Защита от замыканий на землю в сетях с изолированной и эффективно-заземленными нейтралями

Замыкание одной фазы на землю в сети с незаземленной или резонансно-заземленной нейтралью не cопровождается протеканием больших токов. Такой режим работы сети не является нормальным, но допускается в течении двух часов, то есть не требует немедленного отключения поврежденного участка. Основная задача релейной защиты в этом случае состоит в определении момента возникновения повреждения и определении поврежденной фазы.

В течении двух часов после возникновения повреждения (однофазного замыкания на землю) оно должно быть устранено. Если это невозможно, то линию разгружают, а потребителей переводят на другой источник питания.

В месте замыкания на землю протекает емкостной ток, величина которого зависит от протяженности и разветвленности сети.

Отыскание места замыкания на землю производится с помощью общих или индивидуальных устройств сигнализации. Общая сигнализация при замыканиях на землю выполняется одним из способов, показанных на рис.36.

Наиболее простым способом является включение трех вольтметров PV на фазные напряжения (рис.36а). Такие устройства, называемые контролем изоляции, имеются на каждой электростанции и подстанции. Нормально вольтметры показывают равные по значению фазные напряжения. При глухом (металлическом) замыкании на землю одной из фаз напряжение этой фазы относительно земли станет равным нулю, а напряжения двух других фаз возрастут и станут равными междуфазному. Соответственно этому изменятся показания вольтметров. Если замыкание на землю будет не глухим, а через переходное сопротивление, то напряжение поврежденной фазы понизится, а неповрежденных фаз повысится в меньшей степени, чем в первом случае, что также отразится на показаниях вольтметров. Таким образом, изменение показаний вольтметров сигнализирует о возникновении замыкания на землю и указывает поврежденную фазу.

Иногда для получения звукового сигнала в провод, соединяющий нулевую точку вольтметров с нулевым проводом от трансформатора напряжения TV, включается указательное реле. Нормально, когда сумма фазных напряжений равна нулю, реле не работает. При замыканиях на землю напряжение нулевой точки вольтметров становится равным сумме фазных напряжений неповрежденных фаз. Под влиянием этого напряжения реле KH срабатывает и подает сигнал.

Рис.36. Устройства общей сигнализации при замыканиях на землю

Устройство по схеме рис.36б состоит из трех реле минимального напряжения KV. При замыкании на землю реле, включенное на напряжение поврежденной фазы, срабатывает и подает сигнал. Поврежденная фаза определяется по выпавшим флажкам указательных реле KH (на рис.36 не показано).

Устройство по схеме рис.36в состоит из реле напряжения КV, включенного на специальную обмотку трансформатора напряжения TV, соединенную по схеме фильтра напряжения нулевой последовательности. При возникновении замыкания на землю на специальной обмотке появляется напряжение, реле KV срабатывает и подает об­щий сигнал. По получении общего сигнала отыскание поврежденной линии производится поочередным кратковременным отключением и обратным включением линий, питающихся от шин подстанции. Поврежденная линия определяется по исчезновению сигнала «земля» в момент отключения линии. Такой способ применяется в основном на небольших подстанциях и при неразветвленной сети.

На электростанциях и подстанциях с большим количеством линий и при разветвленной сети такой способ не обеспечивает достаточно быстрого отыскания поврежденной линии. Поэтому кроме контроля изоляции устанавливается на каждой линии устанавливается селективная защита от замыканий на землю.

Рис.37. Прохождение токов замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

Так как линия является элементом сети с распределенными параметрами, то токи нулевой последовательности в различных точках сети различны (рис. 37).

Наибольшие токи поврежденной линии протекают в голове линии. В поврежденной линии течет суммарный ток, обусловленный емкостью всей сети. Направление тока у неповрежденных линий к шинам, у поврежденной от шин подстанции. Поэтому в сетях с малым током замыкания на землю можно создать защиту, реагирующую как некоторую тока, так и на его направление.

Широкое распространение получила защита, реагирующая на абсолютную величину суммарного емкостного тока (рис. 38).

Величина тока замыкания на землю в сети 6-35 кВ порядка 6-20 А. Это в десятки раз меньше номинального тока измерительного трансформатора. Поэтому обычные трансформаторы тока для защит от замыканий на землю непригодны. Используются специальные трансформаторы нулевой последовательности TAZ (рис. 39) состоящие из тороидального сердечника, на который намотана вторичная обмотка. Первичной обмоткой является кабель или кабельная вставка на воздушной линии.

Рис.38. Схема защиты реагирующей на суммарный емкостный ток

Рис.39. Конструкция трансформатора тока нулевой последовательности

В нормальном режиме работы сумма потоков фаз равна нулю.

