Часть 1 Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты (стр. 3 )

 

ПИТАНИЕ РАЗНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ ОДНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

 

На рис. 3 показана схема, где к одному выключателю подключен пучок из двух кабелей. В цепи каждого кабеля установлен свой трансформатор ТА тока нулевой последовательности. Такое решение можно считать типовым, если оба кабеля идут к одному потребителю. Рассматриваемый же пример характерен для давно построенных подстанций, сетевой район вокруг которых продолжает развиваться. В таких случаях иногда, при невозможности или неэкономичности расширения КРУ на подстанции, принимают решение о подключении к одному выключателю двух потребителей, питающихся по отдельным кабелям. Иногда такие решения принимаются и на вновь проектируемых подстанциях, когда у работников проектной организации нет полной информации о потребителях и их схемах присоединения к ЛЭП. Вторичные обмотки ТА в данном случае были включены последовательно и к ним подключена обмотка токового реле КА. Специалисты, эксплуатирующие описываемую установку, отметили, что часто защита рассматриваемых фидеров от ОЗЗ не срабатывает при однофазных замыканиях на землю в кабелях. Как выяснилось впоследствии, рассматриваемые кабели идут к разным потребителям и не соединяются между собой на противоположной от питающей подстанции стороне. При ОЗЗ на одном из кабелей по схеме протекают токи нулевой последовательности (на рисунке изображены стрелками). По трансформаторам тока ТА эти токи, как видно из рисунка, протекают в разных направлениях.

Проведенные в НГТУ эксперименты показали, что характеристики срабатывания защиты, собранной по рассматриваемой схеме, выглядят так, как это показано на рис. 4. По вертикальной оси отложен ток в трансформаторе тока ТА1, а по горизонтальной оси – в трансформаторе тока ТА2. Если рабочая точка попадает внутрь характеристики срабатывания (на рисунке показано несколько характеристик, соответствующих разным уставкам на реле КА типа РТЗ-51: синяя соответствует уставке реле в 20 мА, красная – в 80 мА, зеленая – в 140 мА). Из рисунка видно, что даже незначительные токи в ТА1 могут заблокировать защиту, т.е. привести к отказу в срабатывании при ОЗЗ, несмотря на достаточно большой ток в трансформаторе ТА2.

Например, если по ТА1 протекает ток в 15 А, то даже ток в 60 А, протекающий по трансформатору тока ТА2, не приводит защиту к срабатыванию.
Так и произошло в приведенном случае: несмотря на то, что токи нулевой последовательности, протекающие по ТА1 и ТА2, отличались во много раз, при таком токораспределении защита не срабатывала. Пришлось в цепь каждого ТА ставить свое токовое реле. Теперь защита работает нормально.
Справедливости ради следует отметить, что дальнейшие эксперименты , результаты которых приведены на рис. 5, показали, что существенного улучшения характеристик защиты можно было добиться также, изменив схему соединения вторичных обмоток ТТНП с последовательной на параллельную. При этом зона несрабатывания защиты существенно уменьшалась и располагалась вблизи биссектрисы графика, т.е. заблокировать защиту теперь можно только противоположным по фазе током в ТА1, величина которого близка к току в ТА2. Обозначения на рис. 5 те же, что на рис. 4.

 

НАРУШЕНИЕ КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Еще один интересный случай, связанный с работой защиты на «пучке кабелей», проиллюстрирован рис. 6.
Потребитель М получает питание от секции сборных шин через пучок из двух кабелей и силовой выключатель. В нормальном режиме работы токи в фазах потребителя равны по величине и сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120 электрических градусов (рис. 7а). Суммарный ток нагрузки, значение которого зависит от режима работы потребителя, равномерно распределяется по кабелям пучка. Векторная диаграмма первичных токов, протекающих по каждому кабелю, аналогична изображенной на рис.7а, но величина каждого из этих токов в два раза меньше суммарного тока потребителя. В результате этого суммарный магнитный поток в каждом из кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности равен нулю и токи во вторичных цепях этих трансформаторов отсутствуют. Реагирующий орган защиты находится в несработавшем состоянии.

