Разработка алгоритма ОЗЗ в сетях 6-35 кВ на базе микропроцессорных защит

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»

Разработка алгоритма ОЗЗ в сетях 6-35 кВ на базе микропроцессорных защит

Л.Г. Мигунова, П.С. Белова

Аннотация

Состояние вопроса: Наиболее частым повреждением в электрических сетях 6-35 кВ является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). Эти замыкания возникают в следствие пробоя изоляции одной из трех фаз, или обрыва проводов воздушной лини. Работа электрической сети с замыканием на землю допускается в течении определенного времени, но является крайне нежелательной. Наибольшее влияние на выбор типа защиты от 033 в сетях 6 и 10 кВ оказывает режим заземления нейтрали. Микропроцессорные защиты от ОЗЗ основываются на измерении тока нулевой последовательности 3I₀ и напряжения нулевой последовательности 3U₀.

Материалы и методы: При проведении экспериментов на стенде с использованием микропроцессорных защит в качестве исследуемого объекта применялся терминал «Сириус-2Л» производителя ЗАО «Радиус Автоматика».

Результаты: Проведен сравнительный анализ действия механических и микропроцессорных защит (терминал «Сириус-2Л» ЗАО «Радиус Автоматика»).

Выводы: При сравнении действия защит от однофазных замыканий на землю, установленных на стенде, было выявлено, что микропроцессорные защиты наиболее быстро срабатывают и многофункциональны.

Ключевые слова: электрическая сеть, однофазное замыкание на землю (ОЗЗ), режим заземления нейтрали, релейная защита, микропроцессорная защита.

Annotation

DEVELOPMENT of ALGORITHM of single-phase to earth fault (SEF) IN NETWORKS of 6-35 KV ON the BASIS of MICROPROCESSOR PROTECTION

L.G.Migunova, P.S.Belova

Samara State Technical University, Samara, Russian Federation

Background: The most frequent damage in electrical grid of 6-35 kV is single-phase to earth fault (SEF). These circuits arise as a consequence of the breakdown of the insulation of one of the three phases, or an open wire overhead line. Network with ground short-circuit allowed for a certain time, but is highly undesirable. The greatest influence on the choice of the type of protection single-phase to earth fault (SEF) in networks 6 kV and 10 kV having the neutral grounding mode. Microprocessor protection single-phase to earth fault (SEF) based on the measurement of the zero sequence current 3I₀ and the zero sequence voltage 3U₀.

Materials and Methods: While conducting experiments on the bench with the use of microprocessor protection relay as a test object used the terminal "Sirius-2L" producer JSC "Radius Automation".

Results: In the comparative analysis tested the mechanical protection and microprocessor protection (terminal "Sirius-2L" JSC "Radius Automation").

Conclusions: When comparing the actions of protection single-phase to earth fault, it was found that microprocessor protection most quickly respond and multifunctional.

Key-words: electrical grid, single-phase to earth fault (SEF), conditions of ground neutral, relay protection, microprocessor protection.

Причины возникновения однофазных замыканий на землю

Большинство аварийных режимов в энергосистеме создается замыканием одной из фаз трехфазной системы на землю или на элемент, электрически связанный с землей. Данное явление называется однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) [1].

Процессы, протекающие в сети при возникновении такого замыкания, значительным образом зависят от режима работы нейтрали данной сети. Нулевой провод (нейтраль) необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки, когда сопротивления этих фаз различны. Тем самым сохраняется симметрия энергосистемы. Однако, селективные защиты от замыканий на землю отсутствуют на 80% подстанций России [2].

При замыкании одной из фаз на землю значения фазных напряжений неповрежденных фаз становятся близкими к линейным, что недопустимо. В результате воздействия повышенного напряжения изоляция этих фаз подвержена ускоренному старению, что в конечном счете может привести к замыканию на землю других фаз и возникновению двойного замыкания на землю, являющегося коротким замыканием и требующего немедленного отключения поврежденного участка сети.

Способ заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ решает проблему надежности энергоснабжения, а также сохранность электрического оборудования, безопасности людей и животных, находящихся в местах прохождения электрических линий, и, в очень большой степени, на выбор принципов и типов устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), а также на способы использования этих устройств для отключения замыкания на землю или только для сигнализации.

Режимы заземления нейтрали

замыкание однофазный земля нейтраль

Классификация режимов нейтрали проводится в зависимости от значения напряжения на неповрежденных фазах. Поэтому режимы заземления нейтрали в сети 6-35 кВ можно разделить на:

-изолированная нейтраль;

-заземление нейтрали через дугогасительный реактор (ДГР);

-заземление нейтрали через резистор;

-заземление нейтрали через ДГР, зашунтированный резистором.

Режим заземления нейтрали определяет также и способ выполнения селективной защиты от замыканий на землю. При прочих равных условиях предпочтение должно быть отдано такому способу заземления нейтрали, при котором защита от замыкания на землю получается достаточно простой и надежной.

