Лекция 15. Специальные защиты от замыкания на землю

Токовая защита, реагирующая на высшие гармонические в установившемся 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.

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 нейтралью через дугогасящий реактор при любой степени ком­пенсации емкостных токов.

Разработаны устройства, например УСЗ 2/2, УСЗ-ЗМ и УСЗ-3, предназначенные для селективной сиг­нализации замыканий на землю в кабельных сетях 6—10 кВ с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. На рисунке 15.1 показана в упрощенном виде прин­ципиальная схема устройства УСЗ 2/2.

Рисунок 15.1 - Схема устройства селективной сигнализации при замыкании на землю в кабельных сетях

Согласующий трансформатор TL служит для согласования ра­боты устройства с различными типами ТНП. Измерительная часть определяет наличие высших гармонических в установившемся токе нулевой последовательности. Она состоит из фильтра LC, настроенного на резонансную частоту, близкую к 50 Гц, конденсатора С1, переменного резистора R1 и выпрямителя VS. Конденсатор С1 отфильтровы­вает высшие гармонические частотой 2 кГц и выше. Таким образом, выпрям­ленное напряжение на выходе измерительной части оказывается пропорциональным содержащимся в токе нулевой последовательности всем высшим гармони­ческим частотой более 50 Гц, но менее 2 кГц, Это напряжение подается на вход логической части (базу VT1). Переменный резистор R1 служит для ди­скретного регулирования тока срабатывания: 25, 50, 100 и 250 А.

Логическая и исполнительная части содержат транзисторы VT1, VT2, диоды VD1, VD2, тиратрон с холодным катодом VT3, конденсатор С2, выходное реле К и резисторы R2—R8. В исходном состоянии при отсутст­вии повреждения напряжение на выходе измерительной части тоже отсутствует. При этом транзистор VT1 открыт (R3>R4), а диод VD1 закрыт. Заряд кон­денсатора С2 мал, он определяется падением напряжения на открытом транзи­сторе VT1. Транзистор VT2 закрыт, так как потенциал его базы в связи с от­крытым состоянием транзистора VT1 оказывается более положительным, неже­ли потенциал эмиттера. В этом случае реле К обесточено, его контакт К1 замкнут, на сетку тиратрона VT3 подается отрицательный потенциал и тира­трон не зажжен. При возникновении повреждения на защищаемом участке на выходе измерительного элемента и соответственно между эмиттером и базой транзистора VTI появляется выпрямленное напряжение, открывающее диод VD1. Потенциалы эмиттера и базы транзистора VT1 оказываются одинаковыми и транзистор закрывается. Конденсатор С2 начинает заряжаться. Через некото­рое время напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на базе транзисто­ра VT2 достигнет значения, равного падению напряжения на резисторе R7. Транзистор открывается, реле К срабатывает, контакт К1 размыкается и тира­трон VT3 зажигается. Таким образом, с помощью конденсатора С2 достигается задержка на срабатывание около 30—50 мс, что вполне достаточно для пра­вильного действия защиты при перемежающихся замыканиях и отстройки ее от переходных процессов.

В самом деле, если транзистор VT1 открывается до истечения выдержки времени, создаваемой зарядом конденсатора С2, то конденсатор быстро разрядится через открытый транзистор VTI, а транзистор VT2 или совсем не откры­вается, или ток его коллектора не успеет достигнуть значения, равного току срабатывания реле, т. е. устройство срабатывает только при замыканиях на землю в защищаемой зоне, если оно продолжается не менее 30—50 мс. При устранении повреждения транзисторы VTI, VT2 и реле К возвращаются в ис­ходное состояние, а тиратрон VT3 продолжает гореть до размыкания его цепи кнопочным выключателем SB. При внешних повреждениях уровень высших гармонических и пропорциональное им выпрямленное напряжение оказываются недостаточными для открытия диода VDI и устройство не действует.

Несколько иную схему имеют устройства УСЗ-ЗМ и УСЗ-3. Конструкция устройства УСЗ-ЗМ предусматривает возможность его применения в качестве стационарного и переносного. Устройство УСЗ-3 применяется совместно с токоизмерительными клещами. Защиты, основанные на контроле тока и начального знака мгновенной мощности нулевой последовательности переходного процесса. Для ограничения разрушительного действия дуги при однофаз­ных замыканиях на землю в сетях напряжением 6—35 кВ стремят­ся к полной компенсации тока замыкания на землю током дугогасящего 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 удачно 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_А ≈ U_m). При этом мгновенные зна­чения напряжений двух других фаз U_B=Uc ≈ 0,5U_m. Поэтому в первый момент при замыкании на землю происходит 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_oп⁽¹⁾ (рисунок 15.2,а).

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 или подстан­ции 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 рисунке 15.2, 6. Частота переходного тока повреждения составляет от не­скольких сотен до нескольких тысяч герц (200—3000 Гц), а весь процесс затухает в тече­ние нескольких миллисекунд.

Рисунок 15.2 - Переходный процесс при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью

Приближенно можно счи­тать, что максимальные мгно­венные значения токов в пе­реходном i⁽¹⁾_{oп max} и устано­вившемся i⁽¹⁾_{o max} режимах от­носятся, как их частоты w_n и wo = 50 Гц, т.е. i⁽¹⁾_{oп max}= kw_ni⁽¹⁾_{oп max} / wo, т.е. переходные токи могут в десятки раз превышать токи установившегося режима. В поврежденной линии амплитуда первой полуволны переходно­го тока получается наибольшей.

В компенсированных сетях характер изменения переходных то­ков не изменяется.

Селективное действие защиты обеспечивается благодаря от­стройке ее тока срабатывания от переходных значений емкостных токов I⁽¹⁾_{о л п} , обусловленных емкостью защищаемой линии:

где k_отс = 2,0...2,5.

Основной недостаток защиты, работающей от переходных токов повреждения, состоит в том, 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.

Указанного недостатка не имеет защита, реагирующая на на­чальный знак мощности нулевой последовательности переходного процесса. В переходном процессе возникшее перераспределение фазных напряжений в точке замыкания распространяется с конеч­ной скоростью по линии к шинам в виде электромагнитных волн. Направление распространения волны определяется знаком ее мгновенной мощности p = ui, где u, i — напряжение и ток волны. Таким образом, в начале поврежденной линии мгновенная мощность имеет отрицательный знак, а в начале неповрежденной линии — поло­жительный знак. Это справедливо для сетей любой сложности.

Исследования показывают, что в начальной стадии пере­ходного процесса результирующая мощность нулевой последова­тельности и мощность электромагнитной волны имеют одинаковые знаки. Это позволило выполнить импульсную направленную защиту нулевой последовательности типа ИЗС, подключаемую к стандартным измерительным трансформаторам тока и трансформаторам напряжения. Функциональная схема защиты показана на рисунке 15.3. Устройство выполнено на полупроводниковой элементной базе. Основ­ным органом защиты является импульсное реле направления мощности KW, фиксирующее начальный знак мгновенной мощности переходного процесса при замыканиях на землю.

Рисунок 15.3 - Функциональная схема защиты от замыкания на землю, реагирующей на начальный знак мощности нулевой последовательности переходного процесса