Направленная защита от замыканий на землю

Чувствительная направленная защита от замыкании на землю для сетей с изолированной нейтралью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Л. А. Заспанов, А. И. Зайцев

Селективная защита от замыкания на землю на полупроводниках
Селективная защита от замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью
Чувствительная защита от замыканий на землю на ТТНП с герконом
О защите от замыкания на землю в шахтных участковых сетях

О возможности применения индуктивного параметрона для осуществления земляной защиты компенсированных сетей

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Чувствительная направленная защита от замыкании на землю для сетей с изолированной нейтралью»

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Л. А. ЗАСПАНОВ, А. И. ЗАЙЦЕВ (Представлено научным семинаром электромеханического факультета)

Существующие защиты от замыканий на землю, применяемые в сетях с изолированной нейтралью, не удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям. Они или не обладают избирательностью действия, или слишком сложны и дороги или недостаточно чувствительны.

Совещание по вопросам защиты от замыканий на землю в системах с изолированной или компенсированной нейтралью, проходившее в мае 1959 г. в Москве, поставило задачу создать новые более совершенные защитные устройства. Поэтому в последние годы различивши организациями создан и испытывается целый ряд новых защит, более полно удовлетворяющих предъявляемым к нам требованиям. Несмотря на это, выбрать наиболее универсальное и полноценное устройство защиты от замыкания на землю для промышленного освоения и массового внедрения до настоящего времени не удалось [1].

В работу по созданию более совершенной защиты на землю включилась так же кафедра электрификации промышленных предприятий ТГ1И. Нами разработано простое и достаточно чувствительное реле селективной защиты от замыканий на землю (РСЗН), предназначенное1 для использования в кабельных сетях 0,23, 0,4, 3, б, 10 кв с изолированной нейтралью [2,3].

Реле РСЗН относится к устройствам направленного действия, работающим в установившемся режиме замыкания на землю и реагирующим на направление реактивной составляющей мощности нулевой последовательности.

Направленность реле достигается применением ключевой фазо-чувствительной схемы, собранной на полупроводниковых элементах.

Схема реле (рис. 1) состоит из одного каскада фазочувствитель-ного усилителя мощности, активно-емкостного фазовращательного моста и поляризованного реле, включенного на выходе усилителя.

В качестве фильтра тока нулевой последовательности используется кабельный трансформатор тока. Фильтром напряжения в низковольтных сетях служит трехфазный дроссель, в высоковольтных—пя~ тистержневой трансформатор напряжения.

При замыкании на землю фазы защищаемого фидера в цепи коллектора триода П возникает выпрямленный ток, величина которого зависит от сдвига фаз тока и напряжения нулевой последовательности, подводимых на триод. Для достижения максимального значения тока необходимо, изменяя сопротивление фазовращательного моста, повернуть вектор напряжения нулевой последовательности до совпадения по фазе с током нулевой последовательности.

При замыкании вне зоны защиты (на любом из остальных фидеров) направление тока нулевой последовательности изменится на 180 . триод „закроется» и ток в цепи коллектора протекать не будет.

Исполнительным органом защиты служит поляризованное реле, обмотка которого включена в цепь коллектора триода. Для сглаживания пульсаций обмотка реле шунтируется емкостью С2.

Для защиты триода от протекания больших токов нулевой последовательности при двойных замыканиях на землю в схему введен ста-биливольт D2 с токоограиичивающим сопротивлением R>.

II— плоскосгный триод П-26, Р — поляризованное реле РП-4 У172 2048, Дх — полупроводниковый диод Д7Б, Л2 — полупроводниковый стабиливольт Д-808, Рл—переменное сопротивление СП 1000 ом, /?2 — сопротивление 100 ом, С1 = С> — конденсатор емкостью 4 ткРу ■С.. — конденсатор емкостью — 10 ткР,

‘Г — трансформатор фазовращательного моста, се ч е ние железа 8,8 см2, провод ПЭВ 0 0,18, первичная обмотка — 1000 витков, вторичная обмотка = т.л = 315 витков. Чувствительность защиты зависит от типа кабельного трансформатора тока, причем для каждого типа трансформатора тока чувствительность может быть резко повышена, если увеличить число витков вторичной обмотки (рис. 2).

Максимальная величина тока, протекающего через реле, ограничивается выбранным напряжением вторичной обмотки трансформатора фазовращательного моста и сопротивлением обмотки реле.

II а р а метры эле м ентов ре л с1

Минимальные токи срабатывания защиты при применении в ка честве исполнительного реле поляризованного реле РП-4 с сопротив лением обмотки 4500 ом и питании защиты от различных трансформаторов тока приведены в таблице.

