- •Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью
- •9.1. Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю
- •9.2. Основные требования к защите
- •9.3. Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на землю
- •9.4. Фильтры токов и напряжений нулевой последовательности
- •9.5. Токовая защита нулевой последовательности
- •9.6. Направленная защита
- •9.7. Защита, реагирующая на высшие гармоники тока в установившемся режиме
- •9.8. Защиты, реагирующие на токи переходного режима
- •Вопросы для самопроверки
Глава девятая
Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью
9.1. Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю
В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.
Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю () в режиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЭДС фаз источника питания. На рис. 9.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (генератором или понижающим трансформатором) и одной эквивалентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распределенная емкость фаз относительно земли заменена эквивалентной сосредоточенной емкостьюС0. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.
В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям UA, UВ, UС, которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания ЕA, ЕВ, ЕС. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рис. 9.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: UN = 0. Под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли CA, CВ, CС проходят токи, опережающие фазные напряжения на 90°:
IA = UA /-jXC; IВ = UВ /-jXC; IС = UС /-jXC;
где XC = . (9.1)
Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I0 отсутствует (рис. 9.2, а).
Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (см. рис. 9.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (UA = 0). Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным UN = UКN (рис. 9.1 и 9.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:
UN = UКN = - ЕA . (9.2)
Напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений = UВА и = UСА. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рис. 9.1 и 9.2.
На рис. 9.2, б построена векторная диаграмма напряженийпроводов и нейтрали сети по отношению к земле (,,UN): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал.
Токи при замыкании на землю. В месте повреждения К проходят токи, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз сети (9.1). Поскольку UА = 0, то IA(С) = 0. В двух других фазах под действием напряжений и появляются токи, опережающие на 90° эти напряжения:
IВ(С) = jUВА/XCиIС(С) = jUСА/XC.(9.3)
Ток Iз(С) в месте повреждения равен сумме токов в фазах В и С (рис.9.1): Iз(С) = (IВ(С) + IС(С)). С учетом (9.3)
Iз(С) = j= j.
Поскольку UВА + UСА = - 3ЕA (рис. 9.2, б):
Iз(С) = - 3ЕA / XC = - j3UАФ/XC.(9.4)
Таким образом, ток Iз(С) равен утроенному значению нормального емкостного тока фазы IФ(С) = UФ/XC.Из рис. 9.2,б видно, что ток Iз(С) опережает от UN на 90°. Ток Iз(С) может быть определен по формуле
Iз(С) = 3IСФ = 3UФ/XC =3UФ Суд l· 10−6,
где l- общая протяженность одной фазы сети; Суд - емкость 1 км фазы относительно земли.
В воздушных сетях Iз(С) находится в пределах от долей до нескольких десятков ампер; в кабельных - от нескольких ампер до 200-400 А в сетях больших городов.
Токи и напряжения нулевой последовательности при замыканиях на землю. При замыкании на землю в фазных напряжениях и токах появляются составляющие НП:
U0К = (++); (9.5)
I0=(++).(9.6)
Подставляя в (9.5) значения и,получаем
U0К = (UВА +UСА) = - ЕA = UN . (9.7)
Поскольку сопротивление проводов значительно меньше ХС, во всех точках сети U0 = U0К. Токи I0, возникающие под действием U0К, замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются. Из распределения токов I0, показанного на рис. 9.3, следует:
I0(C) = - j U0К/ XC = - j ЕA / XC = - jUФ / XC , (9.8)
где UФ- нормальное напряжение поврежденной фазы.
Из приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что емкостный ток в месте замыкания
Iз(С) = 3I0(С) . (9.9)
Токи 3I0(С) и Iз(С) совпадают по фазе и опережают вектор напряжения.
Компенсированная сеть. Рассмотрим сеть, нейтраль которой заземлена через дугогасящий реактор ДГР, предназначенный для компенсации емкостных токов в месте повреждения (рис. 9.4). При замыкании на землю напряжения во всех точках такой сети имеют те же значения, что и в сети с изолированной нейтралью. При наличии ДГР под действием напряжения U0К = UN = -ЕА возникает индуктивный ток I дгр, который проходит по замкнувшейся на землю фазе А поврежденной ЛЭП W1 к месту замыкания К и по земле возвращается в ДГР:
IДГР = -ЕА /ХДГР. Этот ток накладывается на емкостный ток Iз(С). Являясь индуктивным, IДГР противоположен по фазе Iз(С). Результирующий ток
Iз = IДГР + Iз(С) = ЕА /ХДГР + 3ЕА С0.
При полной компенсации, которую обычно стремятся обеспечить, IДГР = Iз(С) = 3ЕА С0, и тогда результирующий ток Iз = 0.
Емкостный ток НП I0(С) (рис. 9.4, а) проходит по всем неповрежденным и поврежденной ЛЭП. Ток IДГР проходит только по поврежденному присоединению W1. Ток I0 в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка его изолирована. В неповрежденных ЛЭП (wп) сумма фазных емкостных токов при замыканиях на землю всегда отлична от нуля и равна 3I0(С)wп. Токи I0(С)wп направлены к шинам, их значения определяются емкостями С0 ЛЭП:
==. (9.10)
В поврежденной ЛЭП W1 на участке от шин подстанции до точки замыкания К ток 3I0п.л равен суммарному току =Iз(С) в месте повреждения за вычетом тока
3I0(С)п.л = 3U0K (С0- С0нп.л). (9.11)
Ток 3I0(С)п.л направлен от шин подстанции к месту замыкания, он всегда противоположен токам 3I0(С) в неповрежденных ЛЭП.
При наличии ДГР ток в начале поврежденной ЛЭП 3I0п.л равен разности токов IДГР дугогасящего реактора и суммарного емкостного тока неповрежденных ЛЭП:
3I0п.л = IДГР - 3I0(С)нп.л = - (3U0K С0-3U0K С0W1). (9.12)
При полной компенсации IДГР = 3I0(С)нп.л и тогда
3I0п.л = . (9.13)
Следовательно, в компенсированной сети в начале поврежденной ЛЭП (между шинами и точкой К) проходит остаточный индуктивный ток ДГР, численно равный емкостному току поврежденной ЛЭП (W1 на рис. 9.4). Направление этого тока при полной компенсации будет совпадать с направлением тока в неповрежденных ЛЭП. Распределение токов I0, показанное на рис. 9.4, справедливо для любых значений , т. е. для всех гармоник (кроме кратных трем) токов I0 и IФ.
Токи в сети с активным сопротивлением. Иногда параллельно дугогасящему реактору включается резистор 1? (показано пунктиром на рис. 9.4). Тогда, кроме токов I0(С) и IДГР появляется третий ток IR = U0K/R, совпадающий по фазе с U0K и сдвинутый на 90° по отношению к токам I0(С) и IДГР. Таким образом, при наличии резистора R ток в месте повреждения
Iз = . (9.14)
При замыкании на землю через переходное сопротивление
RП напряжение поврежденной фазы UА = Iз RП = U0K, а напряжение в нейтрали UN = -ЕА + UK, т. е. оно оказывается меньшим, чем при металлическом замыкании. Соответственно уменьшаются напряжения неповрежденных фаз относительно земли, а также токи I0 и Iз. В емкости поврежденной фазыпоявляется ток IА = .
В расчетах снижение тока и напряжения НП, обусловленное сопротивлением RП, учитывается коэффициентом полноты замыкания =U0K /UФ . При металлическом замыкании = 1, так какU0K = UФ. При неполном замыкании на землю U0K = UФ, ток I0 = UФ /ХC, а ток
Iз = 3I0 = 3UФ /ХC. (9.15)