Защита и сигнализация при однофазных замыканиях на землю в сетях 10 кВ

В соответствии с Правилами [1, 2] сети 3–35 кВ относятся к сетям с изолированной или компенсирование нейтралью, иначе говоря, к сетям с малыми токами замыкания на землю. Например, в сетях 10 кВ ток однофаз ного замыкания на землю не должен превышать 20 А, но фазные замыкания в таких сетях не требуют немедленного отключения линии и позволяют продолжать электроснабжение потребителей при этом повреждении до его отыскания и подготовки потребителей к переводу на другой источник питания. Но при этом Правила [1] обязывают оперативный персонал немедленно приступить к отысканию места повреждения и устранить его в кратчайший срок. Для быстрого определения поврежденной линии (на правления) применяются специальные устройства защиты, устанавливаемые на питающих подстанциях 110/10 кВ и 35/10 кВ и действующие, как правило, на сигнал. С действием на отключение защита от однофазных замыканий выполняется на линиях 3–10 кВ только тогда, когда это требуется по условиям техники безопасности (на линиях питающих передвижные подстанции и механизмы торфо–предприятий, шахт и.т.п.).

Защиты от замыканий на землю, действующие на сигнал и на отключение, должны обладать селективностью, т. е. способностью определять поврежденную линию (или направление). Выполнить такую защиту нелегко, так как токи однофазного замыкания на землю в воздушных сетях 10 кВ очень малы даже по сравнению с токами нагрузки. Кроме того, однофазные замыкания на воздушных линиям 10 кВ чаще всего происходят через переходные сопротивления, которые снижают значения токов нулевой последовательности по сравнению с металлическим замыканием, причем не только токов основной частоты, высших гармоник (на измерении токов высших гар­моник построена широко применяющаяся в кабельных сетях 6 и ,10 кВ сигнализация однофазных замыканий на землю с приборами типа УСЗ–2, УСЗ–ЗМ и т. п.). Из выпускаемых промышленностью устройств селективной сигнализации однофазных замыканий на землю для воздушных сетей 10 кВ в сельской местности применяются, главным образом, направленная защита типа ЗЗП–1М, реже, импульсная защита типа ИЗС.

На подстанциях с кабельными линиями 6 и 10 кВ для этих целей используется групповое устройство с прибором УСЗ–ЗМ.

Наряду с этими или другими селективными защитами на каждой секции 10 кВ питающей подстанции 110/10 или 35/10 кВ выполняется устройство контроля изоляции, фиксирующее факт появления замыкания на землю в любой точке электрически связанной сети и действующее на сигнал.

При отсутствии на линиях 10 кВ селективных защит от однофазных замыканий на землю Правила допускают поиск поврежденного элемента путем поочередного отключения присоединений. Поочередное отключение производится оперативным персоналом. При отключении поврежденного присоединения устройство контроля изоляции прекращает действовать на сигнал.

Устройства контроля изоляции. В настоящее время практически все устройства контроля изоляции выполняются с использованием трансформаторов напряжения, трехфазных пятистержневых ТН типа НТМИ, либо грех однофазных ТН и даже двух однофазных ТН, соеди­ненных по схеме открытого треугольника с заземленной нейтралью.

ТН - трансформатор напряжения; VI- VS - вольтметры

Как правило, на питающих подстанциях устанавливаются ТН типа НТМИ. Устройство контроля изоляции может быть выполнено несколькими способами. Например, с помощью трех вольтметров VIVa\ включенных на фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения. Может быть установлен один вольтметр с переключателем. В нормальном симметричном режиме все три вольтметра показывают одинаков вые фазные напряжения. При замыкании одной фазы Hi землю показания вольтметра этой фазы резко понизятся вплоть до нуля при металлическом замыкании. Показания вольтметров других фаз увеличатся, вплоть до фазного, также при металлическом замыкании. Для получения звукового сигнала при замыкании на землю в схеме устройства может быть включено сигнальное реле РС. В нормальном режиме сумма фазных напряжений равна нулю и реле не работает. При замыкании на землю одной фазы напряжение нулевой точки N вольтметров становится равным сумме напряжений неповрежденных фаз и под влиянием этого напряжения реле срабатывает.

