Защита от замыкания на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями

 

Установившиеся токи замыканий на землю определяются режи­мом работы нейтрали электрических систем. В сетях с изолирован­ной нейтралью установившиеся значения токов в точке поврежде­ния при однофазных замыканиях обычно не превышают нескольких десятков ампер. Если нейтраль заземлить через дугогасящий ре­актор, то ток замыкания на землю при соответствующей настройке реактора можно значительно уменьшить. В связи с этим выполне­ние токовой защиты от однофазных замыканий на землю в таких сетях, реагирующей на установившиеся токи замыкания, вызывает определенные трудности. Это приводит к необходимости создания защит, действующих в зависимости от токов переходных процессов при замыканиях на землю, а также устройств, реагирующих на высшие гармонические, содержащиеся в токе замыкания на землю; используются также токовые направленные и другие защиты.

Установившиеся токи и напряжения при однофазных замыка­ниях на землю. В сетях переменного тока при нормальной работе наряду с рабочими токами нагрузки по фазам проходят токи, обусловленные равномерно распределенными по длине проводов ем­костями фаз относительно земли. Если не учитывать токи нагруз­ки, напряжения во всех точках сети можно считать одинаковыми, поскольку емкостные токи малы и падением напряжения в прово­дах от этих токов можно пренебречь. При этом напряжения фаз относительно земли равны соответствующим фазным напряжениям Ů_A , Ů_B , Ů_C относительно нейтрали системы, а распределенные ем­кости фаз в эквивалентной схеме можно заменить конденсаторами C_A, C_B , C_C (рис. 6.21, а).

Место присоединения конденсаторов на емкостные токи практи­чески не влияет, так как индуктивное и активное сопротивления линии ничтожно малы по сравнению с сопротивлением емкости фа­зы относительно земли. В симметричной трехфазной сети C_A = C_B = C_C = С. В связи с отсутствием падения напряжения в проводах напряжения Ů_A , Ů_B и Ů_C равны соответствующим ЭДС источника питания, а их векторы образуют симметричную звездуфазных напряжений (рис. 6.21, б). В результате напряжение нейт­рали системы N относительно земли равно нулю, а через сосредо­точенные емкости проходят равные токи, опережающие по фазе со­ответствующие напряжения на углы π/2 и образующие симмет­ричную систему токов

    İ_A = jŮ_A /X_C = jωCŮ_A; İ_B = jωCŮ_B; İ_C = jωCŮ_C.

При замыкании какой-либо фазы на землю напряжения фаз относительно земли изменяются, оставаясь неизменными относи­тельно нейтрали системы N. Так, при металлических замыканиях на землю, например, фазы А (рис. 6.21, в) она получает потенциал земли (U⁽¹⁾_А=0). В связи с этим напряжения двух других фаз и нейтрали N относительно земли становятся напряжениями относи­тельно замкнувшейся на землю фазы А (рис. 6.21, г):

 

                           Ů_BA = Ů⁽¹⁾_B ;Ů_CA = Ů⁽¹⁾_C ; Ů_NA = Ů⁽¹⁾ _Nк = -Ů_A .

Так как междуфазные напряжения остаются при этом неизменными, то напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли повышаются в раз.

Систему векторов Ů⁽¹⁾_B и Ů⁽¹⁾_C можно разложить на составляющие прямой Ů⁽¹⁾₁ и нулевой Ů⁽¹⁾₀ последовательностей (рис. 6.21, д).

Действительно, при U⁽¹⁾_A=0

                          Ů⁽¹⁾_1A = (aŮ⁽¹⁾_B + a² Ů⁽¹⁾_C)/3 = Ů_A ;

                          Ů⁽¹⁾_0A = Ů⁽¹⁾_0B = Ů⁽¹⁾_0C = Ů⁽¹⁾ _0к = (Ů⁽¹⁾_B + Ů⁽¹⁾_C)/3 = - Ů_A ;

                          Ů⁽¹⁾_2A = (a²Ů⁽¹⁾_B + aŮ⁽¹⁾_C)/3 =0.

Таким образом, при металлическом замыкании на землю в сети появляется напряжение нулевой последовательности Ů⁽¹⁾ _0к которое, как и напряжение сме­щения нейтрали Ů⁽¹⁾ _Nк, равно по абсолютному значению и противоположно по фа­зе напряжению, которое имеет поврежденная фаза относительно земли при нор­мальной работе (напряжению относительно нейтрали системы). Напряжение прямой последовательности равно напряжению фаз относительно земли при нор­мальной работе. Вследствие этого изменение напряжения фаз при замыкании на землю можно рассматривать как результат наложения напряжений нулевой последовательности U ⁽¹⁾_0к на напряжение фаз сети при ее нормальной работе.

