Земляная защита в сетях с изолированной нейтралью

ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ

Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряжений, то они не отражаются на питании потребителей и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не требуют немедленной ликвидации.

Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте повреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в междуфазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети.

ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока I0 и напряжения U0.Простейшим устройством является неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю, реагирующая на 3U0. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV0,которое питается напряжением 3U0 от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника (рис.9.5). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой вариант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА0,включенное в нулевой провод вольтметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Для получения составляющих токов I0 возможно использование трехтрансформаторных фильтров (см. §3.5), применяемых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специальных трансформаторов тока нулевой последовательности (рис.9.6). Как уже отмечалось, токи I3(1) очень малы, поэтому трехтрансформаторные фильтры не могут применяться.

ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Защита реагирует на составляющие НП полного естественного емкостного тока, проходящего по фазам защищаемого присоединения при замыканиях на землю. Схема РЗ дана на рис.9.7. Токовое реле КА служит измерительным органом РЗ оно действует на сигнал через реле времени КТ. Срабатывание РЗ фиксируется указательным реле КН.

НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА

В радиальных сетях, когда собственные емкостные токи отдельных присоединений велики и соизмеримы с полным емкостным током сети, токовая защита неприменима. В этом случае имеется принципиальная возможность использовать направленные защиты, которые не требуется отстраивать от собственных емкостных токов защищаемой линии.

Направленная защита состоит из одного реле мощности, которое включается на ток и напряжение нулевой последовательности (рис.9.9, а).

ЗАЩИТА, РЕАГИРУЮЩАЯ НА ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

В установившемся режиме замыканий на землю емкостные токи повреждения и их составляющие НП содержат кроме тока основной частоты 50 Гц составляющие высших гармоник. В компенсированных сетях ДГР компенсирует только основную гармонику емкостного тока замыкания на землю Iз и 3I0 в поврежденной ЛЭП, высшие гармоники этих токов остаются нескомпенсированными. При этом, вследствие нелинейности характеристики намагничивания ДГР, индуктивный ток реактора IДГР сам содержит высшие гармоники, которые добавляются к гармоникам естественного емкостного тока в поврежденнойЛЗП.

ЗАЩИТЫ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ТОКИ ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА

Токи высокой частоты возникают во время переходного процесса в момент замыкания на землю. Их появление объясняется тем, что в начальный момент замыкания на землю емкость заземлившейся фазы разряжается, а емкости двух других фаз дозаряжаются, поскольку напряжения на них относительно земли возрастают до междуфазного.

Отыскание земли в сети с изолированной нейтралью

В электроустановках рабочим напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью, при повреждении или нарушении изоляции, падении провода и т.д. возникает замыкание на землю. Режим однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью аварийным не является. Следовательно, автоматического отключения поврежденного участка электрической сети не будет.

Данный режим работы является опасным для изоляции оборудования, так как фазные напряжения при этом значительно увеличиваются. Это в свою очередь приводит к пробою изоляции и переходу из однофазного в двухфазное замыкание на землю.

Кроме того, замыкание на землю очень опасно для людей, в частности для обслуживающего персонала (при возникновении повреждения на территории ОРУ или ЗРУ). При этом высока вероятность поражения электрическим током в результате растекания токов на землю (шагового напряжения).

Следовательно, оперативному персоналу, который осуществляет обслуживание электроустановки, необходимо в кратчайший срок устранить возникшее повреждение, то есть определить место повреждения.

Замыкание на землю бывает нескольких видов: металлическое замыкание, неполное замыкание через электрическую дугу и замыкание на землю через поврежденную изоляцию токоведущих частей.

Контроль изоляции в электроустановках 6-35кВ осуществляется при помощи:

— реле минимального напряжения, которые включены на фазные напряжения ТН;

— реле напряжения, которые включены в обмотку разомкнутого треугольника;

— токовых реле, которые включены к выходу фильтра токов нулевой последовательности;

— вольтметров контроля изоляции.

