9.5.6 Защита кабельных электрических линий от замыканий на землю, реагирующая на естественный емкостной ток. Устройство и особенности конструкций трансформатора тока нулевой последовательности

В сетях с изолированной нейтралью замыкание на землю одной фазы не вызывает короткого замыкания. Такие сети называются сетя­ми с малым током замыкания на землю. Рассмотрим векторные диаг­раммы сети с изолированной нейтралью (рис. 9.43, а и б), полагая для упрощения, что нагрузка линии отключена, а распределенные емкости фаз заменены сосредоточенными С_А, С_В, С_С. В нормальном режиме напряжения фаз А, В и С по отношению к земле равны , , . Эти напряжения образуют симметричную звезду, поэтому напряжение нейтрали N относительно земли равно нулю. Фазные напряжения вы­зывают протекание токов через емкости С_А, С_В, С_С. Векторы этих то­ков опережают векторы соответствующих напряжений на 90° (рис. 9.43, б). Обычно принимают, что емкости С_А, С_В, С_С фаз относительно

Рис. 9.43. Схемы и векторные диаграммы, соответствующие замыканию сети с изолированной нейтралью на землю

земли одинаковы и равны С. Емкостное сопротивление фазы по отно­шению к земле Х_С = 1/ωС. Это сопротивление во много раз больше активного и индуктивного сопротивлений линии, поэтому при вычис­лении токов, протекающих через емкости фаз, последними пренебре­гают.

В этом случае L_А = jωC , L_B = jωC , L_c = jωC . Геомет­рическая сумма этих токов равна нулю, поэтому ток в земле в нормаль­ном режиме отсутствует.

При замыкании одной фазы, например, фазы А, на землю в точке к (рис. 9.43, в) напряжение ее относительно земли становится равным нулю. Напряжение же двух неповрежденных фаз В и С относительно земли и становится равным напряжению этих фаз относительно фазы, замкнувшейся на землю: соответственно и (см. рис. 9.43, г). Из векторной диаграммы видно, что напряжение нейтрали по отноше­нию к земле = - .

Под действием напряжений и через емкости С_В и С_С (см. рис. 9.43, в) протекают токи и , опережающие соответствую­щие напряжения на 90°. Через емкость С_А ток не течет, так как напряже­ние фазы А относительно земли равно нулю. Напряжения неповрежден­ных фаз относительно земли возрастают до линейных, т. е. увеличива­ются в раз, поэтому токи и , также увеличиваются в раз по сравнению с токами и .

Ток I_З в месте повреждения равен взятой с обратным знаком геомет­рической сумме токов и . Как следует из векторной диаграммы рис. 9.43, г, угол между векторами и равен 60°. Поэтому модуль вектора I_З в раз больше, чем модуль вектора или . Учитывая, что последние в свою очередь в раз больше емкостного тока фазы при нормальном режиме, получаем

(9.66)

где U—линейное напряжение сети.

Ток замыкания на землю, как правило, невелик. Тем не менее дли­тельное протекание этого тока в месте повреждения может нарушить изоляцию и замыкание на землю перерастет в междуфазное к.з. Кроме того, возрастание напряжения неповрежденных фаз относительно зем­ли в раз, которым сопровождается замыкание на землю, увеличивает вероятность повреждения междуфазовой изоляции и появления двойных замыканий на землю (замыкание на землю различных фаз в разных точках сети). В последнем случае напряжения прикосновения достигают недопустимых по условиям электробезопасности значений. Поэтому ток замыкания на землю и сетях 6,10 и 35 кВ не должен пре­вышать соответственно 30,20 и 10 Л. Если ток замыкания на землю превышает указанные величины, то нейтраль N трансформатора зазем­ляется через дугогасящую катушку (индуктивность), что ведет к сни­жению емкостного тока.

При малых (5 А и менее) токах замыкания на землю допускается в течение некоторого времени не отключать поврежденную линию, за ис­ключением ряда сетей (например, на торфоразработках, а также линий продольного электроснабжения, прокладываемых по опорам контактной сети), где по условиям электробезопасности или безопасности движения поездов все однофазные замыкания должны немедленно отключаться.

