Инвариантная защита электротехнических комплексов от однофазных замыканий на землю с автоматической коррекцией входных параметров
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
1.2. Индивидуальные защиты отходящих присоединений 1.2.1. Защиты, основанные на контроле установившихся токов нулевой последовательности защищаемых линий В распределительных сетях 6-35 кВ с изолированной и резистивно- заземленной нейтралью наибольшее распространение получили токовые ненаправленные защиты нулевой последовательности. Алгоритм действия ненаправленных защит от ОЗЗ основан на контроле токов нулевой последовательности защищаемых присоединений при возникновении в сети однофазного замыкания и сопоставлении их значений с уставками на срабатывание. При этом на поврежденной линии величина рабочего сигнала защиты будет пропорциональна значению суммарного тока нулевой последовательности всех линий сети за вычетом собственного тока нулевой последовательности поврежденной линии, а на неповрежденных линиях – собственным токам нулевой последовательности линий. 14 Для контроля токов линий используются специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) или фильтры тока нулевой последовательности (ФТНП). Вариант с ФТНП используется на воздушных линиях, которые не имеют кабельной вставки на выходе выключателя линии, где, как правило, устанавливают ТТНП. Однако использование ФТНП в качестве датчика тока нулевой последовательности предполагает установку в каждой фазе отходящей линии обычного измерительного трансформатора тока. Селективное действие ненаправленных токовых защит от ОЗЗ возможно в электрических сетях с изолированной нейтралью, где суммарный ток однофазного замыкания на землю превышает собственный ток нулевой последовательности любой линии сети враз и более. Учитывая возможную нестабильность конфигурации сети и, как следствие, непостоянство значения суммарного тока ОЗЗ сети, необходимо с целью обеспечения селективности и требуемой чувствительности действия защиты при выборе уставок на срабатывание принимать условие, при котором суммарный ток ОЗЗ превышал бы собственный ток нулевой последовательности любой линии враз и более [4, 77]. В распределительных сетях с резистивным заземлением нейтрали условия для обеспечения селективности действия ненаправленных токовых защит улучшаются благодаря увеличению суммарного тока замыкания на землю за счет активной составляющей тока заземляющего резистора. Однако при применении высокоомных резисторов, предназначенных, в первую очередь, для снижения уровня перенапряжений в сети при ОЗЗ, задачу обеспечения рекомендуемых соотношений токов в сетях с неоднородной конфигурацией в ряде случаев решить проблематично. На сегодняшний день в электрических сетях среднего напряжения применяются ненаправленные токовые защит от ОЗЗ, построенные на микропроцессорных терминалах. Наиболее распространенными терминалами защит являются SEPAM типа S80 фирмы Schneider Electric [25], SPAC-801-101 SPACOM фирмы «АББ Реле-Чебоксары» [32], Сириус-2-МЛ фирмы ЗАО 15 РАДИУС Автоматика [74], ТЭПМ 2501 фирмы ОАО «ВНИИР» [33], MiCOM Р фирмы AREVA [71], БМРЗ НТЦ «Механотроника» [7], SIPROTEC 4 7SJ61 фирмы SIEMENS [97] и другие. 1.2.2. Защиты, основанные на контроле направления мощности нулевой последовательности в установившемся режиме ОЗЗ Защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме однофазного замыкания, обычно применяют в тех случаях, когда не удается обеспечить чувствительность ненаправленных токовых защит. Алгоритм действия направленных защит основывается на учете направления протекания токов нулевой последовательности отходящих присоединений в режиме однофазного замыкания на землю на неповрежденных присоединениях токи условно направлены к секции шина на поврежденном присоединении – от секции шин к месту ОЗЗ. В соответствии с этими рабочие сигналы направленных защит в виде мощности нулевой последовательности отходящих присоединений, определяемые потокам нулевой последовательности линий и по напряжению нулевой последовательности, также имеют различное направление [3, 9, 77, 80]. Контроль направления мощности нулевой последовательности направленной защиты от ОЗЗ выполняется специальным фазочувствительным органом, осуществляющим сравнение фаз синусоидального сигнала, пропорционального