Лекции по РЗА / 13. Защита воздушных и кабельных линий

ЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

В соответствии с требованиями ПУЗ объем устройств релейной защиты линий электропередачи определяется уровнем номинальных напряжений.

Для линий напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью предусматривается защиты от многофазных замыканий и от однофазных замыканий на землю. Защиту от многофазных замыканий выполняют в двухфазном исполнении (фазы А, С).

На одиночных линиях с односторонним питанием устанавливают двухступенчатую защиту: I ступень - токовая отсечка, II ступень - МТЗ. Максимальная токовая защита может выполняться одно-, двух- или трехрелейной в зависимости от требований чувствительности и надежности.

Токовые защиты устанавливаются со стороны источника питания и согласуются со смежными защитами по ступенчатому графику. Принципы построения и расчет МТЗ и токовых отсечек изложены в гл. 2.

На линиях с двусторонним питанием, а также на линиях, входящих в кольцевую сеть, применяют те же защиты, а при необходимости их выполняют направленными.

Если указанные защиты не удовлетворяют требованиям чувствительности или условиям применения, то для защиты от много фазных замыканий могут быть установлены дистанционная или дифференциальная токовая защита. В этом случае в качестве резервной устанавливают максимальную токовую защиту.

Защита от однофазных замыканий на землю выполняется, как правило, с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности и действует от емкостного тока на сигнал. Защита на отключение (вторая ступень) применяется только в тех случаях, когда это необходимо по технике безопасности, и на предприятиях нефтяной и газовой промышленности не применяется. На шинах подстанции предусматривается устройство для контроля изоляции. Отыскание повреждённого элемента может осуществляться путём поочерёдного отключения присоединений.

Линии напряжением 110 кВ и выше выполняются с заземленной нейтралью. Для линий 110-500 кВ должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от замыканий на землю.

В качестве основных защит от многофазных КЗ одиночных линий с односторонним питанием применяют, как правило, отсечки по току и напряжению без выдержки или с выдержкой времени, а в качестве резервных - МТЗ, согласованные во времени по ступенчатому принципу селективности со смежными защитами.

Указанные защиты рекомендуется применять также в кольце­вых и радиальных сетях с двусторонним питанием. При недоста­точной чувствительности и селективности отсечек по току и напряжению в сложных сетях в качестве основных применяют дис­танционные защиты. В этом случае дополнительной защитой является токовая отсечка.

Если указанные защиты не удовлетворяют требованиям быстродействия, то в качестве основной могут применяться высоко-частотная либо продольная и поперечная дифференциальные то­ковые защиты.

Зашита от однофазных КЗ может быть осуществлена основны­ми токовыми защитами от многофазных замыканий. В тех случаях, когда требуется повысить чувствительность или уменьшить вы­держки времени отключения, предусматривается максимальная то­ковая защита нулевой последовательности.

Время действия защиты выбирается по ступенчатому принци­пу и нарушает от конца линии в сторону расположения головной питающей подстанции.

Защита от замыканий на землю

Однофазные замыкания на землю имеют место в сетях с изолированной нейтралью (6-35кВ) и составляют 70-80% всех повреждений линий. Токи замыкания не превышают 20-30 А, поэтому замыкания на землю не являются короткими замыканиями. Согласно Правил устройства электроустановок (ПУЭ) такой режим допускается в течение 2ч, чтобы выявить поврежденный элемент и перевести потребители на другой источник питания.

Рассмотрим некоторые особенности протекания процесса однофазного замыкания на землю (рис. ).

С

В

А

U_N с_а с_в с_с

Рис. Режим однофазного замыкания

В нормальном режиме имеются симметрия фазных напряжений и емкостных токов, U_N=0. При замыкании на землю фазы А напряжение нейтрали увеличится до фазного U_N= -U_А. Напряжения неповрежденных фаз относительно земли увеличатся до линейных значений

U_В= U_С= √3U_Ф.

