В [1] были перечислены разновидности направленных защит от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях 6–35 кВ, а в [2] показано, как могут изменяться основные параметры рабочих сигналов, поступающих на защиту при перемежающихся дугах. Из описанного в [2] не следует делать вывод о принципиальной неработоспособности направленных защит в режимах с перемежающимися дугами. Если рабочие сигналы интегрировать в течение нескольких десятых долей секунды и «запоминать» факт запуска защиты на время возможной бестоковой паузы, то на основе рассматриваемого принципа вполне можно построить эффективные защиты от ОЗЗ.
Это подтверждает опыт эксплуатации нескольких сотен устройств направленной токовой защиты от ОЗЗ, разработанной одним из авторов настоящей статьи [3, 4, 5] и установленной в некоторых энергосистемах России. Как производственные испытания с имитацией перемежающейся дуги, так и опытная эксплуатация защит дали положительные результаты.
Международный опыт эксплуатации направленных защит линий от ОЗЗ также подтвердил их эффективность, но некоторые разновидности таких защит, по признанию самих разработчиков и изготовителей, а также по данным эксплуатации, ведут себя неудовлетворительно при ОЗЗ с перемежающимися дугами.
Простейшие разновидности направленных токовых защит от ОЗЗ эксплуатируются в России уже в течение десятков лет. Однако до сих пор отсутствуют методики расчета их уставок, что сильно усложняет труд проектантов и вызывает сомнение в возможности эффективной работы защит в первые годы после введения их в работу до тех пор, пока необходимые уставки не будут найдены опытным путем в процессе эксплуатации. Этот материал направлен на решение этого вопроса.

При технической реализации защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ, имеющей, как правило, первичные токи срабатывания, не превышающие нескольких ампер, должна быть решена задача предотвращения повреждения входных элементов измерительных органов от токов двойного замыкания на землю, которые могут превышать ток срабатывания в тысячи раз.

Обычным способом решения этой задачи является включение на входе устройства защиты нелинейных полупроводниковых [1] или газонаполненных элементов [2], которые ограничивают мгновенные значения сигналов. Снижению сигналов при двойных замыканиях на землю дополнительно способствует возможное насыщение трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП), так как выпускаемые промышленностью специальные токовые реле для защиты от замыканий на землю имеют входное сопротивление, соизмеримое с сопротивлением ветви намагничивания ТТНП.

ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА

В [1] были приведены рекомендации авторов [2, 3, 4, 5] по расчету уставок ненаправленных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ. Из этих рекомендаций видно, что специалисты существенно расходятся во мнениях относительно таких основополагающих для расчета величин, как коэффициент броска, нормируемый коэффициент чувствительности и т.д. В комментарии к [1] Сергей Титенков совершенно верно отмечает, что эти расхождения объясняются различными результатами, полученными авторами в основном в процессе эксплуатации защит от ОЗЗ. Однако это никак не оправдывает пассивности таких организации, как, например, РАО «ЕЭС России», призванных обеспечить разработку нормативных материалов, которые позволили бы проектантам грамотно выбирать виды защиты от ОЗЗ, рассчитывать уставки и проверять чувствительность соответствующих устройств. В настоящее время такие нормативные документы отсутствуют, что существенно затрудняет работу специалистов, занятых проектированием и эксплуатацией устройств защиты от ОЗЗ, и заметно снижает качество этой работы. Существуют и объективные факторы, затрудняющие создание такого рода нормативных документов.

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

Как известно, обычно трансформаторы тока в сетях 6–10 кВ устанавливаются в фазах А и С. В фазе В трансформаторы тока не устанавливаются. Замыкание на землю сопровождается малыми токами, при которых защиты от междуфазных коротких замыканий (КЗ) не срабатывают, а должна подействовать защита от ОЗЗ. При двойных замыканиях на землю ток резко увеличивается и должна сработать защита от междуфазных КЗ.

В процессе работы на подстанциях одной из энергосистем (подстанции 2 и 3 на рис. 1) выяснилось (эксперимент проводил к.т.н. доцент А.И. Щеглов, НГТУ), что те токопроводы, которые на одной из подстанций считались принадлежащими фазе А, на другой подстанции обозначались как фаза В и т.д. Такой разнобой в наименованиях фаз, как показало проведенное обследование, не редкость на сетевых подстанциях 6–35 кВ.

