В результате успешной реализации научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы в составе программы инновационного развития ОАО «Тюменьэнерго» в 2012 году разработано инновационное устройство селективной защиты от замыкания на землю «ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01), не имеющее аналогов на российском рынке. Разработка компании признана лучшей в номинации «Проект года» в рамках первой национальной премии в области электроэнергетики «Золотой киловатт 2012».
Причиной разработки инновационного устройства послужила существовавшая долгое время проблема поиска однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в распределительных электрических сетях 6-35 кВ независимо от режима заземления их нейтрали. Для электрических сетей с изолированной нейтралью, в которых преимущественно работают нефтегазодобывающие предприятия, надежное определение находящейся под напряжением линии, где произошло ОЗЗ, до разработки устройства ИЗН-01, не представлялось возможным. В последние годы эта проблема стала еще более острой в крупных мегаполисах, где даже кратковременное ОЗЗ может привести к человеческим жертвам и повреждению оборудования.
Обеспечение надежной работы распределительных сетей 6-35 кВ требует широкого применения селективных защит от ОЗЗ. Электрические сети 6-35 кВ могут иметь различные конфигурацию и режимы заземления нейтрали (изолированная, заземленная через дугогасящий реактор (ДГР) и резистивно заземленная), что предъявляет к защитам от ОЗЗ ряд весьма жестких требований в части обеспечения:
- высокой чувствительности и 100% селективности независимо от конфигурации сети и от режима заземления нейтрали электрической сети с воздушными, кабельными и смешанными линиями;
- селективности, как при устойчивых, так и неустойчивых замыканиях;
- надежности при многократно повторяющихся (перемежающихся) замыканиях;
- действия на сигнал или на отключение, с возможностью передачи информации о срабатывании на верхний уровень автоматизированных систем управления (АСУ) по каналам связи;
- возможности проверки защиты под нагрузкой.
Выполнение данных требований сталкивается с существенными трудностями. Так, вследствие имеющейся вероятности формирования низкого уровня токов ОЗЗ (до сотых долей ампера) могут не удовлетворяться требования по чувствительности в сетях с изолированной нейтралью, особенно при замыканиях через переходное сопротивление. Компенсация тока ОЗЗ в сети с помощью ДГР способна снизить уровень токов ОЗЗ промышленной частоты практически до нуля. Использование токов установившегося режима затруднено и при многократно повторяющихся замыканиях. Все это свидетельствует о сложности организации защиты от ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с обеспечением необходимой селективности и чувствительности. Удовлетворению требований по селективности при устойчивых и неустойчивых ОЗЗ способствует применение быстродействующих алгоритмов, реагирующих, в частности, на переходные токи и напряжения [1]. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют защиты, реагирующие на направление распространения волн переходного процесса, возникающего при ОЗЗ [2, 3]. Использование данного принципа определяет независимость функционирования защиты от режима заземления нейтрали и конфигурации сети, а также обеспечивает способность ее работы, как при устойчивых, так и при неустойчивых замыканиях.
Требование по селективной работе при устойчивых и неустойчивых ОЗЗ требует применение быстродействующих алгоритмов, реагирующих на переходные токи и напряжения [1]. Вышеперечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют защиты, реагирующие на переходный процесс [2, 3]. В данном случае защиты осуществляют контроль за направлением распространения волн переходного процесса, возникающего при ОЗЗ. Использование данного принципа определяет независимость функционирования защиты от режима заземления нейтрали и конфигурации сети, а также обеспечивает способность работы, как при устойчивых, так и при неустойчивых замыканиях.
До недавнего времени реализация алгоритмов, реагирующих на волновые переходные процессы, с использованием микропроцессорной техники не представлялась возможной из-за ее недостаточной производительности. Также отсутствовали аналогово-цифровые преобразователи, которые бы обеспечивали регистрацию переходного процесса с достаточной точностью.
Выход последних на рынок привел к появлению волновых устройств определения места повреждения (реализации НИОКР по разработке систем ОМП и селективной защиты от ОЗЗ).
Совместными усилиями ОАО «Тюменьэнерго», известного в области электроэнергетики своими достижениями ОАО «Энергетический институт» им. Г. М. Кржижановского и ведущего разработчика и производителя устройств релейной защиты и автоматики сетей 6–750 кВ ООО «Исследовательский центр «Бреслер» в 2012 году были разработаны, испытаны и введены в опытную эксплуатацию промышленные образцы устройства защиты от ОЗЗ типа «ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01).
Устройство «ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01) подключается к трансформаторам тока и напряжения нулевой последовательности (ТТНП) (рисунок 1 а) и является индивидуальным, т.е. устанавливается на каждое присоединение. При отсутствии ТТНП устройство может подключаться на сумму токов трех фаз (рис. 1 б).
«ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01) (рисунок 2) обеспечивает следующую функциональность:
- селективную защиту от замыканий на землю воздушных, кабельных и смешанных линий в сети 6-35 кВ независимо от режима заземления ее нейтрали (с действием на сигнал или отключение без необходимости изменения параметров срабатывания устройства в процессе эксплуатации);
- контроль состояния цепей ТН;
- собственное осциллографирование, регистрацию ОЗЗ и переключений с организацией базы данных аварийных осциллограмм;
- контроль правильности ориентирования устройства в заданном направлении (фазировки);
- интеграцию в АСУ по протоколу IEC 60870-103.
Устройство обладаем малыми габаритами и может устанавливаться на дверь релейного отсека (рисунок 3).
Для контроля фазировки, а также для проверки устройства под нагрузкой предусмотрен тестовый режим, ввод которого осуществляется при включении выключателя. При этом в кабеле за счет разновременности замыкания контактов выключателя возникает кратковременный переходный процесс напряжения и тока нулевой последовательности (рисунок 4). По направлению мгновенной мощности устройством ИЗН-01 определяется правильность фазировки.
Натурные испытания устройства проводились в филиале ОАО «Тюменьэнерго» Нефтеюганские электрические сети на п/с Ханты-Мансийская (на рисунке 5) в мае 2012 года на линиях:
- РП-12-1;
- РП-12-2;
- РП-15-1;
- БАЗЬЯНЫ.
Сеть состоит преимущественно из воздушных линий, подключение которых к шинам 10 кВ осуществлено через кабельные вставки. Секции 1 и 3 работают параллельно. Секции 2 и 4 также работают параллельно. Секционные выключатели между секциями 1 и 2, 3 и 4 отключены. Особенность подстанции состоит в том, что дополнительно установлена защита УЗЛ, осуществляющая подключение высокоомных резисторов к шинам 10 кВ через 500 мс после возникновения замыкания на землю. При проведении натурных испытаний были выполнены искусственные ОЗЗ путем включения выключателя ЛЭП с предварительно установленным в конце устройством переносного заземления. Во время натурных испытаний было проведено 21 искусственное ОЗЗ. Во всех случаях устройства отработали корректно.
Осциллограммы 3u0 и 3i0 искусственного ОЗЗ на ЛЭП РП-12-1 приведены на рис. 6. На рис. 6 а — осциллограмма, записанная устройством, установленным на ЛЭП РП-12-1, а на рис. 6 б – на ЛЭП «Базьяны». Стоит обратить внимание на значительные искажения напряжения 3u0с ТН третьей секции. Данные искажения были вызваны неправильным соединением антирезонансной обмотки ТН секции 3. Тем не менее, подобная неисправность не привела к неселективной работе устройства.
На рисунке 7 приведена осциллограмма зафиксированного реального замыкания на ЛЭП «ОАО-1», записанного устройством, защищающим ЛЭП «Базьяны». Устройство правильно сработало, поскольку для него замыкание находится на соседнем присоединении. Стоит обратить внимание, что уровень вторичного напряжения 3u0 = 80,8 В, что говорит о большой величине переходного сопротивления в месте ОЗЗ.
В процессе эксплуатации защиты с мая 2012 по март 2013 года на линиях 10 кВ ПС Ханты-Мансийская было зафиксировано более 300 ОЗЗ, большая часть которых носила самоустраняющийся (кратковременный) характер.
ООО «ИЦ Бреслер» с июля 2012 года приступило к серийному выпуску инновационного устройства «ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01), поставлено более 20 единиц инновационного устройства «ТОР 110 ИЗН» (ИЗН-01) на электроэнергетические объекты России. Устройство сертифицировано (№ POCC RU.AB24.BO2076) и в настоящий момент проходит аттестацию в ОАО «ФСК ЕЭС».
В настоящее время находится в разработке целевая многолетняя программа по внедрению на объекты филиалов ОАО «Тюменьэнерго» разработанного устройства ИЗН-01, для защиты воздушных и кабельных линий 6–35 кВ.
Список использованных источников
- Попов И. Н., Лачугин В. Ф., Соколова Г. В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. М.: Энерго-атомизат, 1986.
- Лачугин В. Ф. Направленная импульсная защита от замыканий на землю // Энергетик. 1997. – № 9. – С. 21.
- Лачугин В. Ф. Экспериментальные исследования импульсной защиты от замыканий на землю воздушных и кабельных сетей с компенсированной нейтралью // Электрические станции. 2005. – № 8. – С. 58-63.
Сергей ИВАНОВ
Вячеслав ЖУКОВ
ОАО «Тюменьэнерго»
Тел.: +7 (3462) 77-65-85
www.te.ru
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 2 (50), 2013