В настоящее время в России используются три способа заземления нейтрали в рассматриваемых сетях: изолированная, компенсированная и резистивно-заземлённая, начинает применяться и четвёртый - с резистором и дугогасящим реактором в нейтрали. Однофазные замыкания не относятся к коротким замыканиям и могут существовать 2 и более часов. За это время можно переключить нагрузку на другой источник, и уже после этого отключить линию [1].

Трудно создать универсальную защиту от 033 для таких разных типов электроустановок, как воздушные и кабельные линии, генераторы и электродвигатели, для разных режимов заземления нейтральных точек сети.

Виды применяемых защит от ОЗЗ

В настоящее время в России и за рубежом применяются следующие основные разновидности защит от ОЗЗ:

1. Защиты, измеряющие напряжение нулевой последовательности.

2. Ненаправленные защиты, регистрирующие составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности.

3. Направленные защиты, реагирующие на составляющие промышленной частоты тока и напряжения нулевой последовательности.

4. Защиты, фиксирующие «наложенный» ток с частотой, отличной от промышленной.

5. Защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности, возникающие естественным путём.

6. Защиты, реагирующие на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности в переходном процессе ОЗЗ.

Защиты от однофазных замыканий на землю на линиях действуют на сигнал, тем не менее, применение этих защит целесообразно, так как место замыкания на землю нужно отыскать и устранить по возможности быстро, потому что упавший провод опасен для окружающих. В этом случае поиск места замыкания на землю производится путем поочередного отключения линий [3].

В сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю через место повреждения будут проходить емкостные токи, обусловленные напряжением и емкостью неповрежденных фаз. Включение в нейтраль активных или реактивных сопротивлений вызвано необходимостью ограничения емкостных токов на землю. Эти токи не должны превышать в нормальных режимах: в сетях 3--20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях, и во всех сетях 35 кВ -- 10 А; в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях: при напряжении 3--6 кВ -- 30 А, при 10 кВ -- 20 А, при 15--20 кВ -- 15 А.

В настоящее время в РФ в эксплуатации находится свыше 1 млн.600 тыс. устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) различных типов, и основную долю их составляют электромеханические устройства и микроэлектронные или с частичным использованием микроэлектроники. Показатель правильности срабатывания устройств РЗА стабилен и составляет 99,5%. Значительная доля (свыше 40%) случаев неправильной работы устройств РЗА происходит из-за неудовлетворительного состояния устройств и ошибок персонала РЗА при техническом обслуживании.

В новых экономических условиях приоритетным направлением, способствующим развитию систем релейной защиты и автоматики (РЗА) является создание свободного рынка конкурентоспособных технических средств систем РЗА. Таким образом, научно-техническая политика РАО «ЕЭС России» была ориентирована на внедрение микропроцессорных систем РЗА как отечественного производства, так иностранного, отвечающих требованиям РАО «ЕЭС России» по функциональным показателям и условиям эксплуатации [4].

Защита от ОЗЗ в составе терминала «Сириус-2-Л»

Самыми востребованными производителями устройств релейной защиты ИЦ «Бреслер», НПП «Бреслер», ЗАО «РАДИУС Автоматика», НПП «ЭКРА» и ИЦ «Энергосервис», ALSTOM, Siemens, ABB, General Electric, Merlin Gerin, РЕЛСiС и другие предлагают микропроцессорную аппаратуру релейной защиты, которая соответствует современным требованиям и может быть использована для модернизации средств РЗА существующего электрооборудования, а также для новых объектов.

Микропроцессорное устройство «Сириус-2-Л» (производитель «РАДИУС Автоматика») предназначено для защиты воздушных и кабельных линий, а также трансформаторов, преобразовательных агрегатов и т.д. Данный терминал представлен на Рис.1 [5].

Устройство устанавливается в релейных отсеках КРУ, КРУН и КСО, на панелях и в шкафах в релейных залах и пультах управления электростанций и подстанций 6-35 кВ.

Данное устройство выполняет следующие функции защит:

? трехступенчатая максимальная токовая защита (МТЗ) от междуфазных повреждений с контролем двух или трех фазных токов;

? автоматический ввод ускорения любых ступеней МТЗ при любом включении выключателя;

? защита от обрыва фазы питающего фидера (ЗОФ);

- защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) по сумме высших гармоник;

? защита от однофазных замыканий на землю по току основной частоты;

? выдача сигнала пуска МТЗ для организации логической защиты шин.

Рис. 1 Вид спереди

Помимо функций защит «Сириус-2Л» также выполняет функции автоматики (АПВ, АЧР, ЧАПВ, УРОВ и т.д.). Также в терминале предусмотрены дополнительные сервисные функции (определение места повреждения, дополнительная ступень МТЗ-4, измерение времени срабатывания защит и т.д.)

Защита от ОЗЗ разделена на защиты по сумме высших гармоник (3-й, 5-й, 7-й, 9й - выделяются цифровым фильтром, происходит подавление сигнала основной частоты 50 Гц) и току основной частоты 50 Гц (определяется ток основной частоты и его пороговое значение).

Параметры защиты от ОЗЗ на высших гармониках приведены в Талице 1.

