Защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю.

Электрические сети напряжением 3-35 кВ работают с изолированной нейтралью или с нейтралью заземленной через дугогасящую катушку (ДГК). В таких сетях замыкание на землю одной фазы не вызывает к.з. и не сопровождается появлением больших токов и снижением междуфазных напряжений.

Рассмотрим характер изменения токов и напряжений в сети с малым током замыкания на землю при замыкании одной фазы на землю при условии для упрощения, что нагрузка отключена.

На рис. 4-7 приведена схема сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А.

 

 

 

	Рис.4-7. Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью и векторные диаграммы токов и напряжений в сети а) в нормальном режиме; б) при замыкании на землю фазы А.

 

 

В нормальных условиях (отсутствует замыкание на землю) фазные напряжения практически равны фазным э.д.с источника питания, т.к. нагрузка отключена:

;

При этом векторы фазных напряжений образуют симметричную звезду, их сумма равна нулю, а напряжение нейтрали отсутствует.

Под действием фазных напряжений через ёмкости фаз относительно земли С_А, С_В, С_С проходят токи, опережающие напряжение на 90⁰. При этом:

; ;

Сумма ёмкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме также равна нулю (ток замыкания на землю I₀ отсутстует.

При замыканиях на землю одной фазы (например фазы А), напряжение относительно земли этой фазы снижается до нуля по отношению к земле (между точками К и Н становится равным по величине и противоположным по направлению э.д.с. поврежденной фазы:

Фазные напряжения неповрежденных фаз (между проводом В и точкой К повышаются до величины междуфазных напряжений:

;

С учётом обстоятельства, что нейтраль (точка Н) относительно земли (точка К) имеет напряжение , то:

;

или ;

Междуфазные напряжения между проводами фаз остаются неизменными.

В месте замыкания на землю (в точке К) проходят токи, замыкающиеся через ёмкости фаз сети.

Поскольку , то . В 2-х других фазах под действием напряжений и появляются токи, опережающие на 90⁰ напряжения:

и

Ток замыкания на землю в месте повреждения (точка К) равен геометрической сумме токов неповрежденных фаз В и С и противоположен им по фазе:

или

Из векторной диаграммы следует, что

поэтому (4-5)

таким образом, ток замыкания на землю равен утроенному значению нормального ёмкостного тока фазы и отстаёт от напряжения нейтрали на 90⁰.

Ток зависит от ёмкости фаз и напряжения сети и может быть рассчитан по формуле:

; (4-6)

где:
ℓ	-	общая протяженность одной фазы сети;
С уд.	-	удельная ёмкость фазы сети относительно земли.

Токи и напряжения нулевой последовательности, возникающие при замыканиях на землю (рис. 4-8):

	Рис.4-8. Прохождение токов нулевой последовательности при замыканиях на землю.

 

Учитывая, что получаем:

и так как , то

Таким образом, напряжение нулевой последовательности равно и противоположно нормальному напряжению повреждённой фазы и равно напряжению нейтрали сети. Пренебрегая сопротивлением проводов получаем, что во всех точках сети .

Токи нулевой последовательности İ₀, возникающие под действием замыкаются через ёмкости фаз, при этом

где:
	-	фазное напряжение поврежденной фазы.

С учётом получаем следующее соотношение между током замыкания на землю и током нулевой последовательности:

причём и совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения U_ОК на 90⁰.

В случаях, когда нулевая тока сети заземлена через дугогасящую катушку (ДГК), предназначенную для компенсации ёмкостных токов в месте повреждения значения напряжений во всех точках сети имеют такие же значения, что и в сети с изолированной нулевой точкой (рис. 4-9).

 

 

Под влиянием напряжения нулевой последовательности , возникающего в месте повреждения кроме токов I_ОС, замыкающихся через ёмкости С фаз, в каждой фазе появляются индуктивные токи , замыкающиеся черед ДГК.

При этом ток опережает напряжение U_ОК на 90⁰, а ток и противоположны и ток замыкания на землю I_з в месте повреждения равен их разности:

При полной компенсации когда Х_С=Х_L можно уменьшить ток замыкания до нуля.

