2.8. Защита от однофазных замыканий на землю
Защита от однофазных замыканий на землю может быть реализована на основе двух разных подходов [8]. Во-первых, путем общего (неселективного) контроля состояния изоляции сети относительно земли. Во-вторых, избирательно (селективно) действующими средствами, выявляющими замыкания на землю на отдельных присоединениях.
Общий контроль состояния изоляции и выявление однофазных замыканий на землю, как правило, основаны на непрерывном измерении напряжения нулевой последовательности в контролируемой электрической сети. При этом выявляется лишь факт возникновения замыкания. Но определить по напряжению нулевой последовательности, на каком из присоединений произошло повреждение, невозможно. Поэтому приходится их поочередно отключать. При отключении поврежденного присоединения напряжение нулевой последовательности в сети снижается до фонового уровня. Этот признак и используется при поиске повреждения.
В соответствии с определением симметричных составляющих напряжение нулевой последовательности представляется так:
Здесь ĖA0, ĖB0, ĖC0 — векторы э.д.с. фаз соответственно А, B, C относительно земли.
Отсюда следует, что в нормальном симметричном режиме, когда потенциал нейтрали сети равен нулю, а модули векторов ĖA0, ĖB0, ĖC0 равны соответствующим модулям векторов фазных э.д.с., напряжение нулевой последовательности в сети Ú = 0.
При замыкании фазы С на землю
Как видно, при металлическом замыкании фазы на землю модуль напряжения нулевой последовательности равен модулю фазной э.д.с. сети. Следовательно, действующее значение напряжения нулевой последовательности равно действующему значению фазного напряжения. Интегральное значение этого напряжения можно контролировать непосредственно с помощью реле, которое подключается к нейтрали сети через ТН (рис. 2.32).
Для контроля напряжения нулевой последовательности часто используется фильтр напряжения нулевой последовательности, построенный на основе трехфазного ТН, вторичные обмотки которого соединены по схеме разомкнутого треугольника (рис. 2.33) [8]. Для измерения текущих значений напряжения нулевой последовательности параллельно катушке реле напряжения KV подключается и вольтметр PV(см. рис. 2.32 и рис. 2.33).
Значение напряжения срабатывания (в масштабе первичных величин) выбирается по условию отстройки от максимально возможного напряжения нулевой последовательности, возникающего в контролируемой сети в нормальных для нее режимах:
UСЗ > U0HP MAX.
Здесь UСЗ — действующее (первичное) значение напряжения срабатывания защиты; U0HP MAX — наибольшее возможное в нормальных режимах действующее (первичное) значение напряжения нулевой последовательности в контролируемой сети.
Значение напряжения U0HP MAX определяется предельно допустимым потенциалом нейтрали (UN MAX), которое, в свою очередь, обусловлено степенью несимметрии емкостей фаз сети относительно земли:
UN MAX = (5 — 10) % UФ НОМ ,
где UФ НОМ — номинальное фазное напряжение сети.
Кроме этого, напряжение нулевой последовательности может возникать в сети как проявление замыканий на землю в смежных (внешних) сетях и погрешностей тракта измерений. В результате совместного воздействия этих двух факторов оно может составить 3–5 % UФ НОМ.
Принимая во внимание возможность появления напряжения нулевой последовательности под действием всех отмеченных факторов, как правило, выбирают:
UСЗ = 0,15UФ НОМ.
Напряжение срабатывания реле определяется с учетом коэффициента трансформации ТН (kТН):
UСР = UСЗ / kТН.
При стандартном значении максимального выходного напряжения трансформатора (фильтра) напряжения нулевой последовательности 100 В напряжение срабатывания реле равно 15 В. Это значение напряжения срабатывания иногда устанавливается без расчетов, так как оно соответствует минимально возможному напряжению срабатывания реле типа РН-53/60Д, используемого в защитах.
Время срабатывания защиты выбирается исходя из требований отстройки от действия основных (селективных) защит от однофазных замыканий на землю и может приниматься в диапазоне от 0,5 до 9 секунд.
