Земляная защита принцип действия

Принцип действия ТЗНП, защита нулевой последовательности

Одним из устройств, применяемых для защиты ЛЭП с напряжением 110 кВ, является токовая направленная защита нулевой последовательности (сокращенно – ТНЗНП).

Эти линии электропередач выполняются с эффективно заземленной нейтралью. В отличие от сетей 6-35кВ, у которых нейтраль изолирована, токи замыкания на землю достаточно большие, что вызывает необходимость фиксировать их и отключать с минимально возможной выдержкой времени. Но для этого нужно не просто определить факт наличия в системе замыкания на землю, но и найти линию, на которой оно произошло. Для этого такие защиты и делаются направленными.

1. Токи нулевой последовательности
2. Защита на токах нулевой последовательности
3. Напряжение нулевой последовательности
4. Токи небаланса
5. Реализация защит ТЗНП

Токи нулевой последовательности

Систему трехфазных токов и напряжений можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы этих токов (напряжений) в нормальном режиме сдвинуты друг относительно друга в пространстве на одинаковый угол, равный 120 градусов. При этом полученная диаграмма является еще и вращающейся относительно условного наблюдателя: сначала мимо него проходит вектора фазы «А», затем «В», потом «С». И так – по кругу. Эту диаграмму принято называть системой токов (напряжений) прямой последовательности.

Если поменять порядок прохождения векторов с А-В-С на С-В-А, получается обратная последовательность. В обоих случаях неизменным остается одно: между векторами разных фаз сохраняется угол в 120 градусов.

Ток или напряжение нулевой последовательности получается, если все эти векторы сложить между собой. Для этого, если вспомнить геометрию, нужно начало второго вектора совместить с концом первого, затем так же добавить к нему третий. Поскольку угол между ними остается равным 120 градусов, то получим равносторонний треугольник, система замкнется. Результирующий вектор, определяющий сумму всех слагаемых, будет равен нулю. Он должен быть проведен от начала первого суммируемого вектора к концу последнего.

Но так будет только при отсутствии в системе замыканий на землю. При междуфазных КЗ увеличиваются векторы токов одновременно в двух фазах, а то и во всех трех. Сложение их между собой даст все тот же ноль. Поэтому такие КЗ еще называют симметричными.

Интересное видео о работе ТЗНП смотрите ниже:

Защита на токах нулевой последовательности

Но при наличии замыкания на землю нулевая последовательность токов выходит из равновесия. Появляется результирующий ток, на который и реагирует релейная защита.

В системах с изолированной нейтралью для выделения этих токов используется специальный трансформатор, надеваемый на кабель.

На ЛЭП — 110 кВ это выполнить невозможно и токи замыкания на землю определяются по другому принципу. Для этого на обычных трансформаторах тока, использующихся для релейной защиты, выделяется отдельная обмотка на каждой фазе. Обмотки фаз соединяются между собой последовательно особым способом: начало следующей соединяется с концом предыдущей. В эту же цепь включаются и токовые обмотки реле.

Обычно защищаемый участок разделяется на участки (зоны), примерно, как у дистанционной защиты. Сама защита выполняется многоступенчатой. Ток срабатывания первой ступени максимальный, выдержка времени – минимальна или равна нулю. Следующая ступень срабатывает при меньшем токе, но с большей выдержкой по времени. И так далее.

На другом конце линии установлена такая же защита. А линий может быть много. Наличие ступеней позволяет обеспечить отключение именно участка с повреждением, а также – резервировать другие защиты в случае их отказа.

Напряжение нулевой последовательности

Имея в наличии только информацию о токах нулевой последовательности, невозможно определить, где произошло КЗ: в самой линии, или «за спиной». В противоположном от линии конце находится либо распределительное устройство с другими подключенными к нему ЛЭП, либо трансформаторы. У них есть своя собственная защита, которая лучше разберется в ситуации.

Для того, чтобы определить направление на замыкание на землю, потребуется информация о напряжении нулевой последовательности. Оно берется с особых обмоток трансформаторов напряжения, соединенных в разомкнутый треугольник.

Это тоже векторная сумма, но не токов, а фазных напряжений. Она равна нулю в нормальном режиме и при симметричных КЗ, но при однофазных КЗ имеет определенную величину.

Далее в дело вступает реле направления мощности. На одну его обмотку подается напряжение нулевой последовательности, а на другую – ток, использующийся для работы земляной защиты. Срабатывание происходит при таком угле между этими величинами, когда мощность КЗ направлена в линию. В других случаях, при КЗ «за спиной», отсутствие срабатывания этого реле блокирует работу защиты.

Токи небаланса

Правильное сложение токов возможно только в случае полной идентичности характеристик трансформаторов тока. На этапе проектирования для защиты обязательно выбираются одинаковые обмотки трансформаторов с одинаковым классом точности, кратностью насыщения.