Гии трансформатора тока

УТТ-5 ТЗЛ ТЗ T3P ТЗЛ ТЗ

вторичная обмотка заводского исполнения 1 вторичная обмотка

250 витков 400 витков /

0,2 0,8 1,2 2,7 0,2 0,2

Ток срабатывания защиты ампер

Зимой 1962— 1963 гг. проведены испытания работы защиты в сетях 6 кв системы Томскэнерго. Действие защиты проверялось путем создания искусственных замыканий на землю в диапазоне токов на землю 1,1 ^ 18 ампер. Питание реле защиты осуществлялось от тран-

Г3/7 с 02 ^25ß$ur#ffg

сформаторов тока типа ТЗ. При токе на землю 1,1 ампера вторичная обмотка трансформатора тока ТЗ доматывалась до 180 витков. Во всех случаях защита реагировала, правильно указывая поврежденный фидер.

1. ОРГРЭС. Сигнализация замыканий на землю в компенсированных сетях. ГЭИ, 1962.

2. А. И. Зайцев, Л. А. 3 а с п а н о в. Селективная защита от замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. Известия ТПИ, том 97, 1959.

3. А. И Зайцев, Л. А. 3 а с и а н о в. Селективная защита от замыканий на землю на полупроводниках. Известия ТПИ, том 115, 1960.

Поступила в редакцию в мае 1962 г.

Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Уважаемые форумчане, не могу понять зачем данную защиту придумали, веть на каждом фидере установлен ТТНП который может действовать на отключение или на сигнал.

2 Ответ от stoyan 2013-02-24 23:09:49

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

В сетях с изолированной нейтралью селективность при ОЗЗ, при использовании ненаправленных защит обеспечивается только при определенных условиях.

3 Ответ от nigreckyl 2013-02-24 23:15:32 (2013-02-24 23:16:21 отредактировано nigreckyl)

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Можно по подробней, с физической точки зрения, что за определенные условия.

4 Ответ от stoyan 2013-02-24 23:23:30

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Использовать ненаправл. защит можно если емкостной ток самого длинного кабеля в сети меньше суммарного емкостного тока всей сети примерно в 2 — 3,5 раза, в зависимости от типа реле (ЭМ или МП) и имеется выдержка времени или нет.

5 Ответ от nigreckyl 2013-02-24 23:39:02

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Можете дать ссылку на нормативный документ регламентирующий выше сказанное.

6 Ответ от stoyan 2013-02-24 23:49:23

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Нас с вами руководствует разная нормативная база (хотя она вряд ли различается существенно). Почитайте в разделе сего форума «Защита от однофазных замыканий на землю».

7 Ответ от NeW_66 2013-02-26 07:47:55

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

Здравствуйте! В одной статье прочитал что при проверке направленной защиты ОЗЗ необходимо провести весьма ответственную операцию: фазировку цепей тока и напряжения. Следует убедиться в том, что полярность цепей тока и напряжения для каждого устройства защиты выдержана правильно и соответствующее устройство будет работать при ОЗЗ на защищаемом присоединении и не станет срабатывать при внешних ОЗЗ. Данная фазировка выполняется опытами искусственного ОЗЗ.

Кто занимался проверкой направленных ОЗЗ, как вы проверяете правильность подключения цепей тока и напряжения.

8 Ответ от grsl 2013-02-26 07:53:01

Re: Направленная защита от однофазных замыканих на землю в сетях 6-10 кВ

последние 14 лет, опытом ОЗЗ и только.
вот в эту пятницу будет 6 таких опытов: 4 линии, ввод и генератор.
компенсированая нейтраль.

Направленная защита от замыканий на землю

Езерский Владимир Георгиевич

Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю

Защитам от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях 6-35 кВ посвящено много публикаций [1,2,3,4]. От 80 до 90% случаев повреждений в сетях 6-35 кВ вызвано однофазными замыканиями на землю – ОЗЗ. В настоящее время для защиты от ОЗЗ используют серийно выпускаемые устройства типа ЗЗН, УСЗ-ЗМ и др., а также различные устройства единичного и мелкосерийного производства [1]. Опыт многолетней эксплуатации различных по принципу действия устройств защиты от ОЗЗ, а также анализ многочисленных публикаций по данной тематике [1, 2, 3,4 и др.] позволяет с уверенностью утверждать, что общепризнанного по селективности и надежности действия устройства релейной защиты от ОЗЗ для сетей с различными режимами заземления нейтрали в настоящее время не существует.

Как известно, в устройствах защиты от ОЗЗ для выявления аварийных анормальных режимов используются векторные и спектральные характеристики тока и напряжения нулевой последовательности 3 I ₀ и 3 U ₀ . Например, устройство ЗЗП-1 и его усовершенствованный вариант ЗЗН контролируют ток 3 I ₀ , напряжение 3 U ₀ и угол сдвига фаз между ними (направление мощности нулевой последовательности).