.

При возникновении замыкания на землю суммарный магнитный поток равен сумме нескомпенсированных потоков нулевой последовательности:

.

Этот поток наводит во вторичной обмотке э.д.с., под действием которой в обмотке реле KA протекает ток, приводящий к срабатыванию защиты.

При замыкании в сети на землю токи повреждения могут замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке кабеля, в том числе и неповрежденного, что может вызвать неправильное действие защиты. Поэтому воронку и кабель на участке от трансформатора нулевой последовательности до воронки изолируют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке кабеля и пропускают через отверстие магнитопровода трансформатора нулевой последовательности в направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по броне и проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвращающимися по заземляющему проводу.

Рис.40. Схема установки трансформатора на кабеле

Чувствительность защиты характеризуется минимальным первичным током замыкания на землю. При использовании электромагнитного реле с трансформаторами тока нулевой последовательности можно выполнить защиту, действующую при минимальном первичном токе замыкания на землю I_З =5 А, поэтому эту защиту нельзя применять, например, на линиях торфоразработок.

Условия выбора тока срабатывания защиты:

,

,

где =1,1; – коэффициент, учитывающий бросок тока в первый момент времени после возникновения замыкания на землю; = 4…5, при = 0; = 2…3, при >0; – суммарный емкостной ток, протекающий через данную защиту при замыкании на землю на соседнем присоединении; - ток небаланса.

Из двух условий второе является расчетным. Если оно выполняется, то выполняется и первое.

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности:

,

где 3×I₀ – емкостной ток, протекающий через защиту при повреждении на данной линии.

Допускаются следующие значения: ³1,25 для кабельных линий; ³1,5 для воздушных линий.

Лучшие результаты обеспечиваются если защита будет направленной. Реле мощности подключается к кабельному трансформатору тока и к обмотке трансформатора напряжения, соединенной по схеме разомкнутого треугольника. При этом включение производится так, чтобы реле действовало на замыкание контактов, когда ток замыкания на землю проходит в направлении от шин подстанции в линию, что имеет место только на поврежденной линии. На неповрежденных линиях ток замыкания на землю направлен к шинам подстанции, поэтому защита на неповрежденных линиях работать не будет. Благодаря направленности действия защита этого типа не требует отстройки от собственного емкостного тока линий и поэтому, как правило, обеспечивает необходимую чувствительность.

В схемах защиты используются специальные реле мощности, которые имеют значительно меньшее потребление, чем индукционные реле мощности. Защита может применяться в некомпенсированных или не полностью компенсированных сетях. В перекомпенсированных сетях она применяться не может, так как ток замыкания на землю в таких сетях имеет одинаковое направление в поврежденной и неповрежденных линиях.

Данная защита оказывается чувствительной при емкостном токе I_С ³ 5 А. Если нейтраль трансформатора заземлена через дугогасящий реактор, то емкостной ток будет скомпенсирован индуктивным. Защита работать не будет.

В таких случаях используются защиты, реагирующие на емкостные токи переходного процесса и защиты, реагирующая на некомпенсированные токи высших гармоник.

Пробой изоляции фазы обычно происходит в момент, когда амплитуда фазного напряжения максимальна. В первый момент времени емкость поврежденной фазы разряжается на землю. Фазное напряжение уменьшается до нуля. По линии текут емкостные токи. В следующий момент времени емкости здоровых фаз заряжаются и их напряжение возрастает до линейного. По здоровым фазам текут волны емкостных зарядных токов, в несколько раз превышающих величину емкостного тока установившегося процесса. Индуктивный ток катушки отстает от емкостного и в течении нескольких микросекунд он остается нескомпенсированным.

В защитах,реагирующие на емкостные токи переходного процесса применяются специальные быстродействующие реле, реагирующие на переходный процесс неповрежденной фазы.

В сети имеется большое количество источников высших гармоник. Их источниками являются генераторы, силовые трансформаторы, тиристорные преобразователи и другой оборудование. 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 токе нулевой последовательности неповрежденных линий. Такой положение наблюдается как в сети с изолированной нейтралью, так и в сети с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Дугогасящий реактор только увеличивает содержание высших гармонических в токе нулевой последовательности поврежденной линии. Поэтому для определения замыкания на землю применяется защита, реагирующая на некомпенсированные токи высших гармоник (рис. 41).

Рис.41. Схема защиты, реагирующей на некомпенсированные токи высших гармоник

На рис.41 фильтр высших гармоник (ФВГ) пропускает только токи высших гармоник, повышая чувствительность защиты.