Защиты от замыканий на землю

В сетях с заземленной нейтралью замыкание одной или двух фаз на землю является коротким замыканием. Такие сети называют сетями с большим током замыкания на землю, в них наибольшее распространение получила защита, реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности. Ее достоинствами является относительная простота и то, что она не реагирует на токи нагрузки, т. е. ее не нужно отстраивать от токов нормального режима и перегрузок и можно выполнить более чувствительной, чем защиты, реагирующие на фазные токи.

Токи нулевой последовательности при замыканиях на землю появляются в сети, где трансформаторы имеют заземленную нейтраль, при чем через обмотки трансформатора, если они не имеют заземленных нулевых точек, ток нулевой последовательности со стороны одного напряжения на сторону другого напряжения не проходит. Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны линии, то при замыкании на землю ток нулевой последовательности проходит на участке между местом повреждения и заземленной нейтралью. В этом случае используется максимальная токовая защита нулевой последовательности.

Ток срабатывания реле выбирается по условию

, (1)

где — коэффициент запаса, равный 1 ,З—I ,5; — максимальное значение тока небаланса в реле, определяемое неидентичностью характеристик трансформаторов тока в нормальном режиме или режиме к.з.

В нормальном режиме ток небаланса находят измерением. Ток срабатывания защиты вычисляют как произведение тока срабатывания реле на коэффициент трансформации трансформатора тока. Если линия делится на участки выключателями, то время срабатывания защиты нулевой последовательности на каждом из них выбирают как для максимальных токовых защит.

К сети с большими токами замыкания на землю может подключено несколько трансформаторов с заземленными нейтралями. Ток нулевой последовательности разветвляется от места повреждения между нейтралями обратно пропорционально сопротивлениям их ветвей. Селективное действие защиты от замыканий на землю в этом случае обеспечивается максимальной направленной защитой нулевой последовательности. Такая защита выполняется с одним реле тока и одним реле направления мощности.

Для ускорения отключения замыканий на землю могут применять токовые отсечки нулевой последовательности. Принцип действия их такой же, что и токовых отсечек, реагирующих на фазные токи.

Защиты нулевой последовательности широко используются в сет 110 кВ и выше.

В сетях с изолированной нейтралью замыкание на. фазы не вызывает короткого замыкания. Такие сети называются сетями с малым током замыкания на землю. Рассмотрим векторные диаграммы сети с изолированной нейтралью (рис. 1, а и б), полагая для упрощения, что нагрузка линии отключена, а распределенные емкости фаз заменены сосредоточенными С_А, С_В ,С_с В нормальном режиме напряжения фаз А, В и С по отношению к земле равны , , . Эти напряжения образуют симметричную звезду, поэтому напряжение - нейтрали N относительно земли равно нулю. Фазные напряжения вызывают протекание токов через емкости С_А, С_В ,С_с. Векторы этих токов опережают векторы соответствующих напряжений на 90° (рис. 1, б). Обычно принимают, что емкости С_А, С_В ,С_с

Рис. 1. Схемы и векторные диаграммы, соответствующие

замыканию сети с изолированной нейтралью на землю

фаз относительно земли одинаковы и равны С. Это сопротивление во много раз больше активного и индуктивного сопротивлений линии, поэтому при вычислении токов, протекающих через емкости фаз, последним пренебрегают.

Ток замыкания на землю, как правило, невелик. Тем не менее длительное протекание этого тока в месте повреждения может нарушить изоляцию и замыкание на землю перерастет в междуфазное к.з. Кроме. того, возрастание напряжения неповрежденных фаз относительно земли в раз, которым сопровождается замыкание на землю, увеличивает вероятность повреждения междуфазовой изоляции и появления двойных замыканий на землю (замыкание на землю различных фаз в разных точках сети). В последнем случае напряжения прикосновения достигают недопустимых по условиям электробезопасности значений. Поэтому ток замыкания на землю в сетях 6, 10 и 35 кВ не должен превышать соответственно 30, 20 и 10 А. Если ток замыкания на землю превышает указанные величины, то нейтраль N трансформатора заземляется через дугогасящую катушку (индуктивность), что ведет к снижению емкостного тока.

При малых (5 А и менее) токах замыкания на землю допускается в течение некоторого времени не отключать поврежденную линию, за исключением ряда сетей (например, на торфоразработках, а также линий продольного электроснабжения, прокладываемых по опорам контактной сети), где по условиям электробезопасности или безопасности движения поездов все однофазные замыкания должны немедленно отключаться.

Замыкание на землю может быть глухим, однако, чаще всего оно происходит через значительное переходное сопротивление. В последнем случае напряжение поврежденной фазы до нуля не снижается, а в не- поврежденных фазах оно возрастает менее чем в раз. Поэтому в таком режиме напряжение нулевой последовательности имеет величину меньше фазного напряжения.

