Что такое перемежающаяся дуга

Что такое перемежающаяся дуга

В предыдущем номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 6(36) 2005) Алексей Иванович Шалин описал разновидности направленных защит от однофазных замыканий на землю и рассмотрел вопросы, связанные с влиянием переходного сопротивления в месте ОЗЗ на сигналы, поступающие к таким защитам.
В публикуемом сегодня материале автор продолжает анализировать некоторые аспекты, связанные с применением направленных защит.

Алексей Шалин, д.т.н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В МЕСТЕ ОЗЗ

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОЗЗ

Электрическая дуга также является своеобразным «переходным элементом» в месте ОЗЗ. Однако попытки учесть дугу в рамках описанной в [1, 2] модели во многих случаях не венчаются успехом. Эта, используемая большинством авторов, модель не в состоянии адекватно описать, например, влияние перемежающейся дуги на те сигналы, на которые реагируют направленные защиты от ОЗЗ. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

УСТОЙЧИВАЯ ДУГА

Горящая в месте ОЗЗ устойчивая дуга обычно является мощным источником высокочастотных составляющих в напряжении U₀ и токе I₀. В [4] отмечалось, что в токе это влияние становится настолько заметным, что может привести, например, к излишнему срабатыванию защит неповрежденных линий. Для предотвращения таких срабатываний в современных устройствах защиты от ОЗЗ предусматриваются специальные гармонические фильтры.

Перемежающаяся дуга

Перемежающаяся дуга может возникать при ОЗЗ как на воздушных, так и на кабельных ЛЭП, но для кабельных линий она более характерна. По некоторым данным [1], до 80% замыканий на кабельных линиях сопровождаются перемежающейся дугой. На воздушных ЛЭП таких замыканий в несколько раз меньше.
Анализом токов при ОЗЗ, сопровождающихся перемежающейся дугой, занимался ряд авторов [5, 6, 7]. Однако по ряду причин (одна из них – низкое качество осциллографической аппаратуры на период выполнения работы) эти исследования велись в основном на математических моделях, хотя и с использованием имеющихся экспериментальных данных. К тому же авторы не ставили перед собой задачи исследовать поведение направленных токовых защит нулевой последовательности при наличии перемежающейся дуги. В связи с этим в настоящее время многие вопросы, связанные с поведением таких защит при дуговых замыканиях, так и остались невыясненными.
На рис. 1 показаны осциллограммы первичного и вторичного тока I₀(t), полученные в процессе натурных экспериментов, на рис. 2 – осциллограммы напряжения U₀(t) и тока I₀(t).

Рис. 1. Осциллограммы первичного и вторичного тока I₀(t), полученные в процессе натурных экспериментов

Рис. 2. Осциллограммы напряжения U₀(t) и тока I₀(t)

Из рисунков видно, что при дуговом замыкании:

Рис. 3. Спектральный состав тока нулевой последовательности в сети при ОЗЗ, сопровождающемся перемежающейся дугой

Рис. 4. Напряжение и ток нулевой последовательности при металлическом «прерывистом» ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора

Рис. 5. Осциллограммы напряжений U_с(t) в фазе С, U_a(t)в фазе А и U_n(t) – напряжения на нейтрали в процессе отключения ОЗЗ в фазе А

Рис. 6. Зависимость фазового угла от временив процессе замыкания на землю, сопровождающегося перемежающейся дугой

Спектральный состав тока I₀(t)

На рис. 3 приведен спектральный состав тока I₀(t), полученный магистром НГТУ Касяном В.М. в процессе обработки одного из натурных экспериментов.

Последнюю особенность необходимо учитывать при разработке гармонических фильтров, повсеместно используемых, например, в направленных токовых защитах от ОЗЗ. При выделении основной гармоники следует применять не фильтры-пробки высших частот, как это иногда делается, а полосовые фильтры. Кроме того, наличие в сети субгармоник с частотами, лежащими в пределах 15–25 Гц, может привести к неселективной работе некоторых защит от ОЗЗ, выполненных на наложенном токе 16,7–25 Гц. Это, по-видимому, относится не только к защитам линий, но и, например, к защитам от ОЗЗ генераторов, если эти генераторы работают на сборные шины, гальванически соединенные с сетью, и имеют защиту от ОЗЗ с наложенным током соответствующей частоты. Возникающие при ОЗЗ синусоидальные составляющие с частотой, например, 25 Гц могут иметь произвольные углы относительно «наложенных» токов той же частоты, вызванных искусственным источником, и различные амплитуды. Наложение одних сигналов на другие, если не предпринять соответствующих мер, может привести к неселективному действию защит.