Защиту от однофазных замыканий на землю, способную действовать селективно (автоматически выявлять поврежденное присоединение), можно выполнить по принципу контроля тока нулевой последовательности в присоединениях. Для реализации этого принципа на каждом присоединении устанавливается трансформатор (фильтр) тока нулевой последовательности (рис. 2.34), в цепь вторичной обмотки которого включается катушка реле тока (рис. 2.35).
При однофазном замыкании на землю на втором присоединении (в точке К1 ) ток нулевой последовательности в месте установки трансформатора ТА0-2 этого присоединения определяется суммарной емкостью исправной части сети, то есть суммарной емкостью всей сети, кроме собственной емкости поврежденного первого присоединения. Токи нулевой последовательности в местах установки других ТТ нулевой последовательности определяются только собственными емкостями присоединений, на которых установлены эти трансформаторы. Например, ток нулевой последовательности в месте установки ТА0-1 определяется емкостями первого присоединения. Если емкости отдельных присоединений примерно одинаковы и присоединений достаточно много, то ток нулевой последовательности поврежденного присоединения значительно больше, чем других, не поврежденных присоединений. Этот признак используется для автоматического выявления поврежденного присоединения. Таким образом, при возникновении однофазного замыкания на одном из присоединений срабатывает реле тока защиты, установленной на этом присоединении, и формируется сигнал на отключение именно поврежденного присоединения.
Ток срабатывания защиты выбирается по условию отстройки от собственного емкостного тока замыкания на землю контролируемого присоединения. Иными словами, ток срабатывания защиты должен быть больше собственного емкостного тока присоединения (IСПР) во всех нормальных режимах работы контролируемого присоединения и при повреждениях на смежных присоединениях:
ТСЗ > ТСПР.
Действующее значение первичного тока срабатывания защиты определяется так:
IСЗ = kЗ kБР IСПР,
где kЗ и kБР — соответственно коэффициент запаса и коэффициент отстройки от бросков емкостного тока в переходных режимах.
Значение емкостного собственного тока присоединения определяется в соответствии с п. 1.3:
Если конфигурация присоединения может изменяться (например, могут подключаться и отключаться участки кабельных линий или обмотки электрических машин), то в качестве расчетного значения емкости принимается максимально возможное значение.
При реализации защиты на электромеханической элементной базе коэффициент запаса принимается равным 1,2–1,3. Второй коэффициент kBP может иметь значения в диапазоне от 2 до 5. Меньшие значения выбираются, если защита выполняется на реле типа РТЗ-51; средние, если на РТЗ-50, и большие — если на РТ-40/0,2.
Ток срабатывания реле определяется так:
IСР = IСЗ/kТ0,
где kT0 — коэффициент трансформации ТТ нулевой последовательности.
Если расчетное значение тока срабатывания защиты меньше, чем минимально возможный ток срабатывания защиты (реле), то ток срабатывания защиты принимается равным этому технически достижимому минимальному значению.
Чувствительность защиты, установленной на присоединении с номером К, оценивается по значению коэффициента чувствительности:
kЧWK (IСW — IСWK) / IС3WK.
Здесь IСW — суммарный емкостной ток всей сети; IСWK — емкостной ток присоединения с номером К, на котором установлена защита; IС3WK — ток срабатывания защиты, установленной на присоединении К.
Некоторые данные, необходимые для выбора параметров срабатывания защит от однофазных замыканий на землю, приведены в прил. 9.
Пример
Пусть имеется электрическая сеть с шиной 10 кВ и присоединенными отходящими линиями (рис. 2.36). Параметры сети приведены в табл. 2.2. Требуется определить параметры срабатывания защит, установленных на первом и втором присоединениях.
Ток срабатывания защиты, установленной на первом присоединении (питание электродвигателя), определяется так:
IC3W1 = k3 kБР IСW1.
Принимаются следующие значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): k3 = 1,2; kБР = 2,5.
Емкостной ток первого присоединения определяется суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя:
Здесь CW1 = 0,047 мкФ — емкость кабельной линии W1, значение которой получено путем умножения удельной емкости кабеля [9] на длину линии (0,2 км); См = 0,085 мкФ — емкость обмоток статора электродвигателя (табл. П9.1).