Замыкания на землю обычно происходят через переходные ак­тивные сопротивления. При этом напряжение поврежденной фазы относительно земли не снижается до нуля, а напряжения неповре­жденных фаз относительно земли становятся больше фазного, но меньше междуфазного. В связи с этим напряжение смещения ней­трали и напряжение нулевой последовательности получаются мень­ше фазного напряжения. Это уменьшение характеризуется коэф­фициентом полноты замыкания на землю: b = U⁽¹⁾ _0к /U _ф < 1.

Изменения фазных напряжений и появление напряжения ну­левой последовательности можно использовать для выполнения за­щиты от замыкания на землю. Одновременно с изменением фаз­ных напряжений изменяются и полные фазные токи. Токи неповре­жденных фаз замыкаются через точку К⁽¹⁾ и поврежденную фазу, образуя ток I⁽¹⁾₃ (рис. 6.21, в).

При металлическом замыкании на землю ток в емкости поврежденной фа­зы с_А отсутствует, так как напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю. Токи İ⁽¹⁾_B  , İ⁽¹⁾_С   неповрежденных фаз определяются напряжениями фаз В и С относительно земли:

 

(6.25)

                             İ⁽¹⁾_B  = jωCŮ⁽¹⁾_B  = ωCŮ_B  e ^{jπ/ 3};

                             İ⁽¹⁾_C  = jωCŮ⁽¹⁾_C  = ωCŮ_C  e ^{j2π/ 3}.

 

При условном положительном направлении токов İ⁽¹⁾_B ,İ⁽¹⁾_С и İ⁽¹⁾_з , показанном на рис. 6.21, в, İ⁽¹⁾_з = — (İ⁽¹⁾_B  + İ⁽¹⁾_С) или с учетом (6.25) и соотношения Ů⁽¹⁾_B  + Ů⁽¹⁾_С = -3Ů_A

 

                        İ⁽¹⁾_з = - (jωCŮ⁽¹⁾_B  + jωCŮ⁽¹⁾_С) = j3ωCŮ_A.                (6.26)

 

Полученный ток İ⁽¹⁾_з опережает по фазе напряжение Ů_A на угол π/2 и не зависит от расположения точки повреждения. Таким образом, при металлическом замыкании на землю фазы A токи через емкости неповрежденных фаз увеличи­ваются в  раз, а ток İ⁽¹⁾_з , проходящий через место повреждения в землю, равен утроенному значению емкостного тока фазы A при нормальной работе.

Для практических расчетов тока İ⁽¹⁾_з (А) воздушных и кабель­ных линий можно пользоваться следующими упрощенными форму­лами:

 

                      İ⁽¹⁾_з ≈ Ul/350; İ⁽¹⁾_з ≈ UC_удl/1,84,                                (6.27)

 

где U — линейное напряжение, кВ; l — длина электрически свя­занной сети, км; С_уд — удельная емкость одной жилы кабеля относительно оболочки, зависящая от напряжения кабеля и сечения жилы, мкФ/км.

Токи İ⁽¹⁾_з , İ⁽¹⁾_B и İ⁽¹⁾_С   проходят в соответствующих фазах поврежден­ной линии на участке между источником питания и местом присое­динения конденсаторов эквивалентной схемы (рис. 6.21, в). Они представляют собой уравновешенную систему трех векторов, не содержащую токов нулевой последовательности (İ⁽¹⁾_з + İ⁽¹⁾_B + İ⁽¹⁾_С = 0) (рис. 6.22, б). На участке же между точкой повреждения К⁽¹⁾ и местом присоединения конденсаторов проходит только ток İ⁽¹⁾_з по поврежденной фазе (см. рис. 6.21, в). Поэтому здесь наряду с токами прямой и обратной последовательностей проходит ток ну­левой последовательности İ⁽¹⁾₀ = İ⁽¹⁾_з / 3 (рис. 6.22, в). Пути замыка­ния токов нулевой последовательности показаны на рис. 6.22, а.

На рис. 6.22, г показана в однофазном исполнении схема сети, состоящей из трех линий Л1—ЛЗ, подключенных к шинам генера­торного напряжения. При повреждении на землю, например в точ­ке K⁽¹⁾, через место повреждения проходит ток İ⁽¹⁾_з , обусловленный не только емкостью поврежденной линии C ₀₁ , но и емкостями не­поврежденных линий C ₀₂ и C ₀₃ , т.е.