Показания вольтметров контроля изоляции:

— при металлическом замыкании на землю: на поврежденной фазе прибор показывает «ноль», при этом напряжение на двух других фазах увеличивается в 1,73 раза, то есть равно линейному напряжению сети;

— при замыкании на землю через дугу: на поврежденной фазе «ноль», на других фазах напряжение увеличивается в 3,5-4,5 раз;

— при замыкании на землю через сниженное сопротивление изоляции показания вольтметра контроля изоляции несимметричны. Происходит так называемый «перекос» фаз сети.

В зависимости от выполненной схемы контроля изоляции, осуществляется сигнализация «замыкания на землю» с указанием конкретной поврежденной фазы, так и без определения фазы. В последнем случае поврежденная фаза определяется по показаниям киловольтметров контроля изоляции того или иного участка сети. Фиксировать показания вольтметров контроля изоляции необходимо в обоих случаях.

Кроме того, существуют ложное срабатывание сигнала земля.

Перечислим основные причины ложного срабатывания сигнала «земля» в сети 6-35кВ:

— значительное отличие емкостей фаз относительно земли;

— неполнофазное отключение трансформатора;

— подключение к участку сети другого некомпенсированного участка сети, в том числе автоматическое (работа АВР);

— обрыв фазы (перегорание предохранителя) по стороне ВН или НН силового трансформатора. При этом будет незначительный перекос напряжений;

— обрыв фазы (перегорание предохранителей, отключение автоматического выключателя или другая причина) трансформатора напряжения, который предназначен для контроля изоляции данного участка сети. При обрыве фазы по стороне НН одна фаза будет показывать ноль, а две другие фазное напряжение. При обрыве фазы по высокой стороне (ВН) показания приборов контроля изоляции будут несимметричные. При этом определить, сгорел предохранитель или нет по показаниям приборов сложно, так как перекос незначительный.

Рассмотрим случай незначительного перекоса фаз (ложное срабатывание сигнала замыкания на землю). Когда перегорает предохранитель по высокой стороне ТН, кратковременно появляется сигнал «земля», затем наблюдается незначительный перекос фазных и линейных напряжений. Причиной такого перекоса может быть отличные емкости фаз по отношению к земле, несимметричная нагрузка потребителя.

В данном случае можно попробовать поочередно отключить присоединения, которые питаются от данного участка сети (секции или системы шин). Если показания приборов контроля изоляции не изменяются, то высока вероятность того, что причиной такого перекоса напряжений является перегорание предохранителя по стороне ВН трансформатора напряжения.

Действия оперативного персонала электроустановки по отысканию места замыкания на «землю».

Отыскание однофазного замыкания осуществляется при помощи специального прибора или методом поочередных отключений. В данном случае производится поочередное отключение присоединений, запитанных от секции (системы) шин, где ТН показывает наличие повреждения, а также присоединения участков электрической сети, которая электрически связана с этой секцией (системой) шин.

Если после отключения линии сигнал «земля» пропал, то это свидетельствует о том, что замыкание на «землю» было на данной линии. Данное присоединение можно ввести в работу только после выяснения причины возникновения однофазного замыкания.

Если методом поочередных отключений отходящих присоединений поврежденный участок найти не удалось, то следует отключить все присоединения участка сети, где появилась «земля», убедиться в том, что сигнал о однофазном замыкании устранился. Затем необходимо поочередно включить отходящие присоединения. Если включение одной из отходящих линий совпало с появлением сигнала «земля», то данное присоединение необходимо отключить и не вводить в работу до выяснения причины срабатывания сигнала «земля».

Соответственно, если при включении в работу предварительно выведенного в ремонт присоединения появилась «земля» данное присоединение должно быть немедленно отключено.

Бывают также ситуации, когда при отключении всех отходящих линий сигнал «земля» не устраняется. Это свидетельствует о том, что возникло повреждение на оборудовании подстанции, например, на участке от силового трансформатора до секции шин включительно. Прежде всего, необходимо определить, повреждение находится на секции шин или на другом оборудовании (вводной выключатель, ошиновка от силового трансформатора до вводного выключателя).

Для этого отключаем вводной выключатель данной секции, включаем секционный выключатель. Если по секции, к которой присоединен этот участок сети, появился сигнал «земля», то повреждение находится на секции шин. Поврежденная секция должна быть выведена в ремонт для устранения повреждения.

