НАУКА»
В.И. Серов
В.И.Щуцкий
Б.М.Ягудаев
МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА БОРЬБЫ
С ЗАМЫКАНИЯМИ
НА ЗЕМЛЮ
В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
системах
горных предприятий
г
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР
ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. А.А. СКОЧИНСКОГО
В.И. Серов, В.И. Щуцкий, Б.М. Ягудаев
МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА БОРЬБЫ
С ЗАМЫКАНИЯМИ
НА ЗЕМЛЮ
в высоковольтных
системах
горных предприятий
Ответственный редактор
член-корреспондент АН СССР
А.В. ДОКУКИН
МОСКВА
’’НАУКА”
1985
УДК 621.316.9
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПИ III v и кий ВИ., Ягу даевБ.М. Методы и средства борьбы с замыка-
ния^на землю в высоковольтных системах горных предприятий. - М Наука, 1985. ,
136 с.
книга посвящена основным вопросам теории и практики повышения уровня элек-
тппбезопасности и надежности электроснабжения при замыканиях на землю в высоко-
вольтных системах горных предприятий Изложены критерии, методы и средства
оптимизации режима изолированной нейтрали распределительных электрических;
сетей 6-10 кВ карьеров и шахт. Рассмотрены основы построения и результаты иссле-
дований по обоснованию параметров зашиты с автоматическим шунтированием
места однофазного повреждения и селективной централизованной защиты от замыка-
ний на землю
Книга рассчитана на специалистов по технике борьбы с замыканиями на землю в
высоковольтных системах.
Табл. 9. Ил. 69. Библиогр. 56 назв.
доктор технических наук Б.И. Косарев,
кандидат технических наук Б.А. Петренко
С
‘J
ров и шахт, повышения надежности и безопасности их зкегауата.ши
Важнейшую роль в формировании уровня элек{робезопаснос™ и бГс-1
персбоиности в высоковольтных распределительных электросистемах
горных предприятии играют однофазные замыкания на землю (033) как
наиболее частый вид повреждений (до 80% от всех замыканий) (Так~ на
одном карьере частота 033 составляет огЗСГдо 50‘Гмесяц, ай крупных
карьерах и угольных разрезах наблюдается до 700-800 033 в год.
Из-за неселективной работы исправных защит от 033 и самоустраняю-
щихся замыкании на землю в карьерных сетях 6—10 кВ наблюдается зна-
чительная доля (до 50%) аварийных отключений потребителей.' Неселек-
{тивные отключения возникают в 1,5—2 раза чаще, чем селективные от-
ключения устойчивых ОЗЗ/^Часть возникших однофазных повреждений"
изоляции переходит в мёждуфазные замыкания, что чревато многомест-i
,ными повреждениями - более сложными и опасными аварийными состоя-1
ниями сети.у При этом простои мощных экскаваторов и буровых машин
наносят карьеру или угольному разрезу значительный материальный ущебр.
, Аварийные отключения потребителей и необходимость скорейшего
восстановления технологического цикла горных работ создают предпосыл-
t ки к электропоражению обслуживающего персонала^Статистика наглядно
свидетельствует о том, что вероятность электропоражения при ликвидации
аварий в несколько раз выше, чем при производстве планового обслужива-
ния электроустановок, т.е. электротравматизм тесно связан с аварийно-
стью, а значит, с замыканиями на землю.
Замыкания на землю в высоковольтных распределительных сетях яв-
ляются нс только источником снижения бесперебойности электроснабже-/
НИЯ и материального ущерба, но и электротравмировання обслуживаю-
щего персонала. Поэтому важнейшей проблемой повышения уровня элек-
тробезопасности и надежности электроснабжения карьеров, разрезов и
шахт имеющей технико-экономическое и социальное значение для горно-
добывающей отрасли, является борьба с замыканиями на землю в распре,
делительных сетях 6-10 кВ.
Согласно действующим нормативным документам для карьеров (Ы1Ь
г. и ПТЭ) и шахт (ПБ) (1-6) в сетях свыше 1000 В все отходящие линии
3
быть Оборудованы защитами от замыкании на землю, действую.
mZ № отключение. В последние годы вопросам защиты от 033 уделя.
™ достаточно внимания - изучаются статистика, процессы при замыка.
ниях подложен ряд схемных решений и разработок устройств селектив.
нилл, р дм	устройств автоматического повторного включения
нои защиты от
(АПВ) при замыканиях и других средств.
‘ R капьеоных сетях 6-10 кВ зашиты от 033 работают неудовлетвори-
тельно - еше много ложных, неселективных отключений, системы АПВ
не находят широкого применения, а шахтные распределительные сети
6 кВ пока не оснащены селективной защитой от 033. Следует отметить
также что все указанные выше средства направлены лишь на борьбу
с последствиями замыканий и даже при достаточно надежной работе
могут только успешно дополнять способы и средства, эффективно сни-
жающие возможность возникновения замыканий на землю и поддерживаю-
щие изоляцию на определенном эксплуатационном уровне. Однако этой
стороне вопроса в указанных сетях практически внимание не уделяется.
Исследования и опыт эксплуатации распределительных сетей 6-35 кВ
в СССР и за рубежом показывают, что на уровни надежности работы сетей
и безопасности их обслуживания при металлических и дуговых 033 суще-
ственное влияние оказывает не только величина тока, протекающего через
место замыкания, но и характер этого тока. Эти параметры, обусловливают
щие степень опасности замыканий на землю, в свою очередь определяются'
состоянием (режимом) изолированной нейтрали сети.
Исследования авторов показывают, что оптимизация режима изолиро-
ванной нейтрали сети, т.е. управление состоянием нейтрали высокоомным
резистором в зависимости от параметров замыкания на землю и требова-
ний электробезопасности, обеспечивает достаточно эффективное сниже-
ние аварийности от замыканий на землю, надежную работу существующих
селективных устройств релейной защиты и открывает возможности созда-
ния новых, более простых средств защиты.
Поэтому проблема борьбы с замыканиями на землю должна решаться
комплексно - на основе оптимизации режима изолированной нейтрали,
селективного защитного отключения 033 и средств автоматической защи-
ты, одновременно отвечающих требованиям критериев электробезопас-
ности и обеспечения бесперебойности электроснабжения (технологиче-
ским требованиям). Цель книги — рассмотреть основные аспекты указан-
ной проблемы с единых позиций, на основе комплексного, системного под-
хода, обобщить теорию и практику борьбы с замыканиями на землю в
высоковольтных электросистемах и разработать эффективные методы и
средства повышения уровня надежности и электробезопасности электро-
снабжения при замыканиях на землю на горных предприятиях.
аучно-методическая направленность исследований, нашедших отраже-
ние в данной монографии, сформировалась под влиянием идей, изложенных
в научных трудах Н.Ф. Шишкина, И.М. Сироты, И.С. Самойловича, В.В. Наза-
рова, Н.Н. Белякова. В экспериментальных исследованиях устройств заши-
ты в электрических сетях 6 кВ карьеров принимал участие В.В. Назаров..
Авторами монографии написаны следующие разделы: предисловие,
глава 1 - В.И. Серов, В.И. Щуцкий, Б.М. Ягудаев; главы 2—6 — Б.М. Ягу-
даев; заключение — В.И. Серов, В.И. Щуцкий, Б.М. Ягудаев.
Глава 1
« РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ™. СЕТЯХ
деленное влияние на уровень элсктротравматизма и повреждаемость мэоля.
(1ии(1ри эксплуатации карьеров| и шахт. ГофнопехнолоХкие у™
особенно при подземной добыче полезныхТтскопаемыхТютточно разно-
образны и включают в себя группу факторов, влияющих на безопасность
производственной (окружающей) сфеды, и группу факторов, определяю.,
щих эксплуатационные качества горно-шахтного электрооборудования
(внешняя среда и эксплуатационные нагрузки).
К основным факторам производственной среды, оказывающим влияние,
на организм человека, относят: микроклимат, освещенность, шум и вибра-
цию, а также трудоемкость.
В подземный выработках шахт неблагоприятные микроклиматические
условия, ухудшающиеся с увеличением глубины горных работ (повышен-
ная температура — свыше 22°С и высокая относительная влажность —
до 100% воздуха), ухудшают терморегуляцию у горнорабочих, ведут к
повышенному потовыделению. В результате происходит резкое снижение
электрического сопротивления тела человека, что увеличивает опасность
поражения электрическим током [7]. На карьерах условия работы на
открытом воздухе также неблагоприятны для человека: летом — повы-
шенная температура, осенью—обилие осадков и т.п.
Недостаточная освещенность в шахтах вызывает изменение частоты
пульса и общего нервно-психического состояния горняков.\ В условиях,
'повышсн.ного_шума (вентиляторы, породопогрузочные машины, конвейе-
ры) уменьшается внимание, затрудняется выполнение точных работу сни-
жается время реакции;'а" под влиянием вибрации (буровые станки, экс-
каваторыГТТроходчсские машины и др.) повышаются утомляемость и
раздражительность, снижается время реакции [8]. Немаловажную роль
играет и факто^_уст^ст1ьхорнякок^ч10-привошп11сзамедлению двцже-.
ний и ослаблению внимания _к опасностям производственного характера.,
Влияние этих факторов на человека связано с повышением вероятно-
сти ег6~ошибочных действий при работе с электрифицированными ма-
шинами и при обслуживании электроустановок, Обстановка, непрерыв-
ного Перемещения как Машин и механизмов, так и самих..работающих
также повышает__вероятность и тяжесть электротравмы^А
2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА
В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Согласно^ статистическим данным1 электротравматизм в угольной про-
мышленности, а также на рудниках и карьерах черной и цветной метал-
лургии характеризуется не столько абсолютным количеством случаев по-
ражения электрическим током, сколько тяжестъю_их исхода.
На рисунке приведена динамика электротравматизма со смертельным
исходом по угольной промышленности за период 1971-1983 гг., из кото-
рой следует, что для отрасли в целом характерно снижение уровня электро-
травматизма (числа электротравм в год по отношению к уровню 1971 г.,
принятому за 100%). В 1983 г. наблюдалось незначительное превышение
уровня 1971 г. за счет роста этого показателя на угольных разрезах и на
участках и цехах поверхностного технологического комплекса шахт.
В угольных шахтах электротравматизм в последние годы составляет
1 в среднем 1,8% от общего травматизма. Так, уровень электротравматизма
в шахтах (включая поверхностные комплексы) в 1966 г. по сравнению с
1956 г. был снижен на 59%, а в 1983 г. число травм по сравнению с 1971 г.
снижено на 11,4%.
На разрезах уровень электротравматизма на протяжении последних
10 лет остается практически на одном уровне, несмотря на постоянный
рост энерговооруженности открытой добычи угля. Однако в 1983 г. число
электротравм увеличилось в 2 раза по сравнению со средним уровнем за
1 ПЛ СПР ПИРР ПРРатипотиа Ип	-
Основнь.мн-фактраьииопр-еделяюшими условия эксплуатации элект-
на карьерах климато-метеорологические уело-
деформации. взрывные работы, вибрационные нагрузки.
Жжение Изоляционных конструкций, Iа в шахтах, кроме перечислен.
пожаро^тТвзрывоопасность среды, высокая влажность
^запыленность воздуха, агрессивность рудничных вод. Влияние этих фак-
на электообТзонасность обслуживающего персонала проявляется
Ч^Й^Хь'д-Б«Ьы электрооборудования из-за ускорения процес-
сов износа ихтарения-изолящш. -
Так механическвм^еформациям. активизирующим старение изоляции
и образование (телабленных ьтест, а также повреждениям подвержены нреж-
де всего шахтные (особенно гибкие) и карьерные (экскаваторные) кабели,
что чЪ^ато однофазными или двойными замыканиями на землю. В уело-
виях увлажненного загрязнения, возможны перекрытия изоляционных
конструкций даже при незначительных перенапряжениях. Например, в
карьерных приключатеярпыл пунктах около 30% аварии происходит вслсд-
гтяие перекрытия и выхода из^строя загрязненных изоляционных кон-
струкций внутри оболочки J9].	_
/_Следоватсльно, условия горного производства, с одной стороны, объек-
тивно ослабляют защитные свойства и сопротивляемость организма к элек-
трическому току, повышая опасность электропоражения, а с другой - по-
вышают аварийность обслуживаемого электрооборудования. Последнее	.	------------г---------	м
ведет не только к образованию источников опасности поражения работаю-	десятилетие. На рудниках черной металлургии динамика электро-
щих, но и способствует проявлению ослабленных свойств организма чело- магизма характеризуется уменьшением числа травм на 74%, а на карье-
века при восстановлениях отказов и ремонтных работах. Все это опре- ? Уровень электротравматизма имеет тенденцию к росту. На рудниках
деляет особую опасность применения электроэнергии и тяжелую специфи- ” рьерах цветнои металлургии уровень электротравматизма за 1956-
ку эксплуатации электрооборудования «-шахтах и на карьерах. ,	гг’ °Ь1Л снижен на 74%* а за последующие пять лет Л973-1077 гг 1
Электротехнические факторы и условия. На уровни безопасности и
надежности электроснабжения при замыканиях на землю оказывает влия-
ние ряд электротехнических факторов. К основным из них можно отнести:
схему электроснабжения горно-технологических машин и комплексов,
структуру и конструктивные особенности высоковольтных электросистем, добывается'на карьерах'	*'“''*''**	—.......—н/мо,
электрические параметры сетей, режим нейтрали сетей, селективность и в табл ] , и ₽2 ₽ теданы с1а1ис1ические даннь,е п0 рилнчным „
надежность действия защитного отключения, надежность средств релейной лям горнодо6ывающей промь1ШЛекности, которые позволяют проанализи-
защигы и автоматики, способ выполнения защитного заземления.	ровать основные причины возникновения электротравм и их распределе-
Анализ показывает, что наиболее существенным фактором, определяю- me по величине рабочего напряжения сети (данные - за период 1966-
щнм параметры, условия возникновения замыканий на землю, а также гг, цифрЫ последних лет не вносят существенных изменений в рас-
выбор технических мер и средств борьбы с замыканиями, является режим пределение электротравм; в скобках в табл. 1.1 приведены данные для
нейтрали сетей 6-10 кВ. Таким образом, влияние рассмотренных горно-сравнения за Предь1дущее десятилетие)
технологических факторов и условий имеет объективный характер и опре- Из-табл,-l-.-1-следует,-что подавляющ§е_большинство электропоражений
деляет специфику эксплуатации электроустановок, которую при разработ-црОцЗОщЛО результате-однополюсного .соприкосновения.людей -с-токо-
ке мер и средств борьбы с замыканиями на землю можно только учиты-веДуЩИМИ частями, электроустановок. Причем .на открытых работах вы-
вать, в то время как таким существенным электротехническим фактором,деляютсяпоражения из-за нарушения технических-меродриятий-при-работах
как режим изолированной нейтрали электроустановок, можно в зависи-ПОд напряжением, ошибочной подачи напряжения во время, ремонтов,
мости от условий специально управлять, оказывая влияние на повышениеОсмотров и хл..
уровней безопасности и надежности в высоковольтных электросистемах	......	......
карьеров и шахт	1 Использованы опубликованные статистические данные МГИ, МакНИИ, ВНИИБТГ
Н	(1977-1983 гг.) (7,8 и др.].
1977 гг. был снижен на 74%, а за последующие пять лет (1973-1977 гг.)
этот показатель возрос и достиг уровня 1956 г.
За период 1956—1983 гг. в среднем по угольной промышленности, чер-
ной и цветной металлургии на открытые разработки приходится соответ-
ственно 30, 70 и 65% от общего числа электротравм. Последние два значс-
' ния объясняются тем, что в горнорудной промышленности около 80% руды
7
Значителен также удельный вес причин, связанных с ошибочными дей-
ствиями и невнимательностью персонала (например, в шахтах и рудниках —
около половины, а на карьерах и разрезах — около одной четверти от об-
щего числа электротравм). Одной.ид причин, ведущих к такого рода
электропоражениям, является острый дефицит времени, испытываемый
ремонтным персоналом при ликвидации аварий, в том числе связанных
с повреждениями изоляции электрооборудования. Среди электротравм
по группе обстоятельств, приведших к несчастным случаям, наибольшая
доля падает на замыкания на корпус электроустановок из-за поврежде-
ний изоляции или снижения ее уровня ниже допустимого.
~|~На открытых горных разработках при напряжении свыше 1000 В пре-
валируют электротравмы в электроустановках напряжением 6 кВ, при-
чем наиболее опасными видами электроустановок являются воздушные
линии электропередач и открытые распредустройства (приключательные
пункты) напряжением 6 кВ, а также электрооборудование экскаваторов,
буровых станков и трассы питающих их кабельных линий._}
Г" Электропоражения при пусконаладочных и ремонтно-монтажных рабо-
тах на распредустройствах и приключательных пунктах напряжением 6 кВ
по угольным разрезам составляют около 21%, а по рудным карьерам —
около 30% от общего количества. Причиной большинства электротравм
в данном случае, в сочетании с упомянутым выше дефицитом времени,
служат отсутствие надежных блокировок, разрушение их во время частых
перемещений электрооборудования, а также применение приключательных
пунктов, не соответствующих условиям эксплуатации
8
Таблица 1.1
Оаю.нме прнчяпь, ,лсктротра»„„„,м1
Причина поражения	Процсн-	L°T °6Щ,ГО	5лсктротраям по отраслям				
	Мин- угле- пром	Мин- о- мет	Мин- цвет- мст	Мин- ут ле- пром	Мнн- чер-	Мин- нвет-
Открытые разработк! 1 Прикосновение к токо-	аэ 4 ведущим частям электро-	гят о установок В том числе случайное каса- ' ние: к оголенным проводам, 24 узлам токоприемников' к контактному проводу	10,1 к кабелям и проводам	5 1 с нарушенной изоляцией при работе без снятия	36 7 напряжения при ошибочной подаче	8 9 напряжения во время ремонтов, осмотров и тл. прочие	7 6 2. Прикосновение к частям	16,8 электроустановок, машин и механизмов, оказавших- ся под напряжением В том числе вследствие: замыканий на корпус	7,6 при повреждениях изо- ляции или снижениях се уровня ниже допус- тимого дефектов монтажа,	- токоведущих и зазем- ляющих жил касания машин и меха-	- низмов проводов ЛЭП прочие	9,2		90,8 (96) 35,4 10,8 (26,6) 3 30.8 9,2 1.6 9.2 3 5,2	83 (86,2) 27 2 (Ю.5) 5 8 8 14 17,0 10	Подзем! 73,4 (67.9) 9.7 37.1 (25) 8.1 8,9 7.2 2.4 26,6 25 1.6	<ыс разр 100 (74,2) 18,8 75 (32,3) 6,2	аботки 69 (82.1) 25 25 (12.8) 6 6 7 31,0 25 6
Несмотря на то что в шахтах на подземные кабельные сети напряжением
6 кВ приходится наименьшая доля электропоражений (в среднем за 1966—
1975 гг. 14,5%), в последующие отдельные годы - в 1976 и 1982 гг. - число
несчастных случаев превышало указанный уровень в 2 раза. Одной из суще-
ственных причин этого положения следует считать отсутствие в шахтных
сетях 6 кВ зашиты от замыканий на землю, а также недостаточность и
непланомерность профилактических мер по осмотру и ремонту подзем-
ных кабельных сетей.
Таким образом, анализ основных показателей электротравматизма в
в горнодобывающих отраслях показывает на недостаточное совершенст-
9
^спртлслевн'е мокгротрзвм в зависимости от рабочего напряжения сети
Распределение электротравм по отраслям					% к итогу		
Напряжение сети	Мин- угле- пром	Мин- чер- мст	Мин- цвет- мет	Напряжение сети	Мин- угле- пром	Мин- чер- мет	Мин- цпет- мет
Открытые р Свыше 1000 В	79,8 В том числе	13,5 1,5 кВ постоян- ного тока До 1000 В	20,2		аботы 89,8 32,7 10,2	81,7 8,3 18,3	По Свыше 1000 В До 1000 В В том числе 250-275 В постоянного тока (кон- тактная сеть)	пемные работы 14,5	22,5	18,8 85,5	77,5	81,2 37,1	29	21,2		
во уровня обслуживания и эксплуатации электроустановок и сетей на-
пряжением свыше 1000 В на карьерах, разрезах и шахтаэт
Темпы снижения злектротравматиэма в сетях свыше 1000 В в горной
промышленности и его рост в отдельные годы нельзя признать удовлет-
верительными. В этих условиях важнейшим направлением повышения безо-
пасности остается борьба с замыканиями на землю на основе создания
и внедрения надежных защит от замыканий на землю для шахт, разре-
зов и карьеров и эффективных средств автоматической зашиты персо-
нала от поражения электрическим током для сетей 6-10 кВ разрезов и
карьеров.
3.	АНАЛИЗ ДАННЫХ ПО ЗАМЫКАНИЯМ НА ЗЕМЛЮ
И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 6-10 кВ
Токи_замыкания_на землю. В распределительных сетях 6 кВ карьеров
и ддольных разрезов токи (металличе_ского однофазного) замыкания на
землю_уаще_нс_превышают 10 А и в редких случаях достигают 15—20 А.
.Наиболее вероятные значения доков замыкания на землю в сетях 6 кВ
рудных карьеров лежат в диапазоне 5-10 А [10], а в сетях угольных раз-
резов ^4--8-А.—
В подземных распределительных сетях 6 кВ угольных шахт токи замыка-
ния на землю при обособленном питании подземных потребителей в боль-
шинстве (80%) случаев не превышают 40 А, в том числе примерно в 60%
шахт токи замыкания не превышают 20 А. Так, согласно статистическим
данным [11] по 52 шахтам производственных объединений’’Донецкуголь”
.Макеевуголь и ’’Карагандауголь” в 77% угольных шахт токи замыка-’
ния на землю находятся в диапазоне 3,5-34 А, в том числе 52 3% шахт
имеют токи замыкания 3,5-12 А. При этом для 17,5% шахт ’наиболее
вероятный диапазон токов замыкания 35-70 А и лишь в единичных слу-
чаях (2 шахты) ток замыкания превышает 70 А, а именно равен 102 А.
г-- Ста1ИСЛ1ка однофазньрх ^мыканий на землю. В карьерных распредели-
Lтеплых сетях однофазные замыкания на землю (033) являются наиболее
10
“ зВХ^^РСЖД'НИЙ (Д0 80% 01 всех	Интенсивность
ft-10 kR 7" Зсмлю’ приходящаяся на одну обособленную сеть
зависимости	транс*°РМЭТ0Ра) карьера или угольного разреза, в
участков сети и	аТИ’ ециниц работающего оборудования,
до 25 замыканий 1и’ и™яиии электроустановок составляет от 15
г хшиТ» т™* жт(2-3
тми о ш кв) в зависимости от климатических
^ХиГв^^На^08™ ЧИ™ 033 М₽ЬИ₽УСТ °	3°°™“ -
до 700-800 замыкан™^ КаРЬеР“ " УГ°ЛЬНЬ,Х ра3рвМХ наб"ю™1ет“
Одной из причин возникновения повреждений фазной изоляции в этих
сетях, как известно, является ее электрический пробой из-за внутреи^х
перенапряжении при дуговых и металлических 033, а также вследствие
образования в изоляции под действием электрических и механических воз-
действии микротрещин, которые, развиваясь, приобретают характер про-
водящих каналов. Это наиболее характерно для концевых разделок кабе-
лей, экскаваторных перемычек, загрязненных или имеющих дефекты
изоляторов воздушной линии, электросетевых устройств и электрообору-
дования горных машин.
Часть возникших однофазных повреждений изоляции, как показывает
статистика [9, 10], переходит в междуфазные короткие замыкания или
двойные замыкания на землю (в среднем до 10%) - в более сложные и
опасные аварийные состояния сети. Наибольшая доля многоместных
повреждений по видам электрооборудования приходится на гибкие кабе-
ли (0,74) и сетевое электрооборудование экскаваторов (0,21), т.е. на эле-
менты системы электроснабжения, имеющие наименьший запас электри-
ческой прочности изоляции [10].
Согласно различным статистическим данным [9, 10, 12, 13] 60-80%
всех повреждении элементов систем электроснабжения карьеров и уголь-
ных разрезов приходится на кабельные и воздушные ЛЭП, а до 20% —
на электрооборудование экскаваторов. Статистика также показывает, что
если в кабельных сетях карьеров и угольных разрезов вследствие износа
изоляции жил, шланга или их починок приходится до 85% однофазных про-
боев, то в воздушных сетях на долю электрических пробоев или пере-
крытий изоляторов по различным причинам (дефекты, разрушение изоля-
торов во время взрывных работ, воздействие перенапряжений, окружаю-
щей среды и др.) приходится 15—20% от общего числа отказов.
Среди мест, подверженных 033 в электрооборудовании экскаваторов,
наиболее уязвимыми являются кабельные перемычки и заделки (до 25%),
токоприемные кольца, вводной ящик (до 30%) и приводкой двигатель
(до 25%)  в приключательных пунктах - приходные и опорные изоляторы
(70-80%), а в передвижных подстанциях - проходные, опорные изолято-
ры кабельные перемычки (60—70%).
Электрооборудование шагающих экскаваторов также находится под
воздействием характерных для открытых работ климатических и эксплуа-
гациониых факторов, и их повреждаемость существенным образом влияет
” Х^ноиь экскаватора в целом и суммарное время простоев из-за по-
на надежной	ов На электрооборудование приходится 25% от
ХТо'Ха отказов шагающих экскаваторов ЭШ-10/60 и ЭШ-10/70А.
работающих на угольных разрезах Кузбасса [14]. Наибольшая доля по-
вреждений приходится на электрические машины — 54,4%, цепи управле-
ния — 17,9%, высоковольтное распредустройство — 8,9%. В электрических
машинах переменного тока наибольшее число отказов падает на обмотку
статора - 71,1%. В блоке управления подавляющее число отказов зареги-
стрировано на станции управления главными приводами (48,5%). Повреж-
дения кабельных перемычек 6 кВ, проложенных внутри экскаватора,
составляют около 13% от всех учтенных отказов элементов электрообору-
дования экскаватора, ..причем максимальные значения потока отказов на
один экскаватор определены в апреле-мае (0,44) и сентябре-октябре
(0,54), т.е. в период повышения относительной влажности воздуха и коли-
чество осадков.
Ниже, в табл. 1.3 приведены показатели надежности шагающих экскава-
торов ЭШ-10/60 и ЭШ-10/70А и их высоковольтного электрооборудова-
ния с различными элементами [14].
В распределительных сетях 6 кВ шахт 033 также преобладают — 75—85%
от замыканий всех видов.
В зависимости от протяженности всей сети и состояния изоляции под-
земных и поверхностных электроустановок число 033 на одной шахте
варьирует от 40 до 120 замыканий в год. Так, в сетях 6 кВ шахты ”Ново-
Центральная” ПО ’’Донецкуголь” в среднем в год наблюдалось 80 033
(400 замыканий за 5 лет), причем в среднем имели место каждые 130 ч
кратковременные самоустраняющиеся 033 с длительностью до 2 с, а
каждые 500 ч — устойчивые 033 [15]. Ввиду отсутствия в шахтных
высоковольтных сетях селективной защиты от 033 последние требуют
для своего отыскания поочередного отключения силовых кабелей, от-
ходящих от центральной подземной подстанции. Часть 033 переходит в
междуфазные замыкания, которые также ведут к отключению участков
сети вдоль одного присоединения ввиду неселективности максимально-
токовой защиты в высоковольтных ячейках.
Таблица 1.3
Показатели кадежиосп, электрооборудовании шагамщ„х экскаваторов		
Экскаватор и его элементы	Наработка на отказ, ч (календарное время)	Среднее вре- мя восста-
Экскаватор в целом				
Высоковольтное электрооборудование В том числе:	532 998	28 3,84
"СРеМЫЧК" "» >№	1221	3,83
ТО же в высоковольтном токоприем-	1435	з
ТО же в высоковольтном распред- устройстве	799	3,63
высоковольтный токоприемник Синхронный двигатель	804	5,18
Высоковольтное распредустройство	1421 900	7,8
——				4,44
12				
Анализ повреждаемости элементов (кабелей, проложенных в верти-
кальных стволах и горизонтальных выработках, вводных, секционных и
фидерных ячеек, трансформаторных подстанций, высоковольтных элект-
родвигателей) системы электроснабжения 6 кВ угольных шахт различных
бассейнов (Донбасс, Караганда, Кузбасс) [15-17 и др.] показывает, что
на кабельные линии приходится до 60% от общего числа повреждений,
вызванных электрическим пробоем изоляции.
Силовые трансформаторы различных типов, встроенные в шахтные
передвижные подстанции, дают до 33% отказов, таких, как пробой на
корпус изоляции обмотки высокого напряжения (ВН), пробой на анцап-
фах обмотки ВН, витковое замыкание обмотки ВН и др. [16]. Следо-
вательно, на электрический пробой изоляции (на землю или между токо-
ведущими фазами) приходится наибольшая доля аварийных поврежде-
ний основных элементов систем электроснабжения карьеров и угольных
шахт,
4.	ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ АВАРИЙНЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ
И ПРОСТОЕВ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Статистические данные по аварийным отключениям потребителей при
повреждениях изоляции рассмотренных выше видов электрооборудова-
ния на карьерах и угольных разрезах [13, 18, 19 и др.] показывают, что
из-за неселективной работы исправных защит от 033 и самоустраняю-
щихся замыканий наблюдается значительная доля (до 52%) отключений
линий. Неселективные отключения возникают в 1,7-2 раза чаще, чем
селективные отключения при устойчивых 033. Среднее время простоя
при одном неселективном отключении, включая время запуска экскавато-
ра и в зависимости от системы электроснабжения и технологии горных
работ (цикличной, циклично -поточной или поточной), лежит в пределах
0,25-1 ч.
В табл. 1.4 приведены в качестве наиболее типичного применения при-
чины и статистические параметры аварийных отключений ЛЭП-6 кВ по
’’Алексеевскому” и ’’Чкаловскому” карьерам (Орджоникидзиевского
ГОК) за 1981 г. [19].
Имеющиеся статистические данные по угольным разрезам различных
ПО также показывают, что наибольшее число отключений линий проис-
ходит по причинам неселективной работы защит от 033 и самоустраняю-
щихся замыканий. Так, на разрезах ПО ’’Экибастузуголь” по указанным
причинам каждый экскаватор, находящийся в работе, в среднем простаи-
вает по 8,8 ч в год [13]. При этом только по этой причине суммарное
время простоя экскаваторного парка одного разреза может достигать
200-300 ч в год.
При устойчивых 033 среднее время простоя в 4-5 раза больше време-
ни простоя при неселективной работе защит и самоустраняющихся 033
и находится в пределах 0,9-1,2 ч, а среднее время восстановления отказов
при возникновении двух- или трехфазных коротких замыканий (при
переходе однофазного замыкания в многоместное повреждение) состав-
ляет 1—2 ч.
В подземных высоковольтных сетях шахт отсутствие селективной
защиты от 033 значительно увеличивает время восстановления питания
Таблица 1.4
Причины и статистические параметры аварийных отключений
Типы защиты, отклю- чившей линию	Причина отключе- ния	Параметр потока отключений со (г), 1/ч	Среднее время восстановления питания Тв, мин
Защита от 033	Замыкания на землю устойчивые самоустраняющиеся Неселективная рабо- та защиты Итого: Макслмально-токо- Короткие замыкания вая защита от корот-	устойчивые ких замыканий	самоустраняющиеся Неселективная работа защиты Итого:		29  10"’	52,5 39 • 10-’ 48,5 • 10"’	25,5 15  10-’	49 310"’	60 1,4 Ю"’	44 4,9  10-’	8 8,03  10-’	55,7	
линий, так как отыскание устойчивых замыканий на землю требует пооче-
редного отключения отходящих от центральной подземной подстанции
(ЦПП) кабелей. Часть своевременно не отключенных 033 переходит в
междуфазные замыкания, которые из-за отсутствия продольной селектив-
ности максимально-токовых защит ведут к каскадному отключению участ-
ков сети вдоль присоединения. Все это также приводит к неоправданным
простоям добычных участков шахт. Но интенсивность возникновения
замыканий на землю в шахтных сетях 6 кВ на порядок и более ниже, чем
в карьерных распределительных сетях.
Кроме того, отсутствуют защиты от 033 и вместе с этим такая достаточ-
но ущербная причина простоев, как ’’неселективные отключения при
033”. Поэтому оцениваемый экономический ущерб от простоев, вызван-
ных замыканиями на землю, для одного карьера и разреза будет в
7-10 раз выше, чем для шахты.
Экономическая эффективность мер и средств борьбы с замыканиями
на землю будет рассмотрена в гл. 6.
5.	РОЛЬ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ
В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСЛОВИЙ НАДЕЖНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ
Опыт эксплуатации распределительных сетей напряжением 6-35 кВ и
проведенные исследования в Советском Союзе и за рубежом показывают,
что на уровни надежности работы сетей и безопасности их обслуживания
при металлических и дуговых 033 существенное влияние оказывает не
только величина тока, протекающего через место замыкания, но и харак-
тер этого тока. Эти параметры, в свою очередь, определяются режимом
(состоянием) изолированной нейтрали [1-4], зависящим, как известно,
от характера и величины сопротивления между нулевой точкой питаю-
щего трансформатора (или генератора) и землей.
Согласно § 1-7-5, гл. 1-7 ПУЭ-76 [6], изолированной нейтралью называ-
14
ется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к зазем-
ляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализа-
ции, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реакторы и подобные
им устройства, имеющие большое сопротивление. В пределах соответствую-
щего изолированной нейтрали коэффициента замыкания на землю 1,73
указанное сопротивление может иметь следующие практически возможные
значения:
A)	ZQ - нулевая точка (нейтраль) трансформатора не соединена с
землей;
Б) Zo = Xl — Хс, нейтраль трансформатора соединена с землей через
индуктивное сопротивление Х^ (дугогасящий реактор — ДГР), равное
или близкое по величине к емкостному сопротивлению Хс фаз сети
относительно земли (настроено в резонанс);
В)	Zo = Ra > Хс, нейтраль трансформатора соединена с землей через
достаточно большое активное сопротивление, по величине равное или
большее Хс.
От режима нейтрали непосредственно зависят следующие важнейшие
факторы, определяющие надежность и безопасность работы сети [20]:
уровень изоляции разрабатываемого электрооборудования;
возможность развития повреждений изоляции при 033;
степень электрического износа оборудования;
условия работы и сложность выполнения защиты от 033;
бесперебойность электроснабжения потребителей;
условия безопасности обслуживания электроустановок;
подверженность изоляции электрооборудования феррорезонансным
перенапряжениям в нормальном режиме работы сети.
На основе обобщения результатов исследований и опыта эксплуатации
сетей 6-35 кВ [9, 20-26 и др.] ниже приведены качественные харак-
теристики различных режимов изолированной нейтрали применительно
к распределительным электрическим сетям 6-10 кВ карьеров, уголь-
ных разрезов и шахт, питающих электроустановки с повышенной опас-
ностью обслуживания и требующие защитного отключения при замыка-
ниях на землю:
Режим изолированной Zo - 00
нейтрали (характер Zo)
Ток замыкания на землю 1С -
Zo = XL - 1/3 иС
Снижается в зависи-
мости от степени
настройки реакто-
ра в резонанс
Внутренние перенапря-
жения
Максимальная крат-
ность перенапряжений
на неповрежденных
фазах при дуговых 033
Максимальная крат-
ность перенапряжений
на поврежденной фазе
Zo = Яа > Хс
Увеличивается не-
значительно при
металлическом
033 и снижается
при замыкании
через переходные
сопротивления
Самые низкие
2,2-2,4
Самые высокие
3,4-3,7
2,5
В допустимых пре-
делах
2,5-2,7
15
Релейная зашита от замыканий на землю	Ненадежна и подвержена не- селективным действиям	Отностельно слож- ная с действием только на сигнал	Простая, удовлет- ворительная и до- статочно селек- тивная
Напряжения прикосно- вения на заземленных корпусах при 033	Увеличено по сравнению с на- пряжением при- косновения при металлических 033 в 5-6 раз	Снижено в 1,2- 2,2 раза	Снижено в 1,4 - 2,7 раза (при Za//c=0,5vl)
Бесперебойность элек-	Низкая	Удовлетворитель-	Относительно высокая
троснабжения потреби-			
телей Повреждаемость изоля- ции от феррорезонанс- ных перенапряжений в нормальном режиме	Возможна	Возможна в мень- шей степени	Практически исключена
сети Опасность шаговых	Часто может	Незначительная	Незначительная
напряжений вблизи повреждений	быть дл тельной		
Из приведенных выше данных видно, что справедливо выбранный в
свое время режим нейтрали со свободной (не соединенной с землей) ну-
левой точкой трансформатора при прочих условиях сегодня уже не отве-
чает изменившимся требованиям надежности и безопасности и новым
условиям эксплуатации.
Для карьерных сетей 6-10 кВ имеется в виду массовое внедрение уст-
ройств защиты от 033 для обеспечения требования селективного отклю-
чения поврежденного присоединения, укрупнение и разветвление воз-
душно-кабельных сетей, повышение единичной мощности экскаваторов,
интенсификация горных работ и ужесточение требований к бесперебой-
ности электроснабжения (непрерывности технологического процесса
добычи). Для шахтных сетей 6-10 кВ это прежде всего необходимость
.защитного отключения поврежденного присоединения и обеспечения элект-
ро и пожаробезопасности замыканий на землю, а также повышение
требований к бесперебойности питания горных машин и комплексов.
Кроме того, с переходом с 6 на 10 кВ в подземных сетях соответственно
вырастут токи замыкания на землю, а изоляция кабелей и электрообо-
рудования при существующих запасах электрической прочности станет
более уязвимой к перенапряжениям при дуговых 033.
Все эти принципиальные изменения и новые факторы вступают в яв-
ное противоречие с традиционно существующим режимом нейтрали, при-
водя к значительному снижению надежности электроснабжения и мате-
риальному ущербу от простоев.
Отсюда следует, что режим изолированной нейтрали высоковольтных
электрических сетей карьеров, разрезов и шахт требует оптимизации,
т.е. он должен — в зависимости от требований электробезопасности в сетях
с различными токами замыканий на землю, бесперебойности электрос-
набжения и экономических критериев — быть эффективно управляемым
и достаточно гибким в пределах системы или нескольких систем для од-
нотипных условий. Режим изолированной нейтрали с незаземленной че-
рез ДГР или высокоомный резистор нулевой точкой органически не об-
16
ладает указанной гибкостью и способностью ’’реагировать” на рассмот-
ренные выше различные изменения в системе.
Режим Б изолированной нейтрали с компенсацией емкостных то-
ков замыкания на землю при токах замыкания до 15-20 А, как правило,
не применяется, а в шахтных сетях 6 кВ применяется редко (только в
сетях с токами замыкания свыше 3040 А). что с технической (элект-
ро и пожаробезопасность) и экономической точек зрения следует считать
вполне оправданным. В этих сетях, питающих передвижные электроус-
тановки с повышенной электроопасностью правила [141 требуют обяза-
тельного применения защит от 033, действующих на отключение.
