Лекция 14. Защиты от замыкания на землю

Общие сведения. 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. 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, то напряжения во всех точках сети можно считать одинаковыми, так как емкостные токи малы и падением напряжения в проводах от этих токов можно пренебречь. При этом напряжения фаз относительно земли равны соответствующим фазным напряжениям U_A, Uв, Uсотносительно нейтрали системы. При замыкании какой-либо фазы на землю в сетях с изолированными нейтралями напряжения фаз относительно земли изменяются, оставаясь неизменными относительно нейтрали системы. 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: β=U_{o к}^(I) / U_ф ≤ 1. Изменение 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 и поврежденную фазу. Устройство общей неселективной сигнализации от замыкания на землю. Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолирован­ной или заземленной нейтралью через дугогасящий реактор 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 (рисунок 14.1,а) или из одного максимального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой последовательности (рисунок 14.1,б). Устройство сигнализации обычно подключается к трансформаторам напряже­ния, установленным на шинах.

Рисунок 14.1 - Схемы устройства неселек-тивной сигнализации при замыканиях на землю

Токовая защита нулевой последовательности. 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 неселективной сигнализации 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 3—20 кВ, име­ющих железобетонные и металлические опоры, и во всех сетях 35 кВ должен быть не более I_MAX<10 А; в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор при напряжении 3—6кВ — не более I_MAX <30 А, при напряжении 10 кВ — не более I_MAX <20 А и при напряжении 15—20 кВ — не более I_MAX <15 A.

Таким образом, допустимые токи замыкания на землю обычно меньше рабочих токов защищаемого элемента.

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 =3 I⁽¹⁾о эк / I_C.З. Ток I⁽¹⁾о эк определяется по режиму с минимально возможным числом включенных линий. Чувствительность защиты считается достаточной, если для воздушных линий K_Ч≥I,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 (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2 - Защита от замыканий на землю с кабельным ТНП

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 трансформаторами тока нулевой последова­тельности можно выполнить защиту, действующую при минималь­ном первичном токе замыкания на землю I₃⁽¹⁾ = 5 А, поэтому эту защиту нельзя применять, например, на линиях торфоразработок. Направленная защита нулевой последовательности, реагирующая на установившиеся токи и напряжения. В настоящее время применяется направленная защита нулевой последовательности от замыкания на землю типа ЗЗП-1 на полупроводниковой элементной базе. Защита предназ­начена для селективного отключения защищаемого присоединения при однофазных замыканиях на землю всетях торфоразработок, карьеров, шахтных сетях и тяговых сетях электрифицированного транспорта напряжением 2—10 кВ с током замыкания на землю от 0,2 до 20 А. Защита имеет малую потребляемую мощность и реаги­рует на ток замыкания, составляющий I_Л⁽¹⁾= 0,07...2А. Она состоит (рисунок 14.3,а)из вторичного измерительного преобразователя тока нулевой последовательности в виде промежуточного трансформато­ра TLA, нагруженного конденсатором С6 {называемого согласую­щим устройством), двухкаскадного избирательного усилителя пере­менного тока на транзисторах VT1 и VT2, схемы сравнения фаз на транзисторах VT3 и VT4 двух электрических величин, пропорцио­нальных току ЗIо и напряжению ЗU₀ нулевой последовательности, и реагирующего элемента ЕА.

Рисунок 14.3 - Схема направленной защиты ЗЗП-1 и векторные диаграммы

Литература1осн [326-342], 2 осн [233-240]. Контрольные вопросы: 1. Схемы устройства неселективной сигнализации.

2.Принцип действия токовой защиты нулевой последовательности. 3.Поясните схему направленной защиты нулевой последовательности, реагирующей на установившиеся токи и напряжения.