2.8. Защита от однофазных замыканий на землю

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 ?_A0, ?_B0, ?_C0 — 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 ?_A0, ?_B0, ?_C0 равны соответствующим модулям векторов фазных э.д.с., напряжение нулевой последовательности в сети ? = 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:

U_СЗ > U_{0HP MAX}.

Здесь U_СЗ — действующее (первичное) значение напряжения срабатывания защиты; U_{0HP MAX} — наибольшее возможное в нормальных режимах действующее (первичное) значение напряжения нулевой последовательности в контролируемой сети.

Значение напряжения U_{0HP MAX} определяется предельно допустимым потенциалом нейтрали (U_{N MAX}), которое, в свою очередь, обусловлено степенью несимметрии емкостей фаз сети относительно земли:

U_{N MAX} = (5 — 10) % U_{Ф НОМ} ^,

где U_{Ф 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 % U_{Ф НОМ}.

Принимая во внимание возможность появления напряжения нулевой последовательности под действием всех отмеченных факторов, как правило, выбирают:

U_СЗ = 0,15U_{Ф НОМ}.

Напряжение срабатывания реле определяется с учетом коэффициента трансформации ТН (k_ТН):

U_СР = U_СЗ / k_ТН.

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 (I_СПР) во всех нормальных режимах работы контролируемого присоединения и при повреждениях на смежных присоединениях:

Т_СЗ > Т_СПР.

Действующее значение первичного тока срабатывания защиты определяется так:

I_СЗ = k_З k_БР I_СПР,

где k_З и k_БР — 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 k_BP 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:

I_СР = I_СЗ/k_Т0,

где k_T0 — 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:

k_ЧWK (I_СW — I_СWK) / I_С3WK.

Здесь I_СW — суммарный емкостной ток всей сети; I_СWK — емкостной ток присоединения с номером К, на котором установлена защита; I_С3WK — 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:

I_C3W1 = k₃ k_БР I_СW1.

Принимаются следующие значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): k₃ = 1,2; k_БР = 2,5.

Емкостной ток первого присоединения определяется суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя:

Здесь C_W1 = 0,047 мкФ — емкость кабельной линии W1, значение которой получено путем умножения удельной емкости кабеля [9] на длину линии (0,2 км); С_м = 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 (Т_СМ), определяемой обмотками электродвигателя (при внешнем замыкании на землю), можно получить с помощью эмпирических формул [5]:

I_СМ ? 0,017 ? S_НМ (при номинальном напряжении 6 кВ);

I_СМ ? 0,03 ? S_НМ (при номинальном напряжении 10 кВ).

Здесь S_НМ = Р_НМ/(cos ?_Н ? ?_Н) — полная номинальная мощность электродвигателя (МВА); Р_НМ — номинальная активная мощность электродвигателя (МВт); cos ?_Н ? ?_Н — номинальный коэффициент мощности и номинальный к.п.д. электродвигателя соответственно.

Первичный ток срабатывания защиты:

I_{СЗ W1} = 1,2 ? 2,5 ? 0,7 = 2,1 А.

Коэффициент чувствительности защиты:

k_ЧW1 = (I_CW ? I_Сw1)/I_СЗW1 = (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:

I_CЗW2 k_З k_БР I_CW2.

Значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): k_З = 1,2; k_БР = 2,5.

Емкостной ток второго присоединения определяется суммарной емкостью отдельных участков кабельной линии:

Здесь C_W2.1 = 0,17 мкФ; C_W2.2 = 0,23 мкФ; C_W2.3 = 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:

I_CЗW2 = 1,2 ? 2,5 ? 3,5 = 10,5 А.

Коэффициент чувствительности защиты:

k_ЧW2 = (I_CW ? I_CW2) / I_СЗW2 = (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):

I_СЗ > I_СПР; I_СЗ = k_З k_БР I_СПР.

Однако значения коэффициента отстройки от бросков емкостного тока могут находиться в диапазоне от 1 до 1,5, что позволяет приблизить токи срабатывания к значениям I_СПР. 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:

k_ЧWK = I_RW/I_СЗWК.

Здесь I_RW = Е_ф /R_N — активная составляющая тока в месте установки защиты на поврежденном присоединении; Е_ф — действующее значение фазной э.д.с. сети; R_N — сопротивление заземляющего резистора; I_СЗWК — 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:

I_СЗW1 = k_З k_БР I_СW1.

При реализации защиты на основе реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ можно принять: k_З = 1,2;

Емкостной ток первого присоединения, определяемый суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя (табл. 2.3): I_СW1 = 0,7 А.

Таблица 2.3

Первичный ток срабатывания защиты: I_СЗW1 = 1,2 ? 1,25 ? 0,7 = = 1,05 А.

Коэффициент чувствительности защиты, установленной на первом присоединении:

k_ЧW1 = I_RW/I_СЗW1 = 57,8 / 1,05 = 55 > 1,25

Здесь I_RW = Е_Ф /R_N = 5,78 ? 10³ / 100 = 57,8 А. Требования по чувствительности выполняются.

Ток срабатывания защиты, установленной на втором присоединении:

I_CЗW2 = k_З k_БР I_CW2.

Здесь можно принять следующие значения коэффициентов: k_З = 1,2; k_БР = 1,25. Емкостной ток второго присоединения (табл. 2.3) I_СW2 = 3,5 A.

Тогда первичный ток срабатывания защиты:

I_СЗW2 = 1,2 ? 1,25 ? 3,5 = 5,25 А.

Коэффициент чувствительности защиты:

kЧW1 = I_RW /I_СЗW2 = 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.