Если сигнал «земля» отсутствует, то повреждение находится на участке от силового трансформатора до вводного выключателя секции включительно. В данном случае необходимо произвести осмотр оборудования данного участка распределительного устройства на предмет наличия повреждений. Если причиной возникновения «земли» является пробой изоляции, то, скорее всего, визуально повреждение найти не удастся.

Для отыскания повреждения необходимо вывести данный участок распределительного устройства в ремонт. Отыскание дефекта изоляции производится электролабораторными испытаниями оборудования.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Защита сетей с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Зацаринная Ю.Н., Рахматуллин Р.Р., Хабибуллин М.Н.

В статье рассматриваются основные виды повреждения сетей с изолированной нейтралью . Способы защиты сетей сизолированной нейтралью.

Текст научной работы на тему «Защита сетей с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю»

Ю. Н. Зацаринная, Р. Р. Рахматуллин, М. Н. Хабибуллин

ЗАЩИТА СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Ключевые слова: сети с изолированной нейтралью, релейная защита, виды повреждений сети с изолированной нейтралью.

В статье рассматриваются основные виды повреждения сетей с изолированной нейтралью. Способы защиты сетей сизолированной нейтралью.

Keywords: networks with isolated neutral, relay protection, types of in juries insulated neutral.

This article focuses on the main types of damage to networks with isolated neutral and discusses ways to protect networks with isolated neutral.

Режим изолированной нейтрали используется в единой энергетичесокой системе (ЕЭС) России достаточно давно и большинство сетей 6-35 кВ работает именно с этим режимом заземления нейтрали. На рисунке 1 изображена двухтрансформаторная подстанция с изолированной нейтралью на стороне среднего напряжения. Из рисунка видно, что обмотки трансформаторов стороны 6-10 кВ объединены в треугольник и, соответственно, нейтральная точка физически отсутствует. В сетях 35 кВ с изолированной нейтралью нейтральная точка в большинстве случаев присутствует, т. к обмотки силовых трансформаторов обычно соединяют в звезду и выводят нейтральную точку на крышку бака трансформатора при помощи проходного изолятора.

В настоящее время большинство случаев (8090%) повреждений в сетях с изолированной нейтралью (6-35 кВ) вызвано однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ). В связи с этим актуальна проблема селективного срабатывания релейной защиты при данном виде повреждений.

Многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтралью, накопленный во многих странах мира (в том числе и в РФ), позволяет говорить о следующих существенных недостатках режима изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ: • Пробои изоляции и дуговые перенапряжения при однофазных замыканиях на землю в сети;

• повреждения трансформаторов напряжения при замыканиях на землю;

• возможность возникновения повреждений изоляции одновременно в нескольких местах (одновременное повреждение изоляции нескольких фидеров) при ОЗЗ;

• сложность определения места повреждения (места замыкания);

• возможность неправильной работы релейной защиты от однофазных замыканий на землю;

• опасность электрического поражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети.

Но при этом есть одно неоспоримое преимущество — малый ток однофазных замыканий на землю. В результате этого можно сделать следующие выводы:

• увеличивается срок службы выключателей;

• снижаются требования к заземляющим устройствам, определяемые условиями электробезопасности при однофазных замыканиях на землю.

Большинство оборудования релейной защиты от ОЗЗ настраиваются по токам нулевой последовательности Ь и напряжениям нулевой последовательности «-V При этом защиты можно подразделить на два вида:

• защиты, срабатывающие при ОЗЗ и образующемся при этом токе нулевой

нулевой последовательности • защиты, срабатывающие при ОЗЗ и созданном искусственно токе нулевой последовательности на частоте, отличной от промышленной (50 Гц).

Защиты первого вида рассчитаны на работу с ^о, ^ о первой гармоники и промышленной частоты. Все защиты, основанные на фиксации токов и напряжений нулевой последовательности, позволяют обнаружить возникновение замыкания, определить поврежденный фидер.

Для выбора параметров срабатывания токовой защиты нулевой последовательности используют формулы (1) — (2).

где сг, — ток нулевой последовательности срабатывания защиты, ^гр- коэффициент броска, учитывающий увеличение емкостного тока ^ при дуговых перемежающихся 033. — коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле тока,

ошибки при расчетах Ъ. Принимают ^¿р = ^ — ■»■;т;=—

-:: в зависимости от исполнения защиты.