Кроме того, в цепи этих обмоток не должны быть включены другие устройства или приборы, нарушающие симметрию их нагрузки.

Но и этого может оказаться недостаточно. Если при всем при этом характеристики намагничивания оказываются разными, ток небаланса все-таки появляется. Если в нормальном режиме он не приводит к ложному срабатыванию защиты, то при симметричных КЗ, когда токи становятся в несколько раз большими, ток небаланса существенно возрастет.

Поэтому при замене трансформаторов тока, если не удается подобрать аналог для одного из них с полным соответствием вольт-амперных характеристик, то лучше сменить не один или два, а все три.

Реализация защит ТЗНП

Широко применялись еще с советских времен панели защит ЛЭП-110 кВ на базе электромеханических реле, например ЭПЗ-1636. В ее состав, кроме ТЗНП входит еще дистанционная защита и токовая отсечка.

Однако электромеханические реле эксплуатирующихся панелей давно выработали свой ресурс, а точечная их замена не всегда приводит к надежным результатам.

Поскольку со времен разработки данной релейной техники прогресс уже ушел далеко вперед, старое оборудование целиком меняется на панели или шкафы, включающие в себя микропроцессорные терминалы релейных защит.

Что такое токовая защита нулевой последовательности?

В высоковольтных сетях из-за каких-либо повреждений может нарушаться нормальная работа электроустановок. Достаточно частое повреждение – замыкание на землю, при котором возникает угроза как человеческой жизни за счет растекания потенциала, так и оборудованию за счет нарушения симметрии в сети. Чтобы предотвратить возможные последствия от таких повреждений на подстанциях и в других устройствах применяют токовую защиту нулевой последовательности (ТЗНП).

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Рис. 1. Форма напряжения в трехфазной сети

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

• прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
• обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Рис. 2. Прямая, обратная и нулевая последовательность

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Принципиальная схема простейшей ТЗНП

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Правила подборки трансформаторов тока.

С целью снижения небаланса, влияющего на правильность срабатывания токовой защиты, подбирают такие ТТ, у которых вторичные токи не создадут перетоков. Для чего они должны соответствовать таким требованиям:

• Обладать идентичными кривыми гистерезиса;
• Одинаковая нагрузка вторичных цепей;
• Погрешность на границе участков сети не должна превышать 10%.

К их вторичным цепям запрещено подключать еще какую-либо нагрузку, приводящую к искажению кривой намагничивания хотя бы в одном ТТ. Поэтому на практике при возникновении токов срабатывания от симметричной системы рекомендуют подвергать замене не один и не два, а все три трансформатора одновременно.

Область применения

Токовая защита, способная отреагировать на появление нулевой последовательности, нашла достаточно широкое применение в линиях с заземленной нейтралью. Так как в них токи коротких замыканий достигают наибольших величин. А вот при изолированной нейтрали ее установка нецелесообразна, поэтому ТЗНП в них не используют. Сегодня установки ТЗНП находят широкое применение:

• на шинах районных подстанций для защиты силового оборудования;
• в распределительных устройствах трансформаторных, переключающих и комплектных подстанций;
• в токовых цепях крупных промышленных объектов с трехфазным силовым оборудованием.

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения ступенчатого принципа вывода линии, токовая защита, контролирующая появление нулевой последовательности в цепях, должна соответствовать селективности срабатывания. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи, в зависимости от их значимости, с целью определения места повреждения или выделения поврежденного промежутка. Для этого выбираются соответствующие уставки срабатывания по времени для защиты. Рассмотрите пример выбора уставок на такой схеме.

Пример выбора уставок

Как видите, ТЗНП в данном случае отстраивается по тому же принципу, что и максимальная токовая защита, но с меньшей величиной выдержки времени. В этом примере каждая последующая ступень защиты выдерживает временную задержку на промежуток Δt больше, чем предыдущая. То есть время срабатывания первой токовой отсечки, в сравнении со второй будет рассчитываться по формуле: t1 = t2+ Δt. А время срабатывания второй по отношению к третей будет составлять t2 = t3+ Δt. Таким образом каждое последующее реле выполняет функцию резервной защиты.

Если обмотки преобразовательных устройств включаются по системе звезда – треугольник, а также звезда – звезда, ТЗНП первичных и вторичных цепей не совпадают. Из-за того, что замыкание в линиях высокого напряжения не обязательно вызовет появление составляющих нулевой последовательности в низких обмотках и питаемой ими цепи. Так как селективность ТЗНП для каждой из них должна выстраиваться независимо, на практике должна обеспечиваться их независимая работа.

Такая система ступенчатых защит позволяет минимизировать дальнейший переход повреждения на другие участки сети и силовое оборудование. А также помогает вывести из-под угрозы персонал, обслуживающий эти устройства. Главное требование к токовой защите – предотвращение ложных коммутаций по отношению к соответствующей зоне срабатывания.

