СтОБ

СтОБ: Система токовой отсечки и блокировки. Принцип действия, конструкция, применение и технические характеристики

СтОБ, или Система Токовой Отсечки и Блокировки, представляет собой комплексное релейное защитное устройство, предназначенное для обеспечения селективной и быстродействующей защиты воздушных и кабельных линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 6-10 кВ в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью. Основное функциональное назначение СтОБ – защита от междуфазных коротких замыканий (КЗ) с использованием принципа абсолютной селективности по току и времени, что исключает ложные срабатывания при повреждениях на смежных участках сети.

Принцип действия и логика работы

Принцип действия СтОБ основан на сравнении величины и направления тока в начале защищаемой линии с током в ее конце. Система является двухсторонней, то есть для ее функционирования требуется установка аппаратуры на обоих концах линии (СтОБ-1 и СтОБ-2), связанных между собой каналом связи – высокочастотным (ВЧ) по фазным проводам, по оптоволоконному каналу (ОВК) или по проводному каналу управления.

Логика работы заключается в следующем: при возникновении КЗ на защищаемой линии устройства на обоих концах фиксируют протекание сверхтока. Если направление тока на обоих концах линии ориентировано внутрь защищаемого участка (признак внутреннего повреждения), происходит обмен сигналами блокировки. При совпадении условий с обоих концов сигнал блокировки не формируется, что приводит к немедленному отключению выключателей с обоих концов линии. Если КЗ происходит вне защищаемой зоны (например, на смежном участке), то на одном из концов линии ток будет направлен от шин (наружу), и этот терминал сформирует сигнал блокировки, который по каналу связи поступит на противоположный терминал, запретив отключение. Таким образом, защита срабатывает только при внутренних повреждениях, оставаясь абсолютно нечувствительной к внешним КЗ, что и обеспечивает ее селективность.

Конструктивное исполнение и состав системы

Современные системы СтОБ выполняются в виде микропроцессорных терминалов релейной защиты. В классическом комплекте система включает:

• Два идентичных защитных терминала (СтОБ-1 и СтОБ-2), устанавливаемых на противоположных концах ЛЭП. Каждый терминал содержит:
  • Аналоговые входы для подключения трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН).
  • Дискретные (бинарные) входы для сигналов от внешних устройств (сигнализация, блокировки).
  • Выходные реле для отключения выключателя, сигнализации и др.
  • Процессорный модуль с алгоритмами защиты и логики.
  • Модуль связи для организации канала с противоположным терминалом (ВЧ, ОВК, проводной).
  • Интерфейс для локального управления и связи с АСУ ТП (RS-485, Ethernet).
• Канал связи между терминалами. Наиболее традиционным, но морально устаревающим является высокочастотный канал, использующий фазу линии как проводник для ВЧ-сигналов. Современные решения базируются на оптоволоконных каналах связи, проложенных в грозотросе или в составе ОКГТ, что обеспечивает высокую помехозащищенность и скорость обмена данными.
• Сопрягающие и согласующие устройства: для ВЧ-канала – конденсаторы связи, высокочастотные заградители, фильтры присоединения; для ОВК – оптические приемопередатчики (оптические модемы).

Основные функции и характеристики

Помимо основной функции – токовой направленной отсечки с блокировкой по каналу связи, современные терминалы СтОБ реализуют комплекс дополнительных защит и функций:

• Токовая отсечка с пуском по каналу (основная функция). Быстродействие: время срабатывания, как правило, не превышает 20-40 мс (в зависимости от типа терминала и задержек в канале связи).
• Резервные защиты: МТЗ (максимальная токовая защита) с выдержкой времени, иногда с возможностью направления; токовая отсечка без выдержки времени (как локальная защита).
• Защита от замыканий на землю (ЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью (токовая или направленная).
• Автоматическое повторное включение (АПВ) линии, часто с контролем синхронизма и напряжения.
• Функции телеуправления, телесигнализации и телеизмерения в рамках АСУ ТП.
• Регистрация аварийных событий (осциллографирование) и ведение журнала событий.