Но имеются предложения об отказе от действия защиты на отключе-
ние и о применении вместо нее устройств компенсации (емкостных и
даже полных) токов замыкания на землю. Они основаны на внешне, оче-
видном предположении, что при достаточно точной компенсации емкост-
ного или полного тока замыкания на землю можно устранить опасность
электро поражения людей при попадании под напряжение, а также пожа-
ров.
Рассмотрим условия безопасности в сетях 6-10 кВ карьеров и шахт,
работающих в режиме ”Б”.
Карьерные распределительные сети (КРС) 6-10 кВ с ДГР в нейтрали.
При существующих малых токах 033 (в большей части КРС в диапазо-
не 5-7 А) и значительной их вариации в процессе работы (0,35-1 от пре-
дельного значения) практически невозможна резонансная настройка ДГР
и сильно затруднено обеспечение селективности направленных и токовых
защит от 033. Если предположить, что при помоши автоматически ре-
гулируемого ДГР и дополнительной сложной системы авторегулирова-
ния все же удастся скомпенсировать установившийся емкостной ток 033
основной частоты и активную составляющую тока, то остаточный ток
замыкания, обусловленный высшими гармониками, будет достигать 5-
10% от тока основной частоты.
Кроме того, можно показать, что в сети с ДГР остаются нескомпснси-
рованными свободные емкостные токи переходного режима, с броска-
ми значительной амплитуды, возникающие в начальный момент замы-
кания фазы на землю или при перемежающемся замыкании при каждом
зажигании заземляющей дуги. Кратность амплитуд бросков этого тока
по отношению к установившемуся току достигает 3040 раз [23]. До-
полнигельно с этим появляется медленно затухающая свободная состав-
ляющая индуктивного тока ДГР. В сетях 6 кВ в зависимости от тока 033
в пределах 140 А полное время затухания свободной составляющей ин-
дуктивного тока при металлическом или дуговом замыкании находит-
ся в пределах 0,7-0,14 с. При этом начальная амплитуда броска индуктив-
ного тока при переходе напряжения поврежденной фазы через нуль имеет
наибольшее значение: 1,411с.
При длительном горении заземляющих дуг, которые не исключены
в сети с ДГР без защитного отключения (за счет остаточных токов и выс-
ших гармонических составляющих), многократное возникновение мед-
ленно затухающего свободного тока при больших токах металлического
033 также создает опасные напряжения прикосновения на заземленных
корпусах электрооборудования или шаговые напряжения вблизи них.
2. Зак. 318
Эти напряжения по величине и особенно по длительности значительно
превосходят аналогичные напряжения, возникающие в сетях без ДГР
даже без защитного отключения (например, в сельских распределитель-
ных сетях 3-10 кВ).
Следовательно, результатирующий ток 033, состоящий из емкостного
и индуктивного свободных токов компенсации, в течение столь длитель-
ного промежутка времени будет, безусловно, опасным [7] как при по-
падании человека под фазное напряжение, так и под напряжение прикос-
новения на заземленных корпусах электроустановок (или под напряжение
шага вблизи них).
Шахтные подземные электрические сети 6 — 10 кВ с ДГР в нейтрали.
В этих сетях условия поражения людей при прикосновении к токоведу-
шим частям или заземленным частям электроустановок, оказавшимся
под напряжением, будут еще более опасны ввиду более высоких (в 2 — 3
и более раз) значений токов металлического 033. Вместе с тем немало-
важной является также возможность возникновения реальной опасности
пожаров, особенно от возгорания кабелей при длительном существова-
нии дугового замыкания на землю (от остаточных токов и высших гар-
монических составляющих), постоянно подпитывающегося при каждом
зажигании дуги медленно затухающим (0,15 - 0,5 с) свободным током,
в 1,41 раза превосходящим амплитудное значение установившегося тока
металлического 033.
Таким образом, применение режима изолированной нейтрали с ком-
пенсацией емкостных (или полных) токов замыкания на землю и выте-
кающий отсюда отказ от действия защиты на отключейие в электричес-
ких сетях 6 - 10 кВ карьеров и шахт являются недопустимыми по усло-
виям электро- и пожаробезопасности. Совместное же применение ДГР
с автоматическими системами автокомпенсации, имеющими относитель-
но медленное время настройки в резонанс (порядка 3 — 5 с), с релейной
защитой, действующей на отключение в пределах требуемых длительнос-
тей срабатывания (0,2 — 0,3 с), противоречит самой цели осуществления
компенсации.
Для существующих условий КРС 6 — 10 кВ с токами замыкания до
10 А и шахтных сетей 6 кВ (а в ближайшее время — напряжением 10 кВ)
с токами замыкания до 20 А наиболее рациональной альтернативной яв-
ляется применение режима изолированной нейтрали (”В”) с подключен-
ным к ней высокоомным резистором, значение которого должно лежать
в пределах 00 >	> Xq При этом действие защиты на отключение не толь-
ко сохраняется, но и при оптимальном значении резистора обеспечиваются
надлежащие условия для ее надежной и селективной работы,
В шахтных сетях 6 - 10 кВ с токами 033 свыше 20 А, где увеличение
полного тока замыкания по условиям электробезопасности (длитель-
но допустимые напряжения прикосновения на заземленных корпусах)
нежелательно, в виде временного решения возможно применение стати-
ческих ДГР в нейтрали в режиме недокомпенсации, снижающих ток за-
мыкания при любых вариациях емкости сети настолько, чтобы сохранить
условия безопасности и селективного действия устройств защитного от-
ключения.
®	„ “ТЯХ C 1оками замыкания свыше 20 А наиболее рациональ-
ным на перспективу является применение режима нейтрали "В" совмест-
но с обычной селективной защитой, действующей на отключение, и быст-
родействующим автоматическим замыканием на землю
фазы.
поврежденной
6.	АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
В СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ
И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ
На карьерах и угольных разрезах, как было показано в п. 2 настоя-
щей главы, более 50% случаев поражения электрическим током, в том
числе со смертельным исходом, происходят при обслуживании и ремон-
те электрооборудования (на экскаваторах, прикпючательных пунктах)
и воздушных распределительных сетей 6-10 кВ. Значительная часть
электротравм имеет место при ремонтах и устранении неисправностей
в результате неправильных или ошибочных действий обслуживающего
персонала. При этом наиболее характерным грубым нарушением Правил
техники безопасности (ПТБ) является работа без предварительного снятия
напряжения с токоведущих частей электроустановок.
Так, на протяжении последних 10-15 лет доля электропораженнй
из-за непосредственного прикосновения к токоведущим частям в карьер-
ных сетях 6 - 10 кВ примерно постоянна - 65 - 75% от общего коли-
чества. В этих условиях наряду с оптимизацией режима нейтрали элект-
росистемы повышается роль автоматических защитных устройств в по-
вышении уровня безопасности и надежности электроснабжения при за-
мыканиях на землю.
К числу таких средств относятся прежде всего устройства зашиты от
033, эффективность которых всецело определяется надежностью и се-
лективностью их работы. Применение эффективно действующих защит
от 033 может снять достаточно большую часть неоправданных простоев
(до 30 - 40%), обусловленных ложными срабатываниями и неселектив-
ными и групповыми отключениями).
В п. 4 данной главы было показано, что доля самоустраняющихся крат-
ковременных 033 в карьерных сетях также значительная - достигает
25% от всех замыканий. Эффективным средством борьбы с такими за-
мыканиями может служить автоматическое устройство быстродействую-
щего замыкания на землю поврежденной фазы сети (УЗФ), взаимодейст-
вующее по максимально упрощенной схеме в принципиально новой роли —
для повышения бесперебойности электроснабжения при самоустраняю-
щихся и дуговых 033 без предъявления жестких и труднообеспечивае-
мых требований обеспечения безопасности прикосновения человека к
токоведушей части электроустановки [7].
Как известно, многолетние исследования и разработки различных ва-
риантов УЗФ для сетей 6 - 10 кВ, предназначенных в первую очередь
для зашиты от электропоражения, ввиду трудности, а в некоторых усло-
виях практической невозможности удовлетворения требованиям электро-
безопасности в нагруженных и протяженных сетях 6 кВ карьеров до сих
пор не вышли из стадии сложных экспериментальных образцов.
19
Поэтому наиболее реальный путь эффективного использования токо-
ограничивающего свойства защитного шунтирования места однофазного
повреждения изоляции - это придание УЗФ роли, ведущей к упрощению
требований к ней и соответственно ее структуры и всей схемы. При этом
УЗФ становится дополнением селективной защиты от замыканий на зем-
лю взамен АПВ, отключающих (хотя и на короткое время) сеть. Последние
не получили распространения ввиду трудности обеспечения самозапуска
синхронных сетевых двигателей экскаваторов; неуспешный самозапуск
последних может вести к длительным (до 1 ч) простоям. Аналогичное
взаимодействие селективной зашиты от 033 и УЗФ может быть осущест-
влено на основе требований обеспечения безопасности прикосновения
к заземленным частям электроустановок, оказавшимся под напряжением,
и пожаробезопасности в шахтных сетях 6 - 10 кВ с токами 033 свыше
20 А.
Что касается целесообразности специальной зашиты от электропора-
жения обслуживающего и ремонтного персонала карьеров и шахт при
непосредственном прикосновении человека к токоведущей части элект-
роустановки с использованием УЗФ, то более рациональными представ-
ляются ориентация на ликвидацию предпосылок, ведущих к такого рода
прикосновениям, - на ликвидацию грубых нарушений ПТБ путем повы-
шения эффективности организационных и технических мероприятий, - а
также повышение эксплуатационной надежности, улучшение организации
обслуживания и ремонта электрооборудования и оптимизация режима
нейтрали как комплексная мера борьбы с замыканиями на землю во всех
ее проявлениях.
Глава 2
КРИТЕРИИ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА
ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ 6-10 кВ
1.	ФАКТОРЫ ВЫБОРА И КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6-10 кВ
Как показано выше, существующий режим нейтрали электрических
сетей напряжением 6—10 кВ угольных разрезов, карьеров и шахт не явля-
ется оптимальным и в виду явного несоответствия современным условиям
эксплуатации ведет к ощутимому материальному ущербу от простоев тех-
нологических машин, к снижению уровня надежности и безопасности элект-
носнабжения по следующим причинам:
повышенные кратности внутренних перенапряжений, ведущих к разви-
тию однофазных и многоместных повреждений изоляции сети и электро-
оборудования при дуговых перемежающихся 033;
склонность к феррорезонансным перенапряжениям в нормальном режи-
ме и при дуговых или кратковременных самоустраняющихся 033;
помехи нулевой последовательности в сети, особенно в режиме отклю-
чения присоединения с 033, ведущие к ложным неселективным срабаты-
ваниям исправленных устройств защиты и соответственно к неоправдан-
20
ным простоям потребителей на отдельных присоединениях или во всей
сети;
повышенные напряжения прикосновения на заземленных корпусах
электрооборудования (и шага вокруг них) при дуговых 033;
пониженная надежность и чувствительность срабатывания устройств
защиты от 033 в сетях с относительно малыми токами замыкания на
землю (до 2,5-3 А).
На рис. 2.1. показаны факторы выбора и критерии оптимизации ре-
жима изолированной нейтрали распределительных сетей 6-10 кВ. Для
создания условий повышения уровня надежности и безопасности эксплуа-
тации в этих сетях режим нейтрали должен комплексно удовлетворять
предъявленным критериям оптимизации, исходя из следующих условий.
а)	минимум тока, проходящего через человека (расчетное электричес-
кое сопротивление тела человека — 0,7—0,9 кОм) при непосредственном при-
косновении к токоведущей части электроустановки;
б)	ограничение до допустимых величин напряжений прикосновения
на корпусах электрооборудования при полных (металлических) и дуго-
вых замыканиях на землю;
в)	ограничение кратности внутренних и ликвидации феррорезонанс-
ных перенапряжений при дуговых и металлических замыканиях на землю
(снижение ущерба от повреждений элементов сети и электрооборудова-
ния) при соблюдении условий ”а” и ”б”;
г)	снижение ложных (неселективных) срабатываний защит от 033 и
неоправданных отключений потребителей за счет глубокого ограничения
уровня и длительности помех в сети (снижение ущерба от простоев добыч-
ных машин) при выполнении условий ”а” и ”б”.
В гл. 1 было показано, что для существующих условий карьерных рас-
пределительных сетей 6—10 кВ с токами 033 до 10 А и шахтных сетей
6 и 10* кВ с токами 033 до 20 А наиболее приемлемым является режим
изолированной нейтрали с подключенным к ней высокоомным резистором,
сопротивление которого должно лежать в пределах °® > Ra > X
Поскольку для рассмотренного альтернативного режима нейтрали
с ДГР максимальная эффективность емкостной компенсации достигается
при резонансе, когда коэффициент расстройки ДГР равен нулю [20], то
для режима с высокоомным резистором в нейтрали наибольшая эффек-
тивность имеет место только при определенном значении резистора при
данном токе 033 в сети. Поэтому значение резистора в нейтрали, которое
в заданных границах вариации тока 033 в сети будет удовлетворять усло-
вию обеспечения уровня электробезопасности не ниже, чем в режиме без
резистора (Zo = °°), и обеспечивать на основе предъявленных выше крите-
риев экономически выгодное снижение ущерба от простоев из-за аварий-
ных отключений и повреждений (повышение надежности электроснабже-
ния) при заданных капитальных затратах, будем называть ’’оптимальным”.
Рассмотрим влияние высокоомного резистора в нейтрали на основ-
ные параметры, определяющие надежность и безопасность электроснаб-
жения при замыканиях на землю для выбора оптимальных значений этого
резистора.
2.	ВЛИЯНИЕ РЕЗИСТОРА В НЕЙТРАЛИ НА ТОКИ
ПОРАЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ ПРИКОСНОВЕНИИ
К ТОКОВЕДУЩЕЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ
В электрических сетях 6—10 кВ карьеров и шахт активное и индук-
тивное сопротивления элементов сети малы по сравнению с расчетным
сопротивлением тела человека (700—3000 Ом) и практически не влияют
на характер переходного и установившегося процессов замыкания на зем-
лю. Поэтому при расчетах переходного и установившего режимов 033
в сети с резистором в нейтрали принята схема замещения нулевой после-
довательности, представленная на рис. 22.
Здесь обозначения следующие:
(/ф — напряжение фазы относительно земли в нормальном режиме до
момента замыкания, t/ф = l,4W+sin(wr + ф);
;а и ic — токи, проходящие через человека, резистор в нейтрали (ак-
тивная составляющая) и через емкость фаз сети соответственно;
. Ла и ЗС — сопротивление тела человека, сопротивление резистора
в нейтрали и емкость фаз сети относительно земли соответственно;
ф— начальный угол напряжения в момент замыкания.
Выражение для тока, проходящего через тело человека, в сети с резис-
тором в нейтрали (полученное на основании схемы замещения рис. 22)
•Перспективный уровень напряжения в шахтных распределительных сетях.
22
будет иметь вид
*ч(0 = 1,4-1 j /ч sin (wr + ф - </?) +
Г	11
+ — sinji -AsinW - ер< ,	(2.!)
рч	j j
где 1Ч — действующее значение тока, проходящего через человека, /ч =
={7ф/12| ; Z — модуль комплексного сопротивления схемы замещения,
Z = { [Яч + R^d (Rа2 + Д$) ]2 + [RlX2c/R2a * Xj]2 } И; р - корень харак-
теристического уравнения, р = - (R4 + Ra')/3R4RaC; - угол, на который
принужденная составляющая тока /ч опережает напряжение поврежденной
фазы до замыкания,
= -arctg [Ла2 ад (ЛЛ2 +	+ Я.*с) ] 
Для большей общности и компактности дальнейшего анализа выразим
Ra, Хс и R4 соответственно через токи I а = Ц,//?., JC = и /ч.м =
=С/ф//?ч, а последние отнесем к емкостному току замыкания /с, являюще-
муся одним из основных параметров сети с изолированной нейтралью:
/а» = ^аДс» = 1 и 4.м‘" А.м/^С-
Тогда относительный действующий ток, проходящий через человека, в
реальной сети с конечной емкостью фаз и сопротивлением в нейтрали бу-
дет иметь вид
/,.=	+	+ !)]’ +!/(/’.+1)Ч’Й.	(2-2)
где 1Ч м» - наибольший относительный ток, который мог бы пройти через
тело "человека при бесконечно большой емкости сети или глухом заземле-
г- 23
нин нейтрали и при пренебрежимо малом сопротивлении фаз сети, /ч,м. ,
= иф/кч/с.
В сетях 6-10 кВ при 1С = 1-20 А и Лч = 704H3000 Ом относительное
значение тока может меняться в пределах 0,1-12, причем меньшие значе-
ния этого тока соответствуют сетям с большими токами замыкания.
Решив уравнение bZlbRa = 0, можно показать, что минимум тока
/ч • достигается при сопротивлении в нейтрали
/г. = -^-|хс+ (Х2с+ <)й|	(2.з)
2/?ч |	J
Для фиксированных значений/чм* функция /ч«	имеет минимум
в точке
/,.= 2/[Z,.M.+ «м,. + 4)и].	(2.4)
На рис. 23. представлены зависимости установившегося тока через
тело человека от активной составляющей тока замыкания (в относитель-
ных единицах) при/ч.м« = 0,К-20. Из этих зависимостей следует, что при
создании через место замыкания дополнительного активного тока в пре-
делах /а» = 0,4-М и наиболее вероятных величинах /ч м* < 5 (соответствует
1С > 0,77 А в сетях 6 кВ и 4? > 13 А в сетях 10 кВ) ток/ч* не превышает
своих значений в сети без высокоомного резистора в нейтрали. В точке
минимума токи /ч* снижаются (в зависимости от /ч.м») на 10-12% в от-
личие от случая безЛа в нейтрали.
Следовательно, пользуясь выражениями (23), (2.4) или зависимостя-
ми 4* =/(4*)> можно подобрать резистор такой оптимальной величины,
включение которого в нейтраль сети не приведет к увеличению установив-
шегося тока замыкания на землю по сравнению с режимом незаземленной
(свободной) нейтрали (рис. 23).
Чтобы представить выражение (2.1) в относительных единицах, для
обобщенной оценки действующих значений токов через человека при их
кратковременных воздействиях (при наличии в сети быстродействующих
автоматических защитных устройств, например защитного замыкания
на землю поврежденной фазы, ограничивающих длительность прохожде-
ния тока через человека до допустимого времени /t), заменим токи/ч на
и составляющую U^{R4 на /ч.м*. В этом выражении также вместо
будет угол
=-arctg [/ ц м./(1+/J. + /a.м>)].	(2.5)
Входящая в выражение (2.1) составляющая свободного тока, пропор-
циональная / ч.м, носит характер кратковременного импульса, причем
его начальное значение /ч.м sim// не зависит от активного тока. Вторая сос-
тавляющая, пропорциональная току I ч и зависящая от I а, в начале пе-
реходного процесса компенсирует принужденную составляющую.
Действующее значение относительного тока за время t\ определялось
из выражения
24
Расчеты токов по выражению (2.6) при длительностях их прохожде-
ния в интервале - 0,02-Ю,003 с и различных параметрах /а«, м.и
выполненные [21] на ЭВМ, показали, что при прочих равных условиях
значения токов через Яч = 70СН900 Ом в сети с резистором в нейтрали при
4* - 0,4-ЮЗ по сравнению со случаем без резистора в нейтрали различаются
не более чем на ±10%.
3.	ВЛИЯНИЕ РЕЗИСТОРА В НЕЙТРАЛИ
НА НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА
Поскольку напряжения прикосновения, возникающие на заземленных
корпусах электрооборудования, и напряжения шага при металлических
и дуговых замыканиях на землю определяются током 033 (стекающим
с заземлителя), рассмотрим влияние высокоомного резистора в нейтрали
сети на действующее значение этого тока в переходном и установившемся
режимах. В начале замыкания на землю, а также на протяжении всего про-
цесса горения перемежающейся (или прерывистой) дуги возникают сво-
бодные и установившиеся токи.
Для воздушно-кабельной или кабельной сети, представленной в виде
последовательного L , ЗС,Я3 контура, включенного на мгновенное фазное
напряжение = t/,„coswf, свободную составляющую емкостного тока
с достаточной для практических расчетов точностью можно определить
из выражения [22,23]
, =2*2e-6'sin0/.	(2.7)
0/,
Здесь 5 — коэффициент затухания свободного тока:
6 = Я3/2А,
где L — индуктивность цепи тока замыкания на землю, Гн; R3 — переход-
ное сопротивление замыкания на землю, Ом;
0 - угловая частота собственных колебаний:
0 = (<4 - 62)й = ()?2/4L2-i/3LC)’4,
где
(1/3IC)14;
ЗС - суммарная емкость фаз сети относительно земли, мкФ- Так как
U = 1 4l/r/3wC и учитывая, что в момент пробоя изоляции (дугового
замыкания на землю) напряжение на поврежденной фазе У„.ф повышает-
я в * , Р» №- отношению к максимальному фазному напряжению до
замыкания Офт за счет накопления статических зарядов емкостей, выра-
жение (2.7) можно представить в виде
(2.8)

Значение броска тока замыкания в начальный момент времени (г 0)
в сети с высокоомным резистором в централи согласно выражению ( . )
25
пропорционально t^sin#S3 и не зависит от активного тока. Поэтому
учет коэффициента кратности кUt согласно методике проф. ИЛ1. Сироту
[24], позволяет на основе выражения (2.8) для свободного емкостного
тока в сети с незаземленной нейтралью произвести сравнительную оценку
соответствующих свободных токов для любого режима нейтрали, в тоу
числе с высокоомным заземлением. Анализ показывает, что для реальных
параметров карьерных сетей 6—10 кВ и шахтных сетей 6 кВ со0 > § и
при сопротивлении замыкания на землю, равном сопротивлению карьер,
ной или шахтной заземляющей сети соответственно 4 или 2 Ом (считая
сопротивление дуги незначительным), можно в выражении (2.8) принять
0 = wo-
При нескольких повторяющихся один за другим погасаниях и зажига-
ниях дуги повторяются также броски свободного тока, действующее зна-
чение которого за один период (Т = 0,02 с) вычисляется по формуле
(2.9)
/с г/	+
4| 5|
(210)
(2.11)
Интегрируя, получаем
//2 dt = 212с~к]L/e-26rsin2co0zdr = 2ZJ.—
о св с w2 ио
е~гьт
+ ---------— (6.cos2cj07' + w0sin2co073 •
4(S+coo)	J
Ввиду достаточной малости постоянной времени Т для условий карьер-
ных и шахтных сетей 6-10 кВ примем е-26 = 00, а относительно малой
второй составляющей выражения (2.10) можно пренебречь. Тогда смюста-
точной для практических расчетов точностью можно записать
Г ,	, „ O0wS
fi2dt -2I2k2 ------~-
о ?“	с и 4со26
Подставляя значения w0, w, 5 в выражение (2.11), с учетом С = ЗС/фЩ/
//с и формулы (2.9) имеем
/св = WSkutWclRJ* V	(2.12)
Действующие значения полного тока дугового замыкания на землю = ЗЯас = 1с11лы =
и напряжения прикосновения на заземленном электрооборудовании нахо-
дятся по формулам
I/ А = (/е. + ^р)'л; Ч.р = Мз,	(2.13)
где /Пр = Zc ~ действующее значение емкостного тока металлического
033 в сети без резистора в нейтрали; /пр = 1,166/с - действующее значе-
ние тока металлического 033 в сети с резистором Яа = 1,66ХС в нейтрали-
Согласно имеющимся различным теориям возникновения максималь- >
ных дуговых перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью (Петер-
сена, Петерса и Слепяна, НН.Белякова [25]) принимается, что появляю-
ржджая------------------- -------------------------------------• ’
(2 14)
место с фазным напряжением промышленной частоты I/. определяется
восстановление напряжения на поврежденной фазе;
^посст.п.ф = ^см + Уфт-
Напряжения смещения нейтрали оцениваются соответственно:
а)	по теории Петерсена [22]:
2	2
^см - 3 5y^ncp = _уО0 -3,85£/фт = 2,5С/фт,
где Sy = 1 - d = 00 - коэффициент утечки по изоляции,d = /R//c; (/пер -
предельное значение напряжения на поврежденной фазе.
б)	по теории Петерса и Слепяна (при повторном зажигании дуги — че-
рез период после первого зажигания) [22]
^см“^У^Ф"| =
в)	по теории Белякова Н.Н. [25]
UСМ “ ^фт+ ^п.г/2= Уфт + T?eMt)/n/2 = 1,2(/фт,
где ипл. = Пв^фт ~ 0,4С/фШ - наибольшее напряжение на поврежденной
фазе после погасания дуги; % = 0,4 — начальный коэффициент восстанов-
ления электрической прочности изоляции при дуговом замыкании на
землю.
Подставляя в выражение (2.14) значения U'см.получающиеся согласно
упомянутым выше теориям, получим кратности напряжений на поврежден-
ной фазе, приведенные в табл.2.1:
кц = О'см* ^фт)1^фт •	(—15)
При дуговом замыкании в сети с высокоомным резистором в нейтрали
в промежутке времени от 0 до 772 (от момента погасания дуги) коэффи-
циент успокоения колебаний d = 1 - 8у будет увеличенным (в зависимости
от значения сопротивления в нейтрали) за счет стекания зарядов через
резистор. Напряжение смешения нейтрали будет
^м(п = <4„е-Л = Ум<0'01^-.	(2.16)
где 7\ - постоянная времени контура нулевой последовательности, 7\ —
- l/w/a»;Z - длительность, равная половине периода'ос-
новной частоты, t = Т/2 ; 001 с.
Расчеты по выражению (2.16) с учетом приведенных выше напряжений
смещения нейтрали U' дают значения кратностей напряжений на повреж-
денной фазе,приведенные в табл.2.1.
Для дальнейших расчетов напряжений прикосновения с учетом имею-
щихся экспериментальных данных (табл. 2.1) принимаем значения мак-
симальных кратностей напряжения на поврежденной фазе в сети соответ-
ственно без резистора и с резистором в нейтрали: ки^„^ = 2,7;	=
= 1,15.
____	____________ _________________ *________________________ На рис. 2.4 приведены рассчитанные согласно выражениям (2.12) и
щееся после гашения заземляющей дуги напряжение смещения нейтрали (2.13) зависимости напряжений прикосновения на заземленном электро-
остается постоянным до нового зажигания и этим напряжением сов- оборудовании и действующих значений токов дугового замыкания на зем-
if?
Таблица 2.1 Кратности перенапряжений на поврежденной фазе в сетях 6-1			кВ
Характеристика сети с изолированной нейтралью	Максимальные значе- чения кратности ки	Способ определе- ния	Источник
Нейтраль «свобод-	33	Расчет	По Петерсену [22] пая» (Zo = ~), ка-	13	”	По Петерсу и Слепя- бельная сеть с коэф-	НУ [22] фи циентом утечки	2,2	”	По НЯ. Белякову по изоляции	[25] 6у = 1 - d = 0,9 Нейтраль’’свобод-	1,75—2,63	Эксперимент	По И.С. Самойлови- ная” (Zo = ~),	чу [91 карьерная сеть Нейтраль заземлена 1-при/а*=1	Расчет	По Н.Н. Белякову через высокоомный 1,15 при 4*= 0,6	[25] резистор при	0,95-1 Д5	Эксперимент	По данным автора I а» = 1-Ю,6 Нейтраль заземлена	1,55	Эксперимент	По ФА. Лихачеву через ду гогасяший	[22] реактор, настроенный близко к резонансу со степенью Кп = L[J Uc=l,3,d = fRIIC = = 005 Нейтраль«свободная> 0-0,05	Расчет, экспери- По данным автора (Zo =“) или заземле-	мент на через высокоомный резистор/а*= 1-Ю ,6, но с автоматическим устройством защитного закорачивания на зем- лю поврежденной фа- зы сети			
лю от емкостного тока замыкания в карьерных сетях би 10 кВ с различ-
ным режимом нейтрали.
Рассчитанные максимальные кратности бросков действующего значения
свободной составляющей по отношению к установившемуся емкостному
току металлического 033 в сети без резистора и с резистором в нейтрали
кц <х>) и Kj(R) , а также кратности снижения действующих значений свобод-
ных токов и напряжений прикосновения в сети с резистором в нейтрали
карьерной сети 6 кВ
3/ = ^/(°о)/^/(Я) = ^СВ(оо)/4п(Я) > 0U =	(~) /t/np
см. ниже:
Емкостный ток 033, А	1	3	5	7	10
£/(<»)	30,5	17,5	13,6	11,4	9,6
kiw	13	73	5,8	49	4,1
Pi	2,34	2 34	234	2 34	2,34
Ри	2,33	231	2,3	2,28	2 Д7
Увеличение относительного активного тока /,. от 0,6 до I незначительно
‘снижает коэффициент Зс/ (на 10—12%), а дальнейшее повышение активного
тока заметно нс изменяет кратность ку, но приводит к некоторому повы-
шению напряжений прикосновения и шага.
Из приведенных выше данных видно, что если кратность снижения дей-
ствующих значений свободных токов независимо от емкостного тока пос-
тоянна, то кратность снижения напряжения прикосновения с увеличением
/с несколько снижается за счет влияния доли активного тока в сети с резис-
тором в нейтрали. Однако в целом снижение действующих значений напря-
жений прикосновения и шага в сетях с высокоомным резистором в нейтра-
ли по сравнению с сетями со ’’свободной” нейтралью более чем в 2 раза
является существенным фактором обеспечения электробезопасности при
дуговых перемежающихся замыканиях на землю, даже при наличии селек-
тивных защит, реагирующих на дуговые 033. Одновременно с этим дос-
таточно высокие уровни действующих значений токов дугового 033 и
напряжений прикосновения на заземленном электрооборудовании (см.
рис. 2.4) подтверждают потенциальную электроопасность режима изоли-
рованной ’’свободной” нейтрали.
4.	ВЛИЯНИЕ РЕЗИСТОРА В НЕЙТРАЛИ
НА УРОВНИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ
В ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
В сетях с изолированной нейтралью замыкания на землю приводят
к возникновению перенапряжений, которые являются причиной боль-
шинства повреждений, особенно в кабельных сетях. Характер повреждения
в сети зависит от состояния изоляции элементов сети и кратности пере-
напряжений. Последняя определяется как отношение максимального
значения перенапряжения к максимальному значению фазного напряжения
сети перед возникновением замыкания на землю. Но уровни изоляции
и возникающих перенапряжений взаимозависимы, так как при слабой
изоляции сети повышается вероятность дуговых 033, являясь причиной
больших кратностей перенапряжений, чем при металлических 033.
29
Как известно, существует несколько теорий, описывающих процесс
возникновения перемежающегося дугового замыкания на землю в высоко-
вольтных сетях с изолированной нейтралью. Впервые объяснение меха-
низма образования дуговых перенапряжений с оценкой их максимальных
кратностей было дано Петерсеном в 1918г.
Согласно классической теории Петерсена, погасание дуги происходит
при прохождении через нуль тока высокочастотных свободных колебаний,
и дуга вновь зажигается при максимуме напряжения на поврежденной
фазе. При этом цикл погасания и зажигания дуги повторяется каждый
полупериод промышленной частоты сети, а максимальные перенапряжения
на фазах постепенно возрастают за счет нарастающего постоянного на-
напряжения смещения нейтрали. Эти перенапряжения достигают наибольших
значений через несколько периодов. С учетом затуханий колебаний и огра-
ничивающего влияния междуфазных емкостей, которыми поврежденная
фаза связана с неповрежденными, предельные значения перенапряжений
по Петерсону составляют t/nep. н.ф. = (3,9*4,17) (7ф, что превышает
значения по всем остальным.
По теории Петерса и Слепяна, дуга гаснет в момент прохождения через
нуль тока промышленной частоты и снова зажигается через половину
периода этой частоты, т.е. повторные зажигания происходят регулярно
через каждый период при максимальном значении напряжения на повреж-
денной фазе - при первом и всех последующих зажиганиях соответственно
±U$ и ±2£/ф. Наибольшие перенапряжения при этом достигаются на втором
периоде промышленной частоты. На неповрежденных фазах эти перенапря-
жения при повторном зажигании будут равны 3,5 £/ф. После каждого
гашения заземляющей дуги постоянное напряжение смещения остается
равным -t/ф. С учетом затухания за время первой четверти полупериода
свободных колебаний, а также стекания свободных зарядов через прово-
димости утечек (высоковольтных обмоток трансформаторов НТМИ)
за время 0,01 с при 6У =1 - d=0,9 кратность перенапряжений на неповреж-
денных фазах не превысит 3,1,
Очень часто имеет место такое протекание процесса, при котором, сог-
ласно теории Н.Н. Белякова [25], гашение дуги на продолжительное время
возможно, только если первый максимум восстанавливающего напряжения
на поврежденной фазе не превосходит некоторое критическое значение
Чьг» характеризующее диэлектрическую прочность дугового проме-
жутка для времени, равного полупериоду свободных колебаний.
Напряжение смещения нейтрали после гашения дуги и затухания коле-
баний одинаково для любых заземляющих дуг (на поверхностях
изоляторов, в щелевых дефектах, в пазу машины, в кабельной муфте,
в воздухе или другой среде) :
^см=^ф +М1.г/2 =иф +0,4£/ф/2 =1,2С/ф .	(2.17)
Максимально возможные перенапряжения на неповрежденных фазах
с учетом затуханий и междуфазных емкостей находятся из выражения
^пер.н.ф=Задф8ш(^з+ЗО°)+((/фЯП^3-:/см)Лм6у=3,2аф , (2.18)
где 1^=68°- угол зажигания (между током дуги и напряжением повреж-
денной фазы) при котором имеет место максимальное перенапряжение;
ц тельн°е напряжение смещения постоянного уровня, £/см
бамийГизза	учитъ,вающий уменьшение амплитуды колс-
С ™/ ЗО ; ^уФ“^и9емкос™ С М, *М = С/(С + СМ) =0,75 (здесь
пг™^\™->"УппСЛ0ВИЯ восстановления электрической прочности дугового
йрмипр ппиямирГ^СаНИЯ И зажигания заземляющей дуги оказывают сущест-
в	а возможные кратности перенапряжений, следует иметь
в виду, что при реальных замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ характер
процесса в отдельные отрезки времени может с той или иной степенью при
ближения соответствовать каждой из рассмотренных выше теорий или
соответствовать какой-либо одной из них.
Для условий, когда электрическая прочность изоляции восстанавливает-
ся сравнительно медленно (например, при свободно горящей на открытом
воздухе дуге), дуга гаснет при переходе через нуль тока промышленной
частоты и высокочастотные свободные составляющие практически затух-
нут, а характер процесса и кратности перенапряжений наиболее удовлет-
ворительно могут соответствовать теории Петерса и Слепяна.
В случаях, когда электрическая прочность изоляции восстанавливает-
ся весьма быстро, например когда дуга горит в узкой щели (в кабельной
муфте, трещине компаунда и т.п.), под маслом или других стесненных
условиях, то гашение дуги наиболее вероятно при переходе через нуль
тока высокочастотных свободных колебаний, что соответствует теории
Петерсена, дающей наибольший предел перенапряжений.
Ввиду того что электрическая прочность дугового промежутка не может
восстанавливаться мгновенно, довольно часто наблюдается промежуточ-
ное положение, когда заземляющая дуга пытается погаснуть при каждом
прохождении тока дуги через нуль, но через малую долю периода соб-
ственных колебаний дуга зажигается вновь из-за пробоя промежутка во
время восстановления напряжения на нем до первого максимума С/П,г-
Восстанавливающееся напряжение на поврежденной фазе сначала повышает
электрическую прочность промежутка i/Kp; происходят кратковременные
’’клевки” повторных зажиганий, до тех пор, пока С7п.г не станет меньше
акр и дуга погаснет окончательно. Этот процесс развития дугового замы-
кали на землю достаточно близко описывается теорией Н.Н. ьелякова,
дающей наибольшее приближение к условиям возникновения П‘Р™’ПР«-
жений при перемежающихся 033 в воздушно-кабельных сетях 6-10 кВ
карьеров и кабельных сетях 6 кВ шахт.	Аункиия
Полученная экспериментально для карьерных сетей 6 кВ функция
распределения макисмальных перенапряжении I ,
F(tn)=exp[-e-3<‘"-,'”)]
показывает, что предельная кратность,с вероятностью 0,02
может иметь место или превышена в,ре^ыны:X,
близка к расчетной, получающейся по р	сетях 6-35 кВ [20,
Выполненные в СССР и за рубежом ис	высокоомного резне-
24-32] показывают, что при	“о величин, ®и>
тора по мере увеличения	возможные перенапряжения на
меримых с емкостным током замы »
и
и
и
тивным сопротивлением в нейтрали /а. =0,5 (по Н.Н. Белякову |26|)
U3W • 1/ЗД2 - напряжения отстающей и опережающей неповрежденных фаз; Un - на-
пряжение поврежденной фазы; I — ток дуги; U3 — напряжение зажигания; 3 и UJ3-
линейные напряжения
Рис. 2.6. Зависимости максимальных перенапряжений на неповрежденных фазах (кри-
вая /) и времени затухания свободной составляющей напряжений НП (кривая 2) от
относительного активного тока замыкания на землю
Зоны оптимизации: I - по Гп; II - по АгПСр. 1П = 4//a»w < 1с.з ~ (2-5 + >»5) ' 10“’ с
неповрежденных фазах существенно снижаются. Это достигается за счет
того, что за время каждой бестоковой паузы (за промежуток времени
между гашением и новым зажиганием дуги) накопленные на фазовых
емкостях сети статические заряды успевают разрядиться через сопротив-
ления резистора R3 в нейтрали, т.е. стекают в землю. При этом напряжение
нейтрали, накладывающееся на фазные напряжения, стремится к нулю,
что снижает уровни возможных перенапряжений в фазах сети.
На рис. 2.5 показан процесс образования максимальных перенапряже-
ний в трехфазной сети и с активным сопротивлением в нейтрали /а, = 0,5,
по Н.Н. Белякову [26].
(2.23)
Напряжение смещения нейтрали в теме™.
зажигания в сети с резистором в нейтрал^?еГ[2бГ 01 Гашения до нового
усм =-4>(sin фг.„-оДе-'д"'..,
где 0Г.М - фаза гашения, при которой имеет „	(2’20)
ние смещения при данном активном токе °, наибольш« напряже-
(4. + 1)); ,а -вре^ХХ^Я^г“г’ГС5т(1°’2/2--
= (03.М - 0г.м)/оз; 0,.м = 68° = тт/2 64 лТ НОВОГО за*’,гания. <Д =
фазы в момент зажигания, при котп^о Ф напРяжения поврежденной
При /а. = 0,5 т 1 фаза фг „ Г. °™Р°“ "'Р'^ряжения максимальны,
согласно формуле (2.20) имеем	). времятэ -0,0071 -0,0057 с.
<(.„ = - (0.347 40,131) (Л
ГГ	С2-21)
Подставляя значения напряжения смещения в выражение (2 181 „„„„
нТхФ“заТ™ РаСЧе™Ые “ пеРеналРяжений™а неповреищен*
^пер.н ф = (2,59-2,44) {/ф.	(222)
Считая, что наибольшее начальное напряжение смещения, равное 12 (А,
образуется при гашении дул, на максимуме напряжения говреждГнно^
фазы, и приняв длительность гд - 0,01 с, можно с достаточным приближе-
нием оценить перенапряжения в сети с резистором в нейтрали, подставив
в формулу (2.18) упрощенное выражение
£/см = -1,2(/фе-0’01 ^а..
