Презентация на тему Защита электрических сетей с малыми токами замыкания на землю

ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

ЗЕМЛЮ
ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ 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.

ЗЕМЛЮ

В отличие от сети с глухо заземлённой 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. Поэтому применительно к данным сетям говорят о замыкании на землю, а не о коротком замыкании на землю!
Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в се­ти и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (Кз(1)) в режиме когда нейт­раль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЭДС фаз источника питания. На рис, 11.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть.

ЗЕМЛЮ


Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью

С0. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.
В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напря­жениям UA, UB, Uc, которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания ЕА, Ев, Ес. Векторы этих фазных на­пряжений образуют симметричную звезду (рис. 11.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: UN = 0. Под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли Са, Св,Сс проходят токи, опережающие фазные напряжения на 900.

ЗЕМЛЮ












Рис. 11.2. Векторные диаграммы фазных токво и напряжений:
а -

в нормальном, симметричном режиме; б - при замыкании одной фазы на землю

а)

б)

ЗЕМЛЮ

IA = UA/-jХC; IB = UB/-jХC ; IC

= UC/-jХC (11.1)

где XC = 1/ωC0.
Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I0 отсутствует (рис. 11.2, a).
Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (см. рис. 11.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (Ua = 0). Напряжение нейтрали UN(t) по отношению к земле становится равным UN = UKN (рис. 11.1 и 11.2,6), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:
UN = UKN = -EA (11.2)
Напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышаются до между фазных значений UB = UBA и UC = UCA Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рис. 11.1 и 11.2.

ЗЕМЛЮ









Рис. 11.3. Протекание токов нулевой последовательности при замыкании на

землю в сети с изолированной нейтралью

ЗЕМЛЮ Компенсированная сеть. Рассмотрим сеть, нейтраль которой заземлена через дугогасящий

реактор ДГР, предназначенный для компенсации емкостных токов в месте повреждения (рис. 11.4). При замыкании на землю напряжения во всех точках такой сети имеют те же значения, что и в сети с изолированной нейтралью. При наличии ДГР под действием напряжения U0K = UN = -EA возникает индуктивный ток IДГР, который проходит по замкнувшейся на землю фазе А поврежденной ЛЭП W1 к месту замыкания К и по земле возвращается в ДГР:

ЗЕМЛЮ
Рис. 11.4. Токи нулевой последовательности при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР или активное сопротивление:
а – распределение токов
б – векторная диаграмма

ЗЕМЛЮ

I­ДГР = -EA/XДГР. Этот ток накладывается на емкостный ток

I3(C).
Являясь индуктивным, IДГР противоположен по фазе I3(C). Результирующий ток
I3 = I­ДГР + I3(C) = EA/XДГР + 3EA ω C0.

При полной компенсации, которую обычно стремятся обеспечить, I­ДГР = I3(C) = 3EA ω C0, и тогда результирующий ток I3 = 0.
Емкостный ток НП I0(C) (рис.11.4, а) проходит по всем неповрежденным и поврежденной ЛЭП. Ток I­ДГР проходит только по поврежденному присоединению W1. Ток I0 в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка его изолирована. В неповрежденных ЛЭП (wn) сумма фазных емкостных токов при замыканиях на землю всегда отлична от нуля и равна 3I0(C)Wn Токи I0(C)Wn направлены к шинам, их значения определяются емкостями С0 ЛЭП:

∑n IФWn = ∑n 3I0Wn = ∑n 3U0K ω C0 Wn (11.10)

ЗЕМЛЮ

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 между, фазное 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.
В России принято выполнять РЗ от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью с действием на сигнал. Дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки поврежденной ЛЭП на другой источник питания, разгружая поврежденную ЛЭП, и затем отключает ее. В современных разветвленных городских сетях 6-10 кВ эти операции требуют значительных переключений, затягивающих ликвидацию повреждений. Поэтому в автоматизированных сетях целесообразно применять селективную защиту с действием на отключение повреждения.

ЗЕМЛЮ

Защиты от замыканий на землю независимо от режима компенсации

должны быть селективными, иметь высокую чувствительность; последнее вызывается тем, что токи, на которые реагирует РЗ, очень малы.
Особые требования предъявляются к РЗ от замыканий на землю в сетях, питающих электродвигатели шахт, торфоразработок, карьеров и передвижных установок. Здесь представляет опасность ''напряжение прикосновения" и переход замыкания на землю одной фазы в двойное замыкание. При двойном замыкании на землю "шаговое напряжение" и "напряжение прикосновения" достигают значений, опасных для людей, обслуживающих установки. Поэтому для безопасности персонала, ведущего добычу торфа, РЗ от замыкания на землю в таких сетях должна при появлении "земли" немедленно отключить поврежденный участок. Эти РЗ должны отличаться особенно высокой чувствительностью, так как емкостные токи в сетях, питающих торфоразработки, обычно не превышают 0,5-1 А. Замыкания на землю в воздушных сетях, особенно в населенных районах, также целесообразно отключать от РЗ для обеспечения безопасности населения. Защита должна надежно действовать как при металлическом, так и при неполном

