Что такое токовая защита нулевой последовательности

Для того чтобы разобраться как работает ТЗНП, сначала нужно вспомнить что такое трехфазная сеть. Трехфазная сеть — это сеть переменного синусоидального тока. В трёхфазной цепи фазы сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов. Вот так это выглядит на графике:

Интересно! Основные идеи и положения трехфазных сетей электроснабжения были разработаны Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Он разработал трёхфазный асинхронный двигатель с КЗ ротором типа беличья клетка, с фазным ротором и пусковым реостатом, искрогасительную решетку, фазометр, стрелочный частотомер.

Если изобразить это на векторной диаграмме, то изображение будет напоминать трехлучевую звезду. При условии равенства токов и напряжений между фазами такая система будет называться симметричной. Геометрическая сумма этих векторов равна нулю.

Важно! Различают прямую и обратную последовательность чередования фаз. Фазы обозначаются буквами A, B и C. Тогда последовательность A B C — прямая, C B A — обратная. При этом угол сдвига фаз в обоих случаях составляет 120 градусов. При нулевой последовательности вектора всех фаз направлены в одном направлении, соответственно результирующий вектор значительно превышает таковой (в 3 раза, по сравнению с нулевой последовательностью) в нормальном состоянии системы.

В случае межфазного замыкания токи во всех фазах возрастут, система все равно останется симметричной. А напряжения и токи нулевой последовательности равны нулю, как и в нормальном состоянии цепи.

В результате однофазного замыкания на землю система станет несимметричной и будут наблюдаться токи нулевой последовательности I0 и U0. Допустим замкнула фаза C, тогда токи фаз A и B устремятся к нулю, а в фазе C к трети от Iкз.

I0=1/3(Ik+0+0)

Отсюда Iк=I0*3. Эти токи возникают под воздействием напряжения КЗ или Uк0 между выводом обмотки трансформатора или генератора и точкой, в которой произошло замыкание.

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

• прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
• обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Способы включения нейтрали

Специфика работы высоковольтных (ВВ) систем состоит в том, что в случае обрыва или повреждения линии, сопровождающегося замыканием отдельного провода на землю, токи утечки могут достигать очень больших величин. В соответствии с этим защитные меры, предпринимаемые в таких сетях, заметно отличаются от аналогичных действий в цепях конечного потребителя.

Для сетей 6-35 киловольт характерны перечисленные ниже режимы заземления нейтрали:

• прямое соединение с ЗУ, обустроенным непосредственно у подстанции или у высоковольтной опоры (глухозаземленная нейтраль заземления);
• подключение через специальный дугогасящий реактор или компенсатор;
• использование для этих целей системы заземления, при которой нейтраль подключается через резистор;
• без подключения к ЗУ в границах защищаемой линии или объекта (изолированная нейтраль).

Установка специальных компенсационных элементов в цепи включения нейтрального проводника способствует снижению емкостных составляющих токов замыкания. В процессе работы такой цепочки эти токи удаётся нейтрализовать за счёт плавного изменения индуктивности катушки, напряжение в которой имеет обратную фазу.

Каждая из этих схем предполагает обязательное устройство на приёмной стороне отдельного ЗУ, обеспечивающего повторное заземление нейтрали и создающего безопасные условия эксплуатации ВЛ.

Без этого устройства используемые схемы включения не могут эффективно выполнять свои защитные функции, поскольку при случайном обрыве нейтрального проводника силовое оборудование подстанций останется незащищённым.

Какое освещение Вы предпочитаете

ВстроенноеЛюстра

Поделись

6.10.1. На каждой установке постоянного тока имеется устройство контроля изоляции, сигнализирующее о понижении сопротивления изоляции сети постоянного тока ниже допустимого значения и позволяющее определить значение этого сопротивления.

6.10.2. При возникновении замыкания на землю в сети постоянного тока следует незамедлительно приступить к его отысканию, при этом должны быть прекращены все работы во вторичных цепях, кроме работ по отысканию «земли» и отменены все плановые переключения в первичной схеме.

6.10.3. Основным методом отыскания места замыкания на землю является разделение сети постоянного тока на части, питающиеся от разных источников (батарей, зарядно-подзарядных устройств), с последующим кратковременным поочередным отключением отходящих линий.

Поиски по мере возможности целесообразно вести двумя лицами. Лицо оперативного персонала должно выполнять коммутации, а другое лицо вести наблюдение за показаниями устройства контроля изоляции.

6.10.4. Порядок операций должен быть изложен в Инструкции по предотвращению развития и ликвидации технологических нарушений на подстанции с соблюдением следующих положений:

Если замыкание на землю появится в момент включения какой-либо цепи, то эта цепь отключается и проверяется, не исчезло ли замыкание.

Кольцевые и параллельные цепи предварительно размыкаются.

