7.8.2. Виконання захистів від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованими або компенсованими нейтралями

Захисти від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованим та компенсованими нейтралями повинні діяти на сигнал або на вимкнення. На вимкнення ці захисти повинні діяти обов’язково тоді, коли є небезпека ураження струмом людей. Це, насамперед, шахти, кар‘єри, торфорозробки, пересувні підстанції тощо. В усіх інших випадках захист може діяти на сигнал, з подальшим пошуком та вимкненням пошкодженого елемента.

Практично всі існуючі пристрої захисту в лініях від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованими або компенсованими нейтралями викорис­товують особливості, які ми розглянули в попередньому розділі. Тому вхідни­ми величинами всіх цих пристроїв є напруга нульової послідовності та струми нульової послідовності ліній. На рис. 7.78 зображені схеми під‘єднання вимірних органів захистів від замикань на землю. Вимірний орган напруги під’єднується до вторинної обмотки трансформатора напруги, з‘єднаної в розімкнений трикутник (рис. 7.78, а), а вимірні органи струму під‘єднуються до трансформаторів струму нульової послідовності, які встановлюються на кабелях (рис. 7.78, б,в).

а) б) в)

Рис. 7.78. Схеми під‘єднання вимірних органів напруги нульової послідовності (а) та струму нульової послідовності (б,в)

Схема під’єднання вимірних органів струму має деякі особливості. Від кінцевої розробки кабеля (воронки) через вікно трансформатора струму нульової послідовності прокладається провідник в напрямку кабеля, який заземлюється з другого кінця (рис. 7.178б). За рахунок цього струми, які протікають по броні та провідній оболонці кабеля компенсуються струмом, який протікає по цьому провіднику в протилежному напрямку. Таким чином запобігається хибна робота захисту від струмів, які протікають по броні та провідній оболонці кабеля. Природа цих струмів різноманітна. Вони можуть виникати, наприклад, за рахунок різниці потенціалів між заземленнями підстанцій, які з’єднує даний кабель, індукуватимуться від струму в провіднику, через який живиться потужний приймач тощо.

Така схема приєднання зворотнього провідника має недоліки. Досить часто порушується електричний контакт між кінцевою розробкою кабеля, виконаною у вигляді металевої воронки, заповненої кабельною мастикою та оболонкою кабеля. Останнім часом застосовуються кінцеві розробки за рахунок термоусадочного пластика. Це взагалі унеможливлює приєднання зворотнього провідника до воронки, яка в цьому випадку є непровідною. В цьому випадку не встановлюється зворотній провідник, який прокладається через вікно трансформатора струму нульової послідовності. Кінець оболонки кабеля заземлюється до трансформатора струму нульової послідовності (рис. 7.78в).

В якості трансформаторів струму нульової послідовності застосовують трансформатори струму типу ТЗЛ, ТЗЛМ, які мають кільцевий магнітопровід з вторинною обмоткою, покритою литою ізоляцією на основі епоксидних смол, а також трансформатори струму типу ТЗРЛ з роз’ємним магнітопроводом. Трансформатори струму типу ТЗЛ, ТЗЛМ повинні надягатись на кабель до його кінцевої розробки. Трансформатори струму типу ТЗРЛ можуть надягатись на кабель вже після закінчення монтажу кабеля за рахунок роз’ємного магнітопроводу. Але цей трансформатор має великий магнітний опір магнітному потоку і захисти, виконані на його основі, мають нижчу чутливість. Крім цього, магнітний опір такого трансформатора суттєво залежить від степені стягування двох частин роз’ємного магнітопроводу, тобто його опір для трансформаторів струму, встановлених на різних кабелях, є неоднаковий.

Всі ці трансформатори нульової послідовності є малопотужними, тому що їх первинна обмотка має лише один виток, який утворюють жили кабеля, а величина первинного струму замикання є незначною. Тому чутливість захисту, вимірні органи якого приєднані до цих трансформаторів струму, суттєво залежить від опору реле та з’єднувальних провідників до вторинної обмотки трансформатора струму.

Найбільшу потужність трансформатор струму буде віддавати у вторинне коло у випадку, коли опір вторинного навантаження буде рівним опору трансформатора струму:

,

де – повний опір намагнічування трансформатора струму, вимірюється на холостому ході трансформатора.