Однако эти и подобные устройства позволяют достоверно определить ОЗЗ только при устойчивом характере замыкания на землю. Если процесс ОЗЗ протекает нестабильно, то характеристики тока нулевой последовательности имеют неустойчивый, случайный характер, что часто приводит либо к несрабатыванию, либо к излишнему неселективному срабатыванию устройств защиты от ОЗЗ.

Направленная защита в сетях с изолированной нейтралью селективно срабатывает при металлических и устойчивых дуговых замыканиях. При наличии дугогасящих реакторов ДГР из-за подавления основной составляющей тока 3 I ₀ , направленная защита не действует, а при перекомпенсации такая защита действует заведомо неселектив-но. Поэтому на практике рекомендуется устанавливать режим недокомпенсации и использовать защиты с высокой чувствительностью по току 3 I ₀ основной гармоники

(3 I _{0 50} ). При перемежающихся дуговых замыканиях направленная защита либо не действует, либо срабатывает неселективно.

С помощью устройства сигнализации УСЗ-3М вручную поочередно определяют сумму высокочастотных составляющих тока 3 I ₀ в каждом фидере, отходящем от сборных шин КРУ. Метод измерения действующего значения суммы токов высших частот в токе 3 I ₀ (3 I _{0 ВЧ} ) и выявления поврежденного фидера по наибольшему значению 3 I _{0 ВЧ} , имеет весьма высокую достоверность. К недостаткам централизованного обще-секционного устройства УСЗ-ЗМ следует отнести:

– действие только при устойчивом ОЗЗ;

— значительные затраты времени на определения поврежденного фидера оператором.

Учитывая сказанное, при разработке селективно действующего устройства защиты от ОЗЗ для присоединений, отходящих от секций КРУ были поставлены следующие задачи:

1. Создать комбинированное устройство, сочетающее положительные свойства

направленной защиты от ОЗЗ, учитывающей ток основной частоты 50 Гц и защиты от ОЗЗ, использующей токи высших частот.

2. Повысить достоверность и автоматизировать процесс определения поврежденного присоединения с использованием высокочастотных составляющих тока 3 I ₀

3. Уменьшить вероятность излишнего действия направленной защиты

4. Обеспечить непрерывность действия устройства при устойчивых ОЗЗ

5. Обеспечить регистрацию одиночных и повторно-кратковременных ОЗЗ

В качестве направленной защиты в разработанном устройстве применена высо-кочувствительная защита от ОЗЗ, используемая в цифровых терминалах серии БМРЗ с начала их серийного выпуска в 1996.

В алгоритме этой защиты (обозначим её как Н₅₀) предусмотрено использование следующих величин:

— действующего значения основной гармоники тока нулевой последовательности 3 I ₀₅₀ , получаемого от стандартного ТТНП. Чувствительность по току 3 I _{0 50} этой защиты составляет 2 мА, что в зависимости от коэффициента трансформации ТТНП соответствует

50-70 мА в первичных значениях тока нулевой последовательности. Уставка по току 3 I ₀ в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса и наводок во вторичной цепи ТТНП. Действующее значение тока 3 I ₀₅₀ информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;

— действующего значения основной гармоники напряжения нулевой последовательности 3 U ₀ , получаемого от обмоток трансформатора

напряжения, соединенных в «разомкнутый» треугольник. Чувствительность по напряжению 3 U ₀ – 5 В, а устойчи-вость к перегрузке по напряжению 3 U ₀ –350 В длительно. Уставка по напряжению 3 U ₀ в данной защите используется прежде всего для отстройки от небаланса в цепях обмоток ТН. Действующее значение напряжения 3 U ₀ информативного значения для работы алгоритма направленной защиты не имеет;

— угла между векторами основных гармоник 3 I ₀ и 3 U ₀ , получаемого расчетным путем.

Направленная защита Н₅₀ в терминалах серии БМРЗ имеет зону срабатывания по углу между векторами 3 I ₀ и 3 U ₀ – (170 ± 5 0 ), а

направление зоны срабатывания определяется уставкой, изменяемой с шагом 1 0 в пределах от 0 0 до 360 0 . Фактор «угла максимальной чувствительности» в рассматриваемой защите отсутствует, так как её угловые характеристики не зависят от значений 3 I ₀ и 3 U ₀ . Минимальное время срабатывания защиты составляет – 40 мс, а наибольшая уставка срабатывания может быть задана равной 20 с.

Быстродействующая направленная защита Н₅₀ ,действующая на отключение, может использоваться при двойных однофазных замыканиях на линиях 10 кВ, отходящих от тяговых подстанций железных дорог. Особую опасность такое повреждение представляет, когда ток двойного замыкания может пройти по рельсу [ 4, 9 ] .

