3. Защита от замыканий на землю

3.1. Защита от замыканий на землю в сети с заземленной нейтралью

3.1.1. Общие сведенья

Для защиты от замыканий на землю применяется защита реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности.

Необходимость специальной защиты от замыканий на землю:

1. данный вид повреждений является преобладающим;

2. защита включаемая на ток и напряжение нулевой последовательности осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с токовыми защитами, реагирующими на полные токи фаз.

Существуют следующие разновидности защиты нулевой последовательности: токовые максимальные защиты и отсечки: простые и направленные.

3.1.2. Токи и напряжения нулевой последовательности

Самостоятельная работа студентов.

3.1.3. МТЗ нулевой последовательности

3.1.3.1. Схема и принцип действия

Схема защиты представлена на рис. 40. Токовое реле КА0 включается на фильтр токов нулевой последовательности. Ток в реле: .

Рис. 40.

Рекомендуемые материалы

Защита работает только при однофазных и двухфазных замыканиях на землю. При междуфазных КЗ, при нагрузке и качаниях защита не действует, следовательно не требуется отстраивать её от токов нормального режима и перегрузок, что позволяет обеспечить высокую чувствительность.

В нулевом проводе протекает ток небаланса, обусловленный погрешностями трансформаторов тока, который может вызвать неоправданное действие защиты.

3.1.3.2. Ток небаланса

Если учесть токи намагничивания трансформаторов тока, то ток в реле:

Ток небаланса равен геометрической сумме намагничивающих токов трансформаторов тока. Она не равна нулю, т.к. токи намагничивания имеют несинусоидальную форму и различаются по величине и фазе вследствие нелинейности и не идентичности характеристик намагничивания и неравенства в величине вторичных нагрузок трансформаторов тока различных фаз.

Для ограничения тока небаланса необходимо работать в не насыщенной части характеристики намагничивания и иметь одинаковые токи намагничивания во всех фазах. Для этого:

1. трансформаторы тока должны удовлетворять условию 10% погрешности при максимальном значении тока трехфазного КЗ в начале следующего участка;

2. трансформаторы тока должны иметь совпадающие характеристики намагничивания во всех трех фазах;

3. трансформаторы тока должны иметь одинаковые нагрузки вторичных цепей во всех фазах.

Необходимо учитывать, что в переходных процессах под влиянием апериодических токов КЗ токи намагничивания и ток небаланса I_нб значительно возрастают, особенно для защит работающих без выдержки времени.

Чтобы исключить действие защиты от токов небаланса, величину тока срабатывания реле выбирают больше тока небаланса: .

3.1.3.3. Уставки защиты

Время действия защиты выбирается по ступенчатому принципу. Минимальная выдержка времени устанавливается на защите, ближайшей к сети с изолированной нейтралью. (См. рис. 41.)

,

где:     Dt – ступень селективности.

Рис. 41.

Ток срабатывания выбирается из двух условий:

1. надежное действие защиты при КЗ в конце следующего (2-го) участка  ;

2. отстройка от токов небаланса  .

Опыт эксплуатации показывает, что определяющим является второе условие, таким образом:

где:     =1,3-1,5.

Максимальный ток небаланса I_{нб.макс.} рассчитывается для нормального режима, или для режима КЗ, в зависимости от выдержки времени защиты.

Если t₀>t_м.ф. выдержка времени земляной защиты больше выдержке времени междуфазных защит установленных на следующем участке, то I_с.з. отстраивается только от тока небаланса в нормальном режиме. Поскольку междуфазные КЗ отключаются быстрее, чем может подействовать защита нулевой последовательности. Ток I_нб. в нормальном режиме обычно определяется измерением. У трансформаторов тока с вторичным номинальным током I_2.ном.=5 А, I_нб. =0,01-0,2 А.

Исходя их этого ток срабатывания защиты выбирается равным I_с.з. =0,5-1 А или 10-20% от I_ном.ТА.

Если t₀<t_м.ф. – защита отстраивается от I_{нб.макс.} при трехфазных КЗ в начале следующего участка. Отстройка ведется от максимального I_{нб.макс.} при установившемся режиме, поскольку защита действует с выдержкой времени от 0,5 с. и больше.

По данным опыта эксплуатации при правильно выбранных трансформаторах тока и их равномерной нагрузке ток срабатывания реле составляет I_с.р. =2-4 А. (вторичный ток срабатывания).

где:     k_одн =0,5-1 - коэффициент однотипности;

            f_i=0,1 - погрешность трансформаторов тока.

             - максимальное значение тока трехфазного КЗ при повреждении в начале следующего участка.

Чувствительность защиты

где:      - минимальный ток нулевой последовательности при однофазном или двухфазном КЗ не землю в конце второго участка.

Если в сети, где установлена защита возможна работа какой-либо линии на двух фазах (во время действия ОАПВ) ток срабатывания защиты нужно дополнительно отстроить от оков нулевой последовательности 3I₀, появляющихся в указанном режиме, или принять выдержки времени защиты больше t_ОАПВ..