Таблица 2.2
Если в рассматриваемой электрической сети имеются крупные электродвигатели, емкости фаз которых неизвестны, то приближенное значение составляющей емкостного тока (ТСМ), определяемой обмотками электродвигателя (при внешнем замыкании на землю), можно получить с помощью эмпирических формул [5]:
IСМ ≈ 0,017 × SНМ (при номинальном напряжении 6 кВ);
IСМ ≈ 0,03 × SНМ (при номинальном напряжении 10 кВ).
Здесь SНМ = РНМ/(cos φН × ηН) — полная номинальная мощность электродвигателя (МВА); РНМ — номинальная активная мощность электродвигателя (МВт); cos φН × ηН — номинальный коэффициент мощности и номинальный к.п.д. электродвигателя соответственно.
Первичный ток срабатывания защиты:
IСЗ W1 = 1,2 × 2,5 × 0,7 = 2,1 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW1 = (ICW − IСw1)/IСЗW1 = (27,4 — 0,7) / 2,1 = 12,7 > 1,25.
Требования по чувствительности защиты выполняются.
Ток срабатывания защиты, установленной на втором присоединении (линия магистрального типа, протяженность которой может изменяться), определяется так:
ICЗW2 kЗ kБР ICW2.
Значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): kЗ = 1,2; kБР = 2,5.
Емкостной ток второго присоединения определяется суммарной емкостью отдельных участков кабельной линии:
Здесь CW2.1 = 0,17 мкФ; CW2.2 = 0,23 мкФ; CW2.3 = 0,24 мкФ — емкости отдельных участков кабельной линии W2, значения которых получены путем умножения удельной емкости кабеля на длину участка линии [9].
Тогда первичный ток срабатывания защиты:
ICЗW2 = 1,2 × 2,5 × 3,5 = 10,5 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW2 = (ICW − ICW2) / IСЗW2 = (27,4 − 3,5) / 10,5 = 2,27 > 1,25
Требования по чувствительности выполняются.
Защита от однофазных замыканий на землю, способная действовать селективно, в электрических сетях с резистивным заземлением нейтрали может быть выполнена по принципу контроля тока нулевой последовательности в присоединениях (так же как и в сетях с изолированной нейтралью).
Методика выбора параметров срабатывания защит от однофазных замыканий на землю, устанавливаемых в сетях этого типа, определяется их особенностями.
Выбор тока срабатывания защит (так же как и защит, устанавливаемых в сетях с изолированной нейтралью) производится по условию отстройки от собственного тока присоединения при внешнем замыкании (этот ток равен емкостному току присоединения, как и в сети с изолированной нейтралью):
IСЗ > IСПР; IСЗ = kЗ kБР IСПР.
Однако значения коэффициента отстройки от бросков емкостного тока могут находиться в диапазоне от 1 до 1,5, что позволяет приблизить токи срабатывания к значениям IСПР. Это обусловлено сравнительно низким уровнем броска тока при внешних однофазных замыканиях на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали [5].
При низкоомном заземлении нейтрали активная составляющая тока в месте повреждения и в месте установки защиты на поврежденном присоединении значительно больше емкостной составляющей. Емкостной составляющей тока можно пренебречь и считать, что защита реагирует на активную составляющую контролируемого тока. Тогда коэффициент чувствительности защиты можно определить так:
kЧWK = IRW/IСЗWК.
Здесь IRW = Еф /RN — активная составляющая тока в месте установки защиты на поврежденном присоединении; Еф — действующее значение фазной э.д.с. сети; RN — сопротивление заземляющего резистора; IСЗWК — ток срабатывания защиты, установленной на присоединении с номером К.
Если учесть, что ток при повреждении на контролируемом присоединении в этих сетях составляет несколько десятков ампер (определяется параметрами заземляющего резистора), то можно получить значительно более высокую чувствительность защиты от однофазных замыканий на землю, чем в сетях с изолированной нейтралью.