ЗЕМЛЮ

замыкании через переходное сопротивление RП. Чувствительность РЗ считается достаточной,

если она действует с kЧ более 1.25 для кабельных и 1.5 для воздушных ЛЭП.
11.3. 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. 11.5). 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 даст реле КА0, включенное в нулевой провод вольтметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

ЗЕМЛЮ
Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способной определять, на каком

участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые ненаправленные и направленные РЗ, реагирующие на составляющие НП.
Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре группы защиты, реагирующие:
1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ возможен только при отсутствии компенсации или при наличии перекомпенсации емкостного тока сети);











Рис. 11.5. Схема неселективной сигнализации
при замыканиях на землю

ЗЕМЛЮ

2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;
3) на токи

высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в установившемся режиме;
4) на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания.
11.4. ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Для получении составляющих током I0 возможно использование трехтрансформаторных фильтров, применяемых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специальных трансформаторов тока нулевой последовательности (рис. 11.6). Как уже отмечалось, токи очень малы, поэтому трехтрансформаторные фильтры не могут применяться.
Действительно, выполнение чувствительной селективной сигнализации с использованием обычных трансформаторов тока и электромеханических реле встречает ряд серьезных трудностей:

ЗЕМЛЮ

1) номинальный ток обычных ТТ выбирается по току

на­грузки линии, и поэтому они имеют сравнительно большие коэффициенты трансформации. Вследствие этого вторичный ток замыкания на землю имеет очень малое значение. Так, например, если ток замыкания на землю составляет 18 А, а ТТ имеют коэффициент трансформации 600/5, то вторичный ток равен 0,15 А;
2) для включения на такой ток необходимо выбрать самое чувствительное токовое реле РТ 40/0.2, которое имеет сопро­тивление обмоток 80 Ом. Включение реле с такими большими сопротивлениями приводит к тому, что только часть тока по­падает в реле, а другая часть, называемая «током отсоса», беспо­лезно замыкается через вторичные обмотки ТТ неповрежден­ных фаз. Ток отсоса может достигать 40-50%.
Значительно большую чувствительность обеспечивает сиг­нализация при однофазных замыканиях на землю, выполня­емая на специальных ТТ, имеющих на выходе ма­лые токи небаланса и позволяющие благодаря этому выпол­нить более чувствительные РЗ.

ЗЕМЛЮ
Рис.11.6. Трансформатор тока нулевой последовательности: а – устройство; б

– схема замещения; в – установка ТНП на кабеле; 1 – магнитопровод; 2 – обмотка; 3 – трехфазный силовой кабель

Ф­РЕЗ = ФА + ФВ + ФС

Изолировано по отношению к воронке кабеля

ЗЕМЛЮ

Устройство ТНП показано на рис. 11.6, а. Магнитопровод 1,

собранный из листов трансформаторной стали, имеет обычно форму кольца или прямоугольника, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20 /30.
Токи фаз IА, IВ и IС создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки ФА, ФВ, ФС, которые, складываясь, образуют результирующий поток:

Фрез = ФА + ФВ + ФС (11.16)

Так как сумма токов IА + IВ + IС = 3I0 то можно сказать, что результирующий поток, создаваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока НП: ФРЕЗ = k * 3I0 (11.17)

ЗЕМЛЮ


Поток ФРЕЗ, а следовательно, вторичная ЭДС Е2 и вторичный

ток I2 могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, проходящие через ТНП, содержат составляющую I0. Поэтому ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз IA + IB + IC = 0, и поэтому ток в реле отсутствует (ФРЕЗ = 0).
Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз с вторичной обмоткой различны, несмотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (ФРЕЗ = ФНБ), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток IНБ.

ЗЕМЛЮ

Ток небаланса ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном фильтре.

Это объясняется тем, что в последнем суммируются вторичные токи, которые искажены погрешностью трансформации (IНАМ), особенно проявляющейся при насыщении стали сердечника при токах КЗ, о то время как в ТНП трансформация тока не вызывает небаланса. В ТНП суммируются магнитодвижущие силы одновитковых первичных обмоток, сумма которых при между фазных КЗ равна нулю. Ток IНБ во вторичной обмотке ТНП зависит только от несимметрии расположения фаз первичного тока.
Для получения наибольшей мощности от ТНП, а следовательно, и максимальной чувствительности реле, питающихся от ТНП, сопротивление обмотки реле должно равняться сопротивлению ТНП. Пренебрегая сопротивлением вторичной обмотки ZP, согласно рис. 11.6,б получаем ZТНП = ZНАМ; тогда условие отдачи максимальной мощности можно выразить равенством