3.1.4. Токовая направленная защита нулевой последовательности

3.1.4.1. Схема и принцип действия

В сетях с заземленными нулевыми точками, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка сети, селективное действие МТЗНП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности (см. рис. 42.).

Рис. 42.

Выдержки времени на защитах, действующих при одном направлении мощности, подбираются по ступенчатому принципу.

Схема защиты представлена на рис. 43. Защита состоит из токового реле КА0, реле мощности KW0, реле времени КТ. Пусковое реле и токовая обмотка реле KW0 включаются в нулевой провод трансформаторов тока, на ток 3I₀, а обмотка напряжения KW0 питается напряжением 3U₀ от обмотки разомкнутого треугольника трансформатора напряжения. При таком включении реле реагирует на мощность нулевой последовательности: .

где:      - угол сдвига фаз между U₀ и I₀.

Рис. 43.

3.1.4.2. Условия работы реле мощности

Однофазное КЗ

Режим однофазного КЗ на линии рассмотрен на рис. 44.

Выводы по рисунку:

1. В поврежденной фазе А, под действием Е_А проходит ток КЗ I_A=I_K. Примем r_сети=0, тогда I_A отстает от Е_А на 90°.

2. Токи в неповрежденных фазах I_B и I_c=0.

3. Напряжение поврежденной фазы А относительно земли в точке К U_AK=0.

4. Напряжения неповрежденных фаз U_B=E_B, U_C=E_C.

5. .

6. Ток I_0K опережает U_0K на 90°.

7. Векторная диаграмма в точке Р, удаленной от места КЗ отличается от предыдущего случая величиной U_A и U₀. Напряжение поврежденной фазы U_AP¹0. Оно равно падению напряжения на сопротивлении x_(P-K) , U_AP=jI_0K x_(P-K) .

8. .

Рис. 44.

Двухфазное КЗ на землю

Режим двухфазного КЗ на линии рассмотрен на рис. 45.

Выводы по рисунку:

1. Напряжение в неповрежденной фазе U_A=E_A. В поврежденных фазах под действием Е_В и Е_С протекают токи I_B и I_C. Каждый из этих токов состоит из двух составляющих (см. рис. 45. а)). Одна составляющая замыкается по контуру поврежденных фаз В и С и обусловлена разностью ЭДС Е_В–Е_С, а вторая проходит по контуру: поврежденная фаза-земля, под действием Е_В и Е_С соответственно. Результирующие токи I_B и I_C в отличие от токов при двухфазном КЗ без земли сдвинуты между собой на угол q меньший 180°.

2. .

3. Диаграмма для точки Р, находящейся на удалении от места КЗ отличается тем, что напряжение поврежденных фаз U_BP и U_CP >0. .

4. Ток I₀ опережает U_0K и U_0P на j_0K. Если не учитывать активного сопротивления, то j_0K=90°.

Рис. 45.

Векторные диаграммы позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Угол сдвига j_Р=j₀ равен 90°. При учете активного сопротивления сети j₀ возрастает до 100-120°. Следовательно для направленной защиты нулевой последовательности необходимо применять реле мощности синусного типа, имеющие максимальный момент в диапазоне значений j_Р =90-120°. Нашей промышленностью выпускаются реле РБМ-177 и РБМ-178  a=–20°; j_м.ч.= a–90°=–20°–90°=–110° (jм.ч_.=180–110+70°) – при принятом на заводе обозначении.

2. Ток 3I₀ при однофазном КЗ равен фазному току КЗ I_K, а при двухфазном КЗ с землей – геометрической сумме токов поврежденных фаз, т.е. току КЗ проходящему через землю.

3. Напряжение 3U₀ имеет наибольшее значение (равное фазному) в месте КЗ. По мере удаления напряжение 3U₀ уменьшается. Следовательно ухудшаются условия работы реле мощности. Для расширения зоны действия защиты нулевой последовательности необходимы высокочувствительные реле мощности.

4. При положительном  угол  отрицателен. Т.е. мощность S₀ и мощность КЗ в поврежденной фазе S_K имеют противоположные знаки.

При однофазном КЗ на линии мощность КЗ в фазе имеет положительный знак и направлена от шин к месту КЗ. Мощность же нулевой последовательности отрицательна, направлена от места КЗ к нулевой точке трансформатора. Поэтому обмотки напряжения и тока реле мощности нулевой последовательности должны включаться разноименной полярностью.

Рис. 46.

3.1.4.3. Уставки направленной защиты

Ток срабатывания пускового реле выбирается также, как и у ненаправленной защиты нулевой последовательности.

Чувствительность пусковых реле проверяется при КЗ в конце второго участка:

        

Чувствительность реле мощности проверяется дополнительно на длинных линиях при КЗ в конце зоны защиты:

        

где:   S_p.мин – мощность на зажимах реле в режиме, когда U₀ и I₀ минимальны.

Выдержки времени выбираются по встречно-ступенчатому принципу.

3.1.5. Отсечки нулевой последовательности

3.1.5.1. Разновидности отсечек

Для ускорения отключения КЗ на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью применяются отсечки, реагирующие на ток нулевой последовательности.

Отсечки нулевой последовательности выполняются:

1. простыми токовыми, или направленными;

2. мгновенными, или с выдержкой времени.