где ^ИС=Х25 дЛЯ трехтрансформаторных фильтров тока нулевой последовательности, ^¡таи — максимальный ток небаланса.

Для выбора параметров срабатывания защиты напряжения нулевой последовательности используют формулы (3) — (4).

где ^о — напряжение нулевой последовательности срабатывания защиты, — коэффициент

отстройки, учитывающий погрешности реле и необходимый запас (^ии= ^о ньгешс —

максимальное напряжение небаланса фильтра напряжения нулевой последовательности.

где ^еггсих — максимальное напряжение в сети среднего напряжения при ОЗЗ.

При этом данные защиты не способны определить расстояние до места повреждения. Для определения дальности места замыкания используются дистанционные защиты, основным элементом которых является реле сопротивления, реагирующее на полное (активное и реактивное) сопротивление участка до места повреждения А-..

Сопротивление вычисляется исходя из аварийного тока и напряжения в начале линии по формуле (5).

Таким образом, зная погонное сопротивление линии ^r.zr и, измерив, ^г. находится расстояние до места замыкания подформуле (6).

» (6) Недостатком дистанционных защит

считается тот факт, что они не способны определить на какой отпайке произошло замыкание, а способны лишь определять дальность от места повреждения.

Таким образом на сегодняшний день нет единой оптимальной защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью и в ЕЭС России используют комбинированную защиту, состоящую одновременно из нескольких видов защит.

1. Шуин В. А., Гусенков А. В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. — М.: Энергопрогресс, 2001.

2. Титенков С. С., Пугачев А. А. Режимы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и организация релейной защиты/ С. С. Титенков, А. А. Пугачев // Энергоэксперт. — 2010. — №2 — С. 18-25.

3. Зацаринная Ю. Н., Рахматуллин Р.Р., Хабибуллин М. Н. Снижение себестоимости электроэнергии на тепловых электрических станциях / Ю. Н. Зацаринная, Р. Р. Рахматуллин, М. Н. Хабибуллин // Вестник Казанского технологического университета. — 2013. -№8 — С. 106-109.

4. Зацаринная Ю. Н., Рахматуллин Р. Р., Ризванова Г. И. Информационная транспортная шина предприятий (ESB) в распределенных энергетических компаниях / Ю. Н. Зацаринная, Р. Р. Рахматуллин, Г. И. Ризванова // Вестник Казанского технологического университета. . -2013. — №5 — С. 278-280.

Защита от замыканий на землю в сетях с изолированной и эффективно-заземленными нейтралями

Замыкание одной фазы на землю в сети с незаземленной или резонансно-заземленной нейтралью не cопровождается протеканием больших токов. Такой режим работы сети не является нормальным, но допускается в течении двух часов, то есть не требует немедленного отключения поврежденного участка. Основная задача релейной защиты в этом случае состоит в определении момента возникновения повреждения и определении поврежденной фазы.

В течении двух часов после возникновения повреждения (однофазного замыкания на землю) оно должно быть устранено. Если это невозможно, то линию разгружают, а потребителей переводят на другой источник питания.

В месте замыкания на землю протекает емкостной ток, величина которого зависит от протяженности и разветвленности сети.

Отыскание места замыкания на землю производится с помощью общих или индивидуальных устройств сигнализации. Общая сигнализация при замыканиях на землю выполняется одним из способов, показанных на рис.36.

Наиболее простым способом является включение трех вольтметров PV на фазные напряжения (рис.36а). Такие устройства, называемые контролем изоляции, имеются на каждой электростанции и подстанции. Нормально вольтметры показывают равные по значению фазные напряжения. При глухом (металлическом) замыкании на землю одной из фаз напряжение этой фазы относительно земли станет равным нулю, а напряжения двух других фаз возрастут и станут равными междуфазному. Соответственно этому изменятся показания вольтметров. Если замыкание на землю будет не глухим, а через переходное сопротивление, то напряжение поврежденной фазы понизится, а неповрежденных фаз повысится в меньшей степени, чем в первом случае, что также отразится на показаниях вольтметров. Таким образом, изменение показаний вольтметров сигнализирует о возникновении замыкания на землю и указывает поврежденную фазу.