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня токовая защита, реагирующая на возникновение нулевой последовательности, может реализовываться микропроцессорными установками и посредством реле. В большинстве случаев устаревшие реле повсеместно заменяются на более новые версии токовой защиты. Но, помимо ТЗНП настраиваются в работу дистанционные, дифференциальные защиты и прочие устройства. Чья работа основывается как на симметричных составляющих, так и на других параметрах сети.

Помимо этого, в своем классическом исполнении ТЗНП не имеет возможности определять место повреждения. То есть для нее не имеет значение, в каком месте произошел обрыв. Поэтому для определения направления, в котором ток протекает по направлению к земле, применяют направленную защиту. Такая система отстраивается не только на токах, а и на напряжении, возникающем от нулевой последовательности. Данные величины подаются с трансформаторов напряжения, включенных по системе разомкнутого треугольника.

Схема работы направленной защиты

При замыкании в зоне резервирования токовой защиты к одной из обмоток реле мощности поступает напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. При условии, что вектор мощности направлен в линию, реле мощности разблокирует срабатывание токовой защиты. В противном случае, когда направление мощности указывает, что неисправность произошла на другом участке, реле мощности продолжит блокировать срабатывание токовой защиты.

Сегодня практическая реализация такой защиты выполняется посредством микропроцессорных блоков REL650 или на реле ЭПЗ-1636. Каждый, из которых уже включает в себя и токовую отсечку, и дистанционную защиту, и пусковое реле для возобновления питания.

Видео в дополнение к написанному

Земляные защиты элеткрооборудования 6-35 кВ

Головко С.И. — к.т.н., ООО Релейная защита г.Томск.

Учет перемежающихся дуговых замыканий

Генераторные распредустройства ТЭС и распределительные сети 6–35 кВ имеют изолированную или компенсированную нейтраль. Общим для этих режимов нейтрали является то, что ток замыкания на землю мал. Его величина составляет от единиц до нескольких десятков ампер. В таких сетях большинство замыканий на землю являются не устойчивыми, а перемежающимися дуговыми замыканиями (ПДЗ).

ПДЗ – замыкание, при котором поврежденная фаза подключается к земле через сопротивление дуги, а затем через непродолжительное время, находящееся в пределах от долей до десятков миллисекунд, отключается от земли. Такое чередование пробоев и погасаний может продолжаться очень долго, до 30 минут и более. В настоящее время повсюду имеются регистраторы аварийных процессов, поэтому каждое предприятие может убедиться в справедливости вышеизложенного. Для этого нужно посмотреть осциллограммы фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, имеющие место после пуска регистратора по факту замыкания на землю.

ПДЗ значительно опаснее, чем металлическое замыкание, как тем, что оно вызывает повреждение оборудования, в котором возникла дуга, так и перенапряжениями, которые она инициирует. Поэтому для всех земляных защит должно быть обязательным требование селективной работы при ПДЗ.

Это требование предполагает, что защита не должна срабатывать при внешнем ПДЗ, но должна срабатывать с минимальным временем при внутреннем ПДЗ.

Влияние ПДЗ

При ПДЗ напряжение и токи нулевой последовательности являются несинусоидальными величинами, которые содержат гармоники с частотами от единиц до тысяч герц. Поэтому реагирующий орган любой защиты при ПДЗ может вести себя не так, как при устойчивом замыкании. В частности, он может не срабатывать в течение всего времени, пока замыкание происходит через перемежающуюся дугу.

Обеспечить селективную работу защиты при ПДЗ можно в том случае, если выполняются два условия. Первое состоит в том, что принцип действия защиты должен быть совместим с требованием селективной работы при ПДЗ. Второе условие заключается в том, что схемотехника избирательного органа защиты должна быть такой, чтобы реализовывалась указанная выше совместимость.

Для разработки такой схемотехники нужна постановка экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги в реальной сети либо на модели сети, выполненной в масштабе 1:1. Это трудоемкое и затратное мероприятие. ПДЗ – очень многообразный процесс, что обусловлено разнообразием факторов, влияющих на него. Таковыми являются:

• величина номинального напряжения сети;
• величина тока замыкания на землю;
• межэлектродное расстояние;
• тип изоляции и т. д.

Если ПДЗ имеет место в компенсированной сети, то важнейшее влияние на этот процесс оказывает величина расстройки компенсации. В зависимости от перечисленных факторов напряжение пробоя дугового промежутка может быть различным, кроме того, оно может изменяться от пробоя к пробою произвольным образом. Также произвольно может изменяться длительность токовой паузы, т. е. время от момента очередного пробоя до момента очередного погасания дуги. Дуга может погасать при одном из прохождений через ноль свободной составляющей тока замыкания либо при одном из прохождений через ноль вынужденной составляющей. Результатом многообразия процесса горения дуги является многообразие токов и напряжения нулевой последовательности, которые определяют поведение защиты при ПДЗ.