3.1.5.2. Токовые ненаправленные отсечки

Применяются на линиях с односторонним питанием места КЗ токами нулевой последовательности I₀, т.е. там, где заземленные нейтрали трансформаторов расположены с одной стороны линии. (См. рис. 47.а))

Рис. 47.

Мгновенные отсечки – отстраиваются от тока 3I_0макс при КЗ на землю на шинах противоположной подстанции (точка К1).

Отсечки с выдержкой времени – отстраиваются по току и времени от мгновенной отсечки нулевой последовательности КА03 следующей линии. Ток 3I₀ в отсечках 2 и 3 при КЗ на w2 в точке К2 одинаков. Данное условие диктуется условием селективности.

Выдержка времени: .

Зона действия отсечек может быть определена графически, как изображено на рис. 47. б).

Схемы отсечек – аналогичны схеме токовой защиты нулевой последовательности, но у мгновенной отсечки нет реле времени.

Ненаправленные отсечки применяются и в сети, имеющей заземленные нейтрали с обеих сторон защищаемой линии. (См. рис. 48.)

Рис. 48.

Ток срабатывания защиты I_с.з.А отстраивается от токов 3I₀, проходящих через защиту как и при КЗ на шинах противоположной подстанции, так и при КЗ на шинах подстанции А, где установлена отсечка.

Если 3I’_0К2макс > 3I_0К1макс, то, для повышения чувствительности допускается отстраивать защиту от тока 3I_0К2ном тока КЗ нулевой последовательности не максимального, а длительного режима.

Если 3I_0К2>>3I_0К1, то чувствительность, как правило, оказывается недостаточной, применяют направленную отсечку.

3.1.5.3. Токовые направленные отсечки

Чаще всего в сети, имеющей заземленные нейтрали с обеих сторон защищаемой линии применяют направленные отсечки нулевой последовательности. Их схемы аналогичны токовым с добавлением органа направления мощности, блокирующего защиту при КЗ на шинах п/ст А (см. рис. 48.), когда мощность нулевой последовательности S_0K2 направлена от шин подстанции (ранее показано), в этом случае отпадает необходимость отстройки защиты от тока 3I_0К2.

Ток срабатывания мгновенной направленной отсечки выбирается так, чтобы она не действовала при КЗ за шинами противоположной подстанции В.

где:     k_н – коэффициент надежности =1,2-1,3 для реле типа РТ-40 и 1,4-1,5 для реле РТ-80,90.

Вычисление токов срабатывания мгновенных отсечек на параллельных линиях имеет ряд особенностей. Вообще, расчет токов однофазных замыканий можно найти в соответствующей литературе: «Токовые защиты нулевой последовательности от замыканий на землю» из серии «Руководящие указания по релейной защите».

Ток срабатывания направленной отсечки с выдержкой времени

Рис. 49.

Защита отстраивается от тока I_0расч при КЗ в конце зоны действия мгновенной защиты КА02, установленной на линии w2.

3.1.6. Ступенчатая защита нулевой последовательности

Наибольшее распространение в сетях с глухозаземленной нейтралью получила ступенчатая защита нулевой последовательности токовая и направленная. Наиболее полноценной является трехступенчатая защита, состоящая из мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и максимальной защиты нулевой последовательности (см. рис. 50.).

Рис. 50.

В защиту входят:

         1-ая ступень – мгновенная токовая отсечка на реле КА2.

         2-ая ступень – с выдержкой времени 0,4-0,6 с. отстраивается от мгновенной отсечки следующего участка – пусковое токовое реле КА3 и реле времени КТ5.

         3-я ступень – для резервирования защиты следующих участков, построено на токовом реле КА4 и реле времени КТ6.

Для отстройки первой ступени защиты от разрядников выбирается промежуточное реле с временем срабатывания 0,03-0,06 с.

Реле мощности KW1 – общее для всех ступеней. Накладки SX используются для выведения ступеней защиты из работы.

Конструктивное выполнение устройства

Трехступенчатая токовая направленная защиты нулевой последовательности выполнена единым комплектом КЗ 15. Данный комплект предназначен для применения в схемах РЗ на постоянном оперативном токе напряжением 110 и 220 В.

Таблица 3.

3.1.7. Питание поляризующей обмотки реле мощности нулевой последовательности от трансформаторов тока

Данный способ питания поляризующей обмотки реле мощности представлен на рис. 51.

Обмотка напряжения реле мощности KW0 питается от трансформатора тока, установленного в заземляющий провод силового трансформатора. При замыкании на землю ток нулевой последовательности 3I₀ в заземляющем проводе всегда направлен в одну сторону, направление же тока в защищаемой линии зависит от положения точки повреждения.

При КЗ на защищаемой линии угол j_Р между токами I₀^I_0К1 =180° - при этом контакты реле мощности должны замыкаться.

В случае КЗ на землю вне зоны j_Р =0.

Для данного способа питания поляризующей обмотки применяют реле косинусного или смешанного типа. Рекомендуется использовать специальное реле РБМ-272, имеющее две токовые обмотку. j_м.ч. такого реле =0.