Защита Н₅₀ сохраняет свои свойства и в сетях с компенсированной нейтралью, когда ДГР настроен с «недокомпенсацией» и остаточная емкостная составляющая в токе 3 I ₀₅₀ при ОЗЗ превышает чувствительность защиты, равную 3 мА.

Известно, что рассматриваемый алгоритм Н₅₀ может срабатывать излишне (неселективно) при:

— ОЗЗ в сетях с перекомпенсацией;

— перемежающихся (прерывистых) дуговых ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью.

Для устранения излишних отключений не следует допускать работу сетей в режиме перекомпенсации, а при возникновении неустойчивых дуговых замыканий следует блокировать работу алгоритма Н ₅₀. Однако в любом случае чувствительный орган защиты от ОЗЗ по 3 U ₀ может работать на сигнализацию.

Поэтому в комбинированной защите от ОЗЗ помимо алгоритма направленной защиты Н ₅₀ применен алгоритм ТЗ _вч, обеспечивающий контроль «свободных» составляющих, присутствующих в спектре тока 3 I ₀ при ОЗЗ – 3 I _0вч .

В качестве пускового органа в данном алгоритме используется пороговый эле-мент 3 U ₀ , имеющий уставку по напряжению от 10 В и время срабатывания от 40 мс.

После срабатывания пускового органа значение тока 3 I _0ВЧ записывается в память устройства и может использоваться для:

— проведения измерений, выполняемых по принципу, использованному в устройстве типа УСЗ-3М, с передачей информации по каналу связи и последующего отключения поврежденного фидера по команде из АСУ;

— селективного отключения поврежденного присоединения при использовании в алгоритме специальной времятоковой характеристики. Обратнозависимые характеристики типа RXIDG , используемые в устройствах фирмы АВВ [2,5] не имеют рекомендаций и методик по выбору уставок срабатывания.

В алгоритме ТЗ_ВЧ применена характеристика изображенная на рис. 1. Алгоритм, использующего предложенную характеристику, работает следующим образом. Предва-рительно на всех защитах, установленных на присоединениях секций КРУ, устанавливают одинаковые уставки. При возникновении ОЗЗ значения токов во всех неповрежденных присоединениях находятся в диапазоне от 0 до 3 I _{0ВЧ MAX} (см. рис.1), а время срабатывания ТЗ _ВЧ составляет Т _MAX . Через поврежденное присоединение протекает суммарный ток всех неповрежденных присоединений, что

Рис. 1 Время срабатывания ТЗ _ВЧ в зависимости от значения тока 3 I _0ВЧ

на характеристике соответствует участку от 3 I _{0ВЧ MAX} до ∑ 3 I _0ВЧ , а время срабатывания находится в диапазоне от Т _MAX до Т _MIN (см. рис. 1). После срабатывания защиты на поврежденном присоединении произойдет возврат защит на остальных присоединениях. Если защита действует не на отключение, а на сигнализацию, необходимо групповое устройство сигнализации, фиксирующее первое по времени срабатывание.

При задании уставок для алгоритма, использующего рассматриваемую характеристику, следует учитывать нестабильность параметров

3 I ₀ , особенно для сетей с компенсированной нейтралью. Согласно отдельным публикациям [6, 7], емкостные токи могут изменяться в несколько раз в течение дня.

Рассмотренные алгоритмы Н₅₀ и ТЗ_ВЧ объединяются в комбинированном устройстве защиты от ОЗЗ (рис. 2), причем выбор первого или второго алгоритма c проиcходит автоматически в зависимости от характера замыкания.

Рис. 2 Функциональная схема комбинированной защиты от ОЗЗ

При устойчивых замыканиях, в том числе и дуговых, действует алгоритм направленной защиты Н₅₀ . При неустойчивых дуговых ОЗЗ действует токовая защита ТЗ_ВЧ .

Пуск одного из двух алгоритмов защиты от ОЗЗ осуществляется по результату спектрального анализа тока 3 I ₀ в начальной стадии замыкания, определяющего его коэффициент синусоидальности К_с по формуле:

При кратковременных пробоях и дуговых прерывистых ОЗЗ значение К_с приближается к нулю. Для устойчивых металлических замыканий значение К_с стремится к ∞ .Поэтому коэффициент синусоидальности тока 3 I ₀ может рассматриваться как простой и понятный признак устойчивости / неустойчивости ОЗЗ.

Для практического использования коэффициента К_с в качестве условия выбора одного из двух алгоритмов, в комбинированном алгоритме защиты от ОЗЗ предусмотрено задание уставки К _сп, выбираемой из диапазона значений от 0,2 до 1,0.

