Принцип действия защиты линии в сети с изолированной нейтралью от замыкания на землю, устройства защиты, принципиальная схема защиты и внешних связей

Введение.

Защита электрической сети, система мероприятий, предотвращающих и ограничивающих развитие аварии на линиях электропередачи и электрических подстанциях. Имеет целью обеспечить надёжность снабжения потребителей электрической энергией должного качества. Подавляющее количество электроэнергии распределяется через электрической сети общего пользования. Защита таких сетей имеет важное значение для нормального электроснабжения промышленности, сельского хозяйства, ж.-д. транспорта и др. потребителей и непрерывно совершенствуется.

Принцип действия защиты линии в сети с изолированной нейтралью от замыкания на землю, устройства защиты, принципиальная схема защиты и внешних связей

В сетях переменного тока при нормальной работе, наряду с рабочими токами нагрузки по фазам проходят токи обусловленные емкостями фаз по отношению к земле. При этом распределенные емкости фаз могут быть заменены сосредоточенными емкостями С_А, С_В, С_с, напряжения фаз по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C, относительно нейтрали системы. Векторы фазных напряжений образуют симметричную звезду, в результате напряжение нейтрали системы по отношению к земле равно нулю, а через сосредоточенные емкости протекают равные по величине токи, опережающие соответствующие напряжения на 90⁰, то есть

.

аналогично для , , геометрическая сумма этих токов равна нулю, поэтому ток в земле отсутствует.

Рис. 1. Однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью и его векторные диаграммы напряжений

При замыкании на землю, например фазы А (рис. 1), напряжения фаз относительно земли изменяются, а по отношению к нейтрали останутся такими же. Таким образом ; ; ; .

В итоге напряжение неповрежденных фаз В и С по отношению к земле повышается в раза, то есть повышается до междуфазного. Одновременно с изменением фазных напряжений изменяются и полные фазные токи. Токи неповрежденных фаз и , будут замыкаться через точку К₁ и поврежденную фазу, образуя ток:

,

где U_ф – фазное напряжение сети.

Для практических расчетов тока в точке (А) могут служить упрощенные формулы:

для воздушных линий ; для кабельных линий ,

где U, кВ – линейное напряжение; l, км – длина электрической сети; С_уд, мкФ/м – удельная емкость жилы кабеля по отношению к оболочке.

Вследствие нарушении симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие нулевой последовательности: напряжение U_0к и ток I₀, которые могут быть определены по следующим выражениям:

,

,

где U_н – напряжение, которое имела поврежденная фаза по отношению к земле в нормальном режиме и равно напряжению нейтрали.

Токи, возникающие под действием U_0к, замыкаются через емкости фаз относительно земли, токи нулевой последовательности всех фаз равны между собой и вычисляются следующим образом:

Таким образом, ток замыкания на землю в месте повреждения

.

Рис. 2. Распределение емкостных токов нулевой последовательности в сети при однофазном замыкании на землю.

ток I₀ в обмотках генератора будет отсутствовать, так как нулевая точка генератора изолирована, и сумма токов в фазах генератора равна нулю.

На рис. 2 показана схема сети в однофазном исполнении, состоящая из трех линий. При повреждении в точке К₁, через место повреждения проходит ток , обусловленный не только емкостью поврежденной линии С₀₁, но и емкостями неповрежденных линий С₀₂, С₀₃, то есть

.

Таким образом от шин неповрежденной линии направляется ток нулевой последовательности , величина которого определяется емкостью всех неповрежденных линий.

В случае замыкания на землю на 2Л или 3Л линиях по 1Л к шинам будет протекать ток , если , то на 1Л может быть использована токовая защита нулевой последовательности.

Рис. 3. Схема общего контроля изоляции

Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной нейтралью еще не является аварией, так как потребители включенные на линейные напряжения продолжают работать, что дает возможность выполнять защиту действующую на сигнал. Схема устройства рис. 3 состоит из трех максимальных реле напряжения включенных на напряжение фаз по отношению к земле рис. 3, или из одного максимального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой последовательности (схемы срабатывают, так как было указанно ранее при однофазных замыканиях возникают напряжения нулевой последовательности и фазные напряжения увеличиваются в раза).

Место повреждения в таких сетях при возникновении сигнала отыскивается дежурным персоналом путем поочередного отключения линий. При этом допускается работа с не отключенным повреждением в течении не более 2-х часов, исключение составляют сети напряжением 2 – 10 кВ, где по условиям техники безопасности (сети торфоразработок), однофазные замыкания должны отключаться немедленно.

Длительная работа сети при однофазном замыкании недопустима, так как происходит нарушение междуфазной изоляции и однофазное замыкание может перейти в многофазное. Поэтому в протяженных сетях, помимо устройства контролирующего изоляции (рис. 3. а, б), должна быть предусмотрена селективная защита на каждом присоединении – обычно это токовая защита. Допустимые токи замыкания на землю должны быть не более 30 А в сетях 6-15 кВ, и не более 10 А в сетях 20-35 кВ (для предотвращения перехода однофазного замыкания в многофазное). Таким образом, допустимые токи замыкания на землю обычно меньше рабочих токов защищаемого элемента. Поэтому токовая защита от замыканий на землю выполняется с включением реле на фильтр тока нулевой последовательности. Защита срабатывает при прохождении по поврежденному участку тока нулевой последовательности ; обусловленного емкостями неповрежденных участков сети. Защита не должна срабатывать при повреждениях на других присоединениях сети, в этом случаи по защищаемой линии будет протекать ток , обусловленный емкостью самой линии. Следовательно, ее ток срабатывания

,

где К_зап.=4÷5 – для защит без выдержки времени; К_зап.≥2÷2,5 – для защит с выдержкой времени. К_зап. определяется броском емкостного тока в момент замыкания.

Без выдержки времени выполняются защиты торфоразборок и других подобных сетей, в таких сетях токи однофазного замыкания не более 1÷1,5 А, а величина напряжения прикосновения не более 40 В.

где ток , следует определять по режиму с минимальным количеством включенных ЛЭП.

Чувствительность достаточна, если К_ч≥1,5 для воздушных и если К_ч≥1,25 для кабельных ЛЭП.

В качестве фильтра нулевой последовательности может быть использован трех трансформаторный фильтр, однако более совершенным является одно трансформаторный фильтр тока нулевой последовательности (ТНП).

Чувствительность рассмотренной токовой защиты, ограничивается необходимостью ее отстройки от бросков емкостного тока при замыканиях на землю на других ЛЭП. Недостаточная чувствительность, особенно проявляется на подстанциях с малым числом ЛЭП, а так же в компенсированных сетях (сети, в которых нейтраль соединена с землей через дугогасящую катушку для компенсации емкостной составляющей тока) с малым остаточным током. В этих случаях емкостной ток неповрежденной ЛЭП (от которого отстраивается защита) становится соизмеримым с током замыкания в поврежденной ЛЭП. В связи с этим, такая защита в компенсированных сетях применяется редко. В сетях торфоразработок используют токовое реле МТР-77 повышенной чувствительности, которое питается от специального фильтра ТНП типа КНТ-36. В результате защита действует при токах 0,3 А.

Помимо рассмотренных типов защит, так же используют защиты, действующие во время переходного процесса; защиты реагирующие на высшие гармоники содержащиеся в токе замыкания на землю, а так же токовые направленные защиты. Область применение данных защит: сети 35 кВ и ниже, так как они выполняются с изолированной нейтралью.