напряжению нулевой последовательности сети U 0 , и синусоидального сигнала, пропорционального току нулевой последовательности отходящего присоединения I 0 . Однако в режиме однофазного замыкания на землю в напряжении и токах нулевой последовательности содержатся высшие гармонические составляющие, что обуславливает применение избирательных фильтров, выделяющих основную гармонику частотой 50 Гц. Также необходимо осуществить сдвиг по фазе на угол 90 0 для одного из выходных сигналов [9]. Основным преимуществом защиты от однофазных замыканий, реагирующей на направление мощности нулевой последовательности является 16 отсутствие необходимости отстройки от собственного тока нулевой последовательности защищаемого присоединения, ввиду того, что главной задачей является контроль фазовых соотношений между векторами тока и напряжения нулевой последовательности для неповрежденных и поврежденного присоединения. Непостоянство гармонического состава напряжения и токов нулевой последовательности при различных режимах ОЗЗ и, как следствие, нестабильность входных параметров защиты по уровню и по форме являются причиной неселективного действия направленной защиты от ОЗЗ. Направленные защиты от ОЗЗ широко применяются в сетях с изолированной, резистивно-заземленной и компенсированной нейтралью, работающей в режиме недокомпенсации. Наиболее распространенными в распределительных сетях 6-35 кВ направленными защитами от ОЗЗ являлись ЗЗП-1 и ЗЗП-1М [9, 31]. Однако опыт эксплуатации этих устройств и проведенные исследования свидетельствует о большом количестве ложных срабатываний защиты по причине фазовых искажений соотношений между сигналами напряжения и токов при перемежающихся замыканиях на землю [27, 80]. Одной из наиболее поздних модификаций направленных защит от ОЗЗ является защита типа ЗЗН, предназначенная для селективного выявления поврежденной линии с однофазным замыканием на землю в сетях 6-10 кВ с изолированной и резистированной нейтралью. Во многих многофункциональных микропроцессорных терминалах защиты используются не менее двух различных способов выявления повреждённой линии, необходимых для повышения селективности определения поврежденного присоединения. Примером такого устройства является микропроцессорный терминал БМРЗ (НТЦ «Механотроника»), реализующий направленную и ненаправленную защиты от замыканий на землю [7]. Современные устройства направленной защиты от ОЗЗ, выполненные на микропроцессорных терминалах реле защиты ЗЕРО, компании «Объединённая 17 энергия (г. Москва) [62], устройство Сириус-МЛ фирмы ЗАО РАДИУС Автоматика [75], терминал SEPAM S42 фирмы Schneider Electric [26], защиты MiCOM (модели Р, Р, Р) компании AREVA [67], SPAC-810 фирмы «АББ Реле-Чебоксары» [71] и другие. 1.2.3. Защиты, основанные на использовании высших гармоник в токах нулевой последовательности защищаемых линий При возникновении ОЗЗ на любой линии распределительной сети нарушается симметрия фаз относительно земли, что обуславливает появление в сети напряжения нулевой последовательности несинусоидального характера. По этой причине токи нулевой последовательности всех линий сети содержат высшие гармоники, причем наибольший уровень высших гармонических составляющих на поврежденном присоединении, по которому протекает суммарный ток нулевой последовательности всех линий электрической сети. Уровень гармоник в токах нулевой последовательности неповрежденных линий значительно меньше и определяется емкостью фаз относительно земли этих линий. Дуговой характер однофазного замыкания на землю обуславливает резкое повышение уровня высших гармоник в токах нулевой последовательности всех защищаемых присоединений сети. В сетях с резонансным заземлением нейтрали из-за влияния дугогасящего реактора уровень высших гармоник в суммарном токе нулевой последовательности на поврежденном присоединении дополнительно возрастает, а его состав становится еще более сложным [12, 14, 23]. Основной областью применения устройств защиты от ОЗЗ, реагирующих на высшие гармонические составляющие являются компенсированные сети 6-35 кВ. Это связано стем, что в сетях с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор уровень высших гармоник в токе нулевой последовательности поврежденного присоединения в режиме однофазного замыкания на землю значительно выше, чем в токах