Замыкание на землю может быть глухим, однако, чаще всего оно происходит через значительное переходное сопротивление. В последнем случае напряжение поврежденной фазы до нуля не снижается, а в не­поврежденных фазах оно возрастает менее чем в раз. Поэтому в таком режиме напряжение нулевой последовательности имеет величину меньше фазного напряжения.

В установившемся режиме ток замыкания на землю содержит выс­шие гармоники из-за несинусоидальности фазных токов, вызванной токами намагничивания трансформаторов и нелинейной нагрузкой.

При замыкании фазы на землю возникает переходной процесс, связан­ный с волновым характером разряда емкости поврежденной фазы и заряда емкости поврежденных фаз, при этом возникают высокочастотные состав­ляющие. Если замыкание носит перемежающийся характер (дуга в месте повреждения то зажигается, то гаснет), могут возникать значительные пе­ренапряжения, опасные для изоляции сети и потребителей.

Поскольку ток , как правило, значительно меньше токов между­фазных коротких замыканий и даже меньше токов нормального режи­ма, то максимальные токовые защиты к току оказываются нечувстви­тельными. Для контроля за наличием замыкания одной фазы на землю применяют неселективную сигнализацию, а для защиты используют то­ковую защиту нулевой последовательности, направленную токовую за­щиту нулевой последовательности и ряд других менее распространен­ных защит.

Сигнализацию о замыкании одной фазы на землю можно осуще­ствить с помощью реле напряжения, подключенного к трансформатор­ному фильтру напряжений нулевой последовательности (точки a1 и x1 на рис. 9.43). Такая сигнализация является неселективной, т. е. она не в состоянии определить, на какой из подключенных к шинам линий про­изошло замыкание на землю. Можно также использовать три реле на­пряжения, включаемые через трансформаторы напряжения на фазные напряжения по отношению к земле.

Сигнализацию о наличии замыкания на землю можно выполнить кон­тролируя содержание высших гармоник в токе нулевой последователь­ности. Это осуществляется устройствами селективной сигнализации на землю типа УСЗ (УСЗ 2/2, УСЗ-3, УСЗ-ЗМ), подключенными к выво­дам вторичной обмотки трансформатора тока нулевой последователь­ности. При однофазном замыкании на землю содержание высших гармоник увеличивается (по сравнению с нормальным режи­мом), особенно оно возрастает в токах нулевой последовательности при наличии дугогасящего реактора. Устройство УСЗ 2/2 реагирует на уро­вень высших гармоник в диапазоне частот 150-650 Гц, оно применяет­ся в компенсированных сетях на головных участках линий, отходящих от шин станций и крупных подстанций. Его упрощенная схема приве­дена на рис. 4.20.

Рис. 9.44. Схема устройства УСЗ 2/2

Устройство подключается к трансформатору тока нулевой последо­вательности через согласующий трансформатор TL, ко вторичной об­мотке которого подключены фильтр LC и конденсатор С1. Фильтр LC настроен на частоту 50 Гц. Поскольку сопротивление его для этой частоты очень мало, то основная гармоника замыкается через фильтр и на выпрямитель VD не проходит. Частоты выше 50 Гц и менее 2000 Гц, содержащиеся в токе нулевой последовательности, выпрямляются и выпрямленный ток, пропорциональный величине токов высших гармо­ник (в указанных пределах), поступает на базу транзистора РТУ. Этот транзистор нормально (т. е. при отсутствии тока в резисторе R2) открыт током базы через резистор R3 а транзистор VT2 закрыт и реле K обес­точено. Контакт К1 этого реле замкнут, на тиратрон с холодным катодом VL подается отрицательный потенциал -E_n и он не горит.