Пример
Пусть имеется электрическая сеть 10 кВ (рис. 2.37) с резистивным заземлением нейтрали. Основные параметры сети приведены в табл. 2.3. Требуется определить параметры срабатывания защит, установленных на первом и втором присоединениях, как и в предыдущем примере.
Ток срабатывания защиты, установленной на первом присоединении (питание электродвигателя), определяется так:
IСЗW1 = kЗ kБР IСW1.
При реализации защиты на основе реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ можно принять: kЗ = 1,2;
Емкостной ток первого присоединения, определяемый суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя (табл. 2.3): IСW1 = 0,7 А.
Таблица 2.3
Первичный ток срабатывания защиты: IСЗW1 = 1,2 × 1,25 × 0,7 = = 1,05 А.
Коэффициент чувствительности защиты, установленной на первом присоединении:
kЧW1 = IRW/IСЗW1 = 57,8 / 1,05 = 55 > 1,25
Здесь IRW = ЕФ /RN = 5,78 × 103 / 100 = 57,8 А. Требования по чувствительности выполняются.
Ток срабатывания защиты, установленной на втором присоединении:
ICЗW2 = kЗ kБР ICW2.
Здесь можно принять следующие значения коэффициентов: kЗ = 1,2; kБР = 1,25. Емкостной ток второго присоединения (табл. 2.3) IСW2 = 3,5 A.
Тогда первичный ток срабатывания защиты:
IСЗW2 = 1,2 × 1,25 × 3,5 = 5,25 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW1 = IRW /IСЗW2 = 57,8 / 5,25 = 11 > 1,25.
Требования по чувствительности выполняются. Причем, как видно, чувствительность защит в сети с резистивным заземлением нейтрали значительно выше, чем в сети с изолированной нейтралью при аналогичных параметрах.
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА Защита линий электропередачи
Основные понятия. Релейная защита (РЗ) является важной частью автоматики, с помощью которой происходит обнаружение неисправностей в электроустановках и подача сигнала на их отключение или оповещение дежурного персонала.
Релейная защита выполняется с помощью различных реле, реагирующих на ток, напряжение, мощность или другие электрические параметры. Получили распространение реле с электромагнитным и индукционным принципами действия, а также поляризованные, магнитоэлектрические и полупроводниковые реле на электронной элементной базе.
Реле подразделяются на первичные и вторичные, прямого и косвенного действия. Первичные реле включаются непосредственно в защищаемую цепь (рис. 23.1, а), вторичные— через трансформаторы тока или напряжения (рис. 23.1,6). Реле прямого действия воздействуют непосредственно на расцепитель механизма привода выключателя (рис. 23.2, а), а реле косвенного действия подает сигнал на подачу оперативного тока (напряжения) на каnушку расцепителя (рис. 23.2, б).
Комплект РЗ состоит из пусковых органов, непосредственно и постоянно контролирующих состояние и режим работы защищаемого оборудования, и логической части, которая выбирает режим работы РЗ. Пусковыми органами являются реле тока, напряжения, мощности и др.; логическая часть в основном состоит из реле времени, промежуточных и указательных реле. В отдельных случаях пусковая и логическая части РЗ выполняются как одно целое.
Для быстрого отключения линии, на которой произошло короткое замыкание, она оборудуется РЗ, реагирующей на все виды КЗ и действующей на отключение выключателей. В системах электроснабжения, как правило, линии работают по схеме одностороннего питания. Для их защиты используют максимальную токовую защиту, токовую отсечку и токовую поперечную дифференциальную защиту параллельных линий.
Максимальная токовая защита.
Это наиболее простая по устройству и поэтому широко распространенная защита. Она устанавливается в начале линии со стороны источника питания (рис. 23.3).
При увеличении тока в линии больше тока срабатывания защиты с выдержкой времени t3 подается сигнал на отключение выключателя (рис. 23.4).
В электрических сетях с незаземленными нейтралями трансформаторов токи ОКЗ небольшие и предыдущая схема по условиям чувствительности непригодна. Поэтому в этих сетях устанавливают специальную защиту, а чаще вместо нее предусматривают специальное устройство контроля состояния изоляции сети по отношению к земле с действием на сигнал (рис. 23.6,6).
