Защиты от замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью

Как правило, такие защиты на линиях действуют на сигнал, однако, применение таких защит целесообразно, так как место замыкания на землю нужно отыскать и устранить по возможности быстро, так как упавший провод опасен для окружающих. В ряде случаев защита двигателей и генераторов при токе замыкания на землю более 5 А должна действовать на отключение.

Существенным осложнением является то, что ток замыкания на землю имеет очень малую величину. Эта величина мала по сравнению с небалансом в нулевом проводе трансформаторов тока, поэтому в нулевой провод защиту от замыкании на землю не включают, для подключения защиты используют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТЗ - с неразъёмным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки; ТЗЛ и ТЗР - с разъёмным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки) и к ним подключают защиты от замыканий на землю. Защиту можно выполнить только при наличии кабельного вывода из ячейки. Если вывод воздушный, или линия напряжением 35 кВ защиту подключить нельзя. Конструкция кабельного ТНП показана на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Трансформатор тока нулевой последовательности:

а - устройство; в - установка ТНП на кабеле;1 - магнитопровод; 2 - обмотка; 3 - трёхфазный силовой кабель

Магнитопровод 1, собранный из листов трансформаторной стати, имеет обычно форму кольца или прямоугольника, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20-30. Токи фаз I_А, I_В, I_С создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки Ф_А, Ф_B, Ф_С, которые, складываясь, образуют результирующий поток:

Фрез.=Ф_А,+Ф_B+Ф_С (8.18)

Так как сумма токов I_А+I_В + I_С = 3I₀, то можно сказать, что результирующий поток,

создаваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока нулевой последовательности:

Фрез.= k3I₀(8.19)

Поток Фрез., а следовательно, вторичная ЭДС Е₂ и вторичный ток I₂могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, проходящие через ТНП, содержат составляющую I₀. Поэтому, ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трёхфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз I _А + I_B + I_C = 0, и поэтому, ток в реле отсутствует (Фрез. =0).

Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз со вторичной обмоткой различны, несмотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Ф_рез-Ф_неб), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток небаланса (Iнб). ТНП имеют малую мощность, поэтому, как правило, значительная часть тока уходит на ток намагничивания. Это приводит к необходимости применять реле с очень малым потреблением или условия, при которых отдача мощности от ТТ будет максимальной.

Дня получения наибольшей мощности от ТНП, а следовательно, и максимальной чувствительности реле, питающихся от ТНП, сопротивление обмотки реле Z_p должно равняться сопротивлению ТНП. Пренебрегая сопротивлением вторичной обмотки Z₂ получаем Z_THП = Z_HAM , и тогда условие отдачи максимальной мощности можно выразить равенством Z_p = Z_HAM. При выполнении этого условия вторичный ток, поступающий и реле, и ток намагничивания оказываются одинаковыми I_р =I_нам. Отсюда следует, что погрешность ТНП достигает примерно 50%. При такой большой погрешности нельзя вычислять вторичный ток по первичному, пользуясь коэффициентом трансформации к=w2/w1. Поэтому чувствительность защиты, включённой на ТНП, оценивается по значению первичного тока, при котором обеспечивается действие защиты. В ряде случаев она должна быть на уровне долей одного ампера. При малых значениях 3I₀ ТНП работает в начальной части характеристики намагничивания, при которой МДС, созданная одновитковым ТНП, очень мала. Таким образом, для обеспечения необходимой чувствительности кроме конструктивных улучшений ТНП требуется применение высокочувствительных измерительных органов (ИО).

ИО устройства МПС РЗиА имеют высокую чувствительность и малое потребление (УЗА-10 I_ср = 0,05 A, S = 0,01ВА). Это позволяет не обязательно добиваться наивысшей отдачи от трансформатора тока. Первичный ток срабатывания защиты целесообразно проверять опытным путем, подачей тока в провод, пропущенный через окно ТНП.

Для сетей с изолированной нейтралью применяют токовую защиту очень высокой чувствительности или направленную защиту нулевой последовательности.

При выборе уставок защиты от замыканий на землю, где отсутствует компенсация, необходимо определить расчётом суммарный ток замыкания на землю и токи замыкания на землю конкретного фидера:

I_ср = k_н I_зз (8-20)

где k_н - коэффициент надёжности принимается равным 1,5; I_зз - ёмкостной ток замыкания на землю конкретного фидера.

Проверяется чувствительность защиты по общему току замыкания на землю сети, за вычетом тока замыкания на землю данного фидера:

k_ч =3 I_0сети/ I_ср; k_ч>2. (8.21)

В настоящее время в России и за рубежом используют (начинают осваивать) режим заземления нейтрали через резистор. В России применяют резистор 100 Ом. Активный ток замыкания на землю с таким резистором равен 60 А в сети 10 кВ и 36 А в сети 6 кВ. Такого тока вполне достаточно для обеспечения чёткой и селективной работы токовой защиты нулевой последовательности, в том числе и при её включении в нулевой провод фазных трансформаторов тока. В таких условиях защита от замыкания на землю должна работать на отключение.