Сигнализация однофазных замыканий на землю

Устройства сигнализации однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), как в российской, так и зарубежной литературе, чаще всего рассматриваются вместе с защитами от ОЗЗ и называются устройствами защиты от ОЗЗ с действием на сигнал. Отличие между устройствами защиты и устройствами сигнализации, помимо очевидного отличия функционала, заключается в разнице требований, предъявляемых к этим устройствам.

Описание

Основные требования, которые обычно рассматриваются при выполнении сигнализации ОЗЗ электрических сетей 3-35кВ:

1. Устройства сигнализации ОЗЗ должны обеспечивать фиксацию как устойчивых, так и дуговых прерывистых повреждений, включая перемежающиеся замыкания.
2. В сетях, работающих с изолированной нейтралью, с компенсацией ёмкостного тока и с высокоомным заземлением нейтрали, устройства сигнализации должны обеспечивать также фиксацию кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции.
3. Устройства сигнализации должны селективно определять поврежденное направление.
4. Работа устройств сигнализации О33 не должна зависеть от эксплуатационных режимов работы электрической сети.

основные факторы, которые необходимо учитывать при настройке защиты от замыкания на землю:

1. Наличие в электрчиеской сети переходных процессов схожих с процессами при однофазном замыкании на землю:
   • наводка от других ЛЭП за счёт взаимоиндукции;
   • включение ЛЭП в работу;
   • и т.д.
2. Устойчивость замыкания.
3. Несимметрия нагрузки.
4. Вид замыкания: металлическое, дуговое или через сопротивление.

В общем случае устройства сигнализации ОЗЗ разделяют на два типа:

1. Локальные - являются наиболее простыми, т.к. не требуют информационных каналов связи и работают только с использованием данных измерений тока и напряжения непосредственно с контролируемого объекта.
2. Централизованные - требуют каналов информационного обмена для получения измеренных значений токов и напряжений с нескольких защищаемых элементов.

Существующие принципы выполнения устройств защиты и сигнализации замыканий на землю

Все устройства, выявляющие факт наличия в сети замыканий на землю, как классические, так и современные, в разных комбинациях, реализуют следующие группы методов защиты и сигнализации замыканий на землю:

1. Методы, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты.
2. Методы, основанные на использовании высших гармоник.
3. Методы, основанные на использовании электрических величин переходного процесса.
4. Методы, основанные на импульсном выводе реактора резонансно заземленной нейтрали из режима компенсации.
5. Методы, основанные на использовании «наложенных» токов.

Методы, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты

Область применимости

Все изложенные методы, кроме метода, реализованного в устройстве контроля изоляции, неприменимы в сетях с компенсированной нейтралью (см. режимы работы нейтрали).

Используемый эффект

Алгоритмы устройств данной группы основаны на том факте, что при возникновении в сети ОЗЗ во всех сетях, кроме сетей с резонансно заземленной нейтралью, за счёт ёмкости линий, появляется ток нулевой последовательности, текущий в точку ОЗЗ. Данные алгоритмы используют только действующие значения промышленной частоты следующих величин:

• токов фаз;
• тока нулевой последовательности (НП);
• междуфазных напряжений;
• фазного напряжения;
• напряжений нулевой последовательности;
• комплексной мощности нулевой последовательности и др.

Логически, в алгоритмах таких устройств происходит сравнение этих величин с некоторой наперед заданной уставкой.

Типы алгоритмов. Принцип действия. Достоинства и недостатки

К этой группе методов относятся алгоритмы таких классических устройств, как:

1. Общая неселективная защита напряжения НП (алгоритм устройства контроля изоляции) фиксирует возникновение О33 в контролируемой сети по появлению напряжения НП. Уставкой такого алгоритма является минимальное напряжение нулевой последовательности, при превышении которого фиксируется факт наличия ОЗЗ. Недостатком алгоритма устройства контроля изоляции является его неселективность (этим алгоритмом фиксируется только факт наличия ОЗЗ в некотором элементе сети).
2. Токовая защита НП фиксирует возникновение О33 в контролируемой сети по появлению тока НП. Уставкой такого алгоритма является минимальный ток нулевой последовательности, при превышении которого фиксируется факт наличия ОЗЗ. Недостатком такого алгоритма является факт, что при возникновении ОЗЗ в распределительных сетях ток НП может появиться на нескольких присоединениях сразу, что заставляет загрублять уставку тока нулевой последовательности для точного определения присоединения с возникшим ОЗЗ.
3. Токовая направленная защита НП фиксирует возникновение О33 в контролируемой сети по появлению тока НП. Направление определяется по углу комплексной мощности НП, которая может быть получена из тока и напряжения НП. Уставками наиболее современных устройств, реализующих алгоритмы такого типа являются: минимальный ток НП, минимальное напряжение НП, угол мощности максимальной чувтсвительности (из него высчитывается диапазон угла срабатывания). Факт наличия ОЗЗ фиксируется при превышении уставки тока НП и напряжения НП.