ZP = ZНАМ (11.18)

Из эквивалентной схемы THП (рис. 11.6,6) видно, что при выполнении условия (11.18) вторичный ток, поступающий в реле, и ток намагничивания оказываются одинаковыми:

ЗЕМЛЮ

IНАМ = IP. Отсюда следует, что погрешность ТНП достигает

примерно 50%. При столь большой погрешности нельзя вычислять вторичный ток по первичному, пользуясь коэффициентом трансформации k1 = w2/w1. Поэтому чувствительность зашиты, включенной на ТНП, оценивается по значению первичного тока, при котором обеспечивается действие защиты.
В ряде случаев она должна быть на уровне долей одного ампера. При малых значениях 3I0 ТНП работает в начальной части характеристики намагничивания, при которой МДС, созданная одновитковым ТНП, очень мала. Таким образом, для обеспечения необходимой чувствительности, кроме конструктивных улучшений ТНП, требуется применение высокочувствительных ИО.
Для защиты линий ТНП выполняются только кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необходимости осуществления РЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

ЗЕМЛЮ

 
При прохождении токов IБР по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного

ТНП, в реле РЗ появляется ток, от кото­рого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появля­ются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов.
Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенси­ровать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцо­вой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболоч­ка кабеля на участке от воронки до ТНП изолируются от зем­ли (рис. 11.6, в), 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. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолиро­ван от брони кабеля.

ЗЕМЛЮ

11.5. 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.
Измерительный орган выполняется с помощью чувстви­тельного токового реле мгновенного действия; используются электромагнитное реле РТ-40/0,2 и более чувствительное реле, выполненное на транзисторах типа РТЗ-50. Защита с РТЗ-50 может срабатывать при первичном токе порядка 1-2 А. Высо­кая чувствительность этого реле обеспечивается с помощью двухкаскадного усилителя постоянного тока, включенного через промежуточный трансформатор и выпрямительный мост. Питание полупроводниковой схемы осуществляется либо от делителя напряжения 110/220 В постоянного тока, либо выпрямленным напряжением переменного тока. Ток срабаты­вания реле плавно регулируется в пределах 10-60мА. Мощ­ность срабатывания реле около 12 мВ - А.

ЗЕМЛЮ
Взамен РТЗ-50 ЧЭАЗ освоил выпуск реле типа РТЗ-5, вы­полненного

на ИМС. Устройство реле РТЗ-51, поясняет функцио­нальная схема реле, изображенная на рис. 11.8. В соответствии со структурной схемой полупроводниковых реле тока се мож­но подразделить на три функциональные части: восприни­мающую входной сигнал, преобразующую его и сравнивающую преобразованный сигнал с заданной уставкой. Воспринима­ющая часть (как обычно, в полупроводниковых реле) выполня­ется в виде промежуточного трансформатора тока ТА, замкну­того на резистор R2, параллельно которому с помощью пере­ключателей SB1-SB5 можно подключить резисторы R3-R7,








Рис.11.7. Схема РЗ от замыканий
на землю кабельной линии:
а - подключение токового реле THП (TAN);
б - цепи оперативного тока.

ЗЕМЛЮ






Рис. 11.8. функциональная схема реле тока нулевой последовательности типа

РТЗ – 51
 
предназначенные для дискретного регулирования уставки тока срабатывания реле. Диоды VD1. VD2 ограничивают уровень входного сигнала. При замыкании на землю входной сигнал в виде тока 3I0 поступает в первичную обмотку трансформа­тора ТА и преобразуется в напряжение на зажимах резистора R2 (uR2 = i0TAR2). Это напряжение поступает в преобразу­ющую часть, состоящую из частотного фильтра Ф и усилите­ля A1. Фильтр пропускает ток 50 Гц и запирает выход в схему сравнения токов высших гармоник, если они имеются в токе замыкания на землю (3I0).

ЗЕМЛЮ

Усилитель А1 служит для повыше­ния чувствительности реле к малым

значениям тока Iз(1), на которые должно реагировать реле. В качестве усилителя А1 используется операционный усилитель (ОУ). Сигнал с выхода А1 поступает на схему сравнения, построенную аналогично типовому реле тока на ИМС (завода ЧЭАЗ).
Схема сравнения состоит из порогового элемента, выпол­ненного на операционном усилителе А2, времяизмерительной цепи (образованной из резисторов R15, R16, диода VD5 и кон­денсатора С8) и триггера Шмитта, построенного на операци­онном усилителе АЗ с положительной обратной связью. Выходной сигнал АЗ воздействует на исполнительный орган, функ­ции которого выполняет промежуточное реле KL, включенное в коллекторную цепь усилительного каскада на транзисто­ре VT1. Реле KL срабатывает при появлении положительного сигнала на выходе АЗ.

