3.9 Первая ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания первой ступени защиты отстраивается:

― от максимального I_0,К1,МАХ тока КЗ в конце защищаемой линии и рассчитывается по выражению [7]:

; (3.19)

― тока I_0,НЕП кратковременного неполнофазного режима, возникающего при неполнофазном включении фаз выключателя

. (3.20)

Время срабатывания защиты также должно быть отстроено от работы разрядников (t_РАЗР = 0,06…0,08 с), с учетом собственных времен задержек реле, принимается c.

3.10 Вторая ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания второй ступени защиты отстраивается:

― от тока I^I,Б_0,С,З первой ступени защиты предыдущей линии

; (3.21)

― утроенного тока I_0,НЕП нулевой последовательности, проходящего в месте установки защиты при длительном неполнофазном режиме на предыдущей линии

. (3.22)

Время срабатывания второй ступени защиты принимается обычно не более t^II,А_0,С,З = 1…1,5 c.

3.11 Третья ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания третьей ступени защиты отстраивается от тока I_{НБ,П,РАСЧ} небаланса при трехфазном КЗ за трансформаторами подстанции противоположных концов участков:

. (3.23)

Время срабатывания третьей ступени должно быть больше времени срабатывания третьей ступени предыдущей линии:

, (3.24)

где ― время срабатывания третьей ступени защиты (рис. 3.3) подстанции А, ― время срабатывания третьей ступени защиты подстанции Б; t ― ступень селективности, обычно t = 0,5 с.

Иногда на линиях устанавливают четыре ступени токовой защиты нулевой последовательности. Четвертая ступень рассчитывается по формуле (3.23), а токи срабатывания второй и третьей ступеней согласуются с первой и должны быть меньше ее.

3.12 Схемотехника токовых защит нулевой последовательности

На рис 3.10 приведена схема трехступенчатой токовой направленной защиты нулевой последовательности:

3.13 Токовые и токовые направленные защиты нулевой последовательности в сетях с изолированной нейтралью

Область применения. В сетях с изолированной нейтралью (6‑35кВ) при однофазном замыкании на землю присутствуют ток и напряжение нулевой последовательности. Величина тока однофазного замыкания на землю [8, 9] обычно имеет небольшую величину (несколько единиц или десятков ампер) и не больше рабочего тока линии, в связи с этим ПУЭ допускает работу поврежденной сети до двух часов. Однако существуют причины, из-за которых это повреждение необходимо отключать:

― возникает большой градиент напряженности электрического поля, следовательно высокое шаговое напряжение, опасное для человека и животного;

а) б) в)

г)

Рисунок 3.10. Схема трехступенчатой токовой защиты нулевой последовательности: а) первичные цепи присоединения; б) вторичные цепи трансформаторов тока; в) вторичные цепи трансформатора напряжения; г) логическая схема оперативных цепей постоянного тока

― однофазное замыкание на землю обычно сопровождается перемежающейся дугой, что чрезвычайно опасно для взрыво- и пожароопасных предприятий;

― нулевой потенциал перемещается в поврежденную фазу, а к фазной изоляции неповрежденных фаз прикладывается линейное напряжение в раз больше номинального. Ослабленная изоляция может не выдержать, произойдет ее пробой и возникнет двойное замыкание на землю, или двухфазное КЗ;

― перемежающаяся дуга, как известно, сопровождается высокочастотными гармониками. При наличии индуктивностей и емкостей возникают резонансные перенапряжения, которые в несколько раз больше номинального, что также может привести к двойному замыканию на землю, или двухфазному КЗ.

В сетях с компенсированной нейтралью с точно настроенной индуктивностью отсутствует дуга в месте повреждения, но все остальные негативные признаки воздействия остаются.

С учетом вышеупомянутых негативных воздействий к защите от замыканий на землю предъявляются следующие требования:

― защита действует на сигнал в сетях, где допускается работа с повреждением до двух часов;

― защита должна действовать без выдержки времени во взрывоопасных и пожароопасных производствах, строительных и некоторых других видах производства;

― защита должна удовлетворять требованиям селективности при внешних замыканиях;

― в целях упрощения допустимо не устанавливать защиту на электроустановках, удаленных от источников питания, или когда вероятность однофазного замыкания мала;

― защита должна чувствовать однофазное замыкание через перемежающуюся дугу;

― желательно иметь непрерывность действия защиты, а не только в первый момент времени при перезаряде емкостей сети.