Искажение фазовых углов между I₀(t) и U₀(t) в переходных режимах

Из рис. 1, 2 видно, что при перемежающейся дуге ток может прерываться и снова начинать течь по несколько раз за период промышленной частоты. Моменты «зажигания» и погасания дуги являются случайными величинами, что, в частности, и является причиной появления в токе интергармоник. Кроме того, в переходных процессах, связанных с зажиганием и погасанием дуги, искажаются фазовые соотношения между величинами I₀(t) и U₀(t).

Пример 1.

На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения U₀(t) (кривая с большей амплитудой) и тока I₀(t) в режиме дугового ОЗЗ в резистивно-заземленной сети, полученные на модели. Осциллограммы построены для случая, когда суммарный ток через заземляющие резисторы в сети равнялся примерно 70% от емкостного тока. Дугогасящий реактор отсутствовал.
Видна интересная особенность процесса ОЗЗ, связанная с взаимным отношением мгновенных значений величин тока I₀(t) и напряжения U₀(t). Иногда при обсуждении процессов, возникающих в сети при ОЗЗ, звучит не совсем верное утверждение о том, что при отсутствии тока I₀(t) не должно быть и напряжения U₀(t). Это справедливо перед возникновением ОЗЗ, когда сеть работает в симметричном режиме и смещение нейтрали отсутствует. В процессе же ОЗЗ это условие не выполняется.
На рис. 4 видно, что «впервые» ток I₀(t) и напряжение U₀(t) действительно появляются в один и тот же момент времени (при появления замыкания на землю). В этот момент угловой сдвиг между ними отсутствует. Через некоторое время процесс стабилизируется и угол между напряжением U₀(t) и соответствующим током I₀(t) (например, измеренный по моментам перехода этих величин через ноль) становится постоянным. Если измерить фазовый угол между первыми гармониками сигналов I₀(t) и U₀(t), то за счет описанного выше он несколько приблизится к нулю. Степень влияния описанного эффекта на фазовый угол между входными сигналами направленной защиты от ОЗЗ будет, в частности, зависеть от длительности промежутка времени, в течение которого дуга не гасла.
Однако теперь при погасании дуги (ток на осциллограмме в течение определенного промежутка времени равен нулю) напряжение U₀(t) нулю не равно. Это и понятно: емкость поврежденной фазы не успевает зарядиться до фазного напряжения и нейтраль сети еще некоторое время остается смещенной.

Пример 2.

Особенно отчетливо это видно на рис. 5, где приведены осциллограммы напряжений в фазах А (U_a) и С (U_c), а также напряжения на нейтрали сети U_n в процессе отключения ОЗЗ в фазе А, полученные автором на модели для одной из реальных систем. Заземляющий резистор отсутствовал. Емкостный ток при ОЗЗ – порядка 19 А. Из рисунка видно, что после того, как ток в дуге прервался и дуга погасла, напряжение U_n(t), уменьшаясь по экспоненте, ещё длительное время продолжает существовать.
В процессе ОЗЗ напряжение на нейтрали равняется – e_a(t), где e_a(t) – ЭДС поврежденной фазы. После отключения ОЗЗ напряжение на нейтрали U_n(t) по экспоненте приближается к нулю. Амплитуда напряжения U_с(t) в процессе ОЗЗ равна амплитуды фазного напряжения, угол между U_n(t) и U_с(t) равен 30 электрическим градусам. Высшие гармонические составляющие в напряжениях в рассматриваемом случае практически отсутствовали. После отключения ОЗЗ напряжение на нейтрали, не меняя своего знака, уменьшается по экспоненте:

(1)

где U_max– напряжение на нейтрали в момент погасания дуги; t – текущее время;
R – результирующее сопротивление активных утечек в сети и заземляющего резистора;
С – общая трехфазная емкость сети.
Повторного загорания дуги после её погасания в случае, которому соответствует рис. 5, не произошло. Значения фазных напряжений после погасания дуги можно записать следующим образом:

