Статья: Методика выбора параметров срабатывания максимальных токовых защит от замыканий на землю на основе высших гармоник в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ

ФГБОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина"

Методика выбора параметров срабатывания максимальных токовых защит от замыканий на землю на основе высших гармоник в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ

Т.Ю. Винокурова, Е.С. Шагурина, В.А. Шуин

Авторское резюме

Состояние вопроса: В распределительных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ систем промышленного и городского электроснабжения, работающих с резонансным заземлением нейтрали через дугогасящий реактор, для защиты и селективной сигнализации однофазных замыканий на землю наиболее широкое применение получили максимальные токовые защиты, основанные на использовании высших гармоник токов нулевой последовательности. Многолетний опыт эксплуатации показал, что устройства защиты данного типа обладают низкой селективностью при внешних замыканиях на землю и не всегда достаточной чувствительностью при повреждениях на защищаемой линии. Одной из основных причин низкой эффективности функционирования максимальных токовых защит на основе высших гармоник являются нестабильность спектра гармоник в токе замыкания на землю компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ и обусловленное ей несовершенство методики выбора параметров срабатывания и оценки чувствительности защиты. В связи с этим актуальной задачей является разработка такой методики.

Материалы и методы: Обоснование методики выбора параметров срабатывания максимальных токовых защит, основанных на использовании высших гармоник, произведено на основе оценок предельных максимального и минимального уровней гармоник в токе замыкания на землю компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ. Данные оценки получены аналитическим путем и с использованием моделирования на ЭВМ в программе Simulink, а также расчетных и экспериментальных данных, опубликованных в различных источниках.

Результаты: Разработана методика выбора параметров срабатывания и оценки чувствительности максимальных токовых защит, реагирующих на общий уровень высших гармоник в токе нулевой последовательности защищаемого присоединения, на основе оценок предельных максимального и минимального уровней гармоник в токе замыкания на землю компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ. Уточнены требования к чувствительности устройств защиты данного типа по первичному току высших гармоник. Даны оценка и рекомендации по области применения устройств защит, основанных на данном принципе, на различных объектах компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ.

Выводы: Предложенная методика позволяет повысить селективность при внешних замыканиях на землю и более точно оценить чувствительность при внутренних повреждениях. Показано, что область применения максимальных токовых защит на основе высших гармоник ограничена присоединениями, собственный емкостный ток которых не превышает 5 % от суммарного емкостного тока сети. На объектах кабельных сетей 6-10 кВ, для присоединений которых данное условие не выполняется, должны применяться направленные защиты, основанные на контроле фазных соотношений высших гармоник тока и напряжения нулевой последовательности.

Ключевые слова: компенсированные кабельные сети 6-10 кВ, однофазные замыкания на землю, высшие гармоники, защита от однофазных замыканий на землю, методика выбора параметров срабатывания.

Background: Overcurrent protection based on the use of higher harmonics in zero sequence currents is widely used for selective protection and signalling of single phase earth faults in 6-10 kV distribution cable networks of industrial and urban electricity systems, working with resonant neutral grounding through an arc-suppressing coil. Many years of operating experience have shown that protection devices of this type have low selectivity to external earth faults and are not always sensitive enough to the faults in the line they protect. One of the main reasons for the low operation efficiency of overcurrent protection based on higher harmonics is the instability of the harmonic spectrum of the earth fault current in 6-10 kV cable networks with resonant neutral grounding and, as a consequence, the defficiency of the techniques of choosing tripping values and evaluation of protection sensitivity. All these factors make it quite urgent to develop such a technique.

Materials and methods: Substantiation of the technique of tripping values selection of higher harmonics overcurrent protection was based on the estimation of the limiting maximum and minimum harmonics levels in the earth fault current in 6-10 kV cable networks with resonant neutral grounding. The data was obtained analytically and through computer simulation in Simulink as well as by using calculated and experimental data published in various sources.

Results: We have developed a technique of choosing the tripping values and evaluating the protection sensitivity of overcurrent protection reacting to the overall level of higher harmonics in zero sequence current of the protected connection, based on the estimation of the limiting minimum and maximum harmonics levels in the earth fault current in 6-10 kV cable networks with resonant neutral grounding. We have also specified the sensitivity requirements for the protection devices of this type by the primary harmonics current and evaluated such devices and made recommendations on their application at various objects of 6-10 kV cable networks with resonant neutral grounding.

Conclusions: The proposed method makes it possible to increase the selectivity to external earth faults and more accurately assess the sensitivity to internal faults. It is shown that the overcurrent protection based on higher harmonics can only be applied to connections, in which their own capacitive current does not exceed 5 % of the total capacitive network current.6-10 kV cable networks, in which this requirement is not fulfilled, should be equipped with directional protection based on the control of phase relationships of higher harmonics and zero sequence current and voltage.

Key words: 6-10 kV cable networks with resonant neutral grounding, single-phase earth faults, higher harmonics, protection against single-phase earth faults, techniques of tripping values selection.

гармоника кабельная сеть токовая защита

Основное содержание исследования

Введение. Резонансное заземление нейтрали распределительных кабельных сетей напряжением 6-10 кВ через дугогасящий реактор (компенсация емкостных токов) является наиболее эффективным способом исключения возможности возникновения опасных для сети дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) и ограничения сопровождающих их перенапряжений [1-9]. Основной проблемой, снижающей эффективность компенсации емкостных токов ОЗЗ, является недостаточное техническое совершенство (селективность и устойчивость функционирования [10]) применяемых в указанных сетях устройств защиты от ОЗЗ.