В эксплуатации нередко используется подключение мощных электродвигателей 6–10 кВ несколькими кабелями, что может затруднить работу защит от однофазных замыканий на землю. Наиболее показательна работа таких двигателей на газокомпрессорных станциях – ответственных объектах, предназначенных для обеспечения бесперебойного функционирования магистральных газопроводов. Возникновение аварийных ситуаций на таких станциях может привести к выходу оборудования из строя и большим ущербам. Подавляющее большинство (70–90%) повреждений в сети электроснабжения 10 кВ компрессорных станций начинается с однофазных замыканий на землю.

О значениях коэффициента броска

В [2] были приведены рекомендации авторов [3, 4, 5, 6] по расчету уставок ненаправленных токовых защит нулевой последовательности от ОЗЗ. Из этих рекомендаций видно, что специалисты существенно расходятся во мнениях относительно таких основополагающих для расчета величин, как коэффициент броска, нормируемый коэффициент чувствительности и т.д.
В комментарии к [2] Сергей Титенков утверждает, что используемый в расчетах коэффициент броска, зависящий в основном от высокочастотного тока нулевой последовательности, возникающего в процессе разряда емкости поврежденной фазы цепи и заряда емкостей неповрежденных фаз, не уменьшается при резистивном заземлении нейтрали сети. Это определяется, в частности, тем, что этот резистор в сетях 6–10 кВ включается в цепь маломощного нейтралеобразующего трансформатора.
Как это часто бывает в действительности, любое конкретное высказывание имеет свои «границы истинности». Если речь идет о резисторах, устанавливаемых в нейтрали нейтралеров (нейтралер – трехфазная дроссельная катушка с соединением зигзагом) в соответствии с [7, 8, 9], то такое мнение в большинстве случаев совершенно справедливо. По первой гармонике индуктивное сопротивление нейтралера мощностью 63 кВА на напряжении 10 кВ составляет 96 Ом [9]. По 10–20 гармоникам, которые присутствуют в процессе перезаряда емкостей при ОЗЗ, это сопротивление возрастет до 960–1920 Ом и при сопротивлении резистора порядка 100–150 Ом суммарное сопротивление цепочки «нейтралер – заземляющий резистор» будет практически полностью индуктивным. В результате, в полном соответствии с мнением Сергея Титенкова, заземляющий резистор практически не окажет влияния на токи перезаряда емкостей и, таким образом, не повлияет на коэффициент броска.
На напряжении 35 кВ трехобмоточные силовые трансформаторы обычно имеют выведенную нейтраль. Заземляющий резистор включают в цепь этой нейтрали. В этом случае говорить о том, что этот резистор не влияет на токи перезаряда, было бы неверно.

СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НЕБАЛАНСА

Рассмотрим случай, когда в рассматриваемом элементе, например линии, можно пренебречь величинами Li и Ri. На рис. 1 показана простейшая трехфазная расчетная схема для резистивно-заземленной сети с одним источником питания и одной линией. Если пренебречь падением напряжения в контуре заземления, то на рис. 1 можно замкнуть цепь заземления (см. пунктир).
Напряжение нулевой последовательности 0 (напряжение на резисторе RN) определяется через параметры остальных элементов схемы в соответствии со следующим выражением:

Идея наложения на первичные цепи электроустановки вспомогательного (контрольного) тока для обеспечения действия защиты является вполне очевидной, и для ее реализации существует ряд предложений [1, 2].
Однако распространение получили далеко не все предложенные методы. Это, по нашему мнению, объясняется тем, что при использовании метода наложения контрольного тока должны выполняться определенные требования. Основное из них заключается в том, что частота контрольного тока и схема подключения источника контрольного тока (ИКТ) должны быть выбраны так, чтобы были совместимы условия работы защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях на землю.
При перемежающихся замыканиях в электроустановках с компенсацией емкостного тока после каждого очередного погасания дуги время восстановления напряжения до следующего пробоя изоляции зависит от расстройки компенсации, пробивного напряжения, условий горения дуги и лежит в пределах от 0,35 до 0,1 с. В соответствии с этим частотный спектр токов и напряжений нулевой последовательности содержит низкочастотные составляющие с частотой примерно от 3 до 10 Гц и кратные им гармоники.
Для примера на рис. 1 приведены расчетные осциллограммы тока нулевой последовательности в поврежденной линии и напряжения на поврежденной фазе при перемежающемся замыкании, когда дуга гаснет после каждого очередного пробоя при переходе через ноль высокочастотной составляющей переходного емкостного тока.
Распределение составляющих токов различных частот при перемежающемся замыкании по элементам сети можно рассмотреть на схеме замещения (рис. 2), в которой в месте замыкания включено напряжение нулевой последовательности, содержащее в общем случае сумму гармонических составляющих.