Защита от замыканий на землю

Сети с малым током замыкания на землю работают с изолированной нейтралью или с заземленной через дугогасящую катушку. В таких сетях (в отличие от сетей с глухозаземленной нейтралью) замыкание на землю одной фазы не вызывает короткого замыкания и не сопровождается поэтому снижением междуфазных напряжений и появлением повышенных токов в сети.

Требования к защите от замыканий на землю в сети с малым током замыкания на землю существенно отличаются от требований, предъявляемых к защитам от к. з. Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают величины междуфазных напряжений, они не отражаются на питании потребителей, не влияют на устойчивость энергосистемы и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от к. з. замыкания на землю не требуют немедленной ликвидации.

Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю в месте повреждения возможно повреждение изоляции между фазами и переход однофазного замыкания в междуфазное к. з. Помимо того, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети. В компенсированных сетях и сетях с малыми емкостными токами (20 — 30 А в сети 10 и 6 кВ) замыкания на землю могут оставаться довольно длительное время (до 2 ч), не вызывая развития повреждения и не нарушая работы потребителей.

Исходя из этого принято выполнять защиту от замыканий на землю в сетях с малым током повреждения с действием на сигнал. Получив сигнал о появлении замыкания на землю, дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки поврежденной линии на другой источник цитация, разгружает поврежденную линию и затем отключает ее.

Защиты от замыкания на землю должны быть селективными и иметь высокую чувствительность. Последнее вызывается тем, что токи повреждения, на которые реагирует защита, очень малы (5 — 10 А). Кроме того, желательно, чтобы защита от замыканий на землю реагировала не только на устойчивые, но также и на неустойчивые повреждения.

Простейшей защитой от замыканий на землю является общая неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю без указания поврежденного участка. Такое устройство состоит из схемы с одним реле повышения напряжения, включенным на напряжение нулевой последовательности.

При появлении «земли» схема дает сигнал, а затем дежурный поочередным отключением присоединений определяет поврежденный элемент. Указанный способ определения повреждения связан с кратковременным нарушением питания потребителей, требует много времени и особенно неудобен на подстанциях без постоянного дежурного персонала.

Все известные и применяемые на практике защиты можно подразделить на четыре группы:

• 1) защиты, реагирующие на естественный емкостный ток сети. Такой способ защиты возможен только при отсутствии компенсации или при наличии недокомпенсации емкостного тока сети;
• 2) защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности, создаваемые искусственным путем;
• 3) защиты, реагирующие на установившиеся остаточные токи, возникающие в поврежденной линии при резонансной компенсации емкостных токов;
• 4) защиты, реагирующие на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания на землю.

Токовая защита, реагирующая на полный ток нулевой последовательности Защита предназначена для радиальных сетей. В некомпенсированной сети она реагирует на естественный емкостный ток, а в компенсированной действует от остаточного тока перекомпенсации (если таковая предусмотрена). Основной трудностью в выполнении рассматриваемой защиты является обеспечение необходимой чувствительности при малых значениях тока повреждения — 10 А и меньше.

Реагирующий орган защиты состоит из токового реле, питающегося через фильтр нулевой последовательности. В качестве фильтра применяется специальный трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП) особой конструкции. В однотрансформаторном фильтре, выполняемом с помощью трансформатора тока нулевой последовательности, ток 3I₀ получается магнитным суммированием первичных токов трех фаз:

.

Защита с трансформатором тока нулевой последовательности получается значительно чувствительнее, чем с использованием трехтрансформаторного фильтра.

Главное преимущество ТНП состоит в значительно меньшем небалансе и возможности подбора числа витков вторичной обмотки из условия наибольшей чувствительности защиты без каких-либо ограничений по нагрузке. В результате этого ТНП позволяет обеспечить действие защиты при первичных токах порядка 3 — 5 А, а при сочетании ТНП с высокочувствительными реле чувствительность защиты повышается до 1 — 2 А. Вследствие этого схема защиты с ТНП является основой для сети с малым током замыкания на землю.

Опыт эксплуатации показал, что токовое реле может неправильно работать на неповрежденных линиях в первый момент повреждения под влиянием бросков токов, появляющихся в неустановившемся режиме. Исключить ложную работу защиты по указанной причине можно загрублением защиты по току срабатывания, введением выдержки времени или применением фильтра, не пропускающего в реле тока высших частот, составляющих значительную долю в токе неустановившегося режима. Для отстройки от броска емкостного тока предусмотривается реле времени. Схемы с включением реле через фильтр высокой частоты также применяются. Защита с фильтром выполняется без выдержки времени и поэтому может реагировать на кратковременные замыкания на землю. Действие защиты фиксируется с помощью указательного реле.

Принцип работы и устройство ТНП Для защиты линий ТНП выполняются только кабельного типа. При необходимости осуществления защиты воздушных линий делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП.

Для кабельных линий заводы электропромышленности изготавливают ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

При прохождении токов I_бр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле защиты появляется ток, от которого защита может подействовать неправильно. Через оболочку кабелей (стальную броню и свинец) могут проходить токи I_бр, замыкающиеся через землю. Эти токи появляются при замыканиях на землю вблизи кабеля, работе сварочных аппаратов и в других подобных случаях. Прохождение тока I_бр по броне неповрежденного кабеля через ТНП вызывает вторичный ток в его обмотке и, как следствие этого, неправильное действие защиты. Для исключения этого необходимо компенсировать влияние токов, которые могут проходить по свинцовой оболочке и броне кабеля. С этой целью броня и оболочка кабеля на участке от его воронки до ТНП изолируются от земли. Заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. Магнитопровод ТНП должен быть также надежно изолирован от брони кабеля.

Для определения поврежденного участка в радиальных сетях токовые защиты устанавливаются на всех линиях каждого радиального направления. Защита устанавливается в начале каждой линии. При возникновении замыкания на землю по действию защиты на питающей подстанции определяется то радиальное направление, на котором произошло повреждение. Затем осмотром сигналов защит на линиях этого направления устанавливается поврежденный участок. Поврежденным является тот участок, на котором подействовавшая защита является последней. Если защиты действуют на отключение, то для обеспечения селективности время действия на них подбирается по ступенчатому принципу, как на максимальных защитах.

Чувствительность токовой защиты ограничивается необходимостью ее отстройки от бросков емкостного тока при замыканиях на землю на других линиях.

В результате этого для надежного и селективного действия токовой защиты требуется увеличение тока замыкания на землю сверх допустимого предела, в то время как для повышения надежности работы компенсированных сетей необходимо снижать этот ток. Недостаточная чувствительность токовых защит, реагирующих на емкостный ток сети, особенно проявляется па подстанциях с малым числом линий, а также в компенсированных сетях с малым остаточным током.

В этих случаях емкостный ток неповрежденной линии (от которого отстраивается ее защита) становится соизмеримым с током замыкания на землю в поврежденной линии. В связи с этим токовая защита в компенсированных сетях применяется редко.