Название: Испытание токовой защиты нулевой последовательности в сети с малыми токами замыкания на землю

Жанр: Технические

Просмотров: 1180


1. характеристика сетей среднего напряжения

Сети напряжением 3…35 кВ часто называют сетями среднего напряжения. Это распределительные электрические сети, по которым осуществляется доставка электрической энергии до потребителя. Они выполняются в виде воздушных линий (ВЛ) или в виде кабельных линий (КЛ). На таком же напряжении вырабатывается электрическая энергия на электростанциях. Чтобы уменьшить вероятность появления коротких замыканий, в этих сетях не производят глухого заземления нейтралей силовых трансформаторов и генераторов. Благодаря последнему замыкание фазы на землю (ЗНЗ) не приводит к появлению короткого замыкания (КЗ). Ток при замыкании одной фазы на землю обусловлен емкостями фаз линии относительно земли. Их величина в зависимости от протяженности линий колеблется от единиц до десятков ампер. Это не только несоизмеримо с током КЗ, но и намного меньше тока нагрузки. Кроме того, эти замыкания не отражаются на питании потребителей, так как к ним подведено линейное напряжение. Поэтому ПУЭ [1] допускает в таких сетях не отключать поврежденное присоединение релейной защитой, если это не связано с опасностью для жизни людей (шахты, карьеры).

      Однако данный вид повреждений не является «безобидным» и для самой электрической сети. Замыкание фазы на землю ведет к повышению напряжения на неповрежденных фазах, что очень часто приводит к переходу однофазного замыкания в двухфазное КЗ. Нестабильная (перемежающаяся) дуга в месте замыкания приводит к появлению переходных процессов и перенапряжениям в сети. Изменение напряжений на емкостях фаз может вызвать феррорезонанс с индуктивностью трансформаторов напряжения, что ведет к их перегоранию. Дуга между обмоткой и корпусом электрической машины может привести к ее разрушению. Кроме того, оборванный и лежащий на земле провод представляет опасность для людей и животных. Поэтому выявление и селективное отключение замыкания на землю является весьма актуальной задачей.

      Простейшей селективной защитой от ЗНЗ является токовая защита, реагирующая на ток нулевой последовательности в установившемся режиме.

2. Трансформаторы тока

нулевой последовательности

      Ток нулевой последовательности, обусловленный емкостями фаз относительно земли, измерять достаточно трудно, так как он накладывается на рабочие токи фаз. При этом полная погрешность трансформатора тока, включенного на ток фазы, может быть соизмеримой с самими токами ЗНЗ.

      Поэтому для выделения емкостного тока нулевой последовательности используют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТНП) (рис. 1). Сердечник ТНП охватывает все три фазы защищаемого присоединения [2, 3, 4].

Вторичная обмотка, намотанная на магнитопровод, используется для подключения реле.

      Результирующий магнитный поток в сердечнике, создаваемый первичными токами, будет обусловлен только токами нулевой последовательности, протекающими по фазам. Наибольшее применение нашли ТНП кабельного типа (ТЗЛ, ТЗЛМ, ТЗРЛ). Токи прямой и обратной последовательности практически не вызывают тока в реле, т.е. током небаланса во вторичной обмотке можно пренебречь. Однако потребляемый ТНП ток намагничивания может быть соизмерим с током в реле. Поэтому его коэффициент трансформации не является постоянным и зависит от его нагрузки, т.е. от типа используемого реле. Поэтому для каждого примененного в защите реле может быть найдена зависимость первичного тока срабатывания защиты от тока срабатывания реле (Iсз = f(Iср)).

      В ряде случаев, когда сердечник ТНП должен охватить несколько кабелей или шинный мост (применительно к генератору, подключенному к сборным шинам), длина магнитопровода может оказаться настолько большой, что при токах Iз = 3I0 = Iсз напряженность магнитного поля в сердечнике будет соответствовать начальному участку кривой намагничивания.

      Из рассмотрения рис. 2 видно, что при изменении напряженности магнитного поля в этой части кривой намагничивания (Нз) диапазон изменения индукции ΔВ′ за период промышленной частоты чрезвычайно мал [5]. Это вызовет малую ЭДС во вторичной обмотке ТНП. Для увеличения этой ЭДС необходимо рабочую точку сместить в области кривой, соответствующей максимальному значению эффективной магнитной проницаемости:

.

 

 

 

 

   

 

Рис. 2. Кривая намагничивания и эффективной магнитной

проницаемости сердечника ТНП

      Для этой цели используется подмагничивание сердечника от постороннего источника (трансформатора напряжения). Чтобы предотвратить трансформацию тока из обмотки подмагничивания во вторичную обмотку, сердечник ТНП выполняют из двух половинок, на которые нанесены одинаковые обмотки подмагничивания ω|пм и ω||пм и одинаковые вторичные обмотки ω|2 и ω||2 (рис. 3). Обмотки ωпм соединены встречно, ω2 – согласно. Таким образом, ЭДС вторичной обмотки пропорциональна только току нулевой последовательности, протекающему по фазам, пропущенным через окно ТНП. Кроме ЭДС, вызванной токами нулевой последовательности, во вторичной обмотке имеет место ЭДС небаланса, обусловленная некоторым неравенством потоков подмагничивания и асимметрией расположения проводников первичной обмотки в окне ТНП. Поэтому увеличивающаяся при протекании по первичной обмотке тока КЗ ЭДС небаланса может вызвать неселективное действие защиты и она должна быть заблокирована.

 

 

 

 

 

Рис. 3. Конструкция ТНП с подмагничиванием

 

3. Распределение емкостных токов

при замыкании на землю

      При отсутствии ЗНЗ в сети емкости фаз относительно земли всех элементов находятся под фазным напряжением и емкостные токи трех фаз представляют симметричную звезду (рис. 4, а). При металлическом замыкании фазы на землю напряжение на емкости поврежденной фазы уменьшается до нуля, а на «здоровых» фазах увеличивается до линейного. В емкостном токе появляется ток нулевой последовательности (рис. 4, б).

 

                             а                                                                         б

Рис. 4. Емкостные токи в сети

 

      На рис. 5 показаны пути протекания емкостных токов при замыкании на землю. Сеть представлена в виде генератора (Сг), эквивалентной сети (Ссети) и защищаемого присоединения (Спр). В цепь защищаемого присоединения включен трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП). Токи емкостей здоровых фаз всех элементов сети текут в нейтраль генератора и, просуммировавшись по поврежденной фазе, стекают в место замыкания. На рис. 5, а показано распределение токов для случая замыкания на защищаемом присоединении, а на рис. 5, б – при замыкании в эквивалентной сети. Из рис. 5, а следует, что результирующий ток, протекающий через окно ТНП защищаемого присоединения, равен сумме:

3I0 защ. = 3I0cг + 3I0ссети.

 

Рис. 5. Распределение емкостных токов нулевой последовательности

      Емкостной ток защищаемого присоединения течет через окно ТНП дважды в противоположных направлениях, так что его потокосцепление со вторичной обмоткой равно нулю. При замыкании за пределами защищаемого присоединения (рис. 5, б) через окно ТНП течет только ток 3I0c присоединения. Анализируя эти два режима, можно сделать вывод, что защита присоединения, реагирующая на ток нулевой последовательности, будет селективной и чувствительной, если ее ток срабатывания выбран исходя из следующего соотношения:

3I0c пр < Iс защ < 3I0с вн сети .                                (1)