 

İ⁽¹⁾_з = 3İ⁽¹⁾₀₁ + 3İ⁽¹⁾₀₂ + 3İ⁽¹⁾₀₃,              (6.28)

 

где İ⁽¹⁾₀₁=jωC₀₁Ů _ф; İ⁽¹⁾₀₂=jωC₀₂Ů _ф; İ⁽¹⁾₀₃=jωC₀₃Ů _ф.

При этом распределение токов нулевой последовательности в системе таково, что при условном направлении тока İ⁽¹⁾_з к месту повреждения токи нулевой последовательности неповрежденных линий 3İ⁽¹⁾₀₂ и 3İ⁽¹⁾₀₃ , проходя через емкости С₀₂ и С₀₃, направляются к шинам подстанции и далее по поврежденной линии от шин к мес­ту замыкания К⁽¹⁾. Ток 3İ⁽¹⁾₀₁ , как и ток в случае одиночной линии, проходит по участку между местом повреждения и точкой присое­динения конденсатора C₀₃. Таким образом, от шин по поврежден­ной линии направляется ток нулевой последовательности İ⁽¹⁾ _0эк, оп­ределяемый емкостью всех неповрежденных линий:

 

İ⁽¹⁾ _0эк = İ⁽¹⁾₀₂ + İ⁽¹⁾₀₃ = jωŮ _ф (С₀₂ + С₀₃)= jωС _0эк Ů _ф . (6.29)

В случае замыкания на землю на линии Л2 или ЛЗ по линии Л1 (неповрежденной) к шинам проходит ток 3İ⁽¹⁾₀₁ . Если I⁽¹⁾ _0эк > I⁽¹⁾₀₁ , то на линии Л1 в качестве защиты от замыкания на землю можно использовать токовую защиту нулевой последователь­ности.

Общая сигнализация от замыкания на землю. Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью не является аварией. Потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают нормально работать. Это дает возможность выполнять защиту от замыкания на землю, действующей на сигнал. В сетях простой конфигурации до­пускается применение только общего устройства неселективной сиг­нализации, контролирующего состояние изоляции в системе данного напряжения. Схема устройства состоит из трех минимальных реле напряжения, включенных на напряжения фаз относительно земли (рис. 6.23, а), или из одного максимального реле напряжения, вклю­ченного на напряжение нулевой последовательности (рис. 6.23, б).

Устройство сигнализации обычно подключается к трансформато­рам напряжения, установленным на шинах.

Токовая защита нулевой последовательности, реагирующая на токи установившегося режима. Длительная работа сети при замыкании одной фазы на землю недопустима из-за возможности нарушения междуфазной изоляции в месте повреждения и перехода однофазного замыкания в многофазное. Возможны также случаи двой­ных замыканий на землю вследствие повышения в  раз напряже­ний неповрежденных фаз относительно земли. Поэтому в протяжен­ных сетях сложной конфигурации, когда определение поврежденного участка затруднено, наряду с общим устройством контроля изоля­ции необходимо предусматривать селективную защиту на каждом присоединении. Обычно это токовая защита.

Вероятность повреждения междуфазной изоляции определяет­ся не только продолжительностью прохождения тока через место замыкания на землю, но и значением тока. Поэтому для предот­вращения перехода однофазных замыканий в многофазные макси­мальный ток замыкания на землю в сетях напряжением 6—15 кВ должен быть не более I⁽¹⁾_{з max} < 30 А, а в сетях напряжением 20—35 кВ — не более I⁽¹⁾_{з max}< 10 А. В протяженных и разветвленных сетях токи замыкания на землю могут быть больше указанных значений. В таких случаях для их компенсации применяются дугогасящие реакторы.

Таким образом, допустимые токи замыкания на землю обычно меньше рабочих токов защищаемого элемента. Поэтому токовая защита от замыкания на землю, например линии Л1 (см. рис. 6.22, г), выполняется с включением реле на фильтр тока нулевой последовательности. Она приходит в действие благодаря прохож­дению по поврежденному участку тока нулевой последовательности 3I⁽¹⁾ _0эк обусловленного емкостью всей электрически связанной сети С _0эк без учета емкости C₀₁ поврежденной линии [см. (6.29)]. Защи­та не должна срабатывать при повреждениях на других присоеди­нениях сети, когда по защищаемой линии проходит ток 3I⁽¹⁾ _0л (3I⁽¹⁾₀₁), обусловленный емкостью линии. При этом для обеспечения недей­ствия защиты ее ток срабатывания выбирают по условию

 

                       I _с.з = k _зап 3I⁽¹⁾ _0л                                                           (6.30)

 

Коэффициент запаса определяется броском емкостного тока в момент замыкания. На основании опытных данных для защит без выдержки времени k _зап = 4÷5; для защит с выдержкой времени с учетом перемежающегося характера замыкания коэффициент k _зап > 2,0÷2,5. Без выдержки времени выполняются защиты, дей­ствующие на сигнал, защиты линий торфоразработок и других се­тей, находящихся в подобных условиях, где при замыкании на зем­лю линии для безопасности должны отключаться без замедления. В таких сетях токи однофазного замыкания на землю обычно не превышают I⁽¹⁾_з < 1,0÷1,5 А. При этом напряжение прикоснове­ния ограничивается на допустимом уровне (не более 40 В) и одно­фазные замыкания на землю не представляют опасности для об­служивающего персонала.

