Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6–35 кВ

Физика ОЗЗ и режим работы нейтрали

Распределительные сети 6–35 кВ работают в России с изолированной или с компенсированной нейтралью — нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР). Реже применяется заземление нейтрали через резистор (высокоомный или низкоомный). Ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в таких сетях определяется не проводимостью короткого пути через заземлённую нейтраль, а суммарной ёмкостью проводов относительно земли. Это принципиально отличает данные режимы от глухозаземлённой нейтрали в сетях 110 кВ и выше, где ток КЗ достигает значительной величины (Чернобровов Н.В., Семёнов В.А. «Релейная защита энергетических систем». — М.: Энергоатомиздат, 1998. С. 6–7).

В сети с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю не образует низкоомного контура для тока промышленной частоты. Межфазное напряжение при этом не искажается: треугольник линейных напряжений сохраняет форму. Напряжения неповреждённых фаз относительно земли возрастают — в пределе до линейного значения. Рост напряжения на исправных фазах составляет одну из опасностей ОЗЗ: длительное воздействие способно спровоцировать пробой изоляции в других местах и перевести однофазное замыкание в двойное или межфазное КЗ (Хакимзянов Э.Ф., Исаков Р.Г. // Сборник докладов XXII конференции «РЗА энергосистем». — М., 2014. С. 90–91).

Ток нулевой последовательности (НП) при ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью складывается из ёмкостных токов неповреждённых фаз всех присоединений, подключённых к шинам. Для повреждённого присоединения ток НП «условно» направлен в сторону места повреждения и по величине равен разности суммарного ёмкостного тока сети и собственного ёмкостного тока данного присоединения. Для всех здоровых присоединений ток НП противоположен по направлению и численно равен собственному ёмкостному току — на этом различии в направлении 3I₀ строится логика направленной защиты от ОЗЗ.

Нормативные требования к режиму нейтрали

Правила устройства электроустановок (ПУЭ, 7-е издание, утверждены приказом Минэнерго России от 08.07.2002 № 204) устанавливают, в каких случаях компенсация ёмкостного тока является обязательной (ПУЭ, п. 1.2.16):

• в сетях 3–20 кВ с железобетонными или металлическими опорами воздушных линий — при токе более 10 А;
• в сетях без таких опор: при токе более 30 А для напряжения 3–6 кВ, более 20 А для 10 кВ, более 15 А для 15–20 кВ;
• в схемах блоков генератор-трансформатор 6–20 кВ — при токе более 5 А.

При токах замыкания на землю более 50 А ПУЭ рекомендует устанавливать не менее двух заземляющих реакторов.

Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, не присоединённая к заземляющему устройству или присоединённая к нему через большое сопротивление приборов сигнализации и защиты (ПУЭ, п. 1.7.6). Глухозаземлённая нейтраль — нейтраль, присоединённая к заземляющему устройству непосредственно (ПУЭ, п. 1.7.5).

Согласно ПУЭ (п. 1.7.64), в электроустановках выше 1 кВ с изолированной нейтралью должна быть предусмотрена возможность быстрого обнаружения замыканий на землю. Защита устанавливается с действием на отключение по всей электрически связанной сети в тех случаях, когда это необходимо по условиям безопасности.

Правила технической эксплуатации (ПТЭ, § 2.8.11) допускают работу воздушных и кабельных линий с замыканием на землю до устранения повреждения. Именно этим руководствуются многие сетевые компании, не отключая повреждённый элемент немедленно. Блоки серии МКЗП-МИКРО 2.0 и ЭСТРА-ПС разработаны с задачей надёжного распознавания однофазных замыканий на землю и более быстрой их ликвидации — в том числе потому, что у места замыкания всегда может оказаться человек или животное.

Перемежающиеся дуговые замыкания: чем опаснее металлического

На практике большинство ОЗЗ в сетях 6–35 кВ — не металлические (устойчивые), а перемежающиеся дуговые замыкания (ПДЗ). В момент пробоя изоляции возникает дуга, которая гасится при переходе тока через ноль и повторно зажигается в следующем полупериоде (Головко С.И., Иванов С.В., Романов Ю.В. // Сборник докладов XXII конференции «РЗА энергосистем». — М., 2014. С. 103).

ПДЗ опаснее металлического замыкания по двум причинам. Во-первых, дуга вызывает термическое воздействие на изоляцию в месте горения. Во-вторых, при каждом повторном зажигании возникают перенапряжения, нагружающие изоляцию неповреждённых фаз. В результате нередко происходит перевод ОЗЗ в двойное замыкание на землю или в межфазное КЗ — особенно в сетях с неудовлетворительным состоянием изоляции кабелей (Головко С.И. и др. — там же. С. 103).

