Часть 7 защита от замыканий на землю

7.1. Защита от замыканий на землю в сети с большим током замыкания на землю

Для защиты линий от КЗ на землю (однофазных и двухфазных) применяется защита, реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности. Необходимость специальной защиты от КЗ на землю вызывается тем, что этот вид повреждений является преобладающим. Защиты нулевой последовательности выполняются в виде токовых максимальных защит и отсечек как простых, так и направленных.

Ток и напряжение нулевой последовательности в какой-либо точке сети равны:

;

,

где I_A, I_B, I_C, U_A, U_B, U_C – фазные токи и напряжения в той точке сети, в которой определяются U₀ и I₀.

Из этих выражений следует, что если геометрическая сумма фазных токов или фазных напряжений равна нулю, то U₀ и I₀ также равны нулю. Поэтому в нормальном режиме, при качаниях и КЗ между фазами U₀ и I₀ отсутствуют и возникают только при замыканиях на землю или неполнофазных режимах, когда нарушается симметрия фазных токов и напряжений в сети.

Рассмотрим связь между составляющими нулевой последовательности и полными фазными токами и напряжениями при однофазном КЗ.

Например, при КЗ на фазе А (рис. 7.1) токи в месте повреждения равны: I_A=I_к; I_В=0; I_С=0. Отсюда

Рис. 7.1. Однофазное КЗ в сети (а) и прохождение токов I₀ под действием U_0к (б)

Напряжение поврежденной фазы в месте КЗ (т. К) U_АК=0, т.к. эта фаза связана с землей. Отсюда .

Таким образом, при однофазном КЗ ток нулевой последовательности равен 1/3 тока КЗ, проходящего в месте повреждения, и совпадает с ним по фазе, а напряжение U_0к в т. К равно 1/3 геометрической суммы падений напряжений неповрежденных фаз.

Для анализа работы защит нулевой последовательности и расчета токов КЗ необходимо определять распределение (пути прохождения) токовой нулевой последовательности в конкретных схемах сети.

Источником появления токов нулевой последовательности можно считать напряжение U_0к, появляющееся на каждой фазе в месте КЗ. Под влиянием этого напряжения в каждой фазе возникают токи I₀. Они замыкаются по контуру фаза-земля через место повреждения и заземленные нейтрали.

Т.к. неповрежденные фазы не связаны с точкой повреждения непосредственно, то для образования контура циркуляции токов I₀ необходимо представить, что в месте замыкания на землю имеется условное соединение между всеми фазами (пунктир на рис. 7.1). Тогда в месте замыкания на землю проходит ток, равный сумме токов нулевой последовательности I₀ всех трех фаз, который и является действительным током повреждения I_к=3I₀. Этот ток направляется через землю к заземленным нейтралям трансформаторов и через них возвращается в фазы сети.

Таким образом, при замыканиях на землю появление токов I₀ возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями.

При нескольких заземленных нейтралях ток нулевой последовательности, возникший в месте повреждения, разветвляется между нейтралями обратно пропорционально сопротивлениям их ветвей.

На рис. 7.2 показаны некоторые характерные случаи распределения токов нулевой последовательности к схемам сети. Направление токов, проходящих к месту КЗ, принято положительное.

Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП (рис. 7.2, а), то при замыкании на землю на этой линии токи нулевой последовательности проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нулевой точкой.

Если же заземлены нулевые точки трансформаторов с двух сторон рассматриваемого участка (рис. 7.2, б), то токи нулевой последовательности проходят по нему с обеих сторон от места КЗ.

Это позволяет сделать вывод, что распределение токов нулевой последовательности в сети определяется расположение не генераторов, а заземленных нейтралей.

Рис. 7.2. Распределение токов нулевой последовательности при однофазном КЗ: а – при заземлении нейтрали с одной стороны линии; б – при заземленных нейтралях с обеих сторон линии

Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда-треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой последовательности на стороне звезды. Поэтому защиты, установленные в сети звезды, не действуют при замыкании на землю в сети треугольника.

Если сети различных напряжений связаны трансформатором, имеющим соединение обмоток звезда-звезда, с заземленными нулевыми точками обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды. Для устранения этой связи необходимо разземлить нейтраль одной из обмоток трансформатора Т_В.

Из схемы замещения нулевой последовательности (рис. 7.3, б) следует, что напряжение U₀ в какой-либо точке сети, например в т. Р, всегда меньше напряжения U_0к в т. К (КЗ) на величину падения напряжения в сопротивлении х_0(К-Р) между точками К и Р, т.е.: .

Таким образом, чем дальше отстоит т. Р от места повреждения К, тем меньше напряжение U_0Р.

В месте заземленных нейтралей трансформаторов (т. Н) напряжение U_0Н=0, т.к. т. Н непосредтсвенно связана с землей. Зависимость U_0Р=f(l_K-P) имеет линейный характер и представлена на рис. 7.3, в. Для сравнения на рис. 7.3 показано изменение напряжения поврежденной фазы U_А в зависимости от расстояния до т. К. Напряжение U₀ в т. Р можно определить как падение напряжения от т. Н до т. Р в сопротивлении х_0(Н-Р) по выражению: .

Рис. 7.3. Пояснение к распределению токов нулевой последовательности:

а – однофазное КЗ; б – схема замещения нулевой последовательности;

в – зависимость U_А=f(l) и U₀=f(l)