Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6 кВ СН ТЭЦ

Каневский Я. М.

Электроснабжение каждой секции распределительного устройства собственных нужд (РУСН) 6 кВ ТЭЦ осуществляется не менее чем двумя питающими элементами. Как правило, один из них является рабочим и постоянно включен в работу, а другой - резервным. На большинстве ТЭЦ применяется “явный” резерв: резервный питающий элемент (линия или трансформатор) нормально отключен и включается для замены рабочего элемента при потере питания с.н. по любой причине.
На ТЭЦ, где все генераторы присоединены к сборным шинам главного распределительного устройства (ГРУ), от последних питаются и с.н. На ТЭЦ, где все генераторы включены в блоки с повышающими трансформаторами, для питания с.н. выполняют ответвления от генератора с установкой на ответвлении реактора или трансформатора.

Рис. 1. Схема присоединения рабочего трансформатора с.н. к блоку и резервной реактированной линии с.н. к шинам генераторного напряжения

Рис. 2. Схема присоединения рабочей реактированной линии с.н. к блоку и резервной реактированной линии с.н. к шинам генераторного напряжения

На ТЭЦ, где имеются обе схемы соединений, питание с.н. выполняется частично от ГРУ генераторного напряжения 6 кВ и частично - от блоков генератор - трансформатор; при этом линия для резервного питания с.н. присоединяется к ГРУ, а для рабочего питания с.н. используется ответвление от блока (рис. 1, 2).
Сети собственных нужд блочных ТЭЦ, не связанные электрически с сетями городских или промышленных потребителей, имеют небольшую суммарную протяженность кабельных линий. Если суммарный емкостной ток всей сети ΙεΣ не превышает 30 А для сети 6 кВ, 20 А - для сети 10 кВ и т.д. [1, 2], то сеть работает в режиме с изолированной нейтралью.
В сетях 6 кВ, связанных электрически с сетями больших городов и промышленных предприятий и питающихся от сборных шин генераторного напряжения ГРУ ТЭЦ, токи замыкания на землю могут составлять 50 - 100 А и более в зависимости от протяженности кабельной сети. Такие сети в соответствии с [1, 2] должны работать с компенсацией емкостных токов при помощи дугогасящих реакторов (ДГР).
Из опыта эксплуатации известны также случаи, когда сеть с.н. работает с изолированной нейтралью, но при расширении сети 6 кВ с.н. ТЭЦ и, следовательно, увеличении емкостного тока сеть с.н. из системы с изолированной нейтралью превращается в систему с компенсированной нейтралью после установки ДГР [1,2].
Итак, сеть 6 кВ с.н. ТЭЦ в зависимости от режимов заземления нейтрали рабочего или резервного источников питания может поочередно работать в двух разных режимах.
Целью настоящей статьи является выбор защиты от однофазных замыканий на землю (033), пригодной для работы в сетях собственных нужд 6 кВ ТЭЦ с малым током замыкания на землю при двух режимах заземления нейтрали (изолированной и компенсированной).
Чтобы защита от 033 могла работать в разных режимах заземления нейтральных точек сети с изолированной или компенсированной нейтралью, она должна быть высокочувствительной. Рассмотрим аналоговую и цифровую ненаправленные защиты от 033.
Защита от 033 элементов с.н. сети 6 кВ с изолированной нейтралью выполняется с помощью кабельного трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП) типа Т3ЛМ и чувствительного полупроводникового аналогового реле тока типа РТ3-51 с действием на отключение или на сигнал [3].
По данным Свердловского завода трансформаторов тока кабельный ТТНП типа Т3ЛМ имеет 25 вторичных витков. Коэффициент трансформации Т3ЛМ равен 25 и выше в зависимости от потребляемой мощности по цепям тока.
Реле РТ3-51 использует ток нулевой последовательности 3I0 промышленной частоты 50 Гц. Минимальная уставка тока срабатывания реле РТ3-51 составляет 0,02 А, максимальная уставка реле - 0,146 А. Диапазон первичных токов срабатывания реле РТ3-51 зависит от числа ТТНП [4] и приведен в табл. 1.
Минимальный ток срабатывания защиты с реле РТЗ-51 по первичному току Iсз мин = 0,67А (при одном ТТНП). Коэффициент чувствительности ненаправленной токовой защиты с реле РТЗ-51 равен [5]

