Защиты от замыканий на землю, размещение защит от замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью.

Ответ: Общие положения. Сети напряжением 6–35 кВ работают с изолированной или компенсированной через дугогасящий реактор нейтралью. Поэтому значения емкостных токов однофазного замыкания на землю (ЗЗ) невелики, они не превышают 5–30 А. Как правило, при ЗЗ не требуется немедленного отключения поврежденного присоединения, а необходимо принять меры по переводу нагрузки на резервный источник, а затем отключить поврежденную линию. Необходимо помнить, что в случае дугового ЗЗ на одном из присоединений во всей электрически связанной сети возникают опасные перенапряжения (до 4,2U_ф), воздействующие на изоляцию электроустановок. Эта одна из главных причин выхода из строя высоковольтного оборудования, подключенного к сети 6–10 кВ, особенно электродвигателей.

В соответствии с [1] для селективного обнаружения однофазных замыканий на каждом присоединении должна быть установлена защита от замыканий на землю (защита нулевой последовательности), которая в одних случаях действует на сигнал, в других – на отключение. В частности, на тех электродвигателях, у которых емкостной ток замыкания на землю превышает 5 А (первичных), защита должна действовать на отключение без замедления.

В цифровых реле для защиты нулевой последовательности применяются те же принципы построения защит от замыкания на землю, что и в аналоговых защитах.

5.7.2. Принципы построения схем защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ. Признаки, по которым можно отличить поврежденную линию от неповрежденной, следующие:

– величина тока нулевой последовательности (3I₀) в неповрежденной линии меньше, чем в поврежденной;

– направление вектора тока 3I₀ в поврежденной и неповрежденной линиях противоположное.

На практике применяют два вида защит от замыкания на землю: ненаправленную (по 1-му признаку) и направленную (по 2-му признаку).

Ненаправленная токовая защитареагирует на полный ток нулевой последовательности и предназначена для радиальных сетей.

Для выделения емкостного тока из общего тока нагрузки линии применяют фильтр тока нулевой последовательности (рис. 5.24, а). Существенным осложнением является то, что ток замыкания на землю имеет малую величину.

Для защиты от замыканий на землю используют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности типа ТЗЛ, ТЗР, которые можно применить только при наличии кабельного вывода из ячейки (рис. 5.24, б). Измерительные органы цифровых устройств имеют высокую чувствительность и малое потребление (I_ср = 0,05 А, S_потр = 0,01 В ∙ А). Это позволяет не добиваться наивысшей отдачи мощности от ТНП.

Для кабельных линий изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, а также типа ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации без снятия кабельной воронки. Конструкция кабельного ТНП показана на рис. 5.24, б.

При прохождении токов по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле КА ЗЗ появляется ток, от которого релейная защита может подействовать неправильно. Эти токи появляются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов. Для исключения ложной работы релейной защиты необходимо компенсировать влияние блуждающих токов, замыкающихся по проводящей оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболочка кабеля на участке от воронки до ТНП изолируются от земли (рис. 5.24), а заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. При этом магнитопровод ТНП должен быть надежно изолирован от брони кабеля.

а)

б)

Рис. 5.24. Ненаправленная токовая защита с использованием фильтра токов
нулевой последовательности (а) и с использованием кабельного ТНП (б)

Для разветвленных сетей с изолированной нейтралью, где емкостной ток одного фидера значительно меньше общего емкостного тока, в качестве ЗЗ можно применить токовую защиту высокой чувствительности. Такая защита имеется в микропроцессорных токовых устройствах защиты. При малой протяженности кабелей в сети, или, если кабели разной длины и ток в одном кабеле соизмерим с общим током замыкания на землю, требуется применить направленную защиту нулевой последовательности.

Выполнить достаточно чувствительную ненаправленную защиту можно лишь в том случае, если значение åI_с превышает величину I_с.пр более чем в 5 раз. То есть такую защиту можно применить только в достаточно разветвленной электрической сети. В противном случае применяют направленную ЗЗ.

Защиты по току нулевой последовательности, подключаемые к трансформаторам тока нулевой последовательности отечественного производства, нельзя настраивать, непосредственно выставляя уставку в реле. Коэффициент трансформации этих трансформаторов резко меняется в зависимости от нагрузки из-за их малой мощности. На уставку влияет даже сопротивление соединительных проводов. Поэтому настройка ведется по первичному току, подаваемому через провод, пропущенный через зазор ТНП. В расчетах можно принять коэффициент трансформации ТНП равным 25.

5.7.3. Выбор тока срабатывания ненаправленной защиты ЗЗ.Емкостные сопротивления элементов электрической системы значительно превышают их индуктивные и активные сопротивления, что позволяет при определении тока замыкания на землю пренебречь ими и, следовательно, считать, что величина этого тока практически не зависит от места замыкания в сети.

Кроме того, ток замыкания на землю относительно мал и поэтому можно считать, что напряжение источника всегда остается неизменным.

Наибольшая величина тока замыкания на землю будет при металлическом замыкании, т. е. при R_п = 0 и при этом замыкания на землю в 3 раза превышает емкостной ток на землю одной фазы в нормальных условиях.

Уставка по току защиты от замыкания на землю рассчитывается по условию несрабатывания защиты от собственного емкостного тока данного присоединения (линии или электродвигателя) по выражению

(5.29)

где К_отс – коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2; К_бр – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока в момент возникновения ОЗЗ:

– для реле типа РТЗ-51 К_бр = 2,0–3,0;

– для цифровых реле К_бр = 1,0–1,5;

I_с.пр – максимальное значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешнем КЗ.