В установившемся режиме ток замыкания на землю содержит высшие гармоники из-за несинусоидальности фазных токов, вызванной токами намагничивания трансформаторов и нелинейной нагрузкой.

При замыкании фазы на землю возникает переходной процесс, связанный с волновым характером разряда емкости поврежденной фазы и заряда емкости поврежденных фаз, при этом возникают высокочастотные составляющие. Если замыкание носит перемежающийся характер (дуга в месте повреждения то зажигается, то гаснет), могут возникать значительные перенапряжения, опасные для изоляции сети и потребителей.

Поскольку ток как правило, значительно меньше токов между фазных коротких замыканий и даже меньше токов нормального режима, то максимальные токовые защиты к току’ оказываются нечувствительными. для контроля за наличием замыкания одной фазы на землю Применяют неселективную сигнализацию, а для защиты используют токовую защиту нулевой последовательности, направленную токовую защиту нулевой последовательности и ряд других менее распространенных защит.

Сигнализацию о замыкании одной фазы на землю можно осуществить с помощью реле напряжения, подключенного к трансформаторному фильтру напряжений нулевой последовательности. Такая сигнализация является неселективной, т. е. она не в состоянии определить, на какой из подключенных к шинам линий п изошло замыкание на землю. Можно также использовать напряжения, включаемые через трансформаторы напряжения на фазные напряжения по отношению к землею.

Сигнализацию о наличии замыкания на землю можно выполнить контролируя содержание высших гармоник в токе нулевой последовательности. Это осуществляется устройствами селективной сигнализации типа УСЗ (УСЗ 2/2, УСЗ-З, УСЗ-ЗМ), подключенными к выводам вторичной обмотки трансформатора тока нулевой последовательности рис.2.18 [1]. При однофазном замыкании на. высших гармоник увеличивается (по сравнению с нормальным режимом), особенно оно возрастает в токах нулевой последовательности при наличии дугогасящего реактора. Устройство УСЗ 2/2 реагирует на уровень высших гармоник в диапазоне частот 150—650 Гц, оно применяется в компенсированных сетях на головных участках линий, отходящих от шин станций и крупных подстанций. Его упрощенная схема дана на рис. 2.

Рис. 2. Схема устройства УСЗ 2/2

Устройство подключается к трансформатору тока нулевой последовательности через согласующий трансформатор TL ко вторичной об мотке которого подключены фильтр LС и конденсатор С1. Фильтр настроен на частоту 50 Гц. Поскольку сопротивление его для этой частоты очень мало, то основная гармоника замыкается через фильтр и на выпрямитель VD не проходит. Частоты выше 50 Гц и менее 2000 Гц, содержащиеся в токе нулевой последовательности, выпрямляются и выпрямленный ток, ппропорциональный величине токов высших гармоник (в указанных пределах), поступает на базу транзистора VT1. Этот транзистор нормально (т. е. при отсутствии тока в резисторе R2) открыт током базы через резистор R3, а транзистор VT2 закрыт и реле К обесточено. Контакт К1 этого реле замкнут, на тиратрон с холодным катодом VL подается отрицательный потенциал - Е_п и он не горит.

При появлении в токе нулевой последовательности высших гармоник ток в резисторе R2 увеличивается. Его направление в цепи база - эмиттер транзистора VT1 противоположно току базы, ограниченному резистором R3. Когда ток в резисторе R2 почти сравняется с величиной тока в резисторе R3, транзистор VT1 закроется и конденсатор С2 начнет заряжаться. Этот конденсатор предназначен для отстройки УСЗ от переходных режимов. Устройство не фиксирует однофазные замыкания длительностью менее 40 мс при 5-кратном токе срабатывания. Через 40— 50 мс напряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для открытия транзистора VT2. Реле К срабатывает и тиратрон VL зажигается.

При отключении линии или устранении повреждения транзистор VT1 открывается, транзистор VT2 закрывается, реле К обесточивается. Для того чтобы погасить тиратрон, надо нажать кнопку SВ. Регулировка уставки осуществляется резистором R1.

Для селективного действия защит при наличии нескольких отходящих линий используют токовую защиту от замыканий на землю, реагирующую на ток нулевой последовательности.

В качестве реле КА для защиты потокам нулевой последовательности используют реле тока РТЗ-50, РТЗ-51 с электронными усилителями. Комплектное устройство защиты типа ЯРЭ-2201 также содержат блоки чувствительных органов для той же цели, выполненные на интегральных микросхемах.

Защита, реагирующая на токи нулевой последовательности, не должна излишне срабатывать при повреждении на смежной линии. Уставка срабатывания поэтому выбирается по условию:

, (2)

где — емкостный ток при замыкании на землю, обусловленный ем костью данной (защищаемой) линии; коэффициент отстройки.