При появлении в токе нулевой последовательности высших гармо­ник ток в резисторе R2 увеличивается. Его направление в цепи база-эмиттер транзистора VT1 противоположно току базы, ограниченному резистором R3. Когда ток в резисторе R2 почти сравняется с величиной тока в резисторе R3, транзистор VT1 закроется и конденсатор С2 начнет заряжаться. Этот конденсатор предназначен для отстройки УСЗ от пере­ходных режимов. Устройство не фиксирует однофазные замыкания дли­тельностью менее 40 мс при 5-кратном токе срабатывания. Через 40-50 мс напряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для открытия транзистора VT2. Реле K срабатывает и тиратрон VL зажигается.

При отключении линии или устранении повреждения транзис­тор VT1 открывается, транзистор VT2 закрывается, реле K обесто­чивается. Для того чтобы погасить тиратрон, надо нажать кнопку SB. Регулировка уставки осуществляется резистором R1.

Для селективного действия защит при наличии нескольких отходя­щих линий используют токовую защиту от замыканий на землю, реа­гирующую на ток нулевой последовательности.

Рассмотрим эти возможности более подробно. Систему векторов и (см. рис. 9.43, г) можно разложить на симметричные состав­ляющие. Напряжение прямой последовательности при этом будет рав­но напряжению фазы ( , ) по отношению к земле при отсут­ствии замыкания на землю. Напряжения обратной последовательности отсутствуют, а напряжения нулевой последовательности = = , t. e. взятому с обратным знаком напря­жению, которое имеет поврежденная фаза в нормальном режиме. От­сюда следует, что напряжения в линии при замыкании одной фазы на землю можно найти, если принять, что на систему векторов напряже­ний нормального режима , , накладывается система напряжений нулевой последовательности , , . Векторная диаграмма при этом соответствует рис. 9.43, е. Ток нулевой последовательности равен:

, (9.67)

В этом случае вместо схемы, приведенной на рис. 9.43, в, получим схему, показанную на рис. 9.43, д, в которой глухое короткое замыка­ние в точке к_А замещено тремя источниками напряжения нулевой пос­ледовательности , подключенными между точками к_А, к_В, к_С, распо­ложенными на одинаковом удалении от источника питания, и землей. Из схемы видно, что ток нулевой последовательности^ в одиночной линии протекает только на участке между сосредоточенными емкостя­ми С_А, С_В, С_С и местом короткого замыкания =3 . На головных же участках между источником питания и теми же емкостями ток нулевой последовательности в одиночной линии не протекает. Следовательно, если к шинам источника питания присоединена только одна линия, то защиту, реагирующую на ток нулевой последовательности, устанавли­вать на выключателе этой линии нельзя, поскольку ток нулевой после­довательности на головном участке линии отсутствует.

Если же к шинам источника питания подключены не одна, а несколько отходящих линий, то картина меняется. На рис. 9.43, ж приведена схема питания с двумя отходящими линиями 7 и 2 при замыкании одной фазы линии 1 на землю. Место замыкания на землю замещено тремя источни­ками напряжения нулевой последовательности . Как и при одиночной линии (рис. 9.43, д) ток нулевой последовательности (суммарный) про­ходит на участке между сосредоточенными емкостями поврежденной линии и местом повреждения. Но при двух линиях (рис. 9.43, ж) этот ток в земле раздваивается. Часть тока ( ) проходит через емкости С, сво­ей линии 1, а другая часть тока ( ) проходит через емкости С₂ второй линии и через шины источника возвращается к месту повреждения по линии 1. При нескольких линиях ток нулевой последовательности на го­ловном участке поврежденной линии будет определяться суммарной ем­костью относительно земли всех линий, присоединенных к шинам данно­го источника, кроме емкости данной (поврежденной) линии.

Таким образом, если на поврежденной линии установлен трансформа­тор тока нулевой последовательности (рис. 2.18), то подключенное к его вторичной обмотке реле КА будет реагировать на ток I_ЗЗ

, (9.68)

где i — номер отходящей линии, n — число отходящих линий, С — емкость относительно земли i-ой линии.

