3. Распределение емкостных токов при замыкании на землю

При отсутствии ЗНЗ в сети емкости фаз относительно земли всех элементов находятся под фазным напряжением и емкостные токи трех фаз представляют симметричную звезду (рис. 4, а). При металлическом замыкании фазы на землю напряжение на емкости поврежденной фазы уменьшается до нуля, а на «здоровых» фазах увеличивается до линейного. В емкостном токе появляется ток нулевой последовательности (рис. 4, б).

а б

Рис. 4. Емкостные токи в сети

На рис. 5 показаны пути протекания емкостных токов при замыкании на землю. Сеть представлена в виде генератора (С_г), эквивалентной сети (С_сети) и защищаемого присоединения (С_пр). В цепь защищаемого присоединения включен трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП). Токи емкостей здоровых фаз всех элементов сети текут в нейтраль генератора и, просуммировавшись по поврежденной фазе, стекают в место замыкания. На рис. 5, а показано распределение токов для случая замыкания на защищаемом присоединении, а на рис. 5, б – при замыкании в эквивалентной сети. Из рис. 5, а следует, что результирующий ток, протекающий через окно ТНП защищаемого присоединения, равен сумме:

3I_{0 защ.} = 3I_0cг + 3I_0ссети.

Рис. 5. Распределение емкостных токов нулевой последовательности

Емкостной ток защищаемого присоединения течет через окно ТНП дважды в противоположных направлениях, так что его потокосцепление со вторичной обмоткой равно нулю. При замыкании за пределами защищаемого присоединения (рис. 5, б) через окно ТНП течет только ток 3I_0c присоединения. Анализируя эти два режима, можно сделать вывод, что защита присоединения, реагирующая на ток нулевой последовательности, будет селективной и чувствительной, если ее ток срабатывания выбран исходя из следующего соотношения:

3I_{0c пр} < I_{с защ} < 3I_{0с вн сети} . (1)

4. Ненаправленная токовая защита высоковольтных линий от знз

Токовая защита от ЗНЗ выполняется на базе трансформаторов тока нулевой последовательности. В настоящее время для этой за­щиты промышленность выпускает специальные реле тока (например, РТЗ-51). Это полупроводниковые реле, потребляющие незначительную мощность от ТНП. На его входе имеется активный фильтр, настроенный на частоту 50 Гц, осуществляющий отстройку реле от высших гармонических составляющих. Пределы регулирования тока срабатывания реле 0,02…0,12 А. Зависимость первичного тока срабатывания защиты от тока срабатывания реле зависит от индивидуальной характеристики используемого трансформатора тока нулевой последовательности. Для трансформатора тока нулевой последовательности типа ТЗЛМ-1, примененного в лабораторной работе, эта зависимость приведена на рис. 6. Первичный ток срабатывания защиты выбирается по требованию условия (1):

I_сз= K_отс K_бр 3I_{0С пр} , (2)

где K_отс = 1,2 – коэффициент отстройки; K_бр = 2,5 – коэффициент, учитывающий увеличение емкостного тока при перемежающихся замыка­ниях [3].

20 26 38 44 50 56 62 68 74 80 86 92 98 104 110 116 122 128 134 140 146 реле, мА

Рис. 6. Зависимость тока срабатывания от ЗНЗ от тока срабатывания реле (ТЗЛМ, РТЗ-51)

После определения тока срабатывания защиты оценивается ее чувствительность. Для оценки можно использовать два способа:

• определить коэффициент чувствительности к ЗНЗ на защищаемом присоединении;

• найти величину наибольшего переходного сопротивления, при котором защита способна сработать.

Коэффициент чувствительности находится по выражению

(3)

где 3I_0защ – ток нулевой последовательности, обусловленный емкостным током внешней сети при металлическом ЗНЗ.

В соответствии с рекомендации [3] его величина должна быть K_ч ≥ 1,2 – для кабельной линии и K_ч ≥ 1,5 – для ВЛ.

Поскольку большинство ЗНЗ происходит через переходное сопротивление R_п (дуга, грунт, предметы), эффективность защиты можно оценивать по величине переходного сопротивления, при котором она способна сработать.

Выражение для определения R_п может быть выведено исходя из схемы замещения на рис. 7, где С_э – эквивалентная емкость фазы сети относительно земли, R_п – переходное сопротивление (сопротивлением ЛЭП, трансформатора и другого оборудования пренебрегаем, так как их Z << Z_c).

Ток ЗНЗ при металлическом замыкании найдется по выражению

I_зм= U_ф3ωС_э, (4)

при замыкании через переходное сопротивление:

. (5)

Через найденные значения токов можно найти коэффициент полноты замыкания b, под которым понимают отношение электрических величин, характеризующих ЗНЗ (напряжение на нейтрале, ток в месте замыкания, ток через защиту) при замыкании через переходное сопротивление, к аналогичной величине при металлическом замыкании:

. (6)

Из выражения (6) находим величину переходного сопротивления в зависимости от b:

. (7)

Приняв значение (нас интересует режим такого ЗНЗ, когда защита находится на грани срабатывания) и зная ток ЗНЗ при металлическом замыкании I_зм, можно найти искомое переходное сопротивление.

На рис. 8 приведены зависимости, построенные по выражению (7) для токов ЗНЗ 10, 9, 8, 7 А соответственно. На рисунке изображены три шкалы R_п для номинального напряжения 220 В (напряжение в лабораторном опыте) 10,5 кВ и 35 кВ (реальные сети с изолированной нейтралью).

I_зм=10 А

I_зм=9 А

I_зм=8 А

I_зм=7 А

Рис. 8. Зависимость переходного сопротивления от коэффициента полноты замыкания

Необходимость отстройки тока срабатывания токовой защиты от собственного емкостного тока присоединения может привести к ее низкой чувствительности, а при большей длине линии и малой емкости сети вообще к невозможности ее использования (когда ток 3I_0С, обусловленный емкостью внешней сети, меньше тока срабатывания). В этом случае можно применить направленную токовую защиту нулевой последовательности.