Токовые защиты нулевой последовательности сетей с глухозаземленными

Нейтралями.

Защита обычно выполняется трехступенчатой. В случае недостаточной чувствительности она дополняется четвертой ступенью [59]. Измерительными органами защиты являются реле тока, подключенные к фильтру тока нулевой последовательности. В остальном схема защиты выполняется аналогично рассмотренным выше схемам токовой защиты с включением измерительных органов на полные токи фаз. Использование тока нулевой последовательности в качестве воздействующей величины позволяет повысить чувствительность токовой защиты к коротким замыканиям на землю и уменьшить выдержку времени ее последней ступени. В радиальной сети с односторонним питанием (рис. 11.1, а) короткие замыкания на землю возникают на участках, ограниченных обмотками трансформаторов Т1—Т3, соединенных в звезду. При этом путь прохождения тока нулевой последовательности определяется заземленными нейтралями. В рассматриваемой схеме ток нулевой последовательности проходит по поврежденному участку через заземленную нейтраль трансформатора Т1 и точку короткого замыкания. На линиях АБ и БВ и трансформаторах Т1—Т3 установлены токовые защиты А2—А5 от междуфазных повреждений и токовые защиты нулевой последовательности A₀2—А₀5 от коротких замыканий на землю.

Рассмотрим токовую защиту нулевой последовательности A₀2 линии АБ. Расчет параметров ее I и II ступеней имеет много общего с расчетом I и II ступеней защиты от междуфазных к.з. А2.

Первая ступень защиты — токовая отсечка нулевой последовательности без выдержки времени. Ее ток срабатывания I^I_{с.з Aо2} выбирается по условиям отстройки от максимального значения периодической составляющей утроенного начального тока нулевой последовательности 3I^(m)_{0вн max}, проходящего в месте установки защиты при коротких замыканиях на землю (K⁽¹⁾ и K^(1,1)) на шинах приемной подстанции Б (точка K₁^(m)):

I^I_{с.з Aо2}=k^I_отс3I^(m)_{0вн max} (11.1)

где k^I_отс=l,3 при использовании реле РТ-40 для линий 110—220 кВ.

При этом токовая отсечка не должна срабатывать от токов нулевой последовательности, кратковременно появляющихся при неодновременном включении фаз выключателя, например в цикле быстродействующего АПВ. Обычно в схеме защиты имеется выходное промежуточное

Рис. 11.1. Характеристика выдержек времени токовой защиты нулевой последовательности и максимальной токовой защиты

реле, создающее замедление около трех-четырех периодов, поэтому отсечка оказывается отстроенной от этих токов по времени. Необходимо исключить также ложные срабатывания защиты в неполнофазном режиме, возникающем в цикле однофазного АПВ на защищаемой линии [10]. Отстройка от уравнительного тока при качаниях не требуется, так как в нем нет составляющей тока нулевой последовательности. Преимущество токовой отсечки нулевой последовательности перед токовой отсечкой, включенной на полные токи фаз, — в ее большей защитоспособности. Она имеет большую защищаемую зону l^I_Ао2>l^I_А2 (рис. 11.1, б). Объясняется это тем, что ток нулевой последовательности 3I₀^(m) (кривая 2) при перемещении точки к.з. вдоль линии АБ изменяется более резко, чем ток трехфазного короткого замыкания I_к⁽³⁾ (кривая 1). Разный характер изменения токов является следствием неравенства сопротивления нулевой Z_0л и сопротивления прямой Z_1л последовательностей линии (Z_oл>Z_1л).

Вторая ступень защиты—токовая отсечка пулевой последовательности с выдержкой времени. При выборе параметров защиты I^II_{с.з Ao2} и t^II_Ao2 необходимо осуществить отстройку от первой ступени А₀3 защиты нулевой последовательности линии БВ и от защиты нулевой последовательности А₀4 трансформатора Т2. Из сказанного следует, что для тока срабатывания должны выполняться условия

I^II_{с.з Ао2}≥k^II_отсI^I_{с.з Ао2} и I^II_{с.з Ао2}≥k^II_отсI^I_{с.з Ао2}, (11.2)

где k^II_отс=1,1.

Из двух значений принимается большее. Выдержка времени, как и выдержка времени второй ступени токовой защиты, обычно не превышает 0,5 с.