Для захисту ліній від однофазних замикань на землю в мережах з ізольованими або компенсованими нейтралями в енергосистемах України застосовуються в основному такі пристрої: – РТ-40/0,2, РН-53, ЗЗП-1, РТЗ-50, РТЗ-51, УСЗ-3,УСЗ-3м, УСЗ-2/2. Проте, ці пристрої, як свідчить досвід експлуатації, не завжди забезпечують відповідну чутливість та селектив­ність, особливо в мережах з компенсованими нейтралями, а також під час виникнення дугових замикань. Тому останнім часом в енергосистемах почали впроваджувати нові захисти, в основному на цифрових пристроях – мікропро­цесорах, контролерах, з достаньо складними алгоритмами функціювання як вітчизняних, так і зарубіжних фірм. Враховуючи незначний час їхньої експлуа­тації, а також невелику їх кількість, поки що повного аналізу їх фунціювання зробити не можна. Проте деякі зразки вже показали значну ефективність порівно з існуючими пристроями.

Захист на реле РН-53. Найпростішим пристроєм сигналізації є максимальний захист напруги нульової послідовності на основі реле напруги РН-53. Це реле вмикається в розімкнений трикутник трансформатора напруги (рис. 7.78, а). Реле сигналізує лише про виникнення замикання на землю в будь-якій точці електрично зв‘язаної мережі 6–35 кВ, але не вказує, на якому приєднанні виникло пошкодження.

Уставка за напругою спрацювання вимірного органа визначається з виразу

(7.105)

де – коефіцієнт відлагодження, приймається таким, що дорівнює 1,5–2; – напруга небалансу, приймається такою, що дорівнює , де – номінальна напруга, що дорівнює номінальній напрузі трансформа­тора напруги і становить 100 В. В мережах з некомпенсованими нейтралями напруга небалансу незначна і уставка вибирається мінімально можливою.

Захист на реле РТ-40/0,2, РТЗ-50, РТЗ-51. У мережах з некомпенсованими нейтралями можливе застосування максимальних струмових захистів на основі реле РТ-40/0,2, РТЗ-50, РТЗ-51. Реле РТЗ-50, РТЗ-51 застосовуються для мереж з малими струмами замикання на землю, де застосування реле РТ-40/0,2 не забезпечує необхідної чутливості.

Первинний струм спрацювання захисту вибирається з умови відла­годження від стрибка власного ємнісного струму під час зовнішнього замикан­ня на землю

(7.106)

де – коефіцієнт відлагодження, дорівнює 1,1–1,2; – коефіцієнт, який враховує стрибок власного ємнісного струму під час зовнішнього замикання на землю, приймається таким, що дорівнює 3–4; – власний ємнісний струм лінії, яка захищається.

Величина власного струму кабельної лінії визначається з виразу

(7.107)

де l – довжина кабельної лінії в км; n – кількість кабелів в одному приєднанні; – ємнісний струм на одиницю довжини кабеля. Залежно від перерізу кабелю значення його для основної частоти 50 Гц наведено в табл. 7.3.

Таблиця 7.3

Величина ємнісного струму кабелю на одиницю довжини для різних класів напруги

Переріз трифазного кабелю, мм2	Питомий струм , А/км
	6 кВ	10 кВ
16	0,40	0,55
25	0,50	0,65
35	0,58	0,72
50	0,68	0,80
70	0,80	0,92
95	0,90	1,04
120	1,00	1,16
150	1,18	1,30
185	1,25	1,47
240	1,45	1,70

З табл. 7.3 можна визначити лише власний ємнісний струм кабелю. А для розрахунку уставки необхідно враховувати і ємнісні струми приєднань – двигунів, шин тощо. За відсутності такої інформації допускається величину питомого ємнісного струму збільшити на 20 %.

Після розрахунку уставки за (7.106) необхідно порівняти це значення з мінімальним можливим значенням первинного струму захисту . Залеж­но від типу трансформаторів струму нульової послідовності, значення міні­мального первинного струму спрацювання і відповідної уставки спрацювання реле наведені в табл. 7.4.

Таблиця 7.4

Мінімальні можливі значення первинного струму спрацювання захистів

Тип трансформаторів струму	Тип реле	Уставка спрацювання реле, А
			Один ТА	Два послідовно з’єднаних ТА
ТЗЛМ	РТ-40/0,2	0,1	8,6	11,6
	РТЗ-50	0,03	30	3,9
ТЗРЛ	РТ-40/0,2	0,1	20	25
	РТЗ-50	0,03	–	–
ТЗЛ-95	РТ-40/0,2	0,1	6,2	8,0
	РТЗ-50	0,03	3,2	4,0
ТЗЛ	РТ-40/0,2	0,1	7,0	9,0
	РТЗ-50	0,03	3,5	4,0

У випадку, якщо розрахунковий струм спрацювання захисту, визначений за (7.106), є меншим від мінімального можливого, визначеного з табл. 7.4, приймають . У протилежному випадку прийма­ють .