неповрежденных присоединений, что позволяет организовать селективную высокочувствительную защиту от ОЗЗ. В электрических сетях с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью эти защиты 18 характеризуются низкой селективностью действия вследствие нестабильности и случайного характера гармонического состава напряжения и токов нулевой последовательности линий сети [78]. Кроме того, неселективное действие защит связано с соизмеримостью токов нулевой последовательности отдельных присоединений с суммарным током нулевой последовательности сети. Принцип защиты от однофазных замыканий на землю, основанный на контроле высших гармоник в токах нулевой последовательности защищаемых присоединений, реализуется на устройствах УСЗ-2/2, УСЗ-З, УСЗ-ЗМ. Однако эксплуатационные данные устройства УСЗ-2/2, основанного на использовании способа измерений абсолютных значений сигналов высших гармонических составляющих свидетельствуют о низкой селективности его действия в режиме ОЗЗ [72, 76]. Устройства УСЗ-З и УСЗ-ЗМ, основанные на принципе относительного измерения уровня гармоник характеризуются более высокой селективности действия, в сравнении с УСЗ-2/2. В настоящее время выпускаются микропроцессорные терминалы защит, использующие принцип контроля высших гармонических составляющих в токах нулевой последовательности, такие как Сириус-Л, выпускаемые ЗАО РАДИУС Автоматика [74], терминалы SPAC 801-113, SPAC 810 компании «АББ Реле- Чебоксары» [30]. 1.2.4. Защиты, основанные на использовании дополнительных наложенных токов Определение поврежденного присоединения с однофазным замыканием на землю в распределительной сети при использовании этого способа защиты осуществляется путем искусственного создания условий для протекания через точку ОЗЗ дополнительного тока с частотой, отличной от промышленной. Выявляя путь протекания этого тока, который включает в себя линию с ОЗЗ, с помощью специального избирательного модуля защиты определяется поврежденная линия. 19 Для организации защиты от ОЗЗ могут быть использованы наложенные как постоянный, таки переменный ток с частотой выше и ниже промышленной [81]. Использование в качестве рабочего сигнала защиты постоянного тока (в большинстве случаев выпрямленного тока) небольшой величины обуславливает необходимость использования в устройстве защиты высокочувствительного элемента, что создает проблему помехозащищенности. При использовании больших величин постоянного тока ухудшаются условия гашения дуги в точке замыкания, если ОЗЗ носит дуговой характер. Областью использования защит от ОЗЗ на наложенном постоянном токе являются карьерные электрические сети до 1 кВ с изолированной нейтралью. Наложенный постоянный ток может быть использован для построения устройств контроля сопротивления изоляции [8, 9]. Известны разработки защит от ОЗЗ с использованием источников наложенного тока частотой 100 Гц [73] и 300 Гц [6]. Однако недостатком защит, использующих наложенный ток частотой выше промышленной, является низкая селективность действия в распределительных сетях, имеющих в своем составе нелинейную нагрузку, которая обуславливает появление высокочастотных составляющих в токах нулевой последовательности линий в нормальном режиме работы, что является сигналом помехи для защиты от ОЗЗ. Другим недостатком этих защит являются ложные срабатывания при соизмеримости емкостей линий. В качестве рабочего сигнала защит от ОЗЗ может применяться наложенный ток с частотой ниже промышленной. Известна разработка Донецкого политехнического института УСЗК-6,25, где в качестве рабочего сигнала используется ток частотой 6,25 Гц, получаемый в результате амплитудной модуляции тока дугогасящего реактора [9]. Однако устройство УСЗК-6,25 неработоспособно при дуговых ОЗЗ. Наибольшее распространение в кабельных сетях 6-10 кВ скомпенсированной нейтралью получили разработки с применением наложенного тока с частотой 25 Гц (устройства типа ЗЗС) [4, 16]. В этом 20 варианте исполнения защиты от ОЗЗ источником контрольного тока является электромагнитный параметрический делитель частоты. Использование для целей защиты от ОЗЗ токов, частотой 25 Гц и ниже по сравнению стоками частотой, выше промышленной представляется целесообразным в силу ряда факторов возможность измерений высоких значений сопротивления фазной изоляции, лучшие условия помехозащиты оттока частотой 50 Гц, относительная простота получения [73, 88]. Централизованный поиск присоединения с ОЗЗ путем одновременного анализа токов частотой 25 Гц всех защищаемых линий позволит организовать защиту от ОЗЗ с высокой селективностью действия. Однако использование защит от ОЗЗ, реагирующих на наложенный ток частотой 25 Гц, сопряжено с рядом трудностей, таких как высокие погрешности измерений датчиков тока нулевой последовательности, вследствие уменьшения рабочей частоты сложность отстройки от гармонических составляющих при дуговых ОЗЗ вне защищаемой зоный и т.