Земляная защита ECHE16.PRO
Земляная защита
Защита от однофазных замыканий на землю в сетях среднего напряжения
Привет, братья-электрики! Сегодня я, как релейщик с опытом, хочу поговорить о защите от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях среднего напряжения — от 6 до 35 кВ, с изолированной или компенсированной нейтралью, а также с резистивно заземлённой нейтралью (высоко- или низкоомной). Это одна из самых непростых тем в релейной защите, потому что ОЗЗ — штука коварная, а защиты от неё не всегда идеальны. Но давайте разберём всё по полочкам, чтобы было понятно и начинающим, и тем, кто уже в теме. Пишу так, как рассказал бы на подстанции за чашкой кофе, но с учётом всех технических нюансов.
Что такое однофазное замыкание на землю и почему оно опасно?
В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью ОЗЗ не приводит к большим токам, как межфазное КЗ, поэтому его допускается не отключать сразу — по нормам до двух часов, чтобы найти и устранить повреждение. Но это не значит, что всё так просто. ОЗЗ опасно по нескольким причинам:
- Риск перехода в межфазное КЗ. Если замыкание не устранить, оно может перерасти в более серьёзную аварию.
- Перенапряжения. ОЗЗ вызывает перенапряжения на неповреждённых фазах, что может спровоцировать второе замыкание в другом месте — так называемое двойное замыкание на землю.
- Шаговое напряжение. Ток ОЗЗ, растекающийся от места повреждения, создаёт опасные разности потенциалов, угрожающие персоналу и даже случайным прохожим или животным, особенно в случае обрыва проводов воздушных линий или падения деревьев.
Виды ОЗЗ бывают разные:
- Металлическое замыкание — фаза напрямую на землю, самый очевидный случай.
- Через переходное сопротивление — например, через плохой контакт или повреждённую изоляцию.
- Через дугу — устойчивую или перемежающуюся (то горит, то гаснет), что особенно сложно для обнаружения.
Требования к защите от ОЗЗ
Защита от однофазных замыканий на землю должна быть надёжной и универсальной. Вот основные требования:
- Фиксация всех видов замыканий — от металлических до перемежающихся дуговых, включая кратковременные.
- Работа на сигнал или отключение — в зависимости от типа сети и объекта. Например, в сетях с низкоомным заземлением нейтрали требуется быстрое отключение, а в компенсированных сетях чаще достаточно сигнала.
- Минимальная выдержка времени — для объектов, где ОЗЗ может привести к пожару или взрыву (например, торфоразработки, нефтепереработка, кабельные тоннели).
- Независимость от режима работы сети — защита должна срабатывать вне зависимости от количества подключённых присоединений или нагрузки.
- Однозначность указания направления повреждения — чтобы оперативники знали, где искать.
- Полное покрытие объекта — все присоединения и шины должны быть защищены, иначе нельзя точно локализовать повреждение.
Типы защит от ОЗЗ
Теперь давайте разберём, какие виды защит применяются в сетях среднего напряжения и какие у них плюсы и минусы.
1. Защита на основе напряжения нулевой последовательности (3U0)
Это, пожалуй, самая простая и распространённая защита, которая используется на 80% подстанций в России. Работает она через дополнительную обмотку трансформатора напряжения, соединённую в разомкнутый треугольник (3U0). Когда происходит ОЗЗ, в этой обмотке появляется напряжение, которое фиксируется реле.
Как это работает?
- Первичная обмотка трансформатора напряжения соединена в звезду с заземлённым нулём.
- Вторичная обмотка питает приборы, вольтметры и контроль изоляции.
- Обмотка 3U0 выдаёт сигнал только при ОЗЗ. Обычно уставка реле напряжения — 15 В и выше, чтобы отстроиться от погрешностей трансформатора и несбалансированных напряжений из-за несимметрии сети (например, при отсутствии транспозиции проводов).
Плюсы:
- Простота и дешевизна.
- Надёжно фиксирует устойчивое ОЗЗ.
Минусы:
- Не определяет конкретное присоединение — только сигнализирует о наличии ОЗЗ в секции.
- Не всегда реагирует на кратковременные замыкания.
- Требует заземления нуля первичной обмотки трансформатора напряжения.
Если у вас 40 фидеров на подстанции, бегать и отключать их по очереди, чтобы найти повреждение, — не вариант. Поэтому нужны более продвинутые защиты.
2. Токовая защита нулевой последовательности (ненаправленная)
Эта защита устанавливается индивидуально на каждое отходящее присоединение. Она использует трансформаторы тока, соединённые так, чтобы фиксировать ток нулевой последовательности (3I0). Например, это может быть кабельный трансформатор тока, охватывающий все три фазы, или схема на обычных трансформаторах тока в каждой фазе.
Как это работает?
- При ОЗЗ ток нулевой последовательности появляется в трансформаторах тока и вызывает срабатывание реле.
