Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

Оценка и область применения защиты

Защита нулевой последовательности получила широкое распространение в сетях 110-500 кВ. Положительными качествами защиты являются простота схемы и высокая надежность, что подтверждается опытом эксплуатации.

Пусковой орган защиты нулевой последовательности имеет высокую чувствительность, поскольку его не нужно отстраивать от токов нагрузки.

В благоприятных условиях работает и орган направления мощности защиты. При наиболее тяжелых КЗ близи шин подстанций и электростанций реле мощности нулевой последовательности получает большое напряжение U ₀ и поэтому работает в отличие от реле мощности, включаемых на фазный ток, очень надежно. Угол сдвига j _р между U _р и I _р, подводимых к реле мощности нулевой последовательности, всегда близок к оптимальному, вследствие чего реле работает в условиях наибольшей чувствительности.

Благодаря наличию трансформаторов с заземленными нейтралями на каждой подстанции сети 110-500 кВ, являющихся источником тока нулевой последовательности, имеется широкая возможность применения отсечек нулевой последовательности, а вместе с тем и многоступенчатых защит нулевой последовательности практически на всех линиях средней и большой протяженности.

К недостаткам, свойственным принципу действия защиты, следует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи трансформаторов тока.

7.2. ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С МАЛЫМ ТОКОМ ЗАМЫКАНИЯ

Сети c малым током замыкания на землю работают с изолированной нейтралью или с заземленной через дугогасящую катушку (ДГК).

В таких сетях (в отличие от сетей с глухозаземленной нейтралью) замыкание на землю одной фазы не вызывает КЗ и не сопровождается поэтому снижением междуфазных напряжений и появлением повышенных токов в сети.

Рассмотрим характер изменения токов и напряжений в сети и их векторные диаграммы при ОЗЗ (рис. 7.15), принимая для упрощения, что нагрузка сети отключена.

Рис. 7.15. Токи и напряжения при замыкании на землю одной фазы в сети

с изолированной нейтралью

В нормальных условиях напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U _A, U _B, U _C, которые в свою очередь равны ЭДС источника питания Е _А, Е _В, Е _С, поскольку нагрузка отключена. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рис. 7.16, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали Н отсутствует: U _н=0.

Под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли С _А, С _В и С _С проходят токи, опережающие соответствующие напряжения на 90°:

, , .

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому I ₀ отстутствует.

При металлическом замыкании на землю одной фазы, например А, ее напряжение относительно земли снижается до нуля (U _А=0), т.к. в результате соединения с землей т. К приобретает потенциал, равный нулю (потенциал земли).

Напряжение нейтрали U _н по отношению к земле становится равным напряжению между точками К и Н (рис. 7.15 и рис. 7.16, б), т.е. напряжению, равному по величине и обратному по знаку ЭДС заземлившейся фазы:

.

Напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного.

На рис. 7.16, б представлена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U _A, U _B, U _C и U _н).

Рис. 7.16. Векторные диаграммы токов и напряжений в сети с изолированной нейтралью:

а – в нормальном режиме, б – при замыкании на землю фазы А

Поскольку U _A=0, то I _сА=0. В двух других фазах под действием напряжения U _В и U _С появляются токи, опережающие на 90° напряжения:

, .

Ток I _з в месте повреждения равен геометрической сумме токов в фазах В и С и противоположен им по фазе:

.

Таким образом, ток I _з равен утроенному значению нормального емкостного тока фазы. Ток I _з отстает от напряжения U _н на 90°.

Величина тока I _з зависит от величины напряжения сети и емкости фаз и может быть подсчитана по формуле:

,

где l – общая протяженность одной фазы сети; С _уд – емкость 1 км фазы относительно земли.

Значение емкостного тока линии и, соответственно, суммарного емкостного тока линий всей сети можно ориентировочно определить по эмпирическим формулам:

для кабельных сетей

для воздушных сетей

где: U _ном – номинальное напряжение сети (6 или 10 кВ), l _S – суммарная длина линий (км).

Для более точной оценки значения емкостного тока кабельной линии можно использовать таблицы, где приведены удельные значения емкостных токов в амперах на километр в зависимости от сечения кабеля и номинального напряжения сети.

Для воздушных сетей 6-35 кВ известна и другая аналогичная эмпирическая формула: I _CS=2,7× U _ном× l _S×10^-3.

Если в сети имеются крупные электродвигатели напряжением 6 или 10 кВ, то следует учитывать их собственные емкостные токи. Емкостной ток электродвигателя (при внешнем ОЗЗ) можно ориентировочно определить по эмпирической формуле:

при U _ном=6 кВ I _с.дв» 0,017× S _ном,

при U _ном = 10 кВ I _с.дв» 0,03× S _ном,

где:

Например, у двигателя мощностью P _ном=5 МВт напряжением 10 кВ собственный емкостной ток может иметь значение I _с.дв. = 0,17 А.

Более точно I _CS можно определить экспериментально (что и требуется делать регулярно, т.к. протяженность сети изменяется в течение эксплуатационного периода).

Вследствие нарушения симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие нулевой последовательности:

;

.

В результате преобразований получаем:

.

Таким образом, U ₀ равно и противоположно нормальному напряжению Е _А поврежденной фазы и равно напряжению в нейтрали сети U _н. Пренебрегая сопротивлением проводов, которое значительно меньше х _С, получаем, что во всех точках сети U ₀= U _0к.

Токи I ₀, возникающие под действием U _0к, замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются.

Из распределения токов I ₀ следует, что , где U _ф – нормальное напряжение поврежденной фазы.

Знак минус учитывает, что за положительные направления токов и напряжений принято направление от источника питания к месту повреждения. С учетом вышеприведенных формул ток замыкания .

Токи I ₀ и I _з совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения U _0к на 90°.

Ток I ₀ в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка генератора изолирована и сумма токов, проходящих в фазах генератора, равна нулю.