Процессы, протекающие в нормальном режиме в сети с изолированной нейтралью.

В нормальном режиме емкостные токи каждой фазы стекают вдоль каждой линии (рис. 3.11). Результирующий ток нулевой последовательности на каждой линии уменьшается по мере перемещения от ее начала к концу (на отходящих линиях W1, W2, … Wn это отмечено штриховыми эпюрами).

Рисунок 3.11. Емкостные токи, протекающие в нормальном режиме работы сети с изолированной нейтралью

Емкостный ток нулевой последовательности, протекающий через трансформатор тока нулевой последовательности, например линии Wn, может быть определен из соотношения:

, (3.25)

где U_Ф ― фазное напряжении линии, x_Сn ― емкостное сопротивление линии W1, С_n ― собственная емкость линии W1,  ― круговая частота.

Процессы, протекающие при однофазном замыкании в сети с изолированной нейтралью.

При однофазном замыкании в точке З (рис. 3.12) на линии Wn токи неповрежденных линий меняют направление на противоположное, но величины остаются такими же, какие были до ОЗЗ. Ток I_Cn поврежденного присоединения W1 складывается из суммарного тока всех неповрежденных присоединений I_C1, I_C2,…I_C(n-1), а также части k_ПОВРI_Cn генерируемого емкостного тока поврежденного присоединения от шин до места повреждения:

. (3.26)

Рассчитать этот ток ОЗЗ, протекающий через переходное сопротивление дуги, можно по следующему выражению:

, (3.27)

где r_Д ― сопротивление дуги, x_C0 ― суммарное емкостное сопротивление сети; а ток металлического замыкания соответствуют формуле

. (3.28)

Рисунок 3.12. Емкостные токи, протекающие в режиме однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

Особенности процессов, протекающих в сети с изолированной нейтралью. Основной особенностью процессов, протекающих в сети с изолированной нейтралью, являются феррорезонансные явления.

При равенстве сопротивления суммарной индуктивности трансформаторов напряжения и сопротивления суммарной емкости сети на частоте f/2 и f/3 может возникнуть резонанс. Обычно толчком для феррорезонанса является отключение или включение присоединения или возникновение однофазного замыкания на землю. Во время резонанса напряжение нулевой последовательности может увеличиваться в несколько раз, повреждая при этом трансформатор напряжения. Кроме того, при феррорезонансе ложно срабатывают защиты от замыканий на землю и устройства сигнализации замыканий на землю.

Поэтому в настоящее время разработаны и используются антирезонансные трансформаторы напряжения (типа НАМИ), предотвращающие такие негативные явления.

Расчет тока срабатывания защиты от замыканий на землю сводится к отстройке от собственного емкостного тока нулевой последовательности:

, (3.29)

где k_ОТС ― коэффициент отстройки; k_ОТС = 1,1…1,3; k_БР ― коэффициент броска, учитывающий переходный процесс перезаряда емкостей ВЛЭП; k_БР = 4…5 ― для защит, не имеющих выдержку времени и не отстроенных от высших гармоник, k_БР = 2…3 ― для защит, имеющих выдержку времени или отстроенных от высших гармоник.

Коэффициент чувствительности защиты для воздушных ЛЭП рассчитывается по выражению

, (3.30)

для кабельных ЛЭП должно выполняться соотношение k_Ч  1,25.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия токовых защит ЛЭП.

2. Первая ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

3. Вторая ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

4. Третья ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

5. Схема трехступенчатой токовой защиты ЛЭП. Принцип работы.

6. Как строится карта селективности трехступенчатой токовой защиты ЛЭП?

7. Предназначение токовой направленной защиты. Область использования.

8. Первая Ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для сети с заземленной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

9. Вторая ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для сети с заземленной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

10. Третья ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для сети с заземленной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

11. Токовая защита нулевой последовательности ЛЭП для сети с изолированной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.