Ивановский государственный энергетический университет ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРИ ДУГОВЫХ ПРЕРЫВИСТЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-10 кВ В.А. ШУИН, О.А. САРБЕЕВА, Е.С. ЧУГРОВА

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) являются преобладающим видом повреждений в электрических сетях среднего напряжения (в России – кВ) и часто являются первопричи- ной аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом. Кабельные и воздушные сети напряжением 6–10 кВ составляют основу распределитель- ных электрических сетей среднего напряже- ния и имеют протяжённость более 1 млн. км.

В электрических сетях 6 – 10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, с заземлением нейтрали через резистор и, реже, в компенсированных сетях, в качестве защиты от ОЗЗ, как правило, применяются токовые защиты нулевой последо- вательности (ТЗНП), основанные на исполь- зовании составляющих промышленной частоты. Существенное влияние на устойчивость функци- онирования ТЗНП оказывают токи переходных процессов при пробое изоляции, достигающие наи- больших значений при дуговых перемежающихся повреждениях.

Дуговое прерывистое ОЗЗ При дуговых прерывистых ОЗЗ амплитуда переходных токов нулевой последовательности в кабельных сетях 6-10 кВ может достигать сотен и даже тысяч Ампер, эффективное значение пере- ходного тока может в десятки раз превышать эффективное значение установившегося тока ОЗЗ.

Влияние токов электромагнитных переходных процессов на функционирование ТЗНП учитывается при выборе тока срабатывания I 0 с.з. : Значение К пер зависит от принципа выполнения (алгоритма функционирования) измерительного органа тока (ИОТ) ТЗНП и по существующим методикам принимается для ИОТ, выполненных на электромеханической базе 4-5 (Сирота И.М.), для ИОТ на электронной и микропроцессорной базе – 2-3. Постановка задачи

Эффективность срабатываний ТЗНП при внутренних ОЗЗ оценивается коэффициентом чувствительности: В (2) I С собс – собственный емкостный ток защи- щаемого присоединения, I С – суммарный емкостный ток сети; К отс = 1,2 – коэффициент отстройки; К ч.мин = 1,2-2,0 – коэффициент чувствительности.

Условие применимости ТЗНП в сетях изолированной нейтралью: Для сети с высокоомным заземлением ней- трали через резистор условия применимости ТЗНП: Из (2) – (4) следует, что при больших значениях коэффициента К пер чувствительность защиты и область ее применимости значительно умень- шаются.

Цель и задачи исследований Цель работы – исследование и оценка влияния электромагнитных переходных процессов при дуговых прерывистых ОЗЗ на функционирование различных исполнений ТЗНП для уточнения методики выбора тока срабатывания и области применения защиты в электрических сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, с высокоомным заземлением нейтрали через резистор и с резонансным заземлением нейтрали через ДГР.

Метод исследований Для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП использовался метод физико-математического имитационного модели- рования с применением системы моделирования Matlab и программно-аппаратного комплекса типа РЕТОМ.

Модель электрической сети 6-10 кВ для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП

Расчетные условия для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ электрическая сеть 6-10 кВ содержит только кабельные линии (КЛ); I С 20 А при U ном = 10 кВ и I С 30 А при U ном = 6 кВ; I С собс не меньше 25-30% от значения I С ; максимальная длина КЛ не превышает 6-8 км при сечении жил мм 2 ; ОЗЗ металлическое на шинах защищаемого объекта; время затухания свободных составляющих в токах переходного процесса при ОЗЗ 3-5 мс; дуговое перемежающееся ОЗЗ имеет характер, соответствующий модели Петерсена или модели Петерса и Слепяна; при ОЗЗ по модели Петерсена гашение дуги происходит не при первом, а при последнем переходе через нуль среднечастотной составляющей тока переходного процесса; в ТЗНП используется наиболее распространенный тип ТТНП ТЗЛМ с неразъемным сердечником.

Тестовые сигналы для исследования динамических режимов функционирования различных исполнений ТЗНП Для приведенных выше расчетных условий на математической модели сети (рис. 2) получены тестовые сигналы для исследования динамических режимов функционирования ТЗНП, выполненной с применением наиболее часто используемых в качестве ИОТ типов реле: электромагнитных реле типа РТ- 40/0,2 и РТ-40/0,6, электронного реле типа РТЗ-50, микроэлектронного реле РТЗ-51, некоторых исполнений микропроцессорных защит. Полученные методом математического моделирования тестовые сигналы преобразовывались в тестовые сигналы в COMTRADE-формате.