Иногда для получения звукового сигнала в провод, соединяющий нулевую точку вольтметров с нулевым проводом от трансформатора напряжения TV, включается указательное реле. Нормально, когда сумма фазных напряжений равна нулю, реле не работает. При замыканиях на землю напряжение нулевой точки вольтметров становится равным сумме фазных напряжений неповрежденных фаз. Под влиянием этого напряжения реле KH срабатывает и подает сигнал.

Рис.36. Устройства общей сигнализации при замыканиях на землю

Устройство по схеме рис.36б состоит из трех реле минимального напряжения KV. При замыкании на землю реле, включенное на напряжение поврежденной фазы, срабатывает и подает сигнал. Поврежденная фаза определяется по выпавшим флажкам указательных реле KH (на рис.36 не показано).

Устройство по схеме рис.36в состоит из реле напряжения КV, включенного на специальную обмотку трансформатора напряжения TV, соединенную по схеме фильтра напряжения нулевой последовательности. При возникновении замыкания на землю на специальной обмотке появляется напряжение, реле KV срабатывает и подает общий сигнал. По получении общего сигнала отыскание поврежденной линии производится поочередным кратковременным отключением и обратным включением линий, питающихся от шин подстанции. Поврежденная линия определяется по исчезновению сигнала «земля» в момент отключения линии. Такой способ применяется в основном на небольших подстанциях и при неразветвленной сети.

На электростанциях и подстанциях с большим количеством линий и при разветвленной сети такой способ не обеспечивает достаточно быстрого отыскания поврежденной линии. Поэтому кроме контроля изоляции устанавливается на каждой линии устанавливается селективная защита от замыканий на землю.

Рис.37. Прохождение токов замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

Так как линия является элементом сети с распределенными параметрами, то токи нулевой последовательности в различных точках сети различны (рис. 37).

Наибольшие токи поврежденной линии протекают в голове линии. В поврежденной линии течет суммарный ток, обусловленный емкостью всей сети. Направление тока у неповрежденных линий к шинам, у поврежденной от шин подстанции. Поэтому в сетях с малым током замыкания на землю можно создать защиту, реагирующую как некоторую тока, так и на его направление.

Широкое распространение получила защита, реагирующая на абсолютную величину суммарного емкостного тока (рис. 38).

Величина тока замыкания на землю в сети 6-35 кВ порядка 6-20 А. Это в десятки раз меньше номинального тока измерительного трансформатора. Поэтому обычные трансформаторы тока для защит от замыканий на землю непригодны. Используются специальные трансформаторы нулевой последовательности TAZ (рис. 39) состоящие из тороидального сердечника, на который намотана вторичная обмотка. Первичной обмоткой является кабель или кабельная вставка на воздушной линии.

Рис.38. Схема защиты реагирующей на суммарный емкостный ток

Рис.39. Конструкция трансформатора тока нулевой последовательности

В нормальном режиме работы сумма потоков фаз равна нулю.

При возникновении замыкания на землю суммарный магнитный поток равен сумме нескомпенсированных потоков нулевой последовательности:

Этот поток наводит во вторичной обмотке э.д.с., под действием которой в обмотке реле KA протекает ток, приводящий к срабатыванию защиты.

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 трансформатора нулевой последовательности до воронки изолируют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке кабеля и пропускают через отверстие магнитопровода трансформатора нулевой последовательности в направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по броне и проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвращающимися по заземляющему проводу.

Рис.40. Схема установки трансформатора на кабеле

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 I_З =5 А, поэтому эту защиту нельзя применять, например, на линиях торфоразработок.

Условия выбора тока срабатывания защиты:

где =1,1; – коэффициент, учитывающий бросок тока в первый момент времени после возникновения замыкания на землю; = 4…5, при = 0; = 2…3, при >0; – суммарный емкостной ток, протекающий через данную защиту при замыкании на землю на соседнем присоединении; — ток небаланса.

Из двух условий второе является расчетным. Если оно выполняется, то выполняется и первое.

