Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated distribution systems

Введение

Величина тока при замыкание на землю зависит от способа заземления системы. Глухо и эффективно заземленные системы могут иметь высокие значения токов замыкания на землю, что требует скорейшего отключения линии. Токовая защита от замыкания на землю и направленное реле максимального тока являются основными приспособлениями для защиты от замыкания на землю для таких систем.

Тем не менее, замыкание на землю с высоким переходным сопротивлением является довольно трудным для обнаружения в мультизаземленных четырехпроводных системах , в которых реле измеряет ток замыкания на землю в сочетании с током небаланса, возникающим из-за сдвига фаз, конфигурации сети и дисбаланса нагрузки.

Что же касается систем с изолированной нейтралью, то характерной их особенностью является отсутствие соединения с землей. Поэтому при однофазном замыкании на землю, протекающий ток замыкается через распределенные емкости между линией и землей, а также фазами, которые остались неповрежденными.

Распределительные сети с компенсированной нейтралью заземлены через реактор с переменным сопротивлением. Этот реактор компенсирует емкость между фазой и землей так, чтобы путь для нулевой последовательности имел очень высокое сопротивление. Реактор, известный как катушка Петерсона, позволяет регулировать значение индуктивности, чтобы сохранить настройки состояния системы для различных сетевых топологий.

Резонансное заземление обеспечивает самозатухание дуги в 80 процентов случаев. Учитывая, что около 80 процентов замыканий на землю-временные, можно сделать вывод, что более 60 процентов ВЛ замыканий на землю устраняются без отключения выключателя. Системы работающие через высокоомное заземление имеют в нейтрали резистор или реактор с высоким сопротивлением, который равен или немного меньше, чем общее емкостное сопротивление на землю. Резистор в нейтрали имеет такое высокое значение, что короткие замыкания на землю в таких системах имеют очень схожие характеристики с эффективно-заземленными сетями.

Поскольку замыкания на землю в сетях с изолированной, высокоомной, и компенсированной нейтралью не влияют на треугольник линейных напряжений, то с данным повреждением возможна работа. Однако, в данном случае, система должна иметь необходимый междуфазный уровень изоляции и все нагрузки должны быть подключены к линейному напряжению.

Защитам от замыканий на землю для этих систем требуется высокая чувствительность, так как ток короткого замыкания низкий по сравнению с глухозаземленными сетями. Большинство методов обнаружения замыкания на землю используют компоненты напряжения и тока. ВАРметрический метод (varmetric) является традиционным решением для обнаружения замыкания на землю в незаземленных системах. Также можно использовать этот метод в высокоомно заземленных сетях. Ваттметрическая метод используется для компенсированных систем, но его чувствительность, по отношению к сопротивлению замыкания, ограничивается несколькими кОм. Мы также можем использовать Ваттметрический метод в высокоомно заземленных сетях и сетях с изолированной нейтралью. Другие методы для компенсированных систем (например метод полной проводимости), обеспечивают повышенную чувствительность, но требуют информации о всех питателях и о возможности управления катушкой Петерсена. Существуют также методы, которые анализируют гармоники тока и напряжения в установившемся режиме для обнаружения замыканий на землю. Другая группа методов определяет повреждение анализируя генерируемые переходные компоненты напряжения и тока возникшие при повреждении. Эти методы имеют ограниченную чувствительность, потому замыкания через большое сопротивление снижают значение установившихся гармоник и подавляют составляющие переходного напряжения и тока.

Способы заземления распределительных сетей среднего напряжения

Основными целями заземления сети являются: минимизация градиента напряжения и тепловых нагрузок на оборудование, обеспечение безопасности персонала, уменьшение помех в системе, и оказание помощи в быстром обнаружении и ликвидации замыкания на землю. За исключением условия минимизации градиента напряжения, в системах работающих с изолированной, высокоомной или компенсированной нейтралью, достигаются большинство перечисленных выше целей. Недостатком этих способов заземления является том, что они также создают проблемы чувствительности при обнаружении повреждения. С другой стороны, можно создать способ заземления, при котором уменьшится градиент напряжения за счет увеличения значения тока замыкания. Тем не менее, в такой системе поврежденная цепь должна быть обесточена немедленно, чтобы избежать перегрева, появления помех канала связи и угрозы безопасности человека. Недостатком этой системы является то, что робота должна быть прервана, даже при временных неисправностях.