д. 1.2.5. Защиты, основанные на использовании электрических величин переходного процесса Переходные процессы, возникающие при однофазном замыкании фазы электрической сети на землю, протекают вследствие перезаряда емкостей поврежденной и неповрежденных фаз всех линий сети, что обуславливает изменение во времени напряжений и токов нулевой последовательности электрической сети. Переходные процессы при ОЗЗ носят стохастический характер и зависят отряда факторов момента возникновения ОЗЗ, величины переходного сопротивления вместе повреждения, электромагнитного состояния сети, предшествующего моменту однофазного замыкания [21, 24, 88]. В неоднородных разветвленных сетях ток переходного процесса вместе ОЗЗ представляет собой результирующий ток в виде суммы переходных токов всех присоединений сети. В неповрежденных присоединениях при однофазном замыкании токи нулевой последовательности в переходном режиме имеют вид быстро затухающих колебаний вблизи шин подстанций. Однако при удалении 21 места ОЗЗ от секции шин переходный процесс по виду стремится к апериодическому вследствие увеличения активных продольных сопротивлений линий [79]. Продолжительность переходного процесса не превышает 3-5 мс, а частота колебаний тока в переходном режиме вместе однофазного замыкания достигает нескольких кГц [39]. Переходные процессы в компенсированных сетях в условиях замыкания на землю имеют практически такой же характер, как ив сетях с изолированной нейтралью [1, 3]. Одним из признаков возникновения однофазного замыкания на землю в распределительной сети, определяемым по характеру переходного процесса является направление (знак) мгновенной мощности линии На поврежденном присоединении знак мощности волны, возникшей вместе ОЗЗ и распространяющейся от места замыкания к шинам подстанции - отрицательный. Вначале всех неповрежденных линий знак мгновенной мощности, которая направлена от секции шин подстанции в линию является положительным [58]. Данный метод контроля параметров переходного процесса был реализован при разработке направленных импульсных защит от ОЗЗ. Одними из наиболее распространенных защит являлись устройства типа ИЗС (ИЗС-М) и УЗС-01, разработанные ЭНИН [59, 88]. Однако анализ эксплуатационных данных устройств ИЗС выявил низкую селективность их действия по причине неправильной фиксации знака мощности. Это связано с искажением фазовых соотношений между током и напряжением, возникающих в момент однофазного замыкания на землю в отраженной от конца защищаемой линии волне [38]. Направленная волновая защита от однофазных замыканий на землю УЗС-01 представляет собой усовершенствованный аналог устройств направленной импульсной защиты воздушных линий 6-35 кВ типа ИЗС и ИЗС-М. Защита УЗС- 01 дополнительно снабжена фильтром, позволяющим ограничить верхние частоты входного сигнала и повысить чувствительность действия защиты [69]. Существуют и другие устройства защит от однофазных замыканий, реагирующие на параметры переходного процесса при ОЗЗ. Однако в отличии от 22 УСЗ-01 алгоритм их действия основан на определения направления мгновенной мощности нулевой последовательности с раздельной фиксацией начальных знаков тока и напряжения и предусматривающий их последующее логическое сравнение. Специально предусмотренная блокировка модулей памяти позволяет выполнять четкое определение начальных знаков тока и напряжения. Такими устройствами являются устройства КЗЗП Донецкого политехнического института и ПЗЗМ-1, разработанного предприятием «НТБЭ» г. Екатеринбург [16, 17]. К зарубежным устройствам, реализующим указанный принцип контроля направления мгновенной мощности в переходном режиме ОЗЗ, относится устройство типа «TRER» [90]. Существенным недостатком защиты от ОЗЗ, использующих в качестве рабочего сигнала направление мгновенной мощности в переходном процессе однофазного замыкания на землю является большое количество ложных срабатываний при коммутационных процессах, которые также сопровождаются переходными процессами. Ввиду того, что в переходном режиме и и i при коммутациях могут быть схожими с сигналами при ОЗЗ, возникает необходимость в отстройке от обычных коммутационных процессов, что на практике представляется трудновыполнимым. 