Изложенное является первой причиной того, что изготовители не дают обоснованных сведений о работе своих защит при перемежающихся дуговых замыканиях. Если говорить прямо, то большинство из них просто игнорируют ПДЗ. Подход примерно такой: Хорошо уже то, что защита сработает при металлическом замыкании, а срабатывание при перемежающемся замыкании – это уже излишество

Вторая и, возможно, главная причина сложившейся ситуации состоит в том, что покупатели земляных защит не предъявляют к защитам требование правильной работы при ПДЗ. Сложилась парадоксальная ситуация. Прокомментируем ее на примере генераторных защит.

Защиты генераторов

Основное требование к таким защитам состоит в том, чтобы время срабатывания было минимальным. Изготовители обеспечивают выполнение этого требования, но лишь для устойчивого замыкания. А на долю устойчивых приходится небольшой процент от общего числа замыканий на землю. Каким будет время срабатывания защиты, если замыкание на землю будет происходить через перемежающуюся дугу, и сработает ли она вообще – вопрос, который, на взгляд автора, должен обязательно задаваться изготовителю.

Несколько десятилетий назад в нормативных документах появилось требование о том, чтобы генераторные защиты не имели зоны нечувствительности. Это стимулировало соответствующие разработки, в результате которых такие защиты появились. Ими являются защиты с использованием естественных высших гармоник и защиты с наложением тока непромышленной частоты или постоянного тока.

Требование отсутствия зоны нечувствительности привело к существенному усложнению защит. Между тем замыкания вблизи нейтрали, с одной стороны, являются наименее опасными, с другой стороны, они бывают еще реже, чем устойчивые замыкания вблизи выводов генератора. Наиболее опасный и часто возникающий вид однофазного замыкания – перемежающееся дуговое замыкание. Почему же в нормативных документах есть требование отсутствия зоны нечувствительности, но нет требования правильной работы при ПДЗ?

Автором настоящей статьи совместно с Р. А. Вайнштейном (Томский политехнический университет) в 70-х годах прошлого века разработано устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Его подробное описание имеется в [1]. Устройство состоит из физической модели сети с изолированной или компенсированной нейтралью и модели дугового промежутка (МДП).

Модель сети имеет номинальное напряжение 173 В. МДП построена на базе управляемого двунаправленного вентиля, который подобно дуге переменного тока обладает способностью восстанавливать электрическую прочность при прохождении тока через ноль. К модели сети через согласующие элементы подключается реальное устройство защиты. МДП позволяет моделировать перемежающиеся дуги с любыми значениями пробивного напряжения и длительности токовой паузы, что обеспечивает возможность исследований с учетом многообразия процесса ПДЗ.

С помощью этого устройства был исследован гармонический состав токов и напряжения нулевой последовательности в компенсированных сетях [2, 3]. Эти результаты важны для разработчиков защит, реагирующих на токи непромышленной частоты, в частности, на естественные высшие гармоники. В соответствующих публикациях [4, 5, 6] вопросу поведения защит при ПДЗ уделено особое внимание.

Вывод

В электроустановках 6–35 кВ большинство замыканий на землю происходит через перемежающуюся дугу, которая более опасна, чем устойчивое замыкание, при этом время горения перемежающейся дуги может быть большим.

Целесообразно рассмотреть вопрос о включении в нормативные акты требования правильной работы земляных защит при ПДЗ, что особенно важно для генераторных защит. Техническим специалистам, которые формируют заказы на земляные защиты, необходимо требовать от изготовителей обоснованные данные о том, как работает защита при внешних и внутренних ПДЗ. Это будет стимулировать изготовителей к соответствующим исследованиям.

Разработчикам защит рекомендуется использовать устройство для физического моделирования электрических процессов, вызываемых ПДЗ. Все данные по этому устройству опубликованы в открытой печати. Это позволит обойтись без сложных и очень затратных экспериментов по зажиганию перемежающейся дуги.

Список использованной литературы

1. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. Физическое моделирование электрических процессов, вызываемых перемежающимися дуговыми замыканиями // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 10.
2. Вайнштейн Р.А., Головко С.И. О гармоническом составе токов нулевой последовательности в сетях с компенсацией емкостных токов при замыканиях на землю через перемежающуюся дугу // Известия вузов: Энергетика. 1978. № 12.
3. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Албул В.Н. Условия селективной работы защит с наложением контрольного тока при перемежающихся дуговых замыканиях // Известия вузов: Энергетика. 1988. № 7.
4. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю обмотки статора генераторов, работающих на сборные шины // Электрические станции. 2005. № 7.
5. Головко С.И., Потапов П.Н. Защита от замыканий на землю кабельных линий 6–10 кВ в сетях с компенсацией емкостных токов // Электрические станции. 2003. № 2.
6. Головко С.И., Вайнштейн Р.А., Юдин С.М. Селективная сигнализация однофазных замыканий и измерение расстройки компенсации в сетях 30, 35 кВ // Электрические станции. 2000. № 7.