Коэффициент отстройки учитывает броски емкостного тока при переходном процессе. Он принимается равным 4—5 для защиты без выдержки времени и 2—2,5 для защиты с выдержкой времени.

Ток равен :

, (3)

где - емкость данной линии относительно земли.

В практических расчетах для воздушных и кабельных линий используют приближенную зависимость, А:

, (4)

где - линейное напряжение, кВ; — длина воздушной части линии, км; - длина кабельной части линии, км.

Чувствительность защиты проверяется по условию:

, (5)

где - ток замыкания на землю, протекающий по головному участку поврежденной линии при минимально возможном числе включенных линий, вычисляемый по формуле (4.32)[1].

Допускается ток вычислять по формуле:

, (6)

где - ток i-й неповрежденной линии, вычисляемый по формуле (4); - минимально возможное число включенных линий.

Для воздушных линий коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5, для кабельных — не менее 1,25.

При малом числе отходящих от шин линий обеспечить одновременное соблюдение условий (2) и (5) не удается.

В этом случае применяется направленная защита нулевой последовательности (рис. 3), обладающая более высокой чувствительностью и селективностью. Ее не надо отстраивать от собственных емкостных токов защищаемой линии, так как при замыкании на землю на смежной линии эти токи имеют такое направление, при котором направленное реле не срабатывает. В защите используется чувствительное полупроводниковое реле направления мощности КW типа ЗPП- 1М, которое с токовыми выводами подключается к трансформатору тока ТА нулевой последовательности. Вспомогательное устройство ВУ-1 (см. рис. 3) образует резонансный контур на 50 Гц, который предотвращает попадание в реле высших гармонических составляющих напряжения нулевой последовательности (как в нормальном режиме, так и при замыкании на землю с перемежающейся дугой), способных вызвать ложное действие защиты. В возникновения замыкания на землю возможно образование кратковременного всплеска напряжения, который опасен для реле ЗЗП-1М. По этому подключение последнего к трансформатору напряжения ТV типа производится контактами реле напряжения КV с небольшой выдержкой, равной времени срабатывания этого реле.

В разветвленных сетях с изолированной нейтралью и большой распределенной емкостью могут возникать феррорезонансные явления, сопровождающиеся внутренними перенапряжениями в трансформаторах НТМИ. Для защиты от таких перенапряжений к вторичной обмотке разомкнутого треугольника каждого трансформа тора напряжения подключен резистор R сопротивлением 25 Ом.

Рис. 3. Схема направленной защиты нулевой

Однако эта мера, оказывается недостаточной и более эффективные результаты могут быть получены, если величину этого резистора снизить до 5 Ом. Чтобы трансформатор напряжения не перегревался при таком низком значении сопротивления, его следует включать автоматически только в момент возникновения феррорезонанса и автоматически отключать при исчезновении этого явления. Новые трансформаторы типа НАМИ такой защиты от перенапряжений не требуют.

Упрощенная принципиальная схема защиты ЗЗП-1 М приведена на рис. 4. Клеммами 7, 9 защита подключена к трансформатору тока нулевой последовательности, клеммами 8, 10 - к трансформатору напряжения нулевой последовательности.

На транзисторах УТI, УТ2 выполнен усилитель переменного тока с частото-зависимой обратной связью (R7, СЗ), обеспечивающей предварительную фильтрацию составляющей тока с частотой 50 Гц. Транзисторы VT3, VT4 и диоды VD4, VD5 образуют фазочувствительный выпрямитель, нагрузкой которого является поляризованное реле КL. Переключение транзисторов VT3, VT4 осуществляется напряжением вторичной обмотки промежуточного трансформатора ТL2. Конденсатор С4 настроен в резонанс на частоту 50 Гц с индуктивностью первичной обмотки этого промежуточного трансформатора, что также обеспечивает выделение первой гармоники.

Рис. 4 Схема защиты типа ЗЗП-1 М

Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя равно , Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя равно , где — фазовый угол между напряжением и напряжением вторичной обмотки промежуточного трансформатора ТL2. В свою очередь последнее зависит от напряжения на вторичной обмотке согласующего трансформатора ТL1. Как следует из векторных диаграмм, приведенных на рис. 1, г, е, фазовый угол между током и напряжением составляет 90⁰. Это достигается тем, что согласующий трансформатор ТL1 работает в режиме, близком к холостому ходу при шунтировании его вторичной обмотки конденсатором С1.

Защита ЗЗП- 1 М предназначена для селективного отключения защищаемого присоединения при однофазных замыканиях наземлю в сетях с изолирован ной нейтралью напряжением 2—10 кВ с суммарными емкостными токами 0,2—20 А. Ток срабатывания защиты имеет три уставке 0,07; 0,5; 20 А. В комплекте защит ЯРЭ-220 1, выполненных на интегральных микросхемах, имеется блок, параметры которого близки к защите ЗЭП- 1 М.

Литература [2]