Защита от удара снизу. Неполное однофазное замыкание на землю: автоматика бессильна?

Проведенные в последние годы исследования надежности систем защиты от однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 6-10 кВ показали, что они неспособны обеспечить приемлемый уровень электробезопасности обслуживающего персонала. Основная причина – существенная неоднородность конфигурации РС. По информации, полученной RusCable.Ru, токовые ненаправленные защиты в условиях неполных однофазных замыканий на землю в ряде случаев обладают недостаточной чувствительностью и не реагируют на возникновение аварийных либо ненормальных режимов работы.

Распределительные сети (РС) 6-10 кВ – ключевое звено электротехнических комплексов многих объектов промышленности, инфраструктуры и т.д. Их бесперебойная и безопасная эксплуатация обеспечивается устройствами релейной защиты и автоматики (РЗА), к которым предъявляются повышенные требования селективности, чувствительности, быстродействия и надежности. Задача подобных систем – не допустить повреждения электроприемников и получения электротравм электротехническим и прочим персоналом при аварийных и ненормальных режимах работы РС.

Причины и следствия

Согласно статистике, имеющейся в распоряжении RusCable.Ru, основной причиной возникновения таких режимов выступает однофазное замыкание на землю. Второе и третье места (с двукратным отрывом от «лидера») принадлежат соответственно старению изоляции и возникновению перенапряжений, далее следуют механические дефекты и прочие проблемы, в официальных отчетах определяемые как «другое». Впрочем, здесь следует оговориться, что речь идет о некой «средней температуре по больнице». Приведенные сведения носят общий характер, и распределение долей на конкретных объектах может быть иным. Более того, первые три (наиболее распространенные) из перечисленных причин тесно взаимосвязаны. Именно старение изоляции (причина №2) часто приводит к однофазному замыканию на землю, а перенапряжения в гальванически связанных линиях (причина №3) являются его следствием.

Таким образом, около 80% аварийных ситуаций и ненормальных режимов работы РС так или иначе сопровождаются однофазным замыканием на землю. В сетях с изолированной нейтралью оно сопровождается перенапряжениями высокой кратности, приводящими к переходу в более тяжелый аварийный режим дуговых перемежающихся замыканий. Перенапряжения также способствуют ускоренному старению изоляции и ухудшению ее диэлектрических параметров, т.е. дефекты имеют неприятное свойство накапливаться. Но самое неприятное – это появление напряжений прикосновения и шага, опасных для персонала и приводящих к электрическим ударам, ожогам, электрометаллизации кожи, разрушению тканей, нарушению деятельности органов дыхания и кровообращения, вплоть до клинической смерти.

Проблема сложнее, чем кажется

Многообразие режимов однофазного замыкания на землю существенно осложняет разработку и внедрение надежной, селективной и достаточной чувствительной системы РЗА. Расчет ее уставок в РС среднего класса напряжения проводят при устойчивых металлических и дуговых ОЗЗ, не учитывая случаи повреждения линий через переходные сопротивления. Однако параметры контура нулевой последовательности могут снижаться по причине замыкания через предметы с высоким сопротивлением (деревья, газоны, бетонные конструкции, гравийное либо асфальтное покрытие и т.п.). В кабелях нередко образуются повреждения, которые непросто обнаружить. Типичный случай – проколы и порезы: при подаче испытательного напряжения ниже номинального их невозможно однозначно выявить. Например, при проверке мегаомметром, настроенным на 2,5 кВ, изоляции гибкого кабеля 6 кВ, куда предварительно вбили и затем вынули гвоздь, прибор не показал никаких отклонений от нормы. Однако после подачи рабочего напряжения защита РЗА зафиксировала режим дугового замыкания – правда, с существенным запозданием, которое могло стать фатальным.

Многие эксперты, занимающиеся данным вопросом, сходятся во мнении, что широко применяемые устройства релейной защиты на дискретной базе не удовлетворяют современным условиям эксплуатации РС и не позволяют гибко подстраивать уставки под различные параметры контура нулевой последовательности. Практические исследования работоспособности устройств защиты от токов показали неутешительную картину: более 70 % из них требуют ремонта, в том числе капитального, и лишь малая часть находится в безусловно рабочем состоянии. Несомненно, общий уровень надежности защит не выдерживает никакой критики.

Немного теории

Сила тока однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью определяется значением электрического сопротивления в месте замыкания. В таком режиме ток замыкания через переходное сопротивление уменьшается пропорционально снижению коэффициента долевого участия переходного сопротивления в общем токе замыкания на землю. Этот коэффициент варьируется от 0 до 1, где 0 показывает бесконечно высокое сопротивление, а 1 соответствует режиму металлического замыкания фазы на землю.

Выбор значения тока уставки защиты от однофазного замыкания на землю зависит от возможного электрического сопротивления в месте повреждения и рассчитывается с учетом коэффициента отстройки защиты, коэффициента надежности (поправка на погрешность срабатывания реле и ошибки расчетов, принимается равным 1,2-1,3), а также коэффициента броска (определяет бросок емкостного тока в момент возникновения замыкания, а также способность защиты отреагировать на него, лежит в диапазоне 1,5-1,8).

Проверка на практике

В рамках исследования рассматриваемой проблемы был проведен ряд натурных экспериментов по оценке влияния переходного сопротивления на работоспособность ненаправленных защит от однофазного замыкания на землю. Для начала определили ток уставки при металлическом замыкании, затем по итогам наблюдения за развитием однофазного замыкания на землю через переходное сопротивление вычислили граничные условия надежного срабатывания РЗА. На объекте, где проходило мероприятие, используется ненаправленная токовая защита, реагирующая на троекратное превышение номинальных значений силы тока и напряжения нулевой последовательности.

Эксперименты показали, что при коэффициенте долевого участия переходного сопротивления в общем токе замыкания на землю менее 0,142 уставка срабатывания, выбранная исходя из устойчивых металлических и дуговых однофазных замыканий на землю, как это обычно делается, окажется нечувствительной к механическому повреждению кабельной линии.

Что делать?

Таким образом, с увеличением переходного сопротивления в месте повреждения коэффициент чувствительности РЗА снижается до недопустимых значений вплоть до полного отказа функционирования. При этом своевременно не обнаруженное и не устраненное однофазное замыкание на землю способно перейти в междуфазное короткое замыкание, приводя к значительному экономическому ущербу. Кроме того, не исключено возникновение режима дугового замыкания на землю с возникновением перенапряжений высокой кратности.

Для предотвращения подобных ситуаций необходимо разрабатывать и внедрять новые алгоритмы срабатывания токовых ненаправленных систем РЗА от неполных однофазных замыканий на землю в соответствии с параметрами и особенностями функционирования конкретных объектов электроснабжения. Указанные меры также позволят снизить вероятность появления опасных для человека напряжений прикосновения и шага.

P.S. Если у кого-то из читателей возникли возражения и (или) желание высказать свою точку зрения по рассматриваемым в статье вопросам, то мы готовы обсудить их на нашем форуме. Это открытая площадка, где в дискуссии смогут принять участие представители профессионального сообщества, эксперты смежных отраслей и прочие заинтересованные лица.