При этом соответственно имеем
^пер.н.ф = (2,5-2,38) С/ф.	(2.24)
При принятой минимально возможной длительности бестоковой паузы
в один полупериод (0,01 с) можно показать, что в диапазоне активных
токов /а. = 1 4- 0,4 постоянная времени разряда фазных емкостей (без
учета индуктивности контура нулевой последовательности) Тр = 1//а. ш
теоретически не превысит 0,01 с, что подтверждает возможность эффек-
тивного ограничения перенапряжений, глубина которого будет определять-
ся выбранным значением активного тока замыкания в указанном диапа-
зоне.
Анализ выражения (2.18) с учетом формул (2.20) или (2.23) показы-
вает, что дальнейшее увеличение относительной активной составляющей
тока замыкания /а, > 1 не ведет к заметному снижению кратностей пере-
напряжений, которые при напряжении смещения, приближающемся к нулю,
стремятся к предельному значению 2,35.
На рис 2 6 (кривая /) показана зависимость максимальных перенап-
ряжений на неповрежденных фазах от соотношения активной и емкостной
составляющих тока замыкания на землю. Зависимость построена по выра-
жснию (2.18) С учетом формулы (2.20), из которой видно, что оттаиболь-
шей кратности 32, соответствующей сети с изолированной нейтралью
при Ra = со, перенапряжения уменьшаются по. мере роста активной отстав-
ляющей тока замыкания на землю. Предельное снижение кратности до
величин 2,35 наступает при = 12, а при = 1 кратность составляет 2,4.
3. Зак. 318
33
Имеются данные по зарубежному опыту (Канада, США, ПНР, СРР)
эксплуатации воздушных и кабельных сетей среднего напряжения 2,4-
13 8 15-20 и 30 кВ с резисторами в нейтрали различной величины [30-
34] .’ Так, в кабельной сети 6 кВ целлюлозно-бумажной фабрики (ПНР)
с емкостным током 033 20 А создание дополнительного активного тока
порядка 50-80 А включением в нейтраль резистора Ra <ХС привело к рез-
кому сокращению числа повреждении электродвигателей за счет снижения
уровней перенапряжений при дуговых 033, к снижению числа повреж-
дений изоляции в сети, а также дало ряд ощутимых преимуществ по повы-
шению надежности срабатывания устройств релейной защиты от 033.
Несмотря на достигнутую в этих условиях эффективность действия резис-
тора в нейтрали, следует заметить следующее. Создание через место замы-
кания активного тока, превышающего по значению емкостной ток в сети
в 1,5-4 раза и более, положительно влияет на поведение дуги (теряется
перемежающийся характер и дуга становится более устойчивой), но являет-
ся бесполезным с точки зрения ограничения перенапряжений и неоптималь-
ным из условий электробезопасности (см. гл. 2, п. 3).
Как показали измерения (совместно с В.В. Назаровым) в сетях 6 и
10 кВ, создание активного тока замыкания, равного 0,5-0,7 от емкостно-
го, включением в нейтраль высокоомного резистора существенно ускоряет
процесс разряда емкостей сети (постоянная времени снижается до (5-7)-
• 10“3 с, в результате чего уровни перенапряжений при дуговых 033 не
превышают 2,3 (/ф).
Следовательно, выбор оптимального значения резистора в нейтрали
сетей 6-10 кВ целесообразно производить в диапазоне относительных
активных токов замыкания на землю /3. - 0,5 1.
5. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФЕРРОРЕЗОНАНСА В СЕТИ
С ВЫСОКООМНЫМ РЕЗИСТОРОМ В НЕЙТРАЛИ
В нормальном режиме работы (при отсутствии 033) в сетях с изо-
лированной нейтралью, особенно в карьерных распределительных сетях
с токами замыкания на землю до 5 А, наблюдаются феррорезонансные
процессы, сопровождающиеся повышениями напряжений фаз и нейтрали.
Основной причиной этих явлений считают взаимодействие фазных емкос-
тей сети с нелинейными индуктивностями намагничивания малонагру-
женных трансформаторов напряжения (НТМИ, ЗНОМ, НОМ), высоковольт-
ные обмотки которых соединены с землей.
Первопричиной самопроизвольного феррорезонансного процесса обычно
могут послужить неидентичность характеристик намагничивания фазных
обмоток трансформатора напряжения (TH), несимметрия емкостей фаз
относительно земли или повышение рабочего напряжения сети. Так, если
создалось хотя бы одно из упомянутых выше условий, при котором на
одной из фаз TH начальное действующее значение напряжения стало боль-
ше, чем на двух других, то этот режим становится неустойчивым и может
привести соответственно к дополнительному снижению сопротивления
намагничивания и увеличению тока в данной фазе TH.
Напряжение на фазе еще больше возрастает, что сопровождается даль-
нейшим увеличением тока и более глу&эким насыщением магнитопрово-
ад
да и т.д. Повышение напряжения опций
НИЯ нейтрали сети, что ведет к увеличат ызывает смешение налряже-
фазах.	Увеличению напряжения на двух других
Благодаря наличию активных ппта™. «
нитопроводах TH повышение напряжений’ ’	’ обмотках " маг’
определенным (но небезопасным для ТН1 п "еи1р“и[ °гРа™чивается
условиях токи в фазах TH достигают пределом (35-37). В этих
ших номинальные, что ведет к перегоранию™1’ ” десятки Iй3 "ревышаю-
му повреждению высоковольтг^ГобмоТок "!*ДОХранИ1«'ей и™ «™obo-
ров напряжения. Возникновение беппопе-ю еРИтельных трансформато-
ной частоте сети так и п™ ™ Ф'РРорезонанса возможно как на основ-
ной частоте^ сети, так и при Искаженной форме кривой напряжения На
счет нелинейности индуктивностей намагничивания ТН) „а вТСгармо
никах или на субгармониках.	’	гармо-
Появление напряжения НП, сопровождающееся протеканием токов
НП, аналогичных по амплитудам и фазам условию реального замыкания
на землю, может привести также к ложным срабатываниям защит от 033
Исследованию феррорезонансных процессов в сетях 6-35 кВ посвящен
ряд работ [35 38 и др.]. Однако эти процессы еще нс полностью изучены,
особенно для условий сетей 6—10 кВ карьеров, обладающих благоприят-
ным для возникновения феррорезоианса числом и топологическим распо-
ложением в сети индуктивных проводимостей на землю трансформаторов
напряжения типа НТМИ-б(Ю), а также постоянно изменяющимися во
времени активным и емкостным сопротивлениями фаз сети относительно
земли.
Вследствие значительного разброса характеристик намагничивания
НТМИ, даже в пределах одного и того же типа, различия начальных условий
(распределения начальных напряжений на емкостях) возникновения фер-
рорезонанса, а также принятого значения угла потерь в стали магнитопро-
вода НТМИ (этот угол колеблется от 10 до 30° в зависимости от степени
насыщения магнитопровода) и допущений (например, неучет нагрузок
фазовых обмоток, сопротивления рассеяния первичных обмоток НТМИ
и т.п.) теоретически вывести границы параметров сети, при которых невоз-
можен феррорезонанс, можно лишь весьма приближенно. Вместе с тем на
основании имеющихся исследований [35-38] можно констатировать,
что условия возникновения феррорезонанса сильно зависят от наличия
активных потерь (проводимостей утечек относительно земли) в сети,
а также потерь в обмотках и магнитопроводах НТМИ (определяемых
активным сопротивлением первичной обмотки и углом потерь в стали
магнитопровода).
Предотвращение феррорезонанса в различных условиях его проявления
принципиально возможно за счет одного из следующих мероприятии;
повышение линейности характеристик намагничивания измерительных
TH, в частности НТМИ-б(Ю);	.-и.лтп.тн
включение добавочных сопротивлении в цепи первичных обмоток TH
или в цепь заземления первичных обмоток,	тн-
включение нагрузки на вторичные фазные илн нулевые обмотки ТН,
заземление нейтрали сети через дугогасящий реактор или через высоко-
омный резистор оптимальной величины.
Первое мероприятие практически трудно выполнимо, а отказ от транс-
Рис. 2.7. Осциллограмма отключения устойчивого замыкания на землю с превышени-
ем тока 1ц в цепи заземления первичных обмоток НТМИ-6
форматоров типа НТМИ в масштабах горной промышленности экономи-
чески не оправдан. Постоянное включение добавочного сопротивления в
цепь заземления или нулевых обмоток НТМИ позволяет создать актив-
ную составляющую тока замыкания не более чем 10-15%. Исследования
автора показывают, что эти меры не полностью устраняют ферро резонанс-
ные перенапряжения.
Кроме того, другой причиной выхода из строя трансформаторов НТМИ
являются опасные токи, возникающие в их высоковольтных обмотках
при дуговых замыканиях на землю. При этом токи разряда емкостей
неповрежденных фаз ввиду малости активных проводимостей изоляции
фаз стекают в землю через упомянутые обмотки, достигая значений 1,5—
2,5 А, что в 7-15 раз превышает длительно допустимую для них величину
тока. Это ведет к относительно частым повреждениям НТМИ в сетях при
перемежающихся 033 и несрабатываниях релейной защиты или длитель-
ном существовании устойчивого замыкания на землю.
На рис. 2.7 показана осциллограмма отключения устойчивого 033
с кратковременным превышением тока 1ц в цепи заземления первичных
обмоток НТМИ-6, а на рис. 2.8, с, б - осциллограммы дугового перемежаю-
щегося 033 с длительным превышением тока 1ц со стадией отключения в
сети с изолированной нейтралью (7С = 3,8 А).
На рис. 25 показана осциллограмма дугового перемежающегося 033
в той же сети, но с активным сопротивлением 2,7 кОм в нейтрали НТМИ,
из которой видно, что броски токов в обмотках трансформатора значи-
тельно снижаются, но их действующие значения все же превышают в 2-3 ра-
за длительно допустимые для обмоток, т.е. эта мера недостаточна.
Поэтому с точки зрения защиты трансформаторов от повреждений
как при самопроизвольных смещениях нейтрали, так и при дуговых 033
более кардинальной и комплексной мерой является заземление нейтрали
сети через высокоомный резистор.
Анализ условий предотвращения феррорезонанса [38] показал, что
при наличии в сети 6 кВ с емкостным током замыкания до 4,8 А одного
Рис. 2.9. Осциллограмма дугового перемежающегося 033 в сети 6 кВ (Jc - 3,8 А) с
активным сопротивлением 2,7 кОм в нейтрали НТМИ-6
трансформатора напряжения НТМИ-6 с заземленной нейтралью достаточно
создать активный ток замыкания на землю не менее 1,5 А. Соответственно
в сети 10 кВ с емкостным током замыкания до 8 А значение дополнитель-
ного активного тока, предотвращающего феррорезонансные процессы,
должно быть не менее 2,5 А. Это соответствует дополнительному актив-
ному току не менее 0,31 от емкостного.
Согласно экспериментальным данным автора, полученным совместно
с В.В. Назаровым в карьерных распределительных сетях 6 кВ Иршинского
ГОКа и сетях 10 кВ сельскохозяйственного назначения с токами 033
до 6 А создание активного тока замыкания на землю порядка 0,5-0,6 от
37
Рис. 2.10. Осциллограмма дугового перемежающегося 033 в сети 6 кВ (1С = 3,8 А)
с высокоомным резистором в нейтрали сети при /а* = 0,5
емкостного полностью исключает возможность феррорезонасных процес-
сов и является эффективной мерой против повреждений трансформаторов
типа НТМИ.
На рис. 2.10 представлена осциллограмма дугового перемежающегося
замыкания на землю в сети 6 кВ с активным высокоомным сопротивлени-
ем в нейтрали (/а, = 0,5, резистор включен в нулевую точку трансфор-
матора собственных нужд типа ТМ-25/6). Из этой осциллограммы видно
резкое снижение тока в нейтрали НТМИ по сравнению с предыдущим
случаем (рис. 2.9), а также снижение кратностей перенапряжений на непов-
режденных фазах В и С по сравнению со случаем без высокоомного резис-
тора (рис. 2.8,а, б).
Следовательно, значение резистора, выбранное из условия безопасности
и ограничения перенапряжений при замыканиях на землю, является вполне
достаточным для предотвращения феррорезонанса в сети.
6.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ
ЛОЖНЫХ (НЕСЕЛЕКТИВНЫХ) СРАБАТЫВАНИЙ ЗАЩИТ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Результаты экспериментальных исследований
ИГД им. А.А. Скочинского были проведены в карьерных сетях 6 кВ
Соколовско-Сарбайского (1978 г.)1 и Иршинского ГОКов, а также в
сетях 10 кВ предприятия ’’Винницаэнерго” (1981-1984 гг.) эксперимен-
’ Эксперименты в Соколовско-Сарбайском ГОКе проводились совместно с
В.И. Микрюковым и ВВ. Назаровым
ппгптр^гя исследования - осциллографирование параметров переходного
процесса в режиме отключения присоединения с замыканием на землю.
« исспедовали поведение селективных защит типа ЗЗП-1М, РЗН-З
и у ооп, реагирующих на направление мощности нулевой последовательнос-
ти фиксировали входные и выходные сигналы защиты, а также ток в
нейтрали обмотки ВН трансформатора НТМИ на подстанции 6(10) кВ
На конце одного из присоединений (воздушной линии длиной 1-1 2 км)
посредством специально оборудованной ячейки выполняли следующие
виды однофазных замыканий на землю: металлическое замыкание; замы-
какие через переходные сопротивления 0,5; 2; 3 кОм; перемежающиеся
дуговые замыкания; замыкания упавшим на землю проводом. Все замы-
кания повторяли для режима изолированной нейтрали без дополнитель-
ного активного тока и дополнительным активным током замыкания,
равным (0,42j-0,7) 1С. При этом емкостный ток 033 в сетях 6 кВ Соко-
лов ско-Сарбайского ГОКа составлял 2,5-6 А, в сетях 6 кВ Иршинского
ГОКа - 2-9 А, а в сетях 10 кВ ’’Винницаэнерго” - 2-5 А.
В первых опытах (Соколовско-Сарбайский ГОК) дополнительный
активный ток замыкания (0,42 Iq) создавали трансформаторным устрой-
ством, состоящим из трех однофазных трансформаторов (ОМ-1,25/6),
вторичные обмотки которых соединяли в открытый треугольник (по
схеме НТМИ), нагруженный на эквивалентное активное сопротивление
(см. схему д рис. 3.1). В сетях 10 кВ активный ток 033 создавали включе-
нием эквивалентного активного сопротивления в нулевую точку транс-
форматора собственных нужд подстанции через однофазный трансформатор
соответствующей мощности (см. схему е на рис. 3.1).
В последующих исследованиях в карьерных сетях 6 кВ Иршинского
ГОКа активная составляющая тока 033, равная (0,5-0,7) /<?, создавалась
специальными высоковольтными бетэловыми резисторами (см. гл. 3)
сопротивлением 1-3 кОм, включаемыми между выведенной нулевой
точкой обмотки высокого напряжения (ВН) трансформатора собственных
нужд ТМ-25/6 и землей.
На рис. 2.11 показана типичная осциллограмма переходного процесса
после отключения присоединения с 033 в сети с изолированной нейтралью
(/с = 4 а, в сети один трансформатор НТМИ-6). Аналогичный процесс
изображен на осциллограммах отключения присоединения с устойчивым
(см. рис. 2.7) и дуговым (см. рис. 2.8, а, б) замыканиями на землю в сети
с одним НТМИ-6.
Анализ более 100 осциллограмм параметров нулевой последовательнос-
ти в данном режиме показал, что в сетях с изолированной (свободной)
нейтралью после отключения присоединения с 033 начинается процесс
восстановления фазных напряжений за счет стекания на землю освободив-
шихся зарядов емкостей неповрежденных фаз неоткпюченнои часта сети
через заземленные высоковольтные обмотки измерительных трансфер-
МаЬТце"ХХ«к правило, носит колебательна характер.
При эгоМ возникающие в обмотках ВН трансформатора гармонические
или субгармонические затухающие колебания индуцируются в нулевой
обмотке его разомкнутого треугольника, в результате чего входные цепи
защит от 033 оказываются под влиянием затухающих напряжения и
39
Рис. 2.11. Типичная осциллограмма переходного процесса после отключения присоеди-
нения с 033 в сети с изолированной нейтралью
1С = 4 А; в сети один трансформатор НТМИ-6
Рис. 2.12. Осциллограмма переходного процесса в сети и в цепях защиты ЗЗП-1М в
режиме отключения присоединения с 033
Iq = 4 А; в сети один трансформатор НТМИ-6; нейтраль сети без резистора
тока нулевой последовательности. Длительность полного затухания про-
цесса перезаряда емкостей может составлять 200-600 мс, а время снижения
последней амплитуды колебаний напряжения НП в нулевой обмотке НТМИ
до уровня 3,5 В находится в пределах 50-140 мс в зависимости от емкости
неотключенной части сети и начального напряжения ее заряда в момент
отключения поврежденного присоединения.
40
ВН трансформатора НТМИ
нических колебаний с частотой близкой ^ТеР гармонических и гаРм°-
напряжения НП в	близком к частоте напряжения НП. Для
Z вТп™ н Xv-iZ /™' ХарактеРн° «““лие некоторого уплоще-
ZnH^aB^Z^AreXXme^™* Н™” ’ оса₽°ко"е™°сть
Интенсивность снижения ^ET^*Ze₽H
win. следует из осциллограмм, имеющиеся
в установившемся режиме 033 в кривой тока НП высХе Гармон?™™"
составляющие практически исчезают одновременно с отключением повреж-
денного присоединения.	н
Для токов /„ при колебаниях напряжения НП после отключения 033
так же как в установившемся режиме перемежающегося дугового 033
характерны значительные броски первых амплитуд, уровни которых зави-
сят от емкостного тока 1С сети. В сети с 1С < 6 А были зафиксированы
кратности амплитуды первого броска по отношению к соответствующе-
му значению амплитуды тока iTm в установившемся режиме 033, дости-
гающие 30—35. При этом значения токов соответственно составляли zt =
= 2,25 -2^ Аи = 0,08 4-0,07 А.
Осциллографирование выходного сигнала /о (вх) канала преобразования
тока НП (тока на входе фазочувствительного органа) в устройстве защиты
ЗЗП-1м показало, что, несмотря на резкое снижение тока 3/0 на неповреж-
денных присоединениях в исследуемом режиме, избирательный фильтр
промышленной частоты в токовом канале за счет своей высокой доброт-
ности продолжает преобразовывать оставшиеся остроконечные периоди-
ческие импульсы тока 3/0 в затухающие колебания частотой 50 Гц.
Из осциллограммы рис. 2.7 видно, что остроконечные импульсы тока
3/0, поступающие на вход избирательного фильтра токового канала защи-
ты, появляются с частотой порядка 40-60 Гц при переходах через нуль
затухающих колебаний напряжения НП в первые 3—4 периода, т.е. с удвоен-
ной частотой напряжения НП. Необходимо заметить, что избирательный
фильтр токового канала защиты может также преобразовывать в затухаю-
щие колебания частотой 50 Гц импульсы тока З/о с частотой, вдвое мень-
шей промышленной частоты.
На рис. 2.12 показана осциллограмма переходного процесса в сета
и в цепях защиты ЗЗПЛм в режиме отключения присоединения с 033:
£/* „ напряжение поврежденной фазы; 3t/0,3(/0 - напряжения на нуле-
вых обмотках НТМИ-6 до отключения присоединения и после соответствен-
но-	>- ток нулевой последовательности неповрежденного присоеди-
няя.	Г? 3/Х7 напряжение и ток НП на входе фазочувст-
ния,	о б»*)	обмотке и контактах испол-
вительного органа защиты, гр,
нительного реле защитного устройства.	лт пчч
Условием неселективных срабатывании направленных защит от 033
а,г,,.Гл ггплпрсса является также возможность изменения
в течение рассмотренного процесса явился	птпРП.нму
фазы и начальной амплитуды вектора емкостного тока НП в отделымх
присоединениях за счет компенсирующего влияния имеющихся в них
измерительных трансформаторов напряжения с	П^В°™Х
q™ уяпяктеоно для воздушно-кабельных карьерных
мостью на землю. Это характерно dv	г
распределительных сетей с небольшим собственным емкостным током
отдельных присоединений и наличием в приключательных пунктах изме-
рительного TH. В результате вектор тока НП, поступающий на фазочувст-
вительный орган (или резонансный фильтр токового канала) любой направ-
ленной защиты на данном присоединении, перемещается в зону ее угло-
вой чувствительности (в пределах I и II квадрантов комплексной плоскос-
ти, действительная ось которой совпадает с направлением вектора напряже-
ния НП).
Следовательно, после устранения 033 в сети на входы фазочувствигель-
ных органов устройств защиты ЗЗП-1м на неповрежденных присоедине-
ниях поступают ложные сигналы - напряжения НП и ток НП (в виде
выходного напряжения с избирательного фильтра канала тока). Направле-
ния этих достаточных по амплитуде сигналов в один из первых 2-3 полу-
периодов могут приблизиться или совпасть, что приводит к неселективному
срабатыванию защит на одном или нескольких присоединениях.
При экспериментах на каждые 5-7 отключений искусственных 033
наблюдали по одному случаю ложного срабатывания исправных селектив-
ных защит (ЗЗП-1м, УЗЗН, РЗН-З) на одном или одновременно на двух
отходящих присоединениях.
При определенных параметрах, близких к феррорезонансу (достаточно
малых активных проводимостях в контуре нулевой последовательности
и низких удельных емкостных токах замыкания, приходящихся на один
измерительный TH), в сети возникают условия для затягивания переходно-
го процесса восстановления фазных напряжений после' отключения пов-
режденного присоединения. В этом сдучае имеют место относительно
длительные (порядка 0,4-0,6 и более) субгармонические колебания напря-
жения НП с преобладающей частотой 50/2 Гц.
Для первых 3-4 периодов кривой напряжения НП характерно относи-
тельно слабое снижение амплитуды и частоты, а в последующие периоды
устойчивость колебаний срывается и интенсивность затухания заметно
увеличивается с одновременным снижением частоты колебаний. Подобное
затягивание переходного процесса может при достаточной амплитуде
входного сигнала однозначно привести к ложному срабатыванию пусково-
го органа второй неселективной ступени защиты от 033 в карьерных
сетях 6—10 кВ. Последний, реагируя на напряжение НП, должен срабаты-
вать согласно ПУЭ с выдержкой времени 0,5-0,7 с.
На рис. 2.13 представлена одна из типичных осциллограмм переходного
процесса с длительными (более 0,5 с) субгармоническими колебаниями
напряжения НП; осциллограммы получены в карьерной сети 6 кВ Соко-
ловско-Сарбайского ГОКа при = 6 А. Чрезмерная затяжка процесса
при относительно высоком емкостном токе металлического 033 возник-
ла за счет взаимодействия емкости фаз неотключенной части сети не только
с заземленными высоковольтными обмотками НТМИ-6, но и с аналогичны-
ми обмотками находящегося на подстанции 5-трансформатора напряжения
с ненагруженными вторичными обмотками, собранными в открытый
треугольник (эквивалентный нагрузочный резистор в опытах был отклю-
чен) . Последний шлейф на осциллограмме рис. 2.13, записавший ток lu (6}
в заземленной нейтрали обмоток ВН 5-трансформатора, указывает на
глубокое насыщение его магнитопровода.
Наличие дополнительного с НТМИ-6 ненагруженного 5-трансформатора
с параллельно включенными обмотками ВН относительно земли равно-
значно резкому снижению удельного емкостного тока 033 1с», приходя-
щегося на один трансформатор в сети, соответствующего или близкого
условиям возникновения достаточно длительных феррорезонансных зату-
хающих колебаний. Поэтому применение трансформаторных устройств
Для создания дополнительного активного тока 033 связано с необходи-
мостью надежного контроля целостности цепи нагрузки открытого треу-
гольника, по которой во время 033 протекают значительные перегрузоч-
ные токи.
Создание дополнительного активного тока 033 в сети любым из мето-
дов (трансформаторными устройствами или высоковольтными высоко-
омными резисторами и др.) ведет по мере роста этого тока сначала к
срыву, а при определенных значениях /а. к полному подавлению колеба-
нии в контуре нулевой последовательности независимо от ее параметров
и количества TH в сети.
43
На рис. 2.14 (см. также рис. 2.10) приведена осциллограмма процесса
отключения присоединения с 033 в сети с дополнительным активным
током /а. = 0,42 (а на рис. 2.10 - /а. = 0,5). Из осциллограмм видно,
что процесс затухания напряжения НП носит апериодический характер,
интенсивность которого определяется в основном значением /а *.
Следовательно, экспериментальные исследования показали, что переход-
ные процессы, возникающие после отключения присоединения с 033,
в существующих распределительных сетях 6—10 кВ с изолированной нейт-
ралью способны вызвать значительный поток неоправданных отключении
первой (селективной) и второй (неселективной, с выдержкой времени
0,5 с) ступеней защиты от 033.
Анализ переходного процесса в сети
после устранения замыкания на землю
Экспериментальные исследования в сетях 6 кВ позволили выявить об-
щий характер и качественную картину переходного процесса в режиме
устранения 033 в сети при определенных ее параметрах. Для разработки
мер подавления колебаний напряжения и тока НП в данном режиме на
основе количественных зависимостей амплитуд колебаний и длительностей
затухания от параметров сети и подключенных к ней TH, а также других
факторов в широком, реально возможном в сетях 6—10 кВ диапазоне их
изменения были также проведены численные аналитические исследования
переходных процессов с применением ЭВМ (ЕС-1022). Проведенный ана-
лиз позволил, кроме того, найти оптимальные для различных условий
значения высокоомного резистора в нейтрали, позволяющие ограничить
амплитуду и длительность затухающих напряжений и токов НП до уров-
ней, не превосходящих уставок и времени срабатывания устройств релей-
ной защиты от 033.
На рис. 2.15 показаны расчетная (а) и эквивалентная (б) схемы рас-
пределительной сети в режиме отключения присоединения с замыканием
на землю, в которых приняты следующие обозначения:
^1» ^2.	- фазные напряжения питающего трансформатора (напря-
жения на емкостях фаз) до замыкания на землю в сети,
U} = ит sin(<jf + ф); U2 = um sin(wr + ф + 120°);
U3 = Um sin(wZ + i/i _ 120°),
где Ф — начальная фаза замыкания (включения фазного напряжения), град;
и — общая емкость фаз отключенного присоединения и неотклю-
ченной части сети соответственно, мкФ,
Сс=ЗС0; Cs= ЗС,-
гТ - активное сопротивление обмотки ВН измерительного TH, Ом;
- мгновенное значение потокосцепления в нелинейной индук-
тивности TH при протекающем через нее токе iT, Вб;
Яа - активное сопротивление в нейтрали (или изоляции фаз сети относи-
тельно земли), Ом.
Рис. 2.15. Расчетная (а) и эквивалентная (б) схемы замещения трехфазной сети при
отключении присоединения с замыканием на землю
При замыкании одной из фаз на землю через сопротивление (до отклю-
чения выключателя В на схеме рис. 2.15, а) напряжение нейтрали (падение
напряжения на резисторе Ra или напряжение на емкости ЗСф) будет сле-
дующим:
U„-
[(И-Я3/Я,)3+9ог2СгЯ2]и
где — угол сдвига фаз между напряжением НП и напряжением повреж-
денной фазы до ее замыкания, град, ф = arctg [За>СЯа/(1 + /?а/Я3).
При металлическом замыкании на землю (Л3 -0), когда угол = 0,
напряжение смещения нейтрали равно фазному напряжению сети
В начальный момент отключения присоединения (Г = 0) при максимуме
напряжения смещения нейтрали ф - тг/2 начальное напряжение на емкости
3Ci неотключенной части сети будет равно амплитудному значению фаз-
ного напряжения сети
Уо(О)=^фт	(2'26)
Поскольку при отключении присоединения с замыканием через переход-
ное сопротивление Я, > 0 и других углах размыкания начальные напряже-
ния на емкостях С/о (0) будут всегда меньше Уфт, то условие (2.26) соот-
ветствует максимуму запасенной энергии на емкостях ЗС,, когда свобод-
ные колебания напряжения НП в переходном режиме будут наиболее
ПОЛНЫМИ.
Схема замещения на рис. 2.15,б составлена с учетом следующих допуще-
ний:
45
продольные активные и индуктивные сопротивления воздушно-кабель-
ной или кабельной линии вследствие их пренебрежимои малости по срав-
нению с сопротивлением намагничивания первичных обмоток TH прирав.
""сопротивления заземляющей сети (4 Ом - для карьеров и 2 Ом - для
шахт) приравниваются нулю;
индуктивное сопротивление рассеяния первичных обмоток TH принима.
ется равным нулю, так как оно пренебрежимо мало по сравнению с индук-
тивным сопротивлением намагничивания.
Для данной схемы замещения после размыкания ключа К справедлива
система уравнений
— — [i„dt+r i + с--------- ~ О,
С J с т т dt
rTZT dt а а’
(2.27)
(2.28)
1С= -(/т+/а)-	(2.29)
Интегрируя уравнение (2.27) и подставляя в него значение 1С из выраже-
ния (2.29), а также имея в виду, что
. а ЯДТТ dt I
получаем
d20	1	d\p ir dir
+ RtCz (Г’'т + dT* + C\" + ~dt
где CE = 3Cj; fT =/( ^) - нелинейная характеристика намагничиванияТН.
На рис. 2.16 представлена аппроксимированная зависимость нелинейной
характеристики намагничивания измерительного трансформатора напряже-
ния типа НТМИ-6-66. На этом рисунке кривая 1 — типовая кривая намагни-
чивания магнитопроводов ЭЗЗОА (3414), зависимость максимальной
индукции от действующего значения тока намагничивания Bm=f (/нам.уд)
при частоте 50 Гц, приведенная к 1 см, 1 см2 и одному витку обмотки [39]
и пересчитанная на вебер-амперную зависимость ф = f (7нам) для трансфор-
матора типа НТМИ-6-66. С учетом активного сечения сердечника 5 = 28 см2,
средней длины силовой магнитной линии / = 34 см и числа витков первич-
ной обмотки vv, = 6650 витков для трансформатора НТМИ-6-66 справед-
ливы следующие соотношения для пересчета:
ф = w.B S = 18,82? ; I =/ f/w, =5 1 10-3/
1 m ’ w’ нам нам.уд*'"! □	• IV 'нам уд •
Кривая 2 — аппроксимированная зависимость 1:
>т = Г(« = 3(е“'!’-1),	(2.31)
где /3 = 0,32 и а = 0,134 - коэффициенты аппроксимации.
Рис. 2.16. Расчетная (типовая _ п
и аппроксимированная (2) кривые
имагаичивания трансформаторов
напряжен,» НТМИ-6-66 Х™„ ™„Р°
водом из стали ЭЗЗОА (3414)
Иге. 2.17. Зависимости напряжения
НП от времени при переходном про-
цессе после отключения присоедине.
ния с 033 в сети с = Ю‘ Ом
тт - 10’ Ом к емкостными токами
замыкания 1,14 Л (7), 2.85 Л <21
и 9,14 A (J)	' '
Полученное нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка
(2.30) с подстановкой в него выражения (2.31) решалось численным мето-
дом (Рунге-Кутта) на ЭВМ типа ЕС-1022 по специально составленной про-
грамме, предусматривающей расчет (с использованием подпрограммы
RK2) следующих параметров: ф, (1ф/(И, Uo, ic, ir, ia во времени t с
выдачей данных на печать.
Расчеты велись при начальных условиях t = 0, фц = Фтт = 22,5 Вб,
с1ф /dt =0 и следующих параметрах сети и трансформатора напряжения.
С/л = 6,3 кВ, Сг = 0,1 -г 2 мкФ с шагом 0,1 мкФ и = 2 + 10 мкФ с шагом
0,5 мкФ, rT = 1 кОм соответственно для четырех вариантов сопротивления
резистора в нейтрали Яа = Ю6; 10s; 104 и 103 Ом. Аналогичные расчеты
проводили также для емкостей фаз сети = 0,5 ^30 ^кФ с шагом 1 мкФ,
при которых каждому значению емкости сети соответствовал резистор в
нейтрали, создающий относительный активный ток замыкания /а< =0,1 т
^0,65 с шагом 0,05.
Программа также предусматривала в диапазоне емкостных токов
= 0.8 - 10 А при Яа > 3 • 104 Ом расчет амплитуд (до 20 значений) Фт(г)
и иот (О с выдачей их с соответствующими значениями времени г, на
печать.
47
Критерием остановки машинных вычислений было принято минималь-
ное амплитудное значение потокосцепления - 0,5 Вб, что соответ-
ствует амплитудному значению напряжения НП на выходе разомкнутого
треугольника НТМИ-6 не более 3,5 В.	_	„
На рис. 2.17 показаны зависимости напряжении НП от времени при
переходном процессе после отключения присоединения с 033 в сети с
R = 106 Ом и с различными емкостными токами замыкания. На рис. 2.18
приведены зависимости тока, протекающего через нейтраль обмоток ВН
трансформатора НТМИ-6, от времени после отключения присоединения
с 033 в сети с Яа = 106 Ом и с различными емкостными токами замыка-
ния На рис 2.19 представлена зависимость кратности амплитуды первого
броска тока i' в нейтрали обмоток ВН НТМИ-6 по отношению к соот-
ветствующему значению амплитуды тока irm в установившемся режиме
033 от емкостного тока замыкания в сети.
Анализ параметров переходного процесса после отключения присоеди-
нения с 033 в распределительных сетях 6(10) кВ с изолированной
нейтралью показывает следующее:
а)	в сетях с емкостными токами замыкания 0,3-30 А могут возникать
медленно затухающие гармонические и субгармонические колебания напря-
жения НП, сопровождающиеся, восстановлением фазных напряжении до
уровней симметричного режима;
б)	наиболее энергичный процесс колебаний в контуре нулевой последо-
вательности имеет место в сетях с емкостным током замыкания /с# = 0,3 4-
т 1,7 А, приходящимся на один трансформатор НТМИ, при начальных усло-
виях, соответствующих отключению присоединения в момент, когда напря-
жения заряда емкостей неповрежденных фаз равны максимальному линей-
ному напряжению сети;
в)	при значениях удельного емкостного тока 1С < ^,3 & в контуре
нулевой последовательности могут возникать высокочастотные (до 150 Гц)
затухающие колебания, при /с#=.0,5 -г 0,8 А колебания имеют частоту,
близкую к промышленной, а при 1С* > 0,8 А возможны и более низкие
(до 15 Гц) субгармоники. Наиболее длительные колебания субгармоник
с частотой 25—40 Гц получены в диапазоне удельных емкостных токов
1,2-1,7 А;
г)	длительность снижения последней амплитуды колебаний напряжения
в диапазоне 4?* - 1,2-1,7 А до уровня 3,5 В (по отношению к нулевой
обмотке НТМИ) составляет 50-140 мс, а при /с,<0,2А и возникнове-
нии неустойчивых феррорезонансных колебаний с частотой 50/2 или
50 Гц этот промежуток времени затягивается до 0,4—0,6 с;
д)	отношения максимальных амплитуд напряжения Нп' (7 к соот-
ветствующим значениям UBm в установившемся режиме 033 в зависи-
мости от частоты колебаний и коэффициента затухания свободной со-
ставляющей находятся в пределах 1,4-0,3'
аэтХУДа Первого 8Р°ска т°ка в нейтрали обмоток ВН трансфор-
матора НТМИ при неизменных начальных условиях определяется в основ-
ном емкостным током замыкания и в сетях с 1С < ю А достигает 5 4 А'
ж) при создании дополнительного активного тока замыкания на зем-
лю /„>0,15 независимо от числа НТМИ в сети с емкостными токами
I с 0,8 А колебательный затухающий процесс в нелинейном контуре НП
переходит в апериодический. Кроме эффективного демпфирования коле-
баний в контуре НП, это ведет к резкому снижению кратностей брос-
ков тока в нейтрали НТМИ;
з) выбор требуемого дополнительного активного тока /а< (высоко-
омного резистора в нейтрали сети) определяется допустимой в зависи-
мости от времени срабатывания применяемых защит от 033 длительно-
стью снижения апериодически затухающего напряжения НП до уровня
Уставки срабатывания селективной ступени защиты.
Таким образом, одним из условий обеспечения селективной работы
исправных устройств защиты от 033 в существующих сетях 6-10 кВ с
изолированной нейтралью является сокращение до оптимальной величи-
ну времени затухания свободной составляющей напряжения смещения
нейтрали после аварийного отключения присоединения с 033.
4. Зак-. 31 я
7. УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Для обеспечения селективности работы устройств защиты от 033, реа-
гирующих на параметры нулевой последовательности, в режиме после
аварийного отключения присоединения с 033 необходимо выполнить два
условия:
1) значение вектора тока НП, концы которого скользят по затухаю-
щим спиралям с угловой частотой свободных колебаний, поступающего
на фазочувствительный орган (или непосредственно на резонансный
фильтр токового канала) направленной защиты на неповрежденном при-
соединении, не должно находиться в зоне угловой чувствительности уст-
ройства, т.е. попадать в пределы I и II квадрантов комплексной плоскости
органа направления мощности;
2) длительность затухания свободной составляющей напряжения НП до
уровня заданной уставки срабатывания устройства защиты должно быть
меньше времени ее срабатывания.
Выполнение первого условия, как было упомянуто выше (в гл. 2, п. 6),
облегчается при наличии в токовом канале устройства защиты резонансного
фильтра 50 Гц, который, несмотря на значительное снижение субгармо-
ники тока НП, продолжает вырабатывать затухающие колебания частотой
50 Гц со случайно изменяющейся фазой. При этом имеется вполне опре-
деленная вероятность попадания вектора этого тока в зону угловой чувст-
вительности защиты.
Но наблюдающийся из статистики и в процессе опытов относительно
высокий поток неселективных отключений в режиме устранения 033 в
сетях 6—10 кВ карьеров нельзя объяснить только неудовлетворительной
работой резонансного фильтра 50 Гц токового канала. Наиболее часто воз-
можны условия, когда на вход этого фильтра непосредственно может
поступить ток НП, вектор которого за счет перекомпенсации собственного
емкостного тока присоединения индуктивным током НТМИ на данном
присоединении окажется в зоне угловой чувствительности защиты.
В этом случае первичный ток НП имеет индуктивный характер и его
вектор опережает напряжение НП на комплексной плоскости органа
направления мощности. С учетом поворота его фазы в трансформаторе
тока НП на 180 вектор вторичного тока НП в зависимости от соотноше-
Хи“Р1МС1Р0В К™’ "Рисосдинения и индуктивностей НТМИ имеет воз-
можность оказаться в зоне реагирования защиты.