Однако при возникновении второго замыкания на землю на другой фазе (двойного замыкания на землю) токи значительно воз­растают, а напряжения прикосновения достигают недопустимых значений и могут явиться причиной несчастных случаев. Для умень­шения вероятности возникновения опасных двойных замыканий защита от замыканий на землю в рассматриваемых сетях выпол­няется с действием на отключение без выдержки времени. Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом k _ч = 3I⁽¹⁾ _0эк / I _с.з.  Ток I⁽¹⁾ _0эк определяется по режиму с минимально воз­можным числом включенных линий. Чувствительность защиты счи­тается достаточной, если для воздушных линий k _ч > 1,5, а для ка­бельных k _ч > 1,25.

Для выполнения защиты в качестве фильтра тока нулевой по­следовательности обычно используется трансформатор тока нуле­вой последовательности (ТНП) — TAZ (рис. 6.24). 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 ТНП до воронки изолируют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке кабеля и пропускают через отверстие магнитопровода ТНП в направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи, проходя­щие по броне и проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвра­щающимися по заземляющему проводу.

Чувствительность защиты характеризуется минимальным первичным током замыкания на землю. При использова­нии электромагнитного реле с транс­форматором тока нулевой последова­тельности можно выполнить защиту, действующую при минимальном первичном токе замыкания на землю I⁽¹⁾_з = 5 А. Поэтому эту защиту нельзя применять, например, на линиях торфоразработок. На основе магнитных усилителей разработана защита от замыканий на землю с первичным током срабатывания порядка I _с.з = 0,3 А.

 

Токовая защита нулевой последовательности, реагирующая на емкостные токи переходного процесса. Для ограничения разрушительного, действия дуги при однофазных замыканиях на землю в сетях напряжением 6—35 кВ необхо­димо стремиться к полной компенсации тока замыкания на землю током дуго-гасящего реактора. Однако при этом ток, проходящий в начале поврежденной линии т. е. ток в защите, может быть недостаточным для ее срабатывания. В связи с этим в некоторых случаях для действия защиты осуществляется крат­ковременное (на время, необходимое для срабатывания защиты) нарушение компенсации. Недостатком искусственного нарушения компенсации является уве­личение в момент отключения дугогасящего реактора тока, что может привести к переходу однофазного повреждения в многофазное.

Более удачным следует считать выполнение защиты, способной селективно работать от токов переходного процесса при замыканиях на землю в сетях с полной компенсацией установившегося емкостного тока. Возникновение токов переходного процесса при однофазном замыкании на землю связано с разрядом емкости поврежденной фазы и дополнительным зарядом емкостей неповрежден­ных фаз. В нормальном режиме провода линии находятся под фазным напря­жением относительно земли, а значение и знак дополнительных зарядных токов зависят от момента времени возникновения замыкания на землю.

Пробой изоляции и возникновение повреждения на землю, например фазы А, обычно происходят в момент, когда мгновенное значение фазного напряжения близко к максимальному значению (u_A≈U_m). При этом мгновенные значения напряжений двух других фаз и_B = u_C ≈ 0,5U_m. Поэтому в первый момент при замыкании на землю присходит разряд емкости фазы А, сопровождающийся снижением ее напряжения относительно земли до нуля, и дополнительный заряд емкостей неповрежденных фаз до линейного напряжения. Токи разряда и заряда имеют одинаковое направление, складываясь в месте замыкания, образуя утроенный ток нулевой последовательности переходного процесса 3i⁽¹⁾ _0п (рис.6.25, а). В сложной разветвленной сети переходный процесс протекает следую­щим образом: ток в месте повреждения образуется от наложения друг на друга токов переходных процессов в неповрежденных линиях, являющихся самостоя­тельными контурами.

