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. 0}, 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 др) гой 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 к1 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 се-гях 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, ли-⁰⁰ трехфазных пятистержневых ТН типа НТМИ, либо грех однофазных ТН и даже двух однофазных ТН, соеди­ненных по схеме открытого треугольника с заземленной нейтралью.

Рис. 20. Схемы включения (а) устройств контроля изоляции (PC) я максимальной защиты напряжения векторные диаграммы напряжений при однофазном замыкании на землю (б и в)

ТН - трансформатор напряжения; VI- VS - вольтметры

Как правило, на питающих подстанциях устанавливаются ТН типа НТМИ. Устройство контроля изоляции может быть выполнено несколькими способами (рис. 20,а). Например, с помощью трех вольтметров VI-Va\ 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 (рис. 20,а). 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 (рис. 20,6, е). 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 (рис. 20,а) типа РН-53/60Д с минимальной уставкой 15 В [8].

Очевидно, что устройство контроля изоляции в виде максимальной защиты напряжения нулевой последовательности (реле РН на рис. 20,а) 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 и т. п. (рис. 21,а), 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 ти' па НТМИ, соединенной в разомкнутый треугольник (рис 21,а). 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 (рис. 21,6). Блок питания типа БПН-11 [8] подключает­ся к трансформатору напряжения ТН или к трансформатору собственных нужд подстанции (на рис. 21,6 не показа­но).

Таким образом защита ЗЗП-1М представляет собой на­правленную защиту нулевой последовательности. При од­нофазном замыкании на землю, например, на воздушной линии 10 кВ ВЛЗ (рис. 21,в) 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 /с сум^0,5-0,6 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 (реле 2РН на рис. 21,а), которая выдержкой времени 0,5-0,7 с действует на отключен! 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 чер1 компенсирующие катушки нейтралью. Устройство контролирует направление распространения электромагнитных

Рис. 22. Схема включения защиты типа ИЗС (а) и поясняющие схемы его работы при однофазных замыканиях на землю в сетях 10 кВ раз­ной конфигурации (б, в)

-защита от мождуфлзных к. з.; 2-защита НЗС

разрядных волн фаза-земля, возникающих при замыка­ниях фазы на землю.

Токовые цепи устройства ИЗС могут подключаться к кабельному трансформатору тока нулевой последователь­ности (так же, как защиты ЗЗП-1М на рис. 21,а) или к трехтрансформаторному фильтру токов нулевой последо­вательности (рис. 22,а). 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 (рис. 21, 22).

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 (рис. 22,6). 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 (рис. 22,6). Прц этом только на поврежденной линии знак мощности цц обоих концах будет положительным и оба устройства H3Q сработают (на рис. 22,6 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 (рис. 22,б). Например, при однофазном замыкании на ВЛ1 направление распространения волны таково, чт4 устройство ИЗС на подстанции А сработает (мощность направлена к шинам), а на подстанции Б устройство И3€ 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 bbojb (вставка), 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 Л и С защищаемо» линии, 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.

Определение места однофазного замыкания на зем­лю. Рассмотренные выше устройства позволяют опре­делить лишь поврежденную линию и дать направление дальнейшему поиску. Отыскание места однофазного за­мыкания на ВЛ-10 кВ производится с помощью перенос­ных приборов типов «Поиск», «Волна», «Зонд» и других, которые в этой книге не рассматриваются [4].

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//Элек-трические станции.—1984.—№ 1.—С. 59—62.

12. Шабад М. А. Релейная защита и автоматика на электропод-стянциях, 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.