Для эквивалентной схемы распределительной сети (см. рис. 2 15 б) при
идеальной изоляции фаз сети и отсутствии	' 1
чения присоединения (размыкаХ ™ ЛП £й₽ НеиТрали * °ТКЛЮ’
нулевой последовательности опрХХсХ с^мХ^ее
ной и активной составляющих: '	емкостной, икдуктив-
После отключения присоединения с 033
но выражению (2.29) можно записать
Zc=4-
(2.32)
(размыкания ключа К) соглас-
(2.33)
50
Ток в i-м присоединении будет
(2.35)
*т₽ = п1>пТ’
(2.34)
где 2Cv - суммарный емкостный ток сети- г'
ный ток 1-ГО присоединения; / _	’ с!	стаекный емкост-
Z-_ю6_й и—вный?ок	ток и™;
Выражая /„ и /1( ^рез суммарный ток се™ ^Хейся поен.
чения фидера, с учетом формулы (2.33) имеем	отклю’
4/ 4'г I (1 ~	— / (1 — KTt) ].
Здесь
Ki ~
где п, - число TH на данном присоединении; л£ - общее число TH в cent
метаем “ К°МГО,еКсному значению ™ка ™ через ето модуль и apryi
’oi  'ст. К1 _А'/)2 + (1 -л'1р)1]ис >'f‘,	(2.36)
где <р0 - угол опережения вектора первичного тока НП относительно
вектора напряжения НП (град), у>0 = -arctg [(1 -Kr)l(l —JtIp)J.
Анализ показывает, что с учетом инвертирования первичного тока в
трансформаторе тока НП на 180° вторичный ток /0(2) не будет попадать
в зону реагирования направленной защиты (I и II квадранты комплексной
плоскости), если будет соблюдено условие
= -arctg [(1 -*,)/(! -К*р)] < 45°.	(2.37)
Из выражения (2.37) следует, что при реальных соотношениях токов
(Kj < 0,5) наличие хотя бы одного дополнительного НТМИ на присоеди-
нении (АГтр = V2) дает значение угла </?0 >45°, что может привести к не-
селективному срабатыванию его защиты.
Второе условие обеспечения селективности защиты зависит от выбран-
ного значения создаваемого дополнительного активного тока.
В качестве критерия для выбора требуемого активного тока (вы-
сокоомного резистора в нейтрали) примем следующее условие:
<ЗВ1<'еЛн-	(238)
где t [3f/Q (вт) < ЗВ]- длительность снижения свободной составляющей
напряжения НП до уровня уставки срабатывания селективной ступени
защиты; Uo ,„т) = ЗВ - принятое действующее значение уставки сраба-
тывания селективной ступени защиты по вторичному напряжению НП
/fj (О -150 В); гс 3 —время срабатывания защиты (для зашит типа ЗЗП-1м,
Р3н"з и др.),0,03-5-0,015 с; - коэффициент надежности, учи-
тывающий разброс параметров сети и высокоомного резистора,
= 12 4-15
На рис 2.20 показаны расчетные зависимости апериодически затухаю-
щего напряжения НП от времени при различных значениях относится»-
Рис. 2.20. Зависимости апериодически затухающего напряжения НП от времени при
различных значениях относительного активного тока
1 - 0,15; 2- 0,3; 3 - 0,4; 4- 0,5; 5- 0,6; 6 - 1
Рис. 2.21. Зависимости времени затухания напряжения НП до уровня уставки сраба-
тывания ({/(2) = 3 В),от относительного активного тока замыкания
Область оптимизации режима нейтрали заштрихована
ного активного тока в пределах /а = 0,15-г 1. На рис. 2.21 даны расчет-
ные зависимости времени затухания напряжения НП до уровня уставки
срабатывания ((/Овт = 3 В) от относительного активного тока. Из рисун-
ка видно, что для выполнения условия (2.38) при существующих /с>3 =
-0,03-0,015 с область оптимизации режима нейтрали — выбора высоко-
омного резистора, создающего дополнительный активный ток, — находит-
ся в пределах /, =0,4*0,75.
итмы\0ГИЧНаЯ зависимость (без учета индуктивности трансформатора
- 4/г п®лного затухания напряжения НП с постоянной времени Т = 4т =
' *•“ была представлена на рис. 2.6 (кривая?), которая близко со-
aKTunvLrv зависимостью 113 рис.2.21, особенно в области относительных
активных токов менее 0,6.
точно6 бплкп’1Л<Ь1оРаННЬ1е гРаниць1 параметров режима нейтрали с доста-
стройки от ложных ™г6удут оцновРеме»»о удовлетворять условию от-
-и™, применяемой ?кар“ Х"“.	"’"""Н
и «1^ЗАЦИЯ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ
^рекомендуемые значения высокоомных резисторов
-юзволяюЛХп Главе крИ1еРии и условия их выполнения
ка замыкания. В табп о альное значение дополнительного активного то-
значения активного тл показаны границы оптимизации и выбранные
52	тока 'а. по критериям.
Таблица 2.2
Границы оптимизации
замыкания
и выбранные значения дотолнкгелыюго активного тока
Номер
по по-
рядку
2
3
4
Критерии оптимизации	Границы оптими- зации	Условия выпол- нения		Оптимальное значение Гл,
Минимум тока через че- ловека при прикоснове- нии к фазе сети Ограничение напряжений прикосновения и шага на заземленных корпу- сах электрооборудова- ния при дуговых 033 Ограничение кратности перенапряжений а) при дуговых и метал- лических 033	0,4-1 0,5-1 0,5^1	1с = 0,77 + 15 А, Яч = 0,7 4-0.9 кОм		3,6 ),6 ,6
б) в результате ликвида- ции феррорезонансных процессов	0,35	В сети 6 кВ 1с < <4,8 А и /а> > 1,5 А	0,6 (в том числе при Гсао 2,5 А)	
Ограничение уровня и длительности помех	0,4-0,75	В сети 10 кВ < 8 А и /д > > 2,5 А Гс.з = 0,03+0,015	0,6 (в том числе /с до 3,5 А) 0,6	
(снижение ложных, не-
селективных срабаты-
ваний устройств защи-
ты от 033)
Таблица 2.3
Рекомендуемые значения сопротивлений высокоомных резисторов
Емкостный ток замыкания
в сети, А
Сопротивление резистора в нейтрали (кОм) при напря-
жении сети, кВ
0,7-3,5
5-6
7-8
9-10
Поимечание Для шахтных сетей напряжением 6 и 10 кВ с емкостными тока-
ми замыкания в диапазоне 12-18 А рекомендуются соответственно сопротивления ре-
зисторов не ниже 0,5 и 0,75 кОм. Эти значения требуют дополнительного эксперимен-
тального уточнения.
53
Первый критерии является определяющим, а оптимальное значение
I =0,6 лежит внутри границ, соответствующих остальным трем крите-
риям ’ оптимизации, и одновременно удовлетворяет условиям 2-4
(табл. 2.2).
Таким образом, значение дополнительного активного тока замыкания,
равное = 0,6, является оптимальным для карьерных и шахтных сетей
6-10 кВ с емкостными токами замыкания соответственно до 10 и 20 А.
В табл. 2.3 приведены рекомендуемые значения сопротивлении резис-
торов в нейтрали, соответствующих оптимальному току и условиям (см.
табл. 2.1), в зависимости от емкостного тока замыкания и напряжения
сети.
Заземление нейтрали через высокоомные резисторы допускается дей-
ствующими Нормативами безопасности при эксплуатации электрооборудо-
вания на угольных разрезах.
Глава 3
СРЕДСТВА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА
ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ
1.	ВЫБОР ВИДА РЕЗИСТОРА
И СХЕМЫ ЕГО ВКЛЮЧЕНИЯ В НЕЙТРАЛЬ
Основными требованиями выбора вида резистора и схемы его включе-
ния в нейтраль являются:
а)	экономичность резисторного устройства;
б)	простота подключения к нейтрали и удобство эксплуатации;
в)	надежность работы в нормальном режиме и перегрузках;
г)	отсутствие или минимум реактивной составляющей дополнитель-
ного активного тока, оказывающей отрицательное влияние на угловые
соотношения между током и напряжением НП (на селективность направ-
ленных защит от 033) и на параметры переходного процесса при замыка-
ниях на землю;
д)	минимум элементов подключения, габаритов и стоимости резистор-
ного устройства.
На рис. 3.1 приведены возможные схемы включения резистора в нейт-
раль сети.
С точки зрения перечисленных выше требований наиболее приемлемой
следовало бы считать схему, где высоковольтный резистор непосредственно
подключается к нулевой точке силового трансформатора сети. Однако в
КРС 6 10 кВ и Т^™Ь1Х сетях 6 кВ вторичные обмотки силовых транс-
форматоров 110/35/6(10) или 35/6 (10), как правило, соединены в треу-
гольник. Поэтому схемы «и 6а рис. 3.1. становятся неприемлемыми.
Схема в неэкономична, поскольку резисторы, подключенные к фазам сети,
постоянно (в нормальном режиме без 033) потребляют активную энср-
гию и должны быть рассчитаны на значительную длительную мощность-
Рис. 3.1. К выбору схемы включения резистора в нейтраль сети
a
Схема на рис. 3.1. д содержит трансформаторное устройство, вклю-
чающее в себя три однофазных трансформатора (типа ОМ или др.) об-
щей мощностью от 3 до 12 кВ • А (для сетей с Z < 10 А). Вторичные
обмотки трансформаторов соединяются в открытый треугольник, наг-
груженный на эквивалентное активное сопротивление . Вследствие огра-
ниченной длительной мощности используемые серийные трансформаторы
(типа ОМ-1,25) работают при 033 в 3—4-кратном перегрузочном режиме,
допустимом в течение не болееЮ—20 с, Схема на рис. 3.1, е содержит один
однофазный трансформатор соответствующей мощности (например
10 кВ • А), высоковольтная обмотка которого включается между
выведенной нулевой точкой обмотки ВН трансформатора собственных
нужд подстанции и землей, а вторичная обмотка нагружена на эквивалент-
ное активное сопротивление.
Трансформаторные устройства заземления нейтрали по схемам 3. 1,6, е,
и любые другие, им подобные, обладают следующими недостатками:
а)	необходимость выделения для трансформаторов отдельных ячеек
на подстанции и неудобство монтажа;
б)	ощутимость затрат трансформаторной стали и цветных металлов
в масштабах горно-добывающих отраслей;
в)	ограниченная мощность и допустимая длительность использования
в перегрузочном режиме работы. Это снижает надежность устройства и
делает невозможным использование в режиме защитного шунтирования
поврежденной фазы сети (30 — 40 с);
г)	необходимость постоянного контроля целостности цепи резистора в
нулевой обмотке трансформатора. При отсутствии контроля отключение
автомата в цепи резистора (или других нарушениях и разрывах этой цепи)
ведет к двум крайне негативным последствиям режима в сети: при пере-
межающемся дуговом 033 и каждом зажигании дуги трансформаторы
переходят в режим холостого хода, что приводит, как показывают измере-
НИЯ, к заметному (в 2-3 раза) увеличению тока в месте замыкания; пос-
ле отключения релейной защитой присоединения с 033 переходный процесс
колебаний напряжения НП затягивается в 2-3 раза (см. осциллограмму на
рис. 2.13) по сравнению с длительностью колебании при одном Н1 МИ (см.
рис. 2.8,би 2.12).
Поэтому наиболее полно отвечающей предъявленным выше требованиям
является схема на рис. 3.1, г, в которой высоковольтный резистор (напри-
чер, бетзловый) подключается к нулевой точке имеющегося на каждой
подстанции трансформатора собственных нужд (ТМ-25/6 (10) или ТМ-40/6
В настоящее время предприятием „Энерготехпром Минэнерго СССР
[40,41] по техническому заданию ИГД им. А.А. Скочинского разра-
ботана конструкция, изготовлены и испытаны образцы высокоомных ре-
зисторов на напряжение 6—10 кВ различных номиналов (см. гл. 2, п. 3).
Энергия рассеяния резисторов позволяет находиться им в случае отказа или
несрабатывания защиты (а также при наличии в сети устройств автомати-
ческого защитного закорачивания поврежденной фазы) в течение относи-
тельно длительного времени (не менее 30—40 с). Это обеспечивает при
меньших габаритах значительно более высокую надежность резисторного
устройства в режиме длительного 033 по сравнению с трансформаторными
устройствами. Остальные преимущества" резисторных устройств также
очевидны по сравнению с другими известными средствами создания допол-
нительного активного тока.
Многолетний успешный опыт эксплуатации высоковольтных резисторов
в нейтралях сетей среднего напряжения за рубежом (США, Канада, ПНР и
других странах) подтверждает целесообразность выбора бетэлового резис-
тора в качестве основного элемента устройства для оптимизации режима
нейтрали сетей 6-10 кВ горных предприятий.
2.	ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К УСТРОЙСТВУ С ВЫСОКООМНЫМ РЕЗИСТОРОМ В НЕЙТРАЛИ
КАРЬЕРНЫХ СЕТЕЙ 6 - 10 кВ
Резисторное устройство должно состоять из следующих составных
элементов:
высокоомного резистора нейтрали типа РВН-6/10;
силового предохранителя с арматурой, например, типа ПК для защиты
резистора;
схемы контроля цепи резистора с выходом в цепи сигнализации.
езисторное устройство должно удовлетворять следующим основным
требованиям:
?	"а"РЯА^е "а реЗИСТ°Ре <междУ ««йтралью се™ и зем-
ити 10 кВ, 10,6/1,73 кВ Д°ЛЖН° бЬ,1Ь ™Же фазног° напРяжения
оЛТ^я^Х?ГТ ргаист°Ра находиться в пределах
п'оешючтательнъгй	кВ с Раз™чными токами замыкания на землю.
Предпочтительный ряд номинальных значений 3; 2- 1- 0 75 кОм
возмо=епо=°: мощности, рассеиваемой резистором, исходя из
озможности постоянного протекания через него тока в режиме до 10% не-
симметрии фазных напряжений в сети 10 кВ и по is «ж »
но быть не ниже 0,5 кВт.	Д 16,6% “ в сети 6кВ, долж-
4. Резистор должен допускать протекают и™»,™
при замыкании на землю в сети в течение времени не менХю с™"0™ ГОКа
Предельное количество повторных замм!л»шй „Л/
жительностью до 10 с с интервалами между ними до 1 Хи п^и’пТтека’
н„„ через резистор номинального активного тока, при кого™Хнсгоп
сохраняет свои номинальные параметры (в пределах ХлокЗУнбТ
должно быть не менее 3 раз.	а+
6. Высота резистора, исходя из условий размещения всего устройства в
ячейке трансформатора собственных нужд подстанции, не долХ превы
шать 600 мм, а наружный диаметр должен быть не более э50 мм Масса
резистора должна быть не более 50 кг.	'
_7. Конструкция резистора должна обеспечивать герметичность внутрен-
ней полости для возможности ее установки в открытых РУ-6 (10) кВ.
8.	Резистор должен выдерживать не менее 2*104 включений при но-
минальном напряжении на резисторе и длительности протекания активного
тока не более 3 с.
9.	Срок службы резистора должен быть не менее 10 лет. Срок гарантий-
ной работы резистора — в течение 2 лет с начала эксплуатации при условии
соблюдения потребителем прав ют, указанных в инструкции по эксплуата-
ции.
10.	Монтаж и крепление резистора должны обеспечивать его ревизию
и профилактические испытания в установленные сроки без снятия напря-
жения со всей установки (подстанции или секции шин).
11.	Номинальный ток плавкой вставки силового предохранителя типа
ПК в цепи резистора должен быть не более 2 А.
12.	Схема контроля цепи резистора должна иметь выход на цепи сигна-
лизации подстанции и выведенную на наружную панель ячейки (камеры)
кнопку проверки ее исправности.
3.	КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКООМНОГО РЕЗИСТОРА НЕЙТРАЛИ
На рис. 3.2 показана конструкция высокоомного резистора нейтрали
типа РВН-6/10 для карьерных сетей 6-10 кВ, разработанная предприя-
тием "Энерготехпром” Минэнерго СССР [41].
Резистор «.держит:	ГалюХХй
г	папуиргп электрода /. Последний ооеспечи-
снижающееся при установке верхнего л и	1 Кгс/см2
вает постоянное поджатие	"е
Верхний и нижний	(0^еН Для крепления к нулевой точке
болтами 9 “средством полукотец «	токо.
трансформатора собственных иужд( > £ фланцы имеют отвер-
проводящие шины нижняя и верхний электрид™ ц.
стия, проходящие через своя'	опрсделенной технологии и сос-
Резистивная смесь ,,3™тав- “ ов на ОСНОве углерода и диэлектри-
тоит из токопроводящих компо	е сопрогаш1енИе резистив-
ческих составляющих. Удельное н
*	57
.рис. 3.2. Конструкция высокоомного ре-
зистора нейтрали типа РВН-6/10 для
карьерных сетей 6-10 кВ
ной смеси обеспечивает практически линейную вольт-амперную характе-
ристику резистора до области номинальных напряжений (степень нели-
нейности не ниже 0,97-0,99).
Резисторы РВН-6/10 имеют следующие основные технические харак-
теристики :
Номинальное напряжение, кВ	10,6/1,73
Значение сопротивления, кОМ	3; 2; 1; 0,75
Энергия рассеяния (в течение 30 с),	800
не ниже, кДж
Длительная мощность, кВт	0,5
Высота, мм	400
Диаметр (внешний), мм	200
Масса, кг	30
Испытания образцов РВН-6/10, проведенные ’’Энерготехпромом”, а так-
же опытная эксплуатация на трех карьерных подстанциях 35/6 кВ Иршин-
ского ГОКа Минцвстмета показали, что разработанные высокоомные
резисторы полностью соответствуют предъявленным к ним (см. п.2 на-
стоящей главы) требованиям.
4.	УСТРОЙСТВО И МОНТАЖ РЕЗИСТОРОВ В КАРЬЕРНЫХ СЕТЯХ
Резисторное устройство устанавливается в ячейке или камере транс-
форматора собственных нужд (типа ТМ-25/6 (10), ТМ-40/6(10) и др.) от-
крытой или закрытой карьерной подстанции 35/6(10) или 110/35/6(10) кВ
(на ГПП или ЦРП) — для подключения к нейтрали сети 6—10 кВ через
выведенную со стороны ВН нулевую точку трансформатора собственных
Рис. 3.3. Схема включения резистора РВН-6/10 в нейтраль сети 6-10 кВ
На рис. 3.3 показана схема включения резисторного устройства в ней-
траль сети 6-10 кВ. На каждую секцию шин устанавливается по одному
устройству. Для существующих ТСН до начала серийного выпуска моди-
фикации ТСН для горно-добывающих отраслей с выведенным нулем ну-
левая точка обмотки ВН требует выведения в условиях эксплуатации.
Вывод нуля ТСН в условиях мастерской должен производить элект-
ротехнический ' персонал, знакомый с ремонтом трансформаторов. Кро-
ме того, необходимо иметь хотя бы один сменный ТСН аналогичной мощ-
ности.
Порядок вывода нейтрали ТСН следующий. На крышке в противопо-
ложной от расширителя стороне вырезают отверстие под изолятор и
приваривают четыре болта для его крепления. Изолятор должен быть
укомплектован своей стандартной арматурой (колпак, проходная шпиль-
ка, уплотнения, насадка для крепления). Обмотка ВН соединена в ’’звез-
ду” и имеет переключатель в нейтрали с переключающими контактами
на планке, положение которой должно оставаться на своем месте. Вывод
нейтрали от изолятора присоединяют непосредственно к перемыкающей
планке переключателя. Соединительный проводник следует выполнить
гибким (например, типа ПЩ) без лишних запасов длины, исходя из воз-
мощности переключения положения нейтрали при необходимости с пер-
вого в пятое положение.
Обмотка низкого напряжения ТСН обязательно должна быть соединена
в "треугольник”.
Автоматический контроль целостности цепи резистора наиболее ра-
ционально осуществить простой схемой, состоящей из двух встречно-па-
раллельных диодов (например, типа В10), включенных между резисто-
ром и землей, с которых снимается падение напряжения на двухлолу-
периодный мостовой выпрямитель, и от последнего - либо на микроам-
перметр для визуального контроля, либо на усилитель для звуковой сиг.
нализации. Благодаря нелинейности прямой ветви вольт-амперной харак-
теристики встречно-параллельных диодов на них за счет естественной
несимметрии в сети (до 0,05 (/ф) постоянно падает напряжение кото-
рое практически постоянно и независимо от тока через резистор (вплоть
до 10 А) может воздействовать на стрелочный индикатор только при
целом предохранителе в цепи резистора.
Стрелочный индикатор устанавливают с наружной стороны ячейки
ТСН для осмотра эксплуатационным персоналом. При отсутствии тре-
буемого номинала резисторов их можно соединять последовательно или
параллельно между собой из двух и более элементов. В этом случае по-
следовательное соединение является более предпочтительным.
Глава 4
ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 6-10 кВ
С ВЫСОКООМНЫМ РЕЗИСТОРОМ В НЕЙТРАЛИ
1. ВЛИЯНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
НА УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ
Как известно, в условиях карьерных и шахтных высоковольтных рас-
пределительных сетей, питающих электроустановки повышенной опас-
ности обслуживания, основное назначение защиты от однофазных замыка-
ний на землю (033) — предотвращение двойных замыканий на землю
в различных точках сети, ведущих к опасных для жизни людей напряже-
ниям прикосновения на заземленных корпусах электроустановок и нап-
ряжений шага. При этом время отключения сети или присоединения с
033 в соответствии с главной ролью защиты определяется не требования-
ми электробезопасности, а условием (вероятностью) невозникновения
повторного повреждения изоляции сети у замыкания в другой точке сети.
Отечественный и зарубежный опыт показал, что время отключения
033 основной ступенью защиты 0,15-0,2 с и резервной до 0,5-0,7 с яв-
ляется вполне обоснованным и достаточно рациональным. С другой сто-
роны, ряд свойств защиты от 033 — селективность (поперечная и про-
дольная) , помехоустойчивость, надежность действия и эксплуатацион-
ная надежность — оказывают существенное влияние на надежность элект-
роснабжения. Причем это влияние при определенных условиях, напри-
мер при низкой селективности защиты, становится настолько сильным,
что может ’’нейтрализовать” другие мероприятия в системе, такие, как
повышение надежности отдельных элементов, резервирование линий пи-
АПВЯ оптимизация структуры системы электроснабжения, применение
Одновременно с этим большой поток неселективных (ложных) отклю-
чений в сети может увеличить объем работ, относящихся к категории
опасных, для оперативно-ремонтного персонала по определению причин
отключений, а групповые неселективные отключения ведут к
ситуациям и создают предпосылки к «ектропора*'Х ^С“8ь'м
^ектротрав магизма имеет достаточно примеров к“ча"Нм/ ТИКа
тяжелым и смертельным исходом во время работ п0„™ 1Лу'и'в с
тин отключения защитой от 033.	определению при-
Между селективностью защиты от 033 и уровнем злекг^к.
ти наблюдается достаточно тесная статистическая связь. КолигсХХ
оценка влияния селективности отключения на надежность и зкономи
ческие показатели (ущерб от простоев) системы электроснабжения б Z
рассмотрены в гл. 6. Поэтому селективность и надежной цейс™
при отключении однофазных замыканий, особенно через перемежают™
ся дугу, для исключения переходов 033 в опасные двойные эамыкшня
И сокращение до минимума количества неоправданных отключений потре-
бителей в сети являются определяющими факторами повышения надеж-
кости и безопасности электроснабжения.
Следовательно, повышение селективности и обеспечение условий для
надежного функционирования релейной защиты в сетях 6-10 кВ можно
отнести к первоочередному направлению совершенствования существуют
щих и создания новых средств защиты от 033.
2. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ
С ВЫСОКООМНЫМ РЕЗИСТОРОМ В НЕЙТРАЛИ
Принимая, что трехфазная сеть рис. 4.1, а симметрична (G =С2 =Сз=С
и О =г2 = гз =^из) > согласно эквивалентной схеме рис. 4.1,6 на основании
известных соотношений [42] определяем ток замыкания на землю:
4 = з/0 = -(7ф/г„ =-1/ф(1 +3/иСЛ)/(3/а>СЯЯ, + я, +Я)	(4.1)
или
I, = 3/0 = -Уф(1 + 9w2C2R2)'^9w2C2R?R2 + № +Я)1]*
где С и тиз - емкость и активное сопротивление изоляции одной фазы «
ти относительно земли соответственно; ЗС и г„/3 - емкое _
сопротивление изоляции трех фаз сети соогее1ОТ“Н°’’имениГкои-
пение резистора в нейтрали сети; R - общее активн Iю /(3R,+ ги).
гура нулевой последовательности относительно ’с™8' сай"рШИ) можно
Напряжение нулевой последовательности (смев с ^противлении
определить как падение напряжения от тока 3 о
сети относительно земли.
Из выражений (4.1) и (4.2) имеем
^оаЗ/о/(3/^С+1/Я),
модуль напряжения
ио = -Ult,RI[9co2C2RlR2+(R1+R'>2^
или
Uo = -йф - 3/0Л, = -(/ф- Уфл-
(43)
(4.4)
61
Рис. 4.1. Расчетная (а) И эквивалентная (б) схемы при однофазном замыкании на землю
в сети с изолированной нейтралью, заземленной через высокоомный резистор
ВИД
(4.6)
При гиз =°°, R - Ra
иа = -1/фК./[(Кз +Я.)2 + (ЯзКа/адг]'Л.	(4-5)
где Хс = 1/3шС - емкостное сопротивление фаз сети относительно земли.
Знак ’’минус” перед обоими членами правой части выражений (4.1)-
(4.5) обусловлен принятыми условными положительными направления-
ми фазных напряжений от проводов к земле и токов нулевой последова-
тельности в месте повреждения - от земли к проводам.
Коэффициент полноты замыкания на землю будет иметь
0 = и01-иф= Яа/[(Я3 + Rtf + (R3Ra/Xcy ] *.
Из выражений(4.1) и (43) находим
/3=3/о = {/о(3/а>С+1/Я).
Как следует из формулы (4.7), ток замыкания на землю содержит
емкостную и активную составляющие
1с = Wc = 3 {/ф^С/(1 +	(4.8)
/ft =Уф/(Л,+Л).	(4.9)
Емкостная составляющая тока замыкания на землю 7С всегда опережа-
ет UQ на 90 , а активная составляющая тока fR совпадает с ним по фазе-
Векторная диаграмма токов и напряжений при замыкании на землю
фазы А через сопротивление R3 приведена на рис. 4.2.
(4.7)
А О) через соХХлХ^'"7™™^^^	ф]вд
При металлическом
тогда получим
4.М = (/? +	(9Ш2с2/?2 +1)»,
R
Ic~^> V^.GiC,
Ir = t/ф/Л,
а при гиз =оо, R =Ra соответственно имеем
= Уф/R, и /,.м =-^(1 + 9«2С2Я,2)Й.
7?а
замыкании фазы „а зе»ю (Д, = о)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.13)
Подставив в формулу (4.6) значения из выражений (4.11) и (4.13),
получим коэффициент полноты замыкания на землю через токи йи
0 = 1 /((/.Л3/£/ф + 1)= + (/сЯэ/С/ф)2]й =Л//з.м = По/^Ф-
Для удобства дальнейшего рассмотрения представим	,''Xi
ли в относительных единицах, введя в выражение (  )
= Цф/R, и разделив все токи на емкостной ток металлического замы
кания на землю 1С:
^о.=0. = !/((/„//„+ 1)2 + 1//=.]й,
где /„ =ijic, /„, = ифщ,1С-
На рис. 4.3 приведены построенные согласно’	при раз-
Мости коэффициента 0 от сопротивления замы	ю> зазеМленной
личных значениях емкостного тока Ic в 06X11	. г, 1^3 кВ. При
через высокоомный резистор /?а = 1,66ХС; /,=0.6/с.	-	63
(4.15)
Рис. 4.3. Зависимости коэффициента полноты замыкания на землю от сопротивления
R3 при различных значениях 1г
а - с резистором Яа = 1,66 лс в нейтрали; б - без высокоомного резистора в ней-
трали
Рис. 4.4. Зависимости токов и напряжений НП в сети 6 кВ от сопротивления утечки
на землю
а: 1, 4 - с резистором /?а = 1,5 • ЮэОм в нейтрали (гю = 10* Ом; R — Ra;Ra = 1,66-
•Xq) . б: 2, 3 - без резистора в нейтрали (ЗЯ = г из = 10* Ом) .
1 - зона защитного отключения; II — зона контроля изоляции
двойных замыканиях на землю (одновременном снижении изоляции или
замыкании на землю двух фаз в различных точках сети) в случае равен-
ства сопротивлений замыкания Z?3i = R32 = R3 напряжение в ток НП
будут
= с/ф/[9о?с2я* +(Я,/Я +2)’]и,	(4.16)
3/<2) = иф^(9ы2С2Л2 + 1)/[9ш2С2Я2Я2 + (2Л+Л3)2] 14.	(4.17)
Угол между вектором фазного напряжения и вектором напряжения
НП имеет вид
V = arcctg [(Л3 + 2R)/luCR,R].
и^ЧеНИЯД 3 '0 0м и Я3 = 10s Ом в знаменателях выраже-
и '	} активная. составляющая проводимости становится
’ О™ЬК° меньш'Рсак™вной [(2Л + Л3)/Л3Л«ЗыС], а модули на-
6vnvT оп«яеТ0К0В П При 0ДН0 и двУхФазном снижении изоляции сети
будут определяться из выражений
t/J1’ = у'2) = 1/ф/ЗшСЛ3,
3/?)=3/‘2> = 1/ф/Лз.
t
64
(4.18)
(4.19)
На рис. 4.4 приведены построенные сотасно выражениям (4 2) н (4 31
зависимости токов и напряжений НП от сопротивления утечки на землю
сеТ^ 6,3 кВ "РИ еМК0С™ Фа3 “™ 115 МКФ/фа^ "
Из зависимостей следует важный для практики защиты и контроля
изоляции вывод о том, что в се™ с высокоомным резистором в нейдали
в зоне сопротивлении изоляции порядка (6 4 7) . 10’ Ом значения токов
и напряжении НП близки к значениям этих параметров'для сйибез резис-
тора в нейтрали при г„3 = 106 Ом. Отсюда, если ограничить отрезком cd
зону защитного отключения (3/0 = /ср = 0,75 А и 3l/0 = U№ = 15 В) что
соответствует снижению сопротивления изоляции одной из фаз до у-ров-
ня /?3 - 6 кОм, то ниже этой зоны - на уровне активного сопротивления
изоляции 50 кОм/фазу примерно на порядок выше нижней границы зоны
защитного отключения — имеется возможность осуществления предвари-
тельного селективного контроля изоляции с действием на сигнал. Отрезок
ав определяет нижнюю границу зоны контроля изоляции (3/Oi=0,l А и
3(/02 =2,5 В).
Перепад значений сопротивления между уставкой i срабатывания на
отключение и уставкой срабатывания на контроль в 10 раз, как пока-
зывает опыт эксплуатации общесетевых приборов контроля изоляции
по напряжению НП, позволяет иметь некоторый запас по времени, доста-
точный для принятия мер по предупреждению развития аварии.
Анализ выражения (4.16) показывает, что при равенстве сопротивле-
ний замыкания в двух точках R3l = R3t < 1 кОм напряжение НП прак-
тически равно 0,5 £7ф. При 7?з1 ^R3i и равенстве сопротивления изоля-
ции фаз напряжение НП будет
<70 = (UJR^ + СГг/Я„)/(1/Я + 3/wC+ 1/Дзг + 1/Яз2),
где 1/Я=3/гнз+1/Я,.
Анализ модуля выражения (4.20) показывает, что в зависимости от
соотношений сопротивлений в точках замыкания фаз 1 и 2 на землю (но
не более 1 кОм) напряжение НП может изменяться от £/0 - <'Ф Д° °.5 иФ-
При этом влияние на (/„ сопротивления изоляции и емкости сети незна-
ЧИ При^носительно больших емкостях фаз сети свыше 5 мкФ/фазу и соп-
Р “'"о1-"1"""1	-„-пй точке 10’ Ом и более напряжение НП
ротивлении замыкания ВО втором точке	ичппяпии
л i«/x Пои этом влияние сопротивления изоляции
может снизиться до 0 15^ф . при^т нп в зависимости от соотношс-
также незначительно. Вектор напряже	мкФ/rhi-w и
ния R JR , при различных значениях емкости от 1 до 3 мкФ/фазу и
™"<1 кОм относительно вектора фаза. 1 изменяется в широких пре-
ИеЛТакиТм“обизом° анализ и обобщение основных параметров и соотно-
Таким образом,	яео6ходимых для выполнения устройств
3™. в сетях С высокоомным резистором в нейтрали, показывают
“ТтоТ НП в поврежденном присоединении состоит из емкостной и ак-
тивной составляющих:
3/0(„)=[(/сл-^)2+0>6/’сб1й-
(4.20)
65
5. Зак.318
2	Дополнительная активная составляющая тока замыкания на землю
изменяет напряжение НП (%) по модулю и аргументу по сравнению с
напряжением ^НП (Уо(->) в сети без высокоомного резистора в неитра-
лив S раз:
йа =
где йМм = (X» + 9<№tf)“/(l + 9<SC>R1)* > 1;
К=1 +/,Я3/£/ф.
Угол между фазным напряжением и напряжением НП
у = arcctg/a» - arcctg — [(1 + /а*) + 4*1 -
С/ф
3.	Угол между вектором напряжения НП и током НП в поврежденном
присоединении может изменяться от 59 до 5 :
<P = arctg[(l —/c/4?s)/°>6]
при I'Jlcz 1 ’
где 1Съ - суммарный емкостный ток металлического замыкания на зем-
лю; /с - собственный емкостный ток защищаемого присоединения с наи-
большей емкостью фаз относительно земли.
Угол между вектором тока НП в поврежденном и непосредственном
присоединениях равен 180 .
4.	Уровни тока НП и его гармонических составляющих в поврежден-
ном и неповрежденном присоединении сети определяются емкостью фаз
по отношению к земле и могут быть‘соизмеримыми между собой при
сосредоточении емкости сети на двух-трех присоединениях.
5.	Кратность максимальных амплитуд тока НП (бросков емкостного
тока металлического замыкания) в переходном режиме к установивше-
муся току в зависимости от параметров сети и начального момента замы-
кания на землю может изменяться от значения 1,5 до 10—12, а при дуго-
вых перемежающихся 033 - не более чем до 3—4, за счет снижения крат-
ности напряжения на поврежденной фазе, вызываемого стеканием ста-
тических зарядов емкостей фаз через резистор нейтрали (см. гл. 2, п. 3).
Необходимость ограничения уровня сигнала на входе токовых изме-
рительных органов защит в сетях с оптимизированным режимом нейтрали
не снимается.
6. Частота собственных колебаний свободной составляющей переход-
2000 ГцКа 3аМЫКаНИЯ в ~<ости от параметров сети состаляет 300-
7. При дуговых перемежающихся 033 ток НП представляет собой
е в™»™™ые импульсы со скважностью в несколько мил-
выс°ко’астотные затухающие импульсы, разделенные
, паузами, тот ток может содержать высшие гармоничес-
кие составляющие с преобладанием пятой гармоники.
.	НП.о6ь™опо Форме близко к пилоообразным импульсам
с резко сниженной (в 1,5-1,7 раз) амплитудой одной из полярностей
по отношению к фазному напряжению сети.	Р
8.	Дополнительная активная составляющая тока 033 порядка 0 6
от емкостного тока ликвидирует гармонические колебания напряжения
НП, возникающие при восстановлении симметрии фазных напряжений
после аварийного отключения присоединения с 033 и резко ограничивает
время затухания свободной составляющей напряжения НП, Аналогичное
влияние резистор в нейтрали оказывает на ток и напряжение НП при крат-
ковременных самоустраняющихся 033.
9.	При включении холостой линии в воздушно-кабельной (карьерной)
и кабельной (шахтной) сети в зависимости от фазы включения ток и
напряжение НП за счет разновременности замыкания контактов выклю-
чателей могут существовать в течение времени до 2-3 мс. При этом уро-
вень напряжения НП не превышает 5-7%.
10.	При двойных замыканиях на землю в сетях с емкостью до 5 мкФ/
фазу в зависимости от соотношений сопротивлений в точках замыкания
двух фаз на землю напряжение НП может изменяться от своего номиналь-
ного значения до половины фазного напряжения. При равенстве сопро-
тивлений замыкания (в пределах до 1 кОм) напряжение НП практически
равно половине фазного.
3.	КЛАССИФИКАЦИЯ СЕЛЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ
И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Существующие селективные защиты от замыканий за землю в сетях
с изолированной нейтральностью в основном используют рассмотренные
выше (см. п. 1 настоящей главы) параметры, возникающие при однофаз-
ном замыкании на землю.
По принципу построения измерительных органов эти устройства можно
классифицировать следующим образом,
Устойства, реагирующие на:
а)	наложенный на сеть оперативный ток (постоянный, повышенной час-
тоты - свыше 50 Гц или пониженной - 25 Гц);
б)	действующее значение полного тока замыкания;
в)	действующее значение высших гармоник полного тока замыкания;
г)	направления токов нулевой последовательности (НП) присосди-
НС™И’направление мощности НП в первом полупериоде переходного про-
капрТвХ'е мощности НП в установившемся ревщме замыкания;
ж) полярность первой полуволны тока и напряжения НП.
Устройства, основанные на относительном сравнении величин токов
присодинений (централизованные защиты) и реагирующие на.
Зч наибольший вектор тока НП присоединения,
и) наХьшее амплитудное или действующее значение гармонической
составляющей тока НП присоединения,	и„„..а
к) наибольший по амплитуде ток НП присоединения.
По”еХ™инцип построения можно подразделить на устройства,
РЕа17₽нУаиболь™й по амплитуде бросок тока НП присоединения в на,аль-
ный момент замыкания на землю,
67
2) наибольший по амплитуде ток НП присодинения в течение заданного
времени (с опережающим действием).
Каждый из перечисленных принципов выполнения защиты от 033 об-
ладает определенными потенциальными возможностями, и выбор прием-
лемого принципа при разработке защиты зависит от совокупности требо-
ваний, предъявленных к ней для конкретных условий эксплуатации.
К настоящему времени для электрических сетей 6-10 кВ карьеров
и шахт сформированы и известны общие требования к защитам от 033.
Ряд требований изложен в ПУЗ и действующих отраслевых правилах безо-
пасности и нормативных документах, где оговорены необходимость и
условия селективности действия защиты на отключение или на сигнал,
быстродействие, число ступеней, время их срабатывания, возможность
взаимодействия защиты от 033 с устройствами АПВ.
Но в указанных документах ряд важнейших требований к защитам
от 033, например требование по чувствительности, определяющее надеж-
ность функционирования и возможность применения защиты в конкретных
условиях, а также требования, определяющие функциональные возмож-
ности защиты, ее надежность и эксплуатационные качества для различных
условий, предоставлены на усмотрение разработчиков. Такая неопреде-
ленность требований наряду с недостаточным учетом реальных процессов
при 033, в том числе в режиме его устранения, является одной из серьез-
ных причин нежизнеспособности ряда предлагаемых новых устройств
защиты от 033 в условиях сетей 6-10 кВ карьеров и шахт. Внедрение
более эффективного режима изолированной нейтрали с высокоомным
резистором в нейтрали позволяет не только обеспечить условия на-
дежной работы существующих защит от 033, но упростить ряд сложив-
шихся требований и по-новому подойти к выбору принципа построения
селективной защиты.