Область применения и схемы включения

Системы СтОБ применяются преимущественно на ответственных линиях 6-10 кВ, где требуется обеспечить быстрое и селективное отключение КЗ для поддержания устойчивости работы энергосистемы, минимизации ущерба от аварий и снижения термического воздействия на оборудование. Типичные объекты применения:

• Связи между распределительными устройствами (РУ) одной или разных подстанций.
• Вводы от генераторов собственных нужд электростанций.
• Линии, питающие крупные промышленные предприятия или районы с высокой плотностью нагрузки.
• Линии в разомкнутых кольцевых сетях, где селективность обычных МТЗ обеспечить сложно.

Схема включения предполагает подключение цепей тока от ТТ всех трех фаз, установленных на защищаемой линии. Цепи напряжения могут подключаться от ТН шин (для определения направления) или, в упрощенных схемах, не использоваться, если направление определяется по сдвигу фаз между токами (для междуфазных КЗ).

Сравнение с другими видами защит линий 6-10 кВ

Тип защиты	Принцип селективности	Быстродействие	Селективность	Стоимость и сложность	Основной недостаток
СтОБ	Абсолютная, по направлению тока с блокировкой по каналу связи	Очень высокое (20-40 мс)	Абсолютная (не зависит от токов КЗ)	Высокая (требует двух терминалов и канала связи)	Зависимость от исправности канала связи
МТЗ с выдержкой времени	Временная (ступени времени)	Низкое (0.3-1.2 с и более)	Относительная, может быть недостаточной в сложных сетях	Низкая	Большое время отключения КЗ вблизи источника питания
Токовая отсечка (без направления)	По величине тока (ток срабатывания отстраивается от тока КЗ в конце линии)	Очень высокое (20-60 мс)	Отсутствует на части линии (зона нечувствительности в конце)	Очень низкая	Не защищает всю длину линии (есть «мертвая зона»)
Дифференциальная защита (ДЗЛ)	По сравнению токов начала и конца линии (векторная сумма)	Очень высокое (20-30 мс)	Абсолютная	Очень высокая (требует синхронизации данных и высокоскоростного канала)	Высокая стоимость, сложность наладки, требования к каналу

Требования к каналам связи для СтОБ

Надежность канала связи является критическим параметром для работы СтОБ. Основные требования и варианты реализации:

• Высокочастотный (ВЧ) канал по ЛЭП: Использует полосу частот 40-500 кГц. Требует установки заградителей, конденсаторов связи и фильтров. Чувствителен к помехам, качеству линии, разрядам. Время передачи сигнала – единицы миллисекунд.
• Оптоволоконный канал связи (ОВК): Современный стандарт. Использует волокна, встроенные в грозозащитный трос (ОКГТ) или проложенные отдельно. Обеспечивает высокую скорость, помехозащищенность и широкую полосу пропускания. Требует установки оптических модемов (преобразователей).
• Проводной канал (по выделенным медным/оптическим линиям): Применяется реже, при небольшом расстоянии между терминалами и наличии готовой инфраструктуры.

При пропадании канала связи логика современных терминалов автоматически переводит основную защиту СтОБ в режим резервной МТЗ с выдержкой времени, чтобы не оставлять линию без защиты, хотя и с потерей быстродействия и селективности.

Наладка, испытания и эксплуатация

Ввод в работу системы СтОБ требует проведения комплекса наладочных работ:

• Проверка правильности монтажа и подключения цепей ТТ, ТН, оперативного тока.
• Проверка и настройка параметров канала связи (уровни сигналов, затухание для ВЧ-канала; мощность оптического сигнала для ОВК).
• Комплексные испытания с подачей токов и напряжений от релейных испытательных комплексов для проверки:
  • Порогов срабатывания и возврата токовых органов.
  • Правильности определения направления мощности.
  • Логики формирования и приема сигналов блокировки/разрешения на отключение при моделировании внутренних и внешних КЗ.
  • Координации работы с АПВ и другими устройствами.
• Проверка времени срабатывания защиты в полном объеме.

