6. Токовые защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с малым током замыкания на землю.

В электрических сетях 6-35 кВ России, работающих, как правило, с изолированной или компенсированной нейтралью, значения токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) невелики, они не превышают 20–30 А. Поэтому сети этих классов напряжения называют сетями с малым током 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 электрических станций и сетей требуют в одних случаях быстро автоматически отключать ОЗЗ, а в других - немедленно приступать к определению присоединения с ОЗЗ и затем отключать его.

Однако создать селективную (избирательную) и высоко чувствительную защиту от ОЗЗ, пригодную для любых видов сетей с малым током замыкания на землю, до сего времени не удалось никому. Действительно, трудно создать универсальную защиту от ОЗЗ для таких разных типов электроустановок, как воздушные и кабельные линии, генераторы и электродвигатели, для таких разных режимов заземления нейтральных точек сети, как "изолированная нейтраль", "резонансно-заземленная нейтраль" или "резистивно-заземленная нейтраль" (заземленная через ограничивающее ток активное сопротивление). Особые трудности при выполнении селективных защит от ОЗЗ имеют место в сетях 6(10) кВ с резонансно-заземленной нейтралью, где ток повреждения промышленной частоты полностью компенсируется током дугогасящего реактора (ДГР) и поэтому не может быть использован в качестве источника информации. Дополнительные трудности возникают при необходимости селективного определения присоединения с ОЗЗ в электрических сетях сложной конфигурации, при отсутствии на присоединении кабельной вставки, необходимой для установки трансформатора тока нулевой последовательности, при часто меняющейся первичной схеме защищаемой сети и в других случаях.

Наибольшее влияние на выбор типа защиты от ОЗЗ в сетях 6 и 10 кВ оказывает режим заземления нейтрали. Поэтому прежде всего следует рассмотреть возможные режимы заземления нейтрали и применительно к ним типы защит от ОЗЗ и рекомендации по расчету их рабочих уставок.

Режимы нейтрали в сетях 6-35 кВ. В электрических сетях напряжением 6-35 кВ ключевой проблемой является способ заземления нейтрали (режим заземления нейтрали), поскольку он оказывает решающее влияние на надежность электроснабжения потребителей, на сохранность электрических машин и кабелей, на безопасность людей и животных, находящихся в местах прохождения электрических линий, и, в очень большой степени, на выбор принципов и типов устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), а также на способы использования этих устройств для отключения замыкания на землю или только для сигнализации.

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (термин «среднее напряжение» используется в зарубежных странах для сетей с диапазоном рабочих напряжений 1-69 кВ):

• изолированная (незаземленная);

• глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру);

• заземленная через дугогасящий реактор;

• заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

А теперь рассмотрим ОЗЗ, когда каждая фаза обладает ёмкостью по отношению к другим фазам и по отношению к земле. Данные емкости – сосредоточенные емкости электрических аппаратов и распределённые емкости ЛЭП. В нормальном режиме емкостные токи практически не видны на регистрирующих приборах, так как емкостные сопротивления обладают большими значениями чем сопротивления нагрузок.

Емкостные токи опережают приложенные фазные напряжения на угол 90°. И значение емкостного тока в фазе определяется по закону Ома:

При устойчиво металлическом замыкании одной из фаз, например фазы А, на землю, емкость этой фазы оказывается закороченной, соответственно фаза А приобретает потенциал земли. А на нейтрали становится фазное напряжение относительно земли.

Фазы В и С становятся под линейные напряжения. К емкостям этих фаз оказывается приложено напряжение, возросшее в раз по модулю и сдвинутое на 30° по отношению к векторам U_В и U_С соответственно. Следовательно, емкостной ток I_В и I_С тоже возрастает и остается опережать линейное напряжение на 90°. Геометрическая сумма этих токов попадает в место замыкания на землю фазы А и возвращается через нейтраль [2].

Емкостные токи Iв и Iс возрастают в раз из-за возрастания приложенного напряжения, а их геометрическая сумма в раз больше значения каждого из них.

Чтобы избежать, а точнее скомпенсировать такое возрастание суммарного тока, используют дугогасящий реактор. Дугогасящий реактор включается в сеть между нейтралью и землей. Такой реактор имеет индуктивное сопротивление, равное утроенному сопротивлению сети.