ЗЕМЛЮ

Селективность действия РЗ основана на различии абсолют­ных значений токов

3I0 в защищаемой ЛЭП при замыкании на ней и замыкании на землю внешнем (на других присоедине­ниях). Условия работы РЗ поясняет распределение токов I0 на рис. 9.9.
Ток срабатывания РЗ каждой ЛЭП по условию селективности необходимо отстраивать от емкостного тока 3I0Л, проходящего по защищаемой ЛЭП при замыкании на землю на других при­соединениях, и от тока небаланса, появляющегося в ТHП при внешних междуфазных КЗ.
Если емкость фазы защищаемой ЛЭП (например, W2 на рис. 9.4) равна CW2, то тогда при внешнем замыкании на землю установившийся ток в этой ЛЭП 3I0CW2 = ЗUФ ωCW2. В переход­ном режиме, возникающем в начальный момент повреждения и при замыкании через перемежающуюся электрическую дугу» возникают значительные броски емкостного тока во всех эле­ментах сети, в 4-5 раз превышающие его установившееся зна­чение. С учетом этого первичный ток срабатывания по первому условию

ЗЕМЛЮ

Рис. 11.9. Схема РЗ типа ЗЗП - 1М:
а —

схема направленной защиты с ре­ле направления мощности нулевой последовательности; б - принципиальная схема включения; в - структурная схе­ма; г — распределение емкостных то­ков при однофазных замыканиях на землю

ЗЕМЛЮ

 
IC.3 W2 = kн kб * 3 I03.Л W2

= kн kб * 3UФωC0 3.Л W2, (11.19)

где СЗ.Л - емкость защищаемой ЛЭП; kб - коэффициент, учи­тывающий бросок емкостного тока IоС (в РЗ, работающей без выдержки времени, kб = 4 ÷ 5, при наличии выдержки времени kб = 1 ÷ 2 в зависимости от значений t3); kн = 1,1 ÷ 1,2.
По второму условию

IC.3 = kн Iнб max. (11.20)

Приближенно Iнб max = Iнб НАГ Ik max / IНАГ , здесь Iнб НАГ – ток небаланса при токе нагрузки IНАГ, измеряется при наладке РЗ.
Обычно на длинных ЛЭП, имеющих большую С, ток IC.3 вы­бранный по (11.19), удовлетворяет условию (11.20).

ЗЕМЛЮ

11.6. 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. 11.9, а).
В некомпенсированной сети защита реагирует на мощ­ность нулевой последовательности, создаваемую емкостным током линии. Как следует из токораспределения на рис. 11.4, направление тока, а следовательно, и мощности на поврежден­ной и неповрежденной линиях противоположны, и, следова­тельно, по знаку мощности направленное реле может опреде­лить поврежденную линию.

ЗЕМЛЮ

Учитывая, что емкостный ток I­0 сдвинут относительно на­пряжения на

900, применяют реле мощности синусного типа, реагирующее на

Sp = 3U0 3I0 sin ϕ0

В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока, направленная защита неприменима, так как реактивный ток, протекающий в поврежденной линии, и емкостный ток в не­поврежденной линии имеют одинаковое направление.
В перекомпенсированной сети реле мощности ис­пользуется в тех случаях, когда для действия защиты созда­ется активный ток искусственным путем. В этом случае долж­но применяться реле мощности косинусного типа.
Для обеспечения селективности при ’’земле” в сети реле мощности направленной защиты должно отстраиваться от то­ка и напряжения небаланса, обусловленного нагрузкой, про­текающей по данной линии; этим условием ограничивается чувствительность защиты.

ЗЕМЛЮ
Реле мощности должны иметь высокую чувствительность. При питании токовой

обмотки реле от ТНП нужно учитывать большую угловую погрешность последнего. Для правильной работы направленной защиты требуется малая угловая погреш­ность измерительных трансформаторов и точность угловой характеристики реле.
Возможно также использовать активную состав­ляющую тока замыкания на землю, которая обусловливает­ся активным сопротивлением дугогасящей катушки. Эта со­ставляющая невелика и достигает 3-5% тока катушки. Актив­ный ток катушки замыкается только по поврежденному при­соединению и на него должна реагировать защита.
Защита выполняется с помощью реле мощности косинус­ного типа, реагирующего только на активную составляющую мощности нулевой последовательности.
Промышленность изготовляет по разработкам ВНИИЭ реле направления мощности типа ЗЗП-1М, выполненное на тран­зисторах. Реле реагирует на реактивную составляющую мощности; имеет три уставки срабатывания по току (0,07; 0.5; 2А) при номинальных значениях напряжений и ϕм.ч. = 900.
Защита ЗЗП-1М состоит из следующих основных органов (Рис.11.9,в): согласующего устройства 1, усилителя переменного

