Защита от ОЗЗ в сетях c изолированной и компенсированной нейтралью

Читать онлайн

В статье рассматриваются особенности построения сетей 6–35 кВ с различными типами нейтрали (изолированная, компенсированная, резистивная) и анализируются их основные преимущества и недостатки. Особое внимание уделяется проблеме однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) как основной причине аварийности в таких сетях. Приводятся возможности инновационной смарт-платформы TEL по обнаружению ОЗЗ.

Фурин С.С., руководитель разработки продуктов направления подстанции ООО «Таврида Электрик»
Бензорук С.В., технический директор российского отделения ООО «Таврида Электрик»

ОБЗОР ТИПОВ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6–35 кВ

*Рис. 1. Основные типы нейтралей в сетях 6–35 кВ*

В настоящее время в РФ подавляющее большинство линий в сетях 6–35 кВ имеют изолированную или компенсированную нейтраль (рисунок 1). В крупных городах есть тенденция перехода на резистивную нейтраль — как низкоомную, так и высокоомную. А нужно ли это делать? Давайте разберемся, какие преимущества и недостатки имеет каждая из нейтралей.

Изолированная нейтраль появилась в начале ХХ века во время массового строительства линий электропередачи. В РФ повсеместный переход на изолированную нейтраль как на стандарт случился в 50–60 годах ХХ века.

Главным преимуществом изолированной нейтрали является возможность продолжения электроснабжения потребителей при однофазных замыканиях на землю.

Изолированная нейтраль не лишена недостатков. Они всем хорошо известны:

перемежающаяся дуга, приводящая к перенапряжениям до 3…4 U_ф;
феррорезонанс в трансформаторах напряжения «фаза-земля»;
опасность для человека и животных при ОЗЗ;
сложность идентификации ОЗЗ.

На сложности идентификации хотелось бы остановиться. В изолированной нейтрали ток замыкания на землю может составлять десятые доли ампера (например, если перед коммутационным аппаратом совокупная длина линий 10 кВ меньше 1 км). Поиск таких повреждений требует больших трудозатрат. Чаще всего все сводится к определению поврежденного участка сети методом отключений, далее обход и визуальный поиск неисправности.

Компенсированную нейтраль можно считать частным случаем изолированной. Пункт 1.2.16 ПУЭ ограничивает ток замыкания на землю:

30 А (10 А, если сеть выполнена на железобетонных опорах) при напряжении 3–6 кВ;
20 А (10 А, если сеть выполнена на железобетонных опорах) при напряжении 10 кВ;
15 А (10 А, если сеть выполнена на железобетонных опорах) при напряжении 15–20 кВ;
10 А при напряжении 35 кВ.

Такое ограничение делается по многим причинам, но основная — обеспечение безопасности людей.

Если ток превышает значения, обозначенные выше, то к нейтрали трансформатора или генератора подключают дугогасящий реактор (ДГР). ДГР компенсирует емкостной ток линии.

Сети с компенсированной нейтралью — или чисто кабельные, или воздушно-кабельные. В сетях 10 кВ емкостной ток 20 А можно получить примерно от 12 км кабеля (зависит от типа кабеля).

ДГР уменьшает ток ОЗЗ и, следовательно, уменьшает вероятность дуговых замыканий, уменьшает вероятность перехода ОЗЗ в межфазное КЗ, повышает безопасность оборудования. Тем не менее, такие сети также имеют недостатки:

остается вероятность дуговых замыкания и перенапряжений;
дополнительные затраты на ДГР;
еще сложнее искать ОЗЗ (при точной компенсации может оказаться недостаточной чувствительность защиты).

Сетей 6–35 кВ с заземлением через резистор не так много. В основном это новые сети 20 кВ в мегаполисах. Заземление уменьшает перенапряжения до 2,5 U_ф и облегчает поиск ОЗЗ, поскольку ток уже такой, который могут зафиксировать обычные токовые защиты. К недостаткам данного способа заземления нейтрали можно отнести:

большие затраты на организацию заземления;
уменьшение сетевой надежности (необходимость отключения ОЗЗ);
увеличение требований к заземляющим контурам;
дополнительные сложности с расчетом уставок РЗА (особенно в сетях с низкоомным заземлением);
увеличивает вероятность перехода ОЗЗ в межфазное КЗ.

