Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ Особенности возникновения и приборы защиты Алексей Шалин, д.т.н., профессор кафедры электрических станций Новосибирского государственного технического университета

Как известно, характер процессов, протекающих в сети при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ), в большой степени зависит от режима заземления нейтрали. В настоящее время в России используются четыре способа заземления нейтрали в рассматриваемых сетях: изолированная, компенсированная, резистивно-заземленная и комбинированная – с резистором и дугогасящим реактором в нейтрали.
В [1] показано, что эксплуатируемые в российских сетях с изолированной и компенсированной нейтралью защиты далеки от совершенства. Требуется разработка новых, более совершенных защит от ОЗЗ.
Опыт работы показывает, что при сохранении традиционных способов заземления нейтрали существенного «прорыва» в этой области едва ли можно ожидать. Принципиально новые возможности появляются при заземлении нейтрали через резистор. При этом в некоторых случаях (при больших, порядка десятков ампер, емкостных токах сети) резистивное заземление совмещают с включением в нейтраль дугогасящего реактора LN (рис.1). Вид защиты от ОЗЗ безусловно должен выбираться с учетом режима заземления нейтрали. Желательно в процессе проектирования выбрать такую защиту, которую не придется заменять при дальнейшем развитии сети.




Устойчивым признаком поврежденного присоединения в соответствии с рис. 1 является протекание по нему активного тока заземляющего резистора RN.

Виды повреждений при ОЗЗ
При ОЗЗ в резистивно-заземленных сетях возможны повреждения, которые с точки зрения защиты можно разделить на несколько основных категорий:

• кратковременные пробои;
• «металлические», бездуговые ОЗЗ;
• ОЗЗ через большие переходные сопротивления;
• дуговые ОЗЗ;
• обрывы воздушных ЛЭП, не сопровождающиеся длительными ОЗЗ.

Кратковременные пробои
Подробные исследования процессов в сетях 6–35 кВ при ОЗЗ описаны, например, в [2, 3]. В [4] показано, что большинству «устойчивых» ОЗЗ предшествуют кратковременные неустойчивые пробои изоляции длительностью от 1 до 10 мс, сопровождающиеся значительными по продолжительности бестоковыми паузами (от 1 до 17 минут). Время от первого кратковременного пробоя до возникновения устойчивого ОЗЗ составляет от 1 минуты до 10 суток и более.

Бездуговое ОЗЗ
Такое замыкание появляется при возникновении надежной гальванической связи поврежденной фазы с землей (например, с заземленным корпусом электроустановки). При этом напряжения и токи нулевой последовательности можно считать синусоидальными и максимальными по величине. С точки зрения зашиты бездуговое ОЗЗ – самый простой режим функционирования.

ОЗЗ через большие переходные сопротивления
Связь фазы с землей через неметаллические предметы (например, через деревянные части конструкции, при падении провода на сухой грунт и т.д.) иногда приводит к ОЗЗ с весьма большим переходным сопротивлением. Так, в эксперименте, проведенном с участием автора, при падении провода ЛЭП 35 кВ на песок отмечалось переходное сопротивление, которое в течение нескольких секунд изменялось примерно от 7 до 5 кОм. В [4] указано, что в Польше нормируемая величина такого сопротивления составляет 13,5 кОм, в Канаде – 7,5 кОм. Такие большие величины переходных сопротивлений могут существенно усложнить требования к защитам воздушных ЛЭП от ОЗЗ, поскольку с ростом переходного сопротивления уменьшаются как напряжения U0, так и токи нулевой последовательности I0.

Дуговое замыкание
Наблюдается при пробоях и перекрытиях фазной изоляции. При этом весьма часто наблюдается «прерывистая» форма кривой тока в дуге. Такая дуга, как известно, называется перемежающейся. На рис. 2 приведены осциллограммы тока в месте ОЗЗ и тока в реле защиты поврежденной линии при замыкании на землю через дугу и наличии заземляющего резистора, заимствованные из [6]. Видно, что ток в реле защиты при ОЗЗ может на какое-то время прерываться и содержит большое количество высокочастотных составляющих.