Третья ступень защиты—максимальная токовая защита нулевой последовательности. Из рассмотрения схемы радиальной сети (рис. 11.1, а) следует, что при повреждениях на землю в точках K₂ и К₃ ток нулевой последовательности с высшей стороны трансформаторов Т2 и Т3 отсутствует, поэтому защиту А₀4 и А₀5 можно выполнить без выдержки времени (t_Aо4^III≈0; t_Aо5^III≈0), а выдержки времени t_Aо1^III; t_Aо2^III и t_Aо3^III защит А₀1—А₀3 выбрать по ступенчатому принципу. На рис. 11.1, а изображены также характеристики выдержек времени t_A1^III— t_A6^III токовых защит А1—А6. Из сопоставления характеристик следует, что токовую защиту нулевой последовательности можно выполнить более быстродействующей, чем токовую защиту с включением реле на полные токи фаз.

В нормальном режиме и при многофазных повреждениях в реле проходит только ток небаланса I_нб, поэтому ток срабатывания реле можно выбирать без учета рабочих токов по условию

I_с.р^III>I_нб.рсч. (11.3)

При определении расчетного тока небаланса I_нб.рсч следует иметь в виду, что он возрастает с увеличением первичного тока, достигая максимального значения при трехфазных коротких замыканиях. Поэтому в случае, когда t_Aо2^III≤t_A3^III, ток срабатывания реле защиты нулевой последовательности должен быть больше максимального тока небаланса при внешних трехфазных коротких замыканиях, для того чтобы исключить неселективное действие защиты. Расчет тока небаланса довольно сложен. С некоторыми допущениями он определяется исходя из максимальной погрешности трансформаторов тока ε=10% и с учетом коэффициента их однотипности k_одн=0,5...1,0 по выражению

I_нб.рсч= I_{нб.рсч max}=k_одн(ε/100)I⁽³⁾_{к.вн max}/K_I, (11.4)

где I⁽³⁾_{к.вн max}—действующее значение установившегося тока внешнего трехфазного короткого замыкания при повреждении в начале следующего участка (для защиты А₀2 в точке K₁^(m)).

Ток установившегося режима короткого замыкания принимается потому, что защита действует с выдержкой времени, достаточной для затухания апериодической составляющей.

В тех случаях, когда выдержка времени защиты не превышает t_с.з=0,3 с, при определении тока небаланса I_нб.рсч, следует учитывать и апериодическую составляющую тока короткого замыкания коэффициентом kuu:

I_{нб.рсч max}=k_однk_ап(ε/100)I⁽³⁾_{к.вн max}/K_I, (11.5)

где k_ап=2 при времени действия защиты до t_с.з=0,1 с и k_ап=1,5 при 0,1≤t_с.з≤0,3 с.

В рассматриваемом случае при определении тока срабатывания реле коэффициент возврата k_B не учитывается, так как при внешних многофазных коротких замыканиях измерительный орган защиты не срабатывает, а при отключении внешних коротких замыканий на землю, при возникновении которых реле может сработать, ток нулевой последовательности исчезает. Таким образом,

I^III_ср=k^III_отсI_{нб.рсч max}, (11.6)

где k^III_отс=1,25—коэффициент отстройки, учитывающий погрешность и необходимый запас.

Чувствительность защиты можно повысить, если принять t^III_Ao2>t^III_A3. При этом внешние многофазные короткие замыкания отключаются со временем, меньшим времени действия токовой защиты нулевой последовательности. Поэтому достаточно ее ток срабатывания выбирать по расчетному току небаланса в нормальном режиме I_нб.рсч=I_нб.нрм. Ток I_нб.нрм значительно меньше тока I_{нб.рсч max}, поэтому при внешних многофазных коротких замыканиях измерительный орган защиты срабатывает. Для обеспечения возврата реле после отключения внешних коротких замыканий при выборе тока срабатывания учитывается коэффициент возврата k_B:

I^III_ср=k^III_отсI_нб.нрм/k_B (11.7)

В выражении (11.7) коэффициенты k_отс и k_B принимаются равными соответствующим коэффициентам максимальной токовой защиты с включением реле на полные токи фаз. Ток I_нб.нрм находят путем измерения; в зависимости от класса трансформаторов тока, однотипности их характеристик и нагрузки он находится в пределах 0,01<I_нб.нрм<0,1 А, т. е. ток срабатывания защиты значительно меньше рабочих токов защищаемой линии. Таким образом, по сравнению с защитами, включенными на полные фазные токи, защита нулевой последовательности может иметь меньшие выдержки времени и повышенную чувствительность. В связи с этим она находит широкое применение в сетях с глухо-заземленными нейтралями в качестве защиты от коротких замыканий на землю.