Таким образом, сети с изолированной и резистивно заземленной нейтралью имеют свои особенности. При этом нельзя сказать, что мы действительно критично снижаем перенапряжение в сети с 4 до 2,5 U_ф, учитывая тот факт, что и кабели, и трансформаторы должны выдерживать перенапряжения 4U_ф. В большей степени переход связан со сложностью поиска ОЗЗ в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью.

ВЛИЯНИЕ ОЗЗ НА АВАРИЙНОСТЬ В ВОЗДУШНЫХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ И В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

В преимущественно воздушных сетях вклад ОЗЗ в общую аварийность огромен — 80% всех аварий связано с ОЗЗ:

55% — установившиеся ОЗЗ;
25% — двойные ОЗЗ (ДЗЗ).

Эти данные получены на основе анализа аварийности на Федеральной экспериментальной площадке «Цифровой РЭС — Крымэнерго».

Нужно отметить еще один интересный факт, полученный из анализа данных: в воздушных сетях с изолированной нейтралью 90% ОЗЗ самогасящиеся (за время менее 4 с), а оставшиеся 10% ОЗЗ как раз дают 80% всей аварийности. Давайте теперь представим, что было бы с надежностью сети, если бы мы заземлили нейтраль, например, через низкоомный резистор.

По кабельным сетям с компенсированной нейтралью данных меньше, и мы можем ориентироваться только на анализ журналов, к которому у нас был доступ. Но и здесь есть интересные моменты — 16% всех аварий связано с ОЗЗ:

9% — установившиеся ОЗЗ;
7% — двойные ОЗЗ.

Данные получены на основе анализа журналов кабельной сети «Севэнерго». В этой сети преимущественно трехфазные кабели. Можно сделать предположение, что процент аварий, связанных с ОЗЗ в сетях с однофазными кабелями, будет выше.

Делаем промежуточный вывод, что ОЗЗ вносит основной вклад в аварийность воздушных сетей и значимый — в аварийность кабельных.

РЕШЕНА ЛИ ПРОБЛЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОЗЗ

Несмотря на большой вклад ОЗЗ в аварийность, ее определение — головная боль для эксплуатации. Самый простой способ обнаружения ОЗЗ — по U₀, последовательное отключение отходящих от РП фидеров. Но, во-первых, поиск по U₀ имеет ряд ограничений. Во-вторых, все переключения делаются бригадами ОВБ.

Защита по полному току 3I₀ тоже имеет ограничения. Как правило, это отдельный централизованный терминал, который устанавливается в РП и получает информацию ТТНП и трехфазных сборок трансформаторов напряжения. ТТНП будет работать, если все три фазы через него пройдут, что не везде возможно реализовать. А трансформаторы напряжения подвержены феррорезонансу, который порождает ОЗЗ.

Тема ОЗЗ — самая популярная тема для написания диссертаций. Есть и более сложные алгоритмы определения ОЗЗ, но все они работают с не самыми лучшими измерителями. Не видно попыток взглянуть на проблему в комплексе и предложить систему, которая способна эффективно справиться с проблемой идентификации ОЗЗ.

ПУТЬ КОМПАНИИ «ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК» К ИДЕНТИФИКАЦИИ ОЗЗ

Компания «Таврида Электрик» имеет более чем 30-летний опыт разработки продуктов со встроенной функцией определения ОЗЗ.

Первым представителем стал реклоузер cо шкафом управления RC_1. Можно его считать ПАК первого поколения. Он мог выделять ток нулевой последовательности от 1 А и имел токовую направленную защиту от ОЗЗ. В эксплуатацию реклоузеры начали поступать с 2002 года.

Такой чувствительности было недостаточно для сетей с изолированной нейтралью, поэтому была предпринята попытка разработки специализированного дросселя, который мог на время увеличивать ток нулевой последовательности в поврежденной фазе. Ставить его можно было на подстанциях или РП. По факту появления U₀ дроссель включался на короткое время и давал возможность обнаружить поврежденный участок сети.

Дроссель был разработан, в 2008 году прошел испытания, но в серийное производство не пошел, так как на тот момент уже было ясно, что можно сделать более точный датчик тока нулевой последовательности, и дополнительный дроссель будет не нужен.

Промежуточным этапом с точки зрения борьбы с ОЗЗ был выход в 2012 году реклоузера со шкафом управления RC_5 (ПАК второго поколения). C точки зрения измерителей ничего не поменялось, а вот функционал нарастили: кроме направленной токовой добавили традиционную защиту по проводимости нулевой последовательности.