Принцип работы токовой направленной защиты нулевой последовательности в электрических сетях 110 кВ

Токовая направленная защита нулевой последовательности (ТНЗНП) применяется при необходимости обеспечения защиты высоковольтных линий электропередач от однофазных коротких замыканий — замыканий на землю одного из фазных проводов в электросети. Данная защита используется в роли резервной защиты линий электропередач класса напряжения 110 кВ. Ниже приведем принцип работы данной защиты, рассмотрим каким образом и при помощи каких устройств реализуется ТНЗНП в электрических сетях 110 кВ.

В электротехнике есть понятие о симметричных и несимметричных системах фазных токов или напряжений. Симметричная система предусматривает равенство фазных токов (напряжений) трехфазной сети. При этом векторы фазных токов могут стоять относительно друг к другу в прямой, обратной, а также нулевой последовательности (НП).

При прямой последовательности векторы фазных токов идут в последовательности А, В, С, каждая из фаз отстает от другой на 120 гр. Обратная последовательность — чередование фаз А, С, В, угол сдвига фаз тот же – 120 гр. При нулевой последовательности векторы трех фаз совпадают по направлению. Несимметричная система представляется как значение тока — геометрическая сумма векторов всех составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности.

В нормальном режиме работы участка электросети система токов и напряжений является симметричной, то же самое касается межфазных коротких замыканий. В данном случае, как напряжение, так и ток НП равны нулю. В случае возникновения однофазного замыкания на землю система становится несимметричной — возникает ток и напряжение НП.

В данном случае ток (напряжение) одной из фаз нулевой последовательности равен трети суммы векторов несимметричной системы, соответственно сумма векторов несимметричной системы – это тройной ток (напряжение) НП.

Результаты расчетов коротких замыканий в электрических сетях также показывают, что ток однофазного замыкания на землю в электрических сетях равен тройному значению тока НП – 3I0, а напряжение, возникающее между нейтралью трансформатора и точки короткого замыкания – тройному значению напряжения НП — 3U0.

Принцип работы токовой защиты нулевой последовательности заключается в контроле значения 3I0 на линии электропередач и в случае достижения его определенной величины – реализации автоматического отключения выключателя линии электропередач с определенной выдержкой времени.

На практике токи небаланса 3I0 получают на выходе так называемого фильтра токов нулевой последовательности. Данный фильтр получают путем электрического соединения между собой начал и концов обмоток трансформаторов тока каждой из фаз линии.

В нормальном режиме работы участка электрической сети на выходе фильтра токов НП отсутствует ток. В случае возникновения повреждения – падения одного из фазных проводов линии электропередач на землю, возникает небаланс – появляется некоторое значение тока 3I0, значение которого фиксируется на выходе фильтра токов НП.

ТНЗНП, как правило, многоступенчатая защита. Каждая из ступеней защиты имеют свою выдержку времени срабатывания. Для обеспечения селективности работы защит на смежных подстанциях участки электрической сети разделяют на участки (зоны действия). Таким образом, защита обеспечивает защиту линии электропередач, питающейся от подстанции, где установлен данный комплект защит, и выступает в роли резервирующей защиты смежных подстанций.

Существует такое явление, как качания в системе. Если защита от междуфазных КЗ, например, дистанционная защита, может ложно срабатывать при возникновении данного явления, то ложное срабатывание ТНЗНП исключено, так как данная защита реагирует исключительно на возникновение токов нулевой последовательности, возникновение которых нехарактерно для явления качаний в энергосистеме.

Рассматриваемая в статье защита, по сути, является защитой от замыканий на землю, поэтому данная защита имеет альтернативное название – земляная защита (ЗЗ) .

Какие устройства выполняют функцию направленной токовой защиты нулевой последовательности в электрических сетях

Для обеспечения защиты линий электропередач от всех видов повреждений (как однофазных, так и междуфазных коротких замыканий) токовая защита нулевой последовательности реализуется совместно с дистанционной защитой. Устройства, выполняющие функции данных защит, могут быть выполнены, как на реле электромеханического принципа работы, так и на современных устройствах – микропроцессорных терминалах защит.