Основным недостатком токовой и направленной токовой защит, основанных на использовании электрических величин промышленной частоты, является возможность отказов функционирования (излишних срабатываний при внешних О33, отказов срабатывания при внутренних О33) при дуговых прерывистых замыканиях. Также, алгоритмы этих защит не могут быть использованы в сетях с компенсированной нейтралью, так как в таких сетях при ОЗЗ не возникает устойчивого тока НП.

Методы, основанные на использовании высших гармоник

Используемый эффект

Принцип действия этой группы методов основан на том факте, что резонансно заземленная нейтраль настроена на ток промышленной частоты; для токов же высших гармоник эффективной компенсации не происходит, что позволяет надежно зафиксировать факт наличия и направление ОЗЗ по току высшей гармоники. Наиболее часто используются гармоники 3, 5, 7. Соответственно, данный вид алгоритмов используют действующие значения величин некоторой частоты тока и напряжения нулевой последовательности.

Типы алгоритмов. Принцип действия. Достоинства и недостатки

Алгоритмы данной группы подразделяются на алгоритмы основанные на использовании высших гармоник абсолютного и относительного замера.

1. Алгоритмы, основанные на использовании высших гармоник абсолютного замера основаны на измерении уровня высших гармоник в токе защищаемого присоединения и сравнении его с заданной уставкой. Фазные соотношения высших гармоник тока и напряжения НП. Достаточно просто могут быть реализованы направленные защиты, реагирующие на направление реактивной мощности одной из гармоник, однако такие защиты не могут обеспечить высокую устойчивость функционирования из-за нестабильности состава высших гармоник в электрических сетях. Уставкой такого алгоритма, чаще всего, является минимальный ток высшей последовательности, при превышении которого фиксируется факт наличия ОЗЗ. Достоинством является относительная простота и дешевизна реализации. Недостатки токовых алгоритмов абсолютного замера является их малая эффективность в условиях нестабильности состава и уровня высших гармоник в токе НП, что особенно характерно для сетей систем электроснабжения промышленных предприятий. Условия селективности несрабатывания при внешних О33 и устойчивости срабатывания при внутренних повреждениях для устройств абсолютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присоединений.
2. Алгоритмы, основанные на использовании высших гармоник относительного замера, базируются на сравнении уровней высших гармоник в токах НП всех присоединений защищаемого объекта. Способ действия этого алгоритма аналогичен способу действия токовой защиты НП и основан на том, что при внутреннем О33 содержание высших гармоник в защищаемом присоединении должно быть больше, чем при внешнем замыкании на землю. Способ действия алгоритмов относительного замера основан на том, что при внутреннем О33 содержание высших гармоник в поврежденном присоединении всегда больше, чем в любом из неповрежденных присоединений. Уставкой является минимальный ток срабатывания защиты. При превышении максимального тока на присоединениях выявляется факт наличия и направление ОЗЗ. Достоинством является относительная простота реализации, однако такой алгоритм требует наличия замера нулевых токов высших гармоник на всех присоединениях. Недостатком токовых устройств относительного замера также является зависимость от состава и уровня высших гармоник в токе НП.

Методы, основанные на использовании электрических величин переходного процесса

Используемый эффект

Принцип действия методов, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, базируется на том факте, что при замыкании на землю возникает кратковременный электромагнитный переходный процесс разряда линии, который не компенсируется резонансно заземленной нейтралью и который можно детектировать существующими замерами мгновенных значений токов и напряжений нулевой последовательности.

Типы алгоритмов. Принцип действия. Достоинства и недостатки

Исследования и опыт применения защит от О33, реагирующих на переходный процесс, показали, что наибольшую универсальность могут обеспечить устройства, в которых определение поврежденного присоединения осуществляется с использованием следующих двух способов:

• сравнения амплитуд переходных токов в присоединениях защищаемого объекта;
• определения знака мгновенной мощности НП в начальной стадии переходного процесса.

На основе первого из указанных способов выполняются централизованные токовые устройства относительного замера. По второму способу могут быть получены направленные централизованные и автономные (индивидуальные) устройства защиты от О33.

Погрешности защит, основанных на сравнении амплитуд переходных токов в присоединениях защищаемого объекта сильно зависят от используемых на присоединениях трансформаторов, что может приводить к необходимости усложнения, или удорожания устройства.