ЗЕМЛЮ

тока 2, фазочувствительного усилителя ОНМ 3, выход­ного реле 4

и блока питании 5. Блок питании типа БПН - 11 подключается к ТН или ТСН подстанции (на рис. 11.9 не показано). На случай отказа РЗ или выключателя поврежденной ЛЭП из-за неисправности или из-за снижения суммарного емкостного тока при выводе одной или нескольких ВЛ на подстанции предусматривается дополнительно к линейным РЗ (ЗЗП-1M) резервная неселективная максимальная РЗ на­пряжения НП (реле КV2 на рис. 11.9, б), которая с выдержкой времени 0,5-0,7 с действует на отключение питающего транс- форматора (при этом должны запрещаться действия АПВ и АВР).
В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока (IДГР > 3I0C), как отмечалось выше, направленная РЗ синусно­го типа неприменима. Это реле также не может работать в сети С активным током замыкания на землю.
ВНИИЭ разработана новая конструкции устройства, анало­гичного реле направления мощности типа ЗЗН, построенного на ИМС. В защите ЗЗН предусмотрена возможность регулиро­вании угла максимальной чувствительности, позволяющая ее использопать в качестве защиты, реагирующей на реактив­ный ток (ϕм.ч = 900), активный ток (ϕм.ч = 0) и на промежуточ­ное значение угла ϕм.ч. В реле также предусмотрено автомати­ческое регулирование чувствительности реле и тестовый контроль.

ЗЕМЛЮ

11.7. 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 I3 и 3I0 в поврежденной ЛЭП, высшие гармоники этих токов остаются неcкомпенсированными. При этом, вследствие нелинейности характеристики намагничивания ДГР, индуктивный ток ре­актора IДГР сам содержит высшие гармоники, которые добав­ляются к гармоникам естественного емкостного тока в по­врежденной ЛЭП.

ЗЕМЛЮ

Таким образом, высшие гармоники на токе I3 и I­­0

имеют ме­сто как в некомпенсированной, так и компенсированной сетях. Высшие гармоники в токах I3 и I­­0 возникают из-за нали­чии гармоник в фазных напряжениях и напряжении U0, под действием которых появляются эти токи. Искажения формы кривой напряжений вызываются падением напряжения в со­противлениях элементов системы от несинусоидальных токов намагничивании силовых трансформаторов сети и некоторых видов нагрузки, а также из-за наличии высших гармоник в ЭДС генераторов. Состав частот и амплитуды высших гармоник в токах могут изменяться при изменении конфигурации се­ти, состава работающих трансформаторов и несинусоидальной нагрузки. В реальных сетях содержание высших гармоник в токах I3 и I­­0 достигает 5-15% основной гармоники, а диапазон частот с заметным уровнем амплитуд находится в пределах от 150 до 650-1000 Гц.
Токи I­­0 неповрежденных ЛЭП, идущие к месту замыкании (см. рис. 11.4), суммируются в по­врежденной ЛЭП. Вследствие этого и высшие гармоники тока I­­0 поврежденного присоединения равны сумме гармониче­ских токов I­­0 всех неповрежденных присоединений. К этой сумме в компенсированной сети добавляются гармоники то­ка ДГР

ЗЕМЛЮ

Благодаря этому количество гармоник и, что особенно важ­но, амплитуды

и суммарный уровень гармонических состав­ляющих результирующего тока поврежденного присоедине­ния всегда больше, чем в каждом (отдельно взятом) непо­врежденном присоединении. Различие в уровне высших гар­моник тока 3I0 в поврежденной и неповрежденных ЛЭП ис­пользуется для выполнения селективных РЗ. реагирующих на высшие гармоники. На этом различии основаны три вида РЗ: одни - реагируют на абсолютное значение высших гар­моник 3I0 в каждом присоединении и сравнивают его с задан­ным значением тока срабатывания; вторые - производят срав­нение между собой уровней высших гармоник всех присоеди­нений и определяют поврежденное присоединение по наи­большему относительному значению уровня тока высших гармоник; третьи - устанавливаются на каждом присоедине­нии и значение проходящего по ним тока сравнивается с мо­делью присоединения, имеющего больший емкостный ток, чем ток защищаемого присоединения.

ЗЕМЛЮ










Pис. 11.10. Упрощенная схема устройства сигнализации УСЗ-2/2

Устройства сигнализации, реагирующие

на высшие гармоники установившегося тока I0, нашли широкое применение. На ЧЭАЗ по разработке ВНИИЭ выпускаются устройства типов УСЗ-2/2 и УСЗ-ЗМ, предназначенные для сигнализации при замыканиях на землю в кабельных сетях 6 и 10 кВ как компенсированных, так и некомпенсированных. Индивидуальное устройство УСЗ-2/2. реагирующее на абсолютное зна­чение, содержит согласующий трансформатор Т, входной ча­стотный фильтр L, CI, подавляющий составляющие промыш­ленной частоты и частоты более 2 кГц С3, выпрямительный мост VC и двухтранзисторный усилитель У с промежуточным реле К на выходе (рис. 11.10). Резисторы R1. R12-R14 обеспечивают

