Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

На рис. 9.2, б построена векторная диаграмма напряжений

проводов и нейтрали сети по отношению к земле ({7д , \3

, 11^):

точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка Л/

соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с

землей и имеет нулевой потенциал.

Токи при замыкании на землю. В месте повреждения К про-

ходят токи, замыкающиеся через емкости неповрежденных

фаз сети (9.1). Поскольку Цд = 0, то

1А(С)

= 0. В двух других фа-

зах под действием напряжений Цд и Ы'с появляются токи,

опережающие на 90° эти напряжения:

/в(С) = ШВА'ХС И 1

{О = У^сл/Хс- (9.3)

Ток /

(о в месте повреждения равен сумме токов в фазах

В и С

(рис.

9.1): /,

(с)

= (&(С) + 'с(о)-

учетом (9.3)

Поскольку \]

ВА

+ у

СА

ЪЕ

(рис. 9.2, б):

/з(С) = -ЗЕ

/Х

= -УЗС/

АФ

/Х

. (9.4)

Таким образом, ток 1

^ равен утроенному значению нор-

мального емкостного тока фазы 1ф(о = ^ф/-Хс- Из рис. 9.2,6

видно, что ток /

(С) опережает от Ь^ на 90°. Ток /

(с) может

быть определен по формуле

'з(С) = 3/

Сф

= 3[/

/Х

= ЗС/фШСуд/. Ю-

где / - общая протяженность одной фазы сети; Су

- емкость

1 км фазы относительно земли.

В воздушных сетях 1

^ находится в пределах от долей до

нескольких десятков ампер; в кабельных - от нескольких

ампер до 200-400 А в сетях больших городов.

Токи и напряжения нулевой последовательности при замы-

каниях на землю. При замыкании на землю в фазных напряже-

ниях и токах появляются составляющие НП:

К=^Ш'А

+УВ +

ЫЬУ>

(9.5)

= ~^(1А + 1в

1с)- (9.6)

291

и**и

~" I

1о(с) !

Шс)

\-т-

о(с\

-г-1

С/С) |

ь*

!1 Ф^

• я

Ък^Е

Рис. 9.3. Протекание токов нулевой последовательности при замыкании на зем-

лю в сети с изолированной нейтралью

Подставляя в (9.5) значения \]'

и Ц'

, получаем

Мок = -~ШВА +ЫСА) = -Е

= Ы

. (9.7)

Поскольку сопротивление проводов значительно меньше

, во всех точках сети 17

= И

оК

. Токи 7

, возникающие под

действием [/

оК

, замыкаются через емкость фаз и заземленные

нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие

заземления имеются. Из распределения токов 1

, показанно-

го на

рис.

9.3, следует:

'о(С) = -Фок/Хс =

-}Е

/Х

= -Д/

/Х

, (9.8)

где

17ф

- нормальное напряжение поврежденной фазы.

Из приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что

емкостный ток в месте замыкания

*э(С) - 3/

0(С

(9.9)

Токи 31

(

) и /

(о совпадают по фазе и опережают вектор

напряжения.

Компенсированная сеть. Рассмотрим сеть, нейтраль кото-

рой заземлена через дугогасящий реактор ДГР, предназначен-

ный для компенсации емкостных токов в месте повреждения

(рис.

9.4). При замыкании на землю напряжения во всех точках

такой сети имеют те же значения, что и в сети с изолирован-

ной нейтралью. При наличии ДГР под действием напряжения

1/оК

- Уы - -ЕА возникает индуктивный ток /дгр, который про-

ходит по замкнувшейся на землю фазе А поврежденной ЛЭП

/ к месту замыкания К и по земле возвращается в ДГР:

292

/шТТтт,

АП>

нз

--ЗГ

^^ X •«—

о*гТ ^ 1

^-^

™ м I

1^/|Д —-1

АГР

ДГР * I

и»л

^/г;

(с)

б)

Рис.

9.4. Токи нулевой последовательности при замыкании на землю в сети с

изолированной нейтралью или заземленной через ДГР или активное сопротив-

ление:

—

распределение токов; б

—

векторная диаграмма

/ДГР

= _

^л/^дгр- Этот ток накладывается на емкостный ток

/з(С)*

Являясь индуктивным, /дрр противоположен по фазе

/з(С)-

Результирующий ток

1з = /ДГР

/з(С)

ЕА

/Х

ЛГ? + ЗЕ

иС

При полной компенсации, которую обычно стремятся обес-

печить, 1дрр = 7

(С)

ЗЕ

иС

, и тогда результирующий ток

'з

= °-

Емкостный ток НП /

(С) (рис. 9.4, а) проходит по всем непо-

врежденным и поврежденной НЭП. Ток /дгр проходит только

по поврежденному присоединению У/1. Ток /

в обмотках

генератора отсутствует, поскольку нулевая точка его изолиро-

вана. В неповрежденных ЛЭП (м>

) сумма фазных емкостных

токов при замыканиях на землю всегда отлична от нуля и

равна 3/

(о

№

. Токи /

(с)« направлены к шинам, их значения

определяются емкостями С

ЛЭП:

I 1

фт

= I 3/

0 ш

= 2 Ъи

оК

ыС

оШ

(9.10)

В поврежденной ЛЭП №1 на участке от шин подстанции до

точки замыкания К ток

опл

равен суммарному току

2 37,^2 = 1-

^ в месте повреждения за вычетом тока

*о(С)п.л "

ЗЦ

оК 0)(С

о1

-С

онп

(9.11)

Ток 31

(

)

П>Л

направлен от шин подстанции к месту замыка-

ния, он всегда противоположен токам 3/ ,

С)

в неповрежденных

ЛЭП.

При наличии ДГР ток в начале поврежденной ЛЭП

п л

равен разности токов /

дгр

дугогасящего реактора и суммарно-

го емкостного тока неповрежденных ЛЭП:

А) п.л

(ДГР ~ ^ 37„(С)нп.л

= "х-^ "

(31/

оК

соС

о1

- Ъи

оК ы

0 м

). (9-12)

При полной компенсации /дрр = I 3/

(

С)нп л

и тогда

*оп.л = 3[/

кюС

оШ

. (9.13)

294

Следовательно, в компенсированной сети в начале повреж-

денной ЛЭП (между шинами и точкой К) проходит остаточ-

ный индуктивный ток ДГР, численно равный емкостному

току поврежденной ЛЭП (Ш на рис. 9.4). Направление этого

тока при полной компенсации будет совпадать с направлением

тока в неповрежденных ЛЭП. Распределение токов 1

, пока-

занное на рис. 9.4, справедливо для любых значений и, т. е.

для всех гармоник (кроме кратных трем) токов 7

и /ф.

Токи в сети с активным сопротивлением. Иногда параллель-

но дугогасящему реактору включается резистор К (показано

пунктиром на рис. 9.4). Тогда, кроме токов 7

(

) и /дгр, появ-

ляется третий ток 1

= Ы

к/К, совпадающий по фазе с Ц

ц и

сдвинутый на 90° по отношению к токам 1

(с)

1дгр- Таким

образом, при наличии резистора 7? ток в месте повреждения

'э = МпТ-З'о(С))

+ '*•

(

9Л4

При замыкании на землю через переходное сопротивление

напряжение поврежденной фазы Цд = 1

Ц>к>

напря-

жение в нейтрали С/^ = -Е

+ Цк, т, е. оно оказывается мень-

шим, чем при металлическом замыкании. Соответственно

уменьшаются напряжения неповрежденных фаз относитель-

но земли, а также токи 7

и /

. В емкости поврежденной фазы

появляется ток 1

= .

В расчетах снижение тока и напряжения НП, обусловленное

сопротивлением К

, учитывается коэффициентом полноты

замыкания Р = Ц,к/^ф. При металлическом замыкании Р = 1,

так как 1)

оК

- [/ф. При неполном замыкании на землю 11

к =

= Р*У

, ток /

= Р?/ф/Х

, а ток

= 3/

=ЗРС/

/Х

. (9.15) г

9Л. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ

Поскольку замыкания на землю не вызывают появления

сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже-

ний, то они не отражаются на питании потребителей и не со-

провождаются перегрузкой оборудования опасными токами.

Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изоли-

рованной нейтралью не требуют немедленной ликвидации.

295

Однако отключение замыканий на землю является все же

необходимым, так как в результате теплового воздействия

тока замыкания на землю и электрической дуги в месте по-

вреждения 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 изо-

ляции 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 [11.

Дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки по-

врежденной ЛЭП на другой источник питания, разгружая по-

врежденную ЛЭП, и затем отключает ее. В современных раз-

ветвленных городских сетях 6-10 кВ эти операции требуют зна-

чительных переключений, затягивающих ликвидацию повреж-

дений. Поэтому в автоматизированных сетях целесообразно

применять селективную защиту с действием на отключение

повреждения.

Защиты от замыканий на землю независимо от режима ком-

пенсации должны быть селективными, иметь высокую чувст-

вительность; 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, торфораз-

работок, карьеров и передвижных установок. Здесь представ-

ляет опасность "напряжение прикосновения" и переход замы-

кания на землю одной фазы в двойное замыкание. При двой-

ном замыкании на землю "шаговое напряжение" и "напряже-

ние прикосновения" достигают значений, опасных для людей,

обслуживающих установки. Поэтому для безопасности персо-

нала, ведущего добычу торфа, РЗ от замыкания на землю в

таких сетях должна при появлении "земли" немедленно от-

ключить поврежденный участок. Эти РЗ должны отличаться

особенно высокой чувствительностью, так как емкостные

токи

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 не-

296

полном замыкании через переходное сопротивление #

. Чув-

ствительность РЗ считается достаточной [1], если она действует

/с

более 1,25 для кабельных и 1,5 для воздушных ЛЭП.