Это создает предпосылки для пробоя изоляции, возникновения короткого замыкания и повышает опасность обслуживания электроустановок. В местах с ослабленной изоляцией возможен пробой и возникновение двойного КЗ на землю, что приведет к срабатыванию МТЗ.

Если рассмотреть напряжение и токи нулевой последовательности при однофазном замыкании на землю, то можно установить что [4]:

• напряжение нулевой обмотки равно фазному

U₀= U_Ф

• ток однофазного замыкания на землю равен утроенному емкостному току фазы, протекающему в сети до повреждения

I_З=3I_Ф(С)=3I₀.

При известной емкости линии ток замыкания на землю

,

где C_Ф – емкость фазы относительно земли всей электрически связанной сети.

Поскольку емкость сети аналитически определить довольно сложно, то ток замыкания с достаточной степенью точности можно вычислить по эмпирическим формулам [4]:

для воздушных линий

_, А;

для кабельных линий

_, А;

где U – линейное напряжение, кВ;

l – длина линии, км.

Согласно ПУЭ наибольшие допустимые значения тока однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью составляют: при напряжении 6 кВ – 30А; при напряжении 10кВ – 20А и при U=35кВ – 10А.

Принципы построения схем. Простейшая неселективная защита без указания повреждения участка, которая действует на сигнал, может быть выполнена с помощью реле напряжения, включенного в разомкнутый треугольник обмотки трансформатора напряжения TV (рис. ).

Рис. Неселективная защита от однофазных замыканий на землю

При возникновении замыкания на землю в любом участке цепи, подключенном к шинам, на разомкнутом треугольнике появится напряжение нулевой последовательности U₀, срабатывает реле напряжения KV и запускается реле времени KT. Выдержка времени нужна для отстройки от кратковременных замыканий, например, касание в ветреную погоду проводами ЛЭП заземленных конструкций и т.п. Отыскание места повреждения производится путем поочередного отключения всех потребителей, подключенных к данной секции.

Такая защита может применяться на подстанциях с небольшим числом присоединений, если это одновременно удовлетворяет требованиям техники безопасности.

Более совершенная селективная защита, которая может действовать на сигнал или отключение, выполняется с помощью трансформаторов тока нулевой последовательности. Магнитопровод такого трансформатора тока охватывает три фазы защищаемой сети, а к обмотке подключают токовое реле РТ-40/0,2 или РТ3-51.

В нормальном режиме результирующий магнитный поток равен нулю. При однофазном замыкании на землю в обмотке трансформатора тока нулевой последовательности наводится ЭДС, срабатывает токовое реле, замыкая свои контакты и подавая с выдержкой сигнал.

Ток срабатывания защиты I_c.з. выбирается таким образом, чтобы отстроить защиту емкостного тока, протекающего в защищаемой линии, при замыканиях на землю на других присоединениях. Для этого необходимо

,

где К_отс – коэффициент отстройки, К_отс=1,1-1,2;

К_б – коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока при внешних перемежающихся замыканиях на землю, К_б=2-3, для защит с выдержкой времени, К_б=4-5, если защита выполнена без выдержки времени;

I_c – собственный емкостной ток защищаемой линии.

Величину I_c можно определить по средним значениям емкостного тока на один километр линии.

Для кабельных линий

I_c= I_соln,

для воздушных линий

I_c= I_соl.

Здесь I_со – величина емкостного тока на 1 км длины линии, А/км;

l – длина линии, км;

n – число параллельных кабельных линий.

Чувствительность защиты определяется для режима однофазного замыкания на землю в защищаемой линии и характеризуется коэффициентом чувствительности

,

где I_з – ток замыкания на землю или наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока всей сети, можно определить по вышеприведенным формулам для ВЛ и КЛ;

I_c – собственный емкостной ток поврежденного присоединения.

Коэффициент чувствительности К_ч≥1,25 – для кабельных линий; К_ч≥1,5 – для воздушных линий электропередачи.

Рассмотренная защита применяется в основном на кабельных линиях напряжением 6-35кВ.