В нормальном режиме напряжение между нейтралью и землей близко к нулю и ток через реактор незначительно мал.

При ОЗЗ к реактору оказывается подведено напряжение нейтрали, равное по модулю фазному напряжению поврежденной фазы. Так как реактор имеет индуктивное сопротивление, то ток в реакторе отстаёт от приложенного напряжения на 90° и оказывается в противофазе к геометрической сумме токов неповрежденных фаз. Соответственно этот индуктивный ток компенсирует суммарный емкостной.

Токовая защита, реагирующая на полный ток нулевой последовательности:

Защита предназначена для радиальных сетей. В некомпенси­рованной сети она реагирует на естественный емкостный ток, а в компенсированной действует от остаточного тока перекомпен­сации (если таковая предусмотрена). Основной трудностью в вы­полнении рассматриваемой защиты является обеспечение необ­ходимой чувствительности при малых значениях тока поврежде­ния — 10 А и меньше.

На рис. 9-7 показаны два варианта защиты, различающиеся своей чувствительностью. Реагирующий орган защиты состоит из токового реле 1, питающегося через фильтр нулевой последо­вательности. В схеме рис. 9-7, а используется трехтрансформаторный фильтр, рассмотренный в § 3-4. В схеме рис. 9-7, б в каче­стве фильтра применен специальный трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП) особой конструкции.

ствие чего вторичные токи при замыкании на землю имеют весьма малую величину. Так, например, если по току нагрузки коэффи­циент трансформации трансформаторов тока n _Т = 800/5, то при реальном значении тока замыкания на землю 20 А вторичный ток трансформаторов тока будет равен 0,124 А, т. е. очень мал.

2. Токовые реле, реагирующие на столь малые токи, имеют большое число витков и значительное сопротивление (примерно 30—40 Ом). Такое сопротивление реле соизмеримо с сопротивлением намагничивания трансформаторов тока z´_нам. (рис. 3-1,6).

Вследствие этого значительная часть тока повреждения отсасы­вается в трансформаторы тока неповрежденных фаз и теряется на намагничивание трансформатора тока поврежденной фазы, при этом в реле попадает лишь 50—60 % вторичного тока замыкания на землю (в приведенном примере ток составляет только 0,06 А).

3. Токовое реле 1 не должно действовать от токов небаланса, возникающих при нагрузке и междуфазных к. з., для чего принимается I_с.з>I_нб. В трехтрансформаториом фильтре  ток небаланса согласно (8-7) равен сумме намагничивающих токов трансформаторов тока, образующих фильтр (§ 8-2), и имеет величину, соизмеримую с величиной вторичного тока повреж­дения.

Совокупность указанных причин и обусловливает относительно низкую чувствительность защиты от замыканий на землю, выпол­ненной с помощью трехтрансформаторного фильтра. Первичный ток срабатывания такой защиты получается не меньше 20—25 А.

Защита с трансформатором тока нулевой последователь­ности получается значительно чувствительнее.

Главное преимущество ТНП состоит в значительно меньшем небалансе и возможности подбора числа витков вторичной обмотки из условия наибольшей чувствительности защиты без каких-либо ограничений по нагрузке. В результате этого ТНП позволяет обеспечить действие защиты при первичных токах порядка 3—5 А, а при сочетании ТНП с высокочувствительными реле чувстви­тельность защиты повышается до 1—2 А.

Вследствие этого схема защиты с ТНП (рис. 9-7, б) является основой для сети с малым током замыкания на землю.

Схема с трехтрансформаторным фильтром находит примене­ние в воздушных сетях 35 кВ, для которых ТНП еще не получило распространения.

Опыт эксплуатации показал, что токовое реле 1 может не­правильно работать на неповрежденных линиях в первый момент повреждения под влиянием бросков токов, появляющихся в неуста­новившемся режиме.

Исключить ложную работу защиты по указанной причине мож­но загрублением защиты по току срабатывания, введением вы­держки времени или применением фильтра, не пропускающего в реле токи высших частот, составляющих значительную долю в токе неустановившегося режима. В схемах на рис. 9-7 для от­стройки от броска емкостного тока предусмотрено реле времени 2. Схемы с включением реле через фильтр высокой частоты также применяются. Защита с фильтром выполняется без выдержки времени и поэтому может реагировать на кратковременные замы­кания на землю.

Действие защиты фиксируется с помощью указательного реле 3.