При повреждении вблизи шин токи переходных процессов в неповрежден­ных линиях имеют обычно быстрозатухающий колебательный характер. По мере удаления места замыкания на землю от шин электростанции переходный процесс в связи с возрастанием активных сопротивлений конту­ров приближается к апериоди­ческому. Токи разряда и заря­да определяют переходный ток в месте замыкания (в повреж­денной линии). Примерный ха­рактер его изменения во вре­мени показан на рис. 6.25, б. Частота ω_п переходного тока повреждения составляет от не­скольких сотен до нескольких тысяч герц (200—3000 Гц), а весь процесс затухает в течение нескольких миллисекунд.

Приближенно можно считать, что максимальные мгновенные значения то­ков в переходном i⁽¹⁾ _{0п max}и установившемся i⁽¹⁾ _{0 max}режимах относятся каких частоты ω_п и ω₀ = 50 Гц, т.е. i⁽¹⁾ _{0п max}= kω_п i⁽¹⁾ _{0 max} /ω ₀, т.е. переходные токи могут в десятки раз превышать токи установившегося режима. Первая полу­волна переходного тока в поврежденной линии (в местах повреждения) совпа­дает по направлению с напряжением нулевой последовательности частотой ω ₀. В неповрежденных линиях переходные токи имеют обратное направление. В поврежденной линии амплитуда первой полуволны переходного тока получается наибольшей.

В компенсированных сетях характер изменения переходных токов не изме­няется. Это объясняется тем, что скорость нарастания переходного индуктив­ного тока, обусловленного дугогасящим реактором, меньше скорости нарастания переходного емкостного тока. Таким образом, сеть во время переходного про­цесса оказывается нескомпенсированной. Рассмотренные соотношения дают воз­можность выполнять токовую защиту нулевой последовательности в компенси­рованных сетях, действующую в зависимости от тока переходного процесса.

Селективное действие защиты обеспечивается благодаря отстройке ее тока срабатывания от переходных значений емкостных токов I⁽¹⁾_{0 л. п} обусловленныхемкостью защищаемой линии:

 

                      I_с.з=k_зап3I⁽¹⁾_{0 л. п},                                                        (6.31)

 

где k_зап =2,0÷2,5.

Для выполнения защиты необходимо использовать реле, способное зафикси­ровать кратковременные импульсы переходного тока, например тиратронное ре­ле. Имеются также схемы с использованием электромагнитных реле тока [8]. В сетях, где переходный ток повреждения соизмерим с переходным током не­поврежденной линии, выполнить токовую защиту необходимой чувствительности затруднительно. Чувствительность защиты можно повысить, применив направлен­ные реле или скомпенсировав переходный емкостный ток неповрежденной ли­нии[8].

Основным недостатком защиты, работающей от переходных токов повреж­дения, является то, что она не реагирует на установившиеся токи повреждения. В связи с этим исключается возможность повторного срабатывания реле, воз­вращенного в начальное положение при проверке наличия на линии, на которой срабатывает защита, устойчивого повреждения. Кроме того, имеются затрудне­ния в расчете токов переходного процесса, которые зависят от момента возник­новения повреждения, переходного сопротивления в частности сопротивления дуги.

Токовая защита, реагирующая на высшие гармонические в токе нулевой последовательности. Высшие гармонические, содержащиеся в токе и при нормаль­ном режиме, обусловлены несинусоидальным характером кривых ЭДС генера­торов и токами намагничивания силовых трансформаторов. При этом основным источником высших гармонических являются силовые трансформаторы. В зави­симости от условий работы, характера нагрузки и конфигурации сети порядок высших гармонических и их амплитуда изменяются.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. Такое положение наблюдается как в сети с изолированной, так и в сети с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью при любой степени компенсации емкост­ных токов. Дугогасящий реактор только увеличивает содержание высших гар­монических в токе нулевой последовательности поврежденной линии.

Принципиально можно выполнить устройство сигнализации, реагирующее либо на определенную гармоническую, либо на содержание всех высших гармо­нических в токе нулевой последовательности, что более целесообразно. Разра­ботаны устройства сигнализации однофазных замыканий на землю в кабельных сетях, например УСЗ-ЗМ и УСЗ-3, реагирующие на содержание всех высших гармонических в токе нулевой последовательности поврежденного кабеля.

Токовая защита, реагирующая на ток второй гармонической. При замыкании на землю ток второй гармонической обычно содержится только в емкостном то­ке поврежденной линии. В токах неповрежденных линий вторая гармоническая отсутствует или она мала. Это обстоятельство дает принципиальную возможность выполнить токовую защиту от замыкания на землю, реагирующую на ток вто­рой гармонической. Чувствительность защиты повышается искусственным на­ложением на ток повреждения добавочной составляющей второй гармонической. При возникновении повреждения эта составляющая проходит по поврежденной линии, обусловливая действие защиты. Существуют различные способы и схемн получения тока двойной частоты.