Подобные схемы применяются в тех случаях, когда на п/ст отсутствует трансформатор напряжения или его установка нецелесообразна.

Рис. 51.

3.1.8. Оценка земляных защит

Выше рассмотренные защиты нулевой последовательности получили широкое распространение в сетях 110-500 кВ.

Достоинства:

1. простота схемы;

2. высокая надежность, подтвержденная опытом эксплуатации;

3. пусковой орган имеет высокую чувствительность, т.к. его не нужно отстраивать от токов нагрузки;

4. в благоприятных условиях работает и орган направления мощности. При близких КЗ реле мощности получает большое напряжение U₀ и работает очень надежно. Угол сдвига j_Р между U_Р и I_Р, подводимых к KW0 всегда близок к оптимальному.

Недостатки:

1. реагирует на токи в неполнофазном режиме;

2. может ложно работать при обрыве фазы во вторичной цепи трансформатора тока.

3.2. Защита от замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью

3.2.1. Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

В сетях с изолированной нейтралью или с заземленной через дугогасящую катушку замыкание на землю одной фазы не вызывает короткого замыкания и не сопровождается поэтому снижением междуфазных напряжением и появлением повышенных токов в сети. (см. рис. 52.)

Рис. 52.

При металлическом замыкании на землю фазы А, её напряжение относительно земли снижается до нуля (U_A=0). Напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного. Напряжение нейтрали: . Междуфазные напряжения между проводами фаз остаются неизменными.

В месте повреждения К проходят токи, замыкающиеся через емкость сети. Ток I_З зависит от напряжения сети и емкости фаз  и может быть подсчитан по формуле:

где:     L – общая протяженность одной фазы сети;

            С_уд – емкость 1 км. фазы сети относительно земли.

Емкость фаз относительно земли в воздушных сетях значительно меньше, чем в кабельных. Так, например, ток замыкания на землю на каждые 100 км. сети напряжением 6 кВ примерно составляет 1,5 А для воздушных и 80 А для кабельных линий при сечении кабелей 95 мм².

3.2.2. Основные требования к защите

Поскольку междуфазные напряжения при замыкании на землю остаются неизменными и ток замыкания на землю имеет небольшое значение, однофазные замыкания на землю в сети с изолированными нулевыми точками трансформаторов и генераторов непосредственной опасности для потребителей не представляют. Поэтому быстрого отключения, как правило, не требуется. (Если это не противоречит техники безопасности.)

Однако, повышение фазных напряжений неповрежденных фаз в 1,73 раза может вызвать перекрытие или пробой изоляции на второй фазе, что приведет к образованию двойного замыкания на землю, т.е. двухфазному КЗ.

Длительное прохождение тока однофазного замыкания на землю в месте замыкания также может привести к повреждению изоляции и возникновению междуфазного КЗ. Поэтому чрезмерно длительная работа сети с однофазным замыканием на землю недопустима, и поврежденный участок должен быть выявлен и отключен. (По правилам технической эксплуатации в течение 2-х часов.)

Исходя из вышеизложенного принято выполнять защиту от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью с действием на сигнал. Персонал переключает потребитель на другую линию и отключает поврежденную.

Однако опыт эксплуатации на многих электростанциях и подстанциях показал, что, зачастую, однофазные замыкания на землю сопровождаются значительно большими перенапряжением неповрежденных фаз чем в 1,73 раза, причем, зачастую, в совершенно удаленных от места КЗ участках сети. Перенапряжения приводят к перекрытию изоляции, особенно состаренной тяжелыми условиями эксплуатации кабельных линий систем собственных нужд КЭС. Через доли секунды однофазное замыкание переходит в двойное, или трехфазное, возникает аварийная ситуация. Защита с действием на сигнал явно в этом случае неэффективна.

Наблюдались тяжелые аварии – например на ТрГРЭС – однофазное замыкание привело к трехфазному, пришлось останавливать блок.

Из статистических данных повреждений в системе СН ТрГРЭС видно, что после внедрения земляных защит электродвигателей 6 кВ с действием на отключение, почти в 3 раза уменьшилось количество случаев перехода замыканий на землю в междуфазные КЗ.

Перенапряжения объясняются тем, что при однофазных замыканиях в сети образуются колебательные контура – емкость – индуктивность. Как следствие, возможность резонанса.

Поэтому на станциях и подстанциях, где столкнулись с этой проблемой пришлось устанавливать более совершенную защиту, действующую на отключение. Она должна быть селективной и иметь высокую чувствительность, так как токи, на которые должна реагировать защита, очень малы (5-10 А). Эти защиты дороги, но её приходится применять там, где необходимо. К сожалению, методик точного расчета, для выявления будут ли перенапряжения в проектируемой сети не разработано до сих пор. Ведутся работы в некоторых институтах. В предлагающихся программах расчета на ЭВМ сети СН КЭС представлены в трехфазном виде. Учитываются кроме активных сопротивлений индуктивности и емкости – взаимные и собственные кабельных линий. Расчет ведется по классическому методу – решение системы диф. уравнений 2-го порядка. Так как в системы СН входит много элементов, этот метод требует значительных машинных ресурсов.