ЗЕМЛЮ

возможность выбора необходимых уставок тока срабаты­вания (25, 50. 100,

250 А). Срабатывание промежуточного реле сигнализируется с помощью тиратрона. Для отстройки от сво­бодных периодических составляющих переходного процесса внешнего замыкания на землю в схеме транзисторного усили­теля У предусмотрено замедление на 20-30 мс. Основной диапазон, в котором работает устройство УСЗ-2/2, 150-600 Гц.
Для обеспечения селективности действия РЗ, реагирующая на абсолютное значение, должна отстраиваться от максималь­ного уровня высших гармоник своего присоединения при внеш­нем замыкании на землю и надежно срабатывать при мини­мальном уровне высших гармоник суммарного тока 3I0 в.г при повреждении на защищаемом присоединении.
Устройства, реагирующие на абсолютное значение, в том числе и УСЗ-2/2, имеют существенный недостаток, так как требуют сложного учета и расчета гармоник на каждом при­соединении для разных режимов работы присоединений и подстанций. Уставки срабатывания таких защит трудно оценить, что приводит к неправильным их действиям. Поэтому зашиты, построенные на относительном замере, обеспечива­ют более надежное определение поврежденного присоедине­ния (не надо знать абсолютное значение этих токов).

ЗЕМЛЮ






Рис. 11.11. Принципиальная схема устройства сигнализации УСЗ - 3М

Устройство

УСЗ-3М (рис. 11.11) выполняется и виде одного централизованного комплекта, поочередно подключаемого к ТНП каждого присоединения (переключателем SA). Такое переключение может выполниться вручную дежурным пер­соналом или автоматически с помощью специальной схемы. При ручном переключении ИО устройства выполняется в ви­де измерительного прибора, который измеряет среднее значе­ние суммы высших гармоник тока I0 в каждом присоеди­нении.

ЗЕМЛЮ

Принцип действия устройства УСЗ-ЗМ аналогичен принци­пу действия устройства УСЗ-2/2.

Оно состоит из согласующего трансформатора Т, фильтра LC, настроенного на частоту резо­нанса 650 Гц, активно-емкостного фильтра R2-R5 и C1-C3, выпрямительного моста VC и электроизмерительного прибо­ра РА. Емкость С5 служит для отстройки от сигналов, имеющих частоту выше 1000 Гц. Резистор R7 обеспечивает плавную ре­гулировку чувствительности.
Устройство, определяющее поврежденное присоединение по относительному значению контролируемой величины, не требует определения абсолютного значения уровня высших гармоник при замыкании на землю, так как его селективность основывается на сравнении токов присоединений. Это явля­ется преимуществом данного устройства, определяющим вы­сокую четкость выявления поврежденного участка. Недостат­ком устройства является обязательное участие персонала при измерении и оценке показаний прибора. Это затягивает поиск поврежденного присоединения. Автоматическое устройство использующее принцип относительного замера типа КДЗС разработано и применяется в Мосэнерго. При замыкании оно автоматически производит поочередное переключение ИО РЗ к трансформаторам тока нулевой последовательности всех присоединений, выявляет ЛЭП с наибольшим значением выс­ших гармоник и передает с помощью устройства телемеханики информацию о поврежденном присоединении на диспетчерский пункт.
Оба рассмотренных устройства РЗ, реагирующих на сумму высших гармоник установившихся токов НП, предназначены для компенсированных сетей, где токовые и направленные РЗ неприменимы. По принципу действия обе РЗ могут исполь­зоваться и в некомпенсированной сети. Для селективной рабо­ты обе РЗ отстраиваются от влияния токов высших гармоник неустановившегося режима, и поэтому они не могут фиксиро­вать кратковременных замыканий на землю.

ЗЕМЛЮ

Во ВНИИЭ на микроэлектронной элементной базе выполне­но централизованное устройство

сигнализации ПАУК, в кото­ром осуществляется сопоставление токов ВГ контролируемых присоединений с током моделируемого присоединении, при­веденная емкость которого с запасом превышает емкость каж­дого из них. При этом устройство ПАУК, обеспечивая правиль­ное определение поврежденного присоединения из числа контролируемых, селективно работает при внешних замыка­ниях на землю на шинах питающей подстанции или на при­соединениях, не охваченных устройством контроля.
В устройстве ПАУК предусмотрено автоматическое регули­рование чувствительности в зависимости от уровня ВГ тока при замыкании через переходное сопротивление.
Устройства централизованного контроля (УСЗ-З, УСЗ-ЗМ, ПАУК и др.) позволяют определить лишь поврежденное при­соединение, в сети которого возникло замыкание, и дать на­правление дальнейшему поиску. Отыскание места однофаз­ного замыкания на ВЛ 6-35 кВ производится по показаниям приборов, установленных на элементах, питающихся от дан­ного присоединении, а если таковых нет, то вручную, с помощью переносных приборов ‘’Поиск”, ”Волна’’, ’’Зонд’’.