В отличии от к.з. на землю (в сетях с глухо заземленной нейтралью) замыкания на землю одной фазы (в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью) не требуют немедленной ликвидации аварийного режима. Однако, отключать замыкание на землю необходимо т.к. возможен переход однофазного замыкания в междуфазное к.з. (из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к двойным замыканиям на землю в разных точках сети и появлению больших токов к.з.).

Как правило, защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания выполняют с действием на сигнал. Эти защиты должны быть селективными и иметь высокую чувствительность, т.к. токи повреждения, на которые реагируют защиты малы (5-10 А).

Замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи, особенно в населённых пунктах целесообразно отключать для обеспечения электробезопасности населения, поэтому защиты от замыканий на землю этих линий должны действовать на отключение.

В качестве защит от замыканий на землю наибольшее применение нашли защиты от замыканий на землю, реагирующие на: ёмкостный ток сети или на ток нулевой последовательности; напряжение нулевой последовательности.

Токовая защита, реагирующая на полный ток нулевой последовательности используется в радиальных сетях. В некомпенсированной сети она реагирует на естественный ёмкостный ток, а в компенсированной – действует при появлении остаточного тока перекомпенсации.

На рис. 4-10 представлены два варианта защиты, различающиеся своей чувствительностью.

 

 

Реагирующий орган защиты (токовое реле 1) подключается к фильтру токов нулевой последовательности. В схеме а) используется 3-х трансформаторный фильтр, а в схеме б) применён специальный трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП).

В 3-х трансформаторном фильтре ток 3I₀ получается суммированием вторичных токов ТТ 3-х фаз: .

В однотрансформаторном фильтре ток 3I₀ получается магнитным суммированием первичных токов 3-х фаз ТНП.

Защита с 3-х трансформаторным фильтром нулевой последовательности имеет низкую чувствительность по сравнению с ТНП, который позволяет обеспечить действие защиты при малых первичных токах порядка 3-5А, а в сочетании ТНП с высокочувствительным реле можно обеспечить ток срабатывания защиты 1-2А.

Таким образом, схема защиты с ТНП является основной для сети с малым током замыкания на землю.

Как правило, защита выполняется с выдержкой времени (с помощью реле времени 2) и действует на сигнал (через указательное реле 3).

Ток срабатывания защиты отстраивается от ёмкостного тока защищаемой линии при замыканиях на землю на других присоединениях, и от тока небаланса при к.з. в сети.

Первичный ток срабатывания защиты:

где:
Кб	-	коэффициент, учитывающий бросок ёмкостного тока, равный 4¸5 (при наличии выдержки времени Кб=2¸3);
КН	-	коэффициент надёжности, равный 1,1¸1,2.

Чувствительность защиты при замыканиях на землю на защищаемой линии проверяется по отношению токов, протекающих через ТНП повреждённой линии к току срабатывания защиты:

Коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,25 для кабельных и 1,5 для воздушных линий.

Защина по напряжению нулевой последовательности (контроль изоляции) является наиболее простой защитой от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания (рис. 4-11).

 

 

Контроль изоляции выполняется с помощью одного реле максимального напряжения нулевой последовательности.

При появлении «земли» появляется напряжение нулевой последовательности и срабатывает реле напряжения, которое своими контактами подаёт сигнал дежурному персоналу.

Контроль изоляции фактически представляет собой неселективную сигнализацию о появлении замыкания на землю без указания повреждённого участка. При срабатывании защиты дежурный поочерёдным отключением присоединений определяет повреждённый элемент, что является серьёзным недостатком защиты.

Как правило, неселективную сигнализацию дополняют селективной токовой защитой от замыканий на землю. В качестве селективных защит, указывающих повреждённый участок сети, применяются также направленные токовые защиты нулевой последовательности, реагирующие на токи и мощность нулевой последовательности.

Выводы:

В качестве защит от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания используются токовые защиты, реагирующие на полный ток нулевой последовательности, а также устройства контроля изоляции, реагирующие на появление напряжения нулевой последовательности.