Поскольку совершенство устройств защиты зависит от того, насколько
полно она отвечает общим требованиям, возникает необходимость кратко
рассмотреть и сформулировать основные из них для устройств защиты
от 033 в сетях с оптимизованным режимом нейтрали.
Из опыта эксплуатации воздушных и кабельных сетей 6—10 кВ известны
три вида 033: устойчивое металлическое (глухое) или через переходное
сопротивление, устойчивое дуговое перемежающееся и кратковременное
самоустраняющееся замыкание.
Металлические замыкания - устойчивое однофазное повреждение изо-
ляции, когда переходное сопротивление между поврежденной фазой и
землей относительно невелико (не более 20-30 Ом). В этом режиме ток
и напряжение НП, как было показано выше (см. п. 1 настоящей главы),
имеют наибольшие по абсолютной величине значения, а их форма в уста-
новившемся режиме обычно содержит высшие гармоники, уровень ко-
торых в ряде случаев особенно при применении в сети выпрямительных
установок д°стигает 10-12%от первой гармоники. ВЫПРЯМИТе
nuiXulrv'T3 устойчивую (закрытую, нерастягивающуся) персмежа-
ппелстайпяе/ "ГЛ Т°К КЭК И Ток замЬ1«ания на землю, обычно
бестоковыми пЯ™И ВЬ1£окочастотнь1е затухающие импульсы, разделенные
_ м uu V МИ’При зт°м пробои изоляции в зависимости от харак-
ера и интенсивности повреждения могут наступать в течение либо каж-
ДОГО полупериода, либо через один и более периодов напряжения повреж-
денной фазы. Через дугу в течение всего периода ее горения течет ток
замыкания на землю, также содержащий высшие гармонические состав
ляющие, в которых наиболее часто преобладает пятая гармоническая
составляющая.
Анализ осциллограмм, снятых в карьерных сетях с высокоомным
резистором в нейтрали (см. рис. 2.10, гл. 2, п. 5), показывает, что при
указанном выше виде~ повреждения напряжение НП представляет собой
импульсы пилообразной формы с резко сниженной (в 1,5-1,7 раз) ампли-
тудой одной из полярностей по отношению к фазному напряжению сети.
Осциллограммы, снятые в сетях без резистора в нейтрали (см. рис. 2.8,
гл. 2, п. 5), в том числе полученные другими исследователями [43, 44],
показывают, что при этом напряжение НП имеет форму трапецеидальных’
импульсов с амплитудой, сниженной до двух раз по отношению к фазному
напряжению.
Как уже отмечалось в гл. 2, дуговое перемежающееся замыкание сопро-
вождается значительными перенапряжениями, которые могут привести
к пробоям изоляции электрооборудования и кабелей, и возможен переход
033 в междуфазное замыкание. Кроме того, исследованиями Донецкого
политехнического института (Л.Е. Дударев и др.) было показано, что
в кабельных сетях любое снижение тока замыкания на землю компен-
сацией емкостной составляющей даже при точной настройке ДГР, близкой
к резонансу, не исключает существования дугового замыкания и пробоев
изоляции, а только увеличивает в несколько раз период наступления этих
пробоев.
Поэтому этот вид замыкания на землю независимо от режима нейт-
рали является опасным, особенно для подземных кабельных сетей 6-
10 кВ с взрывоопасной окружающей средой, и требует селективного отклю-
чения защитой от замыкания на землю. При этом чувствительность
устройства защиты к дуговым замыканиям должна быть нс ниже, чем
к металлическим 033.
При кратковременных самоустраняющихся 033 и пробоях ослаблен-
ных^гочек изоляции электрическая прочность места повреждения через
небольшой промежуток времени может увеличиться, что ведет к прекра-
щению пробоя. При этом в сети без резистора в нейтрали характер изме-
нения тока и напряжения НП напоминает осциллограмму при отключении
присоединения с 033 - ток исчезает почти сразу, а напряжение НП в зав и-
симости от емкости сети некоторое время (до 8-10 периодов основной
частоты) продолжает колебаться, медленно затухая с частотой порядка
25-30 Гц, а в сети с резистором в нейтрали напряжение затухает так же
“и‘кратковременных самоустраняющихся 033 в сети
с высХмным резистором в нейтрали могут иметь место вполне селек-
тивные срабатывания защиты.	П„ии«мр самоустоа-
Согласно статистике 033 на долю отключении по причинс са.моустр^
няющихся замыканий на землю приходится до - пушениям электро-
чений сети, что ведет к неоправданным ПР°‘ТО™ и	быть прс^с.
снабжения. Поэтому в устройстве защиты о
69
Рис. 43. Осциллограмма тока и напряжения НП при кратковременном самоустраняю-
щемся пробое изоляции в сети с резистором (fl) и без резистора (6) в нейтрали
мотрены меры, исключающие возможность отключения присоединения
при срабатывании в данном режиме однофазного повреждения изоляции.
Другой мерой против отключений при кратковременных самоустраняю-
щихся 033 является применение простых устройств быстродействую-
щего защитного закорачивания на землю поврежденной фазы сети
(см. гл. 5).
Рассмотрим влияние резистора в нейтрали на требования по чувстви-
тельности токовых и направленных защит от 033. Коэффициент чувстви-
тельности токовых защит с измерительными органами НП, в том числе
I с относительным сравнением величин токов НП (централизованных защит),
как известно, определяется из выражения	/
= (Л?Е ~	,	(4.21)
где - суммарный емкостный ток замыкания на землю сети; Гс =
= ЗС/фыСс - собственный емкостный ток защищаемого присоединения
с наибольшей емкостью Сс фаз относительно земли при внешнем 033;
/ср - ток срабатывания защиты.
Действующее значение тока срабатывания токовых защит выбирается
из условия
/ср = кнкбр/с,	(4.22)
где кн - коэффициент надежности срабатывания защиты; - коэффи-
циент отстройки от бросков в переходном режиме 033.
Подставляя выражение (4.21) в выражение (4.22), получаем
Iczllc = *н*бр*ч + 1-	(4.23)
Рассмотрим критический случай, когда токовые защиты всех разно-
видностей не обеспечивают селективность - емкость сети сосредоточена
на двух присоединениях с равными т.е. когда /СЕ = 21'с Подставляя
отношение Ic-Jl'c - 2 в выражение (4.23), имеем
^н^бр^ч + 1 ~ 2.	(4.24)
При к„ - 12, приняв для токовых защит, реагирующих на действующее
значение тока НП, коэффициент Л'бр = 5, имеем
кч — 1/^н^бр = 1/6 < 1,
т.е. защита селективно не сработает.
При кн - 1, 2/ приняв для токовых централизованных защит с относи-
тельным сравнением токов присоединений А'бр = 1, имеем
кч = 1/1,2 < 1,
т.е. защита селективно не сработает.
Отсюда следует, что условием селективного срабатывания защиты,
при котором обеспечивается кч > 1, является
^н^ч^бр + 1 > 2.
При кн = 1, 2 и ^ч. min ~ 1 »25 (минимальное значение коэффициента
чувствительности, рекомендуемое ПУЭ) для токовых защит, реагирующих
на действующее значение тока НП, селективность будет обеспечена при
/ci <	5,	(4.25)
для централизованных токовых защит
^С2 <	(4.26)
В сети с высокоомным резистором в нейтрали при металлическом
033 через место замыкания будет протекать дополнительный активный
ток /а = 0,6 /се» а действующее значение полного тока будет
4s = (/cs + (0,6/СЕ)2)й = 1,17/с£.	(4.27)
Тогда , заменяя в выражениях (4.25) и (4.26) /<?£ на /п2> и подстав-
ляя в них выражение (4.27), получим условия селективной работы для
двух видов токовой защиты:
/61 < 0,14/СЕ,	(4.28)
let < 0,47/се.	(4-29)
Из выражений (4.28) и (4.29) следует, что токовые защиты, реагирую-
щие на действующее значение полного тока НП или его высших гармоник
в сети с резистором в нейтрали, могут удовлетворительно работать при
числе присодинений в сети не менее
«1 > IczHc = 1/0,14 = 7,
а централизованные — при числе присоединений
п2 > 1/0,47 ~ 2.
В последнем случае значение l'c поврежденного присоединения может
быть практически равно значению второго неповрежденного присоеди-
нения, но не превышать его.
Поскольку значение l'c защищаемого присоединения равно
подставим это значение в выражение (4.21), и, решив относительно /ср1
имеем
/Ср1 = Исе _ 7сх/(^н*ч^вр + 1)]>*ч-
После несложных преобразований, заменяя на 1,17/Е = /п2, получим
значения уставок срабатывания соответственно для токовой и центра-
лизованной зашит
/ср1 <	1,17/св^н^бр/(^к^ч^бр	+	0»	(4 30)
ZcpI <	1,17/с2М(М,	+ D-	<4-31)
При кч	mto = 1,25 и	= 1,2 уставки по току соответственно будут
/ср. =	0,83/св.	(4'32)	'
/ср2 =	0,56/сх-	(4'33>
На рис. 4.6 приведены зависимости уставок /Ср i и JcP2 от емкост- ||
кого тока металлического 033 при заданных кч — 1,25, 2,5 и ки - 1,2,
/сбр = 5 (линии /) и кч = 1,25, 2; 2,5 и к„ = 1,2 (линии 2); /а = 0,6/Се- |
На рис. 4.7 приведены зависимости коэффициента чувствительности
токовой (7) и токовой централизованной (2) защит от емкостного тока
металлического 033 при различных уставках срабатывания.
Из зависимостей рис. 4.6 следует, что при прочих равных условиях
(icz, /Соб и кч) токовые централизованные защиты обладают большими
(в 1,5-1,7 раз) возможностями по чувствительности, чем токовые защиты,
причем при одинаковых уставках срабатывания и условиях (когда /соб1 <
</cpi/6 и /соб2 ~ 4рг/1«2) централизованная защита обеспечивает равный
с токовой защитой коэффициент чувствительности при соответственно
большей (в 1,3-1,4 раза) суммарной емкости сети (рис. 4.7).
Чувствительность устройств защиты, реагирующих на установившееся на-
правление мощности НП, так же как и токовых защит, определяет возмож-
ность и условия их применения в конкретных сетях. Чувствительность на-
правленных защит по току должна быть достаточной для срабатывания при
конкретном полном токе металлического замыкания на землю в сети с уче-
том влияния собственного тока присоединения и тока небаланса трансформа-
тора тока НП. Кроме того, ток срабатывания защиты по величине должен
быть таким, чтобы нс сработала защита на неповрежденных линиях от тока
небаланса с учетом собственного тока линии.
Чувствительность по напряжению (пускового органа напряжения) выби-
рается, исходя из требуемого вторичного напряжения НП при сопротивлении
однофазного замыкания R = Rcp = 0. Одновременно с этим величина напря- |
жения срабатывания должна быть в 1,5—2 раза больше естественного напря- 1
жения несимметрии сети.
Ток /ср И напряжение С/ср срабатывания направленных защит выбирают из
следующих общих условий:
(/?п+/г)»-/„б>7ср>*з/нб.
ЗС/От [при Л3 =Я'СР]
*	>иср>а,5ч-2)С/нес2.
(4.34)
(4.35)

Здесь
^с.п = (Jcl~
где 1С П - емкостный ток замыкания поврежденного присоединения, Л;
'Cs ~ суммарный емкостный ток замыкания на землю сети, А; /с - собст-
венный емкостный ток присоединения с наибольшей емкостью фаз сети отно-
сительно земли, А;
Агч.т и кчн — коэффициенты чувствительности по токуй напряжению соот-
ветственно (принимаем кчл =ЛЧ.Н > 1,25);
к3 — коэффициент запаса, к3 = 2 4-3;
/Нб — первичный ток небаланса трансформатора тока НП (принимается по
данным фактических измерений при работе линий с номинальной нагруз-
кой), А;
3U02 [при R3 =/?сР] - вторичное напряжение НП, которое образуется при
сопротивлении замыкания на землю, равном заданному сопротивлению сра-
батывания пускового органаЛ’ср > О, В;
t/HCC2 - вторичное напряжение несимметрии (в сетях 6-10 кВ £7неС2 <
<0,1С/ф2), В; {/ф2 - вторичное фазное напряжение сети, В.
Таким образом, на основании существующих требований и учета рассмот-
ренных выше особенностей работы устройств защиты от 033 в распредели-
тельных сетях с высокоомным резистором в нейтрали сформулируем сле-
дующие общие требования к защитам:
1.	Устройство защиты (УЗ) должно обеспечивать селективное отключение
поврежденного присоединения при всех винда устойчивых однофазных замы-
каний на землю (металлических, через переходное сопротивление и дуговых,
перемежающихся). При этом должна быть обеспечена непрерывность (пов-
торность) действия УЗ. Чувствительность защиты к дуговым 033 должна
быть не ниже, чем к металлическим.
73
2.	УЗ не должно отключать сеть при кратковременных самоустраняющих-
ся 033.	_
3	Выбор принципа выполнения реагирующего органа токового или
направления мощности НП - определяется характерным для защищаемой
сети отношением суммарной емкости фаз сети к емкости наиболее протя-
женного присоединения. При прочих равных условиях предпочтение следует
отдавать токовому принципу с относительным сравнением амплитуд токов
НП - централизованным для л-присоединений сети, дающим более широ-
кие возможности блочно-модульного исполнения с применением интеграль-
ной или микропроцессорной элементной базы. Последнее упрощает обслу-
живание и наладку, а также позволяет совмещать в одной защите несколь-
ко различных функций (например, дополнить защиту функциями выбора
поврежденной фазы, контроля за изоляцией присоединений, фиксации раз-
личных видов повреждений и т.д.).
4.	Коэффициент чувствительности для централизованных защит должен
выбираться не менее 1,25, а для защит, реагирующих на абсолютное значе-
ние тока НП или на направление мощности НП, — не ниже 1,5. При этом по-
грешность расчетных значений токов замыкания на землю должна быть не
ниже ± 10%.
5.	В защитах токового принципа шкала уставок должна быть нерегули-
руемой и отградуирована по первичному току НП.
6.	Независимо от выбранного принципа выполнения реагирующего органа
защита должна иметь блок (или обеспечивать возможность совместной ра-
боты с блоком) автоматического селёктивного контроля изоляции сети,
действующей на сигнал в зоне напряжений и токов НП до срабатывания за-
щиты, действующей на отключение.
7.	Устройство защиты (УЗ) должно иметь отстройку от коммутацион-
ных и высокочастотных помех в сети, включая броски тока НП в начальный
момент переходного процесса 033, задержкой порядка 5—10 мс.
8.	УЗ должно обеспечивать возможность согласованной работы с уст-
ройствами АПВ или блоками определения поврежденной фазы (ОПФ) уст-
ройств быстродействующего закорачивания на землю фазы (УЗФ) по чувст-
вительности и быстродействию. При этом время срабатывания УЗ должно
быть не ниже 10—20 мс, но не более 50 мс, а уставка по сопротивлению сра-
батывания должна быть не выше уставки блока ОПФ.
9.	УЗ должно обеспечивать возможность диагностического контроля
(тестирования) исправности в процессе эксплуатации.
4. ВЫБОР ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ЗАЩИТЫ
.	вмт Лп И ° ЩИе тре6ования к У3 позволяют применять в сетях
с высокоомным резистором в нейтрали с токами 033 до 10 А любые су-
тХмХй'Т™' с03даваемые при этом дополнительной активной
™ „	благоприятные условия по селективности
033 fivnvTHponuu. надежности срабатывания при металлических и дуговых
ИИ Я	ковыми Для защит с различными принципами реагирова-
ния- Поэтому проанализируем возможности наиболее распространенных
принципов выполнения защит с точки зрения соответствия сф^лирован-
ным в п.1 настоящей главы общим требованиям » VT.
,ра™ тя ВЫ&>₽а "™- поэвоХщ~щ
статочно простыми	cPa6aTb“a*™«
илт^свыше 50СГ1П!'^1ЦИе наложенкый на «та переменный (частотой 25
возможность его urnr?3™8™’™ ™К Особенност™ ’того принципа является
сиХ™^“сетяя е по	селек™>н°й «“«'Tb. от 033 в комлей-
^ХнХ обТто ПОВЫШенно" повреждаемостью изоляции при низком
уровне его общего сопротивления относительно земли.
__	недостатком защит на наложенном оперативном токе являет-
ся трудность (при дуговых 033 с относительно небольшой основной часто-
той тока замыкания - при настройке ДГР, близкой к резонансу), а в ряде
случаев невозможность обеспечения надежной работы при перемежающихся
дуговых 033 из-за влияния гармонических составляющих тока НП, по час-
тоте близких к частоте оперативного тока, уровень которых может в 5-10
раз превышать уровень оперативного тока срабатывания. [451 \ Применение
защит на данном принципе в сетях карьеров и шахт с ДГРвнейтрали огра-
ничивается ввиду сложности отстройки защиты от помех в переходном
режиме перемежающегося 033 различными входными частотными фильт-
рами (в составе частотно-избирательных усилителей) из-за довольно широ-
кого спектра частот гармонических составляющих тока НП, а также огра-
ниченности собственно величины оперативного сигнала (из-за повышения
остаточного тока замыкания).
Применение такого принципа в сетях с высокоомным резистором в нейт-
рали следует считать нецелесообразным, так как наложение дополнительно-
го активного тока замыкания само по себе решает задачу ’’разделения ка-
налов” для повышения селективности и при этом наложение оперативного
тока становится излишним.
Защиты, реагирующие на действующее значение суммарного тока замы-
кания на землю. К защитам этого типа относятся реле типа РТ40/02, РТЗ-50,
РТЗ-51. Наиболее совершенным из них является реле типа РТЗ-51, отличаю-
щееся лучшей отстроенностью от бросков тока НП при металлических 033,
простотой и более высокой чувствительностью и меньшим разбросом уста-
вок срабатывания по первичному току при работе с различными трансфор-
маторами тока в пределах одного типа. Общие свойства защит этого клас-
са были кратко рассмотрены в предыдущем параграфе, откуда следует, что
этот принцип позволяет обеспечить селективность действия при дуговых
033 в сети с высокоомным резистором в нейтрали при условии, если коэф^
фициент отстройки от бросков тока будет больше 5. Однако за счет влия-
ния высших гармоник тока НП возникает необходимость отстройки повы-
шением коэффициента броска до 7-8 или введением задержки по времени.
Важным достоинством всех токовых защит является то, что на их работу
не влияют гармонические колебания напряжения НП в режиме устранения
033 угловые погрешности в цепях тока НП, а также высокочастотные и
другие помехи в сети. Учитывая простоту токовых зашит, следует считать
их применение в определенных условиях распределительных сетей карьеров
с оптимизированным режимом нейтрали [при соблюдении условия (4.28) и
соответствующем требуемом коэффициенте чувствительности] вполне це-
лесообразным.
75
Защиты, реагирующие на направление мощности в первом полупериоде
переходного процесса. Особенностью защит этого класса является отсутст-
вие необходимости их отстройки от тока НП при замыкании на неповреж-
денном присоединении и невосприимчивость к влиянию высших гармони-
ческих составляющих тока НП. Как известно, в начальный момент 033 (в
течение первого полупериода) свободные составляющие тока и напряжения
НП сдвинуты по фазе на 90°, когда напряжение поврежденной фазы близ-
ко к нулю, и практически совпадают по фазе при минимуме напряжения по-
врежденной фазы.
В первом случае, особенно когда амплитуда первого полупериода тока
значительно больше амплитуды напряжения НП, выходная мощность фазо-
чувствительного измерительного органа защиты будет в 2 раза ниже, чем в
случае, когда угол между током и напряжением НП равен нулю. При этом
защита может не сработать из-за недостаточности выходного сигнала. Во
втором случае амплитуда первого полупериода напряжения НП может ока-
заться настолько малой по сравнению с первой амплитудой высокочастот-
ного броска тока НП, что мощность сигнала, несмотря на нулевой угол
между током и напряжением, может вновь оказаться недостаточной для
срабатывания защиты.
Влияние угловых погрешностей в цепях тока и напряжения НП, ведущих
к искажениям естественного сдвига фаз между ними, еще более ухудшает
надежность действия таких защит.
Следовательно, при 033 вблизи нуля и максимума напряжения повреж-
денной фазы вполне возможны случаи отказа в срабатывании и даже несе-
лективной работы защиты за счет приближения по фазе или увеличения
амплитуды на последующих полупериодах напряжения НП.
Ввиду отмеченных выше недостатков и сложности отстройки, несмотря
на преимущества по чувствительности перед всеми известными принципами,
применение защит, реагирующих на направление мощности в первом полу-
периоде переходного процесса, в распределительных сетях шахт и карьеров
пока остается проблематичным.
Защиты, реагирующие на направление мощности в установившемся ре-
жиме. Защиты типов ЗЗП-1м и РЗН-З, построенные на данном принципе,
получили наибольшее распространение в КРС напряжением 6—10 кВ. На
рис. 4,8, а, б показаны схемы направленных защит нулевой последователь-
ности от замыканий на землю - типов ЗЗП-1м и РЗН-З.
Схема защиты ЗЗП-1м содержит ограничитель, элементы сдвига фазы
тока, усилитель переменного тока с резонансным фильтром на выходе в
токовом канале, резонансный фильтр в канале напряжения, фазочувстви-
тельный усилитель и исполнительный орган. Схема защиты РЗН-З содер-
жит ограничитель, резонансный фильтр и усилитель переменного тока в то-
ковом канале, элементы сдвига фазы напряжения, фазочувствительный и
исполнительный органы [46]. Основным достоинством защит, реагирующих
на установившееся направление мощности, является высокая чувствитель-
ность, благодаря чему на их работу не влияют соотношения емкостей при-
соединений, высокочастотные и другие помехи коммутационного харак-
тера. При металлических или через переходные сопротивления 033 на рабо-
ту направленных защит типа ЗЗП-1 м и РЗН-З практически не оказывают
влияния и высшие гармонические составляющие тока НП.
Испол-
нитель
ный
орган
фильтр
50 Гц
Разо-
чуОст-
Витель-
 ный
орган
Эле-
мен-
та!
сдОига
фазы
зиП
о
Испол-
нитель
ный
орган
м'ЛзНС3Р(бГУ₽К"С	зашит °’ мммкакил к. жмлю тап1 зэп.1
Защита РЗН-З - благодаря простому фаэочувствитсльному органу, выпол-
ненному на базе двух герконовых реле (РЭС-42), специальному трансформа-
тору тока типа ТНП-1 м и простоте всей схемы - согласно имеющимся дан-
ным многолетнего опыта эксплуатации обеспечивает надежную и селектив-
ную работу при замыканиях на землю в КРС 6 кВ с относительно малыми то-
ками металлического 033 до 3-4 А. При искусственном создании дополни-
тельного активного тока замыкания вектор тока НП поврежденного присое-
динения надежно охватывается рабочей зоной угловой характеристики защи-
ты, т.е. в сети с высокоомным резистором в нейтрали условия селективной
работы этой защиты при замыканиях через различные переходные сопротив-
ления даже несколько улучшаются.
Недостатком направленной защиты РЗН-З является невозможность рабо-
ты при некоторых разновидностях дуговых перемежающихся 033, когда на
вход токового канала поступает серия одиночных высокочастотных импуль-
сов со скважностью 1-2 мс, соизмеримых с временем срабатывания герко-
нов фазочувствительного органа. Исследования ВНИИВЭ [44] показали, что
направленным защитам типа 'ЗЗП-1 м присущ принципиальный недостаток -
при дуговых перемежающихся 033 в кабельной сети 6—10 кВ защиты могут
отказывать в срабатывании, а при определенных условиях возможны и несе-
лективные срабатывания на неповрежденных присоединениях.
Основная причина этого заключается в том, что из-за разницы частот тока
и напряжения НП фазочувствительным органом устройства вырабатываются
случайные выходные сигналы, снижающие выходную мощность срабатыва-
ния на поврежденном присоединении до двухкратного значения и одновре-
менно увеличивающие ее в измерительном органе другой защиты на непов-
режденном присоединении.
Рассмотрим поведение этой защиты при перемежающихся 033 в сети с вы-
сокоомным резистором в нейтрали.
77
Выходная мощность сигнала фазочувствительного усилителя (ФЧУ) уст.
ройства ЗЗП-1м:
Рср(О=7зУо(<Увых(да +cos(!/)dr,	(4.36)
где /Вых (0 — ток’ поступающий на фазочувствительный усилитель с L—C
фильтра (резонансного контура токового канала), А; (3 — коэффициент уси-
ления транзисторов ФЧУ устройства; ф — угол сдвига фаз между 3(7О и
/вых>град.
Из-за разницы частот напряжения НП и дискретных импульсов тока НП
последние, так же как в сети без высокоомного резистора в нейтрали, прак-
тически не смещаются относительно напряжения НП по фазе (или смещаются
незначительно - на 5-10°), проходя через фазосдвигающие элементы в токо-
вом канале. Но благодаря резистору /?а = 1,66Хс в нейтрали сета угол меж-
ду векторами тока и напряжения НП в поврежденном присоединении стано-
вится равным не более 59° и будет изменяться в пределах </п = 5 -г 59° (век-
торная диаграмма на рис. 4.9). При этом если выходная мощность сигнала
ФЧУ защиты в сета без резистора была равна Рвых = /’ср (при Ф = 0) /2, то
в нашем случае эта мощность составляет
^вых =^ср (при <0п = 5 )— РСр (при <^1= 59 ),
т.е. заметно увеличивается в т? раз:
т?= /’вых/ /’вых =Ъ9 ~
что существенно повышает вероятность срабатывания защиты при дуговых
033.
Угол между током НП в поврежденном и неповрежденном присоедине-
ниях за счет предварительного сдвига тока в токовых каналах защит, уста-
новленных на неповрежденных присоединениях (векторная диаграмма на
рис. 4.9), будет равен
</неп = 180° -/п»
т.е. по сравнению с замыканием в сета без резистора, когда угол v’n =
= *Рнеп = 90° и возможны ложные срабатывания на неповрежденных присое-
динениях, в нашем случае разница между углами „ и <£ неп заметно увели-
чивается. Поскольку при этом угол <рнеп -»• 180° и изменяется от 121 до
185 , то вероятность ложной работы защиты на неповрежденных присоеди-
нениях снижается.
В режиме устойчивых замыканий через различные переходные сопротив-
ления чувствительность данной защиты может несколько ухудшиться, а при
‘Р п < 45 возможны отказы в срабатывании на поврежденном и неселектив-
ная работа на неповрежденных присоединениях. Для исключения этого в се-
тях, снабженных устройствами защиты типа ЗЗП-1м, сопротивление резис-
тора в нейтрали должно обеспчивать угол <р'п > 45° или необходима коррек-
тировка параметров фазосдвигающей цепочки в токовом канале реле.
Положительное влияние высокоомного резистора в нейтрали на работу
направленных защит в режиме отключения присоединения с 033 - ликви-
дация гармонических колебаний напряжения НП и исключение связанных с
Рис. 4.9. Векторная диаграмма, поясняющая
iimvro МЭ Г.	-------
вихся 033 в сетаТр^^^Твий^^ Раб°ТУ Миигы ЗЗП4м "Р" перемежив
B^n^SrT”Pa7H^XXPaMemO9	“ полярность лер-
этим неселективных срабатываний, - как „оказали исследования (см.
гл. 2), полностью относится к защитам типа ЗЗП-1 м и РЗН-З.
Защиты, реагирующие на полярность первой полуволны тока к напряже-
ния На рис. 4.10 показана структурная схема защиты на данном принципе
[47J, особенностью которой является то, что цепи тока и напряжения НП
содержат по два разнополярных пороговых элемента (+/, -Г) и (+U, -U).
При 033 на поврежденном присоединении сработают однополярные порого-
вые элементы (+/: +U) или (-/, -U) и при их совпадении логический эле-
мент ”И” выдаст выходной сигнал. На неповрежденных присоединениях
срабатывают разнополярные пороговые элементы и элемент ”И” не выдаст
выходного сигнала.
Основное достоинство направленных защит на данном принципе состоит
в значительно меньшей зависимости селективности защиты от направления
мощности, так как пороговые органы тока и напряжения НП фиксируют
независимо друг от друга только полярность входного сигнала с достаточно
малой амплитудой. Это освобождает защиту от влияния амплитудных и фа-
зовых искажений в цепях фильтров тока и напряжения НП, что выгодно от-
личает этот принцип от остальных направленных защит более широкой воз-
можностью фиксации различных видов 033 и работоспособностью при лю-
бом режиме изолированной нейтрали. Недостатком принципа раздельной
фиксации полярности первой полуволны тока и напряжения НП являются
необходимость и сложность отстройки реагирующих органов от коммута-
ционных и других высокочастотных помех в сети.
Кроме того, защите требуется относительно сложная логическая часть,
поскольку необходимо принять меры к исключению влияния второй и по-
следующих полуволн тока и напряжения НП с обратным знаком. Наиболее
целесообразная область применения защит „а данном принципе - сильно
разветвленные кабельные электрические сети (включая компенсирован-
ные) с большими емкостными токами металлического 033 свыше 30-
40 А, требующие отключения сети только при дуговых 033.
79
Рис. 4.11. Диаграммы изменений напряжений заряда емкости (централизованной за-
щиты) от токов НП присоединений во времени, поясняющие различные способы
защиты
Способы защиты: а - с относительным опережающим сравнением амплитуд токов
о течение времени гп; б - с относительным сравнением амплитуд токов в течение
времени г3
Таблица 4.1
Сравнение возможностей различных принципов выполнения селективных защит
от 033
Параметр реагирования измерительного орга- на защиты	Возмож- ность ра- боты с вы- сокоомным резистором в нейтрали	Возможность фиксации (+)		
		дуговых, перемежа- ющихся 033	кратковре- менных самоуст- раняю- щихся 033	
Наложенный переменный оперативный ток	+			
Действующее значение суммарного тока	+	+	—	
замыкания или его гармоник
Наибольшее амплитудное или действующее
значение гармонической составляющей
тока (относительным сравнением)
Направление мощности в установившемся
режиме
Направление мощности в первом полуперио-
де переходного процесса
Полярность первой полуволны тока и напря-
жения НП
Наибольший по амплитуде ток НП присоеди-
нения (относительным сравнением)
Наибольший по амплитуде ток НП присоеди-
нения в течение заданного времени
(опережающего действия, относительным
сравнением)
Зашиты, реагирующие на наибольшее, амплитудное (иди действующее),
значение тока НП или его гармонической составляющей, централиювам
ные с относительным сравнением токов присоединений. Область примене-
ния централизованных зашит значительно дыре, чем токовых мшит с абсо-
лютным измерением за счет отсутствия необходимости п отстройке от брос-
ков тока НП в начальный момент 033. Как было показано в п 2 настоящей
главы, для этих зашит принимается АОр = 1. Сравнение амплитуд переход-
ных токов или гармонических составляющих позволяет выполнять центра-
лизованные защиты и для сетей с компенсированной нейтралью.
В сети с высокоомным резистором в нейтрали возможности централи»-
ванных зашит расширяются пропорционально создаваемому активному то-
ку, а в нашем случае - чувствительность их повышается на 20 25%, что
позволяет обеспечить селективность практически при сосредоточении ем-
кости на двух присоединениях. При этом наиболее удовлетворительной се-
лективности можно достичь благодаря относительному сравнению ампли*
гуд токов НП присоединений в течение заданного времени с опережающим
действием (поврежденное присоединение - это то присоединение, тде амп-
литудное значение тока наибольшее в заданный момент времени).
На рис. 4,11. а. б показаны диаграммы изменений напряжений заряда
емкости централизованной зашиты от токов НП присоединений во време-
ни, поясняющие способы защиты (а, б).
	Возможность влияния (-) и невлияния (.♦)				ia работу зашить	
	соотношения емкостей присоеди- нений	гармони- ческих ко- лебаний на- пряжения НП при от- ключении фидера с 033	переходных процессов	высокочас- тотных и других помех	изменений фазового едлнгя меж- ду током и напряжением НП	высших гармони «веских сос- тавляю- щих тока НП
	+		-	+		
6 Зак.318
Здесь: tn^ t„ — соответственно время достижения напряжений заряда
емкости от токов НП поврежденного и неповрежденного присоединения
уровня уставки срабатывания; t3 — время достижения напряжений заряда
емкости от токов НП поврежденного и неповрежденного присоединения
уровня, соответствующего амплитудному значению токов.
Первая разновидность (рис. 4.11, а) принципа менее критична к ложным,
неселективным срабатываниям, чем вторая (рис. 4.11, б). Преимущество
способа а перед б состоит в том, что после времени tn сигнал на отключение
идет раньше времени гн1, гн2, • • • , [н/ (т-е- гп < f «.i <	• Одновремен-
но с этим имеется возможность практически мгновенно (в течение времени
Дг) наложить запрет на выходные цепи реле централизованной защиты всех
остальных присоединений.
Способ б осуществляет сравнение токов присоединений [48] параллель-
ной индикацией мак си селекторами, которые осуществляют запоминание,
последующее сравнение между собой и выявление наибольшего из запомнен-
ных напряжений (например, напряжений заряда емкостей от токов присое-
динений) . Централизованные защиты с относительным сравнением имеют
возможность селективной работы при перемежающихся дуговых 033, что
является их важным достоинством. Кроме того, они свободны от влияния
фазовых изменений между током и напряжением НП, высших гармоничес-
ких составляющих тока при 033 и гармонических колебаний напряжения
НП при устранении 033.
Наиболее предпочтительная область применения централизованных токо-
вых защит - карьерные распределительные сети с токами металлического
замыкания до 10 А, где выполняется сортношение токов согласно выра-
жению (4.29).
В табл. 4.1 приведены для сравнения возможности рассмотренных выше
принципов выполнения селективных защит от замыкания на землю, кото-
рые можно использовать при выборе приемлемого принципа защиты в зави-
симости от конкретных условий эксплуатации (протяженности, конфигура-
ции, режима нейтрали сети и других факторов).
Приведенный анализ показывает, что для условий карьерных распреде-
лительных сетей 6-10 кВ с токами 033 до 10 А по совокупности положи-
тельных свойств и возможностей наиболее приемлемыми являются центра-
лизованные защиты, реагирующие на наибольший по амплитуде ток НП с
опережающим действием на срабатывание или направленные защиты типа
РЗН-З (для сетей с относительно малыми токами 033 - 0,5-3 А).
Для шахтных распределительных сетей 6-10 кВ с высокоомным резис-
тором в нейтрали наиболее рациональным на данном этапе следует считать
применение защит, совмещающих в себе измерительные органы, реагирую-
щие как на установившееся направление мощности, так и на наибольший по
амплитуде ток НП присоединения относительным сравнением (для четкой
фиксации дуговых перемежающихся 033), либо применение направленных
защит типа ЗЗП-1м, РЗН-З, дополненных специальным токовым измери-
тельным органом, чувствительным к перемежающимся замыканиям на зем-
лю. Применение интегральной или микропроцессорной элементной базы
позволяет упростить задачу совмещения в одной защите функций фиксации
различных видов замыканий и обеспечить централизованность исполнения.
изоляции присоедини сет™ФИЛАКТИЧЕСК0Г0 контголя
нос^^сущГствлсмя^дапрерыввдго^^/ж^^
ляцией, т.е. селективное>”ле^“К1Р°ЛЯ М и»'
своевременного предупреждения развивающих^ пониж'нкои изоляцией для
Существующие устройХ КОн^™ ”ВД ₽И" И3'м 1ю”Реж"™™
новой напряжением свыше 1000 В ^Г^от^!”™" ™eKTpoy™'
лишь дискретные измерения полного
тавляющих, требующих времени, громоздких промежуточна вычиХй
и высокой квалификации обслуживающего переоналХо препяте”"
практическому применению в эксплуатационных целях, а используемые в
некоторых энергосистемах устройства непрерывного контроля 150] ре-
агируюшие на напряжение НП, нс обладают селективностью.
Исследования ИГД им. А.А. Скочинского и Винницкого политсхническо-
кого института показывают, что для карьерных сетей с высокоомным ре-
зистором в нейтрали и емкостью до 1,5 мкФ/фазу, имеющих незначительную
степень нессимметрии емкостной или активной проводимостей относитель-
но земли (по напряжению НП не более 1,5% от фазного), принципиально
можно выполнить централизованное устройство непрерывного контроля
изоляции по току НП с индикацией поврежденного присоединения и исполь-
зованием напряжения НП для общесетевой предупредительной сигнали-
зации.
На рис. 4.12 приведена блок-схема разработанного ИГД им. А.А. Скочин-
ского и ВПИ централизованного устройства непрерывного профилактичес-
кого контроля изоляции присоединений карьерных сетей 6-10 кВ с токами
замыкания до 5 А(для одного присоединения). Устройство подключается к
трансформатору тока НП каждого присоединения через диодно-резистор-
ный блок Д1Д2К1 (либо к трансформатору тока НП подключением к зажи-
му а устройства защиты от 033, как будет показано ниже на рис. 4.13) и
содержит операционный усилитель ОУ, элемент сравнения тока СИ, а также
общие для всех присоединений реле напряжения PH с выдержкой времени
и реле сигнализации PC.
Элемент сравнения тока СИ состоит из ряда светодиодов, настроенных на
зажигание, соответственно на ряд возрастающих по значению уровней тока
НП в пределах зоны контроля за изоляцией (см. рис. 4.4), например, 0,125;
0 25* 0 375	0 75 А, подключенных к выходу трансформатора тока НП
через операционный усилитель ОУ. Устройство работает следующим об-
разом.
При одно- или двухфазном снижении сопротивления изоляции фаз отно-
сительно земли или однофазном замыкании за землю через большое сопро-
тивление порядка 50-7 кОм (например, падение провода воздушной линии
на плохо проводящие грунты, утечки на землю через тело железобетонной
опоры со спекшимся грунтом у основания, падения провода на траверсы де-
ревянных опор и другие повреждения) на одномиз присоединений в преде-
лах зоны контроля заизоляцией (см. рис. 4.4, кривые /) на источнике на-
пряжения НП (открытом треугольнике НТМИ-б(Ю) появится напряжение
смещения нейтрали порядка 2-3 В, а на трансформаторах тока всех контро-
83
Рис. 4.12. Блок-схема централизованного устройства непрерывного профилактичес-
кого контроля изоляции присоединений сетей 6-10 кВ с токами замыкания до 5 А
(для одного присоединения)
лируемых присоединений появятся вторичные токи НП, которые после уси-
ления поступают на входы элементов сравнения СИ (например, светоинди-
катеров).
При этом реле PC сработает и выдаст предупредительный неселективный
сигнал, а на трансформатор тока поврежденного присоединения поступит
ток, вторичное значение которого выше установки контроля (например,
0,125 А в пределах 0,125-0,75 А). После усиления значение тока оказы-
вается достаточным по уровню для открывания и зажигания соответствую-
щих светодиодов светоиндикаторного ряда на данном присоединении.
Поскольку на поврежденном присоединении вторичное значение тока НП
будет иметь наибольшее значение, то на его светоиндикаторе зажжется на-
ибольшее число ламп по сравнению со светоиндикаторами остальных (не-
поврежденных) присоединений. Это дает возможность оперативному персо-
налу подстанций или диспетчеру достаточно просто и надежно определить
присоединение с ухудшенной изоляцией и развивающимся поврежедением.