В некоторых случаях в токе и напряжении нулевой последовательности могут возникать также субгармонические составляющие.
В [2, 3] отмечено, что дуга, возникающая при ОЗЗ, может иногда прерываться на значительное, превышающее несколько периодов промышленной частоты, время. В [7, 8] приведен анализ зависимости продолжительности бестоковой паузы, связанной с медленным зарядом емкости поврежденной фазы после погасания дуги, от параметров сети. Показано, что введение заземляющего резистора существенно уменьшает продолжительность такой паузы, что положительно сказывается на поведении защиты от замыканий на землю.
Значительное содержание высокочастотных составляющих в токах нулевой последовательности как поврежденной, так и неповрежденных ЛЭП может привести к неселективной работе защиты. Во время некоторых проведенных экспериментов токи нулевой последовательности, например, неповрежденных ЛЭП в несколько раз превышали собственные емкостные токи при металлических ОЗЗ. Это объясняется тем, что высокочастотные составляющие в напряжении нулевой последовательности, которые, в частности, генерируются дугой, в значительной степени «усиливаются» в емкостных токах линий, так как емкостное сопротивление уменьшается пропорционально росту частоты. В результате токи в неповрежденных линиях могут существенно превысить емкостные токи, определенные при металлическом ОЗЗ, по которым ведется расчет уставок защиты.

Обрывы воздушных ЛЭП, не сопровождающиеся длительными ОЗЗ
Иногда в сетях 6–35 кВ возникают повреждения, не приводящие к длительному протеканию тока нулевой последовательности, но как бы «смежные» с ОЗЗ, – например, обрыв шлейфа на воздушной ЛЭП. Если шлейф висит, не прикасаясь к опоре, то ток нулевой последовательности отсутствует и обычная защита от ОЗЗ не действует. При раскачивании ветром шлейф может кратковременно замыкаться на опору, что приведет к «клевкам» защиты, но её срабатывание обычно не происходит из-за кратковременности такого замыкания.

Конструкции ЛЭП и режимы работы сети
Большое влияние на поведение защиты от ОЗЗ оказывает также схема сети, режимы её работы и конструктивное исполнение ЛЭП. Очевидно, что при ОЗЗ процессы по-разному протекают в сетях с воздушными или кабельными линиями.

ОЗЗ на кабельных линиях
ОЗЗ в кабелях с пластмассовой изоляцией при достаточно больших емкостных токах сети часто приводит к устойчивому горению дуги. При тех же условиях ОЗЗ в кабеле с бумажной изоляцией, пропитанной масляно-канифольной мастикой, в соответствии с [2] обычно приводит к разложению масла и бурному выделению газов. Турбулентное движение газов в образовавшемся газовом пузыре приводит к погасанию дуги, последующее зажигание которой происходит лишь после «рассасывания» образовавшихся газов.
Можно предположить, что при разных значениях тока ОЗЗ и различных фазах развития процесса длительность горения дуги и продолжительность бестоковых пауз могут варьироваться. В связи с этим, например, переход в кабельных сетях от мгновенно действующих защит от ОЗЗ к защитам, имеющим выдержку времени, может привести к отказам в тех случаях, когда продолжительность горения дуги становится меньше выдержки времени защиты.

ОЗЗ на воздушных линиях
Аналогичные проблемы могут возникнуть при перемежающейся дуге и в защите воздушных линий. При наличии существенных бестоковых пауз, характерных для перемежающейся дуги, защиты от ОЗЗ, имеющие стандартную схему обеспечения выдержки времени, могут отказать, поскольку во время бестоковой паузы они «сбрасывают» замер по времени, – реле (или блок) выдержки времени возвращаются в исходное состояние. Для бесперебойного функционирования защиты в рассматриваемом случае необходимо обеспечить «запоминание» на некоторое время факта запуска защиты. Если в течение установленного времени запоминания ток нулевой последовательности появится вновь, защита должна срабатывать.
Еще одной особенностью, выявленной при участии автора в сетях 35 кВ, является влияние при ОЗЗ цепей двухцепных воздушных ЛЭП друг на друга. Типовое подключение этих ВЛ (обозначенных как А, В, С) к сборным шинам подстанции показано на рис. 3.