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности:

где 3×I₀ – емкостной ток, протекающий через защиту при повреждении на данной линии.

Допускаются следующие значения: ³1,25 для кабельных линий; ³1,5 для воздушных линий.

Лучшие результаты обеспечиваются если защита будет направленной. Реле мощности подключается к кабельному трансформатору тока и к обмотке трансформатора напряжения, соединенной по схеме разомкнутого треугольника. При этом включение производится так, чтобы реле действовало на замыкание контактов, когда ток замыкания на землю проходит в направлении от шин подстанции в линию, что имеет место только на поврежденной линии. На неповрежденных линиях ток замыкания на землю направлен к шинам подстанции, поэтому защита на неповрежденных линиях работать не будет. Благодаря направленности действия защита этого типа не требует отстройки от собственного емкостного тока линий и поэтому, как правило, обеспечивает необходимую чувствительность.

В схемах защиты используются специальные реле мощности, которые имеют значительно меньшее потребление, чем индукционные реле мощности. Защита может применяться в некомпенсированных или не полностью компенсированных сетях. В перекомпенсированных сетях она применяться не может, так как ток замыкания на землю в таких сетях имеет одинаковое направление в поврежденной и неповрежденных линиях.

Данная защита оказывается чувствительной при емкостном токе I_С ³ 5 А. Если нейтраль трансформатора заземлена через дугогасящий реактор, то емкостной ток будет скомпенсирован индуктивным. Защита работать не будет.

В таких случаях используются защиты, реагирующие на емкостные токи переходного процесса и защиты, реагирующая на некомпенсированные токи высших гармоник.

Пробой изоляции фазы обычно происходит в момент, когда амплитуда фазного напряжения максимальна. В первый момент времени емкость поврежденной фазы разряжается на землю. Фазное напряжение уменьшается до нуля. По линии текут емкостные токи. В следующий момент времени емкости здоровых фаз заряжаются и их напряжение возрастает до линейного. По здоровым фазам текут волны емкостных зарядных токов, в несколько раз превышающих величину емкостного тока установившегося процесса. Индуктивный ток катушки отстает от емкостного и в течении нескольких микросекунд он остается нескомпенсированным.

В защитах,реагирующие на емкостные токи переходного процесса применяются специальные быстродействующие реле, реагирующие на переходный процесс неповрежденной фазы.

В сети имеется большое количество источников высших гармоник. Их источниками являются генераторы, силовые трансформаторы, тиристорные преобразователи и другой оборудование. 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 токе нулевой последовательности неповрежденных линий. Такой положение наблюдается как в сети с изолированной нейтралью, так и в сети с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Дугогасящий реактор только увеличивает содержание высших гармонических в токе нулевой последовательности поврежденной линии. Поэтому для определения замыкания на землю применяется защита, реагирующая на некомпенсированные токи высших гармоник (рис. 41).

Рис.41. Схема защиты, реагирующей на некомпенсированные токи высших гармоник

На рис.41 фильтр высших гармоник (ФВГ) пропускает только токи высших гармоник, повышая чувствительность защиты.

Виды защит от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ)

Факторы, влияющие на работы защит от ОЗЗ

Проблема массового применения защит от ОЗЗ состоит в том, что большинство используемых на данный момент устройств показывают низкую эффективность из-за частых отказов в срабатывании, ложных и излишних срабатываний. Низкая эффективность данных защит связана со сложностью и многообразием факторов, связанных с протеканием процессов, которые используются для защит от замыканий на землю. Основные факторы, влияющие на работу защиты от замыканий на землю, это:

1. Вид замыкания (металлическая связь, замыкание через переходное сопротивление, замыкание через дугу);

2. Устойчивость замыкания (устойчивые и неустойчивые: прерывистое замыкание и замыкание через перемежающуюся дугу);

3. Наличие небалансов в сети;

4. Переходные процессы схожие с процессами при ОЗЗ (включение линии, наводка от других ЛЭП при ОЗЗ на них и т.д.).

Рассмотрим различные варианты защиты от ОЗЗ по мере повышения их сложности и эффективности. В основном можно разделить защиты от ОЗЗ на два типа — индивидуальные и централизованные защиты.