При нарушении одного из контактных соединений в кабельном пучке (например, в фазе А правого кабеля) ток в соответствующей фазе кабеля уменьшается. Но поскольку суммарный ток в фазе А потребителя определяется в основном сопротивлением потребителя, а не кабеля (сопротивление кабеля чрезвычайно мало по сравнению с сопротивлением потребителя), суммарный ток в фазе А потребителя практически остается прежним. Следовательно, возрастает на соответствующую величину ток в фазе А оставшегося исправным кабеля. На рис. 7б показана векторная диаграмма фазных токов в правом кабеле в рассматриваемом режиме.
Предполагается, что ток в фазе А продолжает протекать, но его величина уменьшилась по сравнению с токами в фазах В и С. Из рис. 7б видно, что сумма токов в фазах правого кабеля уже не равна нулю, она равна 3I0. Это эквивалентно появлению в правом кабеле тока нулевой последовательности, причем этот ток может достигать весьма большой величины, соизмеримой с фазным током нагрузки. В результате во вторичной обмотке кабельного трансформатора тока нулевой последовательности правого кабеля возникает электродвижущая сила и ток, путь протекания которого рассмотрен ниже.
Ток в фазе А неповрежденного левого кабеля увеличился и стал больше токов в фазах В и С (рис. 7в). В результате суммарный магнитный поток в кабельном трансформаторе тока левого кабеля также стал отличным от нуля. Во вторичной обмотке этого трансформатора тока появилась электродвижущая сила и ток, направленный противоположно току в обмотке ТТНП левого кабеля. В результате токи, протекающие по вторичным обмоткам ТТНП, станут замыкаться через вторичные обмотки кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности.

Специалисты одной из энергосистем, которые обратились к нам с описанием такого случая, отмечали, что при последовательном соединении вторичных обмоток ТТНП у них неоднократно отмечались отказы защиты от ОЗЗ. Сами факты нарушения контактных соединений они обнаруживали с помощью тепловизора. Нетрудно убедиться, что рассматриваемый случай, по сути, идентичен рассмотренному выше. При некоторых сочетаниях значений токов, возникающих при ОЗЗ в одном из кабелей, рабочая характеристика попадает в зону несрабатывания (рис. 4) и защита не срабатывает.
При малых «разбалансах» токов в одинаковых фазах разных кабелей ток в реагирующем органе защиты мал и ложное срабатывание защиты не происходит. При дальнейшем ухудшении контактных соединений появляется ток небаланса, который при одних ОЗЗ (например, в фазе А) может недопустимо загрубить защиту (ток срабатывания повышается в 1,5–1,9 раза), а при других ОЗЗ ток срабатывания может недопустимо снизиться, в результате чего защита может сработать излишне (при внешних ОЗЗ) или ложно (при отсутствии ОЗЗ) (рис. 4).

Как и в предыдущем случае, переход к параллельному включению вторичных обмоток ТТНП несколько упростит ситуацию, хотя и не позволит полностью избавиться от проблемы.
Следует отметить, что последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока нулевой последовательности дает небалансы гораздо большей величины, чем при параллельном соединении (рис. 4, 5). Вероятность отказов защиты при ОЗЗ на защищаемом кабеле и вероятность ложных срабатываний (при отсутствии ОЗЗ в сети) при последовательном соединении вторичных обмоток ТТНП сильно возрастает.

В настоящее время на кафедре электрических станций НГТУ разрабатывается устройство, позволяющее предотвратить описанные выше отказы в срабатывании защиты и формирующее сигнал для обслуживающего персонала о нарушении контактного соединения в пучке кабелей. Кроме повышения надежности и эффективности защиты от ОЗЗ, такое устройство позволит избавиться еще от одной неприятности: при нарушении контактного соединения в одном кабеле соответствующая фаза второго кабеля может перегрузиться, повысится температура изоляции и ускорится ее старение.
Проведенные эксперименты показали, что совместная работа разъемного и неразъемного ТТНП, как при последовательном, так и при параллельном соединении их обмоток, существенно ухудшает характеристики защиты в рассмотренных выше случаях.

 

 

 

Часть 3

ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-35 кВ

Достоинства и недостатки различных защит

 

экспертное мнение

Сергей Титенков,
к.т.н., Элтехника»

 

Тема, рассмотренная в статье , крайне актуальна для эксплуатирующих и проектных организаций. К сожалению, до последнего времени в России использовался режим изолированной нейтрали и неселективная сигнализация замыканий на землю. Сейчас ситуация меняется, и в некоторых сетях переходят к действию защит от однофазных замыканий на отключение. При этом, конечно же, возникает проблема выбора правильных уставок. Автор достаточно подробно разбирает эту проблему.

Однако, на мой взгляд, отдельные соображения, изложенные автором в статье, точнее, в разделах, посвященных выбору уставок срабатывания релейных защит от однофазных замыканий на землю, нуждаются в небольшом комментарии.

Так, автор совершенно верно отмечает расхождения в рекомендациях по определению величины коэффициента броска при выборе уставки срабатывания защит от замыканий на землю. Ничего удивительного в этом нет. Данный коэффициент специалисты приводят на основании опыта эксплуатации, а не расчетов.

Что мы называем броском емкостного тока? Это высокочастотный ток нулевой последовательности, возникающий вследствие перезаряда емкости присоединения при однофазном замыкании. Его величина определяется в основном емкостью присоединения и индуктивностью источника, а также токоограничивающих реакторов при их наличии. Присутствие дугогасящего реактора в нейтрали никак не сказывается на величине тока перезаряда. Впрочем, как и наличие резистора, который включается в сетях 6–10 кВ в нейтраль маломощного трансформатора заземления нейтрали.