Чутливість захисту перевіряють за виразом

(7.108)

де – струм нульової послідовності замикання на землю, який протікає через місце встановлення трансфоматора струму нульової послідовності, під час замикання на даній лінії. Його величина визначається з виразу

(7.109)

де – найменший сумарний ємнісний струм електрично зв‘язаної мережі, де є ця лінія; – власний ємнісний струм лінії, визначений за (7.107).

Захист на реле ЗЗП-1. У мережах з лініями різної довжини, де власний ємнісний струм лінії, яка захищається, є співрозмірним з сумарним ємнісним струмом мережі, застосування реле РТ-40/0,2 або серії РТЗ не забезпечує необхідної чутливості. У цих випадках необхідно застосовувати струмовий спрямований захист на реле ЗЗП-1. Це напівпровідникове реле. Воно має три уставки, які відповідають значенням первинних струмів, табл. 7.5

Таблиця 7.5

Уставки спрацювання реле ЗЗП-1

Уставка	Первинний струм, А
1	0,07
2	0,5
3	2

Первинний струм захисту визначається з умови забезпечення необхідної чутливості

(7.110)

де – найменший сумарний ємнісний струм електрично зв’язаної мережі, де є дана лінія; – коефіцієнт чутливості, приймається таким, що дорівнює 2.

За розрахованим за (7.110) значенням струму спрацювання вибирається на основі даних табл. 7.5 менеше ближче значення первинного струму і відповідна устака реле.

Захист на реле УСЗ-2/2. Реле рекомендується застосовувати в мережах з компенсованими нейтра­лями для сигналізації про виникнення замикання на приєднанні. Принцип роботи цього реле ґрунтується на виявленні вищих гармонічних складових, які є в струмі замикання. Визначається струм, який дорівнює сумі діючих значень вищих гармонічних, які є в струмі замикання, порівнюється цей струм з устакою і, у разі перевищення ним рівня уставки, реле спрацьовує. Реле має 4 уставки, які визначаються сумарним ємнісним струмом замикання на землю без врахування компенсації. Уставки реле та струми спрацювання для різних гармонік наведені в табл. 7.6.

Таблиця 7.6

Уставки реле УСЗ-2/2

	– за різних частот, А
	50	150	250	350	550	650	2000
25	5	1,74	0,95	0,61	0,48	0,57	2,0
50	10	2,8	1,4	0,85	0,73	0,98	3,2
100	20	5,1	2,5	1,35	1,47	2,05	6,5
250	20	10,4	4,85	2,44	3,4	4,95	1,6

Уставку реле попередньо визначають як більш ближнє значення від сумарного ємнісного струму електрично зв‘язаної мережі без врахування компенсації компенсувальними котушками. Після цього з табл. 7.7 визначають струм спрацювання захисту для частоти 50 Гц і для нього визначають коефіцієнт надійності за виразом

(7.111)

де – власний ємнісний струм лінії, яка захищається.

Значення коефіцієнта надійності повинно знаходитись в межах

У випадку, коли це значення не попадає в даний діапазон, необхідно збільшити чутливість захисту. Для цього необхідно розрахувати устаку спра­цювання за виразом

(7.112)

де – власний ємнісний струм лінії, яка захищається.

Як свідчить досвід експлуатації, застосування такого реле забезпечує необхідну чутливість під час застосування його на головних ділянках мережі.

Захист на реле УСЗ-3 та УСЗ-3М. Ці пристрої рекомендується застосовувати в мережах з компенсованими нейтралями. Ці захисти можуть виявляти стійкі замикання на землю. Принцип роботи цих пристроїв заснований на виявленні максимального значення сумарних діючих значень вищих гармонічних складових у струмах всіх приєднань. Як показує досвід експлуатації, найвищий рівень вищих гармоніч­них є в пошкодженому фідері. До пристрою підводяться струми нульової послідовності від трансформаторів струму нульової послідовності всіх приєд­нань. Після виникнення замикання на землю, про що фіксує пристрій загальної сигналізації, виконаний на реле РН-53, черговий вручну, за допомогою пере­микача, який є на реле, під’єднує почергово трансформатори струму нульової послідовності всіх приєднань до реле. На лицевій панелі реле є амперметр, який фіксує суму діючих значень струмів вищих гармонічних складових. Черговий зі всіх значень струмів фіксує максимальне значення – йому і відповідає пошкоджений фідер. На підставі цього черговий приймає рішення і вручну вимикає вказане приєднання.

