлагает шкаф заземления нейтрали ШЗН (прежнее название К-118УЗ) с трансформатором ТСНЗ мощностью 63 кВ А с напряжениями 6/0,4 кВ (или 10/0,4 кВ) с u_к = 5,5%, схема соединения обмоток Y/ (на рис.2-3 обозначен ДТ), а также резистор R с активным сопротивлением 100 Ом (6 кВ) или 150 Ом (10 кВ) и допустимыми токами при ОЗЗ не более 40 А в течение 1,5 с и 5 А в течение 1 часа. Предусмотрена также возможность включения на стороне 6 или 10 кВ ограничителя перенапряжения (ОПН).

При выполнении данной защиты на терминалах SEPAM в цепи резистора R устанавливают трансформатор тока производства Шнейдер Электрик типа CSH 120 или CSH 200 (вместо включения ТТНП, как показано на рис.2-3).

Комплектное устройство К-118 УЗ подключается к РУ-6 кВ (РУ-10 кВ) через стандартное комплектное устройство К-104.

При заземлении нейтрали через указанный резистор на всех присоединениях осуществляется самая простая - токовая защита от замыканий на землю с действием на отключение поврежденного элемента без выдержки времени (t 0,1 с) и с резервным отключением сначала ДТ, а затем источников питания (рис.2-3). Выбор уставок по току - см. далее.

При выбранных параметрах дополнительного (заземляющего) трансформатора ДТ и добавочного резистора R ток 35 40 А при однофазном КЗ указанное значение тока обеспечивает высокую чувствительность защиты SEPAM при замыкании на выводах электродвигателя и защиту большой части обмотки статора.

Рис.2-3. Схема защит от замыканий на землю сети 10(6) кВ при заземлении нейтрали этой сети через резистор, режим № 3:

ДТ - дополнительный трансформатор; Тр - трансформатор (собственных нужд);

R - резистор; М - электродвигатель 10(6) кВ; ТТНП - трансформаторы тока нулевой последовательности типа CSH 120 или CSH 200

Уставки защиты от ОЗЗ выбраны из условия обеспечения несрабатывания при внешних замыканиях на землю (заземление через резистор уменьшает бросок емкостного тока в момент пробоя изоляции вне зоны защиты по сравнению с таким же повреждением в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, и коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока k_бр, принимается равным 11,5).

Защита от ОЗЗ на электродвигателях (М) и трансформаторах (Тр) должна действовать на отключение собственного выключателя без выдержки времени. Резервная защита от ОЗЗ, установленная на дополнительном трансформаторе (ДТ), действует с выдержкой времени около 0,5 с на отключение рабочего (резервного) ввода, то есть на погашение всей секции 10 (6) кВ. Возможно и другое решение: отключение самого ДТ, то есть перевод секции на режим работы с изолированной нейтралью и дальнейший поиск элемента с ОЗЗ путем поочередного отключения всех элементов с одновременным контролем напряжения нулевой последовательности (рис.2-4). Такое решение принято в России.

Надо отметить, что выбранные параметры ДТ и R (рис.2-3), определяющие значение тока = 3540 А, представляют лишь частный случай в решении проблемы защиты сетей этих классов напряжений как от перенапряжений, так и от замыканий на землю. Известны различные варианты резистивного заземления нейтрали, в которых значения токов однофазного замыкания на землю находятся в пределах от нескольких сотен ампер до нескольких ампер. В первой группе вариантов функции защиты от ОЗЗ могут исполнять защиты от междуфазных КЗ, при условии их трехфазного исполнения и отключения поврежденного элемента без выдержки времени. Во второй группе вариантов, с «высокоомным» резистивным заземлением нейтрали, значения активного тока замыкания на землю подбираются в пределах от 1 до 7 А соответственно значению емкостного тока данной сети. Таким образом, суммарный ток в месте повреждения оказывается в раз больше емкостного тока сети (при отсутствии резистора). При таких небольших значениях тока поврежденный элемент можно не отключать мгновенно, что дает возможность оперативному персоналу перевести питание на другой источник, а затем произвести отключение поврежденного элемента. Надо отметить, что для современных токовых защит SEPAM такие значения тока промышленной частоты вполне достаточны для срабатывания при ОЗЗ.

Режим №3 в России используется не только на блочных электростанциях, но и на газокомпрессорных станциях и на других промпредприятиях, а также может использоваться в других сетях среднего напряжения.

Аппаратуру для резистивного заземления нейтрали в России предлагают не только МЭЩ, но и Раменский завод “Энергия”, ПНП “Болид” и др.

Использование резистивного заземления нейтрали для создания активной составляющей в токе ОЗЗ возможно и в сочетании с компенсацией емкостных токов с помощью ДГР.