Другим распространенным способом выполнения сигнализации замыканий на землю является использование специальной (третьей) обмотки трансформатора напряжения, соединенной по схеме, называемой разомкнутым треугольником, которая является фильтром напряжения нулевой последовательности 3Uo. В нормальном режиме сети 10 кВ при симметричных напряжениях фаз А В и С па выводах этой обмотки и на реле РН напряжение практически отсутствует (имеется только напряжение небаланса, значение которого обычно не превышает 1 В; наличие этого напряжения свидетельствует об исправности ТН, отсутствии обрывов и замыканий в его вторичных цепях).

При однофазном металлическом замыкании на, землю, например, провода фазы Л напряжение этой фазы относи­тельно земли становится равным нулю, напряжения неповрежденных фаз В и С увеличиваются в 1,73 раза, а их геометрическая сумма становится равной утроенному значению фазного напряжения. Для того чтобы напряжение на реле РН в этих случаях не превышало стандартного номинального значения 100 В, трансформаторы напряжения с обмотками, соединенными по схеме разомкнутый треугольник, имеют повышенный в 3 раза коэффициент трансформации nн=10000/(100/3). Под воздействием напряжения нулевой последовательности 3Uo, которое при металлическом замыкании достигает 100 В, максимальное реле напряжения РН срабаты­вает на сигнал или на отключение. Последнее выполняет­ся на подстанциях, откуда питаются линии, отключаемые при замыканиях на землю по условиям техники безопасности (см. выше). Защита по напряжению нулевой последовательности является здесь резервной по отношению к основным селективным защитам этих линий, например типа ЗЗП–1М, и действует на отключение подстанции или секции с выдержкой времени 0,5–0,7 с для отстройки от основной защиты. В устройстве применяется реле РН типа РН–53/60Д с минимальной уставкой 15 В [8].

Очевидно, что устройство контроля изоляции в виде максимальной защиты напряжения нулевой последовательности (реле РН) является очень простой чувствительной и надежной защитой от замыканий на землю, но, к сожалению, неселективной.                

Обмотка разомкнутый треугольник используется также для питания других защит от замыканий на зем.ио (ЗЗП–1М, ИЗС).

Направленная защита от однофазных замыканий на землю типа ЗЗП–1М. Защита предназначена для селективного отключения линий 10 кВ при однофазных замыканиях на землю и может применяться в сетях с суммарным емкостным током не менее 0,2 А, как указывается информации завода–изготовителя [8]. Однако в связи большой вероятностью возникновения однофазных замыканий на землю на ВЛ 10 кВ через переходные сопротивления и с учетом некоторого запаса по чувствительности применение устройства ЗЗП–1М целесообразно в тех сетях 10 кВ, где минимальное значение суммарного емкостного тока по крайней мере в 2,5–3 раза выше, т. е. 0,5–0,6 А.

Токовые цепи защиты ЗЗП–1М подключаются к кабель ному трансформатору тока нулевой последовательности ТТНП типа ТЗР, ТЗЛ в связи с чем защищаемая воздушная линия должна иметь кабельную вставку (ввод). Это является недостатком   защиты ЗЗП–1М, ограничивающим ее применение.

Цепи напряжения защиты ЗЗП–IM включаются на напряжение нулевой последовательности 3Uo, получаемое oт специальной обмотки трансформатора напряжения ТН типа НТМИ, соединенной в разомкнутый треугольник. Для защиты элементов ЗЗП–1М от высших гармоник, имеющихся в напряжении 3Uo, устройство следует подключать к ТН через фильтр с резонансной частотов 50 Гц, который подавляет все высшие гармонические составляющие с частотой выше 50 Гц. Фильтр выпускаете ся в виде вспомогательного устройства ВУ–1, в которое входят дроссель с регулируемым воздушным зазором 1 последовательно включенный конденсатор. На одно устройство ВУ–1 может быть включено до 10 устройств ЗЗП–1М [8]. Для исключения опасного воздействия на устройства ЗЗП–1М перенапряжений, возникающих в первый момент замыкания на землю в сети 10 кВ.

Защита ЗЗП–1М состоит из следующих основных органов: согласующего устройства, усилителя переменного тока 2 фазочувствнтельного усилителя (органа направле­ния мощности) 3 выходного реле 4 и блока питания 5 . Блок питания типа БПН–11 [8] подключается к трансформатору напряжения ТН или к трансформатору собственных нужд подстанции.