Испытания в условиях карьерных сетей 6 кВ Иршинского ГОКа пока-
зали работоспособность устройства и возможность селективного определе-
ния участка с ухудшенной изоляцией для своевременного предупреждения
развивающихся аварий в сетях и электрооборудовании.
6. УСТРОЙСТВО ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЗАЩИТЫ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
В ИГД им. А А. Скочинского и ВПИ разработано устройство защиты от
замыканий на землю, основанное на принципе относительного сравнения
амплитуд токов НП присоединений с опережающим по времени действием
на срабатывание и блокировку цепей защиты на неповрежденных присоеди-
нениях (принцип действия пояснен выше на рис. 4.11, а). Принципиальная
2
Рис. 4.14. Схема соединений контактов промежуточных и блокировочных реле цент-
рализованной защиты от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ
схема централизованного устройства защиты приведена на рис. 4.13 и 4.14
(для двух присоединений, штрихом показано для л-го присоединения).
Преимущества способа опережающего действия на срабатывание и бло-
кировки цепей защиты на неповрежденных присоединениях, наиболее пол-
но реализуемые в сетях с высокоомным резисторомв нейтрали, по сравне-
нию с известным способом относительного сравнения амплитуд токов при-
соединений (см. рис. 4.11,6) были рассмотрены в п. 4 настоящей главы.
Кроме того, разработанное устройство отличается от известных защит,
реагирующих на наибольшее амплитудное значение тока НП, относительной
простотой и тем, что обеспечивает селективность при различных видах
033, в том числе при дуговых перемежающихся. Защита предназначена для
работы в сетях 6—10 кВ с токами 033 1-20 А с различными фиксирован-
85
ными уставками по первичному току НП свыше 0,5 А. В сетях с токами ме-
таллического 033 до 5 А защита может работать совместно с устройством
непрерывного профилактического контроля изоляции присоединений
(см. рис. 4.12).
Устройство централизованной защиты (рис. 4.13,4.14) на каждом при-
соединении содержит трансформатор тока нулевой последовательности 1,
измерительный орган 2, выполненный в виде зарядной R-Cцепи и усили-
теля постоянного тока с промежуточным реле 3 на выходе, подключенный
к трансформатору тока 1 через выпрямитель 4, промежуточный трансфор.
матор 5 и диодно-резисторный узел 6, блокировочное реле 7 и исполнитель-
ное реле 8, промежуточное реле напряжения НП 9 (рис. 4.14), а также об-
щие для всех присоединении — источник напряжения нулевой последова-
тельности 12 и включенные к выходу последнего реле сигнализации 13 и ре-
ле напряжения НП 14 с выдержкой времени.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме при от-
сутствии однофазного замыкания реле сигнализации 13 и реле напряжения
НП 14 не срабатывают, а на трансформаторе тока НП 7 на каждом присоеди-
нении отсутствует сигнал. Контакты 13' и 14' реле 13 и 14 находятся в
разомкнутом состоянии, соответственно замкнут контакт 9' промежуточ-
ного реле НП 9, конденсатор RC цепи разряжен, контакты 3' промежуточ-
ного реле 3 и контакты 8' исполнительного реле 8 разомкнуты, а контакт
/ блокировочного реле 7 замкнут.
При однофазном замыкании на землю через сопротивления, лежащие в
зоне защитного отключения (см. рис. 4.4), срабатывает реле напряжения
НП 14 и с определенной выдержкой времени (порядка 5—10 мс) замыка-
ется его контакт 14' (на рис. 4.14). При этом срабатывают реле 9 (92,
93, . . . , 9п при п отходящих линий) и размыкают свои контакты 9' (9 2,
9'з,    , 9'п). По зарядным цепям НП, которые одинаковы для всех присое-
динений, начинают заряжаться конденсаторы С. Уставки срабатывания ре-
ле 3 (32,..., Зп) на выходе усилителей на всех линиях одинаковы, но пер-
вым до уровня открывания транзистора усилителя зарядится конденсатор
поврежденной линии, т.е.где ток НП будет наибольшим по значению. Сраба-
тывает реле 3 поврежденной линии, своими контактами 3' и 3" замыкает
цепь обмоток реле 7-9. Затем контакт 7* (реле 7) размыкает цепь питания
обмоток реле 92, 93, . . . , 9П (цепь реле 9 замкнута контактом 3"). Реле
93, . . . , 9п возвращаются в исходное состояние и своими контактами
мгновенно снова блокирует входы усилителей неповрежденных линий
(замыкаются контакты 9'2, 9'3,	, 9'ь). Контакт 9' реле 9 остается ра-
зомкнутым. Срабатывает реле 8 и, самоблокируясь, замыкает свой кон-
такт 8 в цепи отключения выключателя поврежденной линии.
При перемежающихся замыканиях на землю на вторичных обмотках
трансформаторов тока НП присоединений из-за бросков первичного тока,
достигающих 100—200 А, появляются соответственно повышенные напря-
жения. Величины этих напряжений ограничиваются встречно-параллельно
включенными диодами блока 6 для защиты входных цепей. Но благодаря
наличию последовательно включенного с диодами резистора (сопротивле-
нием порядка 0,1 Ом), за счет падения напряжения на нем, обеспечивает-
ся сохранение зависимости напряжения на входе трансформатора 5 от
первичного тока в присоединениях при любых ее амплитудах.
Если же первичные токи замыкания на землю не превышают 15-20 А
то напряжение на входе трансформатора 5 не будет
напряжения открывания диодов в прямом направления (0.3-0.5 В) т с
за счет того, что диоды заперты и по цепи блока б ток не течет, величина
напряжения, поступающего на вход трансформатора 5, ограни-ZZ
только резистором, включенным параллельно блоку 6.
Время срабатывания устройства будет
?ср =	Г14+ f9+ t3 + tq + tSl
где Дг й ВТРЖКа времени’на сРабатывание реле напряжения 14 (поряд-
ка	*3’*7’*8 “ вРемя срабатывания соответствующих
реле 14, 9, 3, 7, 8.
Для селективной работы реле должны соблюдаться условия
Дг + Г14 + t9 + t3 + ti <	(437)
и
/3 + Г7 + t9 = r3J1.n./(l,2-M,5),	(438)
где г3.н.п. ~ время заряда емкости (меньшим током) на неповрежденных
присоединениях.
Поэтому для выполнения условий (4.37) и (4.38) реле 14, 9, 3, 7
должны быть быстродействующими, например герконовыми (типа РЭС-
55А) и др.), имеющими время срабатывания порядка 1—2 мс, а реле 8
должно быть электромагнитным с временем срабатывания порядка 20—
30 мс. Следовательно, при замыкании на землю через сопротивление в зоне
защитного отключения через 40-50 мс формируется селективный сигнал
на отключение поврежденного присоединения.
Экспериментальные исследования в карьерных распределительных
сетях 6 кВ показали, что разработанное устройство отличается от аналогич-
ных устройств данного класса повышенной селективностью при различных
видах однофазного замыкания (глухих, через переходное сопротивление
и перемежающееся дуговое) независимо от числа защищаемой присоеди-
нений Применение данного устройства, например, в распределительных
сетях напряжением 6-10 кВ карьеров позволяет получить экономический
эффект за счет сокращения простоев мощного добычного оборудования,
обусловленных неселективными отключениями сети.
87
Глава 5
УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАЩИТНОГО ШУНТИРОВАНИЯ
МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ КАК СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ
НА ЗЕМЛЮ .
1. ОСТАТОЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ НА ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЕ
И ТОК ЧЕРЕЗ МЕСТО ПОВРЕЖДЕНИЯ В СЕТИ
С ЗАЩИТНЫМ ЗАКОРАЧИВАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ
Возможность построения защиты на принципе защитного закорачива-
ния на землю поврежденной фазы сети и ее эффективность - гокоогра-
ничиняющая способность через место однофазного замыкания (или при-
косновения человека) - определяются прежде всего количественными
значениями остаточного напряжения на поврежденной фазе (или напряжения
прикосновения) и времени затухания тока через место повреждения (или
через тело человека) после защитного закорачивания на землю.
Вопросы построения защиты от электропоражения с автоматическим
закорачиванием на землю поврежденной фазы в сетях с изолированной
нейтралью были рассмотрены ранее [7, 51, 52]. Рассмотрим остаточное
напряжение и ток через место однофазного повреждения изоляции сети 6-
10 кВ с высокоомным резистором в нейтрали в режиме защитного зако-
рачивания на землю одной из фаз.
Аналитические исследования режима проводили на основе расчетной
и эквивалентной электрической схем трехфазной сети, приведенной на
рис. 5.1,д-в.
На расчетной схеме сети (рис. 5.1,я) с закорачиванием на землю одной
из фаз, в которой возникло замыкание через сопротивление R3, приняты
следующие обозначения: t/,, U2, (J3 — фазные напряжения питающего
трансформатора, = Um sin (wf + ф ), U2 = Um sin (cor + ф + 2я/3), U3 =
- t4„sm(Gj/+ ф — 2n/3); Zn = Rn +/Хл _ полное сопротивление линии от
точки защитного закорачивания до точки 033, Ом; Z„ = RH + j Хн - пол-
ное сопротивление нагрузки, Ом; RKi3 — сопротивление закорачивающего
заземлителя, Ом.
Остальные обозначения совпадают с ранее принятыми в гл. 2 и 4. Введя
обозначение Zo = 1/(1//?а + 3/о>С) =/?а/(1 + з/ц)САа), для удобства ана-
лиза расчетную схему трехфазной сети преобразуем в двухконтурную схе-
му, приведенную на рис. 5.1,б.
Для определения остаточного напряжения на поврежденной фазе снача-
ла при замкнутом ключе К 2 найдем напряжение холостого хода - разность
потенциалов между точками сиз (рис. 5.1 ,б) :
^х.х = Фс' -Фз-	(5.D
Введем обозначения:
Я3 = 1,5Ян + 0,5Ял; Х, = 1^Хи + 0,5Хл-, Z,= R3 + jX„
I’5Z« = 1,5 R, + I ,SjXc, 3Z0 = 3Ra + 3jXc.
Рис. 5.1. Расчетные (а, 6) и эквивалентная (я) схемы трехфазкой сета с защитным
закорачиванием на землю поврежденной фазы
Определим потенциал точки с' через контурные токи 1г п12:
'i’C = Фз + Л
3Z0RK.
3Z0 + R,
-/iZ,
или
,	. f 3Z0RK,3/3Z0 + RK 3
•eC’ - t, + 1,5 с/ф \^2о + 32Лз/32о+ Rk3
После преобразований получим
.	• I ^К.З	j
_Zn 'l
z,+ zj
(5.2)
На основании, выражения (5.2) можно составить эквивалентную схему
(рис. 5.1 ,в) для расчета остаточного напряжения на любой из фаз карьер-
ной или шахтной сети (напряжение до прикосновения) и тока, протекаю-
щего через сопротивление R3 замыкания после защитного закорачивания
на землю поврежденной фазы. Из выражения (5.2) следует, что остаточное
напряжение на поврежденной фазе и соответственно ток, протекающий через
сопротивление замыкания на землю, будет обусловлен двумя составляю-
щими: параметрами нулевой последовательности (С, R3, гкз, R3, Кк.з) и
параметрами линии и нагрузки ,(2Л» ZH).
89
Идеальным условием, когда Ух.х = 0, было бы равенство обеих сое-
тавляющих этого выражения:
Як.э/(2о + Лк.з) =Z„/(Z„ + Z„).	(5.3)
Откуда сопротивление закорачивающего заземлителя, обеспечивающее
этот минимум:
Як.з=	СО$(</>л+ *^К - м-	(5.4)
Учитывая, что	1с йф иф -/ис”тг 7 Z°~iz ’(^ + /2),/2е	“	
выражение (5.4) представим в виде
/„
RK,э = Z„-.— cos(<p„ + <4Я - V>o)	(5.5)
I £
или
ZKJ=------— Z„e^.	(5.6)
В реальных сетях 6—10 кВ карьеров при /а = 0,6 1с и/с<10А полный
ток замыкания на землю < 11,7 А/а токи нагрузки в линии могут
изменяться в пределах /н = 04- 100 А и более. Соответственно фазы могут
изменяться в следующих пределах:
<Ро= arctg(Zc//.) =594-5°,
<р0 = arccos ( 0,6 4-0,9) = 53,1 4-25,8°,
<рп = arccos (0,65 4- 0,8) = 49,4 4- 36,8°
Сопротивление 2 км воздушно-кабельной линии равно
Z„ =R„ + ix„ = 2(0,49+ /0,59) = 1,54с'50-3’ .
Длина линии и расстояние от точки защитного закорачивания (включе-
ния Лк.з) до точки 033 (или прикосновения человека к фазе сети) также
может изменяться в широких пределах, т.е. z„ = var.
Из выражении (5.4)—(5.6) следует, что при рассмотренной вариации
входящих в них параметров выбранное значение сопротивления коротко-
замыкателя /?к.3, соответствующее минимуму остаточного напряжения
прикосновения, будет справедливо только в одной точке - при определен-
ных фиксированных значениях модулей /Е, /н, Zn и их аргументов */>о»
*Рн И Рп •
Поскольку значение сопротивления короткозамыкателя на практике
выбирается постоянным, то естественное изменение всех остальных пара-
метров ведет к соответствующему изменению напряжения прикосновения
на поврежденной фазе также в широких пределах, значительно превышаю-
ХХье™н7ГсетаДбТв™дапуСтоь™°оВ моти’'1 * 3*™' НаПримср' если »
будет даже неизменным (/г = j , jA = constVVzT^TlTe™" “Л™
cosip» = cosft, и модули сопротивления линии пятой 2 км и тока наг™
ки соответственно изменяются в пределах тл = (0,5 5 1)^ ?о 5 Г’
4-1) . 1 54 = var I =П— inn а -	л 4 VK-n.maxI WP •
*	’	’ н ' ЮОA var, то сопротивление (Ом) копоткоза-
>— —О^Х
I Z I
ZK.3 =—A e-/<s,+ 5")= (0e-13,8)e-«5’’s’>
О	'	’
где 6 = ZH/Z„ = иф11„г„ = “ + 23,6.
Практически осуществить регулирование сопротивления короткозамъ.-
кателя по модулю и аргументу в зависимости от изменения параметров
линии и нагрузки невозможно, а выбрать какое-либо одно среднее значе-
ние также затруднительно, так как прикосновение человека может произой-
ти как в нагруженной, так и в холостой линии. В последнем случае чем
больше по величине выбранное сопротивление короткозамыкателя, тем
больше напряжение прикосновения на человеке за счет полного тока замы-
кания на землю.
Поэтому сопротивление короткозамыкателя вынуждены выбирать
чисто активным и минимально возможным для обеспечения минимума
напряжения прикосновения исходя из условия отсутствия нагрузки в ли-
нии, а затем выбирают предельную длину защищаемой линии в нагружен-
ной сети (ZH > /е) , в зоне которой применение устройства защитного
закорачивания фазы (УЗФ) будет обеспечивать электробезопасность
прикосновения ( в режиме без отключения сети и с отключением - за
время не более 0,2 с) [7].
Входное сопротивление схемы замещения (рис. 5.1,в) будет
/?K.3Z0 (Z„ + ZH) + ZnZH(/?K.3 + *о) + К^к.з +^о) (2Л + 2Й)]
Z,x =	(RK., + Z„) (Z„ + Z„)
Ток через место однофазного повреждения в комплексном виде
i =	(5-7)
3 Z,
Мел ~ ^о^л)
“ z„ [я, (Z„ + z„) + як., (Z„ + Z„)+z„z„] +Л, [z„z„+rk_, (zn+z„) j
Подставляя в выражение (5.7) Zo = Я^/(Я.+/Хс)послепреобразовя-
ний получим установившееся значение тока через место замыкания на
землю одной из фаз (например, А) нагруженной сети после срабатывания
короткозамыкателя:
г	ZH Як.з(1 + Ха)** — zn
1ЛП =	+ RK3+B[A) + (1 +Ю*Я,(В +A«K.,)J
х sin(<*У + ф-фз)-
91
Рис. 5.2. Зависимости отстаточного напряжения (до прикосновения) на поврежден-
ной фазе от тока нагрузки (2 и /') и от длины линии при постоянной нагрузке (2, J)
в сети 6 кВ
1-3 - Zn= 0,77 Ом/км; Г - Zn = 0,52 Ом/км. 2 - /н = 75 А, Лк 3 =0,5 Ом; 3-1 ~
=75 А, Лкз = 4 Ом	’и-
Здесь К, =R,/XC А = zn + zK = (Ял + Х%)'л + (/?£ +
£ = z„;
<р3 =Ф1 - 02
где ft = arctg [(Я3 + R3 Ка) (В + ЛЛкл)/ЛЛа (Л3 + RK 3 + В/А)]; 02 =
= arctg [гнЛк,3 (1 + Ka)IRa гл].
Действующее значение тока с достаточной для практических расчетов
точностью можно определить из следующего выражения [относительно
малыми составляющими RK.3, В/А и ЛЯК 3 в знаменателе (5.8) пренебре-
гаем] :
t _	Ц»(2„Дк.,(1^1)й-Д,гл)	}
«3 [Я, (гл + Z„) + Z„ z„ (1 + К}) v‘ I
Тогда действующее значение напряжения прикосновения (падение
напряжения на сопротивлении тела человека R4 = R3, прикоснувшегося
к одной из фаз сети) после срабатывания фазного короткозамыкателя
^Р=/зА.	(5-10)
На рис. 5.2 приведены зависимости остаточного напряжения (до прикос-
новения) на поврежденной фазе от тока нагрузки в линии (кривые 1 и
7 ) и от длины линии при постоянной нагрузке (кривые 2, 3) в сети 6 кВ
(/с = Ю А,/а = 6 А,ЯК.3 равно 0,5 и 4 Ом).
Анализ и измерения в карьерных сетях 6 кВ показывают, что реальные
длины линий и возможные расстояния от точки установки УЭФ до места
случайного прикосновения человека к токоведущей части электроустанов-
ки (приключательный пункт - экскаватор) в 3-4 раза превышают требуе-
мую из условия электробезопасности предельную длину зашишаемо»<
линии без ее отключения. При этом значения напряжений прикосновен» >
обусловленных токами нагрузки [вторая составляющая выражения (5. Л»
Q1
на горных участках в среднем составляют 185-200 В а на номинально
загруженных линиях - 300-400 В).	поминально
Наличие этой составляющей напряжения прикосновения делает практи.
чески затруднительным, а в ряде случаев невозможным «зданиеТзФ
способных обеспечить защиту от электропоражения без спеииюьных и
=*^2 "° аВ1°Ма™"еСК0Й комписании падения напряжения в
линии. Ступенчатое закорачивание на землю поврежденной фазы в несколь-
ких точках сети вдоль линии в комбинации с защитным отключением
ильно усложняет систему защиты и не реализует важнейшее преимущество
УЗФ в обеспечении бесперебойности электроснабжения.
Следовательно, наиболее целесообразным на данном этапе следует
считать применение простых УЗФ в роли средства повышения надежнос-
ти электроснабжения при замыканиях на землю вместо отключающих
сеть АПВ. Несмотря на суммарное остаточное напряжение в месте замы-
кания на землю (падение напряжения на R3 ), независимо от его величи-
ны в пределах 30-400 В применение быстродействующих УЗФ обеспечи-.
вает возможность восстановления напряжения на поврежденной фазе
без последующих повторных пробоев изоляции, а также снижение пере-
напряжений при дуговых перемежающихся 033 и гашение заземляющих
дуг в месте повреждения, не прерывая электроснабжение даже на корот-
кое время.
2.	ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К УСТРОЙСТВАМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАЩИТНОГО ШУНТИРОВАНИЯ
МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ
Устройства защитного закорачивания на землю поврежденной фазы
(шунтирования места повреждения) - УЗФ - предназначены для работы
в электрических сетях 6—10 кВ с токами замыкания на землю до 30 А,
преимущественно в распределительных сетях 6-10 кВ карьеров и.угольных
разрезов. В этих сетях линии, согласно действующим правилам [1, 2],
должны быть оснащены защитой от однофазных замыканий на землю
(033) с действием на отключение. УЗФ устанавливается в открытой или
закрытой карьерной подстанции 35/6 (10) кВ (ГПП или ЦРП) - комплект
на одну секцию шин 6(10) кВ с отходящими присоединениями.
Основная цель и назначение УЗФ - повышение надежности электрос-
набжения при кратковременных самоустраняющихся 033 за счет сни-
жения числа аварийных отключений линии, питающих экскаваторы, бу-
повые станки и другие передвижные горные машины.
УЗФ должно состоять из следующих основных функциональных уз-
лов высоковольтного быстродействующего пофазно управляемого ко-
роткозамыкателя; схемы управления устройством, включающей в
НУЗФФ“вляются: время срабатывания, чувст-
““ “°™"0 ^3°™«ств0“ть
t узф^с.3./ (1»5“2).
93
Выполнение условия (5.11) обеспечит возможность задержки сраба-
тывания селективной защиты от 033 на поврежденном присоединении на
время защитного закорачивания на землю при устойчивых 033 или несраба-
тывания селективной зашиты при кратковременных самоустраняющихся
033 за счет достаточно быстрого переноса точки замыкания от места одно-
фазного повреждения.
Время срабатывания и чувствительность УЗФ должны обеспечить воз-
можность защитного шунтирования места повреждения при кратковре-
менных 033 с последующим дешунтированием при устранении 033 и
возможность восстановления симметрии фазных напряжений сети без
прерывания питания потребителей.
Время выдержки в режиме защитного шунтирования должно быть
не более 30-60 с, исходя из возможности обеспечения условий для вос-
становления электрической прочности изоляции в месте самоустраняю-
щихся 033. При устойчивых 033 поврежденное присоединение после
дешунтирования через 30-60 с должно отключиться селективной зашитой
в обычном порядке.
Чувствительность УЗФ по сопротивлению однофазной утечки на зем-
лю (R' узф) должна быть согласована с уставкой селективной ступени
зашиты от 033 (R* знз) и выбираться из условия:
Я'уз® <R 'знз'.
Этот параметр в основном определяется емкостью фаз сети и в сетях
с емкостными токами 033 Р-10 А не превышает 3-8 кОм/фазу
Время выдержки между срабатываниями УЗФ — между циклом шун-
тирование-дешунтирование при неустойчивых 033 (’’заплывающих”
пробоях изоляции) должно быть не более 3 мин.
УЗФ должно иметь следующие блокировки с устройствами релейной
защиты на подстанции и между своими функциональными узлами: блоки-
ровка срабатывания резервной неселективной ступени защиты от 033
[действующей на отключение шин 6(10) кВ подстанции с выдержкой
времени 0,5-0,7 с] на период защитного шунтирования 30-60 с;
блокировка повторного срабатывания УЗФ и действие на сигнал до
отключения (ручного или дистанционного) поврежденного присоединения
при отказе в срабатывании защиты от 033 на этом присоединении;
блокировка на срабатывание неповрежденных фаз, предотвращающая
ошибочные включения короткозамыкателей на двух или трех фазах;
подача команды на отключение короткозамыкателей при двойных
замыканиях на землю в сети или при отказе отключения фазного корот-
козамыкателя;
быстродействующая блокировка срабатывания блока устройства опре-
деления поврежденной фазы (ОПФ) и короткозамыкателей при двух- и
трехфазных коротких замыканиях в сети;
блокировка срабатывания блока ОПФ на время до отключения фазного
короткозамыкателя (до возвращения в состояние готовности к очередно-
му шунтированию).
При выборе коммутационного аппарата в качестве фазных коротко-
эамыкателей предпочтение следует отдавать бесконтактному тиристор-
ному коротителю. Количество последовательно включенных тиристоров
(5.12)
Вря=* =7“ Ве"И ® зависим0сти 01 номинального нал-
вторяюще=<7~Х™ ВЫ Г“Т И3 УСЛ°ВИЯ' ™бы неп°-
импульсное пХХГна^Ф™Т "Р~3 10-15%
сеть от перенапряжений. Количество послепо7<ИКОВ’ защищ1юших ЗТУ
сторон определяется выражением	Д Те1,ЬН° н>единеиш,1х ™РИ-
N = к3 £7И р / С/Неп ,
где к3 = 1,1 -г 1,15 - коэффициент запаса.
Применение тиристорных короткозамыкателей фаз ограничивает
достаточно быстро не только величину и длительность протекания тока
повреждения через место 033, но и кратности перенапряжет» на повреж-
денной фазе практически до куля, а на поврежденных фазах - до 2 1 от фаз-
ного напряжения, что особенно важно для уменьшения возможности разви-
тия повреждений изоляции в месте перекрытия. Отключение тиристорного
короткозамыкателя после шунтирования фазы в отличие от вакумных
или других коммутационных аппаратов не сопровождается перенапря-
жениями на фазах сети, вызванными гашением заземляющей дуги в дуго-
гасительной камере с быстро восстанавливающей электрической прочностью
промежутка.
Другим, не менее важным преимуществом тиристорных замыкателей
фаз по сравнению с вакуумным аппаратом со специальным быстродейст-
вующим приводом является простота (отсутствие подвижных механи-
ческих частей и необходимости регулировки расстояния между контак-
тами, обслуживания в процессе эксплуатации, отсутствие вибрации кон-
тактов или сложных систем ее гашения), относительно малые габариты
и общая масса, а также возможность их быстродействующей защиты от
токов двойных к.з. достаточно простыми известными способами (сня-
тие сигнала с управления тиристоров, защита предохранителями и т.п.).
Наработка на отказ УЗФ должна быть не ниже 10 000 ч. Кроме того,
УЗФ должны обладать высокой помехоустойчивостью и селективностью
по фазам, а также быть максимально простыми и удобными в эксплуата-
ции.
3.	СТРУКТУРА ЗАЩИТЫ С ЗАКОРАЧИВАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ
ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ СЕТИ
На рис. 5.3 приведена принятая структурная схема защиты с автомати-
ческим закорачиванием на землю поврежденной фазы сети 6-10 кВ. Ее
отличительной конструктивной особенностью является наличие высо-
ковольтного тиристорного короткозамыкателя вместо вакуумного или
другого контактного аппарата.
На шины подстанции карьера от питающего трансформатора 1 через
вводной выключатель 2 подается напряжение 6(10) кВ. На подстанции
имеется селективная защита от 033 5, действующая на выключатель защи-
щаемого присоединения 3 с трансформатором тока НП 4, и резервная
неселективная защита 6 с выдержкой времени на отключение вводного
выключателя. УЗФ устанавливается на шинах подстанции и содержит высо-
ковольтные тиристорные короткозамыкатели фаз 9 и подключенный
к измерительному трансформатору напряжения 7 блок управления 8
95
Рис. 5.3. Структурная схема защиты с автоматическим закорачиванием на землю по-
врежденной фазы сети 6-10 кВ
короткозамыкателями, включающий в себя устройство определения пов-
режденной фазы сети.
При замыкании одной из фаз на землю срабатывает устройство опре-
деления поврежденной фазы (в блоке 8) и быстродействующий коротко-
замыкатель 9 на поврежденной фазе. Ввиду того что время срабатывания
селективной ступени реле защиты от 033 5 значительно выше полного
времени срабатывания УЗФ, эта защита не успевает срабатывать и точка
замыкания переносится к месту шунтирования (на подстанцию). При
этом фазный короткозамыкатель, шунтируя место однофазного повреж-
дения, достаточно быстро снижает ток замыкания через него. После вы-
держки времени порядка 30-60 с фазный замыкатель возвращается в ис-
ходное состояние. Если замыкание не самоустранилось, срабатывает се-
лективная защита от 033 и отключает поврежденное присоединение. Ре-
зервная ступень защиты от 033 заблокирована на период защитного шун-
тирования.
Кроме того, схема УЗФ содержит ряд других блокировок и отвечает тре-
бованиям, изложенным в предыдущем параграфе.
4.	БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОРНЫЙ КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛЬ
Тиристорный короткозамыкатель УЗФ сети 6-10 кВ (рис. 5.4.) пред-
ставляет собой высоковольтное бесконтактное устройство на базе тиристо-
ров типа Т-250. Число последовательно включенных тиристоров в каж-
дой встречно-параллельной ветви выбирается из условия (5.12). Например,
для карьерных сетей би 10 кВ, защищенных разрядниками типа РВМ, тре-
буется соответственно 5 и 9 тиристоров 27-го класса по напряжению.
Для равномерного распределения напряжения между последовательно
включенными тиристорами используют делители напряжения R'a, Ra и С л
(рис. 5.4).
Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения на тиристо-
рах при включениях замыкателей под напряжение выключателем, осущест-
вляющим общую защиту устройства, дополнительных мер можно не прини-
мать, так как максимально возможное прямое напряжение, возникающее
в этих случаях на тиристорах, в 2-3 раза ниже, чем 0,67 т.е. напряже-
ния, при котором определяются максимальные значения dU/dt.
Ударные токи коротких замыканий в сети, где используется тиристор-
ное УЗФ, не должны превышать допустимую амплитуду тока аварийной
перегрузки тиристоров Iа.п длительностью 0,01 с. Это требование, как пра-
вило, выполняется. В случае несоответствия 1а,п и тока к.з. следует приме-
нить тиристоры других типов (например, Т-500) или принять меры для
ограничения тока перегрузки через тиристоры, например, путем включения
последовательно с замыкателями резистора сопротивлением 1—2 Ом.
Для обеспечения надежности тиристорного замыкателя он снабжен
быстродействующей защитой от токов перегрузки, отстроенной от бросков
емкостного тока при включениях замыкателя и обеспечивающей полное
время снятия сигнала с электродов управления тиристоров не более 2 мс,
которые после этого закрываются при первом переходе тока перегрузки
через нулевое значение.
Эффективной оказывается также защита тиристоров посредством предо-
хранителей. Для обеспечения быстродействующей (порядка 1-2 мс) защи-
ты необходимо, чтобы тиристоры имели отношение среднего значения еди-
ничного импульса тока с максимально допустимой амплитудой и длитель-
ностью 10 мс к максимальному среднему току не менее 10. Именно такие
соотношения соблюдаются при использовании тиристоров Т-250 в УЗФ.
С повышением быстродействия защиты существенно увеличивается значе-
ние допустимого ударного тока тиристоров (для Т-250 при длительности
1 мс - до 9 кА), что облегчает условия их применения.
1/2 7. Зак. 318
97
5.	ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ СЕТИ
Напряжения фаз и нулевой последовательности при однофазных замы-
каниях на землю. При замыкании на землю одной из фаз (например, фа-
зы Л) через сопротивление R3 в симметричной сети между нейтралью и
землей возникает напряжение нулевой последовательности (НП). Общее
выражение для мгновенного значения напряжения НП равно
U° (0 ='(K2+9^’^)‘>Tfiin(CJ +	Ч '	<5ЛЗ)
Здесь U^m - амплитудное значение напряжения поврежденной (зам-
кнувшейся на землю) фазы, В:
К=1+Яз/Ла = 1+/.Я3/67ф,
где /?а _ сопротивление резистора в нейтрали, Ом; /а — активная состав-
ляющая тока замыкания на землю, А;
С - емкость фазы сети относительно земли, мкФ/фазу; ф - начальная
фаза замыкания на землю, град; Pi - корень характеристического уравне-
ния, Pi = —(R3 + Ra)/3CR3Ra.
Модуль и аргумент напряжения НП в установившемся режиме на осно-
вании формулы (5.13) будут изменяться согласно выражению
Ua = U„m& = 1/фте'”/(№ + 9<?С«Я’) ‘/2,	(5.14)
где UOm — модуль напряжения НП; — аргумент напряжения НП, =
= arctg [3wCRa/(l+Ra/R3)].
На рис. 5.5 показана векторная диаграмма изменения напряжения НП
при замыканиях на землю фазы А через различные сопротивления R3 со-
гласно выражению (5.14). Из векторной диаграммы видно, что если в сети
без высокоомного резистора Ra в нейтрали при замыканиях на землю век-
тор напряжения НП изменяется по полуокружности, то в сети cRa в нейтра-
ли вектор НП изменяется по полуэллипсу, одновременно изменяя соотно-
шения векторов поврежденной и неповрежденной фаз. При металлических
(глухих) замыканиях на землю вектор напряжения НП полностью соответ-
ствует вектору напряжения поврежденной фазы и угол = 0, а при замы-
каниях через различные R3 угол <90°.
Напряжения на поврежденной, отстающей и опережающей фазах соот-
ветственно будут
ил-п = ^л +^™ли<>тч)''2,	(5.15)
^-0 = ^ +С/2« -2J/BC/»cos(120°^))1/2.	(5Л6)
uc-n"^JctU> - 2UcU0 cos (120° +^,')')Ч2.	(5.17)
Из этих выражений и векторной диаграммы на рис. 5.5 также следует,
что в зависимости от угла <р, обусловленного соотношением емкости фаз
сети, сопротивления в нейтрали и замыкания на землю, с уменьшением
сопротивления замыкания модуль напряжения опережающей фазы возрас-
тает, а напряжение поврежденной фазы плавно снижается. При этом напря-
4
Рис. 5.5. Векторная диаграмма изменения
фазы А через различные сопротивления
напряжения НП при замыкании на землю
жение отстающей фазы сначала снижается, а затем возрастает. При сопро-
тивлении в нейтрали, равном бесконечности, когда угол <р = 60°, то ]U |=
= |С/в-п|* КР°ме того’ Равенство |^_п| = |<7ф<0) I. когда напряжение
отстающей фазы по абсолютной величине равно фазному напряжению,
наступает при значительно меньшем угле у? = 50°.
Это означает, что выбор поврежденной фазы сети на основе известного
сравнения значений напряжений поврежденной, отстающей или опережаю-
щей фаз с опорными фазными напряжениями в сети с емкостью выше
определенного значения (1 мкФ/фазу и выше) при замыканиях через
достаточно большие переходные сопротивления (1,5-2 кОм и выше) за-
труднителен, а в ряде случае (при несимметрии активных или емкостных
проводимостей) практически невозможен. Для достаточно протяженных
электрических сетей карьеров и шахт необходимость выбора поврежден-
ной фазы при замыканиях на землю через относительно большие (6—
7 кОм/фазу и выше) переходные сопротивления требует разработки
новых способов и устройств.
Рассмотрим изменение напряжений фаз и НП при замыканиях на землю
в сети с несимметрией активных сопротивлений изоляции относительно
земли (fl г г з). Общее выражение для напряжения НП в сети с
активной и емкостной проводимостью, а также с резистором в нейтрали
имеет вид
.	+/7>1) + i/2(g2 +/7’2) + ^з(<7з +/Ьз)
(7л -------------------------------------'>	ip.ioj
gl +g2 +g3 + g»+Kbi + b2 + Ы
где Ult U2, ^3 - напряжения фазЛ, В, С сети в комплексной форме; glf
g2i g3 — активные проводимости фаз сети относительно земли, 1/Ом;
99
ga = 1/Ла - активная проводимость резистора в нейтрали; bit b2, Ь3 — ем-
костные проводимости фаз сети относительно земли, 1/Ом.
Положим
= Ь2 = Ь3 = Ь/3; £1>#2>£з>
где g3 = g — наименьшая активная проводимость фазы С, g2 - g + g —
активная проводимость фазы В, имеющей дополнительную утечку (g ),
g. ~g + g' ~ активная проводимость фазы Л, имеющей утечку (g ).
Подставив в выражение (5.18) значения проводимостей, после преоб-
разований с учетом фазных множителей
а = — 1 /2 +/х/з72 и а2 = — 1 /2 —
получим
*>о
'g —
где gE, - суммарная
+ g' +g", или
активная проводимость фаз сети = 3g + ga +
3
4
и„ = иФ
4,+b2
= Wo.
(5.19)
где So = Vo7Sb-
C учетом формулы (5.19) выражение для напряжения НП в сети с не-
симметрией активных сопротивлений изоляции фаз будет
Ко=И'оте'(“-*) = УХяМт‘,	(5-20)
где U'om ~	~ модуль напряжения НП в несимметричной сети; 7о =
= а-у - аргумент напряжения НП; а = arctg \y/3g" I (2g'-g") ]; ‘Р =
= arctg (b/g£a).
Подставляя действующие значения напряжения НП из формулы (5.19)
в выражения (5.15)— (5.17), можно найти соответствующие напряжения
поврежденной, отстающей и опережающей фаз в сети с несимметрисй ак-
тивных сопротивлений изоляции. Анализ выражений (5.19) и (5.20) пока-
зывает, что при дополнительной утечке g" в отстающей фазе	g 2 >
> £3) угол а положительный, а при g" в опережающей фазе C(gi >£3
>#2) угол а отрицательный.
С повышением проводимости g в фазе В угол а возрастает, а вектор
напряжения НП, уменьшаясь, разворачивается в сторону отставания. При
g" - g' угол а = 60 . При увеличении проводимости утечки g' амплитуда
напряжения НП возрастает, а углы а и р соответственно уменьшаются.
Когда g' >g ", угол 7о = 0 и коэффициент 0О = 1, т.е. вектор напряжения
НП равен по величине вектору напряжения поврежденной фазы и совпада-
ет с ним по фазе.
Анализ влияния несимметрии активных проводимостей изоляции на м<>
дуль и аргумент напряжения НП, а также на напряжения фаз сети при С —
< 3 мкФ/фазу и различных соотношениях ™ ла
К„ = ?г/«э = г 3/г 2 = 2,5 i 5 по CDaB,коэффициента несимметрии
доказал следующее.	с симметричной сетью (Л'о = 1)
Уменьшение сопротивления дополиит.п.и„а
ведет к незначительному снижению амил» У104™ в отстающей фазе В
чем на 5%; с ростом сопроТвХ,Т,™ ™ НаПряже™ ™ -= более
плитуду и фазу напряжения НП снижается н™' нееимметРии на ам-
С увеличением сопротивления изоляции фазы г , (леи К = 9 я
ние несимметрии на амплитуду „ фазу напряжения НП уменьшается
При дополнительной утечке в фазе В напряжение на поГрХюой фазе
больше, а при дополнительной утечке в фазе С напряжение и пТрХнной
фазе меньше по сравнению с симметричной сетью (К„ = 1) Со июХем
сопротивления утечки в поврежденной фазе (или повышением емк77
фаз сети) эта разность уменьшается.
При несимметрии активных сопротивлений изоляции (Ко = 2,5 -г 5) в
сети_ с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор в пределах
= (1,6— 2,5)Хс, амплитуда напряжения НП снижается по сравнению с«
симметричной сетью не более чем на 5—7%.
Принципы построения устройств для определения поврежденной фазы.
Известные способы и устройства определения поврежденной фазы в сетях
с изолированной нейтралью в основном используют параметры, возникаю-
щие при замыкании на землю и определяемые выражениями (5.13)-(5.17).
По принципу построения измерительного органа их можно классифи-
цировать следующим образом [7]. Устройства реагирующие на:
а)	снижение абсолютных значений напряжений поврежденной фазы
(или на повышение абсолютных значений двух неповрежденных фаз);
б)	сумму (или разность) векторов опорных фазных напряжений и
напряжений НП;
в)	сумму (или разность) векторов фазных напряжений;
г)	снижение выпрямленного оперативного напряжения поврежденной
фазы, получаемого с защищаемой сети;
д)угол сдвига между фазными напряжениями и^ напряжением НП,
е) разность абсолютных значений фазных напряжений в сети;
ж) разность абсолютных значений двух электрических величин, одной
из которых является фазное напряжение сети, а в состав другой входят на
пряжения других фаз и напряжение НП.