- Уставки тока обычно очень малы (миллиамперы), так как токи ОЗЗ невелики, особенно в компенсированных сетях.
Плюсы:
- Позволяет локализовать повреждённое присоединение.
- Работает в большинстве случаев, включая металлические замыкания и дуговые.
Минусы:
- Ток небаланса из-за неидентичности трансформаторов тока может вызывать ложные срабатывания.
- Сложно отстроиться от токов небаланса в нормальном режиме работы сети.
- Не всегда эффективна при перемежающихся дугах.
Эта защита чаще применяется на воздушных линиях, где кабельный трансформатор тока поставить невозможно.
3. Направленная защита нулевой последовательности
Чтобы повысить селективность, используют направленную защиту, которая комбинирует ток нулевой последовательности (3I0) и напряжение 3U0. Реле направления мощности определяет угол между током и напряжением, чтобы понять, в каком направлении течёт ток ОЗЗ — от шин к линии (повреждение) или наоборот (неповреждённое присоединение).
Плюсы:
- Высокая селективность — защита не сработает на неповреждённых присоединениях.
- Подходит для сложных сетей с двусторонним питанием.
Минусы:
- Высокие гармоники, возникающие при ОЗЗ (особенно в сетях с компенсированной нейтралью), искажают угол между током и напряжением, что может привести к отказам.
- Требует точного подключения с учётом полярности трансформаторов тока и напряжения.
Пример устройств: реле типа РЗТ-1, РЗТ-1М или микропроцессорные терминалы (например, от «Механотроники» или Siemens), где можно включить функцию направленной защиты.
4. Защита на основе высших гармоник
В сетях с компенсированной нейтралью ОЗЗ сопровождается большим количеством высших гармоник (выше 50 Гц). Защиты, работающие на этих гармониках, фильтруют их и сравнивают с уставкой.
Варианты:
- Абсолютный замер (например, реле РЗ-22): фиксирует гармоники и срабатывает, если их уровень превышает уставку.
- Относительный замер: сравнивает гармоники на всех присоединениях и выбирает то, где они максимальны (например, устройство СЗ-3М).
Плюсы:
- Эффективна в сетях с компенсированной нейтралью.
- Может фиксировать сложные виды ОЗЗ.
Минусы:
- Гармонический состав нестабилен и зависит от множества факторов.
- Относительный замер требует ручного подключения к каждому присоединению, что неудобно.
5. Защита с наложенными токами
Это более сложный и дорогой метод. В цепь нейтрали (например, через резистор или установку компенсации) включают источник тока с частотой, отличной от 50 Гц (например, 25, 100 или 300 Гц). Защита реагирует только на этот ток.
Плюсы:
- Высокая помехозащищённость (особенно на частоте 25 Гц).
- Возможность точной локализации.
Минусы:
- Сложность реализации: нужен мощный источник тока, а в сетях с несколькими установками компенсации возникают проблемы с переключением.
- Высокая стоимость оборудования.
6. Защита на основе переходных процессов
Эта защита фиксирует электрические величины в первые 3–5 миллисекунд после ОЗЗ, когда возникают переходные процессы (особенно при дуговом замыкании). Она использует данные от трансформаторов тока и напряжения 3U0 для определения направления повреждения.
Плюсы:
- Высокая чувствительность к кратковременным замыканиям.
- Может быть направленной.
Минусы:
- Подвержена ложным срабатываниям из-за коммутационных перенапряжений.
- Сложна в реализации и настройке.
Итог: защита от ОЗЗ — несовершенное искусство
Честно говоря, готовясь к этой статье, я вспомнил фразу из «Мастера и Маргариты»: «Чего ни хватишься — ничего нет». Защита от ОЗЗ остаётся одной из самых проблемных в релейной защите. Даже современные микропроцессорные терминалы не всегда справляются идеально, особенно с замыканиями через высокое сопротивление (5–10 кОм) или перемежающимися дугами. Но в большинстве случаев эти защиты выполняют свою задачу: либо отключают повреждённое присоединение, либо дают сигнал, чтобы оперативники знали, где искать.
Главное — понимать их недостатки. Если вы знаете, что защита может «загореться» сразу на нескольких фидерах или не сработать на сложное замыкание, вы не будете теряться в эксплуатации. Самый надёжный подход — комбинировать разные виды защит (например, 3U0 для сигнализации и направленную токовую для отключения) и обеспечивать их единообразие на всём распредустройстве.
Заключение
Защита от однофазных замыканий на землю — это не панацея, но без неё в сетях среднего напряжения никуда. Выбирайте защиту с учётом особенностей сети и объекта, настраивайте уставки с умом и не забывайте про технику безопасности. Если есть свои истории или лайфхаки по настройке земляной защиты — делитесь в комментариях, обсудим! До новых встреч на подстанции, и пусть ваши защиты срабатывают только тогда, когда надо! 😎