9.3.

ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ

ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют

на составляющие нулевой последовательности тока /

и на-

пряжения 1/

. Простейшим устройством является неселектив-

ная сигнализация о появлении замыкания на землю, реаги-

рующая на 311

. Такое устройство состоит из одного реле по-

вышения напряжения КУ

, которое питается напряжением

3{7

от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого тре-

угольника (рис. 9.5). Подобная неселективная сигнализация

устанавливается на шинах РУ 6-35

кВ.

Возможен и другой ва-

риант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой

схеме сигнал о появлении земли дает реле КА

, включенное

в нулевой провод вольметров контроля изоляции фаз сети,

показания которых позволяют определить поврежденную

фазу.

Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способ-

ной определять, на каком участке сети возникло замыкание

на землю. В качестве селективных применяются токовые не-

направленные и направленные РЗ, реагирующие на состав-

ляющие НП.

Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре груп-

пы защиты, реагирующие:

1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ

Рис. 9.5. Схема неселективной сигна-

лизации при замыканиях на землю

од

297

возможен только при отсутствии компенсации или при нали-

чии перекомпенсации емкостного тока сети);

2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;

3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной

ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в уста-

новившемся режиме;

4) на токи переходного режима, возникающие в первый мо-

мент замыкания.

9.4. ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Для получения составляющих токов /

возможно использо-

вание трехтрансформаторных фильтров (см.

3.5), применя-

емых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специаль-

ных трансформаторов тока нулевой последовательности

(рис.

9.6). Как уже отмечалось, токи 1

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:

1) номинальный ток обычных ТТ выбирается по току на-

грузки 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 сопро-

тивление обмоток 80 Ом. Включение реле с такими большими

сопротивлениями приводит к тому, что только часть тока по-

падает в реле, а другая часть, называемая током отсоса, беспо-

лезно замыкается через вторичные обмотки ТТ неповрежден-

ных фаз. Ток отсоса может достигать 40-50%.

Значительно большую чувствительность обеспечивает сиг-

нализация при однофазных замыканиях на землю, выполня-

емая на специальных ТТ НП (ТНП), имеющих на выходе ма-

лые токи небаланса и позволяющие благодаря этому выпол-

нить более чувствительные РЗ. Устройство ТНП показано на

298

1бр ')

рис.

9.6, а. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформа-

торной стали, имеет обычно форму кольца или прямоугольни-

ка, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП.

Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, явля-

ются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2

располагается на магнитопроводе с числом витков

= 20

н-

30.

Токи фаз 1

, 1

и 1

создают в магнитопроводе соответст-

вующие магнитные потоки Ф

, Ф

, которые, складываясь,

образуют результирующий поток:

Фрез = *А + ФВ + $С- (

9Л6

)

Так как сумма токов 1

+ 1

= 3/

, то можно сказать,

что результирующий поток, создаваемый первичными токами

299

ТНП, пропорционален составляющей тока НП:

Фрез =*•

'о" <

9Л?

)

Поток ф , а следовательно, вторичная ЭДС Е

и вторич-

ный ток I могут возникнуть только при условии, что сумма

токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные то-

ки,

проходящие через ТНП, содержат составляющую /

. Поэто-

му ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при

замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двух-

фазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз 1

= 0, и поэтому ток в реле отсутствует (Ф

рез

= 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 (Ф

рез

= Ф

б)> вызы-

вающий во вторичной обмотке ЭДС и ток /

н6

. Ток небаланса

ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном филь-

тре.

Это объясняется тем, что в последнем суммируются вто-

ричные токи, которые искажены погрешностью трансформа-

ции (/

ам)» особенно проявляющейся при насыщении стали

сердечника при токах КЗ, в то время как в ТНП трансформа-

ция тока не вызывает небаланса. В ТНП суммируются магнито-

движущие силы одновитковых первичных обмоток, сумма

которых при междуфазных КЗ равна нулю. Ток 1

нб

во вторич-

ной обмотке ТНП зависит только от несимметрии расположе-

ния фаз первичного тока.

Для получения наибольшей мощности от ТНП, а следова-

тельно, и максимальной чувствительности реле, питающихся

от ТНП, сопротивление обмотки реле 2

должно равняться

сопротивлению ТНП. Пренебрегая сопротивлением вторич-

ной обмотки 2

, согласно рис. 9.6, б получаем

ТНП

нам

;

тогда условие отдачи максимальной мощности можно выра-

зить равенством

нам

(9.18)

Из эквивалентной схемы ТНП (рис. 9.6,6) видно, что при

выполнении условия (9.18) вторичный ток, поступающий в

реле,

и ток намагничивания оказываются одинаковыми:

300