Переходный процесс при ПДЗ включает несколько компонентов. При пробое изоляции происходит разряд ёмкости повреждённой фазы: из-за малой индуктивности контура (особенно в кабельных сетях) резонансная частота достигает десятков–сотен килогерц, а переходный ток разряда имеет апериодический характер. Одновременно идёт дозаряд ёмкостей неповреждённых фаз через источники питания — этот процесс имеет вид затухающих колебаний на нескольких килогерцах (Пашковский С.Н., Вайнштейн Р.А., Юдин С.М. // Сборник докладов XXII конференции «РЗА энергосистем». — М., 2014. С. 94–95).

Компенсированная нейтраль и дугогасящий реактор

При введении в нейтраль дугогасящего реактора (ДГР) индуктивный ток реактора компенсирует ёмкостный ток замыкания. При резонансной настройке ДГР ток в месте замыкания стремится к нулю, что снижает вероятность поддержания дуги и облегчает самоликвидацию ОЗЗ — при условии, что сопротивление места замыкания достаточно велико.

Компенсация применяется при значениях ёмкостного тока в воздушных сетях 3–20 кВ на железобетонных или металлических опорах более 10 А. ДГР настраивается на ток компенсации, как правило равный ёмкостному току сети (ПУЭ, п. 1.2.16).

Компенсация кардинально меняет картину токов НП. Промышленная составляющая тока НП в повреждённом присоединении становится крайне малой и сопоставимой с погрешностями измерения. Защита на основе амплитудного замера тока 3I₀ промышленной частоты в таких условиях утрачивает чувствительность, и для надёжного определения повреждённого присоединения необходимы иные принципы (Винокурова Т.Ю., Шуин В.А., Шагурина Е.С. // Сборник докладов XXII конференции «РЗА энергосистем». — М., 2014. С. 100).

Сети 6–35 кВ обладают большим разнообразием режимов нейтрали: изолированная, компенсированная, заземлённая через высокоомный резистор, заземлённая через низкоомный резистор, комбинированное заземление (параллельно ДГК и резистор). Режим нейтрали существенно влияет на протекание процессов при ОЗЗ и при расчёте уставок это необходимо учитывать (Методические указания по расчёту и выбору уставок защит распределительных сетей 6–35 кВ. НГТУ–ЭСТРА, 2026. С. 32).

Требования к защите: чувствительность, селективность, быстродействие

Любая защита от ОЗЗ должна отвечать базовым требованиям: селективность (избирательность), чувствительность, быстродействие, надёжность. При этом для ненормальных режимов требования к быстродействию формулируются с учётом допустимой длительности воздействия (Чернобровов, Семёнов. — С. 21–22).

Чувствительность оценивается коэффициентом:

Это условие должно выполняться во всех, включая минимальные, режимы электроэнергетической системы (Чернобровов, Семёнов. — С. 22).

Селективность при ОЗЗ — главная сложность. В сети с изолированной нейтралью при замыкании на одном из присоединений ток НП протекает через все остальные присоединения, подключённые к тем же шинам. Для защиты, реагирующей только на амплитуду тока 3I₀, затруднительно отличить повреждённое присоединение от здорового без учёта направления или фазы тока.

Отсутствие селективной сигнализации вынуждает персонал производить большое количество оперативных переключений. В разветвлённых сетях с неудовлетворительной изоляцией поиск повреждённого присоединения вручную нередко заканчивается переходом ОЗЗ в двойное КЗ (Головко С.И. и др. — там же. С. 103).

Принципы обнаружения повреждённого присоединения

Как выбрать защиту от ОЗЗ: нейтраль определяет метод

Выбор принципа защиты напрямую зависит от режима нейтрали в сети. В таблице ниже сведены основные сочетания.

ОЗЗ — наиболее распространённый вид повреждений в сетях 6–35 кВ: их доля составляет до 75% от общего числа повреждений. При этом они способны развиваться в двойные замыкания — короткие и гораздо более опасные, так как дополнительная точка повреждения возникает на ранее исправном элементе сети, в том числе на источнике питания (Методические указания НГТУ–ЭСТРА, 2026. С. 32).

Централизованная защита от ОЗЗ серии МКЗЗП-6-35

НПП «ЭСТРА» выпускает специализированную линейку устройств централизованной защиты от замыканий на землю серии МКЗЗП-6-35, созданных для распределительных сетей среднего напряжения.

Принцип работы серии основан на методе относительного сопоставления: устройство одновременно сравнивает уровни тока 3I₀ по всем присоединениям секции в момент пуска по напряжению 3U₀. Благодаря этому не требуется числовая уставка по току, а отстройка от бросков токов не нужна — селективность и чувствительность обеспечиваются при любом уровне токов НП.