Требования к защитам от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. В режимах нейтрали №1 и №2 и при высокоомном резисторе в режиме № 3 допускается действие защит от ОЗЗ только на сигнал, за исключением тех электроустановок, которые питают торфоразработки, карьеры, шахты, строительные механизмы и т.п. На таких объектах ОЗЗ сопровождаются высокими напряжениями прикосновения и шаговыми напряжениями, которые могут быть причиной несчастных случаев. Поэтому должна выполняться селективная защита от ОЗЗ с действием на отключение поврежденного присоединения без выдержки времени и еще дополнительная резервная защита, отключающая все источники питания (вводы) подстанции с небольшой задержкой около 0,5 с. В SEPAM имеется возможность выполнить резервную защиту по напряжению нулевой последовательности с t_с.з 0,5 с и уставкой по напряжению 15% от значения первичного номинального линейного напряжения ТН.

При действии защиты на сигнал персонал обязан немедленно приступить к определению присоединения с ОЗЗ. При наличии селективной защиты на линиях это выполняется по показаниям сигнальных элементов, а при отсутствии селективной защиты - путем поочередного кратковременного отключения и включения линий и фиксации при этом напряжения нулевой последовательности (рис.2-4).

Таким образом, защиты от ОЗЗ должны удовлетворять основным требованиям, которые предъявляются ко всем устройствам релейной защиты [1,2]:

- селективность,

- быстродействие (особенно при необходимости отключения ОЗЗ),

- чувствительность,

- надежность.

Наряду с этим предъявляются требования, характерные для современных микропроцессорных защит (самодиагностика, запоминание событий, дистанционное получение информации и др.).

Принципы выполнения защит от ОЗЗ и их использование в сетях 6-35 кВ России в зависимости от применяемого режима нейтрали. Для защиты (сигнализации) при ОЗЗ используются следующие принципы:

измерение напряжения нулевой последовательности 3U₀ (режимы 1, 2, 3);

измерение тока нулевой последовательности 3I₀ промышленной частоты (50 Гц)- только в режиме 3 и, при определенных условиях, в режиме 1;

измерение гармонических составляющих в токе ОЗЗ (режим 2);

измерение мощности нулевой последовательности промышленной частоты (режим 1);

измерение переходных токов и напряжений нулевой последовательности при возникновении ОЗЗ (режим 1 и 2).

Принципы защиты от ОЗЗ №№ 1, 2, 4 могут быть реализованы с помощью SEPAM. Для реализации принципов №№ 3 и 5 требуются другие (отдельные) устройства РЗ.

Устройство контроля изоляции сети 6-35 кВ. Устройство контроля изоляции фиксирует факт возникновения ОЗЗ по напряжению нулевой последовательности. Практически все устройства контроля изоляции выполняются с использованием трансформаторов напряжения, либо трехфазных пятистержневых ТН, либо - трех однофазных ТН, соединенных по схеме открытого треугольника с заземленной нейтралью. Как правило, на питающих подстанциях устанавливаются трехфазные пятистержневые ТН с тремя обмотками: первичной, вторичной и дополнительной, соединенной по схеме, называемой "разомкнутый треугольник" (рис.2-4).

Устройство контроля изоляции может быть выполнено несколькими способами (рис.2-4, а). Например, с помощью трех вольтметров V1V3, включенных на фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения 3U₀. Может быть установлен один вольтметр с переключателем. В нормальном симметричном режиме все три вольтметра показывают одинаковые фазные напряжения. При замыкании одной фазы на землю показания вольтметра этой фазы резко понизятся вплоть до нуля при металлическом замыкании. При этом показания вольтметров других фаз увеличатся, вплоть до 1,73 фазного напряжения. Для управления звуковым сигналом при ОЗЗ может использоваться выходной сигнал терминалов SEPAM.

Другим распространенным способом выполнения сигнализации замыканий на землю является использование дополнительной (третьей) обмотки трансформатора напряжения, соединенной по схеме разомкнутого треугольника, которая является фильтром напряжения нулевой последовательности 3U₀ (рис.2-4,а). В нормальном режиме сети при симметричных напряжениях фаз А, В и С на выводах этой обмотки напряжение практически отсутствует (имеется только напряжение небаланса; значение вторичного напряжения небаланса обычно не превышает 1 В; это напряжение свидетельствует об исправности ТН, отсутствии обрывов и замыканий в его вторичных цепях).

При однофазном металлическом замыкании на землю, например, провода фазы А напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю. Напряжения неповрежденных фаз В и С увеличиваются в 1,73 раза, а их геометрическая сумма становится равной утроенному значению фазного напряжения (рис.2-4,б,в). Для того, чтобы напряжение на реле в этих случаях не превышало стандартного номинального значения 100 В, трансформаторы напряжения с обмотками, соединенными по схеме "разомкнутый треугольник", имеют повышенный в 3 раза коэффициент трансформации, например:

n_т =.