Среди электромеханических защит приобрели наибольшую популярность комплекты типа ЭПЗ-1636, которые имеют несколько различных модификаций. В современных условиях, при строительстве новых распределительных подстанций или техническом переоснащении старых объектов, преимущество отдается микропроцессорным защитным устройствам. Для реализации резервных защит линий 110 кВ, в том числе и ТНЗНП, часто используются микропроцессорные терминалы производства компании ABB, например, многофункциональное устройство REL650.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Земляная защита

Земляная защита (ЗЗ) предназначена для защиты ВЛ в сетях с заземленной нейтралью от КЗ на землю. Полное правильное название защиты — токовая направленная защита нулевой последовательности (ТНЗНП).

ЗЗ реагирует на ток нулевой последовательности защищаемой ВЛ: если величина тока нулевой последовательности превышает уставку, ЗЗ срабатывает и отключает защищаемую ВЛ. То есть, по принципу действия ЗЗ является максимальной токовой защитой, включенной не на полные фазные токи, а на ток нулевой последовательности.

Реле тока ЗЗ включаются в обратный провод трансформаторов тока (ТТ), соединенных в полную звезду (рис. 2.2.1). Ток в реле ЗЗ равен сумме токов трех фаз и равен утроенному току нулевой последовательности:

В нормальном режиме работы ток в реле тока ЗЗ равен нулю, так как сумма токов трех фаз в трехфазном симметричном режиме работы равна нулю. Ток в реле тока ЗЗ может появиться только в четырех случаях:

1. При КЗ на землю (однофазных и двухфазных). При однофазных КЗ ток в ЗЗ равен току КЗ. При КЗ на землю 33 срабатывает правильно — она для этого и предназначена.

2. При замыкании двух фаз двух соседних ВЛ. С точки зрения питающей энергосистемы это двухфазное КЗ, и ЗЗ энергосистемы при этом не работают. Но в ЗЗ обеих поврежденных ВЛ ток 3I равен току КЗ и обе защиты могут сработать. Работа ЗЗ при этом считается правильной.

3. При обрывах фаз в сети. При этом ток в защите примерно равен току нагрузки и ЗЗ может сработать (если ток нагрузки больше тока срабатывания защиты), а может, и нет. В любом случае поведение защиты считается правильным.

4. При неисправности токовых цепей: обрыв или закорачивание одной или двух фаз токовых цепей. При этом ток в защите равен току нагрузки и ЗЗ может сработать ложно (если ток нагрузки больше тока срабатывания защиты), без повреждения в сети.

Во всех остальных режимах: в нормальном режиме, при качаниях, при асинхронном ходе, при междуфазных КЗ без земли ток 3I0 отсутствует и ЗЗ принципиально не работает.

ЗЗ — защита с относительной селективностью. Для обеспечения селективности выдержки времени ЗЗ в сети выбираются по ступенчатому принципу со ступенью селективности 0,4-0,5 сек.

Принцип работы дифференциальной защиты автотрансформаторов

Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается не на всех трансформаторах (автотрансформаторах), а лишь в следующих случаях:

– на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВА и выше;

– на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4000 кВА и выше;

– на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности (kЧ При параллельной работе трансформаторов (автотрансформаторов) дифференциальная защита обеспечивает не только быстрое, но и селективное отключение поврежденного трансформатора (автотрансформатора), что поясняется на рисунке 1.

Если параллельно работающие трансформаторы Т1 и Т2 имеют только максимальные токовые защиты, то при повреждении, например, в точке К на вводах низшего напряжения трансформатора Т1 подействуют максимальные токовые защиты обоих трансформаторов, а так как их выдержки времени одинаковы, отключатся оба трансформатора.

Дифференциальная защита, действующая без выдержки времени, обеспечивает в рассмотренном случае отключение только поврежденного трансформатора. Для выполнения дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) устанавливаются трансформаторы тока со стороны всех его обмоток, как показано на рисунке 2 для двухобмоточного трансформатора. Вторичные обмотки соединяются в дифференциальную схему и параллельно к ним подключается токовое реле. Аналогично выполняется дифференциальная защита автотрансформатора.

При рассмотрении принципа действия дифференциальной защиты условно принимается, что защищаемый трансформатор имеет коэффициент трансформации, равный единице, одинаковое соединение обмоток и одинаковые трансформаторы тока с обеих сторон.

Если схема дифференциальной защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют точно совпадающие характеристики, то при прохождении через трансформатор тока нагрузки или тока сквозного к.з. ток в реле дифференциальной защиты трансформатора отсутствует. Следовательно, дифференциальная защита трансформатора, так же как дифференциальная защита линий, на такие режимы не реагирует.

Рис.1 – Прохождение тока к.з. и действие максимальной токовой защиты при повреждении одного из параллельно работающих трансформаторов (автотрансформаторов).