где Ic£ - суммарный емкостной ток всей сети; Ic л - емкостной ток защищаемого присоединения.
Применение ненаправленной токовой защиты с реле РТЗ-51 с учетом Кч = 1,5 -т 2 целесообразно в тех кабельных сетях с.н., например 6 кВ, где минимальное значение суммарного емкостного тока всей сети за вычетом емкостного тока защищаемого присоединения (Ic£ - Iс л) в 1,5-2 раза выше, т.е. 1,0 - 1,4 А (первичных).
Рассмотрим поведение микропроцессорной защиты при ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью. Фирма “АББ Реле-Чебоксары” (Россия) выпускает современные цифровые реле (терминалы) серии SPAC 800 [5]. Номинальный ток ненаправленной защиты от замыканий на землю IN = 0,2 А или 1 А. ТТНП подключается поочередно к этим входам. Защита реагирует на токи 3/0 основной частоты 50 Гц. Потребляемая мощность защиты 0,2 В · А. В табл. 2 приводятся первичные токи срабатывания защиты из протокола испытаний устройств SPAC 800 с кабельным ТТНП типа ТЗЛ. Испытания с ТТНП типа ТЗЛМ не было возможности провести, однако качественно картина не изменится. Диапазон уставок первой ступени защиты равен (0,1 -т 10,0)IN, второй ступени защиты - (0,1 -т 0,8)In.
Минимальный ток срабатывания защиты серии SPAC 800 по первичному току I мин = 0,57 А (при одном ТТНП), т.е. близок к минимальной уставке защиты с реле РТЗ-51.
Если значение Ic£ сети превышает допустимое значение по [1,2], то требуется выполнить компенсацию емкостного тока с помощью ДГР, т.е. перейти в режим компенсированной нейтрали, и обеспечить резонансную настройку ДГР, при которой происходит полная компенсация емкостного тока в месте ОЗЗ при частоте 50 Гц. Для этой цели должны применяться плавно-регулируемые ДГР с автоматической настройкой тока компенсации при изменениях емкости сети [2].
Однако такие ДГР до последнего времени серийно не выпускались. ДГР со ступенчатой регулировкой, установленные на многих ТЭЦ, не могут обеспечить полную компенсацию емкостных токов частотой 50 Гц при ОЗЗ во всех режимах; имеет место частичная компенсация емкостного тока. Допускается настройка с перекомпенсацией, при которой реактивная составляющая тока замыкания на землю должна быть не более 5 А [2]. Учитывая возможность почти полной компенсации емкостного тока сети при возникновении ОЗЗ, токовые защиты от ОЗЗ, реагирующие на емкостной ток 50 Гц, должны иметь минимально возможный ток срабатывания защиты.

Таблица 1

Таблица 2

Примечание. Соединение первичных обмоток ТТНП при числе ТТНП, равном 2 и 3, последовательное.

Этому требованию отвечает разработанная во ВНИИЭ и выпускаемая с 1998 г. ОАО “Чебоксарский электроаппаратный завод” направленная защита нулевой последовательности типа ЗЗН для сетей 3 - 10 кВ с изолированной или заземленной через резистор нейтралью, а также с частичной компенсацией емкостного тока сети с токами замыкания на землю от 0,2 до 150 А (первичных). Первичный ток замыкания на землю 0,2 А соответствует суммарной длине неповрежденных кабельных линий сети 6 кВ - 0,33 км. Защита ЗЗН имеет три уставки по первичному току 3I0 (0,07; 0,25; 2,5 А) и три уставки по напряжению 3Uo (10; 15; 20 В) [5]. Минимальный ток срабатывания защиты ЗЗН по первичному току I мин = 0,07 А. Выбор уставки защиты ЗЗН производится по первичному емкостному току частотой 50 Гц. Защита присоединяется к кабельному ТТНП.

Сравним защиту ЗЗН с цифровой защитой фирмы Альстом. По информации Альстом цифровая токовая направленная защита от замыканий на землю, реагирующая на ток 3I0 частотой 50 Гц и присоединенная к кабельному ТТНП, имеет минимальный первичный ток срабатывания не более 70 мА при минимальной уставке реле по вторичному току 2 мА и при номинальном переменном токе входного трансформаторе реле IN = 1 А, т.е. уставка близка к уставке защиты ЗЗН.
При резонансной настройке ДГР невозможно обеспечить защиту от ОЗЗ, реагирующую на действующее значение полного тока нулевой последовательности промышленной частоты (защита ЗЗН и защита фирмы Альстом не могут сработать из-за недостаточного значения емкостного тока). Дополнительно к линейным защитам от ОЗЗ присоединений на сборных шинах РУСН 6 кВ от разомкнутого треугольника вторичных обмоток трансформатора напряжения используется напряжение нулевой последовательности 3U0, которое подается в устройство контроля изоляции. Устройство контроля изоляции в виде максимальной защиты напряжения 3U0 является простой и чувствительной защитой от ОЗЗ, но неселективной и действует на сигнал при ОЗЗ в сети с.н. 6 кВ.

Выводы

1. Сеть с малым током замыкания на землю с.н. 6 кВ ТЭЦ может работать с изолированной или компенсированной нейтралью в зависимости от схемы присоединения рабочего и резервного питающих элементов с.н. [6].
2. Необходима селективная и высокочувствительная защита от ОЗЗ, пригодная для двух видов сетей с.н. ТЭЦ (с изолированной и компенсированной нейтралью).
3. Из защит от ОЗЗ, выпускаемых в странах СНГ и работающих на емкостном токе замыкания на землю, наиболее чувствительна направленная токовая защита нулевой последовательности промышленной частоты типа ЗЗН.

Список литературы

1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. М.: СПО ОРГРЭС, 1996.
3. Байтер И. И., Богданова Н. А. Релейная защита и автоматика питающих элементов собственных нужд тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Собственные нужды тепловых электростанций / Аббасова Э. М., Голоднов Ю. М., Зильберман В. А., Мурзаков А. Г. М.: Энергоатомиздат, 1991.
5. Шабад М. А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. Санкт-Петербург: Изд. ПЭИпк, 2001.
6. Двоскин Л. И. Схемы и конструкции распределительных устройств. М.: Энергоатомиздат, 1985.