Рис.2-4. Схемы включения (а) устройств контроля изоляции, защиты напряжения нулевой последовательности и векторные диаграммы напряжений при однофазном замыкании на землю (б и в); ТН - трансформатор напряжения;V1V3-вольтметры

Под воздействием напряжения нулевой последовательности 3U₀, которое при металлическом замыкании достигает 100 В, защита напряжения нулевой последовательности срабатывает на сигнал или на отключение. Последнее выполняется на подстанциях, откуда питаются линии, отключаемые при замыканиях на землю по условиям техники безопасности (см. выше). Защита по напряжению нулевой последовательности является здесь резервной по отношению к основным селективным защитам этих линий и действует на отключение подстанции или секции с выдержкой времени 0,5 0,7 с для отстройки от основной защиты.

Устройство контроля изоляции в виде максимальной защиты напряжения нулевой последовательности SEPAM является простой и чувствительной защитой от замыканий на землю, но, к сожалению, неселективной.

Обмотка трансформатора 3U₀ "разомкнутый треугольник" используется также для питания других защит от замыканий на землю (например, направленных).

Токовая защита нулевой последовательности, ненаправленная, с независимой времятоковой характеристикой. Токовая защита, реагирующая на действующее значение полного тока нулевой последовательности (3I₀) промышленной частоты, применяется в сетях 6-35 кВ, работающих в режиме №1 "Изолированная нейтраль" и в режиме №3 "Нейтраль, заземленная через резистор". Селективность и чувствительность этой защиты обеспечивается выбором соответствующих параметров резистивного заземления и уставок РЗ.

При использовании SEPAM в качестве измерительного органа защиты от ОЗЗ селективная работа защиты в режиме изолированной нейтрали (рис.2-1) может быть обеспечена при условии, когда суммарный емкостной ток сети I_C (минимально возможный из всех режимов работы сети) существенно превышает собственный емкостной ток любого фидера I_{с.фид.макс} (при внешнем ОЗЗ). Это условие получается из двух условий выбора тока срабатывания защиты:

- условия несрабатывания при внешнем ОЗЗ:

I_с.з k_н k_бр I_{с.фид.макс} ,

где k_н 1,2 (коэффициент надежности); k_бр = 3 5 (коэффициент “броска”, учитывающий бросок емкостного тока в момент возникновения ОЗЗ, а также способность реле реагировать на него);

и условия срабатывания (чувствительности):

k_ч = I_C / I_с.з = 1,5 2.

Бросок емкостного тока представляет собой апериодический процесс, который частично подавляется фильтрами цифровых терминалов. Поэтому, при использовании для защиты от ОЗЗ цифровых реле серии SEPAM, можно принимать значение: k_бр =1  1,5.

Защита должна работать с минимальной выдержкой времени 50 мс.

Несмотря на меньшее влияние броска емкостного тока на работу SEPAM при внешних ОЗЗ, не всегда возможно обеспечить селективность (избирательность) рассматриваемого типа ненаправленной защиты в сети с изолированной нейтралью, особенно в сетях с нестабильной первичной схемой сети и, следовательно, периодически изменяющимися значениями собственных емкостных токов отдельных фидеров и суммарного емкостного тока, а также в сети с малым количеством фидеров. Это же относится к сетям 6-10 кВ, работающим с перекомпенсацией, разрешенной «Правилами» [1]. При резонансной настройке ДГР (режим нейтрали № 2) данный принцип выполнения защиты от ОЗЗ вообще не может быть использован. Невозможно обеспечить селективную (избирательную) работу этого типа защиты в сетях с параллельно работающими фидерами 6(10) кВ и в сетях с еще более сложной конфигурацией.

В воздушных сетях 6-10 кВ рассматриваемые токовые ненаправленные защиты нулевой последовательности используются сравнительно редко, т.к. для включения измерительного органа защиты требуется кабельная "вставка" для включения кабельного ТТНП, а также потому, что в воздушных сетях невелики значения токов 3I₀ при ОЗЗ.

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

В режиме резистивного заземления нейтрали рассмотренная здесь токовая ненаправленная защита может иметь большую чувствительность, поскольку при ОЗЗ к суммарному емкостному току сети I_C прибавляется (геометрически) активный ток резистивного заземления (рис.2-3).

Токовая защита нулевой последовательности, ненаправленная, с обратнозависимой времятоковой характеристикой. Характеристики для цифровых реле SEPAM см. выше.