В качестве реле КА для защиты по токам нулевой последователь­ности используют реле тока РТЗ-50, РТЗ-51 с электронными усилите­лями. Комплектное устройство защиты типа ЯРЭ-2201 также содержат блоки чувствительных органов для той же цели, выполненные на интег­ральных микросхемах.

Защита, реагирующая на токи нулевой последовательности, не дол­жна излишне срабатывать при повреждении на смежной линии. Уставка срабатывания поэтому выбирается по условию:

, (9.69)

где I_З.1 — емкостный ток при замыкании на землю, обусловленный ем­костью данной (защищаемой) линии; К_ОТС—коэффициент отстройки.

Коэффициент отстройки К_ОТС учитывает броски емкостного тока при переходном процессе. Он принимается равным 4-5 для защиты без выдержки времени и 2-2,5 для защиты с выдержкой времени.

С учетом (4.31) ток I_З.1 равен:

, (9.70)

где С,—емкость данной линии относительно земли.

В практических расчетах для воздушных и кабельных линий ис­пользуют приближенную зависимость. А:

, (9.71)

где U—линейное напряжение, кВ; —длина воздушной части линии, км; —длина кабельной части линии, км. Чувствительность защиты проверяется по условию:

, (9.71)

где I_ЗЗ.min —ток замыкания на землю, протекающий по головному уча­стку поврежденной линии при минимально возможном числе включен­ных линий, вычисляемый по формуле (9.68).

Допускается ток I_ЗЗ.min вычислять по формуле:

, (9.72)

где I_зi — ток i-й неповрежденной линии, вычисляемый по формуле (9.71); n_min —минимально возможное число включенных линий.

Для воздушных линий коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5, для кабельных — не менее 1,25.

При малом числе отходящих от шин линий обеспечить одновре­менное соблюдение условий (9.69) и (9.71) не удается.

В этом случае применяется направленная защита нулевой последо­вательности (рис. 9.45), обладающая более высокой чувствительнос­тью и селективностью. Ее не надо отстраивать от собственных емкост­ных токов защищаемой линии, так как при замыкании на землю на смеж­ной линии эти токи имеют такое направление, при котором направлен­ное реле не срабатывает. В защите используется чувствительное полу­проводниковое реле направления мощности КW типа ЗЗП-1M, которое токовыми выводами подключается к трансформатору тока ТА нулевой последовательности, а выводами обмотки напряже­ния — к выводам a1, x1 фильтра напряжений нулевой последовательно­сти пятистержневого трансформатора напряжения. Вспо­могательное устройство ВУ-1 (см. рис. 9.45) образует резонансный кон­тур на 50 Гц, который предотвращает попадание в реле высших гармо­нических составляющих напряжения нулевой последовательности (как в нормальном режиме, так и при замыкании на землю с перемежаю­щейся дугой), способных вызвать ложное действие защиты. В момент возникновения замыкания на землю возможно образование кратковре­менного всплеска напряжения, который опасен для реле ЗЗП-IM. По­этому подключение последнего к трансформатору напряжения 7Ттипа НТМИ производится контактами реле напряжения KV c небольшой за­держкой, равной времени срабатывания этого реле.

В разветвленных сетях с изолированной нейтралью и большой рас­пределенной емкостью могут возникать феррорезонансные явления, сопровождающиеся внутренними перенапряжениями в трансформаторах НТМИ. Для защиты от таких перенапряжений к вторичной обмотке разомкнутого треугольника каждого трансформатора напряжения подключен резистор R сопротивлением 25 Ом.

Рис. 9.45. Схема направленной защиты нулевой последовательности

Однако эта мера оказывается недостаточной и более эффективные результаты могут быть получены, если величину этого резистора сни­зить до 5 Ом. Чтобы трансформатор напряжения не перегревался при таком низком значении сопротивления, его следует включать автомати­чески только в момент возникновения феррорезонанса и автоматически отключать при исчезновении этого явления. Новые трансформато­ры типа НАМИ такой защиты от перенапряжений не требуют.