На кабельных линиях защита от замыканий на землю выполняется с помощью специальных трансформаторов тока нулевой последовательности. Последний состоит из кольцевого сердечника, надеваемого на трехжильный кабель, и вторичной обмотки в виде
Наибольшую трудность представляет отстройка дифференциальной защиты от бросков намагничивающего тока и тока небаланса при внешних КЗ. Защита воспринимает броски намагничивающего тока, возникающие при включении трансформатора в сеть на холостом ходу или при отключении трансформатора от сети как КЗ в защищаемой зоне.
Намагничивающий ток во время переходного промежутка времени содержит значительную апериодическую составляющую, которая медленно затухает. Для отстройки от бросков намагничивающего тока в схеме защиты устанавливают быстро насыщающийся трансформатор, который запирает защиту при наличии апериодической составляющей тока в дифференциальной цепи.
Токовая отсечка. На трансформаторах небольшой мощности токовая отсечка является дешевой и эффективной защитой. Защита состоит из токового реле, например, типов РТ-40, РТ-80, которые подключены через трансформаторы тока с питающей стороны силового трансформатора. Ток срабатывания реле выбирается таким, чтобы защита не работала при КЗ за трансформатором;
Газовая защита. Эта защита устанавливается на трансформаторах 1000 кВ-А и более; реагирует на все виды повреждения внутри бака трансформатора и при утечке масла из бака.
Газовая защита осуществляется с помощью специальных газовых реле поплавкового, лопастного или чашечного типа, которое устанавливается в маслопроводе между баком трансформатора и расширителем. При повреждении внутри бака под действием электрической дуги масло и изоляция разлагаются, образовавшиеся газы устремляются в расширитель, что вызывает движение масла и действие газового реле, Газовое реле содержит два контакта. Один из них реагирует на медленное газовыделение и подает сигнал о неисправности в трансформаторе, другой реагирует на интенсивное движение масла, обычно наблюдаемое при КЗ, и подает сигнал на отключение трансформатора.
Максимальная токовая защита. Защита предназначена для отключения трансформатора при внешнем КЗ и является одновременно резервной от внутренних повреждений. На двухобмоточном трансформаторе с односторонним питанием устанавливается один комплект защиты со стороны источника питания, действующей на отключение всех выключателей. Максимальная токовая защита трансформаторов выполняется пуском от напряжения, что позволяет отстроить защиту от токов перегрузки и повысить ее чувствительность.
Защита от перегрузки. Трансформаторы допускают относительно большие перегрузки, поэтому защита от перегрузки выполняется с действием на сигнал и состоит из реле тока и реле времени. Ток срабатывания выбирается из соотношения
Защита от замыкания на землю. Одним из вариантов такой защиты является установка трансформатора тока в нуле силового трансформатора (рис. 23.9). При КЗ обмоток трансформатора на землю в нулевой шине 1 протекает ток, и реле тока КА сработает и подаст сигнал на отключение Q1 и Q2. Ток срабатывания защиты выбирается из условия)
Защита трансформаторов 6—10—35/0,4—0,23 кВ. На них устанавливают максимально-токовую защиту, защиту от однофазных замыканий на землю на стороне НН и газовую защиту на трансформаторах мощностью 400 кВ-А и более, если они находятся внутри помещений.
Защиту от однофазных замыканий на землю осуществляют автоматическим выключателем с максимальным расцепителем, установленным на стороне НН (рис. 23.10, а), или трансформатором тока на нейтральном проводе при глухом присоединении трансформатора на стороне НН (рис. 23.10, б). Газовая защита с действием ее сигнала на отключение показана на рис. 23.10, в.
На рис. 23.11 приведены схемы защиты трансформаторов при установке на стороне ВН выключателей: (рис. 21.11, а, б) — схема с реле прямого действия типа РТМ, которое обеспечивает максимально-токо- вую защиту и защиту от однофазных замыканий на землю; (рис. 23.11,в) — защита, выполненная с реле косвенного действия типа РТ-80 с зависимой характеристикой.