Селективность работы такой защиты обеспечивается тем, что значение суммарного тока ОЗЗ поврежденного присоединения (т.е. суммы емкостных токов всех неповрежденных присоединений в геометрической сумме с активным током резистора) обеспечит более быстрое срабатывание SEPAM именно на поврежденном присоединении, чем на любом из неповрежденных присоединений. Для обеспечения селективного отключения поврежденного присоединения рекомендуется наиболее "крутая" обратнозависимая характеристика, например, чрезвычайно обратнозависимая по стандарту МЭК. Реализация данной характеристики возможна в SEPAM 80 в режиме «персонализированная характеристика» защиты 50/51N.

Ток срабатывания защиты I_с.з выбирается (как указано выше) из условия несрабатывания при внешних ОЗЗ. Таким образом, селективная работа защиты обеспечивается на фидере, где произошло ОЗЗ, за счет меньшего времени срабатывания реле при большем значении суммарного тока I_ОЗЗ по сравнению с емкостными токами неповрежденных фидеров. После отключения поврежденного фидера защиты всех неповрежденных фидеров автоматически возвращаются в исходное положение.

Если эта защита от ОЗЗ должна действовать только на сигнал, то необходимо выполнить специальную коммутацию для блокировки защит неповрежденных присоединений после срабатывания защиты поврежденного присоединения (см. «Энергетик», 2001 г., № 3, стр.32).

Рассмотренные ненаправленные токовые защиты с независимой времятоковой характеристикой и с обратнозависимой времятоковой характеристикой могут обеспечивать селективное отключение фидера с ОЗЗ только при определенной конфигурации защищаемой сети 6 (10) кВ, параметрах кабелей и других условиях, и, разумеется, при правильном выборе рабочих уставок. Однако, в сетях с изолированной нейтралью без резистивного заземления с очень небольшими значениями емкостных токов (рис.2-1) и малым количеством отходящих линий ненаправленные токовые защиты принципиально не могут обеспечить селективное отключение линий с ОЗЗ. Поэтому в таких сетях могут использоваться токовые направленные защиты от ОЗЗ на терминалах SEPAM 40 и 80 серий.

Направленные защиты в терминалах SEPAM. Направленная защита от однофазных замыканий на землю предназначена для селективного отключения линий при однофазных замыканиях на землю и может применяться в сетях с суммарным емкостным током не менее 0,2 А. Однако в связи с большой вероятностью возникновения однофазных замыканий на землю на ВЛ через переходные сопротивления и с учетом некоторого запаса по чувствительности применение этой направленной защиты целесообразно в тех сетях, например 10 кВ, где минимальное значение суммарного емкостного тока по крайней мере в 2,5  3 раза выше, т.е. 0,5  0,6 А (первичных).



Рис.2-5. Принципиальная схема включения направленной защиты от ОЗЗ типа SEPAM (а) и пояснение принципа ее действия при ОЗЗ на одной из ВЛ сети (б).

Токовые цепи реле SEPAM подключаются к кабельному трансформатору тока нулевой последовательности ТТНП типа CSH 120 или CSH 200 (рис.2-5,а), в связи с чем, защищаемая воздушная линия должна иметь кабельную вставку (ввод).

Цепи напряжения реле SEPAM включаются на напряжение нулевой последовательности 3U₀, получаемое от обмотки трансформатора напряжения ТН, соединенной в разомкнутый треугольник (рис.2-5,а).

Таким образом, при однофазном замыкании на землю, например, на воздушной линии 10 кВ ВЛ3 (рис.2-5,б) токи I_C1, I_C2, определяемые емкостью фаз неповрежденных линий ВЛ1, ВЛ2 по отношению к земле, имеют условное направление к месту повреждения на линии ВЛ3 и, таким образом, по-разному направлены на поврежденной и неповрежденной линиях. На неповрежденных линиях при направлении токов I_C к шинам 10 кВ питающей подстанции реле SEPAM не срабатывают. На поврежденной линии (при направлении суммарного емкостного тока I_C от шин подстанции к месту повреждения) реле SEPAM срабатывает, если значение этого суммарного тока больше, чем ее ток срабатывания (чувствительность). Если считать, что среднее удельное значение емкостного тока для воздушных сетей 10 кВ составляет на 1 км примерно 0,028 А, то для надежного срабатывания защиты SEPAM при минимальной ее уставке 0,2 А (первичных) необходимо, чтобы суммарная протяженность всех неповрежденных линий 10 кВ этой сети была бы не менее 20  25 км и, соответственно, суммарный емкостный ток I_C  0,5  0,6 А. Однако, если это условие не обеспечивается, например, при отключении для ремонта одной или двух линий 6 (10) кВ, тогда направленная защита не сможет сработать из-за недостаточных значений суммарного емкостного тока. При этом дополнительно к линейным защитам SEPAM на подстанции должна быть установлена резервная неселективная максимальная защита напряжения нулевой последовательности (на терминале SEPAM на рис.2-5,а), которая с выдержкой времени 0,5 с действует на отключение питающего трансформатора (при этом должны запрещаться действия автоматики включения: АВР, АПВ). При малых значениях емкостных токов такое неселективное действие считается правильным, поскольку своим действием защита выполняет требования техники безопасности и предотвращает несчастные случаи.