Кроме того, могут быть комбинированные устройства,	.
несколько из указанных параметров. Анализ прюшипов
обобщение опыта разработки ряда из них ( а ,	) чувствитель-
принципы "а”-”г” ^^еЬХ’^ормкТьг-Зк Ом/фазу в сети с
Х™ ф“ ф” ограниченной условием
тельного опгана устройства на последующей (неповрежденной) фазе,
тельного органа устрой	высокую чувствительность вы-
Принцип д позволяет реализовать
бора поврежденной.ф«ьь	схема ус1ройства, разработанного
На рис. 5.6 при Д совместно с Институтом электродинамики
АН УССр’ гззС а на рис. 5.7. показана временная диаграмма, поясняющая
при^п^действия устройства (для случая одаофазного замыкания на
фазе А).	101
Рис. 5.6. Структурная схема устройства, реагирующего на угол сдвига между фазны-
ми напряжениями и напряжением НП
Рис. 5.7. Временная диаграмма, поясняющая принцип действия устройства, реагирую-
щего на угол сдвига между фазными напряжениями и напряжением НП
искусственный Hy^bP™LecrT™п^‘тавле^й° мотТ' СИММетричнь,й
вторичные обмотки измерительного тпач могут .бьт емкос™ или
напряжения НП 4 (однофазный измери™™?^1^ ’ блок> нзмеРсни»
на выходе напряжение, соответствующее нап 1₽ансФ°Рмат0Р). имеющий
формирователи импульсов 5Хп" ? Ипряжснию поврежденной фазы,
жения и напряжете m ’ Прео6РазУюЩИе опорные фазные напря-
жения и напряжение НП в импульсы заданньк длительностей элемент
выдержки времени 9 исполнительные органа, 10-14 (например'оптгонь
Т С ЭК₽аКИрОВ1™Ь'™ нормально раэомкну’тыьвз^вы-
ходами 15-19, из которых выходы 15-18 образуют блок 20 фазе-
чувствительных элементов для каждой фазы сети
В нормальном режиме на входе блока 4 напряжения нет, а на входы
формирователей импульсов 5-7 поступают опорные фазные напряжения,
которые преобразуются в положительные (или отрицательные) импульсы
шириной по длительности 5 мс (в интервале от 30 до 120° полупериода),
как показано на диаграмме импульсов (рис. 5.7). При этом выходы 15-17
исполнительных органов 10-12 периодически замыкаются — каждый в
течение 5 мс.
При однофазном замыкании на землю (например, фазы Л) на выходе
блока 4 появляются соответствующие напряжению поврежденной фазы
напряжение НП, которое преобразуется формирователем 8 в положитель-
ные (или отрицательные) импульсы длительностью порядка 1,5 мс (в
интервале от 10 до 40° полупериода). При этом начинает периодически
замыкаться выход 18 в течение 1,5 мс.
Одновременно с этим на входе элемента выдержки времени 9 появляет-
ся аналогичное напряжение нулевой последовательности. ПриС/0>2% £/ф
элемент 9 срабатывает с выдержкой времени в 10 мс относительно момента
замыкания на землю — замыкается блокирующий нормально разомкнутый
выход 19 его исполнительного органа 14. Выход 19 остается постоянно
замкнутым до отключения замыкания на землю. Эта выдержка времени в
один полупериод дается для отстройки ложных срабатываний устройства в
переходном режиме.
Через 10 мс после замыкания на землю фазы А поврежденная фаза сети
определяется при совпадении времени замкнутого состояния выхода 15
исполнительного органа 10 фазы А с замкнутым состоянием выхода 18
исполнительного органа 13 от напряжения НП. На двух других фазах В и
С эти отрезки времени замкнутого состояния не совпадают (см. диаграм-
MV импульсов на рис. 5.7). Следовательно, становится возможным
определять поврежденную фазу сети при изменении угла вектора напря-
жения НП по отношению к вектору опорного напряжения поврежденной
сЬазы о до 90° т.е. устройство становится чувствительным к замыка-
ниям на землю через весьма большие сопротивления, создающие напря-
жения НП до 5-7% от фазного напряжения сети.
На рис. 5.8 показаны экспериментальные зависимости сопротивлении
(кривая 7) и времени, максимального (кривая 2), среднего (кривая 5),
минимального (кривая 41, срабатывания устройства от емкости фаз сети.
Зависимости 2-4 измерялись осциллографированием при сопротивлении
замыкания на землю 4 кОм и включают в себя время задержки элемента 9
(около 10 мс). Зависимость среднего времени срабатывания от со-
4	103
2-4
Рис. 5.8. Экспериментальные зависимости сопротивлений (7) и времени максималь-
ного (2), среднего (3}, минимального ( 4) - срабатывания от емкости сети
Рис. 5.9. Зависимость среднего времени срабатывания от сопротивления замыкания
на землю при емкости сети 1 мкФ/фазу
противления замыкания на землю при емкости сети 1 мкф/фазу показана
на рис. 5.9.
Электрические схемы блоков 5-7 опорных напряжений (одинаковые
для трех фаз) блока 8 напряжения НП — формирователей импульсов,
х преобразующих опорные фазные напряжения и напряжение НП в импульсы
заданных длительностей, а также блока 9 были подробно рассмотрены
ранее [7]. Высокая чувствительность в указанном устройстве достигается
относительно сложной схемой и несколько пониженным быстро-
действием, что является его недостатком. Применение этого устройства
может не всегда быть оправданным, например если ставится задача созда-
ния простых устройств автоматического закорачивания на землю фазы сети
как средств повышения надежности электроснабжения при самоустраня-
ющихся и дуговых замыканиях на землю.
Следовательно, возможности устройств, построенных на указанных
принципах, ограничены по чувствительности (”а”-”г”) и лежат значительно
ниже (в 3—3,5 раза) требуемой чувствительности или относительно сложно
реализуют ее (способ ”д”), что обусловливает необходимость изыскания
новых, более чувствительных и простых способов определения поврежден-
ной фазы.
Рассмотренный выше характер изменения фазных напряжений и на-
пряжения НП при замыканиях на землю одной из фаз сети с изолирован-
ной нейтралью позволяет определить поврежденную фазу сравнением с
эталонной величиной разности абсолютных значений двух электрических
величин, одной из которых является напряжение опережающей фазы, а в
состав другой входят напряжения собственной (поврежденной), отстающей
фаз и напряжения НП, взятые с определенными коэффициентами [54].
Для обеспечения работоспособности и максимальной чувствительности
устройства на его фазньГе исполнительные органы должны поступать
следующие разницы напряжений, взятых с соответствующими коэф-
фициентами:
^вх(л) =4, L', ~(k2UA +k3UB + ktUa~),	(521)
l/»x(B) = 41{/x - (k2UB + k2Uc +ktUa),	(5 22)
U” (.c-) = k2UB-(k2Uci-k2UA + кли0).	(5'23)
Оптимальные значения коэффициентов, стоящих перед напряжениями
можно определить, решив уравнения (5.21)-(5.23) для двух nXZ™'
случаев, когда отсутствует утечка на землю, при U. = U„	<7 - 0
на7е™ю7”е™е	(™Т—”
В первом случае все три уравнения (5.21)-(5.23) будут идентичны и
предстанут в виде
^ф(Л1 - Л2 - к3) = 0.	(5.24)
Во втором случае в соответствии с условием, чтобы на исполнительном
органе поврежденной (собственной) фазы А был обеспечен максимальный
сигнал, равный 1,73 (/ф = ил, уравнение (5.21) предстанет в виде’
уф[ 73(4, - 43) —4,] =	(5.25)
Кроме того, для эффективного выбора поврежденной фазы на исполни-
тельном органе опережающей фазы С необходимо обеспечить напряжение не
выше нуля. Это одновременно обеспечит отрицательное напряжение на
исполнительном органе отстающей фазы В.
Приравняв нулю выражение (5.23), для второго предельного случая
имеем
С/ф|ТЖ -4,)-44] =0.	(5.26)
Сократив выражения (5.24)-(5.26) на иф, получим соответственно три
уравнения для коэффициентов:
ki - к-z - к3 = 0,
73(4, -4,)-44=0.	(5-27)
Решив систему (5.27), можно получить оптимальные значения коэф-
фициентов, стоящих соответственно перед напряжениями опережающей,
собственной (поврежденной), отстающей фаз и НП:
4, = 3;	4, = 2; к, = 1; к, = 7Х
те между абсолютными значениями сравниваемых напряжении должно
быть соблюдено соотношение 3:2:1:73, обеспечивающее максимальную
чувствительность и селективность выбора поврежденной фазы в сетях с
ИЭ0^штиза>и экспериментальная проверка возможностей данного принципа
показывают, что устройство, реагирующее на разность двух электрических
величия [по уравнениям (5.21)-(5.23)], при данном соотношении абсо-
лютных значений напряжений фаз и нулевой последовательности сгаво-
„	105
s. Зак.318
вится чувствительным к замыканиям на землю фаз сети через весьма боль-
шие сопротивления, создающие напряжения НП практически до 5% U^,
приходящие) под углом к опорному фазному напряжению до <р max < 87*.
Так, в электрической сети с емкостью 1 мкФ/фазу чувствительность по
сопротивлению однофазной утечки составляет до 25 кОм/фазу.
Более простым с точки зрения минимума элементов (фазных транс-
форматоров, выпрямителей) является построение устройства, использую-
щего разность абсолютных значений двух напряжений — опережающей и
поврежденной фаз, взятых с коэффициентами кх = к2 = 1 и к3 = кА = О
[55]:
(4х(Л) =	I-	(5 28)
£4х(в) =	I.	(5-29)
^.,(0 =	1^1-1^1-	(5-30)
На рис. 5.10 показана блок-схема устройства, реализующего выражения
(5.28)-(5.30). Устройство содержит трехфазные выпрямители по схеме
Ларионова 1, 2, усилитель постоянного тока 3 с исполнительным герконо-
вым реле типа РЭС-22 в выходной цепи и схемы 4, 5 расщепления на три
сдвинутых по фазе напряжения.
В нормальном режиме на входы выпрямителей 7 и 2 блока 6 (для од-
ной из фаз А) через схемы расщепления из соответствующих фаз контро-
лируемой сети поступают симметричные напряжения, которые выпрям-
ляются и сравниваются между собой. На вход усилителя 3 поступает раз-
ность напряжений фаз С и А, равная нулю, ^вх(я) = 0- Для блоков 7 и8
двух других фаз В и С на входы их усилителей поступают аналогичные
разницы, равные нулю, т.е. £/Вх(в) =^> ^вх(С) =0*
При замыкании на землю, например, фазы А снижается напряжение на
поврежденной фазе и увеличивается напряжение на опережающей по
отношению к ней фазе. Исполнительный орган фазы А срабатывает на их
положительную разницу U9X(Ay > 0. На входы соответствующих усили-
телей двух других фаз поступают отрицательные разницы напряжений,
поскольку UB > UA и Uc> UB; при этом триоды усилителей заперты
и исполнительные органы на этих фазах не срабатывают.
Анализ чувствительности и быстродействия устройства определения
поврежденной фазы, реагирующего на разность абсолютных значений двух
напряжений. При определенном соотношении емкости фаз сети и сопротив-
ления замыкания на землю напряжение на поврежденной фазе А становится
равным напряжению на фазе В (см. векторную диаграмму рис. 5.5).
- Из условия равенства действующих значений напряжений UA __ и UB _п,
взятых из выражений (5.15) и (5.16),
(1% - Щ)14 = [с£ + и} - гив Uo cos(120° -?)]«,
найдем угол максимальной чувствительности выбора фазы.
ПР" ^=60"	^х(в) = 1^1-и/в1 =0.
Рис. 5.10. Блок-схема устройства определения поврежденной фазы оеагиоуюшего иа
разность абсолютных значений напряжений поврежденной и опережающей фаз
Определим предельную чувствительность устройства, соответствующую
его углу срабатывания:
ф —	+ в = 60° + е,
“ср “max	’
где е - дополнительный угол, зависящий от соотношения ^вх (л > /^DX j 
Обозначим данное соотношение как коэффициент надежности срабатыва-
ния устройства:
*и=и,х(И)Чх(В)=1-5-2.
Приняв коэффициент надежности кн = 2 и задавшись напряжением
срабатывания Ucp, имеем
(4x(4)4x(S)=	(5J1)
или в относительных единицах, разделив на Цф, имеем
C/cp./(l41.l-l£/fl.l)= 2.	<5-22)
Из выражений (5.15)-(5.17) значения напряжений фаз в относительных
единицах будут
(1 -г/0\)и = (1 -cos2«)“ = яйф,	(5.33)
где 6^* = cos <р, так как Uo = UA cos </?,
иВг п + Ц?. - 2^.cos(120° -ф)]«,	(5 34)
[I + ^.-2C/0.cos(120° + .p)]\	(535)
107
Заменяя (/0, величиной cos </> и подставив значения напряжений из выра-
жений (5.33)-(5.35) в выражение (5.32), имеем
[1 + cos2(p — 2cos<p cos (120° — </’)]й = sin — UCVJ^-	(5.36)
После преобразований получим окончательно уравнение
3cos2ip — sin</> (VTcos<p — Ц.р<) — С^р,М = 0.	(5.37)
Для напряжения срабатывания Z7cp> = 0,15 решение уравнения (5.37)
дает значение <^=<р	=81°30 .
Аналогичный результат можно получить, приравняв напряжению сраба-
тывания выражение для напряжения на входе фазы.<4 устройства:
[1 + cos2«p — 2cos cos (120° + •/>) ]V1 — sin >p - 0,15,	(4.38)
или после преобразований получим
•3cos2<p + sin <р ( л/Tcos ip — 0,3) —0,0225 =0.	(5.39)
Решение этого уравнения дает также значение </?ср =81°30'.
На рис. 5.11 показаны расчетные зависимости ^вх(л) (кривая ^)>
^вх(в) (кривая 2) и ^вх(с) (кривая 5) для устройства, из которых
видно, что при = 60° напряжение Uвх(вч = 0,а при U = 15 В (<р =
= 81°30')
^<Л(В)=15/7.5 = 2-
Поскольку из выражения (5.14) следует, что при R = 00
= arctg 3biCR3,
то, зная <рср, можно определить предельную чувствительность устройства
по сопротивлению однофазной утечки в зависимости от емкости сети:
ЛсР= tgvcp/3wC=tg81°30' /ЗыС	(5.40)
В сети с резистором R& = },66ХС в нейтрали напряжение НП будет опре-
деляться выражением (5.14), и, пользуясь изложенной выше методикой из
условия Ubx t = £/ср< = 0,15, можно показать, что при этом угол сраба-
тывания будет равен «рср = 54,2°. Тогда на основании формулы (5.14)
запишем
tg^cp= З^С/(1+/?а/Лз)
или, решая относительно R3 = R'cp, найдем
ЯсР = tg^ctiRtl(3uCRt -tg^p) =tg54,2°. l,66Xcl(RJXc-
-tg54,2°),	(5.41)
гае tg ^!ср </г,/Хс.
Ниже приведены расчетные значения наибольших сопротивлений одно-
фазной утечки в зависимости от емкости сети при	= 0,15:
С, мкФ/фазу
/?ср, кОм
R' , кОм
ср’
0,3	0,5	0,7	1	1,2	1,5	2
/?а =“
23,7	14,2	10,1	7,1	5,9	4,7	3,54
ла = 1,66 Ле
31,8	18	13,6	9	7,9	6,4	4,8
Из приведенных выше данных следует, что высокоомное заземление
нейтрали в 1,3 раза повышает чувствительность устройства и, что особен-
но важно, существенно улучшает его устойчивость к ложным срабатыва-
ниям на отстающей фазе, т.е. селективность по фазам.
На рис. 5.12 представлены расчетные зависимости относительных
напряжений, поступающих на входы фазы А (а) и отстающей фазы В (б)
устройства, от сопротивлений замыкания на землю в сети с резистором
и без резистора в нейтрали. Из этих зависимостей также видно, что при
высокоомном заземлении нейтрали (кривые 1 — 3 ) напряжения на вхо-
де отстающей фазы В независимо от емкости сети и сопротивления за-
мыкания на землю в рассмотренных пределах всегда имеют отрицатель-
ные значения, что значительно повышает селективность устройства по
фазам.
При свободной нейтрали (при отсутствии высокоомного резистора -
зависимости 1-3) указанные напряжения при определенных сопротивле-
ниях становятся положительными и по значению превышающими устав-
109
ку срабатывания, что может привести к ложной работе на неповрежден-
ной отстающей фазе. Это требует загрубления устройства, т.е. снижения
чувствительности к замыканиям на землю. В первом же случае имею-
щийся'запас устойчивости позволяет повысить чувствительность устрой-
ства до надежного предела.
На рис. 5.13 показана электрическая схема устройства определения
поврежденной фазы (для одной фазы; для двух других фаз схемы анало-
гичные) .
Как было показано выше, устройство реагирует на разницу абсолют-
ных значений напряжений опережающей и поврежденной фаз сети, кото-
рые перед сравнением расщепляются на три напряжения расщепителями
и выпрямителями по схеме Ларионова.
Расщепитель состоит из трех сопротивлений и конденсатора (рис. 5.14)
С выхода расщепителя на схему Ларионова подаются напряжения ubat
иса, иЬс, сдвинутые между собой на 60° и по модулям равные 0,5 (/вх.
На выходе выпрямителя получаем средние по модулю напряжения (час-
тота 300 Гц, коэффициент пульсации 1,045), пропорциональные ампли-
тудам напряжений иЬа, иса, иЬс.
На входы расщепителей до замыкания на землю подаются фазные на-
пряжения:
UA = Um sin (wt + ф + 120°); UB = Um sin (cot + ф);
Uc= (/msin(cot + 0-12O°).
При возникновении утечки, например, на фазе В изменяются фазные
напряжения, которые определяются по следующим формулам:
Ц,_п = ив-и0; ис_п=ис-и0.
Аналитически напряжение нулевой последовательности можно выразить
согласно выражению (5.13) следующим образом:
ио ~ -т [sin(wr + ф —	. sin(^ — <р1)еР,Г !•	(5.42)
На вход расщепителя поврежденной фазы В поступает напряжение
“в-п(') = ^SinCwr + dz) [sin(coz + ф-^,) _
-siiM-v>,)e 1 ].	(5 43)
оаН4М<ТЛЬ КОМГО1ексного сопротивления, Ом, z,= [(1+Я,/Я.)2 +
+ 9а> С к31 , Ф — начальная фаза замыкания на землю, град; ч51 - Фаэо"
вый угол напряжения НП, град, ч>, = arctg [3wO?,/(l + R /R ) ]
На вход расщепителя опережающей фазы А поступает напряжение
“и-п(') =	sin (со/+ ^ + 120°)-5" [ЗШ(ЫГ + Ф-^т)-
— 8т(^ —<рт)е ’ ].	(5.44)
Методика расчета1 времени срабатывания устройства состоит в опре-
делении мгновенных значений напряжений иЬа, иса, иЬс расщепителей
фаз А и В, в нахождении максимальных из них для моментов времени
Г, в расчете разницы максимальных значений с выходов расщепителей
фаз А и В и в сравнении этой разницы напряжений с уставкой срабатыва-
ния. Данную разницу определяли для моментов времени t = 0 +5 мс. Вре-
мя от момента замыкания фазы на землю до момента, когда разница
максимальных значений выходных напряжений расщепителей фаз А и В
будет равна уставке срабатывания, и является временем срабатывания тран-
зистора усилителя поврежденной фазы В, т.е. временем подачи сигнала на
исполнительное реле (собственное время срабатывания транзистора при-
нимаем равным нулю). Расчет велся методом наложения.
1 В разработке методики и расчетах принимал участие ин ж. Ю.И. Зорин.
111
Выражения для мгновенных значений напряжений между точками ab, са,
Ьс расщепителя фазы А имеют вид
u&j(z) = ^5-1рш(ш/ + ^-^ + 120°) -
sin(^-^,-^-90°)/!']+ Zl(1+’CsXBpO Х
X^in(^-4>1)C2p1e'’,'+	sin^-^i)/' ]},
и (f) = _^ [ sin(<J/ + ^+ 120°) sin(“' + Ф-ч>1) +
cfl 2 L	zi
1 I ч P«rl
+ ---sin(i//-</5i)e j,
M'> = “*('> -“«(')>
где p2 - корень характеристического уравнения цепи ХС2 hRb расщепи-
теля, р2 = -1/С2Лв; z2 - модуль комплексного сопротивления цепи рас-
щепителя, z2 = (R* + X^2)Vl; <р2 - фазовый угол комплексного сопро-
тивления, <р2 = arctg (Xc2[Rb ).
Затем выделяется максимальное мгновенное значение напряжения из
трех напряжений 1/^(0» uea(t), u^ft) в интервале времени (0—5 мс):
и =max[u. (г); и (/);
max .4	1 Ьа' 7 ’ са' ' ' Ьс ' ' 1
Это напряжение равно напряжению на нагрузке моста Ларионова.
Выражение для мгновенных значений напряжений между точками ab,
са, Ьс расщепителя фазы В имеют вид
UmRB (	1
ubaW------1— [sin(wf + ф-,р2)------sin(wr + ф-ф, -ч>2) -
z2 I	Z 2
-	~Ч>2-90’)/’' ] + -------f--------X
Лвг>	z,(A+C2RBPi)
X [sin(^-^,)C2p,/''+ — sinCiA-^,)/2' ] I	(5.45)
Rb	I
um	1
= —[sin(wz +	-sin(cjf + Ф-ф,) +
2	z j
1	Pt т
+ ---sinCV'-^iJe ],	(5.46)
Z 1
“bc^ = UbS' )-“«<')'	<5'47)
Рис. 5.15. Расчетная зависимость
времени срабатывания выходного
транзистора устройства от началь-
ной фазы замыканий на землю
2 - с Ла в нейтрали; 2 - без R
Затем выделяем максимальное
тервале времени (0-5 мс) :
мгновенное значение напряжения на ин-
“т,хв = ">«[«^(0; «„(О; «te(r)].
Далее вычисляем абсолютную разность
пряжений на выходе выпрямителей фаз А и В
мени и сравниваем эту разность с уставкой:
I wmax/l ' ~ ' МгпахВ ' ^уст ’
максимальных мгновенных на-
в различные моменты вре-
(5.48)
Уставка срабатывания устройства составляет 15% 0фг но, учитывая ко-
эффициент передачи схемы расщепления, равный 0,5, принимаем уставку
срабатывания в данном случае 7,5% t/ф.
Расчет времени срабатывания выходного транзистора устройства повреж-
денной фазы /-гр вели для различных углов замыкания с шагом 5° в ин-
тервале 0-180 и для следующих параметров сети и расщепителя: R3 = 2,7
кОм — сопротивление утечки на землю; Xct = 1,062 кОм - емкостное со-
противление фаз сети; Zj =2,9 кОм - модуль комплексного сопротивле-
ния схемы замещения сети; = 21°; Ул = 100 В; = -123,5 1/с; Rb -
= 3,9 кОм; Z2 = 7,46 кОм; Хс2 = 6,36 кОм - сопротивление конденсатора
в расщепителе; <р2 = 58°30г - фазовый угол расщепителя; С2'= 0,5 мкФ -
емкость расщепителя.
Полученные результаты представлены в виде зависимости на рис. 5.15,
которая близко совпадает с результатами, полученными экспериментально
(см. рис. 5. 21).
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА,
РЕАГИРУЮЩЕГО НА РАЗНОСТЬ АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Экспериментальным исследованиям1 был подвергнут образец устройст-
ва определения поврежденной фазы, изготовленный по электрической схе-
ме на рис. 5.13. Исследования проводили на модели сети с линейным напря-
жением 1000 В, позволяющей имитировать емкости фаз относительно зем-
ли в диапазоне 0,25-3 мкФ/фазу и создавать несимметрию активных и ем-
костных сопротивлений при различных сопротивлениях однофазной утечки
‘Экспериментальные исследования проводились совместно с В.В. Назаровым.
113
на землю 0,65; 1,05; 2,7; 5,5; 8,3; 11,46 кОм. Кроме того, модель сети по-
зволяла заземлять нейтраль трансформатора через высокоомный резистор
Ла = 1,5 Хс и создавать дуговые перемежающиеся замыкания на землю в
сети.
Было проведено 4 серии опытов:
1.	Определение сопротивлений срабатывания устройства в сети с ем-
костью фаз в диапазоне 0,25-3 мкФ/фазу.
2.	Исследование влияния несимметрии активных сопротивлении и ем-
костей фаз сети относительно земли на чувствительность и устойчивость ра-
боты устройства.
3.	Исследование времени срабатывания устройства при различных мо-
ментах однофазного замыкания на землю в сети (С - 1 мкФ/фазу).
4.	Исследование устойчивости работы устройства при дуговых перемежа-
ющихся замыканиях на землю в сети (С = 1 мкФ/фазу).
Всего было проведено 295 опытов (снято 295 осциллограмм). Одновре-
менно во всех сериях измеряли действующие значения напряжений фаз и
нулевой последовательности, а на осциллограммах фиксировалось время
срабатывания устройства.
1. Исследование сопротивлений срабатывания устройства производили
для сети с изолированной и заземленной через Ла нейтралью при С = 0,25;
0,5; 1; 2; и 3 мкФ/фазу. На рис. 5.16 представлены зависимости сопротив-
лений срабатывания от емкости сета для двух уровней отстройки устройст-
ва (кривая 1 — 15% t/ф, кривая 2 — 10% U$). На рис. 5.11/1,6 приведены
типичные осциллограммы срабатывания устройства при замыканиях на зем-
лю через сопротивление 5,5 кОм и С = 1 мкФ/фазу (а) и через сопротивле-
ние 0,65 кОм и С = 3 мкФ/фазу (6).
Как показали исследования, наличие резистора в нейтрали сета незначи-
тельно (в 1,3-1,5 раза) повышает сопротивление срабатывания устройства,
но существенно повышает устойчивость к ложным срабатываниям на сосед-
ней фазе В. Это видно из экспериментально полученных зависимостей на-
пряжений, поступающих на входы поврежденной фазы А (замыкание на фа-
зе А) и отстающей фазы В устройства от сопротивлений замыкания на зем-
лю в сета без резистора и с резистором в нейтрали (рис. 5.18). Из этих за-
висимостей следует, что при С - 0,5 + 3 мкФ/фазу и сопротивлениях замы-
кания более 1,5 кОм значения входных напряжений на отстающей фазе В
в сета без резистора в нейтрали всегда ниже, чем в сети с резистором. При
емкости С - 0,25 мкФ/фазу это имеет место при большем сопротивлении
замыкания, равном 4,3 кОм.
Следовательно, в сета с резистором в нейтрали с увеличением сопротив-
ления замыкания устойчивость устройства к ложным срабатываниям на
отстающей фазе В резко повышается.
2. Влияние несимметрии активных сопротивлений и емкостей фаз сети
относительно земли на чувствительность и устойчивость работы устройства
исследовалось в сета с емкостью 0,5; 1 и 2 мкФ/фазу.
При каждой емкости проводили по 50 опытов.
а.	Несимметрию активных сопротивлений изоляции создавали поочереД'
ным подключением к фазам А, В и С (при замыкании на фазе Л) дополни-
тельного сопротивления замыкания на землю 20 и 40 кОм.
На рис. 5.19 показаны зависимости напряжений на входе поврежденной
Рис. 5.17. Типичные осциллограммы срабатывания устройства при замыканиях на зем-
лю фазы С через сопротивление 5,5 кОм и С = 1 мкФ/фазу (в) и через сопротивление
0,65 кОм и С = 3 мкФ/фазу (б)
фазы А устройства от сопротивлений замыкания на землю /?ут при несим-
метрии Л20, 2?20, С20 в сети с емкостью 1 мкФ/фазу. Исследования пока-
зывают, что наибольшее влияние на чувствительность устройства оказывает
несимметрия на отстающей фазе В — входной сигнал на поврежденной фазе
при 520 примерно на 5% меньше входного сигнала, чем при симметрии ак-
тивных сопротивлений.
Несимметрия на поврежденной и опережающей фазах несколько повы-
шает входной сигнал устройства по сравнению с симметричной сетью, при-
чем максимальное превышение —* на 5% имеет место при <4 20 и наиболь-
шем сопротивлении однофазной утечки на землю (И кОм). Опыты с не-
симметрией активных сопротивлений изоляции при емкости 2 мкФ/фазу
показали менее значительное влияние несимметрии на чувствительность уст-
ройства. Из 150 опытов с активной несимметрией было зафиксировано два
случая несрабатывания устройства в режиме А20 - при Лср = 5,5 кОм и
С = 1 мкФ/фазу устройство дважды не сработало ввиду недостаточности
сигнала на входе.
115
Рис. 5-18. Зависимость напряжений, поступающих на входы поврежденной фазы А и
отстающей фазы В устройства, от сопротивлений замыкания на землю
1-5- UC-UA; J'-S1 - UA~UB a-Ra = —, б - Ла = 1.5 XQ Un = 1 кВ. С. мкФ/фазу:
1, /' - 0,25; 2. 2' - 0,5; 3. / - 1; < 4' - 2; 5. 5' - 3. Замыкание на фазе A. Un - । кВ
Анализ осциллограмм показывает, что с точки зрения ложных срабаты-
ваний на отстающей фазе В наиболее неблагоприятным является режим
несимметрии 520 преимущественно при сопротивлениях замыкания 0,65—
2,7 кОм. Аналогичные эксперименты с несимметрией активных сопротив-
лений с резистором в нейтрали показали, что последний несколько повы-
шает устойчивость к ложным срабатываниям и увеличивает чувствитель-
ность устройства при больших сопротивлениях замыкания на землю.
Следовательно, активная несимметрия на отстающей фазе В оказывает
определенное влияние на чувствительность устройства - в режиме 520 при
С = 0,5 -г 1 мкФ/фазу входные напряжения, поступающие на исполнитель-
на
б00\
чоо\-
Рис. 5.19. Зависимости напряжений на входе
А устройства от сопротивлений замыкания
на землю при несимметрии 420, В20, С20
в сети
С = 1 мкФ/фазу ; Ra =	1 - гА = 20 кОм;
2 - гс = 20 кОм; 3 - гА = гв = гс =	4 -
гв = 20 кОм
200
*-,кОм
СА - 1,75 мкФ/фазу; 3, 4 - СА = 2 мкФ/фа-
0
Рис. 5.20. Напряжения на входе А устрой-
ства (а) и на входе В устройства (б) при
емкостной несимметрии фаз сети
ный орган поврежденной фазы, снижаются не более чем на 5%, а на испол-
нительном органе отстающей фазы повышаются примерно на 5% по срав-
нению с симметричной сетью, что соответственно снижает чувствительность
устройства и повышает вероятность ложных срабатывают на отстающей
фазе 5.
Включение в нейтраль сети резистора повышает устойчивость устройства
к ложным срабатываниям за счет снижения входного напряжения на фазе В.
б.	Несимметрию емкостей фаз сети относительно земли создавали под-
ключением к фазе А симметричной сети емкостью 1 и 2 мкФ/фазу, допол-
нительной емкости С = 0,25 мкФ/фазу. На рис. 5.20, а показаны зависимос-
ти напряжения на исполнительном органе фазы А от сопротивления утечки,
а на рис. 5.20, б - напряжения на входе фазы В. Из этих кривых следует,
что при емкостной несимметрии на фазе A (Q = 1,75; Св = Сс = 2 мкФ/фа-
эу) входные напряжения на ней (кривая 1) лежат выше входных напряже-
ний при симметричной сети (кривая 5). При этом разница между этими
кривыми несколько увеличивается с ростом сопротивления утечки и не
превышает 3—4%.
При введении в нейтраль сети резистора картина изменяется: при сопро-
тивлениях утечки в интервале 0-1,05 кОм t/Bx(4) меньше аналогичного
напряжения, а при сопротивлении утечки более 1,05 кОм больше
аналогичного напряжения при свободной нейтрали (кривые 1 и 2). Следова-
117
тельно, резистор в нейтрали повышает чувствительность устройства при
емкостной несимметрии на данной фазе, в то время как включение резисто-
ра в нейтраль в симметричной системе дает менее значительное повышение
чувствительности (кривые 3 и 4).
Как видно из зависимостей на рис. 5.20,6, в сети без резистора в нейтра-
ли при несимметрии на поврежденной фазе А с увеличением сопротивления
утечки напряжение на исполнительном органе фазы В резко увеличивается,
становясь положительным и достигая порога ложного срабатывания уст-
ройства (кривая 7). В симметричной сети с таким же режимом нейтрали хо-
тя напряжение на исполнительном органе фазы В становится положитель-
ным, но при увеличении сопротивления утечки не достигает порога сраба-
тывания (кривая 3).
В сети с резистором в нейтрали влияние несимметрии на величину напря-
жения на исполнительном органе фазы В резко уменьшается; с увеличени-
ем сопротивления утечки это напряжение ниже нуля (кривая 2) - практи-
чески как в симметричной сети с резистором в нейтрали (кривая 4). Отсю-
да следует, что в сети с резистором в нейтрали влияние емкостной несим-
метрии на работу устройства сильно уменьшается, т.е. исключаются ее лож-
ные срабатывания.
3. Исследование времени срабатывания устройства проводили осцил-
лографированием (40 осциллограмм) при различных моментах однофазно-
го замыкания на землю в сети (1 мкФ/фазу). Анализ полученных осцил-
лограмм показал, что время срабатывания устройства сильно зависит от
угла замыкания на землю/ На время срабатывания влияние оказывают
также емкость сети, сопротивление замыкания на землю и режим нейтрали.
На рис. 5.21 показана зависимость времени срабатывания выходного
транзистора поврежденной фазы В устройства от начального угла замыка-
ния. Из зависимости следует, что максимальное время срабатывания уст-
ройства заключено в интервале углов замыкания ф = 120 4-170° и состав-
ляет около 3,5-3,8 мс. В интервале углов замыкания 30—100° имеет место
минимальное время срабатывания 0,5—0,8 мс. Введение в нейтраль сети ре-
зистора оказывает незначительное влияние на быстродействие устройства —
за счет небольшого сдвига влево зависимости в сторону меньших углов
замыкания время срабатывания снижается на 0,2—0,3 мс по сравнению
с замыканиями в сети с изолированной нейтралью.
На рис. 5.22 показаны зависимости максимального времени срабатыва-
ния выходного транзистора устройства от емкости сети при различных со-
противлениях замыкания на землю. Отсюда следует, что быстродействие
устройства зависит от емкости сети в значительно меньшей степени, чем от
утла замыкания. В области сопротивлений утечек 1,5 кОм и выше макси-
мальное и среднее время срабатывания устройства практически для всех
емкостей растет пропорционально сопротивлению замыкания на землю-
При сопротивлении замыкания ниже 1,5 кОм наблюдается некоторый
провал зависимости. Это объясняется тем, что в области сопротивлений
утечек 0,65 кОм имел место ряд ’’всплесков” напряжения срабатывания
транзисторов отстающей фазы С длительностью 1—2 мс, которые не приво-
дили к ложным срабатываниям, но приводили к задержке срабатывания
транзистора поврежденной фазы устройства.
Сигнал от транзистора после его открывания поступает на исполнитель-
Рис. 5.21. Зависимость времени срабатывания выходного транзистора поврежденной
фазы устройства от начального угла замыкания на землю
С= 1 мкФ/фазу; /?ут = 2,7 кОм.
1 - без Ra; 2 - Ra = 1,5 кОм
Рис. 5.22. Зависимость максимального времени срабатывания выходного транзистора
устройства от емкости сети при различных сопротивлениях замыкания на землю
а - с/?а; б - без Яа. Я3 кОм; 1 -0,65; 2- 1,05; 2-2,7; 4- 5,5
Р„с. 5.23. типична» осциллограмма работы устройств при дуговых
землю фазы В в сети
ное реле типа РЭС-22, имеющее время срабатывания около 7,4-7,8 мс.
Таким образом, в сети с емкостью до 1,5 мкФ/фазу при сопротивлении
утечки 1 кОм полное время срабатывания устройства определения повреж-
денной фазы составит не более 10 мс, а при сопротивлении утечки, равном
сопротивлению срабатывания, — не более 15 мс.
4. Исследование работы устройства при дуговых перемежающихся
замыканиях на землю. Опыты проводили при емкости 1 мкФ/фазу в сети с
119
изолированной и заземленной через резистор нейтралью. В этой серии было
проведено 20 опытов.
На рис. 5.23 показана типичная осциллограмма работы устройства при
дуговых замыканиях на землю фазы В в сети с заземленной через резистор
нейтралью. Исследования показали достаточную устойчивость и надежность
действия устройства к дуговым перемежающимся замыканиям на землю в
сети — в процессе опытов случаев отказа в действии или ложных срабаты-
ваний устройства не наблюдали.
IW4L
7. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ
ЗАЩИТНОГО ЗАКОРАЧИВАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ
Рис. 5.24. Структурная схема
управления устройством защит-
ного закорачивания на землю
поврежденной фазы
Схема управления УФЗ, включающая в себя блок определения повреж-
денной фазы (ОПФ), обеспечивает следующие режимы его работы:
а) определение поврежденной фазы при замыканиях на землю через
сопротивления, - вызывающие появление на входе блока ОПФ разности
абсолютных значений напряжений опережающей и поврежденной фаз
Чх Чь» “ и защитное закорачивание ее на землю в течение времени
10-15 мс;
б) отключение УЗФ с выдержкой времени 30 — 60 с и обеспечение ус-
ловий для работы селективной защиты от 033 (ЗЗП-1 м, РЗН-З и других)
в случае неустранения замыкания;
в)	опережающая блокировка короткозамыкателей неповрежденных
фаз, предотвращающая ошибочные включения короткозамыкателей на
двух или трех фазах;
г)	подача команды на быстродействующее отключение короткозамыка-
телей при двойных замыканиях на землю в сети;
д)	быстродействующая блокировка срабатывания блока ОПФ и корот-
козамыкателей при двух- и трехфазных коротких замыканиях в сети;
е)	блокировка срабатывания блока ОПФ на время до отключения фазно-
го короткозамыкателя после шунтирования места повреждения.
Структурная схема управления УЗФ представлена на рис. 5.24 и со-
стоит из узлов фаз Л (J), В (2), С (З)блока определения поврежденной фа-
зы; узла блокировки срабатывания определителя поврежденной фазы по
напряжению НП (4); узла блокировки срабатывания ОПФ по току двух-
фазного короткого замыкания 5; узла опережающей блокировки сраба-
тывания тиристорных замыкателей на неповрежденных фазах 6; выходных
исполнительных органов 7—9, осуществляющих включение тиристорных
замыкателей 11 — 13 и их защиту от токов перегрузки (при двойных
замыканиях через тиристоры); блока автоматического отключения тири-
сторных замыкателей 10\ органа блокировки замыкателей при между*
фазных коротких замыканиях в сети 14.