ЗЕМЛЮ

11.8. 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 напряжении на них относительно земли возрастают до междуфазного.
Указанный процесс разряда и дозаряда емкостей фаз носит характер периодических токов с затухающими амплитудами (рис. 11.12).
Частота колебаний и скорость их затухания определяются L, С и R зарядного и разрядного контуров. Расчеты и опыты показывают, что разрядный ток продолжается не более 0,01 с, имеет частоту порядка 1-5 кГц, а его максимальное значение (амплитуда первого периода) в десятки раз превосходит ампли­туду основной составляющей тока установившегося режима; время затухания зарядного тока достигает 0,015-0,25 с, частота находится в пределах 400-500 Гц, амплитуды значительно меньше чем у зарядного тока.

ЗЕМЛЮ
Различие в частотах объясняется тем, что токи разряда IC

разр и заряд IC зар проходят по разным контурам, имеющим разные индуктивности L, разрядный ток IC разр проходит толь­ко по проводам линий, минуя источники питания (генераторы, трансформаторы) (рис. 11.13). Токи за­ряда IC зар замыкаются через боль­шое индуктивное сопротивление об­моток источников питания, что при­водит к замедлению процесса зату­хания и уменьшает частоту токов.










Рис. 11.12. Переходный процесс при замыкании
на землю:
а - схема сети; 6 - кривая напряжений U0
и UФ в начальный момент замыкания
на землю; в— кривая изменения тока I0 в
начальный момент повреждения

Момент пробоя

б)

в)

0.01c t

UФ

U0

c

U, I

I0

ЗЕМЛЮ














Рис. 9.13. Распределение переходных токов замыкания на землю

С некоторым

приближением считается, что отношение максимальных значений переходных токов к их установившимся значениям пропорционально отношению частот f пере­ходного режима к рабочей частоте 50 Гц. Поэтому переходные токи могут в десятки раз превосходить токи установившегося режима.

ЗЕМЛЮ

На поврежденной линии переходный ток имеет поэтому максимальное значение.

На неповрежденных линиях этот ток соответственно меньше, а его направление противополож­но направлению тока в поврежденной линии.
В первом периоде переходного процесса (в его начальной стадии) преобладают токи разряда, во втором периоде (во второй стадии), после затухания тока разряда, остается раз­рядный ток с меньшими амплитудами и частотой, переходя­щий через 0,15-0,25 с в установившийся ток I3. Для выполне­ния РЗ используется первая стадия переходного процесса. Наличие ДГР в компенсированных сетях не влияет на харак­тер переходного процесса, так как индуктивность ДГР и транс­форматора, к которому они подключаются, значительно больше индуктивности проводов ЛЭП, поэтому ток дугогасящего ре­актора нарастает очень медленно и появляется лишь после затухания токов разряда.

ЗЕМЛЮ

Реле тока, реагирующее на начальное значение (ампли­туду) переходного тока,

должно выполняться быстродейст­вующим tСР< 0.1 с. При больших значениях начальных амплитуд защита может подключаться к трехтрансформаторному фильтру НП и к обычным ТНП на ток 3I0 через фильтр, про­пускающий и измерительный орган реле только токи ВЧ бо­лее 1000 - 2000 Гц. Селективность действия РЗ так же, как и у РЗ, реагирующих на высшие гармоники 3I0 установившегося режима, основана на использовании различия в значении и направлении переходного тока в поврежденном и неповреж­денном присоединении, с учетом того, что в поврежденной ЛЭП на участке между местом замыкания (точка К(1)3) и сбор­ными шинами подстанции Р (место установки РЗ) ток равен сумме токов неповрежденных присоединений.
По принципу действия РЗ могут выполняться реагирующими на абсолютное значение тока в каждом присоединении или в виде устройства, сравнивающего между собой значения то­ков присоединений и определяющее по относительно больше­му току поврежденное присоединение. Защита, реагирующая на значение тока переходного режима, пока не нашла широ­кого применения, но в этой области ведутся разработки.

ЗЕМЛЮ

Ивановским государственным энергетическим университе­том разработано и установлено в ряде

энергосистем, для про­верки в эксплуатации, централизованное устройство селек­тивной сигнализации типа ЦНУЗЗ ("Импульс”). Оно основано на использовании электрических величин переходного про­цесса, возникающих в момент пробоя изоляции на землю. В частности, осуществляется контроль мгновенной мощности нулевой последовательности.
Большие исследования и разработка защиты, реагирующей на волновые процессы, были проведены в ЭНИН АН СССР им. Г. М. Кржижановского.
Защита с импульсным РНИ, реагирующая на направление (знак) электромагнитной полны тока.
Линии имеют распределенную емкость фаз относительно земли, в связи с этим и учетом очень высоких частот (малой длины волны) токов, проходящих по линиям в первой стадии процесса, явления, происходящие в них в неустановившемся режиме, как и на длинных ЛЭП с распределенными парамет­рами, можно рассматривать с учетом возникающих при этом электромагнитных волн.