При наличии двух СШ постоянного тока на резервную СШ включается резервный источник питания и поочередным переводом присоединений на эту СШ определяется присоединение, на котором имеется замыкание на землю.

При наличии двух секций постоянного тока, которые могут питаться от отдельных батарей, их разделяют секционирующими коммутационными аппаратами и ведут поиски кратковременным отключением присоединений на той секции, где обнаружено место замыкания на землю.

Присоединение, на котором обнаружено место замыкания на землю, переводится на питание от резервного источника, если такая возможность имеется. Дальнейшие поиски места замыкания на землю продолжаются на сборках или щитах методом кратковременного отключения отходящих линий, присоединенных к этим сборкам.

Если место замыкания на землю не обнаружено ни на одной из линий постоянного тока, то оно находится или на источнике питания, или на шинах постоянного тока. В этом случае к шинам подключается резервный источник питания, а основной отключается.

Самостоятельные действия оперативного персонала подстанций при ликвидации технологических нарушений

Диспетчер СО и оперативный персонал ЦУС В-Д ПМЭС (ЦУС РСК) при принятии решений обязан учитывать самостоятельные действия оперативного персонала подстанций.

7.2. Под отсутствием связи понимается не только нарушение всех видов связи, но и невозможность связаться с диспетчером СО и оперативным персоналом ЦУС В-Д ПМЭС (ЦУС РСК) более трех минут из-за плохой слышимости и перебоев в работе связи.

7.3. При отсутствии связи, наряду с производством операций, указанных в настоящем разделе, должны приниматься все меры к восстановлению связи. При этом необходимо использовать любые виды связи (междугородная, сотовая, ведомственная и т. д.), а также передачу сообщений через другие энергообъекты.

Мнение эксперта

It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике

Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»

Установившийся режим однофазного замыкания на землю в сетях с изолированными нейтралями. Это устройства типов УСЗ-2 2 индивидуальное устройство, подключаемое к ТТНП кабельного типа, и УСЗ-3М групповое устройство, поочередно подключаемое к ТТНП каждого присоединения рис. Спрашивайте, я на связи!

Защита на токах нулевой последовательности

Но при наличии замыкания на землю нулевая последовательность токов выходит из равновесия. Появляется результирующий ток, на который и реагирует релейная защита.

В системах с изолированной нейтралью для выделения этих токов используется специальный трансформатор, надеваемый на кабель.

На ЛЭП — 110 кВ это выполнить невозможно и токи замыкания на землю определяются по другому принципу. Для этого на обычных трансформаторах тока, использующихся для релейной защиты, выделяется отдельная обмотка на каждой фазе. Обмотки фаз соединяются между собой последовательно особым способом: начало следующей соединяется с концом предыдущей. В эту же цепь включаются и токовые обмотки реле.

Обычно защищаемый участок разделяется на участки (зоны), примерно, как у дистанционной защиты. Сама защита выполняется многоступенчатой. Ток срабатывания первой ступени максимальный, выдержка времени – минимальна или равна нулю. Следующая ступень срабатывает при меньшем токе, но с большей выдержкой по времени. И так далее.

На другом конце линии установлена такая же защита. А линий может быть много. Наличие ступеней позволяет обеспечить отключение именно участка с повреждением, а также – резервировать другие защиты в случае их отказа.

Защита фидеров контактной сети и РУ-3.3 кВ

Каждый из выключателей контактной сети на фидерах тяговой подстанции должен; как правило, содержать основную и резервную защиту от коротких замыканий. В качестве основной применяется максимальная и максимальная импульсная токовые защиты, реализуемые с помощью поляризованных быстродействующих выключателей. Защита от коротких замыканий должна быть отстроена от максимальных нагрузок нормального режима работы, а также от повреждений, отключаемых выключателями локомотивов или выключателями смежных участков. Отстройка уставки от указанных режимов осуществляется коэффициентом запаса Кз, который для быстродействующих выключателей принимают равным 1,15. Земляная защита применяется для защиты РУ-3,3 кВ при замыкании на землю. Все подлежащие заземлению части оборудования постоянного тока, расположенные в здании подстанции или на открытой части подстанции, заземляют на специальные внутренние контуры заземления оборудования постоянного тока (КЗОПТ) 2 (рис. 1), который соединяется через токовые реле КА{ и КА2 земляной защиты с контуром заземления подстанции (КЗП) 3, охватывающим практически всю территорию подстанции. Во избежание шунтирования реле земляной защиты К А, и КАг необходимо в эксплуатации следить за тем, чтобы КЗОПТ не касался заземленных оболочек кабелей и других заземленных устройств, соединенных с КЗП. При нарушении изоляции в РУ-3,3 кВ, например, в точке К (рис. 19, а), ток замыкания на землю может достигать десятков тысяч ампер. Выполнить защитное заземление 3 с малым сопротивлением, обеспечивающим безопасное напряжение прикосновения и шага, при таких токах замыкания на землю практически невозможно. Поэтому на открытой части выполняют КЗП с сопротивлением не более 0,5 Ом, а для отключения места повреждения применяют быстродействующую земляную защиту.