Таблица 1

Значение тока высших гармоник при однофазном замыкании на землю составляет примерно 5% от тока первой гармоники, который появился бы в данной сети при отсутствии компенсации. Данный фактор следует учитывать при расчете уставок.

Параметры защиты по току основной частоты 50 Гц приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Рис. 2 Фрагмент функциональной логической схемы защиты от ОЗЗ

Из Рис.2 видно, что защиты на высших гармониках и на основной частоте могут действовать совместно, но нельзя задать одновременно защиту по гармоникам на сигнал, а по основной частоте - на отключение.

Токи контролируемой линии поступают на входные измерительные трансформаторы, осуществляющие гальваническую развязку и согласование уровней сигналов. Далее они поступают на модуль микропроцессорного контроллера, где предварительно фильтруются, а затем оцифровываются аналого-цифровым преобразователем АЦП. Цифровой сигнальный процессор производит цифровую обработку сигналов. Полученные данные передаются главному процессору.

Сравнение и применение электромеханических и микропроцессорных защит

В настоящее время в РФ в эксплуатации находится свыше 1 млн.600 тыс. устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) различных типов, и основную долю их составляют электромеханические устройства и микроэлектронные или с частичным использованием микроэлектроники. Находящиеся в эксплуатации средства РЗ и ПА проектировались и вводились в эксплуатацию в 70-80 годы. В совокупности эти средства представляют собой сложную многоуровневую и резервируемую систему противо-аварийного автоматического управления (ПАУ). Сеть 500кВ оснащена электромеханическими устройствами РЗ и линейной автоматики. Общее состояние устройств РЗА в энергосистемах характеризуется старением аппаратуры, измерительных приборов, контрольных кабелей, значительная часть которых находится в эксплуатации более 25 лет. По данным энергосистем РФ в среднем 38 % (в 1998 -35%, в 1997-33%) устройств проработали более 25 лет, морально и физически устарели, не отвечают требованиям надежности, удобства эксплуатации, требуют повышенных трудозатрат на их техническое обслуживание [6].

Отказ от электромеханических и статических реле, обладающих значительными габаритами, позволил более компактно размещать оборудование на панелях РЗА. Такие конструкции стали занимать значительно меньше места. При этом управление посредством сенсорных кнопок и дисплея стало более наглядным и удобным. Микропроцессорные терминалы более чувствительны к аварийным режимам. Однако полный отказ от электромеханических реле не совсем обоснован, так как имеющийся опыт эксплуатации микропроцессорных защит показал, что они не так уж и безупречны.

В общем случае, если для срабатывания электромеханического или электронного реле мгновенного действия достаточно 5-15 мс, то для микропроцессорного реле уже необходимо 30-40 мс (по данным производителей). В реальных же условиях оказывалось 80-100 мс. Это связано с тем, что, в отличие от электромеханического или аналогового электронного реле, микропроцессорное реле работает со входными величинами дискретно. В аварийных переходных режимах микропроцессору приходится обрабатывать большие массивы информации в режиме реального времени, сопровождающегося быстрыми и значительными изменениями входных сигналов, и для этого ему необходимо определенное время (иногда сотни миллисекунд). Более того, если уже после запуска микропроцессора ситуация изменилась (например, замыкание на землю одной фазы перешло в двухфазное, а затем и трехфазное), то запущенный процесс вычисления прерывается и все измерения начинаются сначала.

Вывод

При проведении испытаний на стенде при однофазном коротком замыкании на землю с использованием микропроцессорной защиты «Сириус-2Л» и электромеханических реле было установлено, что быстродействие микропроцессорных защит выше, чем у электромеханических. Это можно объяснить тем, что на таком стенде невозможно заранее сымитировать все возможные комбинации и искажения сигналов, которые могут произойти в реальной ситуации. Невозможно заранее предусмотреть такие случаи и при разработке реле [7].

Список литературы

1. Шалин, А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали. Новосибирск, 2014. 1 с.

2. Борухман, В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик, 2000, №1. 20-22 с.

3. Езерский, В.Г. Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю // ООО «НТЦ «Механтроника»». 2 с.

4. Белотелов, А.К. Научно-техническая политика РАО «ЕЭС России» в развитие систем релейной защиты и автоматики. Сборник докладов XV научно-технической конференции СИГРЭ в г.Москва “Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем”. Москва. 2002. 3 с.

5. Микропроцессорные устройства защиты «Сириус-2-Л», «Сириус-21-Л».Руководство по экслпуатации. ЗАО «РАДИУС Автоматика».-Москва- 4-13 с.

6. Коновалов, Е.В. Основне результаты эксплуатации устройств РЗА энергосистем Российской Федерации. Сборник докладов XV научно-технической конференции СИГРЭ в г.Москва “Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем”. Москва. 2002. 19-23 с.

7. Гуревич В. Журнал «Новости электротехники». Микропроцессорные реле защиты. Новые перспективы или новые проблемы?.-Israel Electric Corporation, Израиль, г.Хаифа. 2005. №6.

Размещено на Allbest.ru