При К_с > К_СП активизируется алгоритм направленной защиты Н₅₀, контролирующий направление мощности нулевой последовательности. При К_с < К_СП. алгоритм защиты Н₅₀ блокируется и активизируется алгоритм защиты ТЗ_ВЧ. Предусмотрено действие обоих алгоритмов как на отключение, так и на сигнализацию.

Благодаря встроенному осциллографу, регистратору аварийных событий и регистратору кратковременных замыканий, обеспечена возможность корректировки уставок защиты на основе статистического анализа. Такой подход к определению уставок для защит от ОЗЗ в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью более эффективен, чем расчетные методы. Кроме этого, массовое использование такого устройства позволит собрать и обобщить статистические данные, полезные для оценки работ других защит от ОЗЗ.

Как и во всех разработках НТЦ «Механотроника», пользователю обеспечены все сервисные возможности современного цифрового устройства РЗА. Дополнительно предусмотрена сигнализация каждого вида ОЗЗ. Комбинированная защита от ОЗЗ входит составной частью в многофункциональное устройство защиты отходящих линий типа БМРЗ-КЛ.

1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.:НТФ «Энергопрогресс». //Приложение к журналу, «Энергетик», выпуск 11(35) 2001, 102 с.

2. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. СПб, ПЭИПК.

3. Кискачи В.В. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях напряжением 6-10 кВ с различным режимом заземления нейтрали типа ЗЗН.// Учебно-методическое пособие ИПКГС, 2001 г.

4. Шабад М.А. Автоматизация распределительных электрических сетей с использо-ванием цифровых реле. ПЭИПК, СПб, 2004 г.

5. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. СПб,. ПЭИПК, 2003 г.

6. Миронов И.А. Автоматические устройства настройки компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях СН электростанций. Особенности настройки РЗ в сетях СН электростанций с различными способами заземления нейтрали.// Сборник докладов технического семинара в ОРГРЭС, стр. 43-50, 2004 г.

7. Протоколы опытов ОЗЗ на подстанциях 110/10 кВ. АО «Ленэнерго», 1997, 2000 г.г.

8. Борухман В.А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятия по их совершенствованию.// «Энергетик», 2000 г., №1 стр.20-22

9. Головко С.И. О снижении аварийности в компенсированных сетях напряжением б- 35 кВ с помощью земляных защит с действием на отключение // Релейщик, №3, 2022 С. 10

Публикацию подготовил О.Г. Захаров. 2012-09-07, правка 2022-12-29

Направленная защита от замыканий на землю

Области использования
В [1] автор определил свою позицию по области применения ненаправленных токовых защит от замыканий на землю: это кабельные сети со значительным числом присоединений к каждой секции, причем каждое из этих присоединений характеризуется относительно малым емкостным током. Такой случай характерен, например, для внутризаводских сетей 6–10 кВ. Использование заземляющих резисторов существенно расширяет возможности эффективного использования ненаправленных токовых защит в таких сетях даже при наличии в сети дугогасящего реактора.
Сети с воздушными ЛЭП характеризуются тем, что при обрыве провода с падением его на землю однофазные замыкания (ОЗЗ) часто сопровождаются большими переходными сопротивлениями в месте повреждения [2]. В этом случае ток замыкания определяется не только значением сопротивления заземляющего резистора, а в первую очередь значением переходного сопротивления. Ненаправленные токовые защиты становятся неэффективными – они перестают чувствовать повреждение уже при переходных сопротивлениях порядка нескольких сотен ом. Если в сети отсутствуют дугогасящие реакторы, то в рассматриваемом случае, по мнению автора, наиболее эффективны направленные защиты, реагирующие на токи и напряжения промышленной частоты.
Направленные защиты могут быть полезны также при защите ответственных синхронных двигателей, генераторов и некоторых других силовых элементов [3].
Однако при рассмотрении этого класса защит возникает существенная трудность: известно значительное количество разновидностей защит от ОЗЗ, отличающихся принципом действия и основными характеристиками, но до сих пор отсутствует (по крайней мере, в отечественной литературе) какая бы то ни было классификация разновидностей защит внутри класса «направленные защиты от ОЗЗ». Ниже под направленными защитами от ОЗЗ будем понимать такие, которые реагируют на ток, напряжение нулевой последовательности и фазовый угол между ними.