3.2.3. Устройство общей неселективной сигнализации от замыкания на землю

Рис. 53.

При появлении «земли» обе схемы дают сигнал, а затем дежурный поочередным отключением присоединений определяет поврежденный элемент.

Такой примитивный способ применяется в основном на небольших подстанциях и при неразветвленной сети.

На электростанциях и подстанциях с большим количеством линий такой способ не обеспечивает достаточно быстрого отключения поврежденной линии.

3.2.4. Устройство селективной сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ

На каждой линии устанавливается индивидуальная селективная сигнализация однофазных замыканий.

Рис. 54.

Ток срабатывания реле индивидуальной сигнализации должен удовлетворять условиям селективности и чувствительности. Сигнализация не должна работать от тока небаланса при максимальном токе нагрузке линии I_{нб.макс}, а также емкостного тока линии при замыкании на землю на другой линии (см. рис. 55.)

Рис. 55.

,

где:     I_с.соб. – собственный емкостной ток линии при однофазном замыкании на землю на другой линии;

            k_н – коэффициент отстройки, = 4-5.

Сигнализация должна удовлетворять коэффициенту чувствительности k_ч = 1,25 – для кабельных линий и 1,5 – для воздушных линий.

Для повышения чувствительности используется кабельный трансформатор тока с кольцевым сердечником.

Для селективной сигнализации используются устройства УСЗ 2/2, УСЗ-3М и УСЗ-3 – в кабельных сетях 6-10 кВ. Они реагируют на содержание всех высших гармонических составляющих в токе нулевой последовательности. Высшие гармонические содержаться в токе и при нормальном режиме, и обусловлены

несинусоидальным характером кривых ЭДС генераторов и токами намагничивания силовых трансформаторов.

При возникновении однофазного замыкания на землю содержание высших гармонических в сети резко увеличивается, причем содержание высших гармонических в токе нулевой последовательности поврежденной линии во много раз больше, чем в токах нулевой последовательности неповрежденных линий. Это наблюдается как в сети с изолированной, так и в сети с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

Рассмотрим принципиальную схему устройства сигнализации УСЗ-2/2.

Рис. 56

Устройство содержит согласующий трансформатор Т, измерительную, логическую и исполнительную части. Для защиты устройства от пиковых напряжений при двойных замыканиях на землю установлен разрядник FV.

Согласующий трансформатор Т - служит для согласования работы устройства с различными типами трансформаторов тока нулевой последовательности.

Измерительная часть – определяет наличие высших гармоник в установившемся токе нулевой последовательности. Она состоит из фильтра L-C1 настроенного на резонансную частоту 50 Гц, конденсатора С3, резисторов R1, R12-R14 и выпрямителя VC. Конденсатор отфильтровывает высшие гармонические составляющие частотой 2 кГц и выше. Таким образом, выпрямленное напряжение на выходе измерительной части оказывается пропорциональным содержащимся в токе нулевой последовательности всем высшим гармоническим частотой более 50 Гц, но менее 2 кГц. Это напряжение подается на вход логической части (базу VT1). Резисторы R1, R12-R14 служат для дискретного регулирования тока срабатывания – 25-250 А.

Логическая часть схемы предназначена для определения наличия повреждения на данном присоединении. Она пропускает или не пропускает в исполнительное устройство сигнал от ИО в зависимости от его величины, длительности и характера.

Работа схемы

При поданном напряжении питания и отсутствии сигнала VT1 открыт, благодаря наличию напряжения смещения на его базе. На базу VT2 подается потенциал, обусловленный падением напряжения перехода эмиттер-коллектор VT1, превышающий потенциал эмиттера VT2. Последний остается закрытым и через реле К протекает ток покоя I_K0 VT2 реле К не работает.

При появлении сигнала от ИО VT1 закрывается. После закрытия VT1 VT2 остается закрытым в течение времени, определяемого временем заряда С2 до напряжения, равного падению напряжения на резисторе R4. Затем VT2 начинает открываться. Время задержки, определяемое постоянной времени контура R3- С2 составляет примерно 50 мс, что достаточно для правильного поведения устройства при переходных процессах и перемежающейся[1] дуге. При открытии транзистора VT2 срабатывает выходное реле К, которое своим размыкающим контактом обеспечивает зажигание тиратрона VL. Замыкающий контакт реле К может использоваться в цепях внешней сигнализации.

После устранения повреждения на рассматриваемом присоединении VT1 открывается, VT2 закрывается и реле К возвращается в исходное состояние. Тиратрон VL горит до момента квитирования его кнопкой SB.

3.2.5. Токовые защиты, реагирующие на емкостной ток сети и на искусственно созданные токи нулевой последовательности

3.2.5.1. Принципы выполнения

В качестве селективных защит от замыканий на землю, отключающих поврежденный участок, применяются токовые и направленные защиты, реагирующие на ток и мощность нулевой последовательности.

Для обеспечения селективной работы защиты используется различие в величине и направлении токов, появляющихся при замыкании на землю на поврежденном и неповрежденных присоединениях (см. рис. 55.). Реагируя на это различие, защита должна действовать только на поврежденном присоединении и не работать на неповрежденных присоединениях.