В России (и странах СНГ) широко используется режим заземления нейтрали №2 (рис.2-2), при котором может полностью компенсироваться ток 3I₀ промышленной частоты. Для таких сетей были разработаны оригинальные защиты от ОЗЗ, основанные на измерении высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ, получившие наименование УСЗ.

Устройства сигнализации замыканий на землю, измеряющие высшие гармонические составляющие тока при ОЗЗ. В России заводом ЧЭАЗ выпускаются два типа аналоговых устройств сигнализации замыканий на землю, измеряющих сумму высших гармоник в токе ОЗЗ:

УСЗ-2/2 - индивидуальное устройство, которое включается на ТТНП кабельного типа (Ферранти), основанное на принципе абсолютного замера;

УСЗ-3М - групповое устройство, состоящее из прибора, который поочередно подключается к ТТНП каждого из кабелей (рис.2-6), что дает возможность персоналу однозначно определить фидер с ОЗЗ по относительно большему показанию прибора (принцип относительного замера).

Устройство УСЗ-2/2 не нашло широкого применения из-за относительно большой стоимости, трудности выбора уставок, возможности неселективного срабатывания при дуговых ОЗЗ и других существенных недостатков.

Групповое устройство УСЗ-3М, также основанное на измерении суммы высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ (от 150 до 650 Гц), нашло широкое применение в основном в кабельных сетях городов и промышленных предприятий. Более чем 40-летний опыт использования УСЗ-3М позволяет дать высокую оценку этому устройству, несмотря на его известные недостатки: непригодность для использования в сложных сетях с параллельными линиями, невозможность фиксации кратковременных ОЗЗ, необходимость выезда оперативного персонала на подстанцию для большого числа измерений с целью определения поврежденного фидера и из-за этого большое время для отыскания фидера с ОЗЗ.

Для обеспечения безопасности оперативного персонала рекомендуется установить УСЗ-3М с кнопочной стойкой вне распределительного устройства 6-10 кВ (рис.2-6).

Таким образом, с помощью УСЗ-3М можно обнаружить только устойчивое замыкание на землю, но это не препятствует широкому применению этих устройств. Имеются разработки автоматических устройств для одновременного измерения сумм высших гармоник на всех отходящих линиях, сравнения этих значений между собой и выявления поврежденной линии. Например, в цифровом терминале защиты линии для сетей с резонансно-заземленной нейтралью SPAC 801.013 (АББ Автоматизация) предусмотрена токовая ненаправленная защита от замыканий на землю - аналог УСЗ, измерение высших гармоник тока. Аналогичные решения имеются в новом терминале SPAC 810 ("АББ Автоматизация"), а также в терминалах Сириус ("Радиус Автоматика") и в терминалах БМРЗ ("Механотроника"). Терминалы иностранных фирм не измеряют токи высших гармоник при ОЗЗ.

Рис.2-6. Схема включения прибора УСЗ-3М. Кнопки с переключением без разрыва цепи

Надо отметить, что описанные устройства не имеют элемента направления, поэтому на подстанциях с малым числом линий, причем неидентичных, затруднительно обеспечить их селективную работу при ОЗЗ на какой-то из линий.

2. Выбор уставок защит трансформаторов 6 и 10 кВ

2.1 Требования, предъявляемые к защитам трансформаторов 6,3/0,4 кВ и 10,5/0,4 кВ

Понижающие трансформаторы 6,3/0,4 кВ и 10,5/0,4 кВ применяются для питания низковольтных потребителей, в частности электродвигателей, освещения и т.п. Данные трансформаторы имеют широкое применение на любых промышленных предприятиях (включая электрические станции), коммунальных сетях, водоканалах и т п.