Таким образом защита ЗЗП–1М представляет собой направленную защиту нулевой последовательности. При однофазном замыкании на землю, например, на воздушной линии 10 кВ ВЛЗ токи lei, Ica, определяемые емкостью фаз неповрежденных линий ВЛ1, ВЛ2 по отношению к земле, имеют условное направление к месту повреждения на линии ВЛЗ и, таким образом, по–разному направлены на поврежденной и неповрежденной линиях На неповрежденных линиях при направлении токов /с к шинам 10 кВ подстанции защиты ЗЗП–1М не срабатывают. На поврежденной линии при направлении суммарного емкостного тока /с сум от шин. подстанции к месту повреждения защита ЗЗП–1М срабатывает, если значение этого суммарного тока больше, чем ее ток срабатывания (чувствительность). Если считать, что среднее удельное значение емкостного тока для воздушных сетей 10 кВ составляет на 1 км примерно 0,025 А, то для надежного срабатывания защиты ЗЗП–1М при минимальной ее уставке 0,2 / (первичных) необходимо, чтобы суммарная протяженное?! всех неповрежденных линий 10 кВ этой сети была бы hi менее 20–25 км и, соответственно, суммарный емкостный ток 0,6 А. В современных электросетях 10 кВ это условие, как правило, обеспечивается, но в том случае когда одна или две линии 10 кВ могут быть отключены защита ЗЗП–1М не сможет сработать на отключение из–за недостаточных значений суммарного емкостного тока, требуется, чтобы дополнительно к линейным   защита (ЗЗП–1М) на подстанции была бы установлена резервная неселективная максимальная защита напряжения нулевой последовательности, которая выдержкой времени 0,5–0,7 с действует на отключение питающего трансформатора (при этом должны запрещаться действия автоматики включения: АВР, АПВ). При малых значениях емкостных токов такое неселективное действие считается правильным, поскольку своим действием защита выполняет требования техники безопасности предотвращает несчастные случаи [2]. Описание устройства ЗЗП-1М, технические данные указания по монтажу и эксплуатации приведены в работах [8, 10].

Импульсная защита сети типа ИЗС. Это устройство относится к группе волновых защит от замыканий в землю в сетях с изолированной или заземленной компенсирующие катушки нейтралью. Устройство контролирует направление распространения электромагнитных

Токовые цепи устройства ИЗС могут подключаться к кабельному трансформатору тока нулевой последовательности (так же, как защиты ЗЗП–1М) или к трехтрансформаторному фильтру токов нулевой последовательности . Это является достоинством устройства ИЗС, поскольку иногда проще установить три трансформатора тока (вместо обычно устанавливаемых двух), чем выполнить кабельную вставку для воздушной линии 10 кВ.

Цепи напряжения 3Uo подводятся от специальной об­мотки трансформатора напряжения ТН, соединенной в разомкнутый треугольник.

Устройство ИЗС состоит из пускового органа реагирующего на появление напряжения нулевой последовательности при замыкании на землю; органа направления тока, контролирующего знак мощности на фронте волны в контуре фаза – земля; блока питания и указательного реле. Устройство может действовать на сигнал или на отключение выключателя защищаемой линии.

Наиболее целесообразно использовать устройства ИЗС в кольцевых сетях или при параллельной работе двух или нескольких линий. Устройства ИЗС включаются на обеих сторонах контролируемых линий таким образом, что они срабатывают на замыкание контактов при условно положительном направлении распространения волны (мощности) от места замыкания на землю и месту контроля, т. е. к шинам подстанций А и Б. Прц этом только на поврежденной линии знак мощности цц обоих концах будет положительным и оба устройства H3Q сработают (контакты ИЗС 1 и 2 показан замкнувшимися). На неповрежденных линиях этой замкнутой сети контакты ИЗС замыкаются только на одной из сторон. По показаниям ИЗС можно однозначно определить, на какой из линий произошло однофазное замыканий на землю.

Устройства ИЗС могут применяться для селективной сигнализации замыканий на землю и на радиальных линиях. Например, при однофазном замыкании на ВЛ1 направление распространения волны таково, что устройство ИЗС на подстанции А сработает (мощность направлена к шинам), а на подстанции Б устройство неповрежденной линии ВЛ2 не сработает (мощность направлена от шин). На неповрежденных линиях ВЛЗ, ВЛ4 устройства ИЗС также не сработают, поскольку по эти» линиям не распространяются электромагнитные разрядные волны, возникшие при замыкании на землю на линий ВЛ1. Указания по обслуживанию устройств ИЗС приведены в работе [11].

