5.6. Защиты от коротких замыканий на землю.

В зависимости от уровня напряжения сети существуют различные режимы работы нейтрали. Сети 110 кВ и выше работают с глухозаземленными нейтралями, сети U  35 кВ - с изолированными нейтралями или заземленными через дугогасящие катушки. Характер изменения тока, напряжения, их величины при однофазных КЗ существенно зависят от режима работы нейтрали, и, следовательно, защиты в этих сетях выполняются различным образом.

Защиты от замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью. Необходимость в применении отдельных комплектов таких защит вызвана, во-первых, большим количеством однофазных КЗ (65%); во-вторых, тем, что защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности, имеют более высокий k_ч, чем обычные МТЗ, реагирующие на полные токи фаз. Схема подключения токового реле к фильтру токов нулевой последовательности приведена на рис. 5.5, д. Токи срабатывания обычных МТЗ отстраиваются от и обычно в 1,53 раза превышают его. Защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности ( ), теоретически отстраиваются от нуля, так как в любом нормальном режиме . Фактически, даже в нормальном режиме ТА обладают погрешностью, поэтому , и на практике отстройка происходит от токов небаланса. Ток обусловлен тем, что трансформаторы тока различных фаз имеют различную погрешность и геометрическая сумма вторичных токов фаз , , не равна нулю. Защита должна действовать на отключение оборудования, т.к. может быть большим.

Возникновение однофазных КЗ, двухфазных КЗ и двойных КЗ на землю сопровождается появлением тока и напряжения :

; . (5.30)

Рассмотрим КЗ фазы A на землю (рис. 5.16). Величины токов при условии, что линия работает на холостом ходу: ; .

Напряжение в точке КЗ , т.е. .

Характер протекания тока изменяется, если изменяется схема сети (рис. 5.17).

При наличии глухозаземленных нейтралей с обеих сторон рассматриваемого участка сети растекается в направлении заземленных нейтралей, как показано на рис. 5.17.

Ток КЗ может протекать и по неповрежденным фазам. Это явление необходимо учитывать при расчете , но поскольку защита действует на отключение элемента, наличие тока в неповрежденных фазах не нарушает действия защиты данного элемента.

В качестве защит от замыканий на землю применяются МТЗ и ТО нулевой последовательности.

Нужно заметить, что время срабатывания первой ступени не равно нулю. При включении линии фазы выключателя замыкаются не одновременно. В результате этого в нулевом проводе появляется кратковременный ток, и мгновенная отсечка (без реле КТ) может сработать. Этот недостаток устраняется замедлением отсечки или отстройкой ее тока срабатывания от тока несимметрии, появляющегося в реле в первый момент действия защиты. Время действия отсечки должно быть больше времени разновременности замыкания фаз выключателя:

.

Для МТЗ отстраивается от - максимального значения тока небаланса. Трансформаторы тока соединены в фильтр токов нулевой последовательности (ФТНП) - см. рис. 5.5, д.

Схема МТЗ приведена на рис. 5.18. Величина зависит от полной токовой погрешности трансформаторов тока.

Выбор уставки срабатывания по времени защиты нулевой последовательности зависит от того, какую выдержку времени имеет максимальная токовая защита от междуфазных повреждений на следующей линии.

Если , то МТЗ НП отстраивается от небалансов в нормальном режиме, поскольку междуфазные повреждения отключаются быстрее, чем может подействовать МТЗ НП.

Если , то защиту нужно отстраивать от небаланса при трехфазных КЗ в начале следующего участка.

Выбор выдержки времени МТЗ нулевой последовательности осуществляется по ступенчатому принципу, и время увеличивается от приемного конца в сторону трансформаторов с заземленной нейтралью. Выбор времени действия существенно зависит от схемы сети.

Токовые защиты могут быть выполнены направленными и ненаправленными. Направленные защиты применяются в сети с двухсторонним питанием и наличием заземленных нейтралей с двух сторон защищаемой сети.

Защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью. Замыкание на землю одной фазы в таких сетях не вызывает КЗ и не сопровождается резким увеличением тока

При замыкании фазы на землю в сети с изолированной нейтралью появляются токи , но величина этих токов мала и достигает лишь 3050 А, поэтому выполнить защиту с использованием фильтра токов нулевой последовательности (ФТНП) не представляется возможным. Реле КА, включенное на ФТНП, не сработает при возникновении замыкания на землю одной фазы, т.к. не приводит к значительному увеличению , на которое реагирует реле. Реле KA имеет ; определяется в основном погрешностями трансформаторов тока, которые в самом благоприятном случае составляют .

При включении в нейтраль дугогасящей катушки выполнение защит еще более усложняется, поскольку величина емкостного характера полностью компенсируется током катушки, имеющим индуктивный характер. Работа в режиме перекомпенсации или недокомпенсации нежелательна.

Требования к защите от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью отличаются от требований к защитам от КЗ. Эти повреждения не требуют немедленного отключения элемента и допускается работа при возникшем режиме в течение двух часов, но сигнализация о возникшем замыкании должна существовать. Кроме того, две здоровые фазы находятся длительное время под повышенным напряжением, что может привести к пробою изоляции на них и к возникновению двухфазных или двойных замыканий на землю.

Основная сложность в выполнении данных защит заключается в малых токах замыкания и сложности их улавливания, поэтому защиты должны обладать высокой чувствительностью, что требует создания иных принципов действия защит.

Наиболее простой является неселективная сигнализация о замыкании на землю. Защита неселективная, поскольку она не определяет элемент, на котором возникло замыкание. Для выполнения селективных защит, указывающих поврежденный элемент, используют защиты, реагирующие на ток замыкания. При их подключении применяют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТНП). ТНП не имеют первичной обмотки, и токовая погрешность обычных трансформаторов тока у ТНП отсутствует. Роль первичной обмотки играют три фазных провода, проходящих внутри магнитопровода и находящихся в изоляции .

Для увеличения чувствительности защиты используются ТНП с подмагничиванием. Наличие дополнительной обмотки (подмагничивания) позволяет увеличить ток, подаваемый в реле, при неизменной величине тока замыкания в сети.

ТНП и ТНП с подмагничиванием нашли применение при выполнении защит генераторов, двигателей, линий с U  35 кВ. Существуют селективные защиты, реагирующие на токи высших гармоник и токи высокой частоты (до 2000 Гц) переходного режима однофазного замыкания. Величины токов, обусловленных составляющими с f > 50 Гц на поврежденном элементе больше, чем на неповрежденных, т.к. они равны сумме соответствующих токов неповрежденных элементов.

Применяется еще один вид защит, получивших название - направленные защиты. Это защиты, реагирующие на угол между и . Величина будет различна для элементов при наличии или отсутствии на них короткого замыкания.