Особенности применения защит в резистивно-заземленных сетях
Пока в сетях не появились заземляющие резисторы, отсутствие данных, например, по фазовым характеристикам защит, не являлось проблемой. При любом ОЗЗ ток в защите был сдвинут по углу относительно напряжения нулевой последовательности примерно на 90 электрических градусов либо в сторону опережения, либо в сторону отставания. Для проектирования защиты достаточно было знать, как она ведет себя в этих двух случаях.
При установке же в сетях заземляющих резисторов угол тока нулевой последовательности в защите поврежденной линии может изменяться в широких пределах. При этом в значительном диапазоне может изменяться и рабочий сигнал, а с ним – чувствительность защиты. В разных типах защит это происходит неодинаково, но в доступных специалистам источниках изготовители часто не приводят информацию о виде «фазовой характеристики» конкретного устройства и зависимости рабочего сигнала от значения переходного сопротивления в месте ОЗЗ (т.е. от значения подведенного к защите напряжения нулевой последовательности). А без этой информации защиту невозможно грамотно спроектировать.
На рис. 1 приведена схема сети, на примере которой рассмотрим некоторые особенности направленных токовых защит в сетях с резистивным заземлением нейтрали. На рис. 2 показано токораспределение при ОЗЗ в рассматриваемой сети. Силовой питающий трансформатор на схеме замещения не приведен.

Влияние переходного сопротивления на величины и фазы токов
Первый вопрос, который обычно возникает при анализе поведения направленных защит: как влияет переходное сопротивление в месте ОЗЗ на величины и фазы токов, ощущаемых установленными в сети защитами?
В [4] было показано, что это сопротивление может оказать значительное влияние на выбор уставок защиты, реагирующей на напряжение нулевой последовательности.
Рассмотрим влияние переходного сопротивления на примере схемы по рис. 2, где эквивалентное сопротивление всей сети определится следующим образом:
(1)
где C_i – суммарная емкость трех фаз i-го элемента схемы;
n – общее число элементов.

Tок в месте замыкания на землю равен:
(2)
где напряжение повредившейся фазы до ОЗЗ;
R_П – переходное сопротивление в месте ОЗЗ.

Как видно из рис. 3, появление переходного сопротивления в месте ОЗЗ приводит к уменьшению напряжения нулевой последовательности на сборных шинах и тока промышленной частоты, протекающего в месте ОЗЗ, по сравнению с металлическим замыканием, поскольку R_П оказывается последовательно включенным с эквивалентным сопротивлением сети . В [5] степень снижения напряжения нулевой последовательности по сравнению с металлическим ОЗЗ рекомендуется характеризовать коэффициентом полноты замыкания . Его предлагается определять по следующему выражению:
(3)
где R_П — переходное сопротивление в месте ЗНЗ;
С – суммарная емкость одной фазы сети;
– комплексное сопротивление, через которое заземляется нейтраль;
R_ИЗ – сопротивление фазной изоляции.

При больших значениях переходного сопротивления в месте ОЗЗ (порядка одного или нескольких килоом, что вполне реально на воздушных ЛЭП), ток, протекающий через защиту поврежденной линии, сильно уменьшится, что может привести к ее отказу в срабатывании. В первую очередь это относится к ненаправленным токовым защитам, имеющим довольно высокий ток срабатывания, с запасом отстроенный от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.
Направленная токовая защита нулевой последовательности обычно гораздо чувствительнее ненаправленной, поскольку её ток срабатывания отстраивается не от собственного емкостного тока линии, а лишь от тока небаланса. Однако при возникновении больших переходных сопротивлений в месте ОЗЗ характеристики некоторых разновидностей защиты могут стать вначале нестабильными из-за снижения напряжения нулевой последовательности (сужается область срабатывания), а затем защита и вовсе откажет.
Величину напряжения основной гармоники нулевой последовательности на шинах при ОЗЗ через переходное сопротивление можно определить как

(4)
Из (4) видно, что с ростом переходного сопротивления уменьшается величина и изменяется фаза напряжения нулевой последовательности относительно фазного напряжения . А поскольку является источником токов нулевой последовательности в неповрежденных линиях и в цепи заземляющего резистора, то одновременно с ним уменьшаются и токи нулевой последовательности в этих присоединениях.

Рис. 2
Токораспределение при ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора
С₁, С₂, С₃ – суммарные емкости относительно земли трех фаз линий Л-1, Л-2, Л-3 соответственно;
R – сопротивление заземляющего резистора;
R_П – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;
– фазная ЭДС в месте ОЗЗ.