Рис.2. – Принцип действия дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора): а — токораспределение при сквозном к.з.; б — токораспределение при к.з. в трансформаторе (в зоне действия дифференциальной защиты)

Виды защит от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ)

Факторы, влияющие на работы защит от ОЗЗ

Проблема массового применения защит от ОЗЗ состоит в том, что большинство используемых на данный момент устройств показывают низкую эффективность из-за частых отказов в срабатывании, ложных и излишних срабатываний. Низкая эффективность данных защит связана со сложностью и многообразием факторов, связанных с протеканием процессов, которые используются для защит от замыканий на землю. Основные факторы, влияющие на работу защиты от замыканий на землю, это:

1. Вид замыкания (металлическая связь, замыкание через переходное сопротивление, замыкание через дугу);

2. Устойчивость замыкания (устойчивые и неустойчивые: прерывистое замыкание и замыкание через перемежающуюся дугу);

3. Наличие небалансов в сети;

4. Переходные процессы схожие с процессами при ОЗЗ (включение линии, наводка от других ЛЭП при ОЗЗ на них и т.д.).

Рассмотрим различные варианты защиты от ОЗЗ по мере повышения их сложности и эффективности. В основном можно разделить защиты от ОЗЗ на два типа — индивидуальные и централизованные защиты.

Индивидуальные защиты – решение прошлого века

Индивидуальные защиты наиболее просты, но при этом имеют высокий процент ложных срабатываний.

1.Токовая защита нулевой последовательности.

Наиболее простой и распространенной из защит от ОЗЗ является токовая индивидуальная защита нулевой последовательности, реагирующая на ток нулевой последовательности (далее НП) рабочей частоты. Однако для обеспечения условия селективности действия эти защиты должны отстраиваться от собственного ёмкостного тока фидера, что с учетом бросков ёмкостного тока в момент замыкания ограничивает чувствительность защиты.

В целом индивидуальные ненаправленные токовые защиты от ОЗЗ могут быть эффективны лишь в установках, с большим количеством подключенных к секции присоединений, каждое из которых имеет малый емкостный ток. Тогда отстройка от этого тока не приведет к недопустимому снижению чувствительности. Этот случай характерен, например, для цехов предприятий с большим количеством маломощных электродвигателей, включенных через короткие кабели. Однако если в такой сети установлен дугогасящий реактор, то защита, построенная на данном принципе не способна обеспечить устойчивость функционирования, так как емкостной ток 50 Гц поврежденного присоединения будет скомпенсирован.

2.Токовая направленная защита нулевой последовательности .

Защиты, использующие только один сигнал тока НП, несмотря на свою простоту, имеют существенные недостатки, которые будут приводить к их неселективным действиям. В ходе дальнейшего усовершенствования таких защит стали использовать два сигнала – ток и напряжение НП для определения направления. Большое число направленных защит реагируют на направление мощности нулевой последовательности в установившемся режиме. Чувствительность таких защит выше, чем ненаправленных, так как их ток срабатывания отстраивается только от тока небаланса в максимальном рабочем режиме, а отстройка защиты от собственного ёмкостного тока линии не требуется, поскольку от этого тока она отстроена по направлению. Общим недостатком защит такого типа являются их неселективные действия или отказ в срабатывании при перемежающихся дуговых ОЗЗ.

3.Защита по активной мощности нулевой последовательности.

Другим методом определения поврежденного присоединения с использованием сигналов тока и напряжения НП является расчет активной мощности нулевой последовательности в установившемся режиме. Защиты, реализованные на этом принципе, обладают более высокой устойчивостью функционирования в режимах с перемежающейся дугой в месте ОЗЗ и отстроены в большей мере от бросков ёмкостных токов в переходных процессах. Обеспечить стабильное функционирование таких защит возможно в основном в сетях с резистивным заземлением нейтрали.

4.Защита нулевой последовательности на токах высших гармоник.

Так как основной недостаток защит, использующих токи и напряжения НП промышленной частоты, в том, что они не способны работать в сетях с компенсированной нейтралью из-за отсутствия устойчивого полезного сигнала 50 Гц, то были разработаны защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на высшие гармоники электрических величин. При возникновении дуговых ОЗЗ содержание высших гармонических составляющих в сети резко увеличивается, особенно в токе повреждённой линии, где их доля значительно больше, чем в токах нулевой последовательности неповреждённых линий. Эти процессы наблюдаются в сетях всех видов заземления нейтрали.

Общие недостатки устройств, выполненных с использованием высших гармоник:

— вероятность отказа в срабатывании при ОЗЗ через переходные сопротивления;

— нестабильность состава и уровня высших гармоник в токе НП.

Условия селективности несрабатывания при внешних ОЗЗ и устойчивости срабатывания при внутренних повреждениях для устройств абсолютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присоединений.

5. Защита, реагирующая на наложенный ток.