Трансформаторы выбирают по номинальному току, равному или превышающему расчетный ток нагрузки на данном присоединении. Внутреннее реактивное сопротивление трансформаторов собственных нужд электрических стаций (ТСН) должно ограничивать значения токов КЗ на шинах 0,4 кВ. Поэтому ТСН электрических станций имеют значение u_k = 8% (понижающие трансформаторы промышленных предприятий и коммунальных сетей выпускаются с u_k = 5%). Трансформаторы ТСН 6,3(10,5)/0,4 кВ подключаются к сборным шинам распределительного устройства собственных нужд (РУСН) 6 кВ через отдельные выключатели. Эти трансформаторы выполнены с заземлением нейтрали вторичной обмотки 0,4 кВ. Как правило, от одного трансформатора собственных нужд питаются одна или две секции распределительных устройств 0,4 кВ. Для секций с недопустимым режимом длительного перерыва питания должно быть предусмотрено автоматическое включение ввода резервного питания (АВР) от резервного трансформатора. Резервные трансформаторы ТСН (6,3/0,4 кВ или 10,5/0,4 кВ) должны обеспечивать самозапуск всех ответственных электродвигателей 0,4 кВ. При выполнении схемы «неявного» резервирования СН мощность ТСН выбирается равной мощности полной нагрузки двух секций 0,4 кВ. В этом случае включение АВР осуществляется включением секционного выключателя на секциях 0,4 кВ.

Схема выполнения защит понижающего трансформатора 6,3(10,5)/0,4 кВ приведена на рис.3-1. Необходимый набор защит трансформатора 6,3(10,5)/0,4 кВ должен включать в себя следующие устройства.

- Максимальная токовая защита (МТЗ) трансформатора устанавливается со стороны вводов 6,3 (10,5) кВ и является одновременно защитой ввода рабочего питания 0,4 кВ. На реактированных линиях 6,3 (10,5) кВ МТЗ является единственной защитой от междуфазных КЗ, так как при защите этих линий быстродействующие защиты не применяются. МТЗ выполняет функцию резервной защиты токовых защит трансформатора при их отказе или выводе из действия. Выбор уставок срабатывания МТЗ осуществляется из условия несрабатывания защиты при самозапуске электродвигателей. Причем, значения токов самозапуска могут значительно превышать номинальные значения токов трансформатора. При использовании в качестве защиты цифровых терминалов SEPAM защита выполняется с применением трансформаторов тока в трех фазах ТА1-ТА3.

- Токовая отсечка от междуфазных КЗ на стороне 6,3 (10,5) кВ. Для защиты трансформаторов мощностью до 4 МВА может применяться токовая отсечка [1]. На трансформаторах 6,3 МВА и более должна устанавливаться продольная дифференциальная защита. Известно, что мощности трансформаторов 6,3/0,4 кВ (10,5/0,4 кВ) не превышают 1600 кВА (в исключительных случаях 2500 кВ А). Поэтому для защиты вводов и части первичной обмотки этих трансформаторов применяется токовая отсечка. Если применение токовой отсечки не позволяет обеспечить чувствительность защиты (k_ч??1,5), то для трансформаторов мощностью более 1000 кВА применяют продольную дифференциальную защиту. (Продольная дифференциальная защита должна устанавливаться на крупных трансформаторах мощностью 6,3 МВт и более. Она используется в качестве основной быстродействующей защиты от всех видов КЗ в обмотках трансформатора, КЗ на выводах и в соединениях с шинами высшего и низкого напряжений.) По условиям селективности токовая отсечка не должна срабатывать при КЗ на стороне 0,4 кВ. Это обеспечивается правильным выбором значений параметров срабатывания этой защиты. Уставка срабатывания реле выбирается больше значения тока трехфазного КЗ на стороне 0,4 кВ. В зону действия токовой отсечки входят выводы обмотки 6,3 (10,5) кВ, часть первичных обмоток трансформатора, а так же кабель, соединяющий трансформатор с выключателем Q1. Традиционно сигналами для работы данной защиты являлись выходные токи двух трансформаторов ТА1 и ТА2 (включенных в фазы А и С). Для повышения чувствительности защиты раньше применялось дополнительное реле, включенное на сумму токов фаз А и В. В современных цифровых защитах SEPAM токовая отсечка реализуется как первая ступень максимальной токовой защиты. Поэтому сигналами для срабатывания токовой отсечки являются три фазных тока трансформатора 6,3/0,4 кВ, снимаемые с трансформаторов тока ТА1-ТА3 (рис.3-1). Такое решение позволяет повысить надежность работы защит при выходе из строя одного из трансформаторов тока ТА1 - ТА3, или при обрыве токовых цепей этих трансформаторов. Токовая отсечка работает без выдержки времени и действует на выключатель Q1 и независимый расцепитель автоматического выключателя SF1 без блокировки АВР защищаемой секции 0,4 кВ. Данная защита относится к основным защитам трансформатора и действует без выдержки времени на его отключение.

- Защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сети 6,3 (10,5) кВ. Выполнение этой защиты зависит от режима работы нейтрали. Она выполняется, как и аналогичные защиты от однофазных замыканий на землю других присоединений сети 6,3 (10,5) кВ. Для выполнения защит от ОЗЗ с применением терминалов SEPAM компания Шнейдер Электрик выпускает трансформаторы тока нулевой последовательности ТТНП1 типов CSH-120 и CSH-200. Защита относится к основным защитам трансформатора и действует на отключение или на «сигнал». При возникновении ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью (в соответствии с ПТЭ) допускается работа сети не более 2 часов. Защита от ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью или в сети с заземлением нейтрали через высокоомный резистор может работать на сигнал или на отключение.

- Защита от симметричных перегрузок на стороне 6,3 кВ (10 кВ) предназначена для выявления режима симметричных перегрузок защищаемого трансформатора. Защита от симметричных перегрузок действует на сигнал. Данная защита, как правило, выполняется с помощью одной из ступеней МТЗ (50/51) SEPAM (рис.3-1). В терминалах SEPAM, предназначенных для защиты трансформаторов возможна реализация защиты от тепловой перегрузки (49RMS) без применения датчиков температуры. Защита от симметричных перегрузок не устанавливается на реактированных линиях напряжением 6,3 (10,5) кВ.

- Устройство резервирования отказа выключателя (УРОВ) трансформаторов в сети 6,3 кВ. Эта функция предназначена для обнаружения неисправности выключателя, который не был отключен после срабатывания токовых защит (50/51, 50N/51N, 46, 67/67N). УРОВ (ANSI 50BF) применяется для всех трансформаторов - 6,3(10,5)/04 кВ. Это обусловлено тем, что при КЗ в сети 0,4 кВ защиты вводов на стороне 6,3 (10,5) кВ имеют недостаточную чувствительность. Сигнал УРОВ формируется с временной задержкой 0,3  0,4 с и если ток КЗ не отключился, защита выдает сигнал на отключение ввода рабочего или резервного питания. Для терминалов SEPAM токовая уставка срабатывания УРОВ может лежать в диапазоне I_{ср.уров}= (0,22)I_ном, где: I_ном - номинальный ток защищаемого трансформатора. Уставка по току (для запуска УРОВ) выбирается с коэффициентом отстройки 0,5  0,8 от наименьшего значения уставки - из всех токовых защит терминала, действующих на отключение выключателя. Причем, выбранное значение уставки по току для УРОВ должно быть выше уставок токовых защит, действующих на сигнал. Это позволит исключить возможность неправильного действия УРОВ при срабатывании сигнализации.



Рис.3-1. Схема выполнения защит понижающего трансформатора 6,3(10,5)/0,4 кВ

- Резервная токовая защита от междуфазных КЗ. Защита предназначена для резервирования действия защит и автоматических воздушных выключателей при междуфазных КЗ в любой точке сети 0,4 кВ. В настоящее время лучший вариант защиты дальнего резервирования отказов выключателей при КЗ в сети 0,4 кВ реализован на микропроцессорном реле БМРЗ-0,4. Защита БМРЗ-0,4 выполняет функцию резервирования отказов автоматических выключателей, как при многофазных, так и однофазных КЗ. Принцип действия реле БМРЗ - 0,4 основан на анализе приращений токов и напряжения в сети 0,4 кВ. При возникновении КЗ в сети 0,4 кВ ток в точке КЗ носит активный характер. Поэтому если приращения активной составляющей тока в фазах А, В и С превышает приращение реактивной составляющей тока выше заданной уставки, защита срабатывает и действует на независимый расцепитель автоматического выключателя SF1. При пуске и самозапуске двигателей ток, потребляемый электродвигателями 0,4 кВ, носит реактивный характер, и в этом случае приращение реактивной составляющей тока превышает приращение активной составляющей. В этом режиме защита блокируется, обеспечивая нормальный пуск и самозапуск двигателей, например в системе собственных нужд электрических станций 0,4 кВ. Выбор уставок для настройки этой защиты приведен в [10].

- Резервная токовая защита нулевой последовательности на стороне 0,4 кВ предназначена для резервирования при отказе защит и автоматических воздушных выключателей при замыканиях на землю в сети 0,4 кВ. Трансформатор тока защиты ТА₀ устанавливается в цепь заземления нейтрали обмоток трансформатора 0,4 кВ. В качестве трансформатора тока ТА₀ рекомендуется применять трансформаторы типов ТЗЛМ, ТК-20 и т.п.. Правильно настроенная токовая защита нулевой последовательности должна иметь время срабатывания не более 0,3 с. Значения токов КЗ в сети 0,4 кВ определяются мощностью трансформатора, схемой включением обмоток и значением u_k. Токи однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сети 0,4 кВ могут достигать 8-18 кА. При таких значениях токов КЗ и времени действия защиты более 0,3 с ОЗЗ переходят в многофазные КЗ. Это обусловлено термической стойкостью кабелей в сетях 0,4 кВ. Если время срабатывания резервной токовой защиты нулевой последовательности превышает значение 0,3 с, то ОЗЗ перейдет в междуфазное КЗ, и защита нулевой последовательности не успеет сработать. При переходе ОЗЗ в междуфазное КЗ сработают отсечки автоматических выключателей или резервная защита от междуфазных КЗ сети 0,4 кВ.