В схеме в нейтраль 35 кВ каждого силового трансформатора включен заземляющий резистор R1, R2. Секционный выключатель обычно отключен. Между двумя цепями одной ВЛ, подключенными к разным секциям, существует связь через межцепные емкости. При ОЗЗ на одной из цепей напряжение нулевой последовательности возникает на обеих секциях сборных шин и токи нулевой последовательности протекают через линии, присоединенные как к левой секции сборных шин подстанции, так и к правой. Если не учесть эту особенность при разработке и проектировании защиты, то возможны неселективные отключения неповрежденных линий при ОЗЗ в сети.
В некоторых сетях 35 кВ воздушные ЛЭП для удобства эксплуатации выполнены без транспозиции фазных проводов. При этом возникает несимметрия фазных емкостей относительно земли, что приводит к смещению нейтрали сети, т.е. появлению напряжения и токов нулевой последовательности при отсутствии ОЗЗ. Установка в нейтрали заземляющего резистора уменьшает это напряжение, тем не менее в защитах от ОЗЗ появляется дополнительный ток, который, по мнению автора, следует учитывать при расчете уставок.
Если в сетях 6–10 кВ, как правило, удается установить кабельные трансформаторы тока нулевой последовательности, имеющие малый небаланс в нормальном режиме, то в сети 35 кВ обычно для защиты от ОЗЗ приходится использовать фильтры из трех трансформаторов тока, небаланс которых может быть в некоторых случаях весьма велик. Если не учитывать его при расчете уставок, то возможны неселективные срабатывания.
Токи нулевой последовательности могут изменяться в процессе эксплуатации в силу следующих причин:

• в результате отключения отдельных ЛЭП и перемычек в схеме, например, в процессе эксплуатации;
• при включении ЛЭП, присоединенных к шинам подстанции или распределительного пункта, после ремонта. При этом могут существенно изменяться также и углы между током и напряжением нулевой последовательности в поврежденной линии;
• в одной из северных энергосистем из-за бурного развития схемы электроснабжения и замены части воздушных ЛЭП на кабельные за несколько лет ток нулевой последовательности изменился в 3 раза – с 30 А на одной секции сборных шин подстанции до примерно 90 А. Естественно, что при этом необходимо пересмотреть и уточнить уставки защит от ОЗЗ;
• при наличии дугогасящего реактора, включенного параллельно заземляющему резистору, эксплуатационный персонал не всегда использует его автоподстройку, даже если она имеется. При этом возможны режимы существенной перекомпенсации, что резко затрудняет работу большинства известных защит от ОЗЗ.

Защиты от ОЗЗ
Современные защиты на микропроцессорной базе далеко не всегда удается отнести к какому-то конкретному классу, поскольку в них обычно используется несколько алгоритмов. При рассмотрении таких защит уместно говорить о двух и более классах, к которым они принадлежат. Защиты на электромеханической базе или выполненные с использованием микросхем среднего уровня интеграции, как правило, поддаются такой классификации, хотя отсутствие в печати, а иногда и в инструкциях по эксплуатации подробной и достоверной информации затрудняет этот процесс.
Тем не менее в следующем номере журнала мы попытаемся систематизировать то многообразие защит от ОЗЗ, которые в настоящее время эксплуатируются в энергосистемах России и могут быть использованы в резистивно-заземленных сетях.

Литература

1. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6–10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. – 2000. – №1. – С. 20–22.
2. Лихачёв Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. – М.: Энергия, 1971. – 152 с.
3. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. – М.: Энергоатом-издат, 1986. – 128 с.
4. Шуцкий В.И.,Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 151 с.
5. Бухтояров В.Ф., Маврицын A.M. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.
6. Нестеров С.В., Щеглов А.И., Целебровский Ю.В. Анализ осцилло-грамм токов и напряжений при однофазных дуговых замыканиях в сети 10 кВ с резистивным сопротивлением в нейтрали // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: Труды второй Всероссийской научно-технической конференции. – Новосибирск, 2002. – 200 с.
7. Вайнштейн Р.А., Карбышев А.Ф., Фальк Ю.П. Влияние заземляющего резистора на работу защиты от замыканий на землю при перемежающихся замыканиях // Быстродействующая релейная защита и противоаварийная автоматика электрических систем. – Новосибирск: Изд-во НЗТИ, 1987. – С. 79–82.
8. Вайнштейн Р.А., Карбышев А.Ф. Обоснование выбора тока срабатывания защиты от замыканий на землю в сети с изолированной и заземлённой через резистор нейтралью // Управление режимами электроэнергетических систем. – Новосибирск: Изд-во НГГУ, 1994. – С.105–110.