Проведенные в НГТУ магистром Касяном В.М. исследования показали, что в процессе ОЗЗ, сопровождающегося перемежающейся дугой, фазовый угол между составляющими 50 Гц I₀(t) и U₀(t) может существенно изменяться. На рис. 6 показана одна из таких зависимостей, полученная на основании результатов натурного эксперимента. По вертикальной оси здесь изображен фазовый угол между составляющими 50 Гц I₀(t) и U₀(t), поступающими на защиту, а по горизонтальной оси – время.
Начальная часть зависимости на рис. 6 соответствует «металлическому» ОЗЗ, т.е. замыканию без переходного сопротивления. При этом фазовый угол соответствует своему значению, полученному по модели, описанной в [1, 2]. Затем возникла перемежающаяся дуга, и фазовый угол стал меняться случайным образом (в соответствии со случайными моментами загорания и погасания дуги). Рис. 6 соответствует промежутку времени чуть больше 0,2 секунды. В процессе ОЗЗ фазовый угол менялся в некоторых случаях на несколько десятков электрических градусов от своего начального значения, его математическое ожидание отклонялось в сторону более активных токов примерно на 15–20 градусов. Аналогична зависимость амплитуды составляющей 50 Гц токового сигнала от времени. В процессе ОЗЗ амплитуда также может существенно изменяться.

Выводы

Очевидно, что изучение процессов ОЗЗ, сопровождающихся перемежающейся дугой, с точки зрения поведения направленных защит ещё только начинается, предстоит провести множествоэкспериментов и обобщить их результаты. Однако на основании имеющихся данных можно сделать следующие выводы:

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

Содержание материала

В некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью существует большая вероятность возникновения перемежающейся заземляющей дуги [111. По некоторым данным, около 60 % всех замыканий на землю в этих электрических сетях носит именно такой характер.
Под перемежающимися замыканиями будем понимать многократные погасания и последующие зажигания заземляющей дуги, причем каждое ее погасание сопровождается перезарядкой емкостей фаз и значительными перенапряжениями. Не останавливаясь подробно на таких процессах замыкания на землю, отличающихся значительной сложностью, ограничимся кратким их описанием.
Во многих случаях при некотором расстоянии между проводом фазы и землей (или заземленным токопроводящим предметом, на который произошло замыкание) заземляющая дуга горит неустойчиво, периодически погасая и вновь зажигаясь. Иногда по мере разогревания места повреждения неустойчивое горение дуги переходит в устойчивое.
Согласно классической теории Петерсена [107, 111, 112, 132], в основу рассмотрения процесса дугового перемежающегося замыкания на землю положено предположение о погасании дуги при прохождении через нуль тока высокочастотных колебаний и новом ее зажигании при максимуме напряжения на поврежденной фазе. При этом цикл погасания и зажигания дуги повторяется каждый полупериод рабочей частоты сети ω, а максимальные напряжения на фазах постоянно возрастают, достигая через несколько периодов своих наибольших значений (теоретически 7,5 U, а с учетом влияния коэффициента успокоения 0,2 и междуфазных емкостей около 4,27U).
По теории Петерса и Слепяна [131] дуга гаснет в момент прохождения через нуль составляющей тока рабочей частоты и снова зажигается через полпериода этой частоты, т. е. погасание и зажигание происходят один раз за период. При этом наибольшие перенапряжения (для реальной сети около 3Uфт) достигаются на втором периоде рабочей частоты.
Указанные две основные теории не должны противопоставляться одна за другой. В сущности, в них отражены частные случаи протекания процессов перемежающегося дугового замыкания на землю из всего многообразия возможных в действительности вариантов.
По теоретическим и экспериментальным данным, приведенным в работе [4], наиболее вероятно такое протекание процесса, при котором погасание дуги на продолжительное время возможно только тогда, когда первый максимум восстанавливающегося напряжения не превосходит некоторой критической величины, зависящей от диэлектрической прочности искрового промежутка.