Однако токи, возникающие при замыканиях на землю на поврежденных и неповрежденных элементах, особенно в компенсированной сети обладают недостаточно четкими и устойчивыми различиями, в связи с чем создание селективной защиты – сложная задача.

В некомпенсированных сетях наиболее часто применяют токовые защиты, реагирующие на емкостной ток сети I_0С. Но это оказывается возможным только при большом числе присоединений, когда суммарный емкостной ток сети на много больше превосходит емкостной ток каждого присоединения (см рис. 55.).

В компенсированных сетях емкостной ток основной частоты 50 Гц компенсируется током дугогасящей катушки. В связи с этим для действия защиты в компенсированной сети приходится создавать ток искусственным путем или использовать остаточные некомпенсированные токи или применять защиты, реагирующие на токи и напряжения возникающие в переходном режиме в первый момент повреждения.

3.2.5.2. Способы получения искусственного тока

1. Включение активного сопротивления параллельно дугогасящей катушке.

Если ток I_0L = I_0C (см рис. 57.), то I_З = 0 – сеть работает в режиме с полной компенсацией.

Рис. 57.

При наличии активного сопротивления: , даже, если 3I_0L – 3I_0C =0, то I_З ¹ 0.

Активный ток, проходит по поврежденной линии к месту замыкания и используется для действия защиты.

Данный способ требует высоковольтного сопротивления и вспомогательной аппаратуры (для его последующего отключения), появление активного тока в месте замыкания на землю ухудшает условия гашения дуги и способствует развитию повреждения. В нашей стране этот способ не нашел широкого применения.

2. Работа в режиме с постоянной перекомпенсацией.

В этом случае ток ДГК I_0L > I_0C. Избыточный ток 3I_0L – 3I_0C имеет индуктивный характер и используется для действия защиты.

Для сети 6-10 кВ избыточный ток не должен превышать 25-15 А – ограничение по условию гашения дуги и предупреждения развития повреждения.

Расстройка компенсации, хотя бы в ограниченных пределах, ухудшает условия работы сети и поэтому не является желательным способом.

3. Наложение на ток повреждения тока непромышленной частоты.

Ток частотой 100 или 25 Гц, подаваемый от специального источника в цепь ДГК используется для реагирования защиты.

Частота 100 или 26 Гц выбрана на основе имеющихся данных о том, что эти гармоники в естественном емкостном токе отсутствуют. На этом основана селективность защиты, исключающая работу защит всех присоединений кроме поврежденного. Защита обладает высокой чувствительностью, для её действия достаточен ток 3-5 А. Такой ток не ухудшает условий компенсации.

Последний способ рекомендован к применению.

3.2.5.3. Токовая защита, реагирующая на полный ток нулевой последовательности

Защита предназначена для радиальных сетей. В некомпенсированной сети она реагирует на естественный емкостной ток, а в компенсированной, действует от остаточного тока перекомпенсации.

Для обеспечения необходимой чувствительности при малых значениях тока повреждения используются полупроводниковые реле тока нулевой последовательности РТ№-50 и РТЗ-51.

Также, для обеспечения чувствительности используются специальные трансформаторы тока нулевой последовательности особой конструкции. Схемы токовых цепей защиты представлены на рис. 58.

Рис. 58.

В трехтрансформатороном фильтре ток 3I₀ получается суммированием вторичных токов трех фаз: 3I₀ = I_a+I_b+I_c.

В однотрансформатороном фильтре, выполняемом с помощью трансформатора нулевой последовательности, ток 3I₀ получается магнитным суммированием первичных токов трех фаз: 3I₀ = I_A+I_B+I_C.

Указанное принципиальное различие в способе суммирования порождает существенные различия в чувствительности защит с фильтрами тока нулевой последовательности первого и второго типа.

Недостатки защиты с трехтрансформаторным фильтром, снижающие её чувствительность:

1. Коэффициент трансформации трансформатора тока, выбираемый по нагрузке линии, получается большим, вследствие чего вторичные токи при замыкании на землю имеют весьма малую величину. Для примера: n_Т=800/5 I_з=20 А I₂=0,124 А.

2. Токовые реле, реагирующие на столь малые токи, имеют большое число витков и значительное сопротивление (30-40 Ом). Такое сопротивление соизмеримо с сопротивлением намагничивания трансформатора тока z’_нам. Вследствие этого значительная часть тока повреждения отсасывается в трансформаторы тока неповрежденных фаз и теряется на намагничивание трансформатора тока поврежденной фазы, при этом в реле попадает лишь 50-60% вторичного тока замыкания на землю.

3. Токовое реле не должны действовать от токов небаланса, возникающих при нагрузке и междуфазных КЗ. I_с.з.>I_нб. В трехтрансформатороном фильтре ток небаланса равен сумме намагничивающих токов трансформаторов тока, образующих фильтр, и имеет величину, соизмеримую с величиной вторичного тока напряжения.