Недоліком застосування цього реле є необхідність наявності на підстанції постійного чергового персоналу, а також неавтоматичний пошук пошкоджено­го елемента. Крім того, пошук пошкодження потребує часу. Тому такі пристрої не можна застосовувати в мережах, де захисти з умов безпеки людей повинні селективно вимикати пошкоджене приєднання з мінімально можливою витрим­кою часу.

Розрахунок уставок спрацювання для цих пристроїв не проводиться.

Цифрові захисти. Як свідчить досвід експлуатації, розглянуті вище серійні пристрої захисту від замикань на землю в мережах з ізольованими або компенсова­ними нейтралями здебільшого не задовольняють вимоги чутливості і селективності. Особливо це стосується компенсованих мереж. У принципі, в перший момент виникнення пошкодження (за перший період промислової частоти), врахо­вуючи закони комутації (струм на індуктивності не може змінюватись стрибком, тобто індуктивність у перший момент поводиться, як розрив). Тому в перший момент часу після виникнення однофазного замикання процеси, які виникають у мережах з ізольованими нейтралями, нічим не відрізняються від процесів, які виникають у компенсованих мере­жах. Але, враховуючи інерційність електромеханічних реле, практично неможливо було створити ефективного пристрою, який би чітко фіксував однофазне замикання та приєднання, на якому воно відбулось на основі інформації відразу після виникнення пошко­дження, хоча наміри такі і були. Розвиток цифрової техніки дав змогу створити пристрої та розробити алго­ритми, які задовольняють вимоги чутливості та селективності роботи в мережах під час виникнення однофазних замикань.

Рис. 7.79. Схема під‘єднання цифрового пристрою фірми ІМСКОЕ

Так, в Інституті мікропроцесорних систем керування об‘єктами енерго­систем (ІМСКОЕ) створено цифрові пристрої від замикань на землю, які нині встановлені в різних енергосистемах і проходять дослідну експлуатацію. За час експлуатації (до трьох років) пристрої показали високу ефективність під час роботи як в мережах з ізольованою нейтраллю, так і в компенсованих мережах – ні одного хибного спрацювання, всі спрацювання селективні.

За ідеологією побудови, аналогом цього пристрою є реле УСЗ-3, УСЗ-3М. Пристрій охоплює відразу до 12 приєднань. Крім того, до нього підво­дяться три фазних напруги та напруга нульової послідовності. В алгоритмі функціювання закладений спрямований захист нульової послідов­ності з корекцією неспрацювання під час зовнішніх к.з., короткочасних неповнофазних режимів тощо. Реалізація достатньо складного алгоритму могла бути тільки під час використання мікропроцесора. Застосований мікропроцесор в індустріальному виконанні, що дало змогу суттєво підви­щити надійність функціонування захис­ту порівняно з існуючими аналогами.

Схема під’єднання пристрою показана на рис. 7.79.

Питання для самоперевірки

1. Який рівень струму в місці пошкодження під час однофазного замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю?

2. Як впливає на чутливість захистів від замикань на землю компенсація в мережі з ізольованою нейтраллю?

3. Який рівень напруг в мережі з ізольованою нейтраллю під час однофазного замикання на землю?

4. Чим визначається величина струму нульової послідовності, який тече по лінії, в якій відбулося однофазне замикання на землю?

5. Який напрямок струму нульової послідовності і чим визначається його величина в лінії, на якій немає пошкодження, під час однофазного замикання на землю в гальванічно зв’язаній мережі?

6. Як впливає ферорезонанс на рівень напруг під час однофазного замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю?

7. Як під’єднуються вимірні органи захистів від однофазних замикань на землю?

8. Чи завжди забезпечується селективність та чутливість традиційних захистів від однофазних замикань на землю, наприклад РТЗ-51, УСЗ-3 тощо?

9. Яким чином забезпечується селективність роботи цифрового захисту від однофазних замикань на землю фірми ІМСКОЕ?