ЗЕМЛЮ

При таком рассмотрении ток разряда iРАЗ, возникающий в месте

замыкания (в точке К на рис.11.14), представляется в виде электромагнитной волны, распространяющейся в обе стороны от места повреждения по контуру фаза - земля.
Одновременно с волной тока возникает волна напряжения и, связанная с током через волновое сопротивление выражением: i = u/zВ. На рис. 11.14 показано направление распространения фронта обеих волн u и i (начальный участок). В со­ответствии с ранее принятой условностью волны тока I0, при- ходящие к шинам, считаются отрицательными (-), а уходящие - положительными (+). Волны напряжения U0, как проходящая, так и уходящая, считаются имеющими одинаковый знак (-).
Из рис.11.14 следует, что направление или знак мгновенно­го тока и мгновенной мощности S = ui на фронте волны тока относительно шин А в поврежденной W1 и неповрежденной W2 ЛЭП будут различными.

ЗЕМЛЮ

Это означает, что с помощью реле, реагирующего на знак

мощности, можно пополнить селективную РЗ, срабатывающую при положительном знаке + S на поврежденном присоединении и недействующую при - S на неповрежденных присоедине­ниях. Измерительный орган такой РЗ должен выполняться с помощью быстродействующего реле направления мощности, способного подействовать от первого импульса мгновенной мощности S, пришедшего к месту установки РЗ 1 или 2 на фронте волны тока и напряжении и запомнить его.
Серийно выпускается и применяется в эксплуатации им­пульсная РЗ типа ИЗС на ИМС, разработанная в ЭНИН. То­ковые цепи устройства ИЗС могут подключаться к ТНП или к трехтрансформаторному фильтру. Последнее является до­стоинством устройства, поскольку позволяет не выполнять кабельную вставку для ВЛ 10-35 кВ. Цепи напряжения подво­дятся от обмоток ТН, соединенных в разомкнутый треуголь­ник (рис. 11.15, а).
Устройство ИЗС состоит из пускового органа, реагирующего на появление напряжения НИ при замыкании на землю; орга­на направления тока, контролирующего знак мощности на фронте волны в контуре фаза-земля; блока питании и указа­тельного реле. Устройство может действовать на сигнал или на отключение защищаемой ЛЭП. Защита ИЗС может приме­няться в радиальных и кольцевых сетях, а также при параллельной

ЗЕМЛЮ
















Рис. 11.4. Знаки волн тока, напряжения и мгновенной мощности

при замыкании на землю
Рис. 11.5. Cхeмa включения РЗ ИЗС (а) и поясняющие схемы ее работы при однофазных замыканиях на землю в сетях 10 кВ разной конфигурации (б, в);
I- РЗ от междуфазных КЗ; II-РЗ ИЗС

ЗЕМЛЮ

работе двух или нескольких ЛЭП (рис. 11.15, б). Устрой­ства

ИЗС включаются на обеих сторонах контролируемых ЛЭП таким образом, что они срабатывают на замыкание контактов при условно положительном направлении распространения волны (мощности) от места замыкания к шинам подстанций А и Б. При этом только на поврежденной ЛЭП знак мощности на обоих ее концах будет положительным и оба устройства ИЗС сработают (на рис. 11.15, б контакты ИЗС 1 и 2 показаны в замкнутом положении). На неповрежденных ЛЭП этой замкнутой сети контакты ИЗС замыкаются только на одной из сто­рон. По показаниям ИЗС можно однозначно определить, на какой из ЛЭП произошло однофазное замыкание на землю. При однофазном замыкании на W1 в радиальной сети (Рис. 11.15, в) устройство ИЗС на подстанции А сработает (мощ­ность направлена к шинам), а на подстанции Б устройство ИЗС неповрежденной ЛЭП W2 не сработает (мощность направ­лена от шин). На неповрежденных ЛЭП W3 и Н4 устройства ИЗС также не сработают.

ЗЕМЛЮ

Вопросы для самопроверки

1. Почему защита от замыканий на

землю кабельной линии в общем случае выполняется с действием на сигнал? В каких случаях должна выполняться на отключение?
2. От чего зависит значение емкостного тока кабельной линии?
3. В чем преимущество кабельного трансформатора тока нулевой последовательности по сравнению с трехтрансформаторным фильтром токов нулевой последовательности?
4. От какого тока по условиям селективности следует от­страивать защиту кабельной линии от замыканий на землю?
5. В чем преимущество устройства КДЗС для определения поврежденной линии?
6. В чем преимущество защит относительного замера?