Защита с трансформаторами тока нулевой последовательности (ТНП) получается значительно чувствительнее. Главное преимущество ТНП: значительно меньший небаланс и возможность подбора числа витков вторичной обмотки из условия наибольшей чувствительности защиты без каких-либо ограничений по нагрузке.

ТНП позволяет обеспечить действие защиты при первичных токах 3-5 А, а при сочетании ТНП с полупроводниковыми высокочувствительными реле – 1-2 А.

Схема защиты с ТНП основная для сети с малым током замыкания на землю.

Схема с трехтрансформаторным фильтром применяется в воздушных сетях 35 кВ, для которых ТНП ещё не получили распространения.

Опыт эксплуатации показал, что токовое реле КА0 может неправильно работать на неповрежденных линиях в первый момент повреждения под влиянием бросков токов, появляющихся в неустановившимся режиме. Исключить ложную работу реле можно тремя способами:

1. загрублением защиты по току срабатывания;

2. введением выдержки времени;

3. применением фильтра, не пропускающего в реле тки высших частот, составляющих значительную долю в токе неустановившегося режима.

Обычно применяют 2 и 3 способ, который позволяет реагировать на кратковременные замыкания на землю.

3.2.5.4. Принцип работы и устройство трансформатора нулевой последовательности

Если Ф_рез¹0, то во вторичной обмотке появляется ЭДС Е₂, обуславливающая ток в реле.

Ф_рез=k3I₀ – пропорционален составляющей тока нулевой последовательности. Ток в реле появляется только при замыканиях на землю. В режиме перегрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без земли) сумма токов фаз равна нулю и ток в реле отсутствует.

Для получения максимальной чувствительности защиты, сопротивление обмотки реле должно равняться сопротивлению ТНП.

Для защиты линий ТНП выполняется пока только кабельного типа. При необходимости осуществления защиты воздушных линий, делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП.

Через оболочку кабелей (стальная броня, свинец) могут проходить токи I_бр замыкающиеся через землю. (Появляются при близких сварочных работах, близких замыканиях на землю.) Чтобы защита не действовала ложно на участке близ ТНП броня изолируется. Заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. Магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются.

3.2.5.5. Реле тока нулевой последовательности РТЗ-51

Рис. 61.

Реле имеет шесть диапазонов срабатывания по току от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата реле не менее 0,93. Питание цепей оперативного тока осуществляется переменным напряжением 100 В (зажимы 8-10) или постоянного напряжения 110 и 220 В (зажимы 6-10 и 12-10). Потребляемая мощность питания на постоянном оперативном токе 10 Вт, на переменном 5 ВА.

Схема реле состоит из входного трансформатора ТА1, преобразующей части, сравнивающей части и исполнительного органа. Трансформатор тока ТА1 нагружен на резисторы R2-R7, которые служат для дискретной регулировки тока срабатывания. Диоды VD1-VD4 ограничивают уровень входного сигнала.

Преобразующая часть представляет собой настроенный на номинальную частоту сети 50 Гц активный фильтр, выполненный на операционном усилителе А1.

Сравнивающая часть состоит из порогового элемента, выполненного на ОУ А2, времяизмерительной цепи VD5, R15, R16, C8 и триггера Шмидта, построенного на ОУ А3.

При поданном на реле напряжении питания, когда воздействующая величина превышает порог срабатывания элемента А2, конденсатор C8 заряжается или разряжается в зависимости от полярности выходного сигнала элемента А2. Постоянные времени заряда и разряда выбираются такими, чтобы схема срабатывала при определенном значении входного сигнала. Если соотношение интервалов времени, в течение которых входная воздействующая величина больше или меньше установленного порога, превышает заданное значение, конденсатор C8 заряжается до уровня, достаточного для срабатывания триггера. При этом открывается транзистор VT1 и срабатывает выходное реле KL1.

Для питания ОУ в схеме реле применен параметрический стабилизатор, состоящий из резистора К26 и стабилитронов VD11, VD12. Параметрический стабилизатор обеспечивает питание операционных усилителей напряжением ±15 В.

3.2.5.6. Ток срабатывания токовой защиты

Для обеспечения селективного действия защиты на линии w1 необходимо отстроить её ток срабатывания от емкостного тока, проходящего по защищаемой линии w1 при замыкании на землю на других присоединениях.

Рис. 62.

Если емкость фазы защищаемой линии C_w, то емкостной ток в защите при внешнем замыкании:

.

При перемежающейся дуге в месте повреждения возможны броски емкостного тока в 4-5 раз превышающие его установившееся значение. Исходя их этого, первичный ток срабатывания защиты принимают равным:

,

где:     k_б – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока –4-5. При наличии выдержки времени k_б » 2-3;

            k_н – коэффициент надежности –1,1-1,2.

Выбранный таким образом ток срабатывания всегда надежно отстроен и от токов небаланса, возникающих в ТНП не только при нагрузке, но и при междуфазных КЗ.

3.2.5.7. Чувствительность защиты

Чувствительность защиты при замыканиях на землю на защищаемой линии проверяется по отношению токов, протекающих через ТНП поврежденной линии, к току срабатывания защиты:

(для кабельных ¸ для воздушных линий).

