18. Защита от однофазных замыканий на землю

В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6–10–35 кВ

18.1. Распределение токов в контуре нулевой последовательности электрической сети

Электрические сети России напряжением 6–10–35 кВ в общем случае работают со следующими режимами нейтрали [1; 13, раздел 2.2]:

1. С изолированной нейтралью.

2. С нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

3. С нейтралью, заземленной через высокоомный резистор.

В рассматриваемых электрических сетях ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) определяется емкостными и активными проводимостями фаз относительно земли. Учитывая, что активная проводимость по величине составляет 2–3 % емкостной, то активную проводимость рассматривать не будем.

Рассмотрим распределение токов в контуре нулевой последовательности сначала для сети с изолированной нейтралью – дугогасящий реактор L_N и высокоомный резистор R_N отключены (рис. 18.1).

В нормаль­ном режиме работы сети напряжения фаз относительно земли равны фазным напряжениям источника питания и через фазные емкости проходят емкостные то­ки

IA = jωCUA; IB = jωCUВ ; IС = jωСUС,

(18.1)

опережающие свои напряжения фаз относительно земли на угол π/2 и в сумме дающие I_А + I_В + I_С = 0. Напряжение нейтрали относительно земли для кабельных сетей практически равно нулю U_N = 0, а для воздушных сетей вследствие неравенства емкостных проводимостей фаз относительно земли может достигать до U_N = 0,5–1,0 % U_Ф.

В нормальном режиме работы сети (при отсутствии ОЗЗ) ёмкостные токи, например, i-ой линии, протекая по проводимостям фаз относительно земли, формируют «собственный» емкостный ток линии I_ci, который проходит через трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНПi), устанавливаемый в начале каждой линии, и имеет направление от источника питания (рис. 18.1).

При возникновении однофазного замыкания на землю в точке K фазы А (рис. 18.1) напряжение на поврежденной фазе относительно земли становится равным нулю U_A =0, напряжения здоровых фаз относительно земли возрастают в √3 раза, достигая линейных значений, а напряжение нейтрали увеличивается до фазного значения U_N = U_Ф [2, 3].

Собственные токи как в неповрежденных I_ci, так повреждённой I_С1 линиях свои направления не изменяют и имеют направления от источника питания. На рис. 18.1 сплошными стрелками показаны токи, протекающие по проводимостям неповреждённых линий, источнику питания и месту повреждения – точку К. Пунктирными стрелками показаны токи, протекающие по проводимостям повреждённой линии, источнику питания и месту повреждения.

Рис. 18.1. Распределение токов в контуре нулевой последовательности в электрической сети с различными режимами нейтрали

Ток в месте повреждения I_З равен току однофазного замыкания на землю I_ОЗЗ электрической сети с изолированной нейтралью, складывается из собственных токов линий всей сети [2]

IЗ = IОЗЗ = ΣIci = jω ∙ CΣ ∙ UФ, = jω ∙ 3 ∙ CФ ∙ UФ,

(18.2)

и в месте повреждения и трансформаторе тока нулевой последовательности ТТНП1 имеет направление к источнику питания, т.е. противоположное собственным токам всех линий сети. В выражении (18.2) обозначено C_Σ = 3 ∙ C_Ф – это суммарная емкость фаз сети относительно земли.

Отметим, что через трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП1 повреждённой линии протекает ток

IТТНП1 = IОЗЗ – IС1,

(18.3)

равный разности тока однофазного замыкания на землю I_ОЗЗ всей сети за вычетом собственного тока поврежденной линии I_С1.

Примечание. Если к линии W1 подключены ещё какие-то линии (в случае радиально ступенчатой схемы электроснабжения), то по трансформатору тока, установленному в её начале, будут протекать ёмкостный ток линии I_С1 плюс ёмкостные токи всех располагаемых ниже линий. Например, по трансформатору тока, установленному в начале линии, питающей распределительный пункт напряжением 10 кВ (РП-10 кВ), будут протекать ёмкостный ток этой линии плюс ёмкостные токи всех линий, отходящих от РП-10 кВ.

На рис. 18.2 приведено распределение токов в контуре нулевой последовательности для однофазной схемы замещения электрической сети.