Индивидуальные защиты – решение прошлого века

Индивидуальные защиты наиболее просты, но при этом имеют высокий процент ложных срабатываний.

1.Токовая защита нулевой последовательности.

Наиболее простой и распространенной из защит от ОЗЗ является токовая индивидуальная защита нулевой последовательности, реагирующая на ток нулевой последовательности (далее НП) рабочей частоты. Однако для обеспечения условия селективности действия эти защиты должны отстраиваться от собственного ёмкостного тока фидера, что с учетом бросков ёмкостного тока в момент замыкания ограничивает чувствительность защиты.

В целом индивидуальные ненаправленные токовые защиты от ОЗЗ могут быть эффективны лишь в установках, с большим количеством подключенных к секции присоединений, каждое из которых имеет малый емкостный ток. Тогда отстройка от этого тока не приведет к недопустимому снижению чувствительности. Этот случай характерен, например, для цехов предприятий с большим количеством маломощных электродвигателей, включенных через короткие кабели. Однако если в такой сети установлен дугогасящий реактор, то защита, построенная на данном принципе не способна обеспечить устойчивость функционирования, так как емкостной ток 50 Гц поврежденного присоединения будет скомпенсирован.

2.Токовая направленная защита нулевой последовательности .

Защиты, использующие только один сигнал тока НП, несмотря на свою простоту, имеют существенные недостатки, которые будут приводить к их неселективным действиям. В ходе дальнейшего усовершенствования таких защит стали использовать два сигнала – ток и напряжение НП для определения направления. Большое число направленных защит реагируют на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме. Чувствительность таких защит выше, чем ненаправленных, так как их ток срабатывания отстраивается только от тока небаланса в максимальном рабочем режиме, а отстройка защиты от собственного ёмкостного тока линии не требуется, поскольку от этого тока она отстроена по направлению. Общим недостатком защит такого типа являются их неселективные действия или отказ в срабатывании при перемежающихся дуговых ОЗЗ.

3.Защита по активной мощности нулевой последовательности.

Другим методом определения поврежденного присоединения с использованием сигналов тока и напряжения НП является расчет активной мощности нулевой последовательности в установившемся режиме. Защиты, реализованные на этом принципе, обладают более высокой устойчивостью функционирования в режимах с перемежающейся дугой в месте ОЗЗ и отстроены в большей мере от бросков ёмкостных токов в переходных процессах. Обеспечить стабильное функционирование таких защит возможно в основном в сетях с резистивным заземлением нейтрали.

4.Защита нулевой последовательности на токах высших гармоник.

Так как основной недостаток защит, использующих токи и напряжения НП промышленной частоты, в том, что они не способны работать в сетях с компенсированной нейтралью из-за отсутствия устойчивого полезного сигнала 50 Гц, то были разработаны защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на высшие гармоники электрических величин. При возникновении дуговых ОЗЗ содержание высших гармонических составляющих в сети резко увеличивается, особенно в токе повреждённой линии, где их доля значительно больше, чем в токах нулевой последовательности неповреждённых линий. Эти процессы наблюдаются в сетях всех видов заземления нейтрали.

Общие недостатки устройств, выполненных с использованием высших гармоник:

— вероятность отказа в срабатывании при ОЗЗ через переходные сопротивления;

— нестабильность состава и уровня высших гармоник в токе НП.

Условия селективности несрабатывания при внешних ОЗЗ и устойчивости срабатывания при внутренних повреждениях для устройств абсолютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присоединений.

5. Защита, реагирующая на наложенный ток.

Для повышения устойчивости функционирования защит от однофазных замыканий на землю, реагирующих на ток замыкания не промышленной частоты, была разработана защита, реагирующая на наложенный ток. Наложенный ток может быть частотой как выше промышленной, так и ниже. Для создания тока повышенной частоты возможно использование нелинейного сопротивления, включенного между нейтралью сети и землёй. Однако данное устройство значительно повышает стоимость таких защит и может снизить надёжность функционирования защиты. Также можно отметить тот факт, что значительная высокочастотная составляющая может присутствовать в токах присоединений и в нормальном режиме. Это в первую очередь относится к сетям, связанным с производствами, имеющими нелинейную нагрузку. В таких случаях описанный способ защиты непригоден. Кроме того, как показывают некоторые исследования, гармоники с частотой 100 Гц появляются почти в 2 раза чаще, чем, например, с частотой 25 Гц и амплитуды их намного больше.