Рис. 3
Расчетная схема при появлении переходного сопротивления в месте ОЗЗ

Отношение напряжения нулевой последовательности на шинах к току нулевой последовательности в любом из присоединений равняется сопротивлению данного присоединения токам нулевой последовательности. Поскольку сопротивления емкостей и заземляющего резистора в процессе ОЗЗ не меняются, то при изменении величины переходного сопротивления останутся неизменными как углы между и каждого присоединения по соответствующей синусоидальной составляющей сигнала, так и отношение

а также обратное отношение этих величин. Отсюда ясно, что фаза тока в любой неповрежденной линии относительно напряжения не зависит от переходного сопротивления R_П . Ток в поврежденной линии равен сумме токов резистора и неповрежденных присоединений, значит, и он не меняет своего угла относительно .
На основании описанного можно заключить, что при изменении переходного сопротивления области срабатывания направленных токовых защит нулевой последовательности не изменятся.
Описанная закономерность может измениться, если на сборных шинах будут установлены ограничители перенапряжений или разрядники, срабатывающие при ОЗЗ. Однако такой выбор характеристик ОПН, очевидно, следует считать неправильным, т.к. это приведет к их быстрому выходу из строя при ОЗЗ.
Необходимо отметить, что при очень малых значениях сигналов даже направленная защита все-таки работать не будет. Это обусловлено тем, что для отстройки от небалансов должны быть предусмотрены пусковые органы по току и напряжению нулевой последовательности.

Рис. 4
Фазовая характеристика защиты от ОЗЗ

Рис. 5
Фазовые характеристики защиты

Изменения фазовых соотношений сигналов
Второй вопрос звучит следующим образом: как изменяются фазовые соотношения сигналов в направленных защитах при изменении места расположения точки ОЗЗ и режима сети?
Из рис. 2 видно, что ток , ощущаемый защитой поврежденного присоединения, равен

т.е. меньше суммарного тока на величину емкостного тока поврежденной линии. Если сопротивление резистора выбрано таким образом, что в нормальном режиме сети активный ток резистора равен полному емкостному току сети, т.е. , где I_CΣ=I_R , то угол тока по отношению к напряжению близок к 45 электрическим градусам (он может несколько отличаться от 45 градусов, например, из-за активных токов утечки по изоляции). Не будем пока рассматривать вопрос относительно того, опережающий это угол или отстающий, поскольку у специалистов нет единого мнения по этому поводу. Рассмотрим этот вопрос подробнее в следующей статье.
В случае если поврежденная линия Л-1 имеет малую длину и небольшой по сравнению с емкостный ток, угол тока по отношению к будет близок к 45 электрическим градусам. Если же емкостный ток линии Л-1 близок в рассматриваемом режиме к суммарному емкостному току сети , то угол тока по отношению к напряжению близок к 0 электрических градусов. Возможны и промежуточные случаи, т.е. при I_CΣ=I_R угол тока в защите поврежденной линии может изменяться в пределах от 45 до 0 электрических градусов относительно напряжения . Если , то диапазон изменения соответствующего угла изменится.
Фазовый угол тока в защите неповрежденной линии не зависит от тока заземляющего резистора и остается практически неизменным при любых внешних ОЗЗ.
На рис. 4 приведена одна из фазовых характеристик защиты, описанной в [6]. По вертикальной оси отложен параметр срабатывания (в рассматриваемом случае – ток I_З1 или ток в защите неповрежденной линии), по горизонтальной – фазовый угол между током и напряжением . Минимальному току срабатывания соответствует «характеристический угол» φ_хар .
Видно, что при изменении фазового угла между током и напряжением в пределах от –45 до 0 электрических градусов ток срабатывания защиты может сильно изменяться.
Если ток срабатывания защиты в точке А, соответствующей характеристическому углу φ_хар (равному, например, –45 электрическим градусам), обозначить через I_СЗ.MIN , то при нулевом угле между током и напряжением ток срабатывания может увеличиться относительно I_СЗ.MIN в несколько раз.
В результате при отстройке I_СЗ.MIN от небаланса получаем значительное загрубление защиты при отклонении от характеристического угла φ_хар . Если этого не учесть при проектировании, защита может отказать при повреждении на защищаемой линии.
Из рассмотренного случая очевидно, что характеристику по рис. 4 в резистивно-заземленных сетях целесообразно использовать при φ_хар=0 , т.е. настроить защиту на активный ток нулевой последовательности, протекающий в место ОЗЗ от заземляющего резистора. При этом емкостные токи, протекающие по защите, практически не будут оказывать влияния на ее поведение. Защита, реагирующая только на активную составляющую тока нулевой последовательности, будет по определению обладать высокой селективностью в таких сетях.
При установке характеристического угла φ_хар≠0 отмеченную на рис. 4 особенность необходимо учитывать при проектировании защиты. Подробнее об этом будет сказано в следующих статьях.
На рис. 5 показаны более эффективные фазовые характеристики направленных защит от ОЗЗ. Такие характеристики имеют защиты УЗЛ-2 (производства Новосибирского государственного технического университета), ЗЗН (производства ЧЭАЗ), второго варианта микропроцессорного терминала Sepam 1000+ серии 40 Merlin Gerin (фирма Schneider Electric) и т.д.
У рассматриваемых устройств отклонение тока от характеристического угла φ_хар , соответствующего середине зоны срабатывания, не приводит к заметному увеличению тока срабатывания. Однако при появлении переходного сопротивления в месте ОЗЗ в некоторых защитах, имеющих характеристики по рис. 5, происходит сужение зоны срабатывания, а при низких абсолютных значениях коэффициента полноты замыкания b—, определяемого в соответствии с (3), может увеличиться I_СЗ.MIN , в результате чего характеристика «приподнимется». На рис. 5 зависимость 1 соответствует металлическому ОЗЗ, 2 – появлению определенного переходного сопротивления, а 3 – значительному по величине переходному сопротивлению, большему, чем в случае 2.