Электрическая схема блока определения поврежденной фазы (узел
на фазу А) приведена на рис. 5.25, а ее работа была описана выше. На
рис. 5.26 даны электрические схемы узлов блокировки срабатывания
ОПФ соответственно по напряжению НП и току двухфазного короткого
замыкания. На рис. 5.26, а напряжение НП от измерительного трансфор;
матора НТМИ-6 (10) подсоединяются к клеммам 1 и 2, а на рис. 5.26,0
клеммы 1—4 соответственно подключаются к трансформаторам тока ячей-
ки данной секции шин питающей подстанции.
На рис. 5.27 показана схема автоматического отключения фазных ко-
роткозамыкателей после их срабатывания, в которой нагрузкой двухкас-
кадного усилителя служит цепь управления тиристора ВУ1, подающего
питание на реле Р5, которое включает реле Р6 возврата схемы в исходное
положение. Реле Р6 включается по истечении 30-60 с после возникновения
замыкания на землю, разрывая своими контактами анодные цепи тиристо-
ров ВУЗ—ВУ5, шунтируя обмотку реле Р5 и собственную обмотку через
резистор R.37. При этом конденсатор С5 разряжается через R37 и замк-
нутое состояние контакта Р6 длится 0,2—0,3 с, что вполне достаточно в
случае необходимости для действия селективных защит от 033 на при-
соединениях.
При замыкании одной из фаз сети на землю (например, фазы Л) сраба-
121
П ИЯ
a
R2
R4
ХРЧ.1 Рис. 5.26. Электрические схемы узЛов
—•» 1 блокировки срабатывания ОПф По
? напряжению НП (а) и по току двУх.
’ РJ фазного короткого замыкания в сети
4*(б)
Рис. 5.28. Схема выходных це-
пей управления УЗФ
5	ХР5.1
тывает реле XFZ блока ОПФ и замыкает свой контакт KV1.3, а последний
приводит к открытию соответствующего тиристора ВУЗ, ВУ4 или ВУЗ
(рис. 5.28), включающего генератор тока частотой 1 кГц. Генераторы Гл»
Гв и Гс, собранные на симметричных мультивибраторах, имеют прямо-
угольную форму выходного напряжения, которое через разделительный
высоковольтный трансформатор ТрЗ (см. рис. 5.4), выпрямительные
мосты ВП и ограничивающие резисторы RI7 подается на электроды управ-
ления тиристоров короткозамыкателя УЭФ.
В схеме включения генераторов Гл, Гд и Гс применена дополнительная
блокировка, выполненная также на герконоых реле РА, РВ, PC. Основ-
ное назначение этой блокировки - предотвращение ложных срабатывании
короткозамыкателей на двух или трех фазах.
Тиристорные короткозамыкатели снабжены быстродействующей заши-
той от токов аварийной перегрузки (рис. 5.29). Трансформаторы тока каж-
дого из замыкателей ТТа, Пь, ТТС, вторичные обмотки которых нагруже-
ны сопротивлениями R70-R72, подсоединены к выпрямителям ВЗ-В5.
Выходы этих выпрямителей объединены через разделительные диоды
Д21-Д23 и подключены к конденсатору С9, постоянная времени заряда
которого не превышает 1 мс. Напряжение на конденсаторе С9, при котором
отпадает герконовое реле Р, определяется параметрами входных элемен-
тов двухкаскадного усилителя.
Разряд конденсатора С9 через R 75\ R 76 и возврат реле Р в замкнутое
состояние происходят за время порядка 0,5 с после исчезновения тока
аварийной перегрузки. На этот же конденсатор С9 подается сигнал от транс-
форматоров тока ТТа и ТТС вводной ячейки данной секции шин питающей
подстанции. Так осуществляется дополнительная блокировка УЗФ при
междуфазных коротких замыканиях в сета.
Применение в схеме управления УЗФ герконовых реле позволило просто
и надежно электрически разделить различные функциональные узлы схемы,
сохранив ее быстродействие. Так, наличие дополнительной пары размыкаю-
123
о-»---
Л2ТК
Рнс. 5.29. Электрическая схема
защиты тиристоров от токов ава-
рийной перегрузки и блокировки
срабатывания УЗФ при между-
фазных коротких замыканиях в
сети
щих контактов выходных реле KV1-KV3 блока ОПФ (соответственно
для фаз Л, В и С) позволяет осуществить блокировку против ложного сра-
батывания ОПФ на неповрежденных фазах последовательным включением
в цепь питания усилителя каждого из узлов фаз А, В, С блока ОПФ (клем-
мы 5 и б на рис. 525), соответственно размыкающих контактов двух
других фаз и через общую точку также размыкающего контакта KV5.1
схемы блокировки по току двухфазного короткого замыкания (на рис.
5.26, б).
Глава 6
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА
ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛИ И СРЕДСТВ БОРЬБЫ
С ЗАМЫКАНИЯМИ НА ЗЕМЛЮ В КАРЬЕРНЫХ СЕТЯХ 6-10 кВ
1. ОЦЕНКА НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОГО УЩЕРБА
ОТ НЕСЕЛЕКТИВНЫХ ДЕЙСТВИЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
И МНОГОМЕСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В СЕГИ
Рекомендованные в гл. 2 значения резисторов в нейтрали сетей 6—10 кВ
соответствует определенному уровню ограничения неблагоприятных факто-
ров — снижению вероятности простоев из-за аварийных отключений и
повреждений в конкретной сети и соответственно снижению вероятного
ежегодного ущерба от перерывов электроснабжения. Поскольку опти-
мизация режима нейтрали как комплексной меры требует определенных
капитальных затрат, зависящих в некоторой степени от задаваемой глубины
снижения ущерба при данном режиме нейтрали по сравнению с режимом
без резистора, а последний должен быть экономически эффективным,
возникает необходимость определения условий, при которых эксплуата-
ЦИЯ высокоомного резистора в нейтпя™
ческий эффект и соответствовать минимумч Д“а1Ь наибольитй экономя-
Для оценки эффектнвносТрХ^ХТВеДСННЫХЗатРат
(надежность) системы электроснабженияР примем бесперебойность
потока отказов (в соответс™Тс , * ™ °Пределяем>'ю параметром
пент,я времени меаду аварХ”"™ =Z“na™
“o('l - “в.о('1 + Шм(т),
(6.1)
где ш„.о (г) - параметр потока аварийных отключений по карьеру из за
неселективного действия защит от 033	,,	карьеру из-за
яяяпийнмх откпюи.т.о „	J ым (')-параметр потока
аварийных отключении по карьеру из-за многоместных повреждении
элементов системы (1/ч); t - время наблюдения ч
Критерием экономической оптимальности режима нейтрали будет опти-
мальное значение ы0 (ont), определяемое из условия минимума приведен-
ных затрат с учетом вероятного ежегодного ущерба от перерывов в
электроснабжении:
П3 = КЕн + У + И -► min,	(52)
где К — капитальные затраты на оптимизацию режима нейтрали, руб.;
Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
У — вероятньш ежегодный ущерб, руб.; И - ежегодные эксплуатационные
издержки, руб.
Ущерб по причинам неселективного срабатывания зашит от 033 и пере-
хода 033 в многоместные повреждения по карьеру будет
У ~ Ун.о Ум ~ k^H.o тн.оА + OJMtnn (т к^к + гjd3) А, (6.3)
где тн.о — среднее время (математическое ожидание) одного простоя при
неселективном отключении, ч; t - расчетное время работы оборудования
в год, ч; А - стоимость 1 ч простоя горнотранспортных машин, руб.;
пп — математическое ожидание числа одаовременно отключаемых линий
при многоместных повреждениях; т”к итэ - среднее время одного простоя
при повреждениях кабельной линии и элементов электрооборудования
экскаваторов соответственно, ч; dK и d3 - доля повреждений кабельной
сети и сетевого электрооборудования экскаваторов от общего числа
многоместных повреждений в карьерной сети соответственно.
Зная параметр потока аварийных отключений из-за однофазных замы-
калий на землю по карьеру По (О * промежуток времени t и коэффи-
циенты, выражающие долю селективных отключении А,.о и многоместная
повреждений от общего числа аварийных отключении по причине 033,
параметры сои.о и шм можно выразить через 0.
Ц,.о = Af.o^o> “м ~ 0“
ИЛИ
С0о = &o(fln-o + 0м) >
так как Дц.о = гн.о/^о =	0м гм/^о шм/^-о,
число отключений из-за неселективных срабатываний
125
(6.5)
где г
защит и многоместных повреждений соответственно; Nq — общее число
отключенных 033.
Подставляя значения (6.4) в выражение (6.3), окончательно имеем
У = A Qo t Зм (0н.о Тн.о/0м.+ Гм), W	(6-6)
тм = TKdK + T3d3.
Капитальные затраты (руб.) на оптимизацию режима нейтрали карьера
состоят из затрат на стоимость высокоомных резисторов, средств их
защиты и подсоединения к нейтрали, и в зависимости от параметра со0
(глубины 6 ограничения перенапряжений и глубины е ограничения длитель-
ности затухания помехи после отключения 033) их можно выразить зави-
симостью
К = кп(1+а5,е/«д),	<6'7)
где Кп — постоянная составляющая затрат, не зависящая от 6 и е (или
со0), РУб-; <*б,е — коэффициент, определяющий долю стоимости, завися-
щей ОТ СЦ).
Ежегодные эксплуатационные расходы (руб.) будут состоять из
И = Сп + Cw,	(6.8)
где Сп - сумма постоянной составляющей; Cw =/ (со0) — стоимость ликви
дации отказов системы электроснабжения, обусловленных многомест-
ными повреждениями в течение года, руб.:
Cw = г„(0 С, = 0М По t п элСх,	(6.9)
где г м (/) — число многоместных повреждений в год; Ci — средняя стои-
мость одного повреждения (кабеля или сетевого электрооборудования
экскаваторов), руб.; Н‘эл — математическое ожидание числа одновременно
повреждаемых элементов.
С учетом формулы (6.8) имеем (руб.)
И = Сп + /?м ЛЭП С1 •	(6.10)
Подставив в выражение (6.2) выражения (6.6), (6.7) и (6.10), найдем
минимум этой функции:
_ -K„EHa5ie+ Slj г A(JM (P„.oTH,o/(iMтм+ЛэлС1/А) _
Я2О
(6.11)
Оптимальное значение параметра потока отключений (надежности)
системы электроснабжения (1 /ч) при данном режиме нейтрали
О - Г	^п^и^.е	"1^	,
WnT) = [А'Зм (А..О г„.о7бГ^Д^7А)J , (б ’
С учетом выражения (65) оптимальное значение параметра потока
отключений, обусловленных неселективным действием защит от 033 и
многоместными повреждениями в сети, будет связано с £20 (ОПТ) соотно-
. ..лхгг»ААЛ Г65)
капитальных
SO
Зависимости приведенных затрат (1 и 2), П,,тыс
ущерба (5) и удельных капитальных
затрат (/* и 2') от параметров потока
отключений в карьерной сети 6 кВ
0,03	0,04
_____1	_____________
0,05	0.075	0,1
77„//ч
зависимости приведенных затрат
3) и удельных капитальных затрат (кри-
На рисунке представлены
(кривые 7 и 2), ущерба (прямая j) и ;	_ ______г_. кри-
вые 7' и / ) от параметров потока отключений со0 и Яо, рассчитанные
по исходным данным согласно таблице. Минимумы функций (кривые
7 и 2) соответстуют оптимальным значениям що(ОПт) t и о?о (опт) а-
Среднюю стоимость 1 ч простоя горных машин (двух экскаваторов
и одного бурового станка), подключенных к одному присоединению,
определяли по формуле [12]
А = к.к, (3,^ + 36Ув) +
+ t [(Р«.э + Ея + Ря)кэ + (Р,6 + Ен + Рд) к0], где#, = 2я#е =
= 1 — число экскаваторов и буровых станков соответственно.
При принятых исходных данных, приведенных в Нбл. 6.1, значение
параметра А =215 руб. Параметры: И = Сп + Cw =0;	= 03; 0М =0,1 [9];
пп = 1,64 [9]; тя.о = 0,5 я; тк = 2г- тэ = 1,5г;dK =О,78и<7э=О,22(9].
В расчетах были приняты два варианта капитальных затрат:
Kni = 32 + 3. + Зо + Й = 3600 руб., Кп, = 5000руб.,
где 32 — приведенные затраты на средства оптимизации, руб.; За - аморти-
зационные отчисления, руб.; Зо - затраты на обслуживание, руб.; к[ -
сопутствующие капитальные затраты, руб.
Коэффициенты: hH =0,15; е =0,226.
Из зависимостей 7 и 2 на рисунке следует, что при данных затратах на
оптимизацию снижение параметра о>0 (числааварийных отключений) ниже
оптимума экономически нецелесообразно.
При подстановке значений принятых исходных параметров имеем сле-
дующие зависимости, представленные выше на рисунке:
EhKj = 540 + 122/а?0 (зависимость 7' );
ЕнК2 = 750 + 170/соо (зависимость / );	(6.13)
У = 14,5 • 10s со0 = 5,8 •10$ (зависимость 3).	(6.14)
127
Исходные данные расчета
	—		Едини-	
Номер по	Наименование исходных	Обозначение	цв-изме-	
порядку	данных		рений	
1	Число подстанций на карьере	6'п	Ед.	3
2	Число секций шин 6(10) на каждой подстанции	'"с		2
3	Число резисторов в нейтрали на карьер	NV		6 6300
4	Расчетное время работы обору- дования в год	t	Ч	
				0,75
5	Коэффициент уменьшения опла- ты за время вынужденного простоя*			
				
				
6	Районный коэффициент повы-	кр	—	
	шения оплаты			
7	Часовая зарплата экипажа экскаватора (2 чел.)	Зэ	Руб./ч	2,25 2,5
8	Часовая зарплата экипажа бурового станка (3 чел.)	Зб		
				0,13; 0,28
9	Коэффициенты амортизационных отчислений соответственно экска- ватора и бурового станка*	^а-э! ^а.б		
				
				
10	Коэффициент, учитывающий до- полнительную плату за фонды с прибыли	Т’д		0,08
11	Капитальные затраты соответст- венно на экскаваторы и буровой	Кэ,Кб	Руб.	3 • 10‘; 0,5 -10*
станок*
• Данные 112].
2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ
Оценим эффективность устройства с высокоомным резистором как
средства оптимизации режима нейтрали на конкретном примере карьер-
ной распределительной сети 6 кВ. Так, при эксплуатации двух комплек-
тов устройств с высокоомными бетэловыми резисторами (при /а* = 0,6)
в нейтрали на подстанции 35/6 кВ карьера по схеме, показанной на
рис. 3.3, число отключений гн.о> обусловленных несслективными дейст-
виями защит от 033 и гм, вызванных многоместными повреждениями i
в сети за год по подстанции, соответственно снизилось с 76 до 28 и с 7 до
4. При этом среднее время одного простоя при неселективном отключении
составило тн.о = 0,25 ч, а при многоместном повреждении — тм = 2 ч.
Параметры потоков отключений до оптимизации режима нейтрали и
после соответственно будут
<^.01 = ГН.О1Д = 76/6,3-Ю3 = 1,21 • 10-2 * 4 1/ч;
ш„.„2 = г„.огЦ = 28/6,3 • 10’ = 0,455 - 10’2 1/ч;
IO- 1/ч;	^2=0,б35.10.з1/ч
соХсХоВ6~’ (6'6) "°—’И^р6адоопл,мташгаипосле
У' ’ А ' (Ч,О‘ ’"° + <* ?м) • 2,15 • 10=.6,3 • 10=  0 52 X
* IO’2 =7,08.10= ру6..
+ Ым2Тм) = 32 . ю= pyg
XT С™М0СТЬ 1 4 ПР0СТ0Я ГОрНЫХ (-гласно в.1 настоя.
ДУ = (У, -У=)/2 = 1,99. ю3 руб	‘	'
его стоимости. Поскольку базовое изделие отсутствует, то у потребителя
будут эксплуатационные затраты И2 = 400 руб.
Приведенные затраты по новой технике, состоящие из удельных капи-
тальных вложений в производственные фонды завода-изготовителя, при
изготовлении резисторных устройств и их себестоимости - 500 руб.
Сопутствующие капитальные затраты будут состоять из затрат на доставку
устройств с завода-изготовителя, на монтаж и вывод нулевой точки
обмотки ВН трансформатора собственных нужд подстанции, с учетом
принятых коэффициентов [56] сопутствующие капитальные затраты будут
не более 300 руб. Согласно методике [56], приняв сумму снижения ущерба
равной стоимости косвенного экономического эффекта Экосв = Д У, будем
иметь годовой экономический эффект от применения одного комплекта
резисторного устройства, равный 3,95 тыс. руб.
Технико-экономический анализ при различных достигаемых параметрах
(г) в результате оптимизации режима нейтрали показывает, что благо-
даря относительно низкой стоимости и незначительным капитальным
затратам ЕНК = / (шо) снижение ущерба по карьеру (или одной подстан-
ции) будет превышать сумму капитальных затрат в 1,5-3,3 раза. Это
указывает на возможное» получения ощутимого экономического эффек-
та от внедрения устройств с высокоомным резистором,
объеме внедрения в сетях 6-10 кВ угольных разрезов 2«
резисторных устройств годовой экономический эффект только уголь
ной отрасли составит около 800 тыс. руб.	и.йтпапи на осно-
Таким образом, оптимизация'	не только технически, во
ве применения резисторных устройств^	надежности и безопас-
и экономически иепесообр^ои мерой	И^ьнья разрезов,
ности электроснабжения в сетях 6 iu и г”
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Замыкания на землю в высоковольтных распределительных сетях
напряжением 6-10 кВ карьеров, угольных разрезов и шахт являются ис-
точником нарушения бесперебойности электроснабжения и электротрав-
мирования обслуживающего персонала. Одним из существенных электро-
технических факторов, определяющих параметры, условия возникнове-
ния замыканий на землю, а также выбор технических мер и средств борь-
бы с ними в высоковольтных электросистемах горных предприятий, сле-
дует считать режим изолированной нейтрали электроустановок, кото-
рым в зависимости от конкретных условий можно управлять, оказывая
влияние на повышение уровней безопасности и надежности электроснаб-
жения.
Существующий режим нейтрали карьерных распределительных сетей
6-1 Ок В с емкостными токами замыкания до 10 А является неудовлет-
ворительным, не соответствует условиям минимума повреждений эле-
ментов сети и электрооборудования, а также нормального функциони-
рования релейной защиты, что приводит к значительному экономическо-
му и техническому ущербу при эксплуатации.
Режим изолированной нейтрали высоковольтных электрических сетей
шахт также требует оптимизации.
Создание дополнительного активного тока замыкания на землю вклю-
чением в нейтраль сети высокоомного резистора оптимальной величины
является наиболее комплексной и эффективной мерой повышения надеж-
ности электроснабжения и безопасности эксплуатации в распределитель-
ных сетях 6-10 кВ.
Оптимальным является значение дополнительного активного тока
замыкания, равное 0,6 от емкостного тока, выбранное из условий мини-
мума тока, проходящего через человека, при прикосновении к фазе сети,
ограничения кратности перенапряжений до 2,3-2,4 при дуговых и метал-
лических 033, ликвидации феррорезонансных процессов, обеспечения
условий надежной работы селективных устройств защиты от 033, а так-
же ограничения напряжений прикосновения (и шага) на заземленных
корпусах электрооборудования при дуговых замыканиях на землю.
Наиболее рациональным с точки зрения простоты, надежности рабо*
ты, стоимости и удобства эксплуатации является устройство с высоко
вольтным бетэловым резистором, подключаемое к нулевой точке транс
форматора собственных нужд (типа ТМ-25/6, ТМ-40/6 и др.) на каждой
подстанции. Высокоомное заземление нейтрали сетей кроме повышен»*
кий	. Надежнос1и дсйс™" направленных устройств от замыка-
“™	режиме после отключения присоединения с 033 или л пи
дуговых перемежающихся замыканиях на землю открывает возможное
^хХоХ (ИЛ” ПрИМеНеШ,я Чествующих). более простых се-
лективных токовых устройств защиты.
Для условии карьерных распределительных сетей 6-10 кВ с оптими-
зированным режимом нейтрали по совокупности положительных свойств
и возможностей наиболее приемлемым являются централизованные за-
шиты, реагирующие на наибольший по амплитуде ток нулевой последо-
вательности с опережающим действием на срабатывание или направленные
защиты типа РЗН-З (для сетей с относительно малыми токами 033-0,5-г
3 А).
Для шахтных распределительных сетей 6-10 кВ с высокоомным резис-
тором в нейтрали наиболее рациональным на данном этапе следует
считать применение защит, совмещающих в себе измерительные органы,
реагирующие как на установившееся направление мощности, так и на
наибольший по амплитуде ток нулевой последовательности присоедине-
ния относительным сравнением (для четкой фиксации дуговых переме-
щающихся 033), либо использование серийных направленных защит
типа ЗЗП-1м, РЗН-З и др., дополненных специальным измерительным ор-
ганом, чувствительным к перемежающимся замыканиям на землю.
Эффективным средством борьбы с самоустраняющимися кратковре-
менными замыканиями на землю в карьерных распределительных сетях
6—10 кВ могут служить автоматические устройства быстродействующего
защитного закорачивания на землю поврежденной фазы сети (УЗФ), вза-
имодействующие по максимально упрощенной схеме в принципиальной
новой роли — как средство повышения надежности электроснабжения
при 033 вместо отключающих сеть устройств АПВ. Несмотря на суммар-
ное остаточное напряжение в месте замыкания на землю, достигающее
при наихудших условиях значения до 400 В, применение быстродейст-
вующих УЗФ на базе тиристорных коммутаторов обеспечивает возмож-
^“восстановления напряжения -	„Гпе^н^яХ
щих повторных пробоев изоля““’и гашение зазсмлЯющих дут в месте
при дуговых перемежающихся	в даже на короткое время,
повреждения, не прерывая элеироснабх»™' с заиканиями на
Комплекс технических методов я сРеи"я	нейтрали в распре-
землю на основе оптимизации ИЗ°ЛИР° нически и экономически целе-
делительных сетях «-1^В ^ВЛкаДежности и безопасности злектроснаб-
сообразнои мерой ловыш „гопьных разрезов и шахт,
жения современных карьеров, уго
ЛИТЕРАТУРА
1.	Правила технической эксплуа-
тации при разработке угольных и
сланцевых месторождений откры-
тым способом. М.: Недра, 1972. 144 с.
2.	Единые правила безопасности при
разработке месторождений полезных ис-
копаемых открытым способом. М.:
Недра, 1970. 72 с.
3.	Правила безопасности в угольных
и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1973.
512 с.
4.	Правила технической эксплуатации
угольных и сланцевых шахт. М.: Недра,
1976. 303 с.
5.	Правила технической эксплуатации
электроустановок. М.: Атомиздат,
1975. 352 с.
6.	Правила устройства электроуста-
новок. Раздел 1-7. Заземление и за-
щитные меры безопасности. М.: Энерго-
атомиздат, 1983. 30 с.
7.	Ягудаев Б.М. Шишкин Н.Ф., На-
заров В.В. Зашита от элекгропоражения
в горной промышленности. М.: Недра,
1982. 152 с.
8.	Электробезопасность в горнодобы-
вающей промышлснносги/Гладилин Л.В.,
Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чебота-
св Н.И. М.: Недра, 1977. 327 с.
9.	Самойлович И.С. Режимы нейт-
рали электрических сетей карьеров.
М.: Недра, 1976. 175 с.
10.	Самойлович И.С. Защита от пере-
напряжений мобильных электроустано-
вок карьеров. М.: Недра 1980. 161 с.
11.	Емкость относительно земли вы-
соковольтных сетей в угольных шах-
тах/Айдаров Ф.А., Морозова Е.Е., Гав-
рилко В.А., Калелюшников Г.И. - Бе-
зопасность труда в пром-сти, 1981,
№7, с. 47.
12.	Белых Б.П., Заславец БИ. Распре-
делительные электрические сети рудных
карьеров М-: Недра, 1978, 239 с.
13.	Дунда ПА. Надежность электро-
сетевого оборудования угольных разре-
зов объединения „Экибастузуголь". -
В кн.: Безопасность и надежность элект-
роснабжения горнорудных предприятий.
Днепропетровск: Днепропетровск, горн,
ин-т, 1982, с. 250-251.
14.	Ремонт шагающих экскаваторов/
Бубновский Б.И., Буйный И.К., Ефи-
мов В.Н. и др. М.: Недра, 1982. 280 с.
15.	Дикий ЮА., Ковалев А.П. Влия-
ние селективности средств защиты на на-
дежность электроснабжения. - Горн,
машины и автоматика, 1976, №4,
с. 24-27.
16.	Надежность взрывозащищенного
и рудничного электрооборудования/Под
общ. ред. Б.Н. Ванеева. М.: Недра, 1979.
302 с.
17.	Разгильдеев Г.И., Ковалев А.П.,
Сердюк А.И. О надежности систем
электроснабжения угольных шахт. -
Уголь Украины. №1, 1982, с. 36-38.
18.	Омельченко В.И., Могильный Г.М.
Анализ отключений релейной защитой
отходящих линий карьерных подстанций
35/6 кВ Орджоникидзевского ГОК. -
В кн.: Электро безопасность на горно-
рудных предприятиях черной металлур-
гии СССР. Днепропетровск: Днепропет-
ровск. горн, ин-т, 1979, с. 341-343.
19.	Горюнов В.С., Березин АА.,
Рощин А.С. Аварийные режимы в карь-
ерных распределительных сетях 6 кВ. -
В кн.: Безопасность и надежность элект-
роснабжения горнорудных предприятий
Днепропетровск: Днепропетровск, горн,
ин-т, 1982, с. 234-235.
20.	Вильгейм Р, Уотерс М. Заземле-
ние нейтрали в высоковольтных систе-
мах М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959
415 с.
21.	Назаров В.В. Исследование и раз-
работка автоматических устройств для
повышения надежности и электро безо-
пасности некомпенсированных сетей
«• Энерп^1^52и;то™“’
екС
честно, 1977, № 3, с. 38-43.
*4- Сирота И.М. Влияние режимов
нейтрали в сетях 6-35 кВ на условия
безопасности. - В кн.: Режимы нейтра-
ли в электрических системах. Киев-
Наук, думка, 1974, с. 84-103.
25.	Беляков Н.Н. Исследование пере-
напряжений при дуговых замыканиях
на землю в сетях с изолированной
нейтралью. - Электричество, 1957, № 5
с. 31-36.
26.	Беляков Н.Н. Перенапряжения от
заземляющих дуг в сетях с активным
сопротивлением в нейтрали. -Тр.ВНИИ-
электроэнергетики, 1961, вып.П, с. 84-
101.
27.	Сирота И.М., Ягудаев Б.М., Наза-
ров В.В. Перенапряжения при дуговых
однофазных замыканиях и режимы ней-
трали в некомпенсированных сетях 3-
7 -10 кВ. - В кн.: Электробезопасность на
горнорудных предприятиях черной ме-
таллургии СССР: Тез. Докл. ПВВсесоюз.
науч.-техн. конф. Днепропетровск, 1979,
с. 130-132.
28.	Назаров В.В., Ягудаев Б.М. Ре-
жим нейтрали - важнейший фактор по-
вышения электробезопасности и надеж-
ности распределительных сетейЗ-ЮкВ,-
В кн.: Электробезопасность на открытых
и подземных горных работах: Тез. докл.
Ill Всесоюз. науч.-техн. конф. Днеп-
ропетровск: 1982, с. 112-115.
29.	Шуцкий В.И., Ягудаев Б.М.. Наза-
ров ВЛ. Критерии оптимизации режим»
изолированной нейтрали сетей 6-°
горных предприятий. Электр 
1984, №9, с. 11-17.
30.	Bloomquilt W.C.. Omen KJ..^
och R.L. High resistance grounded power
systems - why not. Pt 1-3. -bit 1 i
Conf. Rec Annu. Pulp, and ftp. tad.
Techn. Conf.. Vancouver. 1975. N.T..
1975.54-62.
31.	Bridger B. High-resistance groun
ding. - IEEE Trans. Industry AppL. 1’»».
vol. 1A-19.N1.P-15-21.
32.	Fox F.K. McClung L.B.. Whitting-
ton В. nt Ground fault test, on high ml-
stance grounded 13i kV electrical dis-
, UJJ°" ',УЯМП of mo<Inn UtK' chemi-
“‘-P’ V 7 IEEE Tra“- “““У Appl.,
1974. vol.IA-lO.NS. p.581-417
33.	Wanygary N.. Moffatt ». Hight
resistance downing and selective ground
fault protection for major mdustnal fad-
Шу - In: 30th Annu. Petrol, and Chem.
ndustr. Conf..	(co)) п и
1983 N.Y..1983, p. 69-77.
34-Яемеш M„ BtK.apy Д.. Ap„.
огаин 111. Коэффициент перенапряжений
при однофазном замыкания а расяреде-
лителыгых сетях с нейтрали), заземлен-
ной через ограничительный резистор. -
Энергетика (СРР), 1982, № 1. 13-16.
3S.	Лихачев ФА. Коммутационные
перенапряжения в трехфазных сетях
с малыми емкостными токами замыка-
ния иа землю. - Электр, станции, 1958,
№1, с 57-62.
36.	Ковалев Г.Ф. О смещении ней-
трали. - Электр, станции, 1962, №6,
с. 59-61.
37.	Алексеев В.Г., Дунайцев С.Г.,
Зихерман М.Х., Ильин В.И. Исследо-
вание режимов работы трансформато-
ров напряжения контроля изоляции
в сетях 6-10 кВ. - Электр, станции,
1980, №1, с. 56-59.
38.	Сирота И.М. Фсррорезонансныс
процессы в электрических некомпен-
сированных сетях. - В кн.: Режимы
нейтрали в электрических распредели-
тельных сетях напряжением до 36 кВ:
Тез. докл. науч.-техн. конф. Киев: 1980,
с. 28-31.
39.	Сирота И.М. Трансформаторы и
фильтры напряжения и тоука нулевой
последовательности. Киев: Наук, думка,
1983.267 с.
40.	Долгинов А.И. Техника высоких
напряжений s электроэнергетике. М..
Энергия, 1968. 464 с.
41	А. с. 1026173 (СССР). Способ
—хлх=йЗ
18-21 • Опубл, в Б.И., 1983, №-4.
42.	Сирота И.М. Зашита от замыка-
ний на землю в электрических снеге-
Кие.: Изд-во АН УССР. 1955.
20 43 ДуЬр" Л-Е- Фиксация дуговых
замыканий на землю в cent с изолт
ро.анной нейтралью. -Им- вузов. Энер-
гетика. 1977. № Ю. с. 32-36.
133
44.	Айдаров Ф.А., Савицкий В Н.
Особенности функционирования направ-
ленных зашит нулевой последователь-
ности при дуговых замыканиях фазы
на землю в сетях 6-10 кВ. - Пром,
энергетика, 1982, № 12, с. 27-30.
45.	Вайнштейн Р.А., Головко С И.
О гармоническом составе токов нуле-
вой последовательности в сетях с ком-
пенсацией емкостных токов при за-
мыканиях на землю через перемежа-
ющуюся дугу. - Изв. вузов. Энерге-
тика, 1978, № 12.
46.	А. с. 425259 (СССР). Направ-
ленное реле для защиты от замыка-
ний на землю / Сирота И.М., Маслян-
ник В.В., Ссрвули С.А. Заявл. 21-02.72,
№ 1751167 / 24-7; Опубл, в Б.И., 1974,
№ 15.
47.	Дударев Л.Е. Централизованное
устройство селективной сигнализации
замыканий фазы на землю в сельских
воздушных сетях 6-10 кВ. - Пром,
энергетика, 1982, № 4, с. 36-38.
48.	Бухтояров В.Ф. Новые устрой-
ства для защиты от замыканий на зем-
лю в электрических сетях 6-10 кВ
угольных резервов: (Обзор). М.:
ЦНИИЭУголь, 1976.30 с.
J 49. Электробезопасность на откры-
тых горных работах / Шуцкий В.И.,
Маврицын А.М., Сидоров А.И., Ситчи-
хин Ю.В. М.:. Недра, 1983. 191 с.
50.	Чернобровое Н.В. Релейная за-
шита. М.: Энергия, 1966. 266 с.
51.	Ягудаев Б.М. Исследование и
разработка критериев оценки электро-
безопасности в сетях горных предприя-
тий с быстродействующей защитной
аппаратурой напряжением 1,14-10 кВ:
Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.:
Ин-т горн, дела им. А.А. Скочинского,
1974, 17 с.
52.	Жидков В.О. Исследование пара-
метров и характеристик однофазного
замыкания в карьерных сетях напряже-
нием 6 кВ и разработка комбинирован-
ной системы защиты: Автореф. дис. ...
тех. наук. М.: Моск. горн, ин-т, 1976.
17 с.
- 53. А. с. 734572 (СССР). Устройство
для определения поврежденной фазы
сети / Сирота И.М., Антонов В.Ф., Ягуда-
ев Б.М. и др. Заявл. 30.03.78, № 2513577;
Опубл, в Б.И., 1980, № 18-
54.	А. с. 964554 (СССР). Способ
определения поврежденной фазы в эле-
ктрической сети с изолированной ней-
тралью / Антонов В.Ф., Ягудаев Б.М.,
Назаров В.В. и др. Заявл. 09.03.81,
№ 3256524; Опубл, в Б.И., 1982, № 37.
55.	А. с. 904074 (СССР). Устройство
для определения поврежденной фазы
сети / Антонов В.Ф., Сирота ИМ.,
Назаров В.В., Ягудаев Б.М., Зорин Ю.И.
Заявл. 07.03.79, №2733799; Опубл, в
Б.И., 1982, №5.
56.	Методика определения экономи-
ческой эффективности использования
в угольной промышленности новой тех-
ники, изобретений и рационализаторских
предложений. М.: ЦНИИЭУголь, 1979.
121 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.........
Глава 1	..................... •».
’"мыканиями и. 1СМЛ„
зксвл^атации^РР^уХ™™' “ У'’°”“И б“ол>а|»т и над^о'сп,'
':
систем электроснабжения 6-10 кВ e™” " no‘lp™a'M°c™ элементов
Основные ,.р,™,иь1 аварийных ОТклЮ,с„„Я „ „ростое, " — — ”
Роль режима нейтрали в обеспечении условий надежной и безопасной
эксплуатации высоковольтных электросистем	^опасной
Автоматические защитные устройства в системе обеспечения’ электро-
безопасности и надежности электроснабжения при замыканиях на землю
2.
4.
5.
6.
Глава 2
3
5
7
10
13
14
19
Критерии и методы оптимизации режима изолированной нейтрали электро-
систем 6-10 кВ.........................................................20
1.	Факторы выбора и критерии оптимизации режима нейтрали распредели-
тельных сетей 6 -10 кВ ............................................... _
2.	Влияние резистора в нейтрали на токи поражения человека при непос-
редственном прикосновении к токоведущей части электроустановки .... 22
3.	Влияние резистора в нейтрали на напряжения прикосновения и шага.... 25
4.	Влияние резистора в нейтрали на уровни перенапряжений при замыкани-
ях на землю в воздушных и кабельных сетях ............................29
5.	Условия возникновения феррорезонанса в сети с высокоомным резис-
тором в нейтрали......................................................34
6.	Экспериментальная и аналитическая оценка условий ложных (нсселек-
тивных) срабатываний зашит от замыканий на землю......................38
7.	Условия обеспечения селективности защиты от замыканий на землю .... 50
8.	Оптимизация режима нейтрали и рекомендуемые значения высокоомных
резисторов ...........................................................
оптимизации режим! изолированной нейтрали высоковольтных
Г2К рииетора в схемы еп.'включеккя . нейтраль................. .
2.	ОсновныетРебовавия к устройству с высокоомным резистором в ней-
то ал и карьерных сетей 6-10 кВ......-...........................
3	Конструкция высокоомного резистора нейтрали................
4.	У^Хво и монтаж резисторов в карьерных сетях................
56
57
58
135
Глава 4
Защита от замыканий на землю в распределительных сетях 6-10 кВ с высо-
коомным резистором в нейтрали..........................................
1.	Влияние зашиты от однофазных замыканий на землю на условия безо-
пасности и надежности................................................~
2.	Токи и напряжения нулевой последовательности при замыканиях на землю
в сети с высокоомным резистором в нейтрали..........................61
3.	Классификация селективных устройств защиты и общие требования к ним . 67
4.	Выбор принципа построения измерительного органа защиты............74
5.	Устройство непрерывного профилактического контроля изоляции при-
соединений сети.....................................................83
6.	Устройство централизованной защиты от замыканий на землю..........84
Глава 5
Устройства автоматического защитного шунтирования места повреждения
как средства повышения надежности электроснабжения при замыканиях
на землю..............................................................88
1.	Остаточное напряжение на поврежденной фазе и ток через место повреж-
дения в сети с защитным закорачиванием на землю..................... -
2.	Основные требования к устройствам автоматического защитного шун-
тирования места повреждения ........................................93
3.	Структура зашиты с закорачиванием на землю поврежденной фазы сети . . 95
4. Быстродействующий тиристорный короткозамыкатель....................96
5.	Основы построения устройств для определения поврежденной фазы сети . . 98
6.	Экспериментальные исследования устройства, реагирующего на разность
абсолютных значений фазных напряжений................................113
7.	Схема управления устройством защитного закорачивания на землю пов-
режденной фазы ......................................................120
Глава 6
Технико-экономическая оценка оптимизации режима изолированной ней-
трали и средств борьбы с замыканиями на землю в карьерных сетях 6-10 кВ .124
1. Оценка народнохозяйственного ущерба от неселективных действий ре-
лейной защиты и многоместных повреждений	в	сети................... -
2.	Экономическая эффективность оптимизации режима нейтрали..........128
Заключение...........................................................130
Литература...........................................................132
Виктор Иванович Серов, Виталий Иванович Щ у ц к и Й, Борис Михайлович Я г у д а
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА БОРЬБЫ С ЗАМЫКАНИЯМИ НА ЗЕМЛЮ
В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМАХ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Утверждено к печати
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени
Институтом горного дела им. АЛ. Скочинского
Редактор издательства Л.Ф Данкова. Художник И р Ибрагимов
ХудожестаеикыЯ редактор Н.Н Вяасик ТехкияескиЯ редактор О В. Аредова
Корректор Г.В. Дубовицкая	* ^рсииви
Набор выполнен в издательстве на наборнопечатающих автоматах
ИБ № 28976
Подписано к печати 08.05 85. Т - 10730. Формат 60 X 90 1/1 a
_	„ п г,	'* °• ьУмага для глубокой печати
Гарнитура Пресс-Роман. Печать офсетная. Усллечл. 8.5, Усллср-<>тт «7 Уч и,„ „ о а
Тираж 1350 экз. Тип.зак. 318. Цена 1 р. 40 к.	«-кр.-отт. 8,7. Уч.-издл. 9.6
Ордена Трудового Красного Знамени издательство "Наука"
1 I 7864 ГСП-7, Москва В-485, Профсоюзная ул., д. 90
Ордена Трудового Красного Знамени 1 -я типография издательства "Have»”
199034, Ленинград В-34, 9-я линия, 12	льстпа наука