К основным недостаткам защит, реагирующих на наложенный ток частотой ниже промышленной, можно отнести необходимость подключения в нейтрали сети специального устройства для создания контрольного тока, влияние на устойчивость функционирования защиты погрешностей ТТНП, возрастающих при уменьшении рабочей частоты, усложнение схемы первичной коммутации из-за необходимости подключения источника наложенного тока и трудности подключения источника вспомогательного тока при использовании в сети нескольких ДГР, установленных на разных объектах. Также не исключены сложности отстройки от естественных гармонических составляющих при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ, при которых спектр тока зависит от параметров сети и режима заземления её нейтрали, положения точки ОЗЗ в сети.

Централизация – решения проблемы с землей

Защиты на централизованном принципе лишены недостатков индивидуальных защит, таких как ложные срабатывания, связанные с переходными процессами на неповрежденных линиях. В централизованных защитах в основном применяют сравнение амплитудных или действующих значений токов нулевой последовательности. Поврежденный фидер определяется на основе сравнения токов нулевой последовательности по всем присоединениям и выборе присоединения с максимальным током нулевой последовательности. Расчет этих значений может проводиться как в начальный момент времени, то есть, основываясь на переходных величинах замыкания, так и в установившемся режиме. Кроме того, возможно применение высших гармонических составляющих токов нулевой последовательности либо наложенного тока с частотой, отличной от промышленной. Для расширения области применения на подстанциях с большим числом присоединений, возможно введение в такие защиты дополнительной информации, которая позволяет произвести отстройку от действия в некоторых сложных режимах, например, получение информации о напряжении нулевой последовательности с другой секции шин подстанции может повысить чувствительность.

1.Централизованная защита с поочередным опросом каналов.

Первые централизованные защиты в силу отсутствия быстродействующих микропроцессорных систем использовали последовательное сравнение токов нулевой последовательности между каждым присоединениям с целью выявить присоединение с максимальном током замыкания на землю. По этой причине данные системы не имели широкого распространения, так как при большом количестве присоединений время обработки сигналов доходило до 9 секунд.

2.Централизованная защита с параллельным опросом каналов.

За счет применения микропроцессорных систем и специальных физических элементов для устройств релейной защиты появилась возможность реализовать параллельное сравнение токов нулевой последовательности между каждым присоединением. Первые такие системы сравнивали амплитуды переходных токов, но в дальнейшем как показала практика данные системы имели ложные срабатывания из-за несинхронности или несинфазности сравниваемых сигналов, поскольку частоты и фазы переходных токов в повреждённом и неповреждённых присоединениях могут различаться между собой.

3.Централизованная защита с параллельным синхронизированным опросом каналов.

Следующий шаг в развитии защит от ОЗЗ требовал разработку устройств защиты, работающих в режиме импульсного сравнения токов нулевой последовательности во всех присоединениях, тем самым устраняя влияния несинфазности и несинхронности сравниваемых сигналов. Одной из таких разработок является защита типа Геум производства НПП «Микропроцессорные технологии» для сетей с изолированной (также способно работать и с резистивно-заземленной нейтралью) и компенсированной (комбинированной) нейтралью. Защита по принципу действия является централизованной токовой ненаправленной, сравнивающей амплитуды бросков емкостных токов нулевой последовательности во всех присоединениях защищаемой секции в момент срабатывания пускового органа, включенного на напряжение нулевой последовательности и определяющей повреждённое присоединение по наибольшей амплитуде. Ток срабатывания этой защиты не требуется отстраивать от ёмкостного тока каждого из защищаемых присоединений, что существенно повышает чувствительность защиты и тем самым выгодно отличает её от описанных ранее устройств ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности. Являясь передовой разработкой в выявлении ОЗЗ данная защита, основываясь только на алгоритме относительного замера не способна охватить все многообразие режимов связанных с процессами, влияющими на работу защит от ОЗЗ, которые описаны выше. Таким образом, в данную защиту были внедрены еще дополнительные алгоритмы.