Независимо от причины возникновения перемежающегося замыкания на землю оно вызывает повышение напряжений в сети, обусловленное процессом перезарядки емкостей фаз относительно земли.
В момент обрыва дуги вследствие деионизации дугового промежутка сохраняется существовавшее перед тем напряжение нейтрали, и вся система оказывается статически заряженной относительно земли. При этом выравнивание заряда между фазами происходит путем быстрозатухающих колебаний высокой частоты.
За время перерыва горения дуги изменяющиеся рабочие напряжения фаз накладываются на указанное выше остаточное напряжение. При увеличении напряжения на поврежденной фазе до величины, достаточной для нового пробоя, дуга восстанавливается. В этот момент напряжение на поврежденной фазе резко падает почти до нуля, а напряжения неповрежденных фаз соответственно возрастают, что сопровождается свободными колебаниями токов и напряжений этих фаз. Частота этих колебаний (порядка нескольких килогерц) зависит от параметров электрической сети. Далее дуга может снова оборваться и т. д.
Процесс перемежающегося замыкания на землю зависит от значения тока дуги, соотношения между его составляющими основной и высокой частоты, от интенсивности деионизации дугового промежутка и других условий. В зависимости от всех этих условий дуга погасает и снова зажигается в те или иные моменты времени.
На интенсивность деионизации влияют условия растягивания дуги: взаимное расположение электродов и расстояние между ними, возникновение замыкания в масле или в воздухе, скорость ветра и т. п. В случае наиболее интенсивной деионизации дуга после первого погасания больше не восстанавливается, в других же случаях погасания сопровождаются повторными зажиганиями.
В зависимости от скорости деионизации обрыв дуги происходит в момент первого или одного из последующих прохождений через нуль суммарного тока замыкания на землю, а при нарушении условия устойчивости горения дуги — немного раньше. Если в токе дуги преобладает составляющая свободных высокочастотных колебаний, то погасание может произойти через несколько периодов высокой частоты. В случае же достаточно быстрого затухания колебаний и менее интенсивной деионизации дуга может погаснуть в момент прохождения через нуль тока рабочей частоты.
Обычно характер процесса перемежающейся дуги непостоянен: разные его формы сменяют одна другую с различной случайной последовательностью. Следует отметить, что перемежающиеся дуги практически могут быть в сетях с изолированной нейтралью при любых токах замыкания на землю. Волновые процессы на линии и проводимости утечки фаз снижают возникающие при этом перенапряжения.
Кратность перенапряжений в большинстве случаев не превышает 3Uфт, но в отдельных случаях может достигать (3,5—4,0) Uфт.
В работах [20, 48, 52 и др.] рассмотрены факторы, снижающие перенапряжения, и приведены результаты статистической обработки многочисленных осциллографических измерений в действующих сетях, а также на лабораторных установках. Согласно этим данным, максимальная кратность перенапряжений на неповрежденных фазах более 2,7 по отношению к амплитудному фазному возможна лишь с весьма небольшой вероятностью (2,5—5%). Еще при меньшей вероятности в некоторых сетях были зарегистрированы кратности перенапряжений до 4,5 [86, 87]. Обычно кратность напряжения на поврежденной фазе не превышает l,73Uфт, а на нейтрали — 1,5Uфт.
Возникающие в сети перенапряжения можно существенно ограничить применением специальных разрядников [86—88].
Каждое зажигание дуги сопровождается броском свободного емкостного тока (обычно высокой частоты), подобным описанному выше. Однако вследствие накопления зарядов на поврежденной фазе кратность каждого последующего броска может превышать первоначальный.
Кроме описанных процессов в сети с изолированной нейтралью иногда возникают феррорезонансные процессы, требующие отдельного рассмотрения.

Источник

Что такое перемежающаяся дуга

Режимы работы нейтрали

В нашей стране электрические сети традиционно выполняются со следующими режимами работы нейтрали:

а) глухозаземленная нейтраль – когда нейтраль непосредственно соединена с заземляющим устройством. К таким сетям относятся сети напряжением до 1 кВ и свыше 110 кВ;

б) эффективно заземленная нейтраль – это электрическая сеть, в которой коэффициент замыкания на землю (ЗНЗ) не превышает 1,4. Коэффициент замыкания на землю в трехфазной электрической сети – отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания [6]. Как правило, это сети напряжением 110 кВ и выше, когда с помощью разъединителей можно заземлять или разземлять нейтраль для ограничения токов нулевой последовательности;

в) изолированная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора не присоединена к заземляющему устройству или соединена с ним через большое сопротивление приборов измерения и сигнализации. К сетям с изолированной нейтралью относятся распределительные сети 6–35 кВ;

г) компенсированная нейтраль – нейтраль соединяется с заземляющим устройством через дугогасящий реактор, с целью ограничения токов ЗНЗ.

Сети с изолированной и компенсированной нейтралями характеризуются весьма малыми токами ЗНЗ, которые зависят от емкости фаз относительно земли и индуктивности дугогасящего реактора. Таким образом, в сетях напряжением 6–35 кВ токи ЗНЗ не превышают 30–10 А соответственно [10].