В эксплуатации требуется периодический контроль состояния канала связи, проверка целостности ВЧ-тракта или оптического волокна, анализ регистрируемых событий.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ) по системам СтОБ

В чем ключевое отличие СтОБ от простой токовой отсечки?

Простая токовая отсечка срабатывает при превышении тока уставки, которая отстраивается от максимального тока КЗ в конце защищаемой зоны. Это создает «мертвую зону» в конце линии, которую отсечка не защищает. СтОБ, используя информацию о направлении тока и канал связи, срабатывает при любом внутреннем КЗ по всей длине линии, не имея нечувствительной зоны, и не срабатывает при внешних КЗ, обеспечивая полную селективность.

Что происходит с защитой СтОБ при повреждении канала связи?

Современные микропроцессорные терминалы имеют встроенную логику контроля целостности канала связи. При его повреждении или пропадании основная функция СтОБ (быстрая отсечка) автоматически блокируется, а линия остается под защитой резервных органов – обычно это МТЗ с выдержкой времени, которая встроена в тот же терминал. Таким образом, защита переходит в менее селективный, но гарантированно работающий режим. При восстановлении канала защита автоматически возвращается в основной режим.

Можно ли использовать СтОБ в радиальных сетях (с односторонним питанием)?

Нет, классическая СтОБ предназначена для линий с двусторонним питанием, где возможно протекание тока КЗ в обоих направлениях. В радиальной линии, питаемой только с одного конца, направление тока при любом КЗ будет одним и тем же – от шин к линии. Для таких линий применяются защиты, не требующие канала связи: МТЗ, комбинированные отсечки, иногда – дифференциальные защиты с光纤 каналом, если линия критически важна.

Каковы типичные уставки по току срабатывания для органа пуска СтОБ?

Ток срабатывания пускового органа (органа, который инициирует анализ направления и обмен сигналами) должен быть отстроен от максимального рабочего тока линии и от максимального тока небаланса при внешних КЗ. Обычно уставка выбирается в диапазоне 1.5-2.5 от номинального тока линии. Более точно расчет ведется по формулам, учитывающим коэффициенты отстройки (Kотс) и возврата (Kв), а также возможные перегрузки.

СтОБ защищает от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сетях 6-10 кВ?

Классическая функция СтОБ предназначена для междуфазных КЗ. Однако большинство современных микропроцессорных терминалов, реализующих функцию СтОБ, имеют в своем составе отдельный орган для защиты от ОЗЗ. Это может быть токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП) или направленная защита нулевой последовательности (НТЗНП). Их настройка и работа логически независимы от основной функции СтОБ, но выполняются в одном аппаратном корпусе.

Что предпочтительнее сегодня: СтОБ с ВЧ-каналом или на основе оптоволокна?

Для вновь проектируемых линий и при модернизации безусловным стандартом становятся системы на основе оптоволоконных каналов связи (ОВК). Преимущества ОВК: высокая помехозащищенность, невосприимчивость к электромагнитным помехам, большая пропускная способность, возможность организации нескольких каналов для разных систем (защита, телемеханика, связь), меньшие эксплуатационные затраты. ВЧ-каналы актуальны при модернизации старых схем, где уже существует развитая инфраструктура ВЧ-заградителей и фильтров, или при отсутствии возможности прокладки ОВК.

Как обеспечивается селективность СтОБ при каскадном соединении нескольких линий?

Селективность СтОБ абсолютна для своей зоны (линии). Каждая линия, оборудованная своей парой терминалов СтОБ, защищается независимо. При КЗ на любой из линий сработает только защита этой конкретной линии, так как для смежных линий это повреждение будет внешним, и их защиты получат сигнал блокировки. Таким образом, системы СтОБ на разных линиях не требуют временной или другой координации между собой, что является их главным преимуществом в сетях сложной конфигурации.