Один блок охватывает до 16 присоединений. При необходимости несколько блоков объединяются по интерфейсу CAN — максимум 5 блоков, то есть до 80 присоединений с единым управлением.

FAQ

Чем ОЗЗ отличается от короткого замыкания?

При ОЗЗ в сети 6–35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью ток замыкания не замыкается через нейтраль — он определяется ёмкостью фаз относительно земли и на порядки меньше, чем ток при межфазном КЗ. Межфазное напряжение не нарушается, потребители продолжают работать. Опасность — в росте напряжения неповреждённых фаз и возможном переходе в двойное замыкание.

Нужно ли немедленно отключать присоединение при ОЗЗ?

ПТЭ (§ 2.8.11) допускает работу сети с замыканием на землю до устранения повреждения. Однако ПУЭ (п. 1.7.64) требует действия на отключение по условиям безопасности. На практике выбор определяется типом сети и последствиями: в кабельных сетях и на объектах с людьми отключение предпочтительно; в сельских воздушных сетях допустима кратковременная работа с сигнализацией.

Почему направленная защита не работает в сети с ДГР?

При резонансной настройке ДГР реактивная составляющая тока НП промышленной частоты в повреждённом присоединении стремится к нулю — вектор тока 3I₀ теряет выраженное направление. Знак мощности нулевой последовательности становится неопределённым, и орган направления не срабатывает надёжно. В таких сетях применяются защиты по высшим гармоникам или метод относительного сравнения с анализом ВГ.

Как работает централизованная защита МКЗЗП-6-35?

Устройство одновременно измеряет токи 3I₀ на всех присоединениях секции. В момент появления напряжения 3U₀ (пуск) сравниваются уровни токов НП: присоединение с наибольшим значением считается повреждённым. Числовая уставка по 3I₀ не требуется — решение принимается относительно, что устраняет зависимость от абсолютного уровня токов в сети.

Что делать, если ёмкостный ток присоединения меньше тока срабатывания защиты?

При малом ёмкостном токе собственного присоединения токовая защита нечувствительна. В этом случае переходят к методу относительного сравнения (МКЗЗП-6-35) или к централизованной защите с логическим алгоритмом, где решение принимается по всей секции, а не по уставке отдельного присоединения.

Какой ток срабатывания выставить для земляной защиты в МКЗП-МИКРО 2.0?

Реальная уставка выбирается из условия отстройки от собственного ёмкостного тока присоединения с коэффициентом не менее 1,5 (Методические указания НГТУ–ЭСТРА, 2026. С. 70). Для серии МКЗП-МИКРО 2.0 уставка первой и второй ступени ЗОЗЗ (ЗЗ-1 и ЗЗ-2) имеют диапазон регулирования от 0,05 до 50 А. Заводское значение — 0,5 А для ЗЗ-1 и 2 А для ЗЗ-2. При использовании ТТНП типа ТЗЛ чувствительность по первичному току достигает 0,3 А — это минимальная планка, ниже которой уставка не имеет смысла.

Какой тип защиты выбрать в настройках ЗЗ: 3I₀ или направленную?

Параметр «Тип защиты» для ЗЗ-1 и ЗЗ-2 в МКЗП-МИКРО 2.0 имеет четыре варианта: 3Io, 3Io+3Uo, 3Uo, Направленная. Для сетей с изолированной нейтралью при достаточном ёмкостном токе достаточно режима 3Io. Режим 3Io+3Uo добавляет пусковой контроль по напряжению — это снижает число ложных срабатываний при переходных процессах. Режим Направленная применяется там, где нужно отделить повреждённое присоединение от здоровых по знаку мощности НП. В компенсированных сетях ни один из режимов по основной гармонике не даёт надёжной селективности — здесь нужна централизованная защита МКЗЗП-6-35-К с анализом высших гармоник.

Можно ли настроить ЗЗ на сигнал вместо отключения?

Да. Параметр «Срабатывание на» для ЗЗ-1 и ЗЗ-2 допускает два значения: ОТКЛ (действие на отключение) и сигнал (без отключения, только индикация). Работа с сигнализацией допустима согласно ПТЭ (§ 2.8.11), однако требует оперативного поиска повреждения. При этом ПУЭ (п. 1.7.64) обязывает действовать на отключение в случаях, обусловленных безопасностью.

Нужно ли вводить выдержку времени для земляной защиты?

Выдержка времени выбирается из условий селективности с защитами смежных элементов. В сетях с изолированной нейтралью допустима задержка для исключения ложных срабатываний при кратковременных переходных процессах. Если защита действует на сигнал — выдержка определяется только удобством оперативного персонала. Диапазон уставки по времени срабатывания ЗЗ в МКЗП-МИКРО 2.0 — от 0 до 300 с, заводское значение — 1 с.