Вследствие сложности вычисления вторичного тока ТНП по первичному, реле регулируются на заданный ток срабатывания подачей тока в первичную цепь.

3.2.5.8. Оценка токовой защиты

Чувствительность токовой защиты ограничивается необходимостью её отстройки от бросков емкостного тока при замыканиях на землю на других линиях.

В результате этого недостаточная чувствительность токовых защит, реагирующих на емкостной ток сети, особенно проявляется на подстанциях с малым числом линий, а также в компенсированных сетях с малым остаточным током.

3.2.6. Направленная защита, реагирующая на емкостной ток сети и на искусственно созданные токи нулевой последовательности

3.2.6.1. Необходимость направленной защиты

В радиальных сетях, когда собственные емкостные токи отдельных присоединений велики и соизмеримы с полным емкостным током сети, токовая защита неприменима. В таком случае используется направленная защита, которую не требуется отстраивать от собственных емкостных токов защищаемой линии.

3.2.6.2. Принцип выполнения

Направленная защита состоит из одного реле мощности, которое включается на ток и напряжение нулевой последовательности.

Рис. 63

В некомпенсированной сети защита реагирует на мощность нулевой последовательности, создаваемую емкостным током линии.

Направление тока, а следовательно и мощности на поврежденной и неповрежденных линиях противоположны.

Учитывая, что емкостной ток I₀ сдвинут относительно напряжения на 90°, применяют реле мощности синусного типа, реагирующее на мощность:

В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока, направленная защита неприменима, так как реактивный ток, протекающий в поврежденной линии, и емкостной ток в неповрежденной имеют одинаковое направление.

Реле мощности могут использоваться лишь в тех случаях, когда для действия защиты создается активный ток искусственным путем. В этом случае должны применяться реле мощности косинусного типа. Возможно также использовать активную составляющую тока замыкания на землю, которая обуславливается активным сопротивлением дугогосящей катушки и сопротивлением, определяющим активные потери в сети. Эта составляющая достигает 5% тока катушки. Активный ток катушки замыкается только по поврежденному присоединению, на него и должна реагировать защита.

3.2.6.3. Параметры срабатывания направленной защиты

Для обеспечения селективности реле мощности направленной защиты должны отстраиваться от тока и напряжения небаланса, обусловленного нагрузкой, протекающей по данной линии.

3.2.6.4. Направленная защита нулевой последовательности типа ЗЗП-1

Чебоксарский электроаппаратный завод выпускает направленную защиту нулевой последовательности от замыканий на землю типа ЗЗП-1 на полупроводниковой элементной базе.

Параметры реле: Напряжение сети 2-10 кВ; ток замыкания на землю от 0,2 до 20 А. Защита имеет малую потребляемую мощность и реагирует на ток замыкания составляющий от 0,07 до 2 А. Принципиальная схема защиты представлена на рис. 64. а).

Рис. 64.

Защита состоит из вторичного измерительного преобразователя тока нулевой последовательности в виде промежуточного трансформатора TLA, нагруженного конденсатором С6 (согласующие устройство), двухкаскадного избирательного усилителя переменного тока на транзисторах VT1 и VT2, схемы сравнения фаз на транзисторах VT3 и VT4 двух электрических величин, пропорциональных току 3I₀ и напряжению 3U₀ нулевой последовательности, и реагирующего элемента ЕА.

Согласующее устройство преобразует ток 3I₀ в напряжение (на конденсаторе С6), сдвинутое по фазе на угол p/2 относительно тока нулевой последовательности. Позволяет изменять ток срабатывания защиты (изменением числа витков обмотки трансформатора) и обеспечивает термическую стойкость защиты при двойных замыканиях на землю (разрядник VF).

Двухкаскадный усилитель переменного тока выделяет и усиливает составляющую промышленной частоты выходного напряжения согласующего устройства. Для этой цели на выходе усилителя включен резонансный контур С2–TL, с частотой f₀=50 Гц.

Схема сравнения осуществляет сравнение фаз двух синусоидальных величин: напряжения U_б вторичной обмотки трансформатора TL, пропорционального току нулевой последовательности 3I₀ и смещенного по фазе относительно него на угол p/2 и напряжения U_К автотрансформатора TLV, пропорционального напряжению нулевой последовательности 3U₀. Сравнивается время совпадения t_C их мгновенных значений по знаку с установленным временем t_У. Реагирующий элемент ЕА срабатывает при t_C³ t_У.

Реагирующий элемент ЕА - поляризованное реле.

Рассмотрим работу реле

Рекомендуем посмотреть лекцию "Нехимические формы психических зависимостей".

1. При замыкании на защищаемой линии (векторная диаграмма рис. 64. б)) сравниваемые напряжения U_б и U_К совпадают по фазе.

2. Ситуация на неповрежденной линии (векторная диаграмма рис. 64. в)). Ток 3I_0Л направлен к шинам, а сравниваемые защитой напряжения смещены по фазе на угол p.

Из этого следует, что защита срабатывает, имея максимальную чувствительность, если угол сдвига j между U_б и U_К равен нулю и не действует при j=p.

Зона срабатывания - – p/2 £ j £ p/2.

---

[1] чередующейся