В компенсированных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ систем промышленного и городского электроснабжения для защиты и селективной сигнализации ОЗЗ основное применение получили устройства, основанные на способе абсолютного замера уровня высших гармоник (ВГ) в токе нулевой последовательности защищаемого присоединения (например, устройства защиты типа УСЗ-2/2 [11-13], а также его цифровые аналоги в микропроцессорных терминалах релейной защиты и автоматики ряда фирм-изготовителей). Анализ многолетнего опыта эксплуатации существующих исполнений максимальных токовых защит абсолютного замера ВГ (МТЗВГ), выполненный ОРГРЭС, выявил их низкую селективность при внешних ОЗЗ и не всегда достаточную чувствительность при внутренних повреждениях [14].

В МТЗВГ, как правило, используются гармоники порядка = 5, 7, 11 и 13 (f = 250 - 650 Гц), что определяется составом основных источников ВГ в кабельных сетях 6-10 кВ и спектром генерируемых ими гармоник (силовые трансформаторы, нелинейные преобразователи, электротермические установки и др. [15]). Одной из основных причин низкой эффективности функционирования МТЗВГ является нестабильность спектра гармоник в указанном диапазоне частот в токе ОЗЗ и обусловленные ей проблемы обоснованного выбора уставок по току срабатывания и оценки чувствительности устройств защиты данного типа.

Методика выбора уставок МТЗВГ по току срабатывания. Уставка по первичному току срабатывания МТЗВГ должна выбираться из условия обеспечения несрабатываний при внешних ОЗЗ в режиме работы сети, соответствующем максимальному уровню ВГ в токе 3I₀ защищаемого присоединения. Так как распределение ВГ в токах 3I₀ присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, в диапазоне частот до 650 Гц определяется только емкостными сопротивлениями фаз на землю [16], то расчетное выражение для выбора уставки МТЗВГ по току срабатывания можно представить в следующей форме:

(1)

где К_отс - коэффициент отстройки; 3I_{0i ВГ макс} - максимальный уровень ВГ в токе 3I₀ i-го присоединения; _макс - максимальный общий уровень ВГ рабочего диапазона частот МТЗВГ ( = 5, 7, 11 и 13) в токе ОЗЗ при устойчивых повреждениях в контролируемой сети; I_{С i} - собственный емкостный ток i-го присоединения, определяемый по выражению

(2)

где C_0i - емкость фазы защищаемого присоединения на землю; = 250; U_{ф. ном} - номинальное фазное напряжение сети.

Коэффициент отстройки К_отс в (1), учитывающий влияние погрешностей функционирования (погрешностей расчета уровня ВГ, кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП), измерительного органа тока защиты и др.) на устойчивость несрабатываний при внешних ОЗЗ, для токовых защит на основе ВГ рекомендуется принимать равным не менее 1,5 [16].

Вычисленное по (1) значение I_{с. з. i} должно удовлетворять также условию

(3)

где I_{с. з. мин} - минимальный ток срабатывания МТЗВГ, определяемый техническими характеристиками устройства защиты и кабельного ТТНП, к которому подключается по цепям тока 3I₀ устройство защиты.

Условие (3) может быть расчетным для выбора уставки по первичному току срабатывания на кабельных линиях небольшой длины, что характерно, например, для таких объектов, как трансформаторные подстанции (ТП) 6-10/0,4 кВ систем промышленного электроснабжения.

Основную проблему при выборе уставок по току срабатывания по (1) представляет оценка максимально возможного уровня ВГ в токе ОЗЗ контролируемой сети _макс. В условиях отсутствия достоверных данных по значениям _макс для контролируемой сети в применяемой в настоящее время методике уставку по току срабатывания для устройств защиты типа УСЗ-2/2 и его аналогов предлагается приближенно выбирать по значениям суммарного емкостного тока сети I_C и относительному значению собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_Ci* = I_Ci/I_C [17]. В табл.1 приведены значения первичного тока срабатывания устройства УСЗ-2/2 в диапазоне частот 250-650 Гц при подключении его к ТТНП типа ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ, имеющих близкие технические характеристики, для присоединений с I_Ci* = 0,1 для различных значений I_C, приведенных в [18].

При I_Cсобс* > 0,1 уставка по I_C пропорционально увеличивается, при I_Cсобс* < 0,1 - уменьшается.

В табл.1 приведены также значения _макс для 5, 7, 11 и 13-й гармоник, рассчитанные при рекомендуемых уставках по выражению

(4)

при К_отс =1,5.

Согласно данным табл.1, фактически принимаемые значения _макс в зависимости от частоты и значения I_C находятся в пределах 0,07-0,25, при этом с увеличением I_C значения _макс без каких-либо обоснований уменьшаются.

Предельные максимальные уровни ВГ в токе ОЗЗ компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ. Для высших гармонических составляющих в диапазоне частот до 650 Гц, содержащихся в спектре токов 3i₀ неповрежденного i-го присоединения при внешних устойчивых ОЗЗ в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ, справедливо следующее соотношение [16]:

(5)

Так как напряжение U₀ при ОЗЗ равно напряжению поврежденной фазы в режиме, предшествующем ОЗЗ, взятому с обратным знаком, то спектр I₀ полностью определяется спектром последнего. Поэтому предельный максимальный уровень ВГ в токе ОЗЗ _{пред. макс} можно оценить по предельно допустимым ГОСТ 13109-97 для сетей 6-10 кВ значениям коэффициента несинусоидальности напряжения К_{нс пред} = 0,08 (в нормальном режиме К_{нс макс} ? 0,05) и предельно допустимым коэффициентам К_{U пред} содержания в напряжениях сети отдельных гармонических составляющих = 5, 7, 11, 13 (табл.2).

Таблица 1. Значения первичного тока срабатывания устройства защиты типа УСЗ-2/2 при различных частотах и значениях I_C по методике [18]