22. Защиты от замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания на землю.

Электрические сети напряжением 110 кВ и выше, как правило, выполняются с глухим заземлением нулевых точек трансформаторов. Такие сети являются сетями с большими токами замыкания на землю, так как в них к.з. на землю сопровождаются прохождением больших токов к.з., которые значительно превышают токи нагрузки и приводят к значительным разрушениям электрооборудования и понижению напряжения.

Для защиты линий от к.з. на землю (однофазных и двухфазных) применяются специальные защиты, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности. Необходимость установки на линиях специальной защиты нулевой последовательности вызвана тем, что однофазные к.з. на линиях являются преобладающими.

Защиты нулевой последовательности выполняются в виде МТЗ и ТО.

1. Напомним основные положения из метода симметричных составляющих, касающихся токов и напряжений нулевой последовательности, возникающих в сети при к.з. на землю.

Сущность этого метода состоит в том, что любая 3-х фазная несимметричная система векторов токов или напряжений может быть заменена суммой 3-х симметричных систем:

Векторные диаграммы систем симметричных составляющих представлены на рис.4-1.

Рис.4-1. Векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

а) прямой последовательности; б) обратной последовательности;

в) нулевой последовательности.

Из рис. 4-1 видно, что:

• Векторы прямой последовательности вращаются против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А-В-С;

• Вектора обратной последовательности вращаются в чередовании А-С-В;

• Векторы нулевой последовательности совпадают по фазе и по направлению.

В нормальном симметричном режиме, а также при симметричном 3-х фазном к.з. полные токи и напряжения равны току и напряжению прямой последовательности, составляющие обратной и нулевой последовательности равны нулю.

Составляющие обратной последовательности возникают в сети при любой несимметрии: 1 фазные к.з., 2-х фазные к.з., обрыв фазы, несимметричная нагрузка.

Из теории симметричных составляющих при замыканиях на землю необходимо выделить следующие положения:

1. Составляющие нулевой последовательности появляются только при к.з. на землю (однофазных и 2-х фазных), а также при обрыве одной или двух фаз. При междуфазных к.з. без земли (3-х и 2-х фазных) токи и напряжения нулевой последовательности отсутствуют.

Например, при к.з. на фазе А токи в месте повреждения равны:

;

и т.к.

то

(4-1)

Напряжение повреждённой фазы в месте к.з. , т.к. эта фаза связана с землёй, поэтому напряжение нулевой последовательности:

2. 

При однофазном к.з. ток нулевой последовательности в месте

повреждения равен 1/3 тока к.з. в той же точке и совпадает с ним по фазе, а напряжение нулевой последовательности равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Таким образом, в месте к.з. на землю проходит ток равный сумме

токов нулевой последовательности I₀ всех трёх фаз, который и является

действительным током повреждения I_K=3I₀. Причем появление токов нулевой последовательности возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземлёнными нейтралями.

2. Если трансформатор имеет соединение обмоток Υ/Δ, то замыкание

на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой

последовательности на стороне звезды.

3. Если сети различных напряжений связаны трансформатором,

имеющим схему соединения Υ/Υ, с заземлёнными нулевыми точками

обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает

появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды.

4. При наличии автотрансформаторов, связывающих сети двух

напряжений, замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает

появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения.

Для исключения действия защиты нулевой последовательности от токов небаланса из-за имеющих место погрешностей ТТ от намагничивающих токов, величину тока срабатывания пусковых токовых реле защиты необходимо выбирать больше тока небаланса.

МТЗ нулевой последовательности представлена на рис. 4-3.

Рис.4-3. Схема МТЗ нулевой последовательности.

Токовое реле 1 включается на фильтр токов нулевой последовательности или в нулевой провод трансформаторов тока, соединенных по схеме полной звезды.

Реле времени 2 создаёт выдержку времени, необходимую по условию селективности.

При междуфазных к.з. без земли, а также при симметричной нагрузке защита не действует, поскольку в этих режимах сумма токов и токI₀ отсутствует.

МТЗ нулевой последовательности имеет важное преимущество по сравнению с обычной МТЗ, так как не реагирует на нагрузку и поэтому имеет высокую чувствительность.

Наиболее полноценной защитой от к.з. на землю является 3-х

ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, состоящая

из мгновенной ТО (1 ступень), ТО с выдержкой времени (2 ступень) и МТЗ нулевой последовательности (3 ступень).