Для повышения устойчивости функционирования защит от однофазных замыканий на землю, реагирующих на ток замыкания не промышленной частоты, была разработана защита, реагирующая на наложенный ток. Наложенный ток может быть частотой как выше промышленной, так и ниже. Для создания тока повышенной частоты возможно использование нелинейного сопротивления, включенного между нейтралью сети и землёй. Однако данное устройство значительно повышает стоимость таких защит и может снизить надёжность функционирования защиты. Также можно отметить тот факт, что значительная высокочастотная составляющая может присутствовать в токах присоединений и в нормальном режиме. Это в первую очередь относится к сетям, связанным с производствами, имеющими нелинейную нагрузку. В таких случаях описанный способ защиты непригоден. Кроме того, как показывают некоторые исследования, гармоники с частотой 100 Гц появляются почти в 2 раза чаще, чем, например, с частотой 25 Гц и амплитуды их намного больше.

К основным недостаткам защит, реагирующих на наложенный ток частотой ниже промышленной, можно отнести необходимость подключения в нейтрали сети специального устройства для создания контрольного тока, влияние на устойчивость функционирования защиты погрешностей ТТНП, возрастающих при уменьшении рабочей частоты, усложнение схемы первичной коммутации из-за необходимости подключения источника наложенного тока и трудности подключения источника вспомогательного тока при использовании в сети нескольких ДГР, установленных на разных объектах. Также не исключены сложности отстройки от естественных гармонических составляющих при внешних дуговых перемежающихся ОЗЗ, при которых спектр тока зависит от параметров сети и режима заземления её нейтрали, положения точки ОЗЗ в сети.

Централизация – решения проблемы с землей

Защиты на централизованном принципе лишены недостатков индивидуальных защит, таких как ложные срабатывания, связанные с переходными процессами на неповрежденных линиях. В централизованных защитах в основном применяют сравнение амплитудных или действующих значений токов нулевой последовательности. Поврежденный фидер определяется на основе сравнения токов нулевой последовательности по всем присоединениям и выборе присоединения с максимальным током нулевой последовательности. Расчет этих значений может проводиться как в начальный момент времени, то есть, основываясь на переходных величинах замыкания, так и в установившемся режиме. Кроме того, возможно применение высших гармонических составляющих токов нулевой последовательности либо наложенного тока с частотой, отличной от промышленной. Для расширения области применения на подстанциях с большим числом присоединений, возможно введение в такие защиты дополнительной информации, которая позволяет произвести отстройку от действия в некоторых сложных режимах, например, получение информации о напряжении нулевой последовательности с другой секции шин подстанции может повысить чувствительность.

1.Централизованная защита с поочередным опросом каналов.

Первые централизованные защиты в силу отсутствия быстродействующих микропроцессорных систем использовали последовательное сравнение токов нулевой последовательности между каждым присоединениям с целью выявить присоединение с максимальном током замыкания на землю. По этой причине данные системы не имели широкого распространения, так как при большом количестве присоединений время обработки сигналов доходило до 9 секунд.

2.Централизованная защита с параллельным опросом каналов.

За счет применения микропроцессорных систем и специальных физических элементов для устройств релейной защиты появилась возможность реализовать параллельное сравнение токов нулевой последовательности между каждым присоединением. Первые такие системы сравнивали амплитуды переходных токов, но в дальнейшем как показала практика данные системы имели ложные срабатывания из-за несинхронности или несинфазности сравниваемых сигналов, поскольку частоты и фазы переходных токов в повреждённом и неповреждённых присоединениях могут различаться между собой.

3.Централизованная защита с параллельным синхронизированным опросом каналов.

Следующий шаг в развитии защит от ОЗЗ требовал разработку устройств защиты, работающих в режиме импульсного сравнения токов нулевой последовательности во всех присоединениях, тем самым устраняя влияния несинфазности и несинхронности сравниваемых сигналов. Одной из таких разработок является защита типа Геум производства НПП «Микропроцессорные технологии» для сетей с изолированной (также способно работать и с резистивно-заземленной нейтралью) и компенсированной (комбинированной) нейтралью. Защита по принципу действия является централизованной токовой ненаправленной, сравнивающей амплитуды бросков емкостных токов нулевой последовательности во всех присоединениях защищаемой секции в момент срабатывания пускового органа, включенного на напряжение нулевой последовательности и определяющей повреждённое присоединение по наибольшей амплитуде. Ток срабатывания этой защиты не требуется отстраивать от ёмкостного тока каждого из защищаемых присоединений, что существенно повышает чувствительность защиты и тем самым выгодно отличает её от описанных ранее устройств ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности. Являясь передовой разработкой в выявлении ОЗЗ данная защита, основываясь только на алгоритме относительного замера не способна охватить все многообразие режимов связанных с процессами, влияющими на работу защит от ОЗЗ, которые описаны выше. Таким образом, в данную защиту были внедрены еще дополнительные алгоритмы.