Направленные импульсные защиты от О33, основанные на использовании начальных фазных соотношений электрических величин переходного процесса, не имеют указанных недостатков. Свойство направленности позволяет применять их в сетях любой конфигурации, обеспечивает некритичность к различию характеристик трансформаторов тока НП, исключает необходимость в выборе параметров срабатывания. Последнее значительно упрощает проектирование и эксплуатацию устройств защиты от О33.

К достоинствам использования переходного процесса для действия защиты от 033 относятся:

• возможность фиксации всех разновидностей 033;
• независимость действия от режима заземления нейтрали;
• большая чувствительность к замыканиям через переходное сопротивление (обусловленная тем, что в начальной стадии замыкания на землю переходное сопротивление определяется практически только сопротивлением электрической дуги);
• большие значения амплитуд переходных токов, упрощающие отстройку от токов небаланса ФТНП и обеспечение высокой помехоустойчивости и чувствительности защиты.

Следует отметить, что современные микропроцессорные устройства сигнализации и защиты от ОЗЗ часто используют именно методы, основанные на использовании электрических величин переходного процесса.

Методы, основанные на импульсном выводе реактора резонансно заземленной нейтрали из режима компенсации

Используемый эффект

Принцип действия методов, основанных на импульсном выводе реактора резонанснозаземленной нейтрали из режима компенсации использует возможность управления настройкой реактора компенсированной нейтрали. Действие заключается в том, чтобы импульсно менять суммарную проводимость компенсированной нейтрали с тем, чтобы в сети кратковременно появлялся ток НП, который, в свою очередь может быть детектирован методами, изложенными выше.

Методы, основанные на использовании «наложенных» токов

Основной областью применения защит, основанных на использовании «наложенных» токов, являются компенсированные сети. В 60 — 70-е годы разработки защит, основанных на использовании «наложенных» токов, проводились в ИЭД АН УССР, МЭИ, Томском политехническом институте (ТПИ) и других организациях. Указанные разработки отличались в основном частотой «наложенного» тока, способом его наложения и принципами выполнения устройств защиты, реагирующих на «наложенный» ток. Достоинством защит, основанных на использовании искусственно создаваемых токов непромышленной частоты («наложенных» токов), по сравнению с защитами, реагирующими на естественные высшие гармоники, является относительная стабильность воздействующей величины в различных режимах работы сети, что упрощает решение проблемы устойчивости функционирования защиты от О33, при внутренних и внешних повреждениях. К недостаткам защит, использующих «наложенные» токи, следует отнести необходимость в специальном источнике «наложенного» тока, усложнение схемы первичной коммутации из-за введения вспомогательного источника тока, некоторое увеличение тока в месте повреждения, возможность отказов функционирования защиты при дуговых прерывистых 033.

Наиболее широкое применение в России получили токовые защиты от О33 в кабельных линиях 6— 10 кВ и в обмотках статора генераторов, работающих на сборные шины, разработанные в Томском политехническом институте под руководством Р. А. Вайнштейна и основанные на использовании «наложенного» (контрольного) тока с частотой 25 Гц. В установившемся режиме, при наличии О33, действие защит линий электропередачи и генераторов обеспечивается за счёт искусственного наложения контрольного тока с частотой 25 Гц. В качестве источника контрольного тока используется электромагнитный параметрический делитель частоты.

Достоинствами данного подхода можно считать независимость от режима заземления нейтрали, гарантированную возможность сигнализации на отключенной линии электропередачи.

Недостатками подхода является его дороговизна относительно остальных методов.

Литература

1. Шуин В. А., Гусенков А. В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. — М.: НТФ «Энергопрогресс» 104 с.
2. A. Eberle GmbH & Co. KG. Earth fault and short circuit indicator — EOR-3D,Operating instructions. 2014.
3. Kries-Energietechnik GmbH & Co. KG. Grid-Inspector IKI-50,Instruction manual. 2016.
4. Siemens. SICAM, Устройство контроля состояния линии, Руководство. 2014.
5. ООО «АНТРАКС»,ИНДИКАТОР КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯИКЗ-К4-А-ТН, Техническое описание и руководство по эксплуатации. 2017.
6. Шуин В. А., Гусенков А. В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. — М.: НТФ «Энергопрогресс» 104 с.
7. A. Eberle GmbH & Co. KG. Earth fault and short circuit indicator — EOR-3D,Operating instructions. 2014.
8. Kries-Energietechnik GmbH & Co. KG. Grid-Inspector IKI-50,Instruction manual. 2016.
9. Siemens. SICAM, Устройство контроля состояния линии, Руководство. 2014.