Все ПАК, описанные выше, были нацелены на реклоузерное применение в изолированной нейтрали с током ОЗЗ более 1 А. Все изменила смарт-платформа (ПАК третьего поколения). Она уже разрабатывалась как универсальная платформа для реклоузеров и КРУ, была нацелена на решение проблем ОЗЗ в сетях как с изолированной, так и с компенсированной нейтралью.

Смарт-платформа TEL позволяет выделять ток нулевой последовательности от 0,1 А, дополнительно оснащена импедансной защитой от ОЗЗ на базе алгоритмов TEL. Первый представитель этой платформы вышел в 2013 году: реклоузер 35 кВ.

ПАК ТРЕТЬГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОЗЗ

В смарт-платформе все защиты построены на измерениях 4 каналов: канал физического датчика тока нулевой последовательности, построенного на фазных маломощных специализированных трансформаторах тока, и трех каналах фазных напряжений.

Основные узлы смарт-платформы показаны на рисунке 2 (многофункциональный датчик, плата сопряжения, трехфазный датчик).

Рис. 2. Основные узлы смарт-платформы: 1 — многофункциональный контроллер присоединения; 2 — плата сопряжения; 3 — трехфазный датчик (датчик напряжения, датчик тока, датчик тока нулевой последовательности, датчик тока для коммерческого учета)

Канал измерения фазного напряжения имеет следующие основные характеристики:

тип датчика — емкостной делитель;
диапазон от 500 В до 40 500 В;
погрешность (рисунок 3);
стабильные АЧХ и ФЧХ, которые измерены и используются модулем управления.

*Рис. 3. Погрешность канала измерения напряжения в % в зависимости от измеряемого значения в вольтах*

Канал измерения тока нулевой последовательности обладает уникальными характеристиками:

диапазон измерений от 0,1 … 1600 А (на фоне номинального тока 1920 А);
погрешность ± 1% на 50 Гц;
стабильные АЧХ и ФЧХ, которые измерены и используются модулем управления.

Особо стоит отметить, что специализированные фазные трансформаторы встроены в датчик, и нет необходимости устанавливать отдельные датчики для организации измерения 3I₀.

Итак, мы получили на вход качественные измерения, но теперь их нужно математически правильно обработать. Алгоритм импедансной защиты работает по проводимости нулевой последовательности, но алгоритмы обработки были изменены с целью повышения чувствительности, а также для упрощения настройки в эксплуатации.

В результате получилась защита, которая имеет всего два набора уставок: для изолированной нейтрали и компенсированной нейтрали. Алгоритм определяет, что ОЗЗ именно в защищаемой зоне, и не реагирует на ОЗЗ, которые случились выше. Алгоритм по проводимости дополнен ВЧ-детектором, который нужен в большей части для компенсированной нейтрали, но позволяет уточнить работу критерия по проводимости и в изолированной нейтрали (рисунок 4).

*Рис. 4. Два критерия выявления ОЗЗ: а) проводимость нулевой последовательности; б) ВЧ-детектор*

Тестирование на математических моделях сети продемонстрировало бóльшую чувствительность нового алгоритма, работающего по проводимости нулевой последовательности, по сравнению с традиционным алгоритмом защиты.

Данная защита успешно прошла испытания по методике ФСК ЕЭС как для сетей с изолированной, так и для сетей с компенсированной нейтралью. Понятно, что набор тестов на этих испытанияx — всего лишь некое приближение к реальной эксплуатационной практике (как и любое другое испытание), но сам факт прохождения — билет в эксплуатацию.

На сегодняшний день компания «Таврида Электрик» серийно выпускает продукты со встроенной защитой от замыкания на землю:

реклоузер Rec15_Smart (более 1000 шт. в эксплуатации);
КРУ (более 4000 шт. в эксплуатации);
Smart-выключатель со встроенными датчиками и защитой (более 1500 в эксплуатации);
реклоузер Rec35_Smart (более 4000 в эксплуатации).

Таким образом, в эксплуатации есть более 10 000 единиц оборудования, в которых или используется защита от ОЗЗ, или они готовы к введению этой функции.

ВЫВОДЫ

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) остаются одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций в сетях 6–35 кВ. Применение новых продуктов со встроенной смарт-платформой TEL существенно повышает чувствительность защит к ОЗЗ и, следовательно, повышает надежность этих сетей без необходимости перехода на заземленную нейтраль.