Однофазные ЗНЗ – характерный вид повреждения в сетях 6–35 кВ. Они составляют 70–80 % всех повреждений на линии. При этом стоит заметить, что общая протяженность распределительных сетей 6–35 кВ составляет более 1,5 млн км – т.е. почти 45 % от общей протяженности линий электропередач 0,4–110 кВ. Поэтому вопрос диагностики и своевременного отключения однофазных ЗНЗ является особенно актуальным.

При замыкании фазы на землю линейные напряжения не изменяются. Токи в фазах изменяются очень незначительно (на 10–30 А) и потребитель в этих условиях сохраняет нормальный режим работы, т.е. отсутствуют жесткие требования по немедленному отключению поврежденной линии. Также отсутствие требований по отключению линии объясняется тем, что чувствительности существующих защит недостаточно для обеспечения селективной работы, и, как правело, отключению подвергаются неповрежденные элементы. Однако напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают до линейных напряжений, т.е. в раз, что опасно для оборудования и изоляции. Кроме того, существует опасность возникновения перемежающейся дуги.

Перемежающаяся дуга – это открытая электрическая дуга, периодически угасающая и возникающая вновь. При этом на неповрежденных фазах и линиях сети возникают перенапряжения до 2,5–3 номинальных фазных напряжений:

(1.1)

Длительность такого напряжения вследствие отсутствия жестких требований к релейной защите по немедленному отключению поврежденного участка достигает десятков минут. При таком режиме весьма вероятен пробой изоляции неповрежденных фаз и возникновение двойных замыканий на землю.

Следовательно, необходимо в кратчайшие сроки выявить поврежденный элемент и с помощью сигнализации оповестить дежурный персонал о наличии аварии, чтобы он в течение допустимого времени (не более двух часов) [6] отыскал и устранил повреждение. В противном случае линию нужно отключать.

Функцию выявления ЗНЗ и поврежденного элемента возлагают на специальную защиту, действующую на сигнал. В особых случаях защита без выдержки времени действует на отключение. Согласно ПУЭ к таким сетям относятся сети 6–10 кВ, питающие торфяные, нефтеперерабатывающие электроустановки, передвижные строительные механизмы, открытые строительные площадки. В таких сетях при переходе однофазного ЗНЗ в двухфазное ЗНЗ возникают опасные для человека шаговое напряжение и напряжение прикосновения. Кроме того, возникновение перемежающейся дуги может спровоцировать пожары, что имеет особые последствия в зонах нефтепромысла и торфоразработок. Поэтому особо остро встал вопрос о создании селективной и высокочувствительной релейной защиты от однофазных ЗНЗ, пригодной для любых сетей с малыми токами ЗНЗ, решение которого до настоящего времени не удавалось никому [9].

Виды защит от замыканий на землю

Далее рассмотрим основные виды защит, применяемые в сетях с малыми токами ЗНЗ и выделим их основные достоинства и недостатки.

Неселективное устройство общей сигнализации – устанавливается на шинах 6–35 кВ ПС или на шинах генераторного напряжения электростанций. Данное устройство подключается к трансформаторам напряжения типа НАМИ-10 (трансформатор напряжения анизотропный, масляный, измерительный) к обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник (рис. 1).

Рис. 1. Cхема подключения устройства неселективной сигнализации

В нормальном режиме напряжение U_de = 0 В, а при замыкании на землю U_de = U_A + U_B + U_C = 3U₀. В качестве реле КV в устройстве применяется реле напряжения типа РН-53/60Д. Следует отметить, что согласно [4] при эксплуатации данного типа защит наблюдалось возгорание реле напряжения вследствие возникновения феррорезонансных процессов, связанных с ЗНЗ, перегоранием предохранителей, обрывов проводов.

Однако данный тип защит нашел широкое применение из-за простоты и высокой чувствительности.

Недостаток данного типа защит – неселективность – невозможность определить присоединение в сети 6–35 кВ, на котором произошло ЗНЗ.

Токовая защита нулевой последовательности, ненаправленная

Согласно распределению токов нулевой последовательности в сложной сети можно определить токи в линии при замыкании на ней и при внешнем замыкании на землю.

По неповрежденным линиям протекают токи, обусловленные емкостями фаз этих линий относительно земли:

(1)

где C_0л – емкость фазы линии относительно земли.