Как видно из краткого описания устройств ЗЗП–1М и ИЗС, они имеют общий недостаток, ограничивающий их применение для защиты воздушных линий 10 кВ: для включения ЗЗП–1М требуется кабельный, а для ИЗС три трансформатора тока или тот же кабельный ввод линии 10 кВ, что в общем случае требуется и не выполняется на подстанциях, питающих воздушные линии 10 кВ. Для получения тока нулевой последовательности, необходимого для работы этих и им подобных защит от замыканий на землю, Сельэнергопроектом разработан новый фильтр тока нулевой последовательности, собираемый из двух стандартных трансформаторов тока, установленных на фазах и одного специального шинного датчика [4].

Шинный датчик представляет собой магнитопровод сечением около 11 см², выполненный из трансформаторной стали, с одной многовитковой и одной дополнительной обмотками. Магнитопровод надевается на проходной изолятор той фазы (В), на которой отсутствует трансформатор.

При помощи несложного устройства с многовитковой обмотки датчика снимается напряжение, значение которое 'пропорционально значению тока нулевой последовательности. Дополнительная обмотка датчика включается обратный провод схемы соединения трансформаторов фаз А и С в неполную звезду. При использовании обмоток класса 0,5 этих трансформаторов тока с помощью Нового фильтра токов нулевой последовательности можно выполнить защиту от замыканий на землю с чувствительностью около 0,2–0,3 А. Новый фильтр токов нулевой последовательности использован для подключения новой направленной защиты от замыканий на землю типа ЗНЗ–10, разработанной Сельэнергопроектом [4].

Устройство сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6 и 10 кВ типа УСЗ–ЗМ. Устройство представляет собой измерительный прибор, включенный на среднее значение суммы высших гармонических составляющих тока замыкания на землю. С помощью кнопочного переключателя устройство поочередно подключается к трансформаторам тока нулевой последовательности всех. Кабельных линий, отходящих от подстанции или секции. Сравнивая показания измерительного прибора, дежурный выявляет наибольшее из них, которое и указывает на поврежденную кабельную линию. Таким образом с помощью УСЗ–М можно обнаружить только устойчивое замыкание на землю, но это не считается недостатком и не препятствует широкому применению этих устройств. Имеются разработки автоматических устройств для одновременного измерения сумм высших гармоник на всех отходящих линиях, сравнения этих значений между собой и выявления поврежденной линии. Устройство УСЗ–ЗМ выпускается также в виде приставки к токоизмерительным клещам.

Список литературы

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Изд. 13–е, перераб. и доп. М.: Энергия. 1977–288 с.
2. Правила устройства электроустановок/Минэнерго СвСР. – 6–е изд.. перераб. и лоп. М.: Энергоатомизлат, 1985.–640 г.
3. Фелогрев А. М. Релейная защита электрических систем.. М: Энергия. 1976.–560 с.
4. Стасенко Р. Ф., Фрщенко П. П. Автоматизация сельских электрических сетей Киев: Техника. 1982.–128 с.
5. Шабад М. А. Расчеты релейной зашиты и автоматики распределительных сетей. Л.: Эпергоатомиздат, 1985.–296 с
6. Шабад М. А. Автоматика электрических сетей 6–35 кВ в сельской местности. Л.: Энергия, 1979. 104 с.
7. Голубев М. Л. Реле прямого действия. М.: Энергия, 1966. 92 с.
8. Реле защиты В. С. Алексеев, Г. П. Варганов, Б. И. Панфилов, Р. 3. Розенблюм. М: Энергия, 1976.–464 с.
9. Шабад М. А. Проверка чувствительности защит на переменном оперативном токе с учетом погрешности трансформаторов тока// Энергртик. 1984 №1. С. 25–27; №2 С. 25 27.
10. Кискачи В. М. Защита от однофазных замыканий на землю ЗЗП–1: Описание, налалка, эксплуатация. М.: Энергия, 1972.–72 с.
11. Соколова Г. В. Защита от замыканий на землю ИЗС//Электрические станции. 1984. №1. С. 59–62.
12. Шабад М. А. Релейная защита и автоматика на электроподстянциях, питающих синхронные двигатели. Л.: Энергоатомиздат, 1984.–64 с.
13. Емелычщев А. Ю., Шабад М. А. Выбор предохранителей для защиты трансформаторов 6 и 10 кВ сельских электрических сетей// Энергетик.1984. №11 С. 28–29; №12 С. 24–28.
14. Симоновский С. Ф. Защита сельских сетей от коротких замыканий и перегрузок. М.: Колос, 1983.–109 с.