Как это работает

Принцип работы ТЗНП заключается в отключении коммутационной аппаратуры в случае однофазных замыканий с определенной выдержкой времени. Задержка времени нужна для организации селективности защит на разных трансформаторных подстанциях.

Пример схемы токовой защиты нулевой последовательности изображен на рисунке ниже:

В ней используется токовое реле КА и реле мощности KW. Для контроля тока по фазам в ТЗНП используются трансформаторы тока (ТТ). Это специальные измерительные трансформаторы надеваются на шину или провод. На его обмотках наводится ЭДС пропорциональное току, протекающему через жилу или шину.

Одним из главных условий корректной работы ТЗНП является то, чтобы у ТТ были одинаковые кривые намагничивания. Это значит, что они должны быть не просто одинаковы по входным и выходным характеристикам, но и быть одной марки. Кроме того, стоит отметить, что погрешности их выходных параметров не должны быть больше 10 процентов. Их вы видите на картинке ниже.

Чтобы получить токи выведенной из баланса системы сигнал пропускают через фильтр. В реальном применении соединяют обмотки трансформаторов между собой. Это называют фильтром токов нулевой последовательности.

В нормальном состоянии электросети токи нулевой последовательности равны нулю, соответственно Iвыходные фильтра ТЗНП тоже равны нулю. В аварийном режиме, при КЗ, выходной ток отличен от нуля. Остальные части ТЗПН настраиваются таким образом, чтобы исключить ложные срабатывания под определенный ток КЗ.

Если ранее токовая защита нулевой последовательности представляла собой релейные схемы, то в настоящее время выпускаются микропроцессорные терминалы для защитных цепей. То есть, современная ТЗНП может выполняться на микроконтроллерных схемах.

Рассмотренная система используется в качестве резервной защиты. Благодаря её свойствам можно достичь селективность срабатывания, где РЗиА каждой последующей ТП срабатывает быстрее, чем на предыдущей. Защита нужна чтобы минимизировать дальнейшие повреждения ЛЭП, трансформаторов, генераторов, а также, чтобы обезопасить окружающую среду и людей, которые могут попасть в опасную зону.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое токовая защита нулевой последовательности, как она работает и для чего нужна. Если возникли вопросы, обязательно задавайте их в комментариях под статьей!

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.

Основные защиты трансформатора

Любая релейная защита трансформатора направлена на срабатывание при повреждении или же ненормальном режиме работы этого устройства. Нужно отметить, что некоторые из них направлены на мгновенное отключение в случае аварии, а другие только подают предупреждающий сигнал персоналу. В свою очередь, персонал уже действует по инструкциям, которые разработаны непосредственно и индивидуально для каждой схемы снабжения и распределительной подстанции. Для того чтобы было видно какой тип аварии произошёл применяются параллельно и сигнальные реле (блинкер), которые должны быть подписаны в соответствии с правилами.

Работа заземления при неисправностях электрооборудования

Под неисправностью оборудования подразумевают повреждение изоляции и возникновение фазы в корпусе прибора. Если части оборудования находятся под напряжением, но не имеют защиты в виде заземления и УЗО, человек, не подозревающий об опасности, может получить удар током.
Во втором варианте утечка тока может быть не значительной, устройство защиты оборудования не среагирует на напряжение и не отключит прибор. Человек может получить незначительный удар.

Если корпус не заземлен, но УЗО установлено, оно сработает через 0,02 секунды после прикосновения человека к корпусу прибора. Этого времени не достаточно для нанесения вреда здоровью.

Самой эффективной с точки зрения безопасности схемой является наличие заземления и УЗО. При возникновении утечки тока и переходе его в грунт УЗО реагирует и отключает прибор.

Условия эксплуатации

Реле АЛ-4-1, АЛ-4-2 должны устанавливаться в закрытых помещениях, где температура может меняться от -40 до +55 ºС, а относительная влажность окружающего воздуха 80% при 25 ºС.

Окружающая среда должна быть невзрывоопасной и не содержать пыли и газов, разрушающих изоляцию реле. Вибрация мест крепления реле должна быть не более 3g в диапазоне частот до 15 Гц и не более 1 g в диапазоне частот до 100 Гц.

Реле можно устанавливать на плоскость в любом положении выступающим монтажом с передним или задним подключением проводов. Для заднего присоединения проводов необходимо снять крышки с клемм и переставить винты и шайбы на те же клеммы с обратной стороны.

Реле должны выдерживать в продолжительном режиме напряжение питания, равное 1,2 номинального значения.
Технические характеристики