- Дуговая защита. Выполняется во всех шкафах КРУ 6,3 (10,5) кВ для уменьшения объема повреждений при возникновении КЗ с открытой электрической дугой. Дуговая защита выполняется с контролем значения тока КЗ в цепи питания защищаемой секции. Логический сигнал срабатывания дуговой защиты подаётся в SEPAM.

- Газовая защита. Газовая защита применяется для защиты трансформаторов с масляным охлаждением и является резервом для всех токовых защит. Логические сигналы о срабатывании газовой защиты подаются в SEPAM. Аварийный сигнал газовой защиты в терминале SEPAM формирует команду на отключение трансформатора без выдержки времени. Сигнал газовой защиты о снижении уровня масла в баке трансформатора подается в SEPAM и сигнализирует о ненормальной работе трансформатора.

- Тепловая защита трансформатора. Цифровые терминалы SEPAM позволяют подключать датчики температуры (платиновые и никелевые термометры). Это обеспечивает контроль температуры при работе трансформаторов. Температурная защита трансформаторов работает на сигнал.

2.2 Выбор уставок защит двухобмоточных понижающих трансформаторов 6,3/0,4 кВ (10,5/0,4 кВ)

3-2.1 Максимальная токовая защита (МТЗ) трансформатора со стороны 6,3 (10,5) кВ. Значение уставки тока срабатывания МТЗ понижающего трансформатора 6,3(10,5)/0,4 кВ выбирают из следующих условий. Защита должна быть отстроена от максимально возможного тока нагрузки, с учетом токов самозапуска электродвигателей 0,4 кВ, и иметь высокую чувствительность.

Ток срабатывания защиты, с учетом отстройки от режима самозапуска электродвигателей, определяют из выражения (1-1):

,

где k_н - коэффициент надежности несрабатывания защиты; k_в- коэффициент возврата максимальных реле тока; k_сзп - коэффициент самозапуска нагрузки, отражающий увеличение рабочего тока I_{раб.макс} за счет одновременного пуска всех электродвигателей, которые затормозились при снижении напряжения во время возникновения КЗ.

Для построения МТЗ трансформаторов 6,3(10,5)/0,4 кВ с временем срабатывания более 0,3 с принимают значение k_сзп 1,1 1,3.

Для цифровых терминалов SEPAM значение коэффициента k_н принимают 1,1, а значение k_в принимают 0,935 ??0,05 (по информации фирмы Шнайдер Электрик).

Максимальные значения коэффициента самозапуска при значительной доле электродвигательной (моторной) нагрузки определяются расчетом для конкретных условий, но обязательно при наиболее тяжелом условии пуска полностью заторможенных электродвигателей.

Максимальное значение рабочего тока защищаемого трансформатора I_{раб.макс} определяется с учетом его максимально допустимой перегрузки. Для трансформаторов 6 и 10 кВ мощностью до 630 кВА в России допускается длительная перегрузка до 1,6  1,8 номинального тока.

Ток срабатывания МТЗ трансформатора 6,3 (10,5)/0,4 кВ, по условию согласования чувствительности последующей и предыдущей МТЗ (1-2) (при последовательном включении защит), выбирается из выражения:

I_{с.з.посл} ? k_н.с. I_{с.з.пред}, (3-1)

где k_н.с - коэффициент надежности согласования, значения которого зависят от типа токовых реле и принимаются в пределах от 1,1 до 1,3  1,4 при согласовании с защитами прямого действия; I_{с.з.посл} - уставка тока срабатывания МТЗ РУ 0,4 кВ, приведенное с учетом коэффициента трансформации к стороне 6,3 кВ.

При согласовании защит с применением принципа временной селективности срабатывание последующей защиты увеличивается на ступень селективности по отношению к предыдущей защите (1-5):

t_{ср.посл} = t_{ср.пред} + ?t,

где: t_{ср.посл} - время срабатывания последующей защиты, t_{ср.пред} - время срабатывания предыдущей защиты, ?t -ступень селективности по времени.

При расчете ступени временной селективности ?t, для терминалов SEPAM, применяется выражение (1-6). При согласовании терминалов SEPAM с предыдущими защитами, построенными с применением цифровых защит различных фирм производителей согласно (1-6) применяется временная ступень селективности ?t=0,3 с.

...