• классические направленные токовые;
• направленные с «ненулевой» уставкой по мощности срабатывания;
• фазочувствительные;
• дифференциальные.

• «классические» направленные токовые первого типа (имеющие характеристики в соответствии с рис. 5);
• направленные второго типа (их характеристики соответствуют рис. 4);
• с компенсацией собственного емкостного тока защищаемого присоединения (описанные, например, в [7] применительно к защите синхронных генераторов);
• реагирующие на сопротивление цепей нулевой последовательности [8, 9, 10];
• реагирующие на проводимость цепей нулевой последовательности [8, 9, 10].
• использующие в своем алгоритме интеграл или другие подобные преобразования [11];
• защиты с токовым поляризующим сигналом (например, использующие вместо напряжения ток в цепи заземляющего резистора [12, 13];
• централизованные направленные защиты [5] и т.д.

• реле типа ЗЗН и БЭМП производства «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары);
• микропроцессорное устройство БМРЗ «НТЦ Механотроника»
• (г. Санкт-Петербург);
• реле защиты типа ЗЕРО, производимое компанией «Объединенная энергия» (г. Москва),
• терминал защиты SEPAM типа S41 (код ANSI 67N/67NC) фирмы Schneider Electric и аналогичный терминал серии 80;
• защиты серии MiCOM моделей Р141, Р142 и Р143 фирмы AREVA;
• защиты серии SPACOM, например, SPAC-800 фирмы «АББ Реле-Чебоксары»;
• микропроцессорные терминалы SIPROTEC 7SJ62 и 7SJ63 фирмы SIEMENS;
• защита нулевой последовательности типа УЗЛ-2 совместного производства Новосибирского государственного технического университета и ООО «ПНП БОЛИД» (г. Новосибирск) и т.д.

• 1. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 5 (35).
• 2. Шалин А.И. Замыкания на землю в линиях электропередачи 6–35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1 (31).
• 3. Кискачи В.В. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях напряжением 6–10 кВ с различным режимом заземления нейтрали типа ЗЗН. – М.: ИПКгосслужбы, 2001. – 63 с.
• 4. Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Пример расчета уставок // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).
• 5. Бухтояров В.Ф., Маврицын А.М. Защита от замыканий на землю электроустановок карьеров. – М.: Недра, 1986. – 184 с.
• 6. Защита электрических сетей. Sepam 1000+ серии 40. Merlin Gerin. Руководство по установке и применению. Материалы фирмы Schneider Electric.
• 7. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 256 с.
• 8. Шалин А.И., Политов Е.Н. Защита от замыканий на землю, реагирующая на сопротивление и проводимость цепи нулевой последовательности / Электроэнергетика. Сборник научных трудов. Часть 1. Новосибирск, НГТУ, 2002. – С. 72–82.
• 9. Шалин А.И., Политов Е.Н. Исследование характеристик дистанционных алгоритмов в защите от замыканий на землю / Избранные труды НГТУ – 2004. Новосибирск, изд-во НГТУ, 2004. – С. 4–17.
• 10. Jeff Roberts, Dr. Hector J. Altuve, and Dr. Daqing Hou. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded and compensated distribution systems. Http/www Selcom. 10.11.2003.
• 11. Шалин А.И., Политов Е.Н. Анализ характеристик направленных защит от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ / Энергетика: экология, надежность, безопасность. Материалы докладов восьмой всероссийской научно-технической конференции. – Томск: изд-во ТПУ, 2002. – Том 2. – С. 35–39.
• 12. Шалин А.И., Хабаров А.М. Защита от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ, реагирующая на отношение тока в резисторе к току в линии / Материалы докладов девятой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск, изд-во Томского политехнического университета, 2003. – Том 1. – С. 117–120.
• 13. Jeff Roberts, Dr. Daqing Hou, Fernando Calero, Dr. Hector J. Altuve. New directional grounf-fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks. (www.selinc.com, 10.01.02.)
• 14. Шалин А.И., Хабаров А.М., Кондранина Е.А. Поперечная дифференциальная направленная защита нулевой последовательности от замыканий на землю в сети 35 кВ / Материалы докладов одиннадцатой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск: изд-во ТПУ, 2005. – С.168–170.