1.3. Централизованные защиты В распределительных сетях 6-35 кВ применяются централизованные защиты от однофазных замыканий на землю, принцип действия которых основан на сравнении сигналов, характеризующих появление ОЗЗ в сети, поступающих сразу от нескольких отходящих от секции шин присоединений и выявлении на основании анализа сигналов поврежденной линии. При этом в качестве сигналов, контролируемых для целей защиты, используются средние, действующие и амплитудные значения токов нулевой последовательности установившихся, высших гармонических составляющих, переходных, наложенных с частотой, отличной выше и ниже промышленной. Централизованные защиты в зависимости 23 от вида используемых составляющих сравниваемых токов применяются в сетях с изолированной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтралью. Селективное действия централизованных защит от ОЗЗ может быть обеспечено при условии количества присоединений, отходящих от секции шин подстанции, не менее трёх при условии отсутствия в сети источников дополнительного наложенного тока [9]. В отличие от индивидуальных токовых защит, централизованные защиты от однофазных замыканий на землю, не требуется отстраивать от бросков собственных ёмкостных токов защищаемых присоединений, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и селективность их действия. Кроме того, в сравнении с направленными защитами централизованные более простыв наладке и обслуживании, что обуславливает значительно меньшие затраты на монтаж и эксплуатацию. В распределительных сетях 6-35 кВ централизованные защиты от замыканий на землю, использующие принцип относительного сравнения амплитуд токов нулевой последовательности защищаемых присоединений в аварийном режиме, реализованы на устройствах «Индикатор-1И» и «Индикатор- 2И» [70]. При этом эти устройства, функционирующие в режиме параллельно- дискретного (импульсного) сравнения, определяют амплитуды установившегося и переходного тока нулевой последовательности. Селективное действие защит «Индикатор-1И» и «Индикатор-2И» возможно при условии соотношения минимальной величины тока нулевой последовательности в повреждённом линии и максимальной величине тока нулевой последовательности в неповреждённой линии, которое должно быть больше единицы. Существуют централизованные защиты, определяющие линию с ОЗЗ по наибольшей амплитуде переходного тока, которая выявляется путём параллельного сравнения амплитуд переходных токов всех отходящих присоединений от секции шин. Отходящая линия с наибольшей амплитудой переходного тока нулевой последовательности фиксируется и запоминается устройством защиты на необходимое время. В случае, если мощность нулевой 24 последовательности направлена к месту ОЗЗ по присоединению с наибольшей амплитудой переходного тока, на выходе устройства защиты генерируется сигнал на отключение этой линии. Указанный алгоритм действия централизованной защиты реализован в устройстве типа СЗВИ [4, 9]. Широко известен принцип организации централизованной защиты от ОЗЗ на основе относительного замера высших гармоник, возникающих в токах нулевой последовательности отходящих от секции шин присоединений при однофазном замыкании на землю. Высшие гармонические составляющие суммируются в повреждённом присоединении, что позволяет создавать устройства защиты с высокой чувствительностью и селективностью действия [12, 88]. Принцип относительного замера высших гармоник тока нулевой последовательности был реализован на устройствах централизованной защиты от однофазных замыканий типа УСЗ-З и УСЗ-ЗМ [72]. Устройство УСЗ-ЗМ имеет в своем составе фильтр, обеспечивающий высокую степень подавления составляющих тока нулевой последовательности промышленной частоты, что позволяет применять это устройство защиты в компенсированных и сетях изолированной нейтралью. |