Рис. 18.2. Распределение токов в контуре нулевой последовательности для однофазной схемы замещения электрической сети

Из анализа распределения токов в контуре нулевой последовательности можно сделать следующие выводы, которые в дальнейшем будем использовать при построении защит от ОЗЗ:

1. По ТТНПi, установленным в начале неповрежденных линий, проходят только собственные токи I_ci линий, имеющие направление от источника питания и при возникновении ОЗЗ не меняющие свои значения и направления.

2. При возникновении ОЗЗ в ТТНП1 поврежденной линии появляется ток, равный разности I_ОЗЗ – I_С1 и меняющий направление – к источнику питания. Изменение тока как по величине, так и направлению в ТТНП1, установленного в начале повреждённой линии, может быть использовано при построении защиты от ОЗЗ.

При подключении к нейтрали сети дугогасящего реактора L_N (рис. 18.1 и 18.2), индуктивность которого должна настраиваться в резонанс с емкостью фаз сети относительно земли, т.е. должно выполняться условие [13, раздел 2.2.5]

IЕ = IL,

(18.4)

где I_Е – емкостная составляющая тока ОЗЗ I_ОЗЗ; I_L – индуктивная составляющая тока I_LN дугогасящего реактора L_N, которая протекая через место ОЗЗ (точку К), имеет противоположное направление с емкостной составляющей I_Е тока ОЗЗ I_ОЗЗ и компенсирует её.

Ток в месте повреждения (остаточный ток) равен сумме практически разнонаправленных токов

IЗ = IОЗЗ + ILN,

(18.5)

а через трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП1 поврежденной линии протекает ток (см. рис. 18.1 и 18.2)

IТТНП1 = (IОЗЗ – IС1 ) + ILN.

(18.6)

В реальных условиях с учетом активных проводимостей сети и дугогасящего реактора, а также наличием в сети высших гармоник, через ТТНП1 в общем случае будет протекать небольшой активный ток, высшие гармоники, а также небольшая реактивная составляющая, зависящая от степени настройки компенсации индуктивности L_N с емкостью C_Σ сети. Отметим, что вектор основной гармоники тока I_ТТНП1 может менять направление в зависимости от степени настройки компенсации (недокомпенсация или перекомпенсация) почти на 180^О. Таким образом, в сети с компенсацией емкостных токов информация об основной гармонике тока, проходящего через ТТНП1, практически не может служить для построения защиты от ОЗЗ.

Подключение к сети высокоомного активного сопротивления (резистора) R_N обусловливает прохождение активного тока I_R через место однофазного замыкания землю (точка К)

IЗ = IОЗЗ + IR

(18.7)

и трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП1 только поврежденной линии [13, раздел 2.2.4]

IТТНП1 = (IОЗЗ – IС1) + IR.

(18.8)

Протекание значительной активной составляющей по трансформатору тока нулевой последовательности ТТНП1 принципиально изменяет ситуацию с построением защиты от ОЗЗ в электрических сетях напряжением 6–10–35 кВ. Величина сопротивления резистора R_N выбирается из условия, что его активный ток должен составлять I_R = 70–200 % I_ОЗЗ, при этом ток в месте замыкания на землю будет находиться в пределах 120–220 % I_З. По величине сопротивление R_N может быть в пределах 100–1000 Ом.

Резисторы R_N изготовляют двух видов – постоянного и кратковременного подключения к сети. Резисторы постоянного подключения остаются подключенными к сети на все время существования однофазного замыкания на землю (до нескольких часов) и имеют мощность измеряемую десятками и сотнями кВт. Резисторы кратковременного подключения рассчитаны на подключение к сети на время до 10 с, при этом предполагается, что через 1,5–2 с релейная защита определит поврежденную линию и отключит её. После отключения поврежденной линии от сети напряжение с резистора снимется.

Значения токов ОЗЗ рассматриваемых сетей напряжением 6–10–35 кВ невелики, поэтому их называют электрическими сетями с малыми токами однофазного замыкания на землю. Однако ОЗЗ представляют большую опасность для оборудования электрических сетей и для находящихся вблизи места ОЗЗ людей и животных. В связи с этим Правила технической эксплуатации как сетевые, так и потребительские [24, 25] требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других – немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его.