Примеры тестовых сигналов для исследования динамических режимов работы ТЗНП а) б) а) дуговое перемежающееся ОЗЗ по модели Петерсена; б) дуговое перемежающееся ОЗЗ по модели Петерса и Слепяна

Эквивалентирование тестовых сигналов а) исходный тестовый сигнал; б) эквивалентный тестовый сигнал а) б)

Параметры тестовых сигналов Тип ИОТ ТЗНП I 0 c.з. мин, А I C собс, А I m пер., А Т затух., мс Модель дугового ОЗЗ Эфф. значение тока 3i 0. А Длит. тест. сигн., с Реле РТ-40/0,2 (параллельное соединение обмоток) 9, Петерсен а 1351 Реле РТ-40/0,6 (параллельное соединение обмоток) 9, Петерсен а 1351 Реле РТ-40/0,6 (последовательное соединение обмоток) 54,27805 Петерсен а 1071 РТЗ-50 (диапазон уставок d) 3,12,66705 Петерсен а 801 РТЗ-51 0,780, Петерсена Петерса и Слепяна 551

Методика определения коэффициента К пер Осциллограммы работы ТЗНП с ИОТ на базе электромеханического реле типа РТ-40/0,6 при К пер = 1

Осциллограммы работы ТЗНП с ИОТ на базе электромеханического реле типа РТ-40/0,6 при К пер = 1,8

Результаты исследований для сетей 6-10 кВ с изолированной нейтралью Тип ИОТ ТЗНП Значения К пер По существующей методике расчета Полученные на основе исследований Реле РТ-40/0,2 (параллельное соединение обмоток) Реле РТ-40/0,2 (последовательное соединение обмоток) Реле РТ-40/0,6 (параллельное соединение обмоток) Реле РТ-40/0,6 (последовательное соединение обмоток РТЗ-50 (диапазон уставок d)3-3,5 2 РТЗ-512-2,5 1

Влияние режима заземления нейтрали на функционирование ТЗНП при дуговых прерывистых ОЗЗ Тип ИОТ ТЗНП Значения К пер Изолированна я нейтраль Высокоомное заземление нейтрали Резонансное заземление нейтрали Реле РТ-40/0,2 (параллельное соединение обмоток) 1 < 1 Реле РТ-40/0,2 (последовательное соединение обмоток) 1 < 1 Реле РТ-40/0,6 (параллельное соединение обмоток) 2 1,5 1 Реле РТ-40/0,6 (последовательное соединение обмоток 2 1,5 1 РТЗ-50 (диапазон уставок d) 2 1,65 1 РТЗ

1. Рекомендуемые существующими методиками расчета уставок ТЗНП электрических сетей 6-10 кВ значения коэффициента К пер (К бр ), учитывающего влияние электромагнитных переходных процессов на функционирование защиты при дуговых прерывистых ОЗЗ, завышены, что приводит к значительному снижению чувствительности при устойчивых повреждениях и ограничению области применения ТЗНП. 2. На основе проведенных методом физико-мате- матического моделирования исследований динами- ческих режимов функционирования различных исполнений ТЗНП показано, что значения коэф- фициента К пер для различных исполнений ТЗНП могут быть уменьшены в 1,5-3,0 раза.Выводы

3. В электрических сетях, работающих с высокоомным заземлением нейтрали через резистор или с резонан- сным заземлением нейтрали через ДГР значения К пер могут быть существенно уменьшены. 4. С увеличением отстроенности от внешних дуговых прерывистых ОЗЗ эффективность функционирования ТЗНП при внутренних дуговых прерывистых повреж- дениях уменьшается. Все исполнения ТЗНП при внутренних дуговых прерывистых ОЗЗ имеют ограниченную работоспособность.

5. Проведенные исследования показали, что различные исполнения измерительных органов тока ТЗНП обеспечивают различную эффективность функциониро- вания при дуговых прерывистых ОЗЗ (отстроенность от внешних ОЗЗ и чувствительность при внутренних ОЗЗ), зависящую от алгоритма формирования воздействующей величины и способа сравнения ее с уставкой. 6. Разработанная методика исследований динамических режимов функционирования ТЗНП и банк тестовых сигналов могут быть применены для поиска наиболее эффективных алгоритмов функционирования микро- процессорных исполнений ТЗНП (функций защиты 50N/51N) для электрических сетей среднего напряжения.