Выбранный по (5.29) ток срабатывания защиты необходимо проверить по условию чувствительности:

(5.30)

где – суммарный емкостной ток всех присоединений данной электрической сети, с учетом возможного отключения одного из них на ремонт.

5.7.4. Выбор параметров срабатывания направленной защиты ЗЗ.В радиальных сетях, когда собственные емкостные токи отдельных присоединений велики и соизмеримы с полным током сети ненаправленная токовая защита неприемлема. Поэтому применяют направленную токовую защиту. Такая защита входит в устройства MiCOM P125-127, БМРЗ, Sepam 2000 и в защиту ЗЗП-1М и ЗЗН производства ЧЭАЗ.

Определить направление тока 3I₀ можно, если его вектор сравнить с неким вектором базовой величины, в качестве которого принят для всех линий вектор напряжения нулевой последовательности 3U₀, получаемый от обмотки разомкнутого треугольника трансформатора напряжения типа НТМИ или НАМИТ. В неповрежденных линиях протекают собственные емкостные токи, поэтому векторы токов 3I₀ в неповрежденных линиях опережают вектор напряжения 3U₀ на 90^о. Следовательно, вектор тока 3I₀ в поврежденной линии отстает от вектора 3U₀ на 90º. Поэтому в аналоговых реле типов ЗЗП-1М и ЗЗН применяется измерительный орган направления мощности нулевой последовательности с углом максимальной чувствительности равны +90º. Направленная защита применяется в сетях с токами замыкания на землю более 0,5 А (первичных) и в случае недостаточной чувствительности ненаправленной защиты.

В качестве уставок направленной защиты в цифровое реле вводятся следующие параметры:

– значение напряжения 3U₀ = 15–20 В для отстройки от небаланса фильтра напряжения нулевой последовательности;

– характеристический угол j_м.ч = +90°;

– выдержка времени срабатывания; для электродвигателей выбирается t_с.з = 0,1 с, но допускается t_с.з = 0,5 с в случае применения линейных трансформаторов тока в трех фазах.

Уставка по току выбирается по условию обеспечения гарантированного коэффициента чувствительности, равного 2

(5.31)

Значение I_с.з должно быть принято более 0,3 А (первичных), иначе может произойти неселективное срабатывание цифрового реле при внешних замыканиях на землю.

Пример 5.8. Рассчитать ток замыкания на землю в сети напряжением 10 кВ с изолированной нейтралью и ток срабатывания ЗЗ всех присоединений (рис. 5.25).

5.7.5. Защита от замыкания на землю в сетях с компенсированной нейтралью. В разветвленных электрических сетях 6–35 кВ при относительно больших емкостных токах замыкания на землю более 20–30А в нейтраль включают индуктивность, резонансно настроенную с емкостью на частоте 50 Гц сети (дугогасящий реактор – ДГР). В настоящее время серийно выпускаются автоматические регуляторы ДГР типа РУОМ. Этот ДГР при отсутствии ЗЗ работает в режиме холостого хода, но его автоматика постоянно следит за изменением емкости сети и в момент возникновения ЗЗ выводит ДГР на режим резонансной настройки. При полной компенсации емкости сети в точке замыкания на землю ток практически отсутствует. В этой связи рассмотренные выше защиты, реагирующие на ток 3I₀, принципиально не могут быть использованы в компенсированных сетях. Для таких сетей заводом ЧЭАЗ «Чебоксары» выпускается аналоговое устройство сигнализации типа УСЗ-ЗМ, принцип действия которого основан на измерении гармонических составляющих тока ЗЗ (от 150 до 550 Гц) в каждом присоединении. Поврежденное присоединение определяется по наибольшему значению высокочастотных составляющих тока ЗЗ
(относительный замер). В цифровом реле типа SPAC 2000 используется такой же принцип действия, но измерение производится одновременно в каждом присоединении, а результаты выводятся на дисплей.

В цифровых реле для компенсированных сетей применяется направленная защита от замыкания на землю, реагирующая на направление вектора активной составляющей тока замыкания на землю (3I₀). Величина активной составляющей тока очень мала, но цифровой принцип измерения позволяет его обнаружить и сравнить с уставкой. Защита характеризуется своей способностью обнаружения кратковременно повторяющихся замыканий на землю в течение выдержки времени при перемежающейся дуге.

5.7.6. Выбор уставок релейной защиты при резистивном заземлении нейтрали. Пусковым сигналомдля защиты является ток нулевой последовательности ТТНП, который установлен на каждом отходящем присоединении.

Существует два условия выбора тока срабатывания защиты:

1. Несрабатывание защиты при внешнем ЗЗ. Защита отстраивается от максимального собственного емкостного тока защищаемого присоединения. Ток срабатывания защиты определяется по выражению (5.28), где I_с.пр – максимальное значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения при внешнем КЗ определяется с учетом тока через резистор.

2. Срабатывание (чувствительность) защиты при ЗЗ на защищаемом присоединении

где I_с.з – полный ток ЗЗ (геометрическая сумма суммарного емкостного тока и активного тока резисторного заземления), протекающий в месте установки защиты при ОЗЗ на защищаемом присоединении.

Коэффициент чувствительности должен составлять: К_ч = 1,5 – для защит воздушных и кабельных линий; К_ч = 2,0 – для защит электродвигателей.