Ниже приводится краткое описание методов заземления, используемых в распределительных системах среднего напряжения.

Незаземленная или изолированная нейтраль

В изолированной сетях (см. Рисунок 1) нейтраль на прямую не заземлена, а соединение системы с землей происходит через емкости между фазой и землей. Однофазные замыкания на землю изменяют фазные напряжения, но треугольник линейных напряжений остается без изменения.

Для этих систем, двумя основными факторами, которые ограничивают величину тока замыкания на землю являются: емкости нулевой последовательности и сопротивление замыкания. Поскольку треугольник напряжения остается относительно неизменным, такие системы могут оставаться в рабочем состоянии, при невысоких значениях параметров замыкания, длительное время.

Самозатухание замыканий на землю в воздушных линиях возможно при малых значениях тока замыкания на землю. При более высоких величинах тока короткого замыкания, меньшая вероятность самозатухания повреждения, из-за высокого восстанавливающегося напряжения. Далее рассмотрим, как сеть с компенсированной нейтралью позволяет уменьшить восстанавливающееся напряжения, тем самым увеличивая вероятность самозатухания.

Реле нулевой последовательности или реле на трехфазном напряжении может обнаружить замыкания на землю в незаземленных системах. Этот метод обнаружения неисправностей не является селективным и требует последовательного отключения фидеров для определения неисправного места. ВАРметрический элемент является альтернативой такого последовательного отключения. Такой элемент реагирует на составляющие тока нулевой последовательности по отношению к напряжению нулевой последовательности.

Позже мы рассмотрим новый направленный элемент, который использует измеренное сопротивление для определения замыкания на землю.

Анализ распределительных систем с изолированной нейтралью.

В этом разделе проанализируем процессы, протекающие в сети с изолированной нейтралью в установившемся режиме.

Трехфазный анализ

На рисунке 7 показана упрощенная схема трехфазной распределительной системы с изолированной нейтралью. Расположение реле определяет защищищаемую линию. Все остальные линии показаны в виде эквивалентной линии, представляющей остаток распределительной системы. Для упрощения в данном анализе установившегося режима, мы предполагаем, что идеальный источник, работает на номинальной частоте, без нагрузки и пренебрегаем продольным сопротивлением линии, активным и реактивным сопротивлениями. Такой подход оправдан на том основании, что вся нагрузка системы подключена на линейное напряжение и таким образом не производит дисбаланс нулевой последовательности. Эти предположения не внесут значительной погрешности в результаты, но значительно упростят расчеты.

На рисунке 7, CAL, CBL, и CCL представлены емкости между фазой и землей защищаемой линии, а CAS, CBS, и CCS представляют емкости между фазой и землей остальной части сети. На рисунке 7 не представлены емкости между фазами, потому что они не влияют на ток нулевой последовательности и соответственно не имеют отношения к этому анализу.

Для цепи на рис. 7 можно записать

Реле измеряет ток нулевой последовательности 3I0L защищаемой линии. Тогда в соответствии с уравнением 4

Для системы на рисунке 7 выполним металлическое замыкание фазы А на землю путем замыкания выключателя SF. Тогда, ток замыкания IF равен IAL

Из уравнения 6, видно, что ток нулевой последовательности в действительности является током подпитываемым остаточной системой. Также, если бы защищаемая линия была бы единственным питателем подключенным к шинам, то измеренный ток замыкания был бы равен нулю. (т.e., 3I0 = IAL-(IBL + ICL)= 0). Поэтому для такой системы, распознавание замыкания на землю осуществляется с помощью трансформаторов нулевой последовательности.

В симметричной неповрежденной системе ток нулевой последовательности для защищаемой линии равен нулю, 3I0L = 0, и потенциал нейтрали N равен потенциалу земли, VNG = 0 (см. рисунок 8 (а)). Естественная асимметрия системы приводит к тому, что в нейтрали протекает небольшой ток небаланса, который приводит к тому, что нейтраль перестает иметь потенциал земли VNG = 0.

Для металлического замыкания фазы А на землю RF = 0, в идеальной системе, потенциалы поврежденной фазы и земли равны (см. рис.8(б)). Фазное напряжение двух оставшихся неповрежденных фаз равно линейному напряжению (VBG = VBA, VCG = VCA) и напряжение между нейтралью и землей равняется напряжению между фазой источника и нейтралью взятого с отрицательным знаком, соответствующее поврежденной фазе (VNG = -VAN).