Если линия повреждена, то по ней будет протекать ток, представляющий собой сумму емкостных токов всех неповрежденных линий, зависящий от суммарной емкости этих линий:

(2)

где – эквивалентная емкость фазы относительно земли всех неповрежденных линий; – эквивалентный емкостной ток неповрежденных линий; n – число неповрежденных линий.

В связи с этим токовая защита нулевой последовательности, реагирующая на установившиеся токи, должна быть отстроена по току срабатывания от емкостных токов защищаемой линии, т.е.

(3)

При этом должно быть достаточное количество отходящих линий, обеспечивающих необходимую чувствительность, так чтобы выполнялось условие

(4)

Дело в том, что для того, чтобы отстроиться от переходных бросков емкостного тока, возникающих при различных коммутациях, в формулу (3) вводят коэффициент отстройки, равный для защит без выдержки времени K_отс = 4–5 и для защит с выдержкой времени K_отс = 2,0–2,5. Тогда в наихудшем случае коэффициент чувствительности, вычисляемый по формуле (5),

, (5)

может быть меньше, чем требуемое значение Kч ≥ 1,5, поскольку известно, что эквивалентная емкость и эквивалентный емкостной ток системы связан с емкостью и емкостным током защищаемого присоединения соотношением

(6)

Поэтому практически должно быть не менее 8–10 отходящих линий, питающихся от сборных шин, чтобы обеспечить требуемую чувствительность. К тому же токовые защиты нулевой последовательности не могут обеспечить селективность в сетях с непостоянной первичной схемой, в которых наблюдается периодическое изменение емкости фаз относительно земли. К таким сетям относятся системы электроснабжения передвижных строительных площадок, протяженность которых меняется с течением времени.

Схема выполнения защиты нулевой последовательности представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема выполнения защиты нулевой последовательности

Реле, реагирующее на ток нулевой последовательности, подключается к однотрансформаторному фильтру токов нулевой последовательности ТТНП типа ТЛМЗ-1. Чаще всего в качестве реле КА выступает реле тока РТ-40/0,2 или более современное РТЗ-51.

Для исключения ложного срабатывания от емкостных токов, проходящих по оболочке неповрежденного кабеля при внешнем КЗ, воронка кабеля изолируется от земли, а заземляющий провод пропускается через отверстие ТТНП. В связи с этим применение таких трансформаторов тока затруднительно в воздушных линиях из-за необходимости использования кабельных вставок. К тому же значения емкостных токов в воздушных сетях невелики и возникают определенные сложности с устойчивостью срабатывания реле тока РТ-40 при малых токах.

Направленная токовая защита нулевой последовательности

Направленные токовые защиты, реагирующие на установившиеся токи, применяются в тех случаях, когда количество отходящих линий мало и нельзя обеспечить требуемую чувствительность. В направленных защитах дополнительно используется реле направления мощности, включаемое на напряжения и токи нулевой последовательности. Это реле срабатывает только в положительном направлении мощности – т.е. от сборных шин в линию, поэтому нет необходимости в отстройке от тока по условию (3), т.к. он протекает в другом направлении. В этом случае достаточно отстроиться только от тока небаланса фильтра нулевой последовательности.

Наибольшее распространение получила защита ЗЗП-1, которая устанавливается в сетях с изолированной нейтралью.

Недостатком данного типа защиты является необходимость использования кабельных вставок, что существенно ограничивает его применение, а также излишнее срабатывание защиты при возникновении перемежающейся дуги и отсутствие четкой методики по определению уставок срабатывания.

Защиты, реагирующие на переходное значение тока нулевой последовательности

Такие защиты применяются в тех случаях, когда нейтраль компенсирована и токи ЗНЗ менее 5 А. В этом случае ток срабатывания защиты выбирается по условию отстройки от переходного тока ЗНЗ.

(7)

где K_отс = 2,0–2,5 – коэффициент отстройки.

Наибольшее распространение получили автономные устройства направленной волновой защиты ИЗС и УЗС-01 [7]. Устройство ИЗС состоит из пускового органа, реагирующего на появление напряжений нулевой последовательности, органа направления тока, блока питания и указательного реле.

Особенностью таких защит является кратковременность появления переходного тока ЗНЗ. Это время составляет 0,1–0,2 секунды, поэтому защиты, реагирующие на переходные токи, должны обладать устройством фиксации срабатывания.

Недостатком таких защит является сложность реализации и выявления факта излишнего срабатывания при перемежающихся дуговых замыканиях, а достоинством – возможность зафиксировать даже кратковременное замыкание, что обеспечивает профилактическую проверку изоляции и позволяет выявить места ее ослабления, чтобы произвести своевременный ремонт и предотвратить последующее замыкание.

Использование наложенного тока высокой частоты

Этот способ предполагает наличие генератора ВЧ-сигнала, который обычно через емкостной делитель связан с фазами контролируемой линии. Генератор посылает высокочастотный сигнал по фазам и контролирует время возврата отраженного сигнала. Если возврата сигнала нет, то произошло замыкание одной фазы на землю, и защита срабатывает. При этом фиксируется расстояние до места пробоя по сопротивлению петли, на которую включен генератор – от места подключения до места замыкания и снова через землю на генератор.

Применение такого принципа затруднительно в сложных разветвленных сетях, создающих сильное рассеивание сигнала и требующее генератора большой мощности.

Фиксация гармонических составляющих в токе нулевой последовательности

При замыкании фазы на землю сигналы, т.е. токи нулевой последовательности являются несинусоидальными и в переходных режимах содержат в себе высшие гармонические составляющие: 100 Гц и выше. Выделяя эти составляющие через частотные фильтры, можно зафиксировать ЗНЗ с очень высокой чувствительностью, что особенно важно в сетях с компенсированной нейтралью.

Недостатком таких защит является излишнее срабатывание, которое является следствием неправильного выбора уставок защиты, зависящих от рада факторов, изменяющихся в течение эксплуатации. К тому же процесс отыскания поврежденного присоединения занимает много времени, поэтому, согласно [1] его следует автоматизировать.

В настоящее время разработаны устройства, реагирующие на гармонические составляющие в токе нулевой последовательности. Это устройства типов УСЗ-2/2 – индивидуальное устройство, подключаемое к ТТНП кабельного типа, и УСЗ-3М – групповое устройство, поочередно подключаемое к ТТНП каждого присоединения (рис. 3).

Рис. 3. Схема включения прибора УСЗ-3М

Работа устройства УСЗ-3М основана на измерении суммы высших гармонических составляющих в токе ЗНЗ (от 150 до 650 Гц) [9]. Однако более чем сорокалетний опыт использования данного устройства выявил ряд существенных недостатков:

1) неселективное срабатывание при дуговых ЗНЗ;

2) непригодность устройства УСЗ-3М для использования в сложных сетях с параллельными линиями;

3) невозможность фиксации кратковременных ЗНЗ;

4) необходимость выезда персонала на подстанцию для проведения большого числа измерений с целью определения поврежденного присоединения.

В настоящее время применяются микропроцессорные устройства SPAC 801-013, SPAC 801-113, ООО «АББ Реле-Чебоксары» [5], «Сириус», выпускаемые НПФ «Радиус» [8] и их зарубежные аналоги ‒ SEPAM фирмы Schneider Electric. Эти устройства выполняют относительный замер высших гармоник, на основании которого способны срабатывать не только при ЗНЗ, но и при междуфазных замыканиях. При этом всем микропроцессорным устройствам как отечественного, так и зарубежного производства присущи следующие недостатки:

1) высокая стоимость устройств;

2) сложности, с выбором уставок срабатывания ввиду отсутствия однозначной методики.

Таким образом, указанные недостатки защит, реагирующих на гармонические составляющие в токе нулевой последовательности, создают препятствия для их широкого применения.

Общие итоги

Таким образом, анализируя имеющиеся типы устройств защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами ЗНЗ, можно выделить следующие типы недостатков, присущие данным устройствам. Это неселективная работа защиты, трудности по отысканию поврежденного присоединения в разветвленных сетях, излишнее срабатывание при возникновении дуговых ЗНЗ вне зоны действия защиты, сложность реализации некоторых типов защит, отсутствие однозначных методик определения уставок срабатывания и высокая стоимость микропроцессорных терминалов.

Поэтому наиболее актуальной в сложившейся ситуации является разработка устройства, не связанного с использованием трансформаторных фильтров токов нулевой последовательности. Перспективным направлением является применение алгоритмов вейвлет-анализа выделения гармонических составляющих тока и напряжения сети [2, 3], позволяющие использовать его для защиты сетей как с изолированной, так и компенсированной нейтралями, а также для защиты высоковольтных электродвигателей.

Рецензенты